Химические реакции: как уравнять уравнение

Ничто не пропадает

В химической реакции атомы не создаются и не исчезают, они лишь меняют партнёров. В 1789 году французский химик Антуан Лавуазье, тщательно взвешивая всё, включая газы, показал, что общая масса до и после реакции одинакова. Это закон сохранения массы. Поэтому химики записывают уравнения так, чтобы слева и справа были одни и те же атомы: исходные вещества слева, стрелка, продукты справа. Когда свеча горит и словно пропадает, воск превращается в газы, которые улетают. Картина следит за отдельными атомами: они покидают старые молекулы и входят в новые.

Горение метана с подсчётом

Природный газ — это в основном метан. При горении в кислороде он даёт углекислый газ и воду: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Посчитайте атомы. Слева: 1 углерод, 4 водорода и 2 × 2 = 4 кислорода. Справа: 1 углерод, 2 × 2 = 4 водорода и 2 + 2 = 4 кислорода. Каждая строка совпала, значит, уравнение уравнено. Большое число перед формулой — коэффициент — умножает все атомы в ней, а маленькое число снизу относится только к своему элементу. Газовым горелкам нужен свежий воздух: при нехватке кислорода образуется ядовитый угарный газ, поэтому приборы нужно обслуживать, а комнаты проветривать.

Почему нагрев и катализаторы ускоряют реакции

Чтобы две частицы прореагировали, они должны столкнуться — достаточно сильно и нужной стороной. Нагрев ускоряет частицы, поэтому столкновений больше, и больше среди них достаточно энергичных. По грубому правилу, многие реакции идут примерно вдвое быстрее при нагреве на каждые 10 °C, и это одна из причин, почему еду хранят в холодильнике. Катализатор предлагает более лёгкий путь, снижая энергию, нужную для старта, и сам не расходуется. В автомобильных выхлопных системах катализаторами служат такие металлы, как платина, а ферменты в вашем теле — природные катализаторы. Поднимите температуру на картине и смотрите, как вспыхивает всё больше удачных столкновений.

Тепло внутрь, тепло наружу

Реакции переносят энергию. Экзотермическая реакция отдаёт энергию окружающей среде, обычно в виде тепла: горение метана греет кухню, потому что у продуктов химической энергии меньше, чем у исходных веществ. Эндотермический процесс энергию поглощает, поэтому окружающее охлаждается. Мгновенные охлаждающие пакеты для спортивных травм используют эндотермическое изменение — растворение соли в воде. Фотосинтез тоже эндотермичен, потому что запасает энергию света в сахаре. Картина рисует энергию в виде кривой с холмом: продукты оказываются ниже при экзотермической реакции и выше при эндотермической, а холм посередине — энергия, нужная для старта.

Ржавчина и листья

Химия есть и на улице. Железо ржавеет, встречаясь с кислородом в присутствии воды: 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃, а вода входит в состав, образуя оранжевую шелушащуюся гидратированную форму. Проверим атомы: 4 Fe слева и 2 × 2 = 4 справа; 3 × 2 = 6 O слева и 2 × 3 = 6 справа. В листьях фотосинтез использует свет: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Углерод: 6 и 6. Водород: 12 и 12. Кислород: 12 + 6 = 18 слева и 6 + 12 = 18 справа. Растения строят сахар из воздуха и воды и выпускают кислород, которым мы дышим.

Уравняйте уравнение

Теперь уравняйте реакцию сами. Под картиной вы задаёте коэффициент для каждого вещества, а счётчики показывают атомы слева и справа. Меняйте только коэффициенты, никогда не трогайте маленькие числа внутри формулы. Способ: начните с атома, который встречается в одном веществе с каждой стороны, а одиночные элементы оставьте напоследок. Пример: H₂ + O₂ → H₂O. Кислорода слева 2, справа 1, поэтому пишем 2 H₂O. Теперь водорода слева 2, справа 4, поэтому пишем 2 H₂. Получилось 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O: по 4 H и по 2 O с каждой стороны. Затем попробуйте Fe + O₂ → Fe₂O₃ и сверьтесь с числами 4, 3 и 2.

Химические реакции