Уравнения химических реакций

Химические реакции записывают в виде особых (химических) уравнений, в которых каждый символ атома или молекулы обозначает атом (молекулу) или один их моль. Знак равенства между реагентами и продуктами отражает закон сохранения массы вещества в химических реакциях и, как следствие, тот факт, что число атомов каждого элемента среди реагентов равно числу таких же атомов среди продуктов. Например, химическое уравнение реакции

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

реагенты продукты

означает, что 2 молекулы водорода Н₂ (4 атома Н) взаимодействуют с одной молекулой О₂ (2 атома О) и при этом получается 2 молекулы воды, в которых столько же атомов Н (4) и О (2), сколько их было в реагентах. Для практических расчётов важнее то, что уравнение показывает количества взаимодействующих и образующихся веществ: два моля водорода Н₂ взаимодействуют с одним молем кислорода О₂ и при этом получается два моля воды.

Коэффициенты перед формулами в уравнении реакции называются стехиометрическими; они относятся ко всем атомам формулы (коэффициент 1 не пишется, т.к. сама формула означает один моль вещества). Кроме того, в химических уравнениях сохраняется заряд; это важно при написании уравнений ионных и окислительно-восстановительных реакций (см. разд. 6 и 7).

При написании химического уравнения сначала записывают его схему без стехиометрических коэффициентов, например

Н₂ + N₂ ® NH₃,

а затем уравнивают его. Общий метод уравнивания заключается в составлении уравнений баланса всех атомов. Для этого записывают химическое уравнение с неизвестными коэффициентами:

х₁Н₂ + х₂N₂ = x₃NH₃,

а затем - алгебраическую систему уравнений баланса по атомам:

1) 2х₁ = 3х₃ (по атомам Н)

2) 2х₂ = х₃ (по атомам N)

Система не имеет определенного решения, так как не хватает одного уравнения. Решая эту систему, находим:

и

Принимая далее один из коэффициентов равным 1, например х₂ = 1 (это и будет третье уравнение системы), находим, что х₃ = 2 и х₁ = 3.

Таким образом, получим уравнение:

3Н₂ + N₂ = 2NH₃

Если получаются дробные коэффициенты, то их обычно приводят к наименьшему целому.

Другие способы уравнивания будут рассмотрены в разделе 7.1.1.

Уравнение химической реакции замечательно тем, что по нему можно найти количества и массы всех реагирующих и получающихся веществ, если известно количество или масса хотя бы одного из них и если реакция протекает нацело.

Пример 21. Рассчитать массу 30%-й соляной кислоты, необходимой для разложения одного кг СаСО₃. Определить объем СО₂(н.у.), выделяющегося при этом.

Решение. Записываем уравнение реакции и молярные массы реагентов:

СаСО₃ + 2НСl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O; М(СаСО₃) = 100 г/моль, М(НCl) = 36,5 г/моль.

Из уравнения делаем вывод, что 1 моль СаСО₃ взаимодействует с 2 моль кислоты и при этом выделяется 1 моль СО₂. На этом основании можно составить пропорции:

1) 100 г СаСО₃ взаимодействуют с 2·36,5 г НСl

1000 г СаСО₃ взаимодействует с Х г НСl

Отсюда Х = 720 г HCl – это масса хлороводорода в чистом виде, а масса 30%-й соляной кислоты m равна:

m =

2) При взаимодействии 100 г CaCO₃ выделяется 22,4 л (1 моль) СО₂

При взаимодействии 1000 г CaCO₃ выделяется Х л СО₂.

Отсюда объём выделяющегося углекислого газа СО₂ равен 224 л.