Уравнивание химических уравнений шаг за шагом

Что можно менять — коэффициенты, а не индексы

Каждая формула задаёт состав одного вещества. В H₂O всегда два атома водорода и один атом кислорода; если изменить формулу на H₂O₂, получится описание пероксида водорода — другого соединения. Поэтому уравнивать можно только коэффициентами — числами перед формулами, которые показывают, сколько формульных единиц каждого вещества участвует в реакции.

В уравненном уравнении число атомов каждого элемента одинаково в обеих частях. Поскольку атомы сохраняют массу, общая масса реагентов тогда равна общей массе продуктов, что служит полезной независимой проверкой. Если в уравнении есть ионы, сумма зарядов слева также должна равняться сумме справа.

Коэффициенты записываются наименьшими целыми числами, уравнивающими уравнение. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O уравнено, но не в наименьших числах; деление на 2 даёт 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Коэффициент 1 не пишется.

Порядок подбора, при котором не ходят по кругу

Подбор лучше всего работает при фиксированном порядке, потому что уравнивание одного элемента может нарушить баланс другого, уже установленного. Приведённый ниже порядок откладывает элементы, встречающиеся в нескольких формулах, и особенно простые вещества, такие как O₂ или металл, поскольку изменение коэффициента простого вещества больше ничего не затрагивает.

Итоговый подсчёт важнее всего. Выпишите каждый элемент с числом его атомов в каждой части, умножая каждый индекс на коэффициент и на любой индекс за скобками. Это занимает минуту и ловит почти любую ошибку.

• Запишите правильные формулы всех веществ, включая двухатомные элементы (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), и потом не меняйте их.
• Присвойте самой сложной формуле пробный коэффициент 1.
• Уравняйте элементы, которые встречаются только в одном реагенте и одном продукте.
• Уравняйте многоатомные ионы, которые переходят без изменений как единые группы.
• Затем уравняйте водород и кислород, а простые вещества — в последнюю очередь.
• Избавьтесь от дробей, умножив все коэффициенты на знаменатель, затем сократите до наименьших целых чисел.
• Подсчитайте каждый элемент и суммарный заряд в обеих частях.

Разобранный пример: сгорание 2-пропанола

2-Пропанол (изопропиловый спирт) C₃H₈O горит в кислороде с образованием углекислого газа и воды: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Присвойте C₃H₈O коэффициент 1. Углерод встречается в одном реагенте и одном продукте, поэтому 3 C требуют 3 CO₂. Так же с водородом: 8 H требуют 4 H₂O.

Кислород идёт последним, потому что O₂ — простое вещество. В правой части теперь 3 × 2 + 4 × 1 = 10 атомов O. Топливо уже даёт 1 O, поэтому O₂ должен дать 9 атомов, то есть коэффициент 9/2. Умножение всего на 2 даёт 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Подсчёт: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 слева и 12 + 8 = 20 справа. Проверка по массе с использованием стандартных атомных масс IUPAC, округлённых до двух десятичных знаков (C 12.01, H 1.01, O 16.00), для показанных количеств в молях совпадает: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g реагентов и 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g продуктов.

Распространённый промах — забыть атом кислорода в самом топливе и записать 5 O₂ на каждую молекулу C₃H₈O. Подсчёт сразу это выявляет: слева 11 атомов O, а справа 10.

Многоатомные ионы как единые группы

Когда многоатомный ион, такой как сульфат, нитрат или фосфат, присутствует без изменений в обеих частях, считайте его одной единицей вместо подсчёта отдельных атомов. Это сокращает учёт и позволяет избежать самой частой ошибки подсчёта — забыть, что индекс за скобками умножает всё внутри: Ca(NO₃)₂ содержит 2 N и 6 O.

Разобранный пример: гидроксид бария реагирует с фосфорной кислотой с образованием фосфата бария и воды, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Начните с Ba₃(PO₄)₂. Он содержит 3 Ba, поэтому берём 3 Ba(OH)₂, и 2 фосфатные группы, поэтому берём 2 H₃PO₄.

Для воды представьте её как H–OH: каждая молекула образуется из одного H кислоты и одной группы OH основания. Левая часть теперь содержит 3 × 2 = 6 групп OH и 2 × 3 = 6 кислотных атомов H, поэтому образуется 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Подсчёт: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 и 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 и 8 + 6 = 14.

Используйте подход с единицами, только если ион сохраняется целым. Если, например, нитрат в окислительно-восстановительной реакции превращается в NO, азот и кислород нужно считать отдельно.

Уравнивание заряда в ионных уравнениях

Ионное уравнение может быть уравнено по атомам и всё же быть неверным. Рассмотрим металлический алюминий, помещённый в раствор ионов меди(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). С каждой стороны по одному Al и по одному Cu, но заряд слева 2+, а справа 3+.

Каждый атом Al отдаёт 3 электрона, а каждый ион Cu²⁺ принимает 2. Наименьшее общее кратное равно 6, поэтому 2 Al реагируют с 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Заряд: 3(2+) = 6+ слева и 2(3+) = 6+ справа; атомы: Al 2 = 2 и Cu 3 = 3.

Электроны не входят в суммарное уравнение, поэтому несовпадение зарядов всегда означает, что уравнение ещё не уравнено: неверен коэффициент или отсутствует частица вроде H⁺, OH⁻ или H₂O. Для более сложных окислительно-восстановительных уравнений, особенно в кислой или щелочной среде, метод полуреакций надёжнее подбора.

Алгебраический метод для трудных уравнений

Некоторые уравнения, часто окислительно-восстановительные реакции, где один элемент оказывается в нескольких продуктах, не поддаются подбору. Присвойте букву каждому коэффициенту, запишите по одному уравнению на элемент, положите одну букву равной 1 и решите систему. Для перманганата калия и соляной кислоты: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Калий даёт a = c; марганец даёт a = d; кислород даёт 4a = f; водород даёт b = 2f; хлор даёт b = c + 2d + 2e. При a = 1 получаем c = 1, d = 1, f = 4 и b = 8, а затем 8 = 1 + 2 + 2e, откуда e = 5/2. Умножив на 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Подсчёт: K 2, Mn 2, O 8, H 16 и Cl 16 с каждой стороны.

Если после того, как вы положили одну букву равной 1, уравнения для элементов всё ещё оставляют какой-то коэффициент неопределённым, у уравнения больше одной независимой уравненной формы. Обычно это означает, что оно объединяет две отдельные реакции, и для выбора правильной формы нужна дополнительная химическая информация, например какая частица окисляется, а какая восстанавливается в каждой полуреакции.

Ошибки уравнивания и подсчёт, который их ловит

Каждую из ошибок ниже ловит один и тот же итоговый подсчёт — по элементам, а затем по заряду. Сделайте подсчёт обязательной последней строкой каждого уравнения, а не необязательным дополнением.

Если подсчёт раз за разом не сходится по одному и тому же элементу, вернитесь к порядку подбора и проверьте, не уравняли ли вы этот элемент слишком рано.

• Изменение индекса ради баланса, например запись H₂O₂ вместо воды. Сравните каждую формулу с исходным неуравненным уравнением.
• Запись двухатомного элемента отдельными атомами, например O вместо O₂.
• Забытое умножение на индекс за скобками, из-за чего в Ba₃(PO₄)₂ насчитывают 4 O вместо 8.
• Дроби или коэффициенты с общим множителем в окончательном ответе.
• Уравнивание атомов, но не заряда в уравнении с ионами.
• Уравнивание простого вещества первым, из-за чего приходится переделывать после каждого другого изменения.