Балансировка химических уравнений — полезный навык в химии. В основе химических реакций лежит идея о том, что атомы и молекулы часто рекомбинируют в другие молекулы. Реактивы — это вещества, которые вступают в химическую реакцию, а продукты образуются в результате реакции. Среди примеров химических реакций, которые вы можете знать, — ржавчина, возникающая в результате реакции железа с водой и кислородом, и газировка, теряющая пузырьки при расщеплении углекислоты на углекислый газ и воду.
Фундаментальный принцип, лежащий в основе уравнений баланса, — это закон сохранения массы, который гласит, что вещество, то есть физические субстанции, такие как атомы и молекулы, не может быть создано или уничтожено. Это означает, что по обе стороны химического уравнения должна быть одинаковая масса атомов, а значит, и их количество. Например, рассмотрим простую химическую реакцию Ca + Cl2 → CaCl2. Это уравнение уже сбалансировано, так как имеет одинаковое количество атомов Ca и Cl с каждой стороны. Чтобы уравновесить уравнение, нужно изменить коэффициенты — числа, которые ставятся перед реактивами или продуктами для их умножения.
Обратите внимание, что коэффициент, который отображается слева от молекулы, отличается от подстрочного индекса, который отображается более мелким шрифтом справа от молекулы. Коэффициент обозначает количество молекул. Подстрочный индекс обозначает количество атомов данного элемента в каждой молекуле. Например, в 3O2 коэффициент равен 3, а подстрочный индекс — 2. Чтобы определить общее количество присутствующих атомов, умножьте коэффициент на подстрочный индекс — количество всех молекул, умноженное на количество атомов в каждой молекуле. 3O2 — это 6 атомов O. При составлении уравнений никогда не нужно менять подстрочный индекс молекулы, достаточно изменить коэффициент. Изменение подстрочного индекса изменит химический состав молекулы, а не количество молекул.
Как же сбалансировать уравнение? Вот какие шаги необходимо предпринять: Во-первых, посчитайте атомы с каждой стороны. Во-вторых, измените коэффициент одного из веществ. В-третьих, снова посчитайте количество атомов и повторяйте шаги два и три, пока не уравновесите уравнение.
Вот пример химической реакции, которая нуждается в балансировке: H2 + O2 → H2O.
Первый шаг — подсчитать количество атомов на каждой стороне. Часто полезно составить таблицу или список, чтобы вы могли представить себе числа. С левой стороны находятся 2 H и 2 O, а с правой — 2 H и 1 O. Это уравнение еще не сбалансировано, потому что в нем разное количество атомов кислорода.
Шаг второй — изменение коэффициента одного из веществ с целью уравнять количество атомов слева и справа. Поскольку справа слишком мало атомов O, начните с увеличения коэффициента продукта, H2O. Выбирая коэффициент, старайтесь выбрать как можно более низкий. В данном случае хорошим вариантом для коэффициента H2O будет 2. Обратите внимание, что изменение коэффициента влияет на все атомы в молекуле: если поставить 2 перед H2O, то количество атомов H и O умножится на 2. Кроме того, старайтесь изменять только один коэффициент за раз, чтобы избежать путаницы.
Третий шаг — снова посчитать атомы на каждой стороне и обновить таблицу. Теперь, когда вы изменили уравнение на H2 + O2 → 2H2O, слева осталось 2 H и 2 O, а справа — 4 H и 2 O. Вы сбалансировали атомы O, но теперь слева слишком мало атомов H! На этом этапе балансировки уравнения повторите шаги два и три, пока количество атомов с каждой стороны не станет равным. Если вы измените коэффициент H2 на 2, то теперь у вас будет 4 H и 2 O слева и 4 H и 2 O справа. Уравнение 2H2 + O2 → 2H2O сбалансировано.
Теперь давайте рассмотрим другую химическую реакцию. Эта реакция немного сложнее для баланса: CO2 + H2O → C6H12O6 + O2. Подсчет атомов говорит о том, что уравнение не сбалансировано. В левой части 1 C, 2 H и 3 O, а в правой — 6 C, 12 H и 8 O. Далее, согласно шагу 2, измените один коэффициент. Попробуйте изменить коэффициент CO2 на 6, чтобы уравнять количество атомов C на каждой стороне. Выполнив шаг три и пересчитав атомы, вы получите 6 C, 2 H и 13 O слева, а также 6 C, 12 H и 8 O справа. Далее уравновесьте атомы H. Измените коэффициент H2O на 6, чтобы слева было 6 C, 12 H и 18 O, а справа — 6 C, 12 H и 8 O. Теперь единственный несбалансированный аспект — это атомы O. Изменив коэффициент O2 справа на 6, правая сторона теперь имеет 18 O, то есть столько же, сколько и левая. После окончательного подсчета вы можете убедиться, что уравнение сбалансировано: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
Эти три шага — подсчет, изменение коэффициента и повторный подсчет — позволят вам сбалансировать любое химическое уравнение в соответствии с законом сохранения массы.
