Химическое уравнение

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 (Шаблон:D-l), а в правой — продукты реакцииШаблон:Sfn.

Обе части уравнения могут быть соединеныШаблон:Переход:

• знаком равенства ( «=») — в этом случае количество атомов химических элементов справа и слева должно быть уравнено с помощью стехиометрических коэффициентовШаблон:Переход, а уравнение носит название стехиометрического уравнения реакции;
• стрелкой «$\to$» — в случае необратимых химических превращений, указания, что рассматривается только прямая реакция, или отдельных стадий при записи механизмов реакций;
• прямой и обратной стрелками «$\rightleftarrows$» — для обратимых реакций;
• символом «$\rightleftharpoons$» — для обозначения химического равновесия.

Иногда химические уравнения дополняют указанием энтальпии реакцийШаблон:Переход, агрегатного состояния веществШаблон:Переход и другими характеристикамиШаблон:ПереходШаблон:Sfn.

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. Шаблон:Также

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 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.

Правила составленияШаблон:Якорь

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:

• «$=$» используется в том случае, когда соблюдено стехиометрическое соотношение;
• «$\to$» используется в случае

• необратимых химических превращений

BaCl₂ + Na₂SO₄ $\to$ BaSO₄ + 2NaCl

• указания, что рассматривается только прямая реакция

3H₂ + N₂ $\to$ 2NH₃

• отдельных стадий при записи механизмов реакций

Hॱ + Br₂ $\to$ HBr + Brॱ

• «$\rightleftarrows$» используется для обозначения реакции, протекающей в обоих направлениях;
• «$\rightleftharpoons$» используется для обозначения химического равновесия.

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 частиШаблон:Переход

Cu²⁺ + Fe = Cu + Fe²⁺.

Расстановка коэффициентов реакцииШаблон:Якорь

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 $\to$ 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 $\to$ 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 $\to$ CO₂ + 2H₂O

Перед молекулами CH₄ и CO₂ коэффициент 1 опускают.

CH₄ + 2O₂ $\to$ 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 уравненияШаблон:Якорь

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

• $\stackrel{\text{t}}{\to }$ реакция протекает при нагревании (может быть указана конкретная температура)

$\text{Cu}+2{\text{O}}_2\stackrel{t}{\to }2\text{CuO}$

$\text{Cu}+2{\text{O}}_2\stackrel{300{}^{\circ }C}{\to }2\text{CuO}$

• $\stackrel{\text{p}}{\to }$ реакция протекает под давлением (может быть указано конкретное давление)

${\text{H}}_2+\text{B}{r}_2\stackrel{p}{\to }2\text{HBr}$

${\text{H}}_2+\text{B}{r}_2\stackrel{5atm}{\to }2\text{HBr}$

• $\stackrel{\text{эл.ток}}{\to }$ реакция протекает под действием электрического тока, при этом реагенты могут быть в любых агрегатных состояниях

$3{\text{O}}_2$$\stackrel{\text{эл.ток}}{\to }$:$2{\text{O}}_3$

• $\stackrel{\text{электролиз}}{\to }$ реакция протекает при пропускании электрического тока через раствор или расплав исходных веществ (т.е. происходит процесс электролиза)

$2{\text{NaCl}}_{liq}$$\stackrel{\text{эл.ток}}{\to }$:$2\text{Na}+{\text{Cl}}_2$

• $\stackrel{\text{кат.}}{\to }$ реакция протекает с участием катализатора, при этом, может быть указана формула или название конкретного катализатора

${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2$ $\stackrel{\text{кат.}}{\to }:$ $2{\text{NH}}_3$

${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\stackrel{Fe}{\to }2{\text{NH}}_3$

• $\stackrel{hv}{\to }$ реакция протекает на свету или под действием излучения

$6{\text{CO}}_2+6{\text{H}}_2\text{O}$ $\stackrel{hv}{\to }$ ${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+6{\text{O}}_2$

• $\stackrel{\text{сплавление}}{\to }$ для реакции, протекающей в расплаве или твердофазно

$\mathrm{L}\mathrm{i}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\text{сплавление}}{\to }2\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$

Обозначения различных условий реакции могут перечисляться через запятую

$6\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{h}\mathrm{v},\text{хлорофилл}}{\to }\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$.

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

$\text{FeO}+{\text{H}}_2\text{O}\ne$

$\text{NaCl+KOH}\ne \text{NaOH+KCl}$

Запись ионных уравненийШаблон:Якорь

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:

CaCl_2(р-р) + 2AgNO_3(р-р) $\to$ Ca(NO₃)_2(р-р) + 2AgCl_(тв)

полное ионное уравнение:

Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Ag⁺ + 2NO₃⁻ $\to$ Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2AgCl_(тв)

сокоращенное ионное уравнение:

Cl⁻ + Ag⁺ $\to$ 2AgCl_(тв)

Термохимические уравненияШаблон:Якорь

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

Например, в уравнении

${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\stackrel{\text{Fe,}\text{t,}\text{p}}{\rightleftarrows }2{\text{NH}}_3+Q$

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

а в уравнении

${\text{N}}_2+{\text{O}}_2\stackrel{\text{t}}{\rightleftarrows }2\text{NO}-Q$

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

Окислительно-восстановительные реакции

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

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

• Шаблон:Публикация
• 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