Химическое уравнение

Химическое уравнение представляет собой символическое представление о химической реакции в виде символов и формул, в котором реагенты сущности приведены на левой стороне и продукции субъектов на правой стороне. ^[1] Коэффициенты рядом с символами и формулами сущностей представляют собой абсолютные значения стехиометрических чисел . Первое химическое уравнение было составлено Жаном Бегеном в 1615 году ^[2].

Формирование химической реакции [ править ]

Химическое уравнение состоит из химических формул реагентов (исходных веществ) и химической формулы продуктов (веществ, образующихся в химической реакции). Они разделены символом стрелки ( обычно читается как «урожайность»), а химическая формула каждого отдельного вещества отделена от других знаком плюс . ${\ displaystyle \ rightarrow}$

В качестве примера уравнение реакции соляной кислоты с натрием можно обозначить:

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H
₂

Это уравнение будет читаться как «два HCl плюс два Na дают два NaCl и два H2». Но для уравнений, включающих сложные химические вещества, вместо чтения буквы и подстрочного индекса химические формулы читаются с использованием номенклатуры ИЮПАК . Используя номенклатуру IUPAC, это уравнение будет читаться как «соляная кислота плюс натрий дает хлорид натрия и газообразный водород ».

Это уравнение показывает, что натрий и HCl реагируют с образованием NaCl и H ₂ . Это также указывает на то, что две молекулы натрия требуются для каждых двух молекул соляной кислоты, и реакция будет формировать две молекулы хлорида натрия и одну двухатомную молекулу молекулы газообразного водорода на каждые две соляной кислоты и две молекулы натрия, которые вступают в реакцию. В стехиометрические коэффициенты (числа перед химическими формулами) вытекают из закона сохранения массы и закон сохранения заряда (смотри раздел «Балансировка химическое уравнение» ниже для получения дополнительной информации).

Общие символы [ править ]

Символы используются для различения различных типов реакций. Для обозначения типа реакции: ^[1]

Символ « » используется для обозначения стехиометрического отношения. ${\ displaystyle =}$
Символ « » используется для обозначения чистой прямой реакции. ${\ displaystyle \ rightarrow}$
Символ « » используется для обозначения реакции в обоих направлениях. ^[3] ${\ displaystyle \ rightleftarrows}$
Символ « » используется для обозначения равновесия . ^[4] ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$

Физическое состояние химических веществ также очень часто указывается в скобках после химического символа, особенно для ионных реакций. При указании физического состояния (s) обозначает твердое тело, (l) обозначает жидкость, (g) обозначает газ и (aq) обозначает водный раствор .

Если реакция требует энергии, это указывается над стрелкой. Заглавная греческая буква дельта ( ^[5] ) помещена на стрелку реакции, чтобы показать, что к реакции добавляется энергия в виде тепла. Выражение ^[6] используется как символ добавления энергии в виде света. Другие символы используются для других конкретных типов энергии или излучения. ${\ displaystyle \ Delta}$ ${\ displaystyle h \ nu}$

Уравновешивание химических уравнений [ править ]

Как видно из уравнения CH
₄+ 2 O
₂→ CO
₂+ 2 часа
₂О , перед газообразным кислородом на стороне реагентов и перед водой на стороне продуктов должен быть установлен коэффициент 2, чтобы в соответствии с законом сохранения массы количество каждого элемента не изменялось во время реакции.

P 4 O 10 + 6 H 2 O → 4 H 3 PO 4
Это химическое уравнение уравновешивается путем сначала умножения H ₃ PO ₄ на четыре, чтобы соответствовать количеству атомов P, а затем умножения H ₂ O на шесть, чтобы соответствовать числам атомов H и O.

Закон сохранения массы диктует , что количество каждого элемента не изменяется в результате химической реакции . Таким образом, каждая сторона химического уравнения должна представлять одно и то же количество любого конкретного элемента. Точно так же заряд сохраняется в химической реакции . Следовательно, одинаковые заряды должны присутствовать с обеих сторон сбалансированного уравнения .

Уравновешивают химическое уравнение, изменяя скалярное число для каждой химической формулы. Простые химические уравнения можно уравновесить путем проверки, то есть методом проб и ошибок. Другой метод включает решение системы линейных уравнений .

Сбалансированные уравнения записываются с наименьшими целочисленными коэффициентами. Если перед химической формулой нет коэффициента, коэффициент равен 1.

Метод проверки можно описать следующим образом: перед самой сложной химической формулой ставят коэффициент 1, а остальные коэффициенты ставят перед всем остальным, так что обе стороны стрелок имеют одинаковое количество атомов. Если существует какой-либо дробный коэффициент, умножьте каждый коэффициент на наименьшее число, необходимое, чтобы сделать их целыми, обычно знаменатель дробного коэффициента для реакции с одним дробным коэффициентом.

В качестве примера, показанного на изображении выше, сжигание метана можно уравновесить, поставив коэффициент 1 перед CH ₄ :

1 СН ₄ + О ₂ → СО ₂ + Н ₂ О

Поскольку с каждой стороны стрелки есть по одному углероду, первый атом (углерод) уравновешен.

Если посмотреть на следующий атом (водород), то в правой части два атома, а в левой - четыре. Чтобы уравновесить атомы водорода, 2 идет перед H ₂ O, что дает:

1 СН ₄ + О ₂ → СО ₂ + 2 Н ₂ О

Проверка последнего уравновешиваемого атома (кислорода) показывает, что в правой части четыре атома, а в левой - два. Его можно уравновесить, поставив 2 перед O ₂ , получив сбалансированное уравнение:

СН ₄ + 2 О ₂ → СО ₂ + 2 Н ₂ О

Это уравнение не имеет коэффициентов перед CH ₄ и CO ₂ , так как коэффициент 1 опущен.

Матричный метод [ править ]

Как правило, любое химическое уравнение, включающее J различных молекул, можно записать как:

{\ Displaystyle \ сумма _ {j = 1} ^ {J} \ nu _ {j} R_ {j} = 0}

где R _j - символ j-й молекулы, а ν _j - стехиометрический коэффициент для j-й молекулы, положительный для продуктов, отрицательный для реагентов (или наоборот). Правильно сбалансированное химическое уравнение будет подчиняться:

{\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {J} a_ {ij} \ nu _ {j} = 0}

где матрица состава a _ij - количество атомов элемента i в молекуле j . Любой вектор, который при оперировании матрицей композиции дает нулевой вектор, называется членом ядра или нулевого пространства оператора. Любой член Организации v , _J нулевого пространства в _Ij будет служить , чтобы сбалансировать химическое уравнение, содержащее множество J молекул , составляющих систему. «Предпочтительный» стехиометрический вектор - это такой вектор, все элементы которого могут быть преобразованы в целые числа без общих делителей путем умножения на подходящую константу.

Обычно матрица композиции является вырожденной: то есть не все ее строки будут линейно независимыми. Другими словами, ранг ( J _R ) композиционной матрицы обычно меньше, чем количество ее столбцов ( J ). К рангу дефектность теоремы, нулевое пространство в _Ij будет иметь JJ _R размеры , и это число называется недействительность ( J _N ) в виде _Ij . Тогда проблема балансировки химического уравнения становится проблемой определения J _N -мерного нулевого пространства матрицы состава. Важно отметить, что только дляJ _N = 1, будет ли единственное решение. Для J _N > 1 будет бесконечное количество решений проблемы балансировки, но только J _N из них будут независимыми: если J _N независимых решений проблемы балансировки может быть найдено, то любое другое решение будет линейной комбинацией этих решений. Если J _N = 0, решение проблемы балансировки не будет.

Были разработаны методы ^[7]^[8] для быстрого вычисления набора J _N независимых решений проблемы балансировки, которые превосходят методы проверки и алгебраические методы в том, что они являются определяющими и дают все решения проблемы балансировки.

Ионные уравнения [ править ]

Ионное уравнение - это химическое уравнение, в котором электролиты записываются как диссоциированные ионы . Ионные уравнения используются для реакций одинарного и двойного вытеснения , протекающих в водных растворах .

Например, в следующей реакции осаждения:

{\ Displaystyle {\ ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca (NO3) 2 + 2 AgCl (v)}}}

полное ионное уравнение:

{\ce {Ca^2+ + 2Cl^- + 2Ag+ + 2NO3^- -> Ca^2+ + 2NO3^- + 2AgCl(v)}}

или, со всеми включенными физическими состояниями:

{\ce {Ca^2+(aq) + 2Cl^-(aq) + 2Ag+(aq) + 2NO3^{-}(aq) -> Ca^2+(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 2AgCl(v)}}

В этой реакции ионы Ca ²⁺ и NO ₃^- остаются в растворе и не участвуют в реакции. То есть эти ионы идентичны как со стороны реагента, так и со стороны продукта в химическом уравнении. Поскольку такие ионы не участвуют в реакции, их называют ионами-наблюдателями . Ионное уравнение является полным ионным уравнением , из которого были удалены ионы зрителя. ^[9] Итоговое ионное уравнение протекающих реакций:

{\ce {2Cl^- + 2Ag+ -> 2AgCl(v)}}

или, в сокращенной сбалансированной форме,

{\ce {Ag+ + Cl^- -> AgCl(v)}}

В нейтрализации или кислоты / основания реакции, ионное уравнение обычно будет:

H ⁺ (водн.) + OH ^- (водн.) → H ₂ O (l)

Есть несколько кислотно-основных реакций, которые приводят к образованию осадка в дополнение к молекуле воды, показанной выше. Примером может служить реакция гидроксида бария с фосфорной кислотой , в результате которой образуется не только вода, но и нерастворимая соль фосфата бария . В этой реакции нет ионов-наблюдателей, поэтому итоговое ионное уравнение такое же, как и полное ионное уравнение.

{\ce {3Ba(OH)2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3(PO4)2(v)}}

{\ce {{3Ba^{2}+}+{6OH^{-}}+{6H+}}}+\underbrace {\ce {2PO4^{3}-}} _{\ce {phosphate}}{\ce {->{6H2O}+\underbrace {Ba3(PO4)2(v)} _{barium~phosphate}}}

Реакции двойного вытеснения, в которых карбонат взаимодействует с кислотой, имеют чистое ионное уравнение:

{\ce {2H+}}+\underbrace {{\ce {CO3^2-}}} _{{\ce {carbonate}}}{\ce {-> H2O + CO2 (^)}}

Если каждый ион является «ионом-наблюдателем», то реакции не было, и итоговое ионное уравнение равно нулю.

Как правило, если z _j кратно элементарному заряду j-й молекулы, нейтральный заряд можно записать как:

\sum _{j=1}^{J}z_{j}\nu _{j}=0

где ν _j - стехиометрические коэффициенты, описанные выше. Г _J может быть включен ^[7]^[8] в качестве дополнительная строки в _IJ матрицы , описанной выше, и надлежащим образом сбалансирован ионное уравнение будет тогда также подчиняться:

\sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0

Ссылки [ править ]

^ a b ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Уравнение химической реакции ». DOI : 10,1351 / goldbook.C01034
^ Кросленд, МП (1959). «Использование диаграмм в качестве химических« уравнений »в лекциях Уильяма Каллена и Джозефа Блэка». Анналы науки . 15 (2): 75–90. DOI : 10.1080 / 00033795900200088 .
^ Обозначениябыли предложены в 1884 году голландским химиком Якобусом Хенрикусом ван 'т Хоффом . См .: van 't Hoff, JH (1884). Études de Dynamique Chemique [ Исследования химической динамики ] (на французском языке). Амстердам, Нидерланды: Frederik Muller & Co., стр. 4–5. $\rightleftarrows$ Ван'т Хофф назвал реакции, которые не дошли до завершения, «ограниченными реакциями». Из стр. 4–5: «Или М. Пфаундлер a relié ces deux phénomênes… s'accomplit en même temps dans deux sens opposés». (Теперь г-н Пфаундлер объединил эти два явления в единую концепцию, рассматривая наблюдаемый предел как результат двух противоположных реакций, приводящих в приведенном примере к образованию морской соли [например, NaCl] и азотной кислоты [ и] другой - соляной кислоте и нитрату натрия. Это соображение, которое подтверждается экспериментом, оправдывает выражение «химическое равновесие», которое используется для характеристики конечного состояния ограниченных реакций. Я бы предложил перевести это выражение следующим символом:HCl + NO ₃ Na NO ₃ $\rightleftarrows$ H + Cl Na. Таким образом, в данном случае я заменяю знак = в химическом уравнении знаком , который на самом деле не выражает просто равенство, но также указывает направление реакции. Это ясно показывает, что химическое действие происходит одновременно в двух противоположных направлениях.) $\rightleftarrows$
^ Обозначениябыли предложены Хью Маршаллом в 1902 году. См .: Marshall, Hugh (1902). «Предлагаемые модификации знака равенства для использования в химической нотации». Труды Королевского общества Эдинбурга . 24 : 85–87. DOI : 10.1017 / S0370164600007720 . ${\ce {<=>}}$
^ Этот символ более правильно обозначить как простой треугольник (△), который изначально был алхимическим символом огня.
^ Этот символ происходит от уравнения Планка для энергии фотона. Иногда его ошибочно пишут с «v» («ви») вместо греческой буквы»(« ню »). $E=h\nu$ $\nu$
^ a b Торн, Лоуренс Р. (2010). "Инновационный подход к уравновешиванию уравнений химической реакции: упрощенный метод инверсии матрицы для определения нулевого пространства матрицы". Chem. Воспитатель . 15 : 304–308. arXiv : 1110.4321 .
^ а б Холмс, Дилан (2015). «Понимание химического баланса нулевого пространства» . Дилан Холмс . Проверено 10 октября 2017 года .
^ Джеймс Э. Брэди; Фредерик Сенезе; Нил Д. Джесперсен (14 декабря 2007 г.). Химия: материя и ее изменения . Джон Вили и сыновья. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355 .

[goldbook-1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Уравнение химической реакции ». DOI : 10,1351 / goldbook.C01034

[2] Кросленд, МП (1959). «Использование диаграмм в качестве химических« уравнений »в лекциях Уильяма Каллена и Джозефа Блэка». Анналы науки . 15 (2): 75–90. DOI : 10.1080 / 00033795900200088 .

[3] Обозначениябыли предложены в 1884 году голландским химиком Якобусом Хенрикусом ван 'т Хоффом . См .: van 't Hoff, JH (1884). Études de Dynamique Chemique [ Исследования химической динамики ] (на французском языке). Амстердам, Нидерланды: Frederik Muller & Co., стр. 4–5. $\rightleftarrows$ Ван'т Хофф назвал реакции, которые не дошли до завершения, «ограниченными реакциями». Из стр. 4–5: «Или М. Пфаундлер a relié ces deux phénomênes… s'accomplit en même temps dans deux sens opposés». (Теперь г-н Пфаундлер объединил эти два явления в единую концепцию, рассматривая наблюдаемый предел как результат двух противоположных реакций, приводящих в приведенном примере к образованию морской соли [например, NaCl] и азотной кислоты [ и] другой - соляной кислоте и нитрату натрия. Это соображение, которое подтверждается экспериментом, оправдывает выражение «химическое равновесие», которое используется для характеристики конечного состояния ограниченных реакций. Я бы предложил перевести это выражение следующим символом:HCl + NO ₃ Na NO ₃ $\rightleftarrows$ H + Cl Na. Таким образом, в данном случае я заменяю знак = в химическом уравнении знаком , который на самом деле не выражает просто равенство, но также указывает направление реакции. Это ясно показывает, что химическое действие происходит одновременно в двух противоположных направлениях.) $\rightleftarrows$

[4] Обозначениябыли предложены Хью Маршаллом в 1902 году. См .: Marshall, Hugh (1902). «Предлагаемые модификации знака равенства для использования в химической нотации». Труды Королевского общества Эдинбурга . 24 : 85–87. DOI : 10.1017 / S0370164600007720 . ${\ce {<=>}}$

[5] Этот символ более правильно обозначить как простой треугольник (△), который изначально был алхимическим символом огня.

[6] Этот символ происходит от уравнения Планка для энергии фотона. Иногда его ошибочно пишут с «v» («ви») вместо греческой буквы»(« ню »). $E=h\nu$ $\nu$

[Thorne2010-7] Торн, Лоуренс Р. (2010). "Инновационный подход к уравновешиванию уравнений химической реакции: упрощенный метод инверсии матрицы для определения нулевого пространства матрицы". Chem. Воспитатель . 15 : 304–308. arXiv : 1110.4321 .

[Holmes2015-8] а б Холмс, Дилан (2015). «Понимание химического баланса нулевого пространства» . Дилан Холмс . Проверено 10 октября 2017 года .

[9] Джеймс Э. Брэди; Фредерик Сенезе; Нил Д. Джесперсен (14 декабря 2007 г.). Химия: материя и ее изменения . Джон Вили и сыновья. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355 .

[1]