Баланс химических реакции
Баланс химических реакции
Проведя химическую реакцию и тщательно взвесив и сложив массы всех реагентов, а затем сравнив полученную сумму с суммой масс всех продуктов реакции, вы увидите их полное совпадение. И действительно, согласно одному из химических законов, а именно закону сохранения массы, «Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции». Это значит, что во время реакции вы не получаете и не теряете никаких дополнительных атомов. Они могут соединиться по-другому, но все равно никуда не денутся.
Реакция изображается химическим уравнением. С его помощью можно вычислять, сколько каждого компонента требуется и сколько будет получено. Кроме того, при записи этого химического уравнения должен соблюдаться закон сохранения массы.
Количество каждого химического элемента в обеих частях уравнения должно быть одинаковым, т. е. необходимо сбалансировать уравнение. В этом разделе будет показано, как это сделать.
Понюхайте аммиак
Моя любимая реакция называется процессом Габера (Haber process). Это способ получения аммиака (№[3) в результате взаимодействия газообразных азота и водорода.
Щг) + Н2(г) — N^F)
Это уравнение показывает, какие вещества участвуют в реакции и какое вещество получается в результате, однако в нем не отображается, какое количество каждого компонента требуется для получения аммиака. Чтобы это узнать, следует произвести баланс масс, т. е. записать уравнение таким образом, чтобы количество одноименных атомов в его левой части равнялось количеству аналогичных атомов в правой части.
Реагенты и продукты этой реакции нам известны, и изменить их нельзя. Нельзя также изменить качественный состав соединения и нижние индексы, так как это приведет к изменению самого соединений. Таким образом, единственное, что можно сделать, чтобы сбалансировать уравнение, — это расставить коэффициенты (т.е. целые числа) перед соединениями, или компонентами уравнения. Коэффициенты указывают на то, сколько атомов или молекул необходимо для протекания реакции либо сколько атомов или молекул получится в результате реакции.
Например, когда написано 2H2O, это означает, что имеется две молекулы воды.
2Н20 = +
Н20
Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, 2H2O означает, что всего вы имеете четыре атома водорода и два атома кислорода.
Н20 = 2Н +10
2Н20 =+ +
Н20 = 2Н +10 4Н + 20
Далее в главе вы узнаете о том, как сбалансировать уравнение с использованием метода, который называется баланс с помощью проверки, или, как я его называю, "игра с коэффициентами". Суть этого метода состоит в том, что вы рассматриваете по очереди каждый атом и следите за тем, чтобы он был сбалансирован, вставляя для этого необходимые коэффициенты в ту или иную часть уравнения.
С учетом всего сказанного выше, посмотрите еще раз на уравнение получения аммиака.
Щг) + Н2(г) — МЩг)
В большинстве случаев баланс атомов водорода и кислорода лучше временно отложить, занявшись вначале балансом других атомов.
Таким образом, в нашем примере сначала следует заняться балансом атомов азота. Слева от стрелки (в той части, где расположены реагенты) имеется два атома азота, а справа (в той части, где расположены продукты) — только один атом. Чтобы уравнять атомы азота, нужно поставить в правой части перед аммиаком коэффициент 2.
Щг) + Н2(г) — 2NHз(г)
Теперь и слева и справа находится по два атома азота.
Далее приступим к атомам водорода. В левой части уравнения находится два атома, а в правой — уже шесть (в каждой из двух молекул NH3 находится по три атома водорода, следовательно, всего получается шесть атомов). Поэтому перед молекулой водорода, которая находится в левой части уравнения, поставим коэффициент 3.
Щг) + 3Н2(г) — 2NHз(г) Теперь можете проверить: два атома азота находится слева и столько же справа. Кроме того, шесть атомов водорода находится слева (3 х 2 = 6) и столько же справа (3 х 2 = 6). Таким образом, уравнение сбалансировано. Прочитать его можно так: одна молекула азота вступает в реакцию с тремя молекулами водорода, и в результате получается две молекулы аммиака.
А вот интересная подробность. Это уравнение можно сбалансировать с помощью не только коэффициентов 1, 3 и 2, но и 2, 6 и 4. Другими словами, данное уравнение можно сбалансировать с помощью любых коэффициентов, кратных 1, 3 и 2, однако химики договорились указывать в уравнении лишь наименьшее целочисленное отношение (более подробно эмпирические формулы описаны в главе 7, "Ковалентные связи: поделимся по-братски").
Еще один пример
Рассмотрим уравнение, соответствующее процессу горения углеводорода бутана при избыточном количестве кислорода. (Эта реакция возникает, если воспользоваться зажигалкой, заправленной бутаном.) Несбалансированное уравнение этой реакции приведено ниже.
C4Hlo(г) + 02(г) — ГО2(г) + Н20(г)
Поскольку, как уже отмечалось, балансом атомов водорода и кислорода необходимо заниматься в самом конце, вначале сбалансируем атомы углерода. В левой части уравнения находится четыре атома этого элемента, а в правой — только один, поэтому перед диоксидом углерода нужно поставить коэффициент 4.
C4Hlo(г) + 02(г) — 4ГО2(г) + Н20(г)
Затем сбалансируем атомы водорода. В левой части уравнения находится 1o атомов этого элемента, а в правой — только два, поэтому перед формулой воды следует поставить коэффициент 5.
C4Hlo(г) + 02(г) — 4C02(г) + 5Н20(г) Теперь приступим к балансу атомов кислорода. В левой части уравнения находится два атома этого элемента, а в правой — всего 13 [(4 х 2) + (5 х 1) = 13]. На какое число нужно умножить 2, чтобы в результате получить 13? Конечно же, на 6,5!
ад^г) + 6,502(г) — 4ГО2(г) + 5Н20(г)
Однако этим мы не ограничимся, поскольку необходимо получить наименьшее целочисленное отношение коэффициентов. В нашем случае, чтобы получить целые числа, нужно все уравнение умножить на 2.
[СН^г) + 6,502(г) — 4ГО2(г) + 5Н20(г)] х 2
Другими словами, каждый коэффициент следует умножить на 2 (не обращайте внимания на нижние индексы!), и в итоге должно получиться уравнение, приведенное ниже.
20,^0^) + 1302(г) — 8ГО2(г) + 10Н20(г)
Подсчитав атомы каждого элемента по обе стороны уравнения, нетрудно увидеть, что уравнение сбалансировано, а его коэффициенты составляют наименьшее целочисленное отношение.
Сбалансировав уравнение, проверьте, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаковым, а коэффициенты составляли наименьшее целочисленное отношение.
Описанным выше способом можно сбалансировать большинство простых реакций. Однако существуют реакции, для которых данный способ неприемлем. Речь идет об окислительно-восстановительных реакциях. Для уравнивания окислительно-восстановительных реакций применяют специальный способ, который рассматривается в главе 9, «Электрохимия: батарейки к чайникам».