Ķīmiskās reakcijas vienādojums ir vielu formulu pieraksts, kurā katra elementa atomu skaits kreisajā un labajā pusē ir vienāds. Lai shēma pārvērstos par vienādojumu, formulu priekšā izliek koeficientus: to prasa masu nezūdamības likums. Šeit paskaidrots, kāda ir atšķirība starp shēmu un vienādojumu, dota soli pa solim izlikšanas algoritms (metāls → nemetāls → ūdeņradis → skābeklis), reakciju tipu tabula, biežākās kļūdas un interaktīvais trenažieris, kurā var uzreiz nostiprināt tēmu.
Reakcijas shēma un reakcijas vienādojums: kāda ir atšķirība
Kad dzelzs deg skābeklī un veidojas dzelzs(III) oksīds, pirmais pieraksts izskatās šādi: kreisajā pusē izejvielu formulas, labajā — produktu formulas, starp tām — bultiņa. Tā ir reakcijas shēma.
Shēma vēl nav vienādojums. Tajā teikts, kas pārvēršas par ko, bet nav teikts, cik daudz kaut kā tiek ņemts: dzelzs un skābekļa atomu skaits kreisajā un labajā pusē ir atšķirīgs. Saskaņā ar masu nezūdamības likumu tā nevar būt.
Par reakcijas vienādojumu pieraksts kļūst tad, kad formulu priekšā ir izlikti koeficienti — skaitļi, kas izlīdzina katra elementa atomu skaitu. Salīdzini abus vienas un tās pašas reakcijas pierakstus.
| Atoms | Kreisā puse | Labā puse |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Atoms | Kreisā puse | Labā puse |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Masu nezūdamības likums: kāpēc nepieciešami koeficienti
Masu nezūdamības likumu formulēja M. V. Lomonosovs (1748), un vēlāk to neatkarīgi apstiprināja A. Lavuazjē: reagējušo vielu masa ir vienāda ar iegūto vielu masu.
Iemesls ir vienkāršs: ķīmiskās reakcijas laikā atomi neizzūd un nerodas no nekā. Plīst vecās saites, veidojas jaunas, bet paši atomi tikai pārkārtojas. Cik dzelzs atomu bija pirms reakcijas, tikpat paliek arī pēc — vienkārši tagad tie ietilpst citā vielā.
No tā izriet galvenā prasība vienādojumam: katra elementa atomu skaits kreisajā pusē ir jābūt vienādam ar šī elementa atomu skaitu labajā pusē. Vienīgais likumīgais veids, kā to panākt, ir piemeklēt koeficientus.
Koeficients tiek likts formulu priekšā un reizina visus tajā esošos atomus, ieskaitot atomus iekavās. Piemēram, pieraksts \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) nozīmē trīs kalcija hidroksīda formālās vienības: \(\mathrm{Ca}\) atomu — 3, \(\mathrm{O}\) atomu — 6, \(\mathrm{H}\) atomu — 6. Koeficientu 1 neraksta, bet tas ir domāts.
Kā izlikt koeficientus reakcijas vienādojumā: algoritms
Koeficientu izlikšana nav nejauša izvēle, bet īsa procedūra. Tajā ir svarīga secība: vispirms izlīdzina elementus, kas sastopami tieši vienā vielā kreisajā pusē un vienā labajā, un tikai pēc tam ūdeņradi un skābekli — tie parasti ir sadalīti vairākās vielās un tiek pielāgoti pēdējie.
Skolas secību var atcerēties pēc ķēdes: metāls → nemetāls → ūdeņradis → skābeklis. Seši algoritma soļi — zemāk.
Ja kādā solī izveidojas daļskaitlisks koeficients (piemēram, 3/2 divuatomu gāzes molekulai), tā nav kļūda un strupceļš: pabeidz izlikšanu līdz galam, un pēc tam visas koeficientus reizini ar 2 — daļskaitļi pazudīs, līdzsvars saglabāsies.
Vecākajās klasēs oksidēšanās-reducēšanās reakcijām tiek pievienota spēcīgāka metode — elektronu bilances metode. Tā balstās uz oksidēšanās pakāpi, bet apmaiņas un savienošanās reakcijas joprojām izlīdzina tieši ar šo vienkāršo algoritmu.
Kāpēc nedrīkst mainīt vielu formulu indeksus
Tā ir astoņpadsmitgadīgo skolēnu kļūda numur viens. Shēmā \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) hlors nesakrīt: kreisajā pusē 2 atomi, labajā 1. Kārdinājums ir liels — pielikt indeksu un iegūt \(\mathrm{NaCl_2}\). Atomi formāli sakritīs, bet pierakstītā viela neeksistē: nātrija hlorīdam ir sastāvs \(\mathrm{NaCl}\), un nekāds cits.
Indekss ir formulas daļa. To nosaka vielas sastāvs, proti, elementu valences un oksidēšanās pakāpes, un to pēc savas vēlēšanās izvēlēties nedrīkst. Mainot indeksu, tu maini pašu vielu: \(\mathrm{H_2O}\) — ūdens, bet \(\mathrm{H_2O_2}\) — ūdeņraža pārskābe, pavisam cita savienojums ar citām īpašībām.
Koeficients ir reizinātājs formulas priekšā. Tas norāda tikai uz daļiņu skaitu, nevis to sastāvu, tāpēc izlīdzināt ir atļauts tikai ar koeficientiem.
Pareizā atbilde iepriekš minētajai shēmai: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Nātrija 2 un 2, hlora 2 un 2, formulas nav mainītas.
Ķīmisko reakciju tipi
Vienādojumus klasificē pēc tā, cik vielu iesaistās reakcijā un cik rodas. Pamatskolā izšķir četrus tipus: savienošanās, sadalīšanās, aizvietošanas un apmaiņas.
Tipa noteikšana ir noderīga pirms koeficientu izlikšanas: tas norāda, kādas vielas būs labajā pusē un cik to būs, tātad palīdz nekļūdīties pašā shēmā.
| Reakcijas tips | Vispārīgā shēma un piemērs |
|---|---|
| Savienošanās | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Sadalīšanās | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Aizvietošanas | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Apmaiņas | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Ķīmiskās reakcijas vienādojuma koeficientu summa
Testos un kontrolēs bieži prasa nevis visu vienādojumu, bet koeficientu summu — tas ir ātrs veids, kā pārbaudīt, vai tas ir sastādīts pareizi. To aprēķina vienkārši: saskaita visus kreisās un labās puses koeficientus.
Vienādojumam \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) summa ir 4 + 3 + 2 = 9.
Trīs vietas, kur visbiežāk zaudē punktus:
- ** neredzamā vienība arī tiek skaitīta**. Vienādojumā \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) visi trīs koeficienti ir vienādi ar 1, tāpēc summa ir 3;
- indeksi nesummējas — saskaita tikai skaitļus formulu priekšā;
- koeficientiem jābūt mazākajiem veseliem skaitļiem. Pieraksts \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) pēc atomiem ir pareizs, bet visus skaitļus var dalīt ar 2, tāpēc to saīsina līdz 2, 1, 2 — un pareizā summa ir 5, nevis 10.
Aprēķini pēc ķīmiskās reakcijas vienādojumiem: koeficienti ir moli
Koeficienti ir nepieciešami ne tikai atomu līdzsvaram. Tie parāda vielu daudzumu attiecību (molos), kurā vielas reaģē un rodas. Tas ir tilts uz aprēķinu uzdevumiem.
Vienādojumu \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) var lasīt šādi: 1 mols slāpekļa reaģē ar 3 moliem ūdeņraža un dod 2 molus amonjaka. Attiecība 1 : 3 : 2 saglabājas pie jebkura vielas daudzuma.
No tā izriet parastā aprēķinu shēma pēc vienādojuma: pārvērtiet doto masu vai tilpumu par vielas daudzumu, pēc koeficientiem atrodiet meklētās vielas daudzumu un atgriezieties pie masas vai tilpuma. Paši aprēķinu uzdevumi — jau atsevišķa liela tēma, bet sākas tā vienmēr šeit: pie nepareizi izliktiem koeficientiem jebkurš šāds aprēķins dos nepareizu atbildi.
Koeficientu izlikšanas piemēri
1. piemērs. Metāna degšana
Uzdevums: izlikt koeficientus shēmā \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
1.–2. solis. Saskaitām atomus. Kreisajā pusē: oglekļa 1, ūdeņraža 4, skābekļa 2. Labajā pusē: oglekļa 1, ūdeņraža 2, skābekļa 2 + 1 = 3.
3. solis. Metālu shēmā nav — uzreiz pārejam pie nemetāla.
4. solis. Ogleklis: 1 kreisajā pusē un 1 labajā, jau sakrīt.
5. solis. Ūdeņradis: kreisajā pusē 4, labajā 2 — liekam koeficientu 2 pirms ūdens, ūdeņraža labajā pusē kļūst 4. Tagad skābeklis: labajā pusē 2 (\(\mathrm{CO_2}\) ) + 2 (divās \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 atomi, kreisajā 2 — liekam 2 pirms \(\mathrm{O_2}\).
6. solis. Daļskaitļu nav. Pārbaude: ogleklis 1 un 1, ūdeņradis 4 un 4, skābeklis 4 un 4.
Atbilde: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), koeficientu summa 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
2. piemērs. Alumīnijs un sērskābe
Uzdevums: izlikt koeficientus shēmā \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
3. solis. Sākam ar metālu. Alumīnija kreisajā pusē 1, labajā 2 — liekam 2 pirms \(\mathrm{Al}\).
4. solis. Skābes atlikumu \(\mathrm{SO_4}\) ērti uzskatīt par veselu bloku: labajā pusē tā ir 3, kreisajā 1 — liekam 3 pirms \(\mathrm{H_2SO_4}\).
5. solis. Ūdeņradis: kreisajā pusē kļūst 3 · 2 = 6 atomi, tātad labajā pusē vajag 3 \(\mathrm{H_2}\) molekulas. Skābekli pēdējo pārbaudām: kreisajā 3 · 4 = 12, labajā 3 · 4 = 12.
6. solis. Pārbaude pa visiem elementiem: alumīnijs 2 un 2, sērs 3 un 3, skābeklis 12 un 12, ūdeņradis 6 un 6.
Atbilde: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), koeficientu summa 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
3. piemērs. Kad parādās daļskaitlis
Uzdevums: izlikt koeficientus shēmā \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
3. solis. Metāls: dzelzs pa vienam atomam kreisajā un labajā pusē — pagaidām sakrīt.
4. solis. Hlors: kreisajā pusē atomi nāk pa pāriem, labajā ir 3. Lai iegūtu 3 atomus, pirms \(\mathrm{Cl_2}\) vajag koeficientu 3/2 — sanāk \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Atomi sakrita, bet daļskaitļainu koeficientu atbildē likt nepieņemts.
6. solis. Reizinām visus koeficientus ar 2: dzelzs 1 · 2 = 2, hlors 1,5 · 2 = 3, produkts 1 · 2 = 2.
Pārbaude: dzelzs 2 un 2, hlors 6 un 6.
Atbilde: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), koeficientu summa 2 + 3 + 2 = 7.
Biežākās kļūdas koeficientu izlikšanā
-
„Izlīdzināju”, mainot vielas formulu: lai savienotu atomus ūdeņraža degšanas shēmā, pieraksta indeksu un ūdens vietā iegūst ūdeņraža pārskābi.
\(\mathrm{H_2O_2}\) ir cita viela, un reakcija būtu cita. Indeksi ir neaizskarami, tos nosaka vielas sastāvs. Pareiza atbilde tiek panākta tikai ar koeficientiem: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
-
Koeficientu liek formulas iekšpusē: raksta $\mathrm{Na2Cl}$ nevis $\mathrm{2NaCl}$.
Koeficients atrodas tikai formulas priekšā un attiecas uz visu vielu. Skaitlis formulas iekšpusē ir jau indekss, proti, cits sastāvs. Ja formulas priekšā nekas nav uzrakstīts, koeficients ir 1.
-
Aizmirst, ka koeficients reizina visus formulas atomus: pierakstā $\mathrm{2H_2SO_4}$ skaita 2 ūdeņraža atomus.
Jāreizina katrs indekss: \(\mathrm{2H_2SO_4}\) ir ūdeņraža 2 · 2 = 4 atomi, sēra 2 · 1 = 2, skābekļa 2 · 4 = 8. Tāpat ar iekavām: \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) ir slāpekļa 2 · 2 = 4, skābekļa 2 · 6 = 12.
-
Sāk izlīdzināt ar skābekli vai ūdeņradi.
Skābeklis un ūdeņradis ietilpst vairākās vielās, tāpēc to koeficienti mainīsies pēc katra nākamā soļa. Secība metāls → nemetāls → ūdeņradis → skābeklis ietaupa laiku: uz beigām pielāgojams paliek tikai viens elements.
-
Pamet izlikšanu, ieraudzījis daļskaitļainu koeficientu, vai atstāj daļskaitli atbildē.
Daļskaitlis ir normāls starpposma rezultāts. Pabeidz izlikšanu līdz galam, un pēc tam visus koeficientus reizini ar saucēju (visbiežāk ar 2). Līdzsvars no tā nemainīsies, bet skaitļi kļūs veseli.
-
Skaita koeficientu summu, izlaižot neredzamās vienības.
Koeficientu 1 neraksta, bet summā tas piedalās. Vienādojumā \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) summa ir 2 + 1 + 2 = 5, nevis 4.
-
Nefotografē fināla pārbaudi un iesniedz vienādojumu, kurā nav sakritis katrs elements.
Pēdējais algoritma solis ir obligāts: izskrien cauri visiem elementiem pēc kārtas un salīdzini atomu skaitu kreisajā un labajā pusē. Kļūda visbiežāk slēpjas skābeklī, jo to skaita pēdējo.
Jautājumi un atbildes
Kā reakcijas shēma atšķiras no reakcijas vienādojuma?
Reakcijas shēma parāda tikai, kādas vielas reaģē un kādas rodas: formulas kreisajā pusē, formulas labajā pusē, starp tām bultiņa. Par vienādojumu tā kļūst pēc koeficientu izlikšanas, kad katra elementa atomu skaits kreisajā pusē ir vienāds ar atomu skaitu labajā pusē. Vienkāršāk sakot, shēma atbild uz jautājumu „kas pārvēršas par ko”, bet vienādojums arī uz jautājumu „cik daudz”.
Kas ir koeficients reakcijas vienādojumā un kā tas atšķiras no indeksa?
Koeficients ir skaitlis vielas formulas priekšā, tas parāda daļiņu skaitu un reizina visus formulas atomus, ieskaitot atomus iekavās. Indekss ir mazs skaitlis formulas iekšpusē apakšā pa labi, tas parāda pašas vielas sastāvu. Izlīdzinot piemeklē koeficientus, bet indeksus mainīt nedrīkst: mainot indeksu, iegūsi citu vielu un citu reakciju.
Kā atrast ķīmiskās reakcijas vienādojuma koeficientu summu?
Vispirms pareizi izliec koeficientus, un pēc tam saskaiti visus skaitļus formulu priekšā kreisajā un labajā pusē. Koeficientu 1 neraksta, bet summā tas tiek ieskaitīts. Indeksi summā neietilpst. Un koeficientiem jābūt mazākajiem veseliem skaitļiem: ja tos visus var dalīt ar kopīgu reizinātāju, vienādojums jāsaīsina, citādi summa būs pārāk liela.
Ar kāda elementa izlīdzināšanu sākt likt koeficientus?
Ar to, kas sastopams tieši vienā vielā kreisajā pusē un vienā labajā. Praksē tā ir secība metāls → nemetāls (izņemot ūdeņradi un skābekli) → ūdeņradis → skābeklis. Skābekli un ūdeņradi atstāj uz beigām, jo tie ietilpst vairākās vielās un tiek pielāgoti jau atrastajiem koeficientiem.
Vai drīkst likt daļskaitļainus koeficientus?
Starpposma aprēķinos — jā, tas ir ērts paņēmiens: pirms divatomu gāzes molekulas bieži sanāk 3/2 vai 5/2. Bet galīgajā atbildē koeficientiem jābūt veseliem, tāpēc beigās visus vienādojuma koeficientus reizina ar daļskaitļa saucēju, parasti ar 2. Atomu līdzsvars no tā nemainās, bet skaitļi kļūst veseli.
Kādi ir ķīmisko reakciju tipi?
Pēc izejvielu un produktu skaita un sastāva izšķir četrus pamat tipus: savienošanās (no vairākām vielām rodas viena), sadalīšanās (no vienas vielas rodas vairākas), aizvietošanas (vienkārša viela izspiež elementu no saliktās) un apmaiņas (divas saliktās vielas apmainās ar sastāvdaļām). Atsevišķi reakcijas dala oksidēšanās-reducēšanās un tās, kas notiek bez oksidēšanās pakāpju maiņas, kā arī eksotermiskās un endotermiskās.
Kā veikt aprēķinu pēc ķīmiskās reakcijas vienādojuma?
Vienādojuma koeficienti nosaka vielu daudzumu attiecību molos. Secība ir šāda: uzrakstīt vienādojumu un izlikt koeficientus, pārvērst zināmo masu vai tilpumu par vielas daudzumu, pēc koeficientu attiecības atrast meklētās vielas daudzumu, un pēc tam pārvērst to atpakaļ par masu vai tilpumu. Ja koeficienti izlikti nepareizi, kļūdains būs arī viss aprēķins.
Kāpēc vienādojumā liek vienādības zīmi, bet shēmā — bultiņu?
Bultiņa nozīmē „pārvēršas par” un pieļauj, ka atomi vēl nav izlīdzināti. Vienādības zīme norāda, ka abas puses patiešām ir līdzvērtīgas pēc katra elementa atomu skaita, proti, masu nezūdamības likums ir izpildīts, tāpēc vienādību liek tikai pēc koeficientu izlikšanas. Skolas praksē bultiņu bieži atstāj arī gatavā vienādojumā — tā nav kļūda, ja līdzsvars ir panākts.
