Химия, полный курс для 8 класса

Химические уравнения. Расчеты по химическим уравнениям

Как «записать» химическую реакцию? Мы уже знаем, что при химических реакциях одни вещества превращаются в другие, а общее число атомов не меняется. Этот процесс можно описать не только словами, но и с помощью четких и однозначных химических формул. Такую запись называют химическим уравнением.

1. Химическое уравнение и расстановка коэффициентов

Химическое уравнение – это условная запись химической реакции с помощью химических формул и коэффициентов.

• Слева от стрелки записывают формулы исходных веществ (их называют реагентами).

• Справа от стрелки записывают формулы образовавшихся веществ (их называют продуктами реакции).

• Стрелка (→) указывает направление протекания реакции и читается как «превращается в» или «дает».

Рассмотрим реакцию горения водорода в кислороде. Словесное описание: «Водород и кислород взаимодействуют с образованием воды».
Попробуем записать это формулами:

$$H_2+O_2\to H_{2}O$$

Однако эта запись неполна! Давайте подсчитаем атомы слева и справа:

• Слева: 2 атома водорода (H₂) и 2 атома кислорода (O₂).

• Справа: 2 атома водорода (H₂O) и 1 атом кислорода (O).

Видите? Число атомов кислорода не совпадает. Но мы знаем, что атомы в реакциях не исчезают! Значит, наша запись неверна.

Чтобы отразить закон сохранения массы веществ, открытый М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье, перед формулами ставят специальные числа – коэффициенты.

Коэффициенты показывают относительное число молекул (или молей) веществ, участвующих в реакции.

Давайте уравняем нашу реакцию:

1. Поставим коэффициент 2 перед водой, чтобы уравнять кислород:

   $$H_2+O_2\to 2H_{2}O$$
   

   Теперь справа стало 2 атома кислорода, но 4 атома водорода (2 молекулы H₂O по 2 атома H каждая).

2. Чтобы уравнять водород, поставим коэффициент 2 перед его формулой слева:

   $$2H_2+O_2\to 2H_{2}O$$
   

Проверим:

• Слева: 4 атома H (2H₂), 2 атома O (O₂).

• Справа: 4 атома H (2H₂O), 2 атома O (2H₂O).

Теперь число атомов каждого химического элемента одинаково. Уравнение составлено верно.

Алгоритм расстановки коэффициентов:

1. Запишите схему реакции (формулы реагентов и продуктов).

2. Подсчитайте количество атомов каждого элемента слева и справа.

3. Начните уравнивать с самого сложного по составу вещества.

4. Уравнивайте атомы элементов по одному, проверяя после каждого изменения.

5. Убедитесь, что число атомов всех элементов совпадает.

Важно! Нельзя менять индексы в готовых химических формулах (например, писать H₂O₂ вместо H₂O). Можно ставить только коэффициенты перед формулами.

Пример: Уравняйте реакцию: $Al+C{l}_2\to AlC{l}_3$

Решение:

1. Справа 3 атома Cl, слева – 2. Находим наименьшее общее кратное для 2 и 3 – это 6.

2. Ставим коэффициент 3 перед Cl₂ (3·2=6 атомов Cl) и коэффициент 2 перед AlCl₃ (2·3=6 атомов Cl):

   $$Al+3C{l}_2\to 2AlC{l}_3$$

3. Теперь слева 1 атом Al, справа – 2. Уравниваем алюминий:

   $$2Al+3C{l}_2\to 2AlC{l}_3$$

4. Проверка: Al: 2=2, Cl: 6=6. Верно.

2. Закон сохранения массы – основа химических уравнений

Почему мы так строго следим за количеством атомов? Потому что в основе составления любого химического уравнения лежит закон сохранения массы веществ:

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Молекулы в реакции разрушаются, а атомы перераспределяются, образуя новые молекулы. Поскольку атомы не исчезают, их общая масса остается неизменной. Коэффициенты в уравнении как раз и обеспечивают это равенство.

В уравнении $2H_2+O_2\to 2H_{2}O$ коэффициенты показывают, что 2 молекулы водорода и 1 молекула кислорода, взаимодействуя, образуют 2 молекулы воды. Если перейти к большим количествам, можно сказать: 2 моля водорода и 1 моль кислорода дают 2 моля воды.

Таким образом, химическое уравнение – это не просто условная запись, а качественная и количественная модель химической реакции.

3. Решение расчетных задач по химическим уравнениям

Зная количество одного из участников реакции, всегда можно рассчитать количество любого другого участника. Эти расчеты называются стехиометрическими.

Алгоритм решения расчетной задачи:

1. Составить уравнение реакции (обязательно проверить коэффициенты!).

2. Записать данные из условия над формулами соответствующих веществ.

3. Под формулами этих же веществ записать:

   • Количество вещества по уравнению (по коэффициентам).

   • Молярную массу (M) или молярный объем (Vₘ для газов при н.у. = 22,4 л/моль).

4. Составить пропорцию и найти неизвестную величину.

5. Записать ответ.

Рассмотрим несколько типов задач.

Задача 1. Расчет по массе реагента массе продукта

Условие: Какая масса оксида магния (MgO) образуется при сгорании 12 г магния?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции:

   $$2Mg+O_2\to 2MgO$$
   

2. Запишем данные над формулами:
   Дано 12 г магния. Массу оксида магния обозначим за $x$.

   $$\begin{array}{ccc}12\text{г}& & x\text{г}\\ 2Mg& +& O_2& \to & 2MgO\end{array}$$

3. Запишем под формулами:

   • Количество вещества: 2 моль и 2 моль.

   • Молярные массы:

     • M(Mg) = 24 г/моль

     • M(MgO) = 24 + 16 = 40 г/моль

   • Рассчитаем массы веществ, соответствующие этим количествам по уравнению:

     • m(Mg) = ν · M = 2 моль · 24 г/моль = 48 г

     • m(MgO) = 2 моль · 40 г/моль = 80 г

   Теперь запись выглядит так:

   $$\begin{array}{ccc}12\text{г}& & x\text{г}\\ 2Mg& +& O_2& \to & 2MgO\\ 48\text{г}& & & & 80\text{г}\end{array}$$

4. Составляем и решаем пропорцию:

   $$\frac{12}{48}=\frac{x}{80}$$$$x=\frac{12\cdot 80}{48}=20\text{г}$$
   

5. Ответ: m(MgO) = 20 г.

Задача 2. Расчет по количеству вещества реагента объему газообразного продукта

Условие: Какой объем водорода (н.у.) выделится при взаимодействии соляной кислоты с 0,5 моль цинка?

Решение:

1. Уравнение реакции:

   $$Zn+2HCl\to ZnC{l}_2+H_2\uparrow$$
   

2. Данные над формулами:
   Дано 0,5 моль цинка. Объем водорода обозначим за $V(H_2)$.

   $$\begin{array}{ccc}0,5\text{моль}& & V(H_2)\text{л}\\ Zn& +& 2HCl& \to & ZnC{l}_2& +& H_2\end{array}$$

3. Данные под формулами:

   • Количество вещества: 1 моль Zn дает 1 моль H₂.

   • Молярный объем: Vₘ = 22,4 л/моль.

   • Объем водорода по уравнению: 1 моль · 22,4 л/моль = 22,4 л.

   $$\begin{array}{ccc}0,5\text{моль}& & V(H_2)\text{л}\\ Zn& +& 2HCl& \to & ZnC{l}_2& +& H_2\\ 1\text{моль}& & & & & & 22,4\text{л}\end{array}$$

4. Составляем пропорцию:

   $$\frac{0,5}{1}=\frac{V(H_2)}{22,4}$$$$V(H_2)=0,5\cdot 22,4=11,2\text{л}$$
   

5. Ответ: V(H₂) = 11,2 л.

Ключевые понятия

• Химическое уравнение

• Реагенты

• Продукты реакции

• Коэффициент

• Закон сохранения массы веществ

• Стехиометрические расчеты

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Сформулируйте закон сохранения массы веществ. Кто является его автором?

2. Что показывает химическое уравнение?

3. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:
   а) $Na+C{l}_2\to NaCl$
   б) $CuO+H_2\to Cu+H_{2}O$
   в) $Al+O_2\to A{l}_2{O}_3$

4. Решите задачу: Рассчитайте массу меди, которая образуется при восстановлении углем 32 г оксида меди(II) (CuO). Уравнение реакции: $2CuO+C\to 2Cu+C{O}_2$.