Запись химического взаимодействия, отражающая количественную и качественную информацию о реакции, называют уравнением химических реакций. Записывается реакция химическими и математическими символами.

Основные правила

Химические реакции предполагают превращение одних веществ (реагентов) в другие (продукты реакции). Это происходит благодаря взаимодействию внешних электронных оболочек веществ. В результате из начальных соединений образуются новые.

Чтобы выразить ход химической реакции графически, используются определённые правила составления и написания химических уравнений.

В левой части пишутся изначальные вещества, которые взаимодействуют между собой, т.е. суммируются. При разложении одного вещества записывается его формула. В правой части записываются полученные в ходе химической реакции вещества. Примеры записанных уравнений с условными обозначениями:

• CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4 ;
• CaCO 3 = CaO + CO 2 ;
• 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 ;
• CH 3 COONa + H 2 SO 4 (конц.) → CH 3 COOH + NaHSO 4 ;
• 2NaOH + Si + H 2 O → Na 2 SiO 3 + H 2 .

Коэффициенты перед химическими формулами показывают количество молекул вещества. Единица не ставится, но подразумевается. Например, уравнение Ba + 2H 2 O → Ba(OH) 2 + H 2 показывает, что из одной молекулы бария и двух молекул воды получается по одной молекуле гидроксида бария и водорода. Если пересчитать количество водорода, то и справа, и слева получится четыре атома.

Обозначения

Для составления уравнений химических реакций необходимо знать определённые обозначения, показывающие, как протекает реакция. В химических уравнениях используются следующие знаки:

• → - необратимая, прямая реакция (идёт в одну сторону);
• ⇄ или ↔ - реакция обратима (протекает в обе стороны);
• - выделяется газ;
• ↓ - выпадает осадок;
• hν - освещение;
• t° - температура (может указываться количество градусов);
• Q - тепло;
• Е(тв.) - твёрдое вещество;
• Е(газ) или Е(г) - газообразное вещество;
• Е(конц.) - концентрированное вещество;
• Е(водн.) - водный раствор вещества.

Рис. 1. Выпадение осадка.

Вместо стрелки (→) может ставиться знак равенства (=), показывающий соблюдение закона сохранения вещества: и слева, и справа количество атомов веществ одинаково. При решении уравнений сначала ставится стрелка. После расчёта коэффициентов и уравнения правой и левой части под стрелкой подводят черту.

Условия реакции (температура, освещение) указываются сверху знака протекания реакции (→,⇄). Также сверху подписываются формулы катализаторов.

Рис. 2. Примеры условий реакции.

Какие бывают уравнения

Химические уравнения классифицируются по разным признакам. Основные способы классификации представлены в таблице.

Признак	Реакции	Описание	Пример
По изменению количества реагентов и конечных веществ	Замещения	Из простого и сложного вещества образуются новые простые и сложные вещества	2Na +2H 2 O → 2NaOH + H 2
	Соединения	Несколько веществ образуют новое вещество	С + О 2 = СО 2
	Разложения	Из одного вещества образуется несколько веществ	2Fe(OH) 3 → Fe 2 O 3 + 3H 2 O
	Ионного обмена	Обмен составными частями (ионами)	Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O
По выделению тепла	Экзотермические	Выделение тепла	С + 2H 2 = СH 4 + Q
	Эндотермические	Поглощение тепла	N 2 + O 2 → 2NO – Q
По типу энергетического воздействия	Электрохимические	Действие электрического тока
	Фотохимические	Действие света
	Термохимические	Действие высокой температуры
По агрегатному состоянию	Гомогенные	Одинаковое состояние	CuCl 2 + Na 2 S → 2NaCl + CuS↓
	Гетерогенные	Разное состояние	4Н 2 О (ж) + 3Fe (т) → Fe 3 O 4 + 4H 2

Существует понятие химического равновесия, присущее только обратимым реакциям. Это состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции, а также концентрации веществ равны. Такое состояние характеризуется константой химического равновесия.

При внешнем воздействии температуры, давления, света реакция может смещаться в сторону уменьшения или увеличения концентрации определённого вещества. Зависимость константы равновесия от температуры выражается с помощью уравнений изобары и изохоры. Уравнение изотермы отражает зависимость энергии и константы равновесия. Эти уравнения показывают направление протекания реакции.

Калькулятор ниже предназначен для уравнивания химических реакций.

Как известно, существует несколько методов уравнивания химических реакций:

• Метод подбора коэффициентов
• Математический метод
• Метод Гарсиа
• Метод электронного баланса
• Метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций)

Последние два применяются для окислительно-восстановительных реакций

Данный калькулятор использует математический метод - как правило, в случае сложных химических уравнений он достаточно трудоемок для ручных вычислений, но зато прекрасно работает, если все за вас рассчитывает компьютер.

Математический метод основан на законе сохранения массы. Закон сохранения массы гласит, что количество вещества каждого элемента до реакции равняется количеству вещества каждого элемента после реакции. Таким образом, левая и правая части химического уравнения должны иметь одинаковое количество атомов того или иного элемента. Это дает возможность балансировать уравнения любых реакций (в том числе и окислительно-восстановительных). Для этого необходимо записать уравнение реакции в общем виде, на основе материального баланса (равенства масс определенного химического элемента в исходных и полученных веществах) составить систему математических уравнений и решить ее.

Рассмотрим этот метод на примере:

Пусть дана химическая реакция:

Обозначим неизвестные коэффициенты:

Составим уравнения числа атомов каждого элемента, участвующего в химической реакции:
Для Fe:
Для Cl:
Для Na:
Для P:
Для O:

Запишем их в виде общей системы:

В данном случае имеем пять уравнений для четырех неизвестных, причем пятое можно получить умножением четвертого на четыре, так что его можно смело отбросить.

Перепишем эту систему линейных алгебраических уравнений в виде матрицы:

Эту систему можно решить методом Гаусса. Собственно, не всегда будет так везти, что число уравнений будет совпадать с числом неизвестных. Однако прелесть метода Гаусса в том, что он как раз и позволяет решать системы с любым числом уравнений и неизвестных. Специально для этого был написан калькулятор Решение системы линейных уравнений методом Гаусса с нахождением общего решения , который и используется при уравнивании химических реакций.
То есть калькулятор ниже разбирает формулу реакции, составляет СЛАУ и передает калькулятору по ссылке выше, решающему СЛАУ методом Гаусса. Решение потом используется для отображения сбалансированного уравнения.

Химические элементы следует писать так, как они написаны в таблице Менделеева, т. е. учитывать большие и маленькие буквы (Na3PO4 - правильно, na3po4 - неправильно).

Решение уравнений химический реакций вызывают затруднения у немалого количества учеников средней школы во-многом благодаря большому разнообразию участвующих в них элементов и неоднозначности их взаимодействия. Но так как основная часть курса общей химии в школе рассматривает именно взаимодействие веществ на основе их уравнений реакций, то ученикам необходимо обязательно ликвидировать пробелы в данной области и научиться решать химические уравнения, чтобы избежать проблем с предметом в дальнейшем.

Уравнением химической реакции называется символьная запись, отображающая взаимодействующие химические элементы, их количественное соотношение и получающиеся в результате взаимодействия вещества. Данные уравнения отражают сущность взаимодействия веществ с точки зрения атомно-молекулярного или электронного взаимодействия.

1. В самом начале школьного курса химии учат решать уравнения на основе понятия валентности элементов периодической таблицы. На основе данного упрощения рассмотрим решение химического уравнения на примере окисления алюминия кислородом. Алюминий, взаимодействуя с кислородом, образует оксид алюминия. Обладая указанными исходными данными составим схему уравнения.

   Al + O 2 → AlO

   
   

   В данном случае мы записали примерную схему химической реакции, которая лишь частично отражает ее сущность. В левой части схемы записываются вещества, вступающую в реакцию, а в правой результат их взаимодействия. Кроме того, кислород и другие типичные окислители, обычно записываются правее металлов и других восстановителей в обоих частях уравнения. Стрелка показывает направление реакции.

2. Чтобы данная составленная схема реакции приобрела законченный вид и соответствовала закону сохранения массы веществ, необходимо:
   • Проставить индексы в правой части уравнения у вещества, получившегося в результате взаимодействия.
     
   • Уровнять количество участвующих в реакции элементов с количеством получившегося вещества в соответствии с законом сохранения массы веществ.
3. Начнем с приостановки индексов в химической формуле готового вещества. Индексы устанавливаются в соответствии с валентностью химических элементов. Валентностью называют способность атомов образовывать соединения с другими атомами за счет соединения их неспаренных электронов, когда одни атомы отдают свои электроны, а другие присоединяют их себе на внешний энергетический уровень. Принято считать, что валентность химического элемента определяет его группой (колонкой) в периодической таблице Менделеева. Однако на практике взаимодействие химических элементов происходит гораздо сложнее и разнообразнее. Например, атом кислорода во всех реакциях имеет валентность Ⅱ, несмотря на то, что в периодической таблице находится в шестой группе.
4. Чтобы помочь вам сориентироваться в этом многообразии, предлагаем вам следующий небольшой справочный помощник, который поможет определить валентность химического элемента. Выберите интересующий вас элемент и вы увидите возможные значения его валентности. В скобках указаны редкие для выбранного элемента валентности.
5. Вернемся к нашему примеру. Запишем в правой части схемы реакции сверху над каждым элементом его валентность.

   Для алюминия Al валентность будет равна Ⅲ, а для молекулы кислорода O 2 валентность равна Ⅱ. Находим наименьшее общее кратное к этим числам. Оно будет равно шести. Делим наименьшее общее кратное на валентность каждого элемента и получаем индексы. Для алюминия шесть делим на валентность получаем индекс 2, для кислорода 6/2=3. Химическая формула оксида алюминия, полученного в результате реакции, примет вид Al 2 O 3 .

   Al + O 2 → Al 2 O 3

6. После получения правильной формулы готового вещества необходимо проверить и в большинстве случаев уравнять правые и левые части схемы согласно закона сохранения массы, так как продукты реакции образуются из тех же атомов, которые изначально входили в состав исходных веществ, участвующих в реакции.
7. Закон сохранения массы гласит, что количество атомов вступивших в реакцию должно равняться количеству атомов получившихся в результате взаимодействия. В нашей схеме во взаимодействии участвуют один атом алюминия и два атома кислорода. В результате реакции получаем два атома алюминия и три кислорода. Очевидно, что схему необходимо уровнять, используя коэффициенты для элементов и вещества, чтобы соблюдался закон сохранения массы.
8. Уравнивание выполняют также через нахождение наименьшего общего кратного, которое находится между элементами, обладающими наибольшими индексами. В нашем примере это будет кислород с индексом в правой части равным 3 и в левой части равным 2. Наименьшее общее кратное и в этом случае будет равно 6. Теперь разделим наименьшее общее кратное на значение наибольшего индекса в левой и правой частях уравнения и получим следующие индексы для кислорода.

   Al + 3∙O 2 → 2∙Al 2 O 3

9. Теперь остается уравнять только алюминий в правой части. Для этого в левую часть поставим коэффициент 4.

   4∙Al + 3∙O 2 = 2∙Al 2 O 3

10. После расстановки коэффициентов уравнение химической реакции соответствует закону сохранения массы и между его левой и правой частями можно поставить знак равенства. Расставленные коэффициенты в уравнении обозначают число молекул веществ, участвующих в реакции и получающихся в результате нее, или соотношение данных веществ в молях.

После выработки навыков решения химических уравнений на основе валентностей взаимодействующих элементов, школьный курс химии знакомит с понятием степени окисления и теорией окислительно-восстановительных реакций. Данный тип реакций является наиболее распространенным и в дальнейшем химические уравнения чаще всего решают на основе степеней окисления взаимодействующих веществ. О том, рассказано в соответствующей статье на нашем сайте.

В уроке 13 «» из курса «Химия для чайников » рассмотрим для чего нужны химические уравнения; научимся уравнивать химические реакции, путем правильной расстановки коэффициентов. Данный урок потребует от вас знания химических основ из прошлых уроков. Обязательно прочитайте об элементном анализе, где подробно рассмотрены эмпирические формулы и анализ химических веществ.

В результате реакции горения метана CH 4 в кислороде O 2 образуются диоксид углерода CO 2 и вода H 2 O. Эта реакция может быть описана химическим уравнением :

• CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O (1)

Попробуем извлечь из химического уравнения больше сведений, чем просто указание продуктов и реагентов реакции. Химичекое уравнение (1) является НЕполным и потому не дает никаких сведений о том, сколько молекул O 2 расходуется в расчете на 1 молекулу CH 4 и сколько молекул CO 2 и H2 O получается в результате. Но если записать перед соответствующими молекулярными формулами численные коэффициенты, которые укажут сколько молекул каждого сорта принимает участие в реакции, то мы получим полное химическое уравнение реакции.

Для того, чтобы завершить составление химического уравнения (1), нужно помнить одно простое правило: в левой и правой частях уравнения должно присутствовать одинаковое число атомов каждого сорта, поскольку в ходе химической реакции не возникает новых атомов и не происходит уничтожение имевшихся. Данное правило основывается на законе сохранения массы, который мы рассмотрели в начале главы.

Нужно для того, чтобы из простого химического уравнения получить полное. Итак, перейдем к непосредственному уравниванию реакции (1): еще раз взгляните на химическое уравнение, в точности на атомы и молекулы в правой и левой части. Нетрудно заметить, что в реакции участвуют атомы трех сортов: углерод C, водород H и кислород O. Давайте подсчитаем и сравним количество атомов каждого сорта в правой и левой части химического уравнения.

Начнем с углерода. В левой части один атом С входит в состав молекулы CH 4 , а в правой части один атом С входит в состав CO 2 . Таким образом в левой и в правой части количество атомов углерода совпадает, поэтому его мы оставляем в покое. Но для наглядности поставим коэффициент 1 перед молекулами с углеродом, хоть это и не обязательно:

• 1CH 4 + O 2 → 1CO 2 + H 2 O (2)

Затем переходим к подсчету атомов водорода H. В левой части присутствуют 4 атома H (в количественном смысле H 4 = 4H) в составе молекулы CH 4 , а в правой – всего 2 атома H в составе молекулы H 2 O, что в два раза меньше чем в левой части химического уравнения (2). Будем уравнивать! Для этого поставим коэффициент 2 перед молекулой H 2 O. Вот теперь у нас и в реагентах и в продуктах будет по 4 молекулы водорода H:

• 1CH 4 + O 2 → 1CO 2 + 2H 2 O (3)

Обратите свое внимание, что коэффициент 2, который мы записали перед молекулой воды H 2 O для уравнивания водорода H, увеличивает в 2 раза все атомы, входящие в ее состав, т.е 2H 2 O означает 4H и 2O. Ладно, с этим вроде бы разобрались, осталось подсчитать и сравнить количество атомов кислорода O в химическом уравнении (3). Сразу бросается в глаза, что в левой части атомов O ровно в 2 раза меньше чем в правой. Теперь-то вы уже и сами умеете уравнивать химические уравнения, поэтому сразу запишу финальный результат:

• 1CH 4 + 2O 2 → 1CO 2 + 2H 2 O или СH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (4)

Как видите, уравнивание химических реакций не такая уж и мудреная штука, и важна здесь не химия, а математика. Уравнение (4) называется полным уравнением химической реакции, потому что в нем соблюдается закон сохранения массы, т.е. число атомов каждого сорта, вступающих в реакцию, точно совпадает с числом атомов данного сорта по завершении реакции. В каждой части этого полного химического уравнения содержится по 1 атому углерода, по 4 атома водорода и по 4 атома кислорода. Однако стоит понимать пару важных моментов: химическая реакция — это сложная последовательность отдельных промежуточных стадий, и потому нельзя к примеру истолковывать уравнение (4) в том смысле, что 1 молекула метана должна одновременно столкнуться с 2 молекулами кислорода. Процессы происходящие при образовании продуктов реакции гораздо сложнее. Второй момент: полное уравнение реакции ничего не говорит нам о ее молекулярном механизме, т.е о последовательности событий, которые происходят на молекулярном уровне при ее протекании.

Коэффициенты в уравнениях химических реакций

Еще один наглядный пример того, как правильно расставить коэффициенты в уравнениях химических реакций: Тринитротолуол (ТНТ) C 7 H 5 N 3 O 6 энергично соединяется с кислородом, образуя H 2 O, CO 2 и N 2 . Запишем уравнение реакции, которое будем уравнивать:

• C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → CO 2 + H 2 O + N 2 (5)

Проще составлять полное уравнение, исходя из двух молекул ТНТ, так как в левой части содержится нечетное число атомов водорода и азота, а в правой — четное:

• 2C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → CO 2 + H 2 O + N 2 (6)

Тогда ясно, что 14 атомов углерода, 10 атомов водорода и 6 атомов азота должны превратиться в 14 молекул диоксида углерода, 5 молекул воды и 3 молекулы азота:

• 2C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → 14CO 2 + 5H 2 O + 3N 2 (7)

Теперь в обеих частях содержится одинаковое число всех атомов, кроме кислорода. Из 33 атомов кислорода, имеющихся в правой части уравнения, 12 поставляются двумя исходными молекулами ТНТ, а остальные 21 должны быть поставлены 10,5 молекулами O 2 . Таким образом полное химическое уравнение будет иметь вид:

• 2C 7 H 5 N 3 O 6 + 10,5O 2 → 14CO 2 + 5H 2 O + 3N 2 (8)

Можно умножить обе части на 2 и избавиться от нецелочисленного коэффициента 10,5:

• 4C 7 H 5 N 3 O 6 + 21O 2 → 28CO 2 + 10H 2 O + 6N 2 (9)

Но этого можно и не делать, поскольку все коэффициенты уравнения не обязательно должны быть целочисленными. Правильнее даже составить уравнение, исходя из одной молекулы ТНТ:

• C 7 H 5 N 3 O 6 + 5,25O 2 → 7CO 2 + 2,5H 2 O + 1,5N 2 (10)

Полное химическое уравнение (9) несет в себе много информации. Прежде всего оно указывает исходные вещества — реагенты , а также продукты реакции. Кроме того, оно показывает, что в ходе реакции индивидуально сохраняются все атомы каждого сорта. Если умножить обе части уравнения (9) на число Авогадро N A =6,022·10 23 , мы сможем утверждать, что 4 моля ТНТ реагируют с 21 молями O 2 с образованием 28 молей CO 2 , 10 молей H 2 O и 6 молей N 2 .

Есть еще одна фишка. При помощи таблицы Менделеева определяем молекулярные массы всех этих веществ:

• C 7 H 5 N 3 O 6 = 227,13 г/моль
• O2 = 31,999 г/моль
• CO2 = 44,010 г/моль
• H2 O = 18,015 г/моль
• N2 = 28,013 г/моль

Теперь уравнение 9 укажет еще, что 4·227,13 г = 908,52 г ТНТ требуют для осуществления полной реакции 21·31,999 г = 671,98 г кислорода и в результате образуется 28·44,010 г = 1232,3 г CO 2 , 10·18,015 г = 180,15 г H 2 O и 6·28,013 г = 168,08 г N 2 . Проверим, выполняется ли в этой реакции закон сохранения массы:

	Реагенты	Продукты
	908,52 г ТНТ	1232,3 г CO2
	671,98 г CO2	180,15 г H2 O
		168,08 г N2
Итого	1580,5 г	1580,5 г

Но необязательно в химической реакции должны участвовать индивидуальные молекулы. Например, реакция известняка CaCO3 и соляной кислоты HCl, с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl2 и диоксида углерода CO2 :

• CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (11)

Химическое уравнение (11) описывает реакцию карбоната кальция CaCO 3 (известняка) и хлористоводородной кислоты HCl с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl 2 и диоксида углерода CO 2 . Это уравнение полное, так как число атомов каждого сорта в его левой и правой частях одинаково.

Смысл этого уравнения на макроскопическом (молярном) уровне таков: 1 моль или 100,09 г CaCO 3 требует для осуществления полной реакции 2 моля или 72,92 г HCl, в результате чего получается по 1 молю CaCl 2 (110,99 г/моль), CO 2 (44,01 г/моль) и H 2 O (18,02 г/моль). По этим численным данным нетрудно убедиться, что в данной реакции выполняется закон сохранения массы.

Интерпретация уравнения (11) на микроскопическом (молекулярном) уровне не столь очевидна, поскольку карбонат кальция представляет собой соль, а не молекулярное соединение, а потому нельзя понимать химическое уравнение (11) в том смысле, что 1 молекула карбоната кальция CaCO 3 реагирует с 2 молекулами HCl. Тем более молекула HCl в растворе вообще диссоциирует (распадается) на ионы H + и Cl — . Таким образом более правильным описанием того, что происходит в этой реакции на молекулярном уровне, дает уравнение:

• CaCO 3 (тв.) + 2H + (водн.) → Ca 2+ (водн.) + CO 2 (г.) + H 2 O(ж.) (12)

Здесь в скобках сокращенно указано физическое состояние каждого сорта частиц (тв. — твердое, водн. — гидратированный ион в водном растворе, г. — газ, ж. — жидкость).

Уравнение (12) показывает, что твердый CaCO 3 реагирует с двумя гидратированными ионами H + , образуя при этом положительный ион Ca 2+ , CO 2 и H 2 O. Уравнение (12) как и другие полные химические уравнения не дает представления о молекулярном механизме реакции и менее удобно для подсчета количества веществ, однако, оно дает лучшее описание происходящего на микроскопическом уровне.

Закрепите полученные знания о составлении химических уравнений, самостоятельно разобрав пример с решением:

Надеюсь из урока 13 «Составление химических уравнений » вы узнали для себя что-то новое. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.