10.5: Хімічні рівняння

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22880

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Опишіть хімічні реакції за допомогою рівнянь слів.
Напишіть рівняння для хімічних реакцій.
Використовуйте коефіцієнти для збалансування хімічних рівнянь.

Хімічні реакції відбуваються навколо вас. Рослини використовують сонячне світло, щоб керувати процесом фотосинтезу та виробляти енергію. Автомобілі та інші транспортні засоби спалюють бензин для того, щоб живити свої двигуни. Акумулятори використовують електрохімічні реакції для отримання енергії та живлення багатьох повсякденних пристроїв. Багато хімічних реакцій відбувається і всередині вас, особливо під час перетравлення їжі.

У класі математики ви написали та розв'язали багато математичних рівнянь. Хіміки відстежують хімічні реакції, записуючи рівняння, а також. У будь-якій хімічній реакції одне або кілька речовин, званих реагентами, перетворюються в одне або кілька нових речовин, званих продуктами. Загальна форма рівняння для такого процесу виглядає наступним чином.

\[\text{Reactants} \rightarrow \text{Products}\]

На відміну від математичного рівняння, хімічне рівняння не використовує знак рівності. Натомість стрілка називається знаком виходу, і тому рівняння описується як «продукти виходу реагентів».

Рівняння слів

Можна описати хімічну реакцію, написавши слово рівняння. Коли метал срібла піддається впливу сірки, він реагує з утворенням сульфіду срібла. Сульфід срібла широко відомий як тьмяніє і перетворює поверхню срібних предметів темним і смугастим чорним (див. Малюнок нижче). Сірка, яка сприяє потускненню, може надходити від слідів сірки в повітрі або з їжі, наприклад яєць. Слово рівняння для процесу таке:

\[\text{Silver} + \text{sulfur} \rightarrow \text{Silver sulfide}\]

Срібло та сірка є реагентами в рівнянні, тоді як сульфід срібла - продукт.

Ще одна поширена хімічна реакція - спалювання газу метану. Метан є основним компонентом природного газу і зазвичай спалюється на газовій плиті або в пальнику Бунзена (див. Малюнок нижче). Горіння - це хімічна реакція, при якій якийсь вид палива вступає в реакцію з газом кисню. Продуктами реакції при спалюванні метану, а також інших видів палива є вуглекислий газ і вода. Слово рівняння для цієї реакції таке:

\[\text{Methane} + \text{oxygen} \rightarrow \text{carbon dioxide} + \text{water}\]

Хімічні рівняння

Рівняння слів вимагають багато часу для написання і не виявляться зручними для багатьох речей, які хіміки повинні робити з рівняннями. Хімічне рівняння - це подання хімічної реакції, яка відображає реагенти та продукти з хімічними формулами. Показано хімічне рівняння реакції метану з киснем:

\[\ce{CH_4} + \ce{O_2} \rightarrow \ce{CO_2} + \ce{H_2O}\]

Вище рівняння, яке називається рівнянням скелета, - це рівняння, яке показує лише формули реагентів та продуктів, які нічого не вказують на відносні кількості. Першим кроком у написанні точного хімічного рівняння є написання рівняння скелета, переконавшись, що формули всіх задіяних речовин написані правильно. Всі реагенти записуються зліва від стрілки виходу, відокремлені один від одного знаком плюс. Аналогічним чином пишуться продукти праворуч від стрілки виходу, також розділені знаком плюс.

Часто важливо знати фізичні стани реагентів і продуктів, які беруть участь в реакції. Для цього поставте відповідний символ в дужках після кожної формули:\(\left( s \right)\) для твердого\(\left( l \right)\), для рідкого,\(\left( g \right)\) для газу, і\(\left( aq \right)\) для водного (на водній основі) розчину. При кімнатній температурі компоненти попередньої реакції знаходяться в наступних станах:

\[\ce{CH_4} \left( g \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\]

У таблиці нижче наведено перелік символів, що використовуються в хімічних рівняннях.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Символи, що використовуються в хімічних рівняннях
Символ	Опис
\(+\)	використовується для поділу декількох реагентів або продуктів
\(\rightarrow\)	ознака врожайності; відокремлює реагенти від продуктів
\(\rightleftharpoons\)	замінює знак виходу для оборотних реакцій, які досягають рівноваги
\(\left( s \right)\)	реагент або продукт у твердому стані
\(\left( l \right)\)	реагент або продукт в рідкому стані
\(\left( g \right)\)	реагент або продукт в газовому стані
\(\left( aq \right)\)	реагент або продукт у водному розчині (розчинений у воді)
\(\overset{\ce{Pt}}{\rightarrow}\)	формула, написана над стрілкою, використовується як каталізатор в реакції
\(\overset{\Delta}{\rightarrow}\)	трикутник вказує на те, що реакція нагрівається

Балансування хімічних рівнянь

Припустимо, ви повинні були написати рівняння слова для побудови ідеального бутерброда з шинкою (див. Малюнок нижче). Можливо, ви можете придумати таке:

\[\text{Ham} + \text{cheese} + \text{tomato} + \text{pickles} + \text{bread} \rightarrow \text{ham sandwich}\]

Реагенти - це «частини» або інгредієнти бутерброда з шинкою, тоді як сам бутерброд є продуктом. Однак у вашому рівнянні щось не вистачає. Немає вказівки, скільки кожного «реагенту» потрібно для виготовлення «продукту». З одного боку, вам неодмінно знадобляться дві скибочки хліба, щоб зробити звичайний бутерброд.

Скажімо,\(\left( \ce{HS} \right)\) ідеальний бутерброд з шинкою складається з 2 скибочок шинки\(\left( \ce{H} \right)\), скибочки сиру\(\left( \ce{C} \right)\), 1 скибочки помідора\(\left( \ce{T} \right)\), 5 солінь\(\left( \text{P} \right)\) і 2 скибочок хліба\(\left( \ce{B} \right)\). Враховуючи номери кожного реагенту, а також підставляючи символи на слова, ваше рівняння стане:

\[2 \ce{H} + \ce{C} + \ce{T} + 5 \ce{P} + 2 \ce{B} \rightarrow \ce{HS}\]

Тепер це показує правильні кількості реагентів. В якості одного остаточного поліпшення ми змінимо «формулу» продукту. Оскільки кінцевий бутерброд містить всі реагенти, які увійшли в нього, його формула повинна це відображати.

\[2 \ce{H} + \ce{C} + \ce{T} + 5 \ce{P} + 2 \ce{B} \rightarrow \ce{H_2CTP_5B_2}\]

Індексит після кожного символу у творі означає кількість цього конкретного реагенту, знайденого на стороні реагенту рівняння: 2 for\(\ce{H}\), 1\(\ce{C}\) for тощо.

Оскільки рівняння тепер показує рівні числа кожної сендвіч-частини по обидва боки рівняння, ми говоримо, що рівняння збалансоване. Хімічні рівняння також повинні бути збалансовані аналогічним чином. Збалансоване рівняння - це хімічне рівняння, в якому маса зберігається і є рівні числа атомів кожного елемента по обидва боки рівняння.

Ми можемо написати хімічне рівняння для реакції вуглецю з газом водню з утворенням метану\(\left( \ce{CH_4} \right)\).

\[\begin{array}{ccccc} \ce{C} \left( s \right) & + & \ce{H_2} \left( g \right) & \rightarrow & \ce{CH_4} \left( g \right) \\ 1 \: \ce{C} \: \text{atom} & & 2 \: \ce{H} \: \text{atoms} & & 1 \: \ce{C} \: \text{atom}, \: 4 \: \ce{H} \: \text{atoms} \end{array}\]

Для того щоб написати правильне рівняння, необхідно спочатку написати правильне рівняння скелета з правильними хімічними формулами. Нагадаємо, що водень - це двоатомна молекула і так пишеться як\(\ce{H_2}\). Коли ми підраховуємо кількість атомів обох елементів, показаних під рівнянням, ми бачимо, що рівняння не збалансоване. На реактивній стороні рівняння є лише 2 атоми водню, тоді як на стороні продукту є 4 атоми водню. Це порушує закон збереження маси, який говорить про те, що маса повинна бути збережена в будь-якій хімічній реакції або фізичному процесі. Ще один поширений спосіб висловити закон збереження маси полягає в тому, що матерія не може бути створена або знищена.

Атомна теорія Джона Далтона стверджувала, що хімічні реакції - це поділ, комбінації або перестановки атомів. Самі атоми не можуть бути створені або знищені. Теорія Дальтона пояснює закон збереження маси, а процес врівноваження рівняння гарантує дотримання закону. Ми можемо збалансувати вищевказане рівняння, додавши коефіцієнт 2 перед формулою для водню.

\[\ce{C} \left( s \right) + 2 \ce{H_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CH_4} \left( g \right)\]

Коефіцієнт - це невелике ціле число, розміщене перед формулою в рівнянні, щоб збалансувати його. 2 перед\(\ce{H_2}\) означає, що є загальна кількість\(2 \times 2 = 4\) атомів водню в якості реагентів. Візуально реакція виглядає так:

У збалансованому рівнянні є один атом вуглецю і чотири атома водню по обидва боки стрілки. Нижче наведені рекомендації щодо написання та балансування хімічних рівнянь.

Визначте правильні хімічні формули для кожного реагенту і продукту.
Напишіть рівняння скелета, розмістивши реагент (и) на лівій стороні знака виходу\(\left( \rightarrow \right)\) та продукт (и) на правій стороні. Якщо є більше одного реагенту або продукту, відокремте за допомогою плюсових знаків.
Підрахуйте кількість атомів кожного елемента, який виступає як реагент і як продукт. Якщо багатоатомний іон незмінний з обох сторін рівняння, порахуйте його як одиницю.
Збалансуйте кожен елемент по одному, розміщуючи коефіцієнти перед формулою. Коефіцієнт не записується для 1. Найкраще почати з балансування елементів, які з'являються лише в одній формулі з кожного боку рівняння. Ви можете збалансувати рівняння лише за допомогою коефіцієнтів, НІКОЛИ не змінюйте індекси в хімічній формулі.
Перевірте кожен атом або багатоатомний іон, щоб переконатися, що вони рівні з обох сторін рівняння.
Переконайтеся, що всі коефіцієнти знаходяться в мінімально можливому співвідношенні. При необхідності зменшіть до найнижчого співвідношення.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Змішують водні розчини свинцю (II) нітрату і хлориду натрію. Продукти реакції - водний розчин нітрату натрію і твердий осад хлориду свинцю (II). Напишіть хімічне рівняння для цієї реакції.

Рішення

Крок 1: Плануйте проблему.

Виконайте кроки для написання та балансування хімічного рівняння.

Крок 2: Вирішіть.

Напишіть рівняння скелета з правильними формулами.

\[\ce{Pb(NO_3)_2} \left( aq \right) + \ce{NaCl} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ce{PbCl_2} \left( s \right)\]

Підрахуйте кількість кожного атома або багатоатомного іона по обидва боки рівняння (див. Таблицю нижче).

Нітратні іони та атоми хлору незбалансовані. Почніть з розміщення 2 перед\(\ce{NaCl}\). Це збільшує кількість реагентів до 2\(\ce{Na}\) атомів і 2\(\ce{Cl}\) атомів. Потім помістіть 2 перед\(\ce{NaNO_3}\). Результат:

\[\ce{Pb(NO_3)_2} \left( aq \right) + 2 \ce{NaCl} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ce{PbCl_2} \left( s \right)\]

Новий підрахунок для кожного атома і багатоатомного іона стає (див. Таблицю нижче).

Крок 3: Подумайте про свій результат.

Рівняння тепер збалансоване, оскільки по обидва боки рівняння є однакові числа атомів кожного елемента.

Підрахуйте кількість кожного атома або багатоатомного іона по обидва боки рівняння.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Незбалансовані реагенти/продукти
Реагенти	Продукція
1\(\ce{Pb}\) атом	1\(\ce{Pb}\) атом
2\(\ce{NO_3^-}\)	1\(\ce{NO_3^-}\)
2\(\ce{Na}\) атоми	2\(\ce{Na}\) атоми
2\(\ce{Cl}\) атоми	1\(\ce{Cl}\) атом

Новий підрахунок для кожного атома і багатоатомного іона стає:

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Збалансовані реагенти/продукти
Реагенти	Продукція
1\(\ce{Pb}\) атом	1\(\ce{Pb}\) атом
2\(\ce{NO_3^-}\)	2\(\ce{NO_3^-}\)
2\(\ce{Na}\) атоми	2\(\ce{Na}\) атоми
2\(\ce{Cl}\) атоми	2\(\ce{Cl}\) атоми

Деякі рівняння створюють виклик для балансування, коли один або кілька елементів не можуть бути збалансовані просто за допомогою одного коефіцієнта. Алюміній реагує з газом кисню з утворенням оксиду алюмінію відповідно до рівняння:

\[\ce{Al} \left( s \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{Al_2O_3} \left( s \right)\]

Оскільки на стороні реагенту є два атоми кисню та 3 атоми кисню на стороні продукту, жоден коефіцієнт цілого числа не збалансує атоми кисню. Знайдіть найнижчий загальний кратний 2 і 3, який дорівнює 6. Розміщення 3 перед\(\ce{O_2}\) і 2 перед\(\ce{Al_2O_3}\) призведе до 6 атомів кисню з обох сторін. Закінчити балансуванням алюмінію з 4.

\[4 \ce{Al} \left( s \right) + 3 \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{Al_2O_3} \left( s \right)\]

Рівняння збалансоване з 4\(\ce{Al}\) атомами і 6\(\ce{O}\) атомами з кожного боку.

Нарешті, ми повернемося до рівняння з раніше, де метан реагував з киснем з утворенням вуглекислого газу та води.

\[\ce{CH_4} \left( g \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\]

Елемент кисень з'являється в двох різних місцях на стороні продукту рівняння, тому не варто починати з спроб збалансувати кисень. Натомість спочатку збалансуйте вуглець і водень. Вуглець вже збалансований, але водень збалансований, розміщуючи 2 перед водою.

\[\ce{CH_4} \left( g \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) + 2 \ce{H_2O} \left( l \right)\]

Тепер порахуйте загальну кількість атомів кисню на стороні продукту: два з\(\ce{CO_2}\) і два з 2,\(\ce{H_2O}\) щоб дати в цілому чотири. Помістіть 2 перед\(\ce{O_2}\).

\[\ce{CH_4} \left( g \right) + 2 \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) + 2 \ce{H_2O} \left( l \right)\]

Балансування складних рівнянь може бути процесом випробувань і помилок і є навиком, який вимагає практики. Якщо ви виявите, що одна конкретна стратегія з жорстким рівнянням не працює, почніть спочатку і збалансуйте інший елемент спочатку. Наполегливість приведе вас до правильного збалансованого рівняння.

Додаткові ресурси

http://phet.colorado.edu/en/simulati...ical-equations
«Балансуючий акт»: http://education.jlab.org/elementbalancing/index.html
Балансування хімічних рівнянь: www.ScienceGeek.net/Хімія... nBalancing.htm