Рівняння хімічної реакції

• ← Назад до змісту довідника

1. Закон збереження маси речовин у хімії

Хімія — це природнича наука про речовини та їх перетворення на інші речовини. Зрозуміти сутність хімічної реакції найпростіше на повсякденній моделі приготування їжі.

🥪 Модель реакції: приготування бутерброда
Уявіть процес створення простої страви:

$\text{🥖 Батон} + \text{🧀 Сир} \longrightarrow \text{🥪 Бутерброд (батон із сиром)}$

Ми беремо окремі вихідні «компоненти» (батон і сир), сполучаємо їх між собою та отримуємо новий цілісний продукт — бутерброд із сиром.

У хімії компоненти позначаються точними хімічними символами, де кожна літера має чітке значення:

• $\mathrm{Ba}$ — це хімічний елемент Барій (а не «батон»);
• $\mathrm{S}$ — це хімічний елемент Сульфур, або проста речовина сірка (а не «сир»).

Запишемо хімічну реакцію сполучення:
$\mathrm{Ba} + \mathrm{S} = \mathrm{BaS}$

Унаслідок взаємодії двох простих речовин — металу барію та неметалу сірки — утворюється нова складна речовина: барій сульфід ($\mathrm{BaS}$).

Хімічне рівняння відображає якісний та кількісний перебіг процесу: як з кількох окремих речовин утворюється нова сполука або як одна речовина розпадається на кілька простіших (реакція розкладу — аналогічно тому, якби ми розділили готовий бутерброд назад на скибку батона та шматочок сиру).

Фундаментальною основою будь-якого хімічного рівняння є Закон збереження маси речовин:

⚖️ Закон збереження маси речовин
Маса речовин, що вступили в хімічну реакцію (реагентів), дорівнює масі речовин, які утворилися в результаті реакції (продуктів).

Повернемося до кулінарного прикладу за умови ідеальності процесу (нарізання хліба без крихт, коли жоден грам маси не втрачається):
$\text{батон } (1\text{ кг}) + \text{сир } (1\text{ кг}) = \text{бутерброд } (2\text{ кг})$

Точно так само закон діє для будь-якої хімічної взаємодії. Якщо в реакцію сполучення вступає $100\text{ г}$ барію та $50\text{ г}$ сірки:
$\mathrm{Ba} + \mathrm{S} = \mathrm{BaS}$
$100\text{ г} + 50\text{ г} = 150\text{ г}$

Маса утвореного барій сульфіду дорівнює сумі мас вихідних реагентів: $150\text{ г}$.

📌 Маса всього того, що записано ліворуч (до знака «$=$»), завжди точно дорівнює масі всього того, що утворюється праворуч (після знака «$=$»).

2. Як складати рівняння хімічної реакції

🧀 Правило відповідності реагентів і продуктів
Якщо покласти на скибку батона сир, неможливо отримати бутерброд із ковбасою. У продуктах реакції можуть бути присутніми виключно ті хімічні елементи, які входили до складу реагентів.

Типова помилка №1: поява «чужих» хімічних елементів.
При взаємодії барію із сіркою:
$\mathrm{Ba} + \mathrm{S} \rightarrow \dots$
❌ Помилково: $\mathrm{CaS}$ (Кальцій не може з’явитися нізвідки, якщо в реакцію вступив Барій).
✔️ Правильно: $\mathrm{BaS}$. Жоден атом не зникає безслідно і не виникає з нічого.

Типова помилка №2: механічне перенесення формул та індексів.
Поширена помилка — просто перенести знаки реагентів у праву частину зі збереженням їхніх нижніх індексів.

💡 Важливо пам’ятати
Формули продуктів реакції завжди складаються виключно згідно з валентністю!

$\mathrm{Al} + \mathrm{O_2} \dashrightarrow \cancel{\mathrm{AlO_2}} \quad \longleftarrow \textbf{такої речовини НЕ існує!}$

Оскільки в Алюмінію постійна валентність $\mathrm{III}$, а в Оксигену — $\mathrm{II}$, то правильна формула сполуки Алюмінію з Оксигеном виглядає:
$\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}_3$

Схема хімічної реакції записується як:
$\mathrm{Al} + \mathrm{O_2} \dashrightarrow \mathrm{Al_2O_3}$

Як розставляти коефіцієнти

Скласти правильні формули продуктів — це лише перший крок. За законом збереження маси кількість атомів кожного елемента до реакції та після неї має бути однаковою. Для зрівнювання кількості атомів використовують коефіцієнти.

🥪 Чому виникає потреба в коефіцієнтах?
Складемо схему бутерброда:
$1\text{ скибка хліба} + 1\text{ шматочок ковбаси} \rightarrow \text{бутерброд із } 1\text{ скибки хліба та } 2\text{ шматочків ковбаси}$
Праворуч опинилося $2$ шматочки ковбаси, хоча ліворуч було взято лише $1$. Щоб не порушувати закон збереження маси, ліворуч перед ковбасою необхідно поставити цифру $2$: $1\text{ хліб} + \mathbf{2}\text{ ковбаси} \rightarrow \text{бутерброд (}1\text{ хліб, } 2\text{ ковбаси)}$

• Коефіцієнт — це велика цифра, що ставиться перед формулою речовини та вказує на кількість окремих атомів, молекул чи формульних одиниць.
• Якщо перед формулою або біля символу елемента немає цифри, це означає, що коефіцієнт або індекс дорівнює одиниці ($1$).

Розберемо покрокову методику розстановки коефіцієнтів на прикладах:

Приклад 1. Взаємодія натрію із сіркою:

1. Складаємо схему взаємодії (за валентностями $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$ та $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}}$ формулою продукту є $\mathrm{Na_2S}$):

У цій схемі до стрілки та після стрілки різна кількість атомів Натрію (ліворуч $1$, а праворуч $2$). Щоб кількість атомів кожного елемента зліва і справа стала однаковою, перед формулами ставлять коефіцієнти — великі цифри.

2. Поставимо перед Натрієм коефіцієнт $\mathbf{2}$:

Тепер кількість атомів кожного елемента до знака рівності зрівнялася з кількістю атомів після: $2\mathrm{Na} + \mathrm{S} = \mathrm{Na_2S}$

Приклад 2. Взаємодія кальцію з киснем:

1. Складаємо формулу продукту: у Кальцію постійна валентність $\mathrm{II}$, в Оксигену — $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$). Валентності однакові, тому вони взаємно скорочуються, й індекси не потрібні — утворюється $\mathrm{CaO}$.

2. Схема реакції: $\mathrm{Ca} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CaO}$

3. Підрахунок Оксигену: ліворуч у молекулі кисню є $1 \cdot 2 = 2$ атоми $\mathrm{O}$. Праворуч у $\mathrm{CaO}$ — лише $1 \cdot 1 = 1$ атом $\mathrm{O}$ ($2 \neq 1$, не зрівняно).

4. Щоб зрівняти Оксиген, ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед оксидом праворуч:
   $\mathrm{Ca} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathbf{2}\mathrm{CaO}$

5. Коефіцієнт $2$ множиться на всі елементи в сполуці: тепер праворуч $2 \cdot 1 = 2$ атоми Оксигену і $2 \cdot 1 = 2$ атоми Кальцію.

6. Зліва був лише $1$ атом Кальцію, тому ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед $\mathrm{Ca}$ ліворуч:
   $2\mathrm{Ca} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{CaO}$

Приклад 3. Утворення води (взаємодія водню з киснем):

1. Прості гази водень і кисень існують у вигляді двохатомних молекул: $\mathrm{H_2}$ та $\mathrm{O_2}$. Складаємо схему реакції:
   $\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{H_2O}$

2. Зрівнюємо Оксиген: ліворуч $2$ атоми Оксигену, праворуч у воді — лише $1$. Ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед водою $\mathrm{H_2O}$:
   $\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathbf{2}\mathrm{H_2O}$
   Тепер праворуч маємо $2 \cdot 1 = 2$ атоми $\mathrm{O}$ і $2 \cdot 2 = 4$ атоми $\mathrm{H}$.

3. Зрівнюємо Гідроген: праворуч стало $4$ атоми Гідрогену, а ліворуч у молекулі $\mathrm{H_2}$ є $2$ атоми. Яке число при множенні на $2$ дає $4$? Це $2$. Ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед $\mathrm{H_2}$ ($2 \cdot 2 = 4$):
   $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{H_2O}$

Приклад 4. Відновлення заліза з оксиду воднем:

1. Схема: $\mathrm{Fe_2O_3} + \mathrm{H_2} \longrightarrow \mathrm{Fe} + \mathrm{H_2O}$.
2. Ферум: ліворуч $2$ атоми $\mathrm{Fe}$, праворуч ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед $\mathrm{Fe}$.
3. Оксиген: ліворуч $3$ атоми $\mathrm{O}$, праворуч ставимо коефіцієнт $\mathbf{3}$ перед $\mathrm{H_2O}$.
4. Гідроген: праворуч стало $3 \cdot 2 = 6$ атомів $\mathrm{H}$, отже, ліворуч перед $\mathrm{H_2}$ ставимо коефіцієнт $\mathbf{3}$ ($3 \cdot 2 = 6$):
   $\mathrm{Fe_2O_3} + 3\mathrm{H_2} = 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{H_2O}$

Приклад 5. Окиснення натрію:

1. Схема: $\mathrm{Na} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{Na_2O}$.
2. Оксиген: ліворуч $2$ атоми, праворуч $1$. Ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед оксидом: $\dots \longrightarrow \mathbf{2}\mathrm{Na_2O}$.
3. Натрій: праворуч стало $2 \cdot 2 = 4$ атоми $\mathrm{Na}$. Отже, ліворуч перед $\mathrm{Na}$ ставимо коефіцієнт $\mathbf{4}$:
   $4\mathrm{Na} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{Na_2O}$

Приклад 6. Реакція з непарним числом атомів (горіння алюмінію):

1. Схема: $\mathrm{Al} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{Al_2O_3}$.

❌ Хибна спроба (помилка зрівняння «в лоб»):
Дуже хочеться одразу поставити коефіцієнт $2$ перед Алюмінієм, щоб його урівняти:
$2\mathrm{Al} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{Al_2O_3} \quad ❌$
Але тоді неможливо зрівняти Оксиген цілими коефіцієнтами: зліва його $2$ (парне число), а справа $3$ (непарне число)!

💡 Правило непарного числа
Якщо з одного боку рівняння кількість атомів елемента є парною, а з іншого — непарною ($3$ або $5$), непарне число подвоюють, поставивши коефіцієнт 2 перед складною речовиною.

2. Ставимо коефіцієнт $\mathbf{2}$ перед продуктом $\mathrm{Al_2O_3}$: тепер праворуч стало $2 \cdot 3 = 6$ атомів Оксигену.
3. Зліва перед $\mathrm{O_2}$ ставимо коефіцієнт $\mathbf{3}$ ($3 \cdot 2 = 6$). Оксиген зрівняно!
4. Рахуємо Алюміній: праворуч стало $2 \cdot 2 = 4$ атоми $\mathrm{Al}$. Отже, ліворуч перед $\mathrm{Al}$ ставимо коефіцієнт $\mathbf{4}$:
   $4\mathrm{Al} + 3\mathrm{O_2} = 2\mathrm{Al_2O_3}$

Приклад 7. Реакція з дужками та розпорошеними атомами:

1. Схема розкладу: $\mathrm{Cu(OH)_2} \longrightarrow \mathrm{CuO} + \mathrm{H_2O}$.
2. Правило дужок: індекс $2$ за дужками стосується кожного елемента всередині них: у сполуці $\mathrm{Cu(OH)_2}$ міститься $1$ атом $\mathrm{Cu}$, $2 \cdot 1 = 2$ атоми $\mathrm{O}$ та $2 \cdot 1 = 2$ атоми $\mathrm{H}$.
3. Підрахунок елементів:
   • Купрум: ліворуч $1$, праворуч у $\mathrm{CuO}$ — $1$.
   • Оксиген: ліворуч $2$ атоми; праворуч входить до двох сполук: $1\text{ (у }\mathrm{CuO}\text{)} + 1\text{ (у }\mathrm{H_2O}\text{)} = 2$ атоми.
   • Гідроген: ліворуч $2$ атоми, праворуч у $\mathrm{H_2O}$ — $2$ атоми.
4. Висновок: усі елементи вже зрівняні за природою, коефіцієнти дорівнюють $1$:
   $\mathrm{Cu(OH)_2} = \mathrm{CuO} + \mathrm{H_2O}$

Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)

Завдання 1. Розставте коефіцієнти в наведених рівняннях хімічних реакцій (пам’ятайте: якщо коефіцієнт дорівнює 1, то він не записується):

1. $\mathrm{K} + \mathrm{S} = \mathrm{K_2S}$
2. $\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} = \mathrm{HCl}$
3. $\mathrm{Ba} + \mathrm{O_2} = \mathrm{BaO}$
4. $\mathrm{H_2} + \mathrm{N_2} = \mathrm{NH_3}$
5. $\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} = \mathrm{NO}$
6. $\mathrm{Cr_2O_3} + \mathrm{H_2} = \mathrm{Cr} + \mathrm{H_2O}$
7. $\mathrm{K_2O} + \mathrm{H_2O} = \mathrm{KOH}$
8. $\mathrm{CH_4} + \mathrm{O_2} = \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$

🔍 Показати розв'язок та відповідь до Завдання 1

Завдання:	Покроковий підбір коефіцієнтів та результат:
Схеми 1–4	1) $2$ атоми $\mathrm{K}$ справа $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{K}$ зліва: $2\mathrm{K} + \mathrm{S} = \mathrm{K_2S}$ 2) $2$ атоми $\mathrm{H}$ та $2$ атоми $\mathrm{Cl}$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{HCl}$ справа: $\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} = 2\mathrm{HCl}$ 3) $2$ атоми $\mathrm{O}$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{BaO}$, потім $2$ перед $\mathrm{Ba}$: $2\mathrm{Ba} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{BaO}$ 4) $2$ атоми $\mathrm{N}$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{NH_3}$; тоді $\mathrm{H}$ справа стає $2 \cdot 3 = 6 \rightarrow$ ставимо $3$ перед $\mathrm{H_2}$: $3\mathrm{H_2} + \mathrm{N_2} = 2\mathrm{NH_3}$
Схеми 5–8	5) $2$ атоми $\mathrm{N}$ та $2$ атоми $\mathrm{O}$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{NO}$: $\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{NO}$ 6) $2$ атоми $\mathrm{Cr}$ зліва $\rightarrow$ $2\mathrm{Cr}$; $3$ атоми $\mathrm{O}$ зліва $\rightarrow$ $3\mathrm{H_2O}$; $3 \cdot 2 = 6$ атомів $\mathrm{H}$ справа $\rightarrow$ $3\mathrm{H_2}$ зліва: $\mathrm{Cr_2O_3} + 3\mathrm{H_2} = 2\mathrm{Cr} + 3\mathrm{H_2O}$ 7) $2$ атоми $\mathrm{K}$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{KOH}$ справа (Оксиген: $1 + 1 = 2$, Гідроген: $2$ — урівняно): $\mathrm{K_2O} + \mathrm{H_2O} = 2\mathrm{KOH}$ 8) Карбон: $1$ зліва і $1$ справа; Гідроген: $4$ зліва $\rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{H_2O}$; Оксиген справа: $2\text{ (в }\mathrm{CO_2}\text{)} + 2 \cdot 1\text{ (в }\mathrm{H_2O}\text{)} = 4 \rightarrow$ ставимо $2$ перед $\mathrm{O_2}$: $\mathrm{CH_4} + 2\mathrm{O_2} = \mathrm{CO_2} + 2\mathrm{H_2O}$

Завдання 2. Складіть формули продуктів реакцій за валентностями елементів та розставте коефіцієнти:

🔍 Показати розв'язок та відповідь до Завдання 2

Реакція:	Складання формул за валентністю та рівняння:
Стовпчик 1	1) $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{K}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}} \rightarrow \mathrm{K_2O}$. Зрівнюємо Оксиген ($2\mathrm{K_2O}$), потім Калій ($4\mathrm{K}$): $4\mathrm{K} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{K_2O}$ 2) $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Mg}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}} \rightarrow \mathrm{MgO}$. Зрівнюємо Оксиген ($2\mathrm{MgO}$), потім Магній ($2\mathrm{Mg}$): $2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{MgO}$ 3) $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}} \rightarrow \mathrm{Al_2O_3}$. Непарний Оксиген подвоюємо ($2\mathrm{Al_2O_3}$), Оксиген зліва ($3\mathrm{O_2}$), Алюміній ($4\mathrm{Al}$): $4\mathrm{Al} + 3\mathrm{O_2} = 2\mathrm{Al_2O_3}$ 4) $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}} \rightarrow \mathrm{Fe_2S_3}$. Ставимо коефіцієнт $2$ перед $\mathrm{Fe}$ та $3$ перед $\mathrm{S}$: $2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{S} = \mathrm{Fe_2S_3}$
Стовпчик 2	5) $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}} \rightarrow \mathrm{H_2O}$. Зрівнюємо Оксиген ($2\mathrm{H_2O}$), потім Гідроген ($2\mathrm{H_2}$): $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{H_2O}$ 6) $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{N}}\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}} \rightarrow \mathrm{NH_3}$. Зрівнюємо Нітроген ($2\mathrm{NH_3}$), Гідроген справа стає $6 \rightarrow 3\mathrm{H_2}$: $\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} = 2\mathrm{NH_3}$ 7) $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{K}}\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Cl}} \rightarrow \mathrm{KCl}$. Зрівнюємо Хлор ($2\mathrm{KCl}$), потім Калій ($2\mathrm{K}$): $2\mathrm{K} + \mathrm{Cl_2} = 2\mathrm{KCl}$ 8) $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}} \rightarrow \mathrm{Al_2S_3}$. Ставимо коефіцієнт $2$ перед $\mathrm{Al}$ та $3$ перед $\mathrm{S}$: $2\mathrm{Al} + 3\mathrm{S} = \mathrm{Al_2S_3}$

• ← Назад до змісту довідника