Хими́ческое уравне́ние (уравне́ние хими́ческой реа́кции) — символическое представление химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов, в левой части которого указывают исходные вещества (), а в правой — продукты реакции.
Обе части уравнения могут быть соединены:
знаком равенства ( «=») — в этом случае количество атомов химических элементов справа и слева должно быть уравнено с помощью стехиометрических коэффициентов, а уравнение носит название стехиометрического уравнения реакции; стрелкой «» — в случае необратимых химических превращений, указания, что рассматривается только прямая реакция, или отдельных стадий при записи механизмов реакций; прямой и обратной стрелками «» — для обратимых реакций; символом «» — для обозначения химического равновесия.
Иногда химические уравнения дополняют указанием энтальпии реакций, агрегатного состояния веществ и другими характеристиками.
Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную информацию о химической реакции, реагентах и продуктах реакции, а также их соотношении; его составление основывается на законах стехиометрии, и, в первую очередь, на законе сохранения массы веществ в химических реакциях.
Кроме химических уравнений используются полные и краткие схемы химических реакций — условные записи, дающие представление о природе реагентов и продуктов, то есть скорее качественную информацию о химической реакции.
История
В начале не было представления о химических уравнениях, ещё не были известны основные химические законы, но уже в алхимический период развития химии начали обозначать химические элементы символами.
С дальнейшим развитием химии менялись представления о символике химических элементов, математической записи, используя химические формулы. Первым предложил использовать химические уравнения Жан Бегун (Jean Beguin) в 1615 году в одном из первых учебников по химии Tyrocinium Chymicum («Начала химии»).
Конец XVIII—начало XIX вв. — становление законов стехиометрии. У истоков этих исследований стоял немецкий учёный И. В. Рихтер. В студенческие годы на него большое впечатление произвели слова его учителя — философа И. Канта о том, что в отдельных направлениях естественных наук истинной науки столько, сколько в ней математики. Рихтер посвятил свою диссертацию использованию математики в химии. Не будучи в сущности химиком, Рихтер ввёл первые количественные уравнения химических реакций, предложил и стал использовать термин стехиометрия .
Правила составления В левой части уравнения записывают формулы (формулу) веществ, вступивших в реакцию (реагентов), соединяя их знаком «плюс». В правой части уравнения записывают формулы (формулу) образовавшихся веществ (продуктов реакции), также соединённые знаком «плюс». Для обозначения различных типов реакций между правой и левой частью уравнения используются следующие символы:
«» используется в том случае, когда соблюдено стехиометрическое соотношение; «» используется в случае необратимых химических превращений BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaCl указания, что рассматривается только прямая реакция 3H2 + N2 2NH3 отдельных стадий при записи механизмов реакций Hॱ + Br2 HBr + Brॱ «» используется для обозначения реакции, протекающей в обоих направлениях; «» используется для обозначения химического равновесия.
Затем находят коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ и отражающие мольные соотношения веществ-участников химической реакции. Закон сохранения массы гласит, что количество вещества каждого элемента до реакции равно количеству вещества каждого элемента после реакции. Таким образом, левая и правая части химического уравнения должны иметь одинаковое количество атомов того или иного элемента.
Уравнение реакции с участием ионов должно быть электронейтрально, то есть сумма зарядов реагентов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов продуктов реакции в его правой части
Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+.
Расстановка коэффициентов реакции Как правило, химические уравнения записываются с наименьшими целочисленными коэффициентами. В случае, если перед химической формулой нет коэффициента, подразумевается что он равен единице. Проверка материального баланса, то есть количества атомов в левой и правой части, может быть следующей: перед самой сложной химической формулой ставится коэффициент 1. Далее расставляются коэффициенты перед формулами таким образом, что бы количество атомов каждого из элементов в левой и правой части уравнения было равно. Если один из коэффициентов — дробный, то следует умножить все коэффициенты на число стоящее в знаменателе дробного коэффициента. Если перед формулой коэффициент 1, то его опускают.
Одним из способов уравнивания количества атомов в химическом уравнении является подбор коэффициентов.
Расстановка коэффициентов в химической реакции горения метана:
1CH4 + O2 CO2 + H2O
Количество атомов углерода с левой и правой сторон одинаково. Следующий элемент, который следует уравнять — водород. Слева 4 атома водорода, справа 2, чтобы уравнять количество атомов водорода следует поставить коэффициент 2 перед водой, в результате:
1CH4 + O2 CO2 + 2H2O
Проверка правильности расстановки коэффициентов в любом химическом уравнении производится подсчётом количества атомов кислорода, если в левой и правой части количество атомов кислорода одинаково, значит коэффициенты расставлены правильно.
1CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Перед молекулами CH4 и CO2 коэффициент 1 опускают.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Для более сложных случаев применяются математический метод уравнивания реакций с помощью составления системы линейных алгебраических уравнений и метод Гарсиа (аналог математического метода Гаусса).
Обозначения над знаками, соединяющими части уравнения Для обозначения условий протекания реакций на знаком равенства или стрелкой, разделяющей правую и левую части уравнения могут быть использованы следующие обозначения: реакция протекает при нагревании (может быть указана конкретная температура)
реакция протекает под давлением (может быть указано конкретное давление)
реакция протекает под действием электрического тока, при этом реагенты могут быть в любых агрегатных состояниях : реакция протекает при пропускании электрического тока через раствор или расплав исходных веществ (т.е. происходит процесс электролиза) : реакция протекает с участием катализатора, при этом, может быть указана формула или название конкретного катализатора
реакция протекает на свету или под действием излучения
для реакции, протекающей в расплаве или твердофазно Li2O{} + Al2O3->[\text{сплавление}] 2LiAlO2{}
Обозначения различных условий реакции могут перечисляться через запятую 6CO2{} + 6H2O->[hv, ~ \text{хлорофилл}] C6H12O6{}+6O2.
Для указания, что реакция не протекает (вообще или при каких-то условиях) или не ведёт к указанным продуктам используется знак «≠»:
Запись ионных уравнений Ионные уравнения — это химические уравнения, в которых электролиты записаны в виде диссоциированных ионов. Ионные уравнения используются для записи реакций в водных или неводных растворах, а также расплавах. Например, реакция обмена при взаимодействии хлорида кальция и нитрата серебра с образованием хлорида серебра, выпадающего в осадок:
CaCl2(р-р) + 2AgNO3(р-р) Ca(NO3)2(р-р) + 2AgCl(тв)
полное ионное уравнение: Ca2+ + 2Cl− + 2Ag+ + 2NO3− Ca2+ + 2NO3− + 2AgCl(тв)
сокоращенное ионное уравнение: Cl− + Ag+ 2AgCl(тв)
Термохимические уравнения Если в уравнения химической реакции отражён её тепловой эффект или энтальпия, то такие уравнения называют термохимическими.
Например, в уравнении
«+Q» означает выделение теплоты, т.е. реакция является экзотермической,
а в уравнении
«−Q» означает поглощение теплот, т.е. реакция является эндотермической. Окислительно-восстановительные реакции Окислительно-восстановительные реакции — это химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующиеся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем. Любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.
При составлении уравнения окислительно-восстановительной реакции необходимо определить восстановитель, окислитель и число отдаваемых и принимаемых электронов. Как правило, коэффициенты подбирают, используя либо метод электронного баланса, либо метод электронно-ионного баланса (иногда последний называют методом полуреакций).
Оформление уравнений Современные цифровые технологии позволяют применять для верхних и нижних индексов специальные символы в кодировке Юникод. Такие формулы правильно отображаются в заголовках веб-страниц, где отсутствует возможность форматирования, и в других случаях, когда форматирование недоступно.
См. также Химические реакции Стехиометрия Термохимические уравнения
Литература
Левицкий М. Язык химиков // Химия и жизнь. — 2000. -№ 1. — С.50-52. Кудрявцев А. А. Составление химических уравнений — 4-е издание, перераб. и доп., 1968—359 с. Берг Л. Г. Громаков С. Д. Зороацкая И. В. Аверко-Антонович И. Н. Способы подбора коэффициентов в химических уравнениях — Казань: изд-во Казанского ун-та, 1959.- 148 с. Леенсон И. А. Чет или нечет — М.: Химия, 1987. — 176 с.
Примечания
Ссылки Метод полуреакций онлайн Балансирование химических уравнений Представление индексов в Юникоде
Категория:Общая химия Категория:Стехиометрия Категория:Химические законы и уравнения