5.1: Опис того, що відбувається з хімічними рівняннями

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18663

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

Як далеко вам довелося б піти, щоб знайти різноманітну хімічну фабрику, яка здійснює сотні складних хімічних процесів? Недалеко, адже власне тіло - це якраз така дивно складна фабрика, яку неможливо було продублювати зусиллями тисяч хіміків і інженерів-хіміків і витратою мільярдів доларів. Як приклад процесу, який здійснюють наші тіла, розглядають утилізацію цукру глюкози, хімічну формулу C ₆ H ₁₂ O ₆, яка присутня в нашій крові і генерує енергію, яку людський організм використовує наступною метаболічною біохімічною реакцією:

\[C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O\]

Це хімічне рівняння, яке представляє хімічну реакцію, те, що насправді відбувається з хімічними речовинами. У ньому зазначено, що глюкоза реагує з молекулярним киснем з утворенням вуглекислого газу та води. Хімічна реакція також виробляє енергію, і саме тому організм здійснює її для отримання енергії, необхідної для руху, роботи та росту. Виробництво енергії іноді позначається в рівнянні додаванням «+ енергії» в праву сторону.

Подібно до того, як хімічна формула містить багато інформації про хімічну сполуку, хімічне рівняння містить багато інформації про хімічний процес. Хімічне рівняння ділиться на дві частини стрілкою, яка читається «врожаї». Зліва від стрілки знаходяться реагенти, а праворуч - продукти. Ключовим аспектом правильно написаного хімічного рівняння є те, що воно збалансоване, з такою ж кількістю атомів кожного елемента зліва, як і праворуч. Розглянемо хімічне рівняння вище. Одиночна молекула C ₆ H ₁₂ O ₆ містить 6 атомів C, 12 атомів H і 6 атомів O. Молекули 6 O ₂ містять 12 атомів O, що дає загалом 18 атомів O серед реагентів. Складання всіх атомів зліва дає 6 атомів C, 12 атомів H і 18 атомів O серед реагентів. Праворуч продукти містять 6 атомів С в 6 молекулах CO ₂, 12H атомів в 6 H ₂ O молекулах і 12 атомів O в 6 молекулах CO ₂, а також 6 атомів O в молекулах 6 H ₂ O, загалом 18 атомів O. Отже, серед продуктів є 6 атомів C, 12 атомів H та 18 атомів O, такі ж, як і в реагентах. Тому рівняння збалансоване.

Важливою вправою є процес збалансування хімічного рівняння. Це полягає у тому, щоб поставити правильні числа перед кожним з реагентів та продуктів так, щоб рівні числа кожного виду атома знаходилися як з лівої, так і з правої сторін рівняння. Порядок врівноваження хімічного рівняння розглядається в розділі 5.2.

Вивчення хімії значною мірою є вправою у вивченні хімічної мови. У хімічній мові символами елементів є алфавіт. Формули з'єднань - це слова. А хімічні рівняння - це речення, які розповідають, що насправді відбувається.

Часто важливо знати фізичні стани реагентів і продуктів в хімічних реакціях. Припустимо, наприклад, що геолог випробував зразок породи, щоб побачити, чи це вапняк, додаючи трохи рідкої соляної кислоти до породи та спостерігаючи, як газ СО ₂ відходить. Рівняння для хімічної реакції, що відбулася

\[\ce{CaCO3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CO2(g) + CaCl2(aq) + H2O(l)}\]

Тут скорочення в дужках використовуються для позначення фізичного стану кожного учасника реакції — (ів) для твердої речовини, (aq) для речовини в розчині, (g) для газу та (l) для рідини. Вищенаведене рівняння стверджує, що твердий карбонат кальцію реагує з водним розчином соляної кислоти з отриманням вуглекислого газу, розчину хлориду кальцію та рідкої води.

Хімічні реакції часто оборотні, тобто можуть йти як вперед, так і назад. Оборотна реакція показана подвійною стрілкою, ←→. Як приклад розглянемо реакцію розчиненого аміаку, NH ₃, з водою з отриманням іона амонію, NH4 ⁺, і гідроксид-іона, ОН ^-.

\[\ce{NH3(aq) + H2O(l) \rightleftharpoons NH4^{+} (aq) + OH^{-} (aq)}\]

Власне, тільки мала частка молекул NH ₃ піддається цій реакції в будь-який момент часу, а ті, які перетворюються в NH ₄ ⁺, швидко перетворюються назад в NH ₃. Подвійна стрілка в хімічному рівнянні показує, що відбуваються як прямий, так і зворотний процеси. Іншим символом, який іноді використовується в хімічних рівняннях, є ⟩. Цей символ позначає, що тепло застосовується для того, щоб хімічна реакція відбувалася більш швидкими темпами. Зазвичай він розміщується над стрілкою в хімічній реакції. Хімічні рівняння використовуються для обчислення кількості хімічних речовин, що беруть участь у хімічній реакції, або як реагенти, або як продукти. Це важлива область хімії, яка розглядається темою стехіометрії, розглянутою далі в цьому розділі в розділі 5.8.