Химическое уравнение (}nbncyvtky rjgfuyuny)

Перейти к навигации Перейти к поиску
O2 + 2 H2 → 2 H2O

Хими́ческое уравне́ние (уравне́ние хими́ческой реа́кции) — символическое представление химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов, в левой части которого указывают исходные вещества (реагенты), а в правой — продукты реакции[1][2].

Обе части уравнения могут быть соединены:

Иногда химические уравнения дополняют указанием энтальпии реакций, агрегатного состояния веществ и другими характеристиками[2].

Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную информацию о химической реакции, реагентах и продуктах реакции, а также их соотношении; его составление основывается на законах стехиометрии, и, в первую очередь, на законе сохранения массы веществ в химических реакциях.

Кроме химических уравнений используются полные и краткие схемы химических реакций — условные записи, дающие представление о природе реагентов и продуктов, то есть скорее качественную информацию о химической реакции.

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»)[5].

Конец XVIII—начало XIX вв. — становление законов стехиометрии. У истоков этих исследований стоял немецкий учёный 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 ввёл первые количественные уравнения химических реакций, предложил и стал использовать термин стехиометрия[6].

Правила составления

[править | править код]

В левой части уравнения записывают формулы (формулу) веществ, вступивших в реакцию (реагентов), соединяя их знаком «плюс». В правой части уравнения записывают формулы (формулу) образовавшихся веществ (продуктов реакции), также соединённые знаком «плюс». Для обозначения различных типов реакций между правой и левой частью уравнения используются следующие символы[1][4]:

BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaCl
  • указания, что рассматривается только прямая реакция
3H2 + N2 2NH3
H + Br2 HBr + Br

Затем находят коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ и отражающие мольные соотношения веществ-участников химической реакции. Закон сохранения массы гласит, что количество вещества каждого элемента до реакции равно количеству вещества каждого элемента после реакции. Таким образом, левая и правая части химического уравнения должны иметь одинаковое количество атомов того или иного элемента.

Уравнение реакции с участием ионов должно быть электронейтрально, то есть сумма зарядов реагентов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов продуктов реакции в его правой части

Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+.

Расстановка коэффициентов реакции

[править | править код]

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 в 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 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 CO2 + 2H2O

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

1CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Перед молекулами CH4 и CO2 коэффициент 1 опускают.

CH4 + 2O2 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).

Обозначения над знаками, соединяющими части уравнения

[править | править код]

Для обозначения условий протекания реакций на знаком равенства или стрелкой, разделяющей правую и левую части уравнения могут быть использованы следующие обозначения:

  • реакция протекает при нагревании (может быть указана конкретная температура)
  • реакция протекает под давлением (может быть указано конкретное давление)
  • реакция протекает под действием электрического тока, при этом реагенты могут быть в любых агрегатных состояниях
:
  • реакция протекает при пропускании электрического тока через раствор или расплав исходных веществ (т.е. происходит процесс электролиза)
:
  • реакция протекает с участием катализатора, при этом, может быть указана формула или название конкретного катализатора
  • реакция протекает на свету или под действием излучения

Обозначения различных условий реакции могут перечисляться через запятую

.

Для указания, что реакция не протекает (вообще или при каких-то условиях) или не ведёт к указанным продуктам используется знак «≠»:

Запись ионных уравнений

[править | править код]

Ионные уравнения — это химические уравнения, в которых электролиты записаны в виде диссоциированных ионов. Ионные уравнения используются для записи реакций в водных или неводных растворах, а также расплавах. Например, реакция обмена при взаимодействии хлорида кальция и нитрата серебра с образованием хлорида серебра, выпадающего в осадок:

CaCl2(р-р) + 2AgNO3(р-р) Ca(NO3)2(р-р) + 2AgCl(тв)

полное ионное уравнение:

Ca2+ + 2Cl + 2Ag+ + 2NO3 Ca2+ + 2NO3 + 2AgCl(тв)

сокоращенное ионное уравнение:

Cl + Ag+ 2AgCl(тв)

Термохимические уравнения

[править | править код]

Если в уравнения химической реакции отражён её тепловой эффект или энтальпия, то такие уравнения называют термохимическими.

Например, в уравнении

«+Q» означает выделение теплоты, т.е. реакция является экзотермической,

а в уравнении

«−Q» означает поглощение теплот, т.е. реакция является эндотермической.

Окислительно-восстановительные реакции

[править | править код]

Окислительно-восстановительные реакции — это химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующиеся 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).

Оформление уравнений

[править | править код]

Современные цифровые технологии позволяют применять для верхних и нижних индексов специальные символы[7] в кодировке Юникод. Такие формулы правильно отображаются в заголовках веб-страниц, где отсутствует возможность форматирования, и в других случаях, когда форматирование недоступно.

Литература

[править | править код]
  • Химическая энциклопедия : [рус.] : в 5 т. / под ред. Н. С. Зефирова. — М. : Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — 783 с. — ISBN 5-85270-310-9.
  • 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.

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 3 Chemical Reaction Equation (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — International Union of Pure and Applied Chemistry, 3-rd Ed., 2006. — doi:10.1351/goldbook.C01034. Архивировано 24 апреля 2024 года.
  2. 1 2 Химическая Энциклопедия, 1999, Т. 5, с. 211.
  3. 1 2 Quantities, units and symbols in physical chemistry (англ.) / Union internationale de chimie pure et appliquée, Union internationale de chimie pure et appliquée. — 2nd ed. — Oxford London Paris [etc.]: Blackwell sci. publ, 1993. — P. 45. — ISBN 978-0-632-03583-0.
  4. 1 2 Marshall, Hugh. Suggested Modifications of the Sign of Equality for Use in Chemical Notation (англ.) // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh : journal. — 1902. — Vol. 24. — P. 85—87. — doi:10.1017/S0370164600007720. Архивировано 9 ноября 2018 года.
  5. Crosland, M.P. The use of diagrams as chemical 'equations' in the lectures of William Cullen and Joseph Black (англ.) // Annals of Science[англ.] : journal. — 1959. — Vol. 15, no. 2. — P. 75—90. — doi:10.1080/00033795900200088.
  6. Richter, J.B. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente : [нем.]. — Breslau and Hirschberg, (Germany) : Johann Friedrich Korn der Aeltere, 1792. — Vol. vol. 1. — P. 121. Архивная копия от 7 января 2022 на Wayback Machine
  7. Маленькие цифры - Таблица символов Юникода. Архивировано 10 января 2023 года.