Химическое уравнение

Химическим уравнением (уравнением химической реакции) называют условную запись химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов.

Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную информацию о химической реакции, реагентах и продуктах реакции; его составление основывается на законах стехиометрии, в первую очередь, законе сохранения массы веществ в химических реакциях. Кроме уравнений используются полные и краткие схемы химических реакций — условные записи, дающие представление о природе реагентов и продуктов, то есть качественную информацию о химической реакции.

См. также: Стехиометрическое уравнение

2 O₂ + 2 H → 2 H₂OO₂ + 2 H₂ → 2 H₂O

История

Титульный лист Tyrocinium Chymicum

В начале не было представления о химических уравнениях, ещё не были известны основные химические законы, но уже в алхимический период развития химии начали обозначать химические элементы символами.

С дальнейшим развитием химии менялись представления о символике химических элементов, математической записи, используя химические формулы. Первым предложил использовать химические уравнения Жан Бегун (Jean Beguin) в 1615 году в одном из первых учебников по химии Tyrocinium Chymicum («Начала химии»).

Конец XVIII—начало XIX вв. — становление законов стехиометрии. У истоков этих исследований стоял немецкий ученый И. В. Рихтер. В студенческие годы на него большое впечатление произвели слова его учителя — философа И. Канта о том, что в отдельных направлениях естественных наук истинной науки столько, сколько в ней математики. Рихтер посвятил свою диссертацию использованию математики в химии. Не будучи в сущности химиком, Рихтер ввел первые количественные уравнения химических реакций, стал использовать термин стехиометрия.

Правила составления

Для составления уравнений химических реакций, кроме знания формул реагентов и продуктов реакции, необходимо верно подобрать коэффициенты. Это можно сделать, используя несложные правила. В левой части уравнения записывают формулы (формулу) веществ, вступивших в реакцию, соединяя их знаком «плюс». В правой части уравнения записывают формулы(формулу) образовавшихся веществ, также соединенных знаком «плюс». Между частями уравнения ставят знак равенства или стрелку. Затем находят коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ, чтобы число атомов одинаковых элементов в левой и правой частях уравнения было равным.

Для обозначения различных типов реакций используются следующие символы:

• «[math]\displaystyle{ = }[/math]» используется в том случае, когда соблюдено стехиометрическое соотношение.
• «[math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math]» используется для обозначений прямой реакции.
• «[math]\displaystyle{ \rightleftarrows }[/math]» используется для обозначения реакции, протекающей в обоих направлениях.
• «[math]\displaystyle{ \rightleftharpoons }[/math]» используется для обозначения химического равновесия.

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. Химическое уравнение должно быть электронейтрально, то есть сумма зарядов в левой и правой части уравнения должна равняться нулю.

Символы над =/→/⇄/⇌ и прочее

• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{t} }[/math] означает, что необходим нагрев
• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{\text{эл.ток}} }[/math] означает, что в реакции участвует электрический ток. При этом реагенты могут быть в любых агрегатных состояниях. А вот [math]\displaystyle{ \xrightarrow{\text{электролиз}} }[/math] означает то, что электрический ток пропускается именно через раствор
• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{\text{кат.}} }[/math] обозначает использование в реакции некоторого конкретно не определённого катализатора. Если же необходимо указать конкретный катализатор, то его вместо «кат.» записывается его химическая формула
• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{p} }[/math] означает, что необходимо давление
• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{hv} }[/math] означает, что необходим квант света
• [math]\displaystyle{ \xrightarrow{\text{сплавление}} }[/math] указывает на то, что все реагенты находятся в твёрдом агрегатном состоянии, и среди них нет воды
• Различные записи могут перечисляться через запятую. Например в уравнении [math]\ce{ 6CO2{} + 6H2O->[hv, \text{хлорофилл}] C6H12O6{}+6O2 }[/math] запись [math]\ce{ ->[\text{хлорофилл}] }[/math] означает среду́ протекания реакции

В записи [math]\displaystyle{ \textrm{N}_2+3\textrm{H}_2 \stackrel{\textrm{Fe, t, p}}{\rightleftarrows} 2\textrm{NH}_3+Q }[/math] +Q означает выделение теплоты, а в записи [math]\displaystyle{ \textrm{N}_2+\textrm{O}_2 \stackrel{\textrm{t}}{\rightleftarrows} 2\textrm{NO}-Q }[/math] −Q означает поглощение теплоты. Такие уравнения называют термохимическими уравнениями. Если в конце стои́т +Q, то это значит, что реакция экзотермическая, а если −Q – эндотермическая.

Запись [math]\displaystyle{ \textrm{FeO}+\textrm{H}_2\textrm{O} \ne }[/math] означает, что реакция не идёт. Хотя можно записать и правую часть уравнения, всё равно оставив знак ≠, например:[math]\displaystyle{ \textrm{NaCl+KOH} \ne \textrm{NaOH+KCl} }[/math]

Коэффициенты

Как правило, химические уравнения записываются с наименьшими целочисленными коэффициентами. В случае, если перед химической формулой нет коэффициента, подразумевается что он равен единице. Проверка материального баланса, то есть количества атомов с левой и правой части, может быть следующей: перед самой сложной химической формулой ставится коэффициент 1. Далее расставляются коэффициенты перед формулами таким образом, что бы количество атомов каждого из элементов в левой и правой части уравнения было равно. Если один из коэффициентов — дробный, то следует умножить все коэффициенты на число стоящее в знаменателе дробного коэффициента. Если перед формулой коэффициент 1, то его опускают.

Одним из способов уравнивания количества атомов в химическом уравнении является подбор коэффициентов.

Расстановка коэффициентов в химической реакции горения метана:

1CH₄ + O₂ [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] CO₂ + H₂O

Количество атомов углерода с левой и правой сторон одинаково. Следующий элемент, который следует уравнять — водород. Слева 4 атома водорода, справа 2, чтобы уравнять количество атомов водорода следует поставить коэффициент 2 перед водой, в результате:

1CH₄ + O₂ [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] CO₂ + 2H₂O

Проверка правильности расстановки коэффициентов в любом химическом уравнении производится подсчетом количества атомов кислорода, если в левой и правой части количество атомов кислорода одинаково, значит коэффициенты расставлены правильно.

1CH₄ + 2O₂ [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] CO₂ + 2H₂O

Перед молекулами CH₄ и CO₂ коэффициент 1 опускают.

CH₄ + 2O₂ [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] CO₂ + 2H₂O

Для более сложных случаев применяются математический метод уравнивания реакций с помощью составления системы линейных алгебраических уравнений и метод Гарсиа (аналог математического метода Гаусса).

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции — это встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем. Любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

При составлении уравнения окислительно-восстановительной реакции необходимо определить восстановитель, окислитель и число отдаваемых и принимаемых электронов. Как правило, коэффициенты подбирают, используя либо метод электронного баланса, либо метод электронно-ионного баланса (иногда последний называют методом полуреакций).

Запись ионных уравнений

Ионные уравнения — это химические уравнения, в которых электролиты записаны в виде диссоциировавших ионов. Ионные уравнения используются для записи реакций замещения и реакций обмена в водных растворах. Пример, реакция обмена, взаимодействие хлорида кальция и нитрата серебра с образованием осадка хлорида серебра:

CaCl₂(ж) + 2AgNO₃(ж) [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] Ca(NO₃)₂(ж) + 2AgCl(тв)

полное ионное уравнение:

Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Ag⁺ + 2NO₃⁻ [math]\displaystyle{ \rightarrow }[/math] Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2AgCl(тв)

Оформление уравнений

Современные цифровые технологии позволяют применять для верхних и нижних индексов специальные символы в кодировке Юникод. Такие формулы правильно отображаются в заголовках веб-страниц, где отсутствует возможность форматирования, и в других случаях, когда форматирование недоступно.

См. также

• Химические реакции
• Стехиометрия
• Термохимические уравнения

Литература

• Левицкий М. Язык химиков // Химия и жизнь. — 2000. -№ 1. — С.50-52.
• Кудрявцев А. А. Составление химических уравнений — 4-е издание, перераб. и доп., 1968—359 с.
• Берг Л. Г. Громаков С. Д. Зороацкая И. В. Аверко-Антонович И. Н. Способы подбора коэффициентов в химических уравнениях — Казань: изд-во Казанского ун-та, 1959.- 148 с.
• Леенсон И. А. Чет или нечет — М.: Химия, 1987. — 176 с.

Ссылки

• Метод полуреакций онлайн
• Балансирование химических уравнений
• Представление индексов в Юникоде