Друзья, один из нас читает сейчас курс химии в старшей школе (10-11 кл.) С удивлением было обнаружено, что за два предыдущих года (8-9 кл.) некоторым ученикам не объяснили смысл и правила написания уравнений химических реакций. Они (ученики) уравнения реакций просто не понимают. Вопрос "как это вообще возможно - не объяснить УР" оставим за кадром, поговорим о самих уравнениях.
Смысл уравнения прост: описать, сколько каких веществ вступило в реакцию, и что при этом получилось. Собственно, можно было бы обходиться без уравнений. Можно было бы описывать химическую реакцию обычными словами, русским по белому. Получалось бы примерно так:
Два моля гидроксида натрия взаимодействуют с одним молем серной кислоты, в результате чего получается один моль сульфата натрия и два моля воды.
Удобно? По нашему мнению, не особо. Куда проще так:
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O
Ведь каждое вещество имеет формулу, и намного быстрее написать "NaOH" вместо "гидроксид натрия". Вдобавок, используя формулы, мы чётко видим, атомы каких элементов задействованы в реакции. И можем их посчитать! Зачем? Потому что должны. Потому что законы сохранения вещества/массы/энергии и т.п. не позволяют никакому атому пропасть "в никуда" или возникнуть "из ниоткуда". Иными словами: сколько атомов какого-либо элемента было ДО реакции, столько же осталось и ПОСЛЕ. И мы это обязаны показать. Да, они теперь в составе другого вещества, ну и что же? Для верного написания важно лишь их количество. Это всё те же атомы, другим "из ниоткуда" не возникнуть. Уравнение - от слова "равенство", в том числе - равенство в количестве атомов одинаковых элементов.
Атомы, конечно, очень маленькие частицы. И их, конечно, очень-очень-очень много. Так, в 18 граммах воды H2O (это - примерно одна столовая ложка) содержится около 602000000000000000000000 молекул воды, соответственно - столько же атомов кислорода (число Авогадро, да. 6,02*10^23). Писать в уравнении такие гигантские цифры - ну очень неудобно, согласитесь. Мы их и не пишем. Мы пишем количество молей, помня, что один моль - это как раз 6,02*10^23 атомов (или молекул, или ионов).
Эти цифры мы пишем перед формулой вещества, просто-напросто сравнивая "сколько было" молей таких атомов и "сколько стало". Т.е. - что в левой части уравнения (до знака равенства), и что - справа. Запишем, для примера, уравнение реакции между гидроксидом натрия и серной кислотой. NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O. Здесь слева один моль натрия (единицы мы никогда не пишем, они подразумеваются "по умолчанию". Т.е. не "Na1O1H1", а просто - "NaOH"). Справа же, после знака равенства, натрия - два моля. Na2SO4. Значит, не один, а два моля натрия было и в начале, не может же целый моль атомов взяться из ниоткуда! Т.е. мы просто обязаны указать для левой части записи: "два моля натрия". Как? Пишем цифру 2. Перед формулой! Мы не имеем никакого права вписывать цифры внутри формулы, иначе это получится другое вещество. Если, к примеру, в H2O поменять двойку на любую другую цифру, это уже не будет вещество "вода", это будет что-то другое и скорее всего ошибочное. По той же самой причине нельзя записать так: "Na2OH".
Итак, пишем "2" перед гидроксидом натрия: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O. Цифра перед формулой вещества действует для всех элементов в этой формуле. Это как общий множитель перед скобкой в математике - действует на всё, что в скобках. Запись "2NaOH" означает два моля атомов натрия, два моля атомов кислорода и два моля атомов водорода. (В растворе это вещество диссоциирует (распадается) не на атомы, конечно, а на ионы Na (+) и OH (-), заряженные частицы. Для уравнения это не имеет никакого значения).
Едем дальше, подсчитываем атомы остальных элементов. Два моля атомов водорода из 2NaOH и ещё два - из H2SO4. В сумме - четыре. А справа, после знака равенства? Всего два, из H2O. Надо, чтобы справа тоже было четыре. Записать H4O вместо H2O - недопустимо, это уже не вода тогда, а невесть что. Можем только перед формулой воды поставить цифру. Какую? Конечно, "2". Ведь два водорода в H2O уже есть, а с "общим множителем" как раз получится 2 x 2 = 4.
Имеем: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O. Посчитаем количество молей атомов кислорода: слева 2 в 2NaOH и ещё 4 - в H2SO4. 2 + 4 = 6. Справа 4 в Na2SO4 и ещё 2 в 2H2O. 4 + 2 = 6. Совпало, никаких дополнительных цифр ставить не надо: кислород этого "не требует". Сера: 1 слева и 1 справа, тоже всё в порядке. То есть, уравнение записано верно. Количество атомов одного и того же элемента слева (до знака равенства) и справа (после знака равенства) одинаковое. Уравняли. Что нам это даёт, кроме чувства глубокого морального удовлетворения от того, что законы Вселенной соблюдены? Это даёт нам возможность вести расчёты по этим уравнениям. Ведь расставленные нами цифры перед формулами (мы называем их "коэффициенты") показывают соотношение в количествах реагентов и продуктов. Запись "2NaOH + H2SO4 = " показывает, что 2 моля NaOH реагирует с 1 молем H2SO4. И это соотношение будет выполняться всегда: если гидроксида натрия будет не 2, а 20 молей, то серной кислоты потребуется не 1, а 10 молей. Соответственно, по имеющимся данным для одного вещества всегда получится рассчитать, сколько нужно другого и сколько образуется продуктов реакции. Пример:
Сколько потребуется серной кислоты для реакции с гидроксидом натрия, если того взято 120 граммов, а реакция прошла полностью?
Многие расчётные задачи по химии сводятся к подобной. Чаще всего, в них бывает дополнительный балласт условий, чтобы действий вышло побольше. Могут даваться массовые доли растворов (например, может быть сказано - 120 граммов 20%-го раствора NaOH, и тогда ещё одним действием понадобится перейти к "чистым" веществам). Но про это как-нибудь в другой раз. Любая подобная задача всё равно сводится к "расчётам по молям". Для этого запишем уравнение реакции и посчитаем, сколько молей NaOH составят 120 граммов.
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O. Молярная масса NaOH считается при помощи таблицы Менделеева (складываются атомные массы всех элементов: у натрия - 23, у кислорода - 16 и у водорода - 1). M (NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль. По условию у нас есть 120 граммов NaOH, соответственно, это 3 моля (масса m, молярная масса M и количество вещества n связаны формулой m = Mn откуда следует n = m/M). Теперь к уравнению: мы своими руками записали 2 перед NaOH. Это означает, что 2 моля гидроксида натрия будут реагировать с 1 молем серной кислоты. Но у нас 3 моля гидроксида натрия! Очевидно, если двум молям NaOH нужен один моль H2SO4, то трём молям NaOH понадобится 1,5 моля H2SO4. Это, вообще-то, решается пропорцией:
Но в случае таких простых чисел - всё легко считается и в уме. 1,5 моля серной кислоты надо "перевести" в граммы, через молярную массу H2SO4 (считается по таблице Менделеева и получается 98 г/моль). m = Mn, m (H2SO4) = 98 г/моль x 1,5 моля = 147 граммов. Это и будет ответом, который получен на основе верно записанного уравнения химической реакции. Вот для чего нужны уравнения: для расчётов.
Множество уравнений реакций, которые попадаются в школьной программе, можно уравнять простым подбором нужных коэффициентов. Что называется, "на пальцах" посчитать. Но иногда это бывает непросто, неочевидно. Хотите - напишем несколько "лайфхаков" для таких случаев? Вообще, мы бы хотели получить "обратную связь": нужно ли время от времени делать лонгриды по "школьным" темам? Что скажете, друзья?