O ecuație chimică — este o reprezentare a reacției prin formulele substanțelor, în care numărul de atomi ai fiecărui element este egal în partea stângă și în partea dreaptă. Pentru ca o schemă să devină o ecuație, în fața formulelor se introduc coeficienți: acest lucru este cerut de legea conservării masei. Aici se explică diferența dintre schemă și ecuație, se prezintă un algoritm pas cu pas pentru echilibrare (metal → nemetal → hidrogen → oxigen), un tabel cu tipurile de reacții, greșeli frecvente și un simulator interactiv pe care poți consolida imediat tema.
Schema reacției și ecuația reacției: care este diferența
Când fierul arde în oxigen și se obține oxid de fier(III), prima înregistrare arată așa: în stânga formulele substanțelor inițiale, în dreapta — formulele produșilor, între ele o săgeată. Aceasta este o schemă de reacție.
Schema nu este încă o ecuație. Ea spune ce se transformă în ce, dar nu spune cât din fiecare substanță este luat: numărul de atomi de fier și oxigen din partea stângă și din partea dreaptă este diferit. Conform legii conservării masei, așa nu poate fi.
Înregistrarea devine ecuație de reacție atunci când în fața formulelor se introduc coeficienți — numere care echilibrează numărul de atomi ai fiecărui element. Compară cele două înregistrări ale aceleiași reacții.
| Atom | Stânga | Dreapta |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Atom | Stânga | Dreapta |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Legea conservării masei: de ce sunt necesari coeficienții
Legea conservării masei substanțelor a fost formulată de M. V. Lomonosov (1748), iar mai târziu confirmată independent de A. Lavoisier: masa substanțelor care au intrat în reacție este egală cu masa substanțelor care s-au obținut.
Motivul este simplu: în timpul reacției chimice, atomii nu dispar și nu apar din neant. Legăturile vechi se rup, se formează altele noi, iar atomii înșiși doar se rearanjează. Câți atomi de fier au existat înainte de reacție, atâția vor rămâne și după — pur și simplu acum fac parte dintr-o altă substanță.
De aici rezultă cerința principală pentru ecuație: numărul de atomi ai fiecărui element din stânga trebuie să fie egal cu numărul de atomi ai acestui element din dreapta. Singurul mod legal de a realiza acest lucru este prin alegerea coeficienților.
Coeficientul se plasează în fața formulei și înmulțește toți atomii din ea, inclusiv atomii din paranteze. De exemplu, notația \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) înseamnă trei unități de formulă ale hidroxidului de calciu: atomi de \(\mathrm{Ca}\) — 3, atomi de \(\mathrm{O}\) — 6, atomi de \(\mathrm{H}\) — 6. Coeficientul 1 nu se scrie, dar este implicit.
Cum se echilibrează coeficienții într-o ecuație de reacție: algoritm
Echilibrarea coeficienților — nu este o ghicire la întâmplare, ci o procedură scurtă. Ordinea în ea este importantă: mai întâi se echilibrează elementele care apar exact într-o substanță în stânga și într-una în dreapta, și abia apoi hidrogenul și oxigenul — acestea sunt de obicei distribuite în mai multe substanțe și se ajustează ultimele.
Ordinea școlară se memorează printr-un lanț: metal → nemetal → hidrogen → oxigen. Șase pași ai algoritmului — mai jos.
Dacă la un anumit pas se obține un coeficient fracționar (de exemplu, 3/2 în fața unei molecule biatomice de gaz), aceasta nu este o greșeală și nici un impas: du ecilibrarea până la capăt, apoi înmulțește toți coeficienții imediat cu 2 — fracțiile vor dispărea, echilibrul se va păstra.
În clasele mai mari, pentru reacțiile redox se adaugă o metodă mai puternică — metoda balanței electronice. Aceasta se bazează pe gradul de oxidare, dar reacțiile de schimb și de combinare se echilibrează în continuare exact cu acest algoritm simplu.
De ce nu se pot modifica indicii din formulele substanțelor
Aceasta este greșeala numărul unu la elevii de clasa a opta. În schema \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) clorul nu se potrivește: în stânga 2 atomi, în dreapta 1. Ispita este mare — să adaugi un indice și să obții \(\mathrm{NaCl_2}\). Atomi se vor potrivi formal, dar substanța notată nu există: clorura de sodiu are compoziția \(\mathrm{NaCl}\), și niciuna alta.
Indicele — este o parte a formulei. El este determinat de compoziția substanței, adică de valența și gradul de oxidare al elementelor, și nu poate fi ales după bunul plac. Modificând indicele, schimbi însăși substanța: \(\mathrm{H_2O}\) — apă, iar \(\mathrm{H_2O_2}\) — peroxid de hidrogen, o compoziție complet diferită cu proprietăți diferite.
Coeficientul — este un multiplicator în fața formulei. El indică doar cantitatea de particule, nu compoziția lor, de aceea echilibrarea este permisă exclusiv prin coeficienți.
Răspunsul corect pentru schema de mai sus este: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Sodiu 2 și 2, clor 2 și 2, formulele nu au fost modificate.
Tipuri de reacții chimice
Ecuațiile sunt clasificate în funcție de câte substanțe intră în reacție și câte se obțin. În ciclul gimnazial se disting patru tipuri: de combinare, de descompunere, de substituție și de schimb.
Determinarea tipului este utilă înainte de echilibrarea coeficienților: aceasta sugerează ce substanțe vor apărea în partea dreaptă și câte vor fi, prin urmare, ajută să nu greșești în însăși schema.
| Tip de reacție | Schemă generală și exemplu |
|---|---|
| Combinare | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Descompunere | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Substituție | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Schimb | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Suma coeficienților într-o ecuație chimică
În teste și lucrări de control se întreabă adesea nu întreaga ecuație, ci suma coeficienților — aceasta este o modalitate rapidă de a verifica dacă a fost alcătuită corect. Se calculează simplu: se adună toți coeficienții din partea stângă și din partea dreaptă.
Pentru ecuația \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) suma este 4 + 3 + 2 = 9.
Trei locuri unde se pierd cel mai des puncte:
- unitatea invizibilă se numără de asemenea. În ecuația \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) toți cei trei coeficienți sunt egali cu 1, deci suma este 3;
- indicii nu intră în sumă — se adună doar numerele din fața formulelor;
- coeficienții trebuie să fie cei mai mici numere întregi. Notația \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) este corectă din punct de vedere al atomilor, dar toate numerele se împart la 2, de aceea se simplifică la 2, 1, 2 — și suma corectă este 5, nu 10.
Calcule după ecuațiile reacțiilor chimice: coeficienții sunt moli
Coeficienții sunt necesari nu doar pentru echilibrarea atomilor. Ei arată raportul cantităților de substanțe (în moli) în care substanțele reacționează și se obțin. Acesta este puntea către problemele de calcul.
Ecuația \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) se citește așa: 1 mol de azot reacționează cu 3 moli de hidrogen și dă 2 moli de amoniac. Raportul 1 : 3 : 2 se păstrează la orice cantități de substanță.
De aici rezultă schema obișnuită de calcul după ecuație: se transformă masa sau volumul dat în cantitate de substanță, după coeficienți se găsește cantitatea substanței căutate și se revine la masă sau volum. Problemele de calcul în sine — sunt deja o temă mare separată, dar ea începe întotdeauna aici: la coeficienți incorect echilibrați, orice calcul de acest fel va da un răspuns greșit.
Exemple de echilibrare a coeficienților
Exemplul 1. Arderea metanului
Sarcină: echilibrarea coeficienților în schema \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
Pasul 1–2. Numărăm atomii. În stânga: carbon 1, hidrogen 4, oxigen 2. În dreapta: carbon 1, hidrogen 2, oxigen 2 + 1 = 3.
Pasul 3. Nu există metale în schemă — trecem imediat la nemetal.
Pasul 4. Carbon: 1 în stânga și 1 în dreapta, se potrivește deja.
Pasul 5. Hidrogen: în stânga 4, în dreapta 2 — punem coeficientul 2 în fața apei, hidrogenul în dreapta devine 4. Acum oxigenul: în dreapta 2 (în \(\mathrm{CO_2}\)) + 2 (în două \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 atomi, în stânga 2 — punem 2 în fața \(\mathrm{O_2}\).
Pasul 6. Nu există fracții. Verificare: carbon 1 și 1, hidrogen 4 și 4, oxigen 4 și 4.
Răspuns: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), suma coeficienților 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Exemplul 2. Aluminiu și acid sulfuric
Sarcină: echilibrarea coeficienților în schema \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
Pasul 3. Începem cu metalul. Aluminiu în stânga 1, în dreapta 2 — punem 2 în fața \(\mathrm{Al}\).
Pasul 4. Radicalul acid \(\mathrm{SO_4}\) este convenabil de considerat ca un bloc întreg: în dreapta sunt 3, în stânga 1 — punem 3 în fața \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Pasul 5. Hidrogen: în stânga au devenit 3 · 2 = 6 atomi, deci în dreapta sunt necesare 3 molecule de \(\mathrm{H_2}\). Oxigenul îl verificăm ultimul: în stânga 3 · 4 = 12, în dreapta 3 · 4 = 12.
Pasul 6. Verificare pentru toți atomii: aluminiu 2 și 2, sulf 3 și 3, oxigen 12 și 12, hidrogen 6 și 6.
Răspuns: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), suma coeficienților 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Exemplul 3. Când apare o fracție
Sarcină: echilibrarea coeficienților în schema \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
Pasul 3. Metal: fier câte un atom în stânga și în dreapta — se potrivește momentan.
Pasul 4. Clor: în stânga atomii vin în perechi, în dreapta sunt 3. Pentru a obține 3 atomi, în fața \(\mathrm{Cl_2}\) este necesar coeficientul 3/2 — rezultă \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Atomi s-au potrivit, dar un coeficient fracționar în răspuns nu este obișnuit.
Pasul 6. Înmulțim toți coeficienții cu 2: fier 1 · 2 = 2, clor 1,5 · 2 = 3, produs 1 · 2 = 2.
Verificare: fier 2 și 2, clor 6 și 6.
Răspuns: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), suma coeficienților 2 + 3 + 2 = 7.
Greșeli frecvente la echilibrarea coeficienților
-
„Am echilibrat”, modificând formula substanței: pentru a potrivi atomii în schema arderii hidrogenului, se adaugă un indice și se obține în loc de apă peroxid de hidrogen.
\(\mathrm{H_2O_2}\) — este o altă substanță, iar reacția ar fi fost alta. Indicii sunt de neatins, aceștia sunt determinați de compoziția substanței. Răspunsul corect se obține doar prin coeficienți: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
-
Coeficientul se plasează în interiorul formulei: se scrie $\mathrm{Na2Cl}$ în loc de $\mathrm{2NaCl}$.
Coeficientul se află doar în fața formulei întregi și se referă la întreaga substanță. Numărul din interiorul formulei — este deja un indice, adică o altă compoziție. Dacă în fața formulei nu este scris nimic, coeficientul este egal cu 1.
-
Se uită că coeficientul înmulțește toți atomii formulei: în notația $\mathrm{2H_2SO_4}$ se numără 2 atomi de hidrogen.
Trebuie înmulțit fiecare indice: în \(\mathrm{2H_2SO_4}\) hidrogen 2 · 2 = 4 atomi, sulf 2 · 1 = 2, oxigen 2 · 4 = 8. La fel și cu parantezele: în \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) azot 2 · 2 = 4, oxigen 2 · 6 = 12.
-
Se începe echilibrarea cu oxigenul sau hidrogenul.
Oxigenul și hidrogenul intră în mai multe substanțe simultan, de aceea coeficienții lor se vor modifica după fiecare pas următor. Ordinea metal → nemetal → hidrogen → oxigen economisește timp: spre final rămâne de ajustat doar un singur element.
-
Se renunță la echilibrare, văzând un coeficient fracționar, sau se lasă fracția în răspuns.
Fracția — este un rezultat intermediar normal. Du ecilibrarea până la capăt, apoi înmulțește toți coeficienții cu numitorul fracției, de obicei cu 2. Echilibrul atomilor nu se va încălca prin aceasta, iar numerele vor deveni întregi.
-
Se numără suma coeficienților, omițând unitățile invizibile.
Coeficientul 1 nu se scrie, dar în sumă participă. În ecuația \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) suma este 2 + 1 + 2 = 5, nu 4.
-
Nu se face verificarea finală și se predă ecuația, unde nu s-a potrivit fiecare element.
Ultimul pas al algoritmului este obligatoriu: parcurge toți atomii pe rând și compară numărul de atomi din stânga și din dreapta. Greșeala se ascunde cel mai des în oxigen, deoarece acesta se numără ultimul.
Întrebări și răspunsuri
Prin ce se diferențiază schema reacției de ecuația reacției?
Schema reacției arată doar ce substanțe intră în reacție și ce se obține: formule în stânga, formule în dreapta, între ele o săgeată. Devine ecuație după echilibrarea coeficienților, când numărul de atomi ai fiecărui element din stânga este egal cu numărul de atomi din dreapta. Mai simplu spus, schema răspunde la întrebarea „ce se transformă în ce”, iar ecuația și la întrebarea „cât”.
Ce este un coeficient într-o ecuație chimică și prin ce se diferențiază de un indice?
Coeficientul — este un număr în fața formulei substanței, acesta indică numărul de particule și înmulțește toți atomii formulei, inclusiv atomii din paranteze. Indicele — este un număr mic în dreapta jos în interiorul formulei, acesta indică compoziția substanței în sine. La echilibrare se aleg coeficienți, iar indicii nu se pot modifica: modificând indicele, vei obține o altă substanță și o altă reacție.
Cum se găsește suma coeficienților într-o ecuație chimică?
Mai întâi se echilibrează corect coeficienții, apoi se adună toate numerele din fața formulelor din partea stângă și din partea dreaptă. Coeficientul 1 nu se scrie, dar se ia în considerare în sumă. Indicii nu intră în sumă. Și coeficienții trebuie să fie cei mai mici numere întregi: dacă toți se împart la un multiplu comun, ecuația trebuie simplificată, altfel suma va fi prea mare.
Cu ce element se începe echilibrarea coeficienților?
Cu cel care apare exact într-o substanță în stânga și într-una în dreapta. În practică, aceasta este ordinea metal → nemetal (cu excepția hidrogenului și oxigenului) → hidrogen → oxigen. Oxigenul și hidrogenul se lasă la urmă, deoarece intră în mai multe substanțe simultan și se ajustează la coeficienții deja găsiți.
Se pot introduce coeficienți fracționari?
În calculele intermediare — da, este o metodă convenabilă: în fața unei molecule biatomice de gaz se obține adesea 3/2 sau 5/2. Dar în răspunsul final coeficienții trebuie să fie întregi, de aceea la final toți coeficienții ecuației se înmulțesc cu numitorul fracției, de obicei cu 2. Echilibrul atomilor nu se va încălca prin aceasta.
Ce tipuri de reacții chimice există?
În funcție de numărul și compoziția substanțelor inițiale și a produșilor se disting patru tipuri principale: de combinare (din mai multe substanțe se obține una), de descompunere (dintr-o substanță se obțin mai multe), de substituție (o substanță simplă înlocuiește un element dintr-una complexă) și de schimb (două substanțe complexe își schimbă părțile componente). Separat, reacțiile se împart în redox și cele care au loc fără modificarea gradelor de oxidare, precum și în exoterme și endoterme.
Cum se face un calcul după o ecuație chimică?
Coeficienții ecuației stabilesc raportul cantităților de substanțe în moli. Ordinea este următoarea: se scrie ecuația și se echilibrează coeficienții, se transformă masa sau volumul cunoscut în cantitate de substanță, după raportul coeficienților se găsește cantitatea substanței căutate, apoi se transformă înapoi în masă sau volum. Dacă coeficienții sunt echilibrați incorect, greșit va fi și întregul calcul.
De ce în ecuație se pune semnul egal, iar în schemă — o săgeată?
Săgeata înseamnă „se transformă în” și permite ca atomii să nu fie încă echilibrați. Semnul egal indică faptul că ambele părți sunt cu adevărat egale ca număr de atomi ai fiecărui element, adică legea conservării masei este respectată, de aceea egalul se pune doar după echilibrarea coeficienților. În practica școlară, săgeata este adesea păstrată și în ecuația finală — aceasta nu este o greșeală, dacă echilibrul s-a potrivit.
