ХИМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ

Химическое уравнение представляет собой запись реакции с помощью символов элементов и формул соединений, принимающих в ней участие. Относительные количества реагентов и продуктов, выраженные в молях, указываются численными коэффициентами в полном (сбалансированном) уравнении реакции. Эти коэффициенты иногда называют стехиометрическими коэффициентами. В настоящее время наблюдается все возрастающая тенденция включать в химические уравнения указания физического состояния реагентов и продуктов. Это делается с помощью следующих обозначений: (газ) или означает газообразное состояние, (-жидкость, ) - твердое вещество, (-водный раствор.

Химическое уравнение может быть составлено на основе экспериментально установленного знания реагентов и продуктов изучаемой реакции, а также путем измерения относительных количеств каждого реагента и продукта, которые принимают участие в реакции.

Составление химического уравнения

Составление полного химического уравнения включает следующие четыре стадии.

1-я стадия. Запись реакции в словесном выражении. Например,

2-я стадия. Замена словесных названий формулами реагентов и продуктов.

3-я стадия. Балансировка уравнения (определение его коэффициентов)

Такое уравнение называется сбалансированным или стехиометрическим. Необходимость сбалансировать уравнение диктуется тем, что в любой реакции должен выполняться закон сохранения материи. Применительно к реакции, рассматриваемой нами в качестве примера, это означает, что в ней не может ни образоваться, ни исчезнуть ни один атом магния, углерода или кислорода. Другими словами, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения должно быть одинаково.

4-я стадия. Указание физического состояния каждого участника реакции.

Типы химических уравнений

Рассмотрим следующее полное уравнение:

Это уравнение описывает всю реакционную систему в целом. Однако рассматриваемую реакцию можно также представить в упрощенном виде при помощи ионного уравнения-.

Это уравнение не включает сведений о сульфат-ионах которые не указаны в нем потому, что они не принимают участия в рассматриваемой реакции. Такие ионы называют ионами-наблюдателями.

Реакция между железом и медью (II) является примером окислительно-восстановительных реакций (см. гл. 10). Ее можно условно разделить на две реакции, одна из которых описывает восстановление, а другая - окисление, протекающие одновременно в общей реакции:

Эти два уравнения называются уравнениями полуреакций. Они особенно часто используются в электрохимии для описания процессов, протекающих на электродах (см. гл. 10).

Интерпретация химических уравнений

Рассмотрим следующее простое стехиометрическое уравнение:

Его можно интерпретировать двумя способами. Во-первых, согласно этому уравнению, один моль молекул водорода реагирует с одним молем молекул брома образуя два моля молекул бромоводорода Такое истолкование химического уравнения иногда называют его молярной интерпретацией.

Однако можно истолковать данное уравнение и так, что в результирующей реакции (см. ниже) одна молекула водорода реагирует с одной молекулой брома образуя две молекулы бромоводорода Подобное истолкование химического уравнения иногда называют его молекулярной интерпретацией.

И молярная, и молекулярная интерпретации одинаково правомочны. Однако было бы совершенно неправильно заключить на основании уравнения рассматриваемой реакции, что одна молекула водорода сталкивается с одной молекулой брома образуя две молекулы бромоводорода Дело в том, что данная реакция, как и большинство других, осуществляется в несколько последовательных стадий. Совокупность всех этих стадий принято называть механизмом реакции (см. гл. 9). В рассматриваемом нами примере реакция включает следующие стадии:

Таким образом, рассматриваемая реакция в действительности представляет собой цепную реакцию, в которой участвуют интермедиаты (промежуточные реагенты), называемые радикалами (см. гл. 9). Механизм рассматриваемой реакции включает еще и другие стадии и побочные реакции. Таким образом, стехиометрическое уравнение указывает только результирующую реакцию. Оно не дает сведений о механизме реакции.

Вычисления с помощью химических уравнений

Химические уравнения являются отправной точкой для самых разнообразных химических расчетов. Здесь и далее в книге дан ряд примеров подобных расчетов.

Вычисление массы реагентов и продуктов. Мы уже знаем, что сбалансированное химическое уравнение указывает относительные молярные количества реагентов и продуктов, участвующих в реакции. Эти количественные данные позволяют вычислять массы реагентов и продуктов.

Пример

Вычислим массу хлорида серебра, образующегося при добавлении избыточного количества раствора хлорида натрия к раствору, в котором содержится 0,1 моль серебра в форме ионов

Решение

Первой стадией всех подобных расчетов является запись уравнения рассматриваемой реакции: I

Поскольку в реакции используется избыточное количество хлорид-ионов, можно предположить, что все имеющиеся в растворе ионы превращаются в Уравнение реакции показывает, что из одного моля ионов получается один моль Это позволяет вычислить массу образующегося следующим образом:

Следовательно,

Поскольку г/моль, то

Определение концентрации растворов. Вычисления, основанные на стехиометрических уравнениях, лежат в основе количественного химического анализа. В качестве примера рассмотрим определение концентрации раствора по известной массе продукта, образующегося в реакции. Такая разновидность количественного химического анализа называется гравиметрическим анализом.

Пример

К раствору нитрата добавлено такое количество раствора иодида калия, которого достаточно, чтобы осадить весь свинец в форме иодида Масса образовавшегося иодида составила 2,305 г. Объем исходного раствора нитрата был равен Требуется определить концентрацию исходного раствора нитрата

Решение

Мы уже сталкивались с уравнением рассматриваемой реакции:

Это уравнение показывает, что для получения одного моля иодида необходим один моль нитрата свинца (II). Определим молярное количество образовавшегося в реакции иодида свинца (II). Поскольку

Масса образовавшегося г/моль

то

То есть количество в растворе составляет 0,005 моль. Пользуясь уравнением (2), найдем

Вычисление объемов газообразных реагентов и продуктов. Стехиометрические уравнения могут использоваться для вычисления объемов газообразных реагентов или продуктов химической реакции.

Пример

Вычислим максимальный объем при нормальных условиях углекислого газа полученного в результате добавления разбавленной хлороводородной (соляной) кислоты к 10 г карбоната кальция.

Решение

Рассматриваемая реакция описывается уравнением

Это уравнение показывает, что один моль образуется из одного моля Итак,

Следовательно, количество образующегося тоже равно 0,1 моль.

При нормальных условиях

Молярный объем

Таким образом, объем полученного при нормальных условиях составляет

Вычисления, связанные с проведением электролиза. Реакции, протекающие на электродах, могут быть представлены раздельными уравнениями полуреакций. Например, приведенное ниже уравнение показывает, что один моль ионов свинца (II) разряжается на катоде двумя молями электронов:

В гл. 10 мы узнаем, что подобные уравнения полуреакций используются для вычисления массы веществ, выделяющихся на электродах в процессе электролиза.