Рівняння хімічної реакції — це запис реакції формулами речовин, у якому число атомів кожного елемента зліва і справа однакове. Щоб схема перетворилася на рівняння, перед формулами розставляють коефіцієнти: цього вимагає закон збереження маси. Тут розібрано, чим схема відрізняється від рівняння, подано покроковий алгоритм розстановки (метал → неметал → водень → кисень), таблицю типів реакцій, часті помилки та інтерактивний тренажер, на якому можна одразу закріпити тему.
Схема реакції та рівняння реакції: у чому різниця
Коли залізо горить у кисні й утворюється оксид заліза(III), перший запис виглядає так: зліва формули вихідних речовин, справа — формули продуктів, між ними стрілка. Це схема реакції.
Схема ще не є рівнянням. В ній сказано, що на що перетворюється, але не сказано, скільки чого береться: атомів заліза та кисню в лівій і правій частині різна кількість. За законом збереження маси так бути не може.
Рівнянням реакції запис стає тоді, коли перед формулами розставлені коефіцієнти — числа, що вирівнюють кількість атомів кожного елемента. Порівняй два записи однієї й тієї ж реакції.
| Атом | Зліва | Справа |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Атом | Зліва | Справа |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Закон збереження маси: навіщо потрібні коефіцієнти
Закон збереження маси речовин сформулював М. В. Ломоносов (1748), а пізніше незалежно підтвердив А. Лавуазьє: маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, які утворилися.
Причина проста: під час хімічної реакції атоми не зникають і не з'являються з нізвідки. Рвуться старі зв'язки, утворюються нові, а самі атоми лише перегруповуються. Скільки атомів заліза було до реакції, стільки ж залишиться і після — просто тепер вони входять до складу іншої речовини.
Звідси головна вимога до рівняння: число атомів кожного елемента зліва має дорівнювати числу атомів цього елемента справа. Єдиний законний спосіб цього досягти — підібрати коефіцієнти.
Коефіцієнт ставиться перед формулою і множить усі атоми в ній, включно з атомами всередині дужок. Наприклад, запис \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) означає три формульні одиниці гідроксиду кальцію: атомів \(\mathrm{Ca}\) — 3, атомів \(\mathrm{O}\) — 6, атомів \(\mathrm{H}\) — 6. Коефіцієнт 1 не пишуть, але він мається на увазі.
Як розставити коефіцієнти в рівнянні реакції: алгоритм
Розстановка коефіцієнтів — не підбір навмання, а коротка процедура. Порядок у ній важливий: спочатку урівнюють елементи, які зустрічаються рівно в одній речовині зліва і в одній справа, і лише потім водень і кисень — вони зазвичай розподілені одразу по кількох речовинах і підлаштовуються останніми.
Шкільний порядок запам'ятовується ланцюжком: метал → неметал → водень → кисень. Шість кроків алгоритму — нижче.
Якщо на якомусь кроці вийшов дробовий коефіцієнт (наприклад, 3/2 перед двохатомною молекулою газу), це не помилка і не глухий кут: доведи розстановку до кінця, а потім помнож усі коефіцієнти одразу на 2 — дроби зникнуть, баланс збережеться.
У старших класах для окисно-відновних реакцій додається потужніший прийом — метод електронного балансу. Він спирається на ступінь окиснення, але реакції обміну та сполучення, як і раніше, урівнюють саме цим простим алгоритмом.
Чому не можна змінювати індекси у формулах речовин
Це помилка номер один у восьмикласників. У схемі \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) хлор не сходиться: зліва 2 атоми, справа 1. Спокуса велика — дописати індекс і отримати \(\mathrm{NaCl_2}\). Атоми формально зійдуться, але записаної речовини не існує: хлорид натрію має склад \(\mathrm{NaCl}\), і жоден інший.
Індекс — це частина формули. Він визначений складом речовини, тобто валентністю та ступенем окиснення елементів, і вибирати його за власним бажанням не можна. Змінюючи індекс, ти змінюєш саму речовину: \(\mathrm{H_2O}\) — вода, а \(\mathrm{H_2O_2}\) — пероксид водню, зовсім інша сполука з іншими властивостями.
Коефіцієнт — це множник перед формулою. Він говорить лише про кількість частинок, а не про їхній склад, тому урівнювати дозволено виключно коефіцієнтами.
Правильна відповідь для схеми вище: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Натрію 2 і 2, хлору 2 і 2, формули не чіпали.
Типи хімічних реакцій
Рівняння класифікують за тим, скільки речовин вступає в реакцію і скільки утворюється. В основній школі виділяють чотири типи: сполучення, розкладу, заміщення та обміну.
Визначати тип корисно до розстановки коефіцієнтів: він підказує, які речовини опиняться в правій частині і скільки їх буде, а отже, допомагає не помилитися в самій схемі.
| Тип реакції | Загальна схема та приклад |
|---|---|
| Сполучення | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Розкладу | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Заміщення | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Обміну | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Сума коефіцієнтів у рівнянні хімічної реакції
У тестах і контрольних часто запитують не все рівняння цілком, а суму коефіцієнтів — це швидкий спосіб перевірити, чи вірно воно складене. Рахують її просто: складають усі коефіцієнти лівої та правої частини.
Для рівняння \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) сума дорівнює 4 + 3 + 2 = 9.
Три місця, де найчастіше втрачають бал:
- невидима одиниця теж враховується. У рівнянні \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) усі три коефіцієнти дорівнюють 1, тому сума дорівнює 3;
- індекси в суму не входять — складають лише числа перед формулами;
- коефіцієнти мають бути найменшими цілими. Запис \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) за атомами правильний, але всі числа діляться на 2, тому його скорочують до 2, 1, 2 — і правильна сума дорівнює 5, а не 10.
Розрахунки за рівняннями хімічних реакцій: коефіцієнти — це молі
Коефіцієнти потрібні не лише для балансу атомів. Вони показують співвідношення кількостей речовин (у молях), у якому речовини реагують і утворюються. Це і є місток до розрахункових задач.
Рівняння \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) читається так: 1 моль азоту реагує з 3 молями водню і дає 2 молі аміаку. Співвідношення 1 : 3 : 2 зберігається за будь-яких кількостей речовини.
Звідси звичайна схема розрахунку за рівнянням: перевести дану масу або об'єм у кількість речовини, за коефіцієнтами знайти кількість шуканої речовини і повернутися до маси або об'єму. Самі розрахункові задачі — вже окрема велика тема, але починається вона завжди тут: при невірно розставлених коефіцієнтах будь-який такий розрахунок дасть невірну відповідь.
Приклади розстановки коефіцієнтів
Приклад 1. Горіння метану
Завдання: розставити коефіцієнти в схемі \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
Крок 1–2. Рахуємо атоми. Зліва: вуглецю 1, водню 4, кисню 2. Справа: вуглецю 1, водню 2, кисню 2 + 1 = 3.
Крок 3. Металів у схемі немає — одразу переходимо до неметалу.
Крок 4. Вуглець: 1 зліва і 1 справа, вже сходиться.
Крок 5. Водень: зліва 4, справа 2 — ставимо коефіцієнт 2 перед водою, водню справа стає 4. Тепер кисень: справа 2 (в \(\mathrm{CO_2}\)) + 2 (у двох \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 атоми, зліва 2 — ставимо 2 перед \(\mathrm{O_2}\).
Крок 6. Дробів немає. Перевірка: вуглець 1 і 1, водень 4 і 4, кисень 4 і 4.
Відповідь: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), сума коефіцієнтів 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Приклад 2. Алюміній і сірчана кислота
Завдання: розставити коефіцієнти в схемі \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
Крок 3. Починаємо з металу. Алюмінію зліва 1, справа 2 — ставимо 2 перед \(\mathrm{Al}\).
Крок 4. Кислотний залишок \(\mathrm{SO_4}\) зручно вважати цілим блоком: справа його 3, зліва 1 — ставимо 3 перед \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Крок 5. Водень: зліва стало 3 · 2 = 6 атомів, отже справа потрібно 3 молекули \(\mathrm{H_2}\). Кисень перевіряємо останнім: зліва 3 · 4 = 12, справа 3 · 4 = 12.
Крок 6. Перевірка за всіма елементами: алюміній 2 і 2, сірка 3 і 3, кисень 12 і 12, водень 6 і 6.
Відповідь: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), сума коефіцієнтів 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Приклад 3. Коли з'являється дріб
Завдання: розставити коефіцієнти в схемі \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
Крок 3. Метал: заліза по одному атому зліва і справа — поки сходиться.
Крок 4. Хлор: зліва атоми йдуть парами, справа їх 3. Щоб отримати 3 атоми, перед \(\mathrm{Cl_2}\) потрібен коефіцієнт 3/2 — виходить \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Атоми зійшлися, але дробовий коефіцієнт у відповіді залишати не прийнято.
Крок 6. Множимо всі коефіцієнти на 2: залізо 1 · 2 = 2, хлор 1,5 · 2 = 3, продукт 1 · 2 = 2.
Перевірка: заліза 2 і 2, хлору 6 і 6.
Відповідь: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), сума коефіцієнтів 2 + 3 + 2 = 7.
Часті помилки при розстановці коефіцієнтів
-
«Урівняв», змінивши формулу речовини: щоб звести атоми в схемі горіння водню, дописали індекс і отримали замість води пероксид водню.
\(\mathrm{H_2O_2}\) — це інша речовина, і реакція вийшла б іншою. Індекси недоторканні, їх задає склад речовини. Вірна відповідь досягається лише коефіцієнтами: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
-
Коефіцієнт ставлять усередину формули: пишуть $\mathrm{Na2Cl}$ замість $\mathrm{2NaCl}$.
Коефіцієнт стоїть лише перед формулою цілком і стосується всієї речовини. Число всередині формули — це вже індекс, тобто інший склад. Якщо перед формулою нічого не написано, коефіцієнт дорівнює 1.
-
Забувають, що коефіцієнт множить усі атоми формули: у записі $\mathrm{2H_2SO_4}$ рахують 2 атоми водню.
Множити потрібно кожен індекс: у \(\mathrm{2H_2SO_4}\) водню 2 · 2 = 4 атоми, сірки 2 · 1 = 2, кисню 2 · 4 = 8. Те саме зі дужками: у \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) азоту 2 · 2 = 4, кисню 2 · 6 = 12.
-
Починають урівнювати з кисню або водню.
Кисень і водень входять одразу до кількох речовин, тому їхні коефіцієнти будуть збиватися після кожного наступного кроку. Порядок метал → неметал → водень → кисень заощаджує час: до кінця підлаштовувати залишається лише один елемент.
-
Кидають розстановку, побачивши дробовий коефіцієнт, або залишають дріб у відповіді.
Дріб — нормальний проміжний результат. Доведи розстановку до кінця, а потім помнож усі коефіцієнти на знаменник (найчастіше на 2). Баланс атомів при цьому не порушиться, а числа стануть цілими.
-
Рахують суму коефіцієнтів, пропускаючи невидимі одиниці.
Коефіцієнт 1 не пишуть, але в сумі він бере участь. У рівнянні \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) сума дорівнює 2 + 1 + 2 = 5, а не 4.
-
Не роблять фінальну перевірку і здають рівняння, де зійшовся не кожен елемент.
Останній крок алгоритму обов'язковий: пройди по всіх елементах поспіль і порівняй число атомів зліва і справа. Помилка найчастіше ховається в кисні, тому що його рахують останнім.
Запитання та відповіді
Чим схема реакції відрізняється від рівняння реакції?
Схема реакції показує лише, які речовини вступають у реакцію і які утворюються: формули зліва, формули справа, між ними стрілка. Рівнянням вона стає після розстановки коефіцієнтів, коли число атомів кожного елемента зліва дорівнює числу атомів справа. Простіше кажучи, схема відповідає на питання «що на що перетворюється», а рівняння ще й на питання «скільки».
Що таке коефіцієнт у рівнянні реакції і чим він відрізняється від індексу?
Коефіцієнт — число перед формулою речовини, воно показує кількість частинок і множить усі атоми формули, включно з атомами в дужках. Індекс — маленьке число справа внизу всередині формули, воно показує склад самої речовини. При урівнюванні підбирають коефіцієнти, а індекси змінювати не можна: змінивши індекс, отримаєш іншу речовину і іншу реакцію.
Як знайти суму коефіцієнтів у рівнянні хімічної реакції?
Спочатку правильно розстав коефіцієнти, а потім склади всі числа перед формулами в лівій і правій частині. Коефіцієнт 1 не пишуть, але в сумі він враховується. Індекси в суму не входять. І коефіцієнти мають бути найменшими цілими числами: якщо всі вони діляться на спільний множник, рівняння потрібно скоротити, інакше сума виявиться завищеною.
З якого елемента починати розставляти коефіцієнти?
З того, який зустрічається рівно в одній речовині зліва і в одній справа. На практиці це порядок метал → неметал (крім водню та кисню) → водень → кисень. Кисень і водень залишають наостанок, тому що вони входять одразу до кількох речовин і підлаштовуються під уже знайдені коефіцієнти.
Чи можна ставити дробові коефіцієнти?
У проміжних розрахунках — так, це зручний прийом: перед двохатомною молекулою газу часто виходить 3/2 або 5/2. Але в остаточній відповіді коефіцієнти мають бути цілими, тому в кінці всі коефіцієнти рівняння множать на знаменник дробу, зазвичай на 2. Баланс атомів при цьому зберігається.
Які бувають типи хімічних реакцій?
За кількістю та складом вихідних речовин і продуктів виділяють чотири основні типи: сполучення (з кількох речовин утворюється одна), розкладу (з однієї речовини утворюється кілька), заміщення (проста речовина витісняє елемент зі складного) та обміну (дві складні речовини обмінюються складовими частинами). Окремо реакції ділять на окисно-відновні та ті, що відбуваються без зміни ступенів окиснення, а також на екзотермічні та ендотермічні.
Як зробити розрахунок за рівнянням хімічної реакції?
Коефіцієнти рівняння задають співвідношення кількостей речовин у молях. Порядок такий: записати рівняння і розставити коефіцієнти, перевести відому масу або об'єм у кількість речовини, за співвідношенням коефіцієнтів знайти кількість шуканої речовини, а потім перевести її назад у масу або об'єм. Якщо коефіцієнти розставлені невірно, помилковим буде і весь розрахунок.
Чому в рівнянні ставлять знак рівності, а в схемі — стрілку?
Стрілка означає «перетворюється на» і допускає, що атоми ще не врівняні. Знак рівності говорить, що обидві частини дійсно рівні за числом атомів кожного елемента, тобто закон збереження маси виконано, тому рівність ставлять лише після розстановки коефіцієнтів. У шкільній практиці стрілку часто залишають і в готовому рівнянні — це не помилка, якщо баланс зійшовся.
