§ 10. Химические уравнения

Условная графическая запись химического превращения с помощью формул исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции без расстановки стехиометрических коэффициентов.

• Отражает качественную сторону процесса: указывает, какие вещества вступили во взаимодействие и какие образовались в итоге
• Между левой и правой частями ставится стрелка (→), так как число атомов элементов до и после реакции ещё не уравнено
• Служит обязательным первоначальным этапом для последующего составления строгого химического уравнения

Фундаментальный закон природы: масса веществ, вступивших в химическую реакцию (реагентов), в точности равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции (продуктов).

• Открыт и доказан опытным путём в запаянных стеклянных ретортах М. В. Ломоносовым (1748–1756 гг.) и независимо подтверждён французским химиком А. Лавуазье (1789 г.)
• Объясняется тем, что атомы химических элементов в ходе химических реакций не возникают из ничего и не исчезают бесследно, а лишь перегруппировываются с образованием новых химических связей
• Выступает физическим фундаментом для расстановки коэффициентов и количественных расчётов в химии

Условная запись химической реакции с помощью химических формул веществ, численных коэффициентов и математических знаков (+, =).

• Строго подчиняется закону сохранения массы веществ: число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения абсолютно одинаково
• Знак равенства (=) заменяет стрелку схемы строго после полной расстановки уравнивающих коэффициентов
• В случае образования нерастворимого осадка рядом с его формулой ставится стрелка вниз (↓), а при выделении газа — стрелка вверх (↑)

Алгоритмический процесс нахождения и расстановки целочисленных стехиометрических коэффициентов перед формулами веществ для уравнивания числа атомов всех элементов.

• Коэффициенты записываются строго перед формулами веществ (изменять индексы в химических формулах категорически запрещено!)
• Для подбора коэффициентов находят наименьшее общее кратное (НОК) числа атомов элемента в обеих частях схемы и делят его на соответствующие индексы
• Общепринятый порядок уравнивания: сначала уравнивают атомы металлов, затем атомы неметаллов (или кислотные остатки), затем атомы водорода, а по атомам кислорода проводят итоговую проверку

Комплекс качественных, количественных и термодинамических характеристик химического процесса:

• 1. Качественный состав: указывает конкретные реагенты и образующиеся продукты реакции
• 2. Микроколичественные соотношения: отражает точное соотношение между числом молекул или формульных единиц веществ
• 3. Макроколичественные (молярные) соотношения: коэффициенты пропорциональны количествам веществ в молях, что позволяет рассчитывать массы и объёмы газов
• 4. Условия протекания: указывает температуру нагрева (t°), катализатор или давление, а также тип реакции по классификации

Великий русский учёный-энциклопедист, естествоиспытатель и химик, экспериментально открывший всеобщий закон сохранения массы веществ и заложивший основы химической атомистики.

• В 1748 году теоретически сформулировал, а в 1756 году подтвердил серией фундаментальных опытов по прокаливанию металлов в запаянных ретортах всеобщий закон сохранения массы веществ.
• Доказал, что неизменность массы реагентов и продуктов обусловлена сохранением общего числа неделимых корпускул (атомов), что стало физической основой для составления химических уравнений.
• Впервые потребовал сочетать химические эксперименты со строгими количественными весовыми измерениями, превратив химию из качественного описания явлений в точную науку.

Выдающийся французский химик, академик Парижской академии наук, один из основоположников современной химии, экспериментально подтвердивший закон сохранения массы веществ и создавший кислородную теорию горения.

• В 1789 году на основе прецизионных количественных экспериментов сформулировал закон сохранения массы, доказав, что масса продуктов любой химической реакции в точности равна массе вступивших реагентов.
• В параграфе закон сохранения массы веществ Ломоносова — Лавуазье назван основным законом химии, на котором базируется необходимость уравнивания числа атомов каждого элемента с помощью стехиометрических коэффициентов.
• Революционизировал химическую науку внедрением строгих методов количественного взвешивания всех реагентов и газообразных продуктов, окончательно опровергнув умозрительную теорию флогистона.

Химическое уравнение представляет собой условную запись химической реакции с помощью формул веществ, математических знаков (+, =) и стехиометрических коэффициентов.

Оно обязательно должно соответствовать закону сохранения массы веществ, открытому М. В. Ломоносовым и А. Лавуазье: масса всех веществ, вступивших в реакцию, равна массе всех образовавшихся продуктов. На атомно-молекулярном уровне это означает, что общее число атомов каждого конкретного химического элемента в левой части уравнения (до превращения) должно быть строго равно числу атомов этого же элемента в правой части (после превращения).

Горение красного фосфора в кислороде с образованием оксида фосфора(V) описывается следующей последовательностью:

• Записываем исходную схему химической реакции:

$$\text{P} + \text{O}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5$$

• Уравниваем атомы кислорода: в левой части молекула содержит 2 атома O, в правой — 5 атомов O. Наименьшее общее кратное чисел 2 и 5 равно 10. Делим НОК на индексы: перед O₂ ставим коэффициент $10 / 2 = 5$, перед P₂O₅ ставим коэффициент $10 / 5 = 2$:

$$\text{P} + 5\text{O}_2 \rightarrow 2\text{P}_2\text{O}_5$$

• Уравниваем атомы фосфора: в правой части стало $2 \times 2 = 4$ атома фосфора, следовательно, в левой части перед символом P ставим коэффициент 4:

$$4\text{P} + 5\text{O}_2 = 2\text{P}_2\text{O}_5$$

Ответ: коэффициент перед формулой фосфора (P) равен 4, коэффициент перед формулой кислорода (O₂) равен 5.

Химическое уравнение несёт в себе исчерпывающую научную информацию о протекающем процессе:

• Качественный состав: указывает, какие именно химические вещества вступили в реакцию (реагенты) и какие новые вещества образовались (продукты);
• Микроколичественное соотношение: показывает точное число вступивших во взаимодействие молекул или формульных единиц каждого вещества;
• Макроколичественное (стехиометрическое) соотношение: коэффициенты показывают соотношение количеств веществ в молях ($n$), что позволяет рассчитывать массы ($m = n \cdot M$) и объёмы газообразных участников ($V = n \cdot V_m$);
• Фазовые переходы и признаки реакции: стрелками обозначаются образование нерастворимого осадка (↓) или выделение газообразных веществ (↑);
• Условия протекания реакции: над знаком равенства фиксируются необходимые условия (нагревание $t^\circ$, катализатор, электрический ток);
• Тип химической реакции: позволяет определить тип превращения по составу и числу реагентов и продуктов (соединение, разложение, замещение или обмен).