Покрокові алгоритми складання хімічних рівнянь для розв'язування ланцюжків перетворень.

• ← Назад до змісту довідника

1. Що таке хімічні ланцюжки та як їх розв’язувати

Хімічні ланцюжки перетворень — це поширений різновид завдань, у якому наведено схему послідовного переходу одних речовин в інші. Головна мета — скласти правильні рівняння хімічних реакцій для кожного кроку та дібрати відповідні реагенти й умови.

🍕 Ланцюжок хімічних перетворень нагадує покрокове створення піци на кухні:
$\text{Тісто} \rightarrow \text{Тісто з ковбасою} \rightarrow \text{Тісто з ковбасою і помідорами}$

1. Маємо основу — чисте тісто. Щоб отримати тісто з ковбасою, додаємо скибочки ковбаси:
   $\text{Тісто} + 3\,\text{Ковбаси} = \text{Тісто з ковбасою}$
2. До отриманої основи додаємо помідори:
   $\text{Тісто з ковбасою} + 2\,\text{Помідори} = \text{Тісто з ковбасою і помідорами}$

У хімії кожна стрілочка в ланцюжку позначає окрему хімічну реакцію, де продукт попередньої стадії стає вихідною речовиною для наступної.

Ланцюжок 1: Генетичні зв’язки сполук Купруму

Розглянемо схему з чотирьох послідовних перетворень:

$\mathrm{Cu \xrightarrow{(1)} CuCl_2 \xrightarrow{(2)} Cu \xrightarrow{(3)} CuCl_2 \xrightarrow{(4)} AgCl}$

Перетворення 1: $\mathrm{Cu \rightarrow CuCl_2}$

Хлор завжди записується у вигляді двоатомної молекули $\mathrm{Cl_2}$:

$\mathrm{Cu + Cl_2 = CuCl_2}$

Перетворення 2: $\mathrm{CuCl_2 \rightarrow Cu}$

Щоб із розчинної солі виділити чистий метал, звертаємося до ряду активності металів: більш активний метал витісняє менш активний із розчину його солі.

Обираємо метал, що стоїть у ряді лівіше від купруму (наприклад, залізо $\mathrm{Fe}$):

$\mathrm{CuCl_2 + Fe = Cu + FeCl_2}$

Перетворення 3: $\mathrm{Cu \rightarrow CuCl_2}$

Поширеною помилкою є спроба додати до міді хлоридну кислоту $\mathrm{HCl}$, мотивуючи це тим, що хлор зв’язаний із Гідрогеном.

⚠️ Важливе застереження щодо ряду активності
Метали, розміщені в ряді активності після водню ($\mathrm{H}$), не здатні витісняти Гідроген із розчинів кислот! Мідь $\mathrm{Cu}$ є малоактивним металом:
$\mathrm{Cu + HCl \neq}\quad (\text{реакція НЕ відбувається!})$

Єдиним правильним шляхом є пряма взаємодія міді з хлором:

$\mathrm{Cu + Cl_2 = CuCl_2}$

Перетворення 4: $\mathrm{CuCl_2 \rightarrow AgCl}$

У складі солі-продукту з’являється Аргентум ($\mathrm{Ag}$). Якщо додати простий метал срібло ($\mathrm{Ag}$), реакція не піде, оскільки в ряді активності аргентум розміщений праворуч від купруму і не може його витіснити: $\mathrm{CuCl_2 + Ag \neq}$.

💡 Аргентум не приходить у хімічну реакцію поодинці. Щоб провести реакцію обміну, Аргентум слід брати у складі розчинної складної сполуки — найкраще підходить аргентум(I) нітрат $\mathrm{AgNO_3}$.

Складаємо рівняння, враховуючи валентності Купруму ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Cu}}$) та кислотного залишку нітратної кислоти ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{NO_3}}$), і урівнюємо коефіцієнти:

$\mathrm{CuCl_2 + 2AgNO_3 = 2AgCl + Cu(NO_3)_2}$

Ланцюжок 2: Перетворення сполук Натрію

$\mathrm{Na \xrightarrow{(1)} Na_2O \xrightarrow{(2)} NaOH \xrightarrow{(3)} Na_2SO_4 \xrightarrow{(4)} BaSO_4}$

Перетворення 1: $\mathrm{Na \rightarrow Na_2O}$

Окиснення металу киснем:

$4\mathrm{Na} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{Na_2O}$

Перетворення 2: $\mathrm{Na_2O \rightarrow NaOH}$

💡 Основний оксид лужного металу плюс вода утворює розчинну основу (луг):
$\text{Основний оксид} + \text{Вода} = \text{Луг}$

$\mathrm{Na_2O + H_2O = 2NaOH}$

Перетворення 3: $\mathrm{NaOH \rightarrow Na_2SO_4}$

Типова помилка — спроба дописати окремий залишок «$\mathrm{SO_4}$». Кислотний залишок сам по собі не існує, він завжди пов’язаний з іншими частинками. Тому додаємо сульфатну кислоту $\mathrm{H_2SO_4}$.

Гідроксильні групи $\mathrm{OH}$ сполучаються з атомами Гідрогену $\mathrm{H}$, утворюючи воду $\mathrm{H_2O}$:

$2\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Na_2SO_4} + 2\mathrm{H_2O}$

Перетворення 4: $\mathrm{Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4}$

Для отримання осаду нерозчинного барій сульфату $\mathrm{BaSO_4}$ додаємо розчинну сіль барію, наприклад барій хлорид $\mathrm{BaCl_2}$.

⚠️ Застереження щодо індексів у формулах
Побачивши ліворуч $\mathrm{Na_2}$ і $\mathrm{Cl_2}$, не можна записувати помилкову формулу «$\mathrm{Na_2Cl_2}$»! Індекси встановлюються виключно за валентністю: оскільки $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$ та $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Cl}}$, формула речовини — $\mathrm{NaCl}$. А кількість атомів урівнюється коефіцієнтом $2$ перед усією формулою:

$\mathrm{Na_2SO_4 + BaCl_2 = BaSO_4 + 2NaCl}$

Ланцюжок 3: Шість послідовних стадій зі сполуками Купруму

$\mathrm{Cu \xrightarrow{(1)} CuO \xrightarrow{(2)} Cu \xrightarrow{(3)} CuO \xrightarrow{(4)} CuCl_2 \xrightarrow{(5)} Cu(OH)_2 \xrightarrow{(6)} CuO}$

Перетворення 1: $\mathrm{Cu \rightarrow CuO}$

Окиснення міді під час прожарювання на повітрі:

$2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} \overset{t}{=} 2\mathrm{CuO}$

Перетворення 2: $\mathrm{CuO \rightarrow Cu}$

💡 Оксиген має високу спорідненість до Гідрогену. Якщо нагріти оксид малоактивного металу в струмені водню $\mathrm{H_2}$, водень зв’язує Оксиген з утворенням води, а метал відновлюється у чистому вигляді:

$\mathrm{CuO + H_2} \overset{t}{=} \mathrm{Cu + H_2O}$

Перетворення 3: $\mathrm{Cu \rightarrow CuO}$

Повторення реакції окиснення міді киснем:

$2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} \overset{t}{=} 2\mathrm{CuO}$

Перетворення 4: $\mathrm{CuO \rightarrow CuCl_2}$

Для розчинення основного оксиду додаємо хлоридну кислоту:

$\mathrm{CuO + 2HCl = CuCl_2 + H_2O}$

Перетворення 5: $\mathrm{CuCl_2 \rightarrow Cu(OH)_2}$

Щоб одержати нерозчинну основу, до розчинної солі додаємо луг (наприклад, натрій гідроксид $\mathrm{NaOH}$):

$\mathrm{CuCl_2 + 2NaOH = Cu(OH)_2 + 2NaCl}$

Перетворення 6: $\mathrm{Cu(OH)_2 \rightarrow CuO}$

У цій стадії нічого додавати не потрібно — відбувається термічний розклад.

💡 Щоб із формули гідроксиду отримати оксид, речовину піддають нагріванню. Нерозчинні основи під час нагрівання легко розкладаються на оксид металу і воду:

$\mathrm{Cu(OH)_2} \overset{t}{=} \mathrm{CuO + H_2O}$

Ланцюжок 4: Перетворення Карбону і Кальцію

$\mathrm{C \xrightarrow{(1)} CO_2 \xrightarrow{(2)} H_2CO_3 \xrightarrow{(3)} CaCO_3 \xrightarrow{(4)} CaO}$

Перетворення 1: $\mathrm{C \rightarrow CO_2}$

Горіння вуглецю в кисні:

$\mathrm{C + O_2} \overset{t}{=} \mathrm{CO_2}$

Перетворення 2: $\mathrm{CO_2 \rightarrow H_2CO_3}$

Кислотний оксид сполучається з водою з утворенням кислоти:

$\mathrm{CO_2 + H_2O = H_2CO_3}$

Перетворення 3: $\mathrm{H_2CO_3 \rightarrow CaCO_3}$

Для зв’язування кислоти в нерозчинну сіль кальцій карбонат можна використати основний кальцій оксид $\mathrm{CaO}$:

$\mathrm{H_2CO_3 + CaO = CaCO_3 + H_2O}$

Перетворення 4: $\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO}$

Термічний розклад кальцій карбонату при сильному прожарюванні:

$\mathrm{CaCO_3} \overset{t}{=} \mathrm{CaO + CO_2}\uparrow$

Ланцюжок 5: Сполуки Феруму(III)

$\mathrm{Fe_2(SO_4)_3 \xrightarrow{(1)} Fe(OH)_3 \xrightarrow{(2)} Fe_2O_3 \xrightarrow{(3)} Fe_2(SO_4)_3}$

Перетворення 1: $\mathrm{Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow Fe(OH)_3}$

Для осадження розчинної солі Феруму($\mathrm{III}$) у формі нерозчинного гідроксиду додаємо розчин лугу $\mathrm{NaOH}$.

Зрівнюємо коефіцієнти поетапно:

• У вихідній солі два атоми Феруму $\rightarrow$ ставимо коефіцієнт $2$ перед $\mathrm{Fe(OH)_3}$.
• Тепер у гідроксиді $2 \cdot 3 = 6$ груп $\mathrm{OH}$ $\rightarrow$ ставимо коефіцієнт $6$ перед $\mathrm{NaOH}$.
• Шість атомів Натрію ліворуч вимагають коефіцієнта $3$ перед $\mathrm{Na_2SO_4}$ ($3 \cdot 2 = 6$).
• Кількість сульфатних залишків $\mathrm{SO_4}$ автоматично зрівнялася (по $3$ з кожного боку):

$\mathrm{Fe_2(SO_4)_3 + 6NaOH = 2Fe(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4}$

Перетворення 2: $\mathrm{Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3}$

Термічний розклад нерозчинної основи при нагріванні:

$2\mathrm{Fe(OH)_3} \overset{t}{=} \mathrm{Fe_2O_3 + 3H_2O}$

Перетворення 3: $\mathrm{Fe_2O_3 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3}$

Щоб із твердого основного оксиду отримати ферум(III) сульфат, проводимо взаємодію з кислотним сульфур(VI) оксидом $\mathrm{SO_3}$ (реакція сполучення без побічних продуктів):

$\mathrm{Fe_2O_3 + 3SO_3 = Fe_2(SO_4)_3}$

Перевіримо кількість атомів Оксигену: ліворуч $3 + (3 \cdot 3) = 12$; праворуч у складі солі $4 \cdot 3 = 12$. Рівняння повністю зрівняне.

Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)

Здійсніть ланцюжки перетворень і розставте коефіцієнти:

Завдання 1.
$\mathrm{K \xrightarrow{1} K_2O \xrightarrow{2} KOH \xrightarrow{3} KCl \xrightarrow{4} AgCl}$

1. $4\mathrm{K} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{K_2O}$ (зразок)
2. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
3. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
4. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$

Завдання 2.
$\mathrm{S \xrightarrow{1} SO_2 \xrightarrow{2} SO_3 \xrightarrow{3} H_2SO_4 \xrightarrow{4} FeSO_4}$

1. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
2. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
3. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
4. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$

Завдання 3.
$\mathrm{Zn \xrightarrow{1} ZnO \xrightarrow{2} ZnCl_2 \xrightarrow{3} Zn(OH)_2 \xrightarrow{4} ZnO \xrightarrow{5} Zn}$

1. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
2. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
3. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
4. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$
5. $\_\_\_\_ + \_\_\_\_ = \_\_\_\_$

• ← Назад до змісту довідника