Запись химического взаимодействия, отражающая количественную и качественную информацию о реакции, называют уравнением химических реакций. Записывается реакция химическими и математическими символами.
Основные правила
Химические реакции предполагают превращение одних веществ (реагентов) в другие (продукты реакции). Это происходит благодаря взаимодействию внешних электронных оболочек веществ. В результате из начальных соединений образуются новые.
Чтобы выразить ход химической реакции графически, используются определённые правила составления и написания химических уравнений.
В левой части пишутся изначальные вещества, которые взаимодействуют между собой, т.е. суммируются. При разложении одного вещества записывается его формула. В правой части записываются полученные в ходе химической реакции вещества. Примеры записанных уравнений с условными обозначениями:
- CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4 ;
- CaCO 3 = CaO + CO 2 ;
- 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 ;
- CH 3 COONa + H 2 SO 4 (конц.) → CH 3 COOH + NaHSO 4 ;
- 2NaOH + Si + H 2 O → Na 2 SiO 3 + H 2 .
Коэффициенты перед химическими формулами показывают количество молекул вещества. Единица не ставится, но подразумевается. Например, уравнение Ba + 2H 2 O → Ba(OH) 2 + H 2 показывает, что из одной молекулы бария и двух молекул воды получается по одной молекуле гидроксида бария и водорода. Если пересчитать количество водорода, то и справа, и слева получится четыре атома.
Обозначения
Для составления уравнений химических реакций необходимо знать определённые обозначения, показывающие, как протекает реакция. В химических уравнениях используются следующие знаки:
- → - необратимая, прямая реакция (идёт в одну сторону);
- ⇄ или ↔ - реакция обратима (протекает в обе стороны);
- - выделяется газ;
- ↓ - выпадает осадок;
- hν - освещение;
- t° - температура (может указываться количество градусов);
- Q - тепло;
- Е(тв.) - твёрдое вещество;
- Е(газ) или Е(г) - газообразное вещество;
- Е(конц.) - концентрированное вещество;
- Е(водн.) - водный раствор вещества.
Рис. 1. Выпадение осадка.
Вместо стрелки (→) может ставиться знак равенства (=), показывающий соблюдение закона сохранения вещества: и слева, и справа количество атомов веществ одинаково. При решении уравнений сначала ставится стрелка. После расчёта коэффициентов и уравнения правой и левой части под стрелкой подводят черту.
Условия реакции (температура, освещение) указываются сверху знака протекания реакции (→,⇄). Также сверху подписываются формулы катализаторов.
Рис. 2. Примеры условий реакции.
Какие бывают уравнения
Химические уравнения классифицируются по разным признакам. Основные способы классификации представлены в таблице.
|
Признак |
Реакции |
Описание |
Пример |
|
По изменению количества реагентов и конечных веществ |
Замещения |
Из простого и сложного вещества образуются новые простые и сложные вещества |
2Na +2H 2 O → 2NaOH + H 2 |
|
Соединения |
Несколько веществ образуют новое вещество |
С + О 2 = СО 2 |
|
|
Разложения |
Из одного вещества образуется несколько веществ |
2Fe(OH) 3 → Fe 2 O 3 + 3H 2 O |
|
|
Ионного обмена |
Обмен составными частями (ионами) |
Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O |
|
|
По выделению тепла |
Экзотермические |
Выделение тепла |
С + 2H 2 = СH 4 + Q |
|
Эндотермические |
Поглощение тепла |
N 2 + O 2 → 2NO – Q |
|
|
По типу энергетического воздействия |
Электрохимические |
Действие электрического тока |
|
|
Фотохимические |
Действие света |
||
|
Термохимические |
Действие высокой температуры |
||
|
По агрегатному состоянию |
Гомогенные |
Одинаковое состояние |
CuCl 2 + Na 2 S → 2NaCl + CuS↓ |
|
Гетерогенные |
Разное состояние |
4Н 2 О (ж) + 3Fe (т) → Fe 3 O 4 + 4H 2 |
Существует понятие химического равновесия, присущее только обратимым реакциям. Это состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции, а также концентрации веществ равны. Такое состояние характеризуется константой химического равновесия.
При внешнем воздействии температуры, давления, света реакция может смещаться в сторону уменьшения или увеличения концентрации определённого вещества. Зависимость константы равновесия от температуры выражается с помощью уравнений изобары и изохоры. Уравнение изотермы отражает зависимость энергии и константы равновесия. Эти уравнения показывают направление протекания реакции.
Решение уравнений химический реакций вызывают затруднения у немалого количества учеников средней школы во-многом благодаря большому разнообразию участвующих в них элементов и неоднозначности их взаимодействия. Но так как основная часть курса общей химии в школе рассматривает именно взаимодействие веществ на основе их уравнений реакций, то ученикам необходимо обязательно ликвидировать пробелы в данной области и научиться решать химические уравнения, чтобы избежать проблем с предметом в дальнейшем.
Уравнением химической реакции называется символьная запись, отображающая взаимодействующие химические элементы, их количественное соотношение и получающиеся в результате взаимодействия вещества. Данные уравнения отражают сущность взаимодействия веществ с точки зрения атомно-молекулярного или электронного взаимодействия.
- В самом начале школьного курса химии учат решать уравнения на основе понятия валентности элементов периодической таблицы. На основе данного упрощения рассмотрим решение химического уравнения на примере окисления алюминия кислородом. Алюминий, взаимодействуя с кислородом, образует оксид алюминия. Обладая указанными исходными данными составим схему уравнения.
Al + O 2 → AlO
В данном случае мы записали примерную схему химической реакции, которая лишь частично отражает ее сущность. В левой части схемы записываются вещества, вступающую в реакцию, а в правой результат их взаимодействия. Кроме того, кислород и другие типичные окислители, обычно записываются правее металлов и других восстановителей в обоих частях уравнения. Стрелка показывает направление реакции.
- Чтобы данная составленная схема реакции приобрела законченный вид и соответствовала закону сохранения массы веществ, необходимо:
- Проставить индексы в правой части уравнения у вещества, получившегося в результате взаимодействия.
- Уровнять количество участвующих в реакции элементов с количеством получившегося вещества в соответствии с законом сохранения массы веществ.
- Проставить индексы в правой части уравнения у вещества, получившегося в результате взаимодействия.
- Начнем с приостановки индексов в химической формуле готового вещества. Индексы устанавливаются в соответствии с валентностью химических элементов. Валентностью называют способность атомов образовывать соединения с другими атомами за счет соединения их неспаренных электронов, когда одни атомы отдают свои электроны, а другие присоединяют их себе на внешний энергетический уровень. Принято считать, что валентность химического элемента определяет его группой (колонкой) в периодической таблице Менделеева. Однако на практике взаимодействие химических элементов происходит гораздо сложнее и разнообразнее. Например, атом кислорода во всех реакциях имеет валентность Ⅱ, несмотря на то, что в периодической таблице находится в шестой группе.
- Чтобы помочь вам сориентироваться в этом многообразии, предлагаем вам следующий небольшой справочный помощник, который поможет определить валентность химического элемента. Выберите интересующий вас элемент и вы увидите возможные значения его валентности. В скобках указаны редкие для выбранного элемента валентности.
- Вернемся к нашему примеру. Запишем в правой части схемы реакции сверху над каждым элементом его валентность.
Для алюминия Al валентность будет равна Ⅲ, а для молекулы кислорода O 2 валентность равна Ⅱ. Находим наименьшее общее кратное к этим числам. Оно будет равно шести. Делим наименьшее общее кратное на валентность каждого элемента и получаем индексы. Для алюминия шесть делим на валентность получаем индекс 2, для кислорода 6/2=3. Химическая формула оксида алюминия, полученного в результате реакции, примет вид Al 2 O 3 .
Al + O 2 → Al 2 O 3
- После получения правильной формулы готового вещества необходимо проверить и в большинстве случаев уравнять правые и левые части схемы согласно закона сохранения массы, так как продукты реакции образуются из тех же атомов, которые изначально входили в состав исходных веществ, участвующих в реакции.
- Закон сохранения массы гласит, что количество атомов вступивших в реакцию должно равняться количеству атомов получившихся в результате взаимодействия. В нашей схеме во взаимодействии участвуют один атом алюминия и два атома кислорода. В результате реакции получаем два атома алюминия и три кислорода. Очевидно, что схему необходимо уровнять, используя коэффициенты для элементов и вещества, чтобы соблюдался закон сохранения массы.
- Уравнивание выполняют также через нахождение наименьшего общего кратного, которое находится между элементами, обладающими наибольшими индексами. В нашем примере это будет кислород с индексом в правой части равным 3 и в левой части равным 2. Наименьшее общее кратное и в этом случае будет равно 6. Теперь разделим наименьшее общее кратное на значение наибольшего индекса в левой и правой частях уравнения и получим следующие индексы для кислорода.
Al + 3∙O 2 → 2∙Al 2 O 3
- Теперь остается уравнять только алюминий в правой части. Для этого в левую часть поставим коэффициент 4.
4∙Al + 3∙O 2 = 2∙Al 2 O 3
- После расстановки коэффициентов уравнение химической реакции соответствует закону сохранения массы и между его левой и правой частями можно поставить знак равенства. Расставленные коэффициенты в уравнении обозначают число молекул веществ, участвующих в реакции и получающихся в результате нее, или соотношение данных веществ в молях.
Реакции между разного рода химическими веществами и элементами являются одним из главных предметов изучения в химии. Чтобы понять, как составить уравнение реакции и использовать их в своих целях необходимо достаточно глубокое понимание всех закономерностей при взаимодействии веществ, а также процессов с химическими реакциями.
Составление уравнений
Одним из способов выражения химической реакции является – химическое уравнение. В нем записывается формула исходного вещества и продукта, коэффициенты, которые показывают, какое количество молекул имеет каждое вещество. Все известные химические реакции разделяются на четыре типа: замещение, соединение, обмен и разложение. Среди них выделяют: окислительно-восстановительные, экзогенные, ионные, обратимые, необратимые и т.д.
Подробнее о том, как составлять уравнения химических реакций:
- Необходимо определить, название веществ, взаимодействующих между собой в реакции. Пишем их в левой части нашего уравнения. В качестве примера рассмотрим химическую реакцию, которая образовалась между серной кислотой и алюминием. Реагенты располагаем слева: H2SO4+Al. Далее пишем знак «равно». В химии вы можете повстречать знак «стрелочка», которая указывает вправо, или же направленные противоположно две стрелки, они означают «обратимость». Результат взаимодействия металла и кислоты – соль и водород. Полученные после реакции продукты запиши после знака «равно», то есть справа. H2SO4+Al= H2+ Al2(SO4)3. Итак, у нас видна схема реакции.
- Для составления химического уравнения обязательно нужно найти коэффициенты. Вернемся к предыдущей схеме. Посмотрим на левую ее часть. В составе серной кислоты содержатся атомы водорода, кислорода и серы, в примерном соотношении 2:4:1. В правой части – 3 атома серы и 12 атомов кислорода в соли. Два атома водорода содержится в молекуле газа. В левой части соотношение этих элементов составляет2:3:12
- Для уравнивания количества атомов кислорода и серы, которые в составе сульфата алюминия (III), необходимо поставить перед кислотой в левую часть уравнения коэффициент 3. Теперь у нас в левой части имеется 6 атомов водорода. Для того чтобы сравнять количество элементов водорода, нужно поставить 3 перед водородом в правой части уравнения.
- Теперь осталось лишь уравнять количество алюминия. Поскольку в состав соли входит два атома металла, то в левой части перед алюминием выставляем коэффициент 2. В итоге, мы получим уравнение реакции этой схемы: 2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2
Поняв основные принципы как составить уравнение реакции химических веществ, в дальнейшем не вызовет особого труда записать любую, даже самую экзотическую, с точки зрения химии, реакцию.
Цель: научить учащихся составлять химические уравнения. Научить их уравнивать с помощью коэффициентов на основе знания закона сохранения массы вещества М.В. Ломоносова.
Задачи:
- Образовательные
:
- продолжить изучение физических и химических явлений с введением понятия «химическая реакция»,
- ввести понятие «химическое уравнение»;
- научить учащихся составлять химические уравнения, уравнивать уравнения с помощью коэффициентов.
- Развивающие
:
- продолжить развивать творческий потенциал личности учащихся через создание ситуации проблемного обучения, наблюдения, проведения опытов химических реакций.
- Воспитательная
:
- воспитать умение работать в команде, группе.
Оборудование: табличный материал, справочники, алгоритмы, набор заданий.
Д/О: «Горение бенгальских огней»:, спички, сухое горючее, железный лист/ ТБ при работе с огнём.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
Определение цели урока.
II. Повторение
1) На доске набор физических и химических явлений: испарение воды; фильтрование; ржавление; горение дров; скисание молока; таяние льда; извержение вулкана; растворение сахара в воде.
Задание :
Дать пояснение каждому явлению, назвать практическое применение данного явления в жизни человека.
2) Задание:
На доске нарисована капля воды. Создать полную схему превращения воды из одного агрегатного состояния в другое. Как называется данное явление в природе и каково его значение в жизни нашей планеты и всего живого?
III. Д/О «Горение бенгальских огней»
1. Что происходит с магнием, который составляет
основу бенгальского огня?
2. Что явилось основной причиной такого явления?
3. К какому типу относится данная химическая
реакция?
4. Попробуйте схематично изобразить химическую
реакцию, которую вы наблюдали в этом опыте.
– Предлагаю попробовать составить схему данной реакции:
Mg + воздух = другое вещество
– Как мы узнали, что получилось другое
вещество? (По признакам химической реакции:
изменение окраски, появление запаха.)
– Какой газ находится в воздухе, который
поддерживает горение? (Кислород – О)
IV. Новый материал
Химическую реакцию можно записывать с помощью
химического уравнения.
Можно вспомнить понятия «уравнение», которое
дается в математике. В чем суть самого уравнения?
Что-то уравнивают, какие-то части.
Попробуем дать определение «химического
уравнения», можно смотреть на схему и попытаться
дать определение:
Химическое уравнение – это условная запись
химической реакции с помощь химических знаков,
формул и коэффициентов.
Химические уравнения записываются на основе
Закона сохранения массы вещества, открытого
М.В.Ломоносовым в 1756 году, который гласит (учебник
стр. 96): «Масса веществ, вступивших в реакцию,
равна массе веществ, получившихся в результате
её».
– Надо научиться уравнивать химические
уравнения с помощью коэффициентов.
– Для того чтобы хорошо научиться составлять
химические уравнения, нам необходимо вспомнить:
– Что такое коэффициент?
– Что такое индекс?
Не забываем алгоритм «Составление химических
формул».
Предлагаю пошаговый алгоритм составления химического уравнения:
V. Составления химического уравнения
1. Записываю в левой части уравнение вступающие в реакцию вещества: Al + O 2
2. Ставлю знак «=» и записываю образующиеся вещества в правой части уравнения – продукты реакции: Al + O 2 = Al 2 O 3
3. Уравнивать начинаю с того химического элемента, которого больше или с кислорода, затем составляю конструкцию:
Al + O 2 = Al 2 O 3
2 /6 3
вступило кислорода «2», а получилось «3», их число не равно.
4. Ищу НОК (наименьшее общее кратное) двух цифр «2» и «3» – это «6»
5. Делю НОК «6» на число «2» и «3»и выставляю в качестве коэффициентов перед формулами.
Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
6 = 6
6. Начинаю уравнивать следующие химические элементы – Al, рассуждаю так же. Вступило Al «1», а получилось «4», ищу НОК
Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
1 /4 4
4 = 4
4 Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
Коэффициент «1» в уравнениях не пишется, но учитывается при составлении уравнения.
7. Читаю всю запись химического уравнения.
Такое долгое рассуждение позволяет быстро научиться уравнивать в химических уравнениях, учитывая, что правильное составление уравнений реакций для химии имеет большое значение: решение задач, написание химических реакций.
VI. Задание на закрепление
Фосфор + кислород = оксид фосфора (V)
Серная кислота + алюминий = сульфат алюминия +
водород
Вода = водород + кислород
– Работает на доске один сильный ученик.
Zn + O 2 = ZnO;
H 2 + O 2 = H 2 O;
Ba + O 2 = BaO;
S + O 2 = SO 2 ;
Na + O 2 = Na 2 O 2 ;
Fe + O 2 = Fe 3 O 4
– Расставить коэффициенты в уравнениях химических реакций.
Химические уравнения отличаются по типам, но это мы рассмотрим на следующем уроке.
VII. Подведение итогов урока
Вывод. Выставление оценок.
VIII. Домашнее задание: § 27, упр. 2, с. 100.
Дополнительный материал: Р.т.с. 90-91, упражнение 2 – индивидуально.