1. Тренування за всіма класами хімічних сполук. Частина 1
Усі основні класи неорганічних сполук (оксиди, кислоти, основи та солі) мають чіткі взаємозв’язки. Головний ключ до вільного володіння хімічною мовою — це практичне тренування: уміння безпомилково прогнозувати продукти взаємодії за вихідними речовинами, складати формули за валентностями та розставляти стехіометричні коефіцієнти.
Взаємодія простих речовин-металів з киснем
Під час згоряння або окиснення металів у кисні завжди утворюється бінарна сполука — оксид.
Приклад 1. Взаємодія алюмінію з киснем
Записуємо вихідні речовини (реагенти): Al+O2=
Щоб визначити формулу продукту (оксиду), спочатку записуємо елементи поруч: AlO.
⚠️ Поширена помилка: не можна механічно переносити індекс 2 від кисню і записувати AlO2! Формули продуктів реакції завжди складаються виключно за валентностями.
Визначаємо валентності: Оксиген у типових оксидах завжди двовалентний (OII). Алюміній — елемент головної підгрупи III групи зі сталою валентністю AlIII (у таблиці розчинності заряд Al3+).
Складаємо формулу за правилом діагоналі («хрест-навхрест»): двійка від Оксигену переходить індексом до Алюмінію, а трійка від Алюмінію — до Оксигену: AlIII2OII3
💡 Праворуч у формулі Al2O3 міститься 3 атоми Оксигену (непарне число), а ліворуч у молекулі O2 — 2 (парне число). Щоб зрівняти їх, непарне число подвоюємо: ставимо коефіцієнт 2 перед Al2O3.
Оксигену стає: 2⋅3=6 (тому перед O2 ставимо 3, адже 3⋅2=6).
Алюмінію стає: 2⋅2=4 (тому перед вихідним Al ставимо коефіцієнт 4).
4Al+3O2=2Al2O3
Приклад 2. Взаємодія кальцію з киснем
Записуємо реагенти: Ca+O2=
Складаємо формулу продукту: записуємо елементи поруч — CaO.
Валентності: у Кальцію CaII, в Оксигену OII.
Якщо значення валентностей обох елементів збігаються, індекси не потрібні, формула речовини — CaO.
Урівнювання: зліва два атоми Оксигену в молекулі O2, отже, перед CaO ставимо коефіцієнт 2. Для балансу Кальцію ставимо коефіцієнт 2 перед металом: 2Ca+O2=2CaO
Приклад 3. Взаємодія феруму(III) з киснем
Записуємо реагенти: Fe+O2=
Ферум має змінну валентність, тому в назвах сполук її обов’язково конкретизують: FeIII.
Складаємо формулу за діагональним правилом для FeIII та OII: отримуємо ферум(III) оксид Fe2O3.
Зрівнюємо Оксиген переходом до парного числа, після чого врівноважуємо атоми Феруму: 4Fe+3O2=2Fe2O3
Приклад 4. Взаємодія натрію з киснем
Записуємо реагенти: Na+O2=
Натрій — лужний метал I групи з постійною валентністю NaI. В Оксигену валентність OII.
За правилом діагоналі двійка від Оксигену записується індексом біля Натрію, індекс 1 не пишуть: формула оксиду — Na2O.
Перед Na2O ставимо коефіцієнт 2 для вирівнювання Оксигену. Натрію утворюється 2⋅2=4 атоми, тому перед Na записуємо коефіцієнт 4: 4Na+O2=2Na2O
Реакції заміщення та обміну з оксидами, металами й кислотами
💡 Серед хімічних сполук зв’язок між Гідрогеном та Оксигеном є енергетично надзвичайно міцним. Якщо у вихідних реагентах одночасно є Гідроген (H) та Оксиген (O), одним із продуктів реакції майже завжди є вода (H2O).
Приклад 5. Відновлення купруму з оксиду воднем
У реакції між купрум(II) оксидом і воднем Гідроген зв’язує Оксиген з утворенням води H2O, а метал виділяється у вільному вигляді: CuO+H2=Cu+H2O
Кількість атомів кожного хімічного елемента зліва і справа однакова, додаткові коефіцієнти не потрібні.
Приклад 6. Взаємодія магнію із сульфатною кислотою
Активний метал витісняє Гідроген із розчину кислоти.
🍫 Проста речовина водень у вільному стані завжди існує у формі двохатомної молекули (як дві палички шоколадки Twix): H2↑.
Валентність кислотного залишку SO4 визначаємо за кількістю атомів Гідрогену в складі молекули H2SO4 — вона дорівнює II. Магній як елемент II групи також має сталу валентність II. Оскільки валентності металу і кислотного залишку однакові, формула солі — MgSO4: Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑
Приклад 7. Взаємодія неактивних металів із кислотами
Розглянемо можливість взаємодії міді з карбонатною або хлоридною кислотою: Cu+H2CO3=
Мідь (Cu) у ряду активності металів розташована після Гідрогену. Метали, розміщені праворуч від Гідрогену, не здатні витісняти його з розчинів кислот-неокисників. Реакція не відбувається.
Приклад 8. Взаємодія купрум(II) оксиду з карбонатною кислотою
💡 Прийом «Правило овальчиків»
Подумки ділимо складові частини молекул на блоки: оксид CuO — катіон металу Cu та Оксиген O; кислота H2CO3 містить H та кислотний залишок CO3.
Гідроген сполучається з Оксигеном у воду H2O, а залишки Cu та CO3 утворюють сіль.
Реакції нейтралізації, витіснення металів та розклад нестійких кислот
Приклад 9. Реакція нейтралізації
Записуємо реагенти: NaOH+HCl=
Взаємодія лугу з кислотою завжди веде до утворення солі та води: NaOH+HCl=NaCl+H2O
Гідроксильна група OH− та іон Гідрогену H+ сполучаються в молекулу слабкого електроліту H2O, а йони Na+ і Cl− утворюють сіль натрій хлорид.
Приклад 10. Витіснення менш активного металу більш активним із солі
Записуємо реагенти: Fe+CuCl2=
Більш активний метал здатен заміщувати менш активний у розчині його солі: Fe+CuCl2=FeCl2+Cu
Залізо (Fe) у ряду активності розміщене лівіше від міді (Cu), тому Ферум займає місце Купруму з утворенням солі ферум(II) хлориду та осаду металічної міді.
Приклад 11. Взаємодія основного оксиду з кислотою
Записуємо реагенти: Na2O+H2SO4=
Оксиген та Гідроген утворюють молекулу H2O. Сіль складається з катіонів Натрію (NaI) та двовалентного сульфатного залишку (SO4II), утворюючи натрій сульфат Na2SO4: Na2O+H2SO4=Na2SO4+H2O
Приклад 12. Дія кислоти на карбонат і розклад карбонатної кислоти
Записуємо реагенти: CaCO3+HCl=
Взаємодія кальцій карбонату з хлоридною кислотою відбувається за схемою реакції обміну: Кальцій (CaII) та Хлор (ClI) утворюють розчинну сіль CaCl2. Гідроген сполучається з карбонат-аніоном у кислоту H2CO3.
🥤 Карбонатна кислота H2CO3 термодинамічно нестабільна. Подібно до відкриття пляшки з газованою водою, вона миттєво розкладається з бурхливим виділенням газу: H2CO3=CO2↑+H2O. Тому в продуктах хімічних рівнянь замість H2CO3 завжди записують CO2↑+H2O.
Щоб зрівняти кількість атомів Хлору та Гідрогену, перед HCl ставимо коефіцієнт 2: CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O
Складання складних формул, активні метали з водою та реакції обміну
Приклад 13. Складання формули солі з дужками
Записуємо реагенти: Al2O3+HNO3=
Алюміній оксид реагує з розчином нітратної кислоти з утворенням солі та води.
Для запису формули солі беремо Алюміній (AlIII) та залишок нітратної кислоти HNO3 — нітрат-групу (NO3I).
Спочатку записуємо елементи поруч: AlNO3.
⚠️ Індекси реагентів не переносяться автоматично
Наявність індексу 2 біля Алюмінію в оксиді Al2O3 не дає підстав записувати формулу солі як Al2NO3. Склад нової речовини визначається виключно валентностями елементів у ній. Складна група береться в дужки: Al(NO3)3.
Алгоритм розстановки коефіцієнтів:
Зліва 2 атоми Al, отже, ставимо коефіцієнт 2 перед сіллю: 2Al(NO3)3.
Загальна кількість груп NO3 праворуч: 3⋅2=6. Записуємо коефіцієнт 6 перед кислотою: 6HNO3.
Шести атомам Гідрогену зліва відповідають 3 молекули води справа: ставимо коефіцієнт 3 перед H2O.
Al2O3+6HNO3=2Al(NO3)3+3H2O
Приклад 14. Реакція активних металів з водою
Записуємо реагенти: Na+H2O=
Лужні та окремі лужноземельні метали (Ca, Sr, Ba) енергійно взаємодіють з водою без нагрівання, утворюючи розчинні гідроксиди (луги) та вільний водень: 2Na+2H2O=2NaOH+H2↑
Для реакцій одновалентних лужних металів з водою характерний стехіометричний набір «три двійки»: 2,2,2.
Приклад 15. Реакція обміну між двома солями
Записуємо реагенти: NaCl+AgNO3=
🎯 Реакція обміну між двома розчинними солями є необоротною лише в тому випадку, коли серед продуктів є осад, газ або вода. За таблицею розчинності знаходимо координату перетину катіона Ag+ та хлорид-аніона Cl−: маркер «н» вказує на випадання нерозчинного білого сирнистого осаду AgCl↓.
NaCl+AgNO3=AgCl↓+NaNO3
Приклад 16. Взаємодія кальцій оксиду із сульфатною кислотою
Записуємо реагенти: CaO+H2SO4=
Кальцій має валентність II, сульфатний залишок SO4 — II. Утворюються кальцій сульфат і вода: CaO+H2SO4=CaSO4+H2O
Рівняння збалансоване без додаткових коефіцієнтів.
Термічний розклад сполук та солі ортофосфатної кислоти
Приклад 17. Термічний розклад нерозчинного карбонату
Записуємо вихідну речовину: CaCO3=t
При нагріванні нерозчинні солі карбонатної кислоти зазнають термічної деструкції з виділенням кислотного оксиду CO2 та відповідного оксиду металу: CaCO3=tCaO+CO2↑
Приклад 18. Взаємодія магнію з ортофосфатною кислотою
Записуємо реагенти: Mg+H3PO4=
Магній витісняє Гідроген у вигляді газу H2↑. Кислотний залишок триосновної кислоти H3PO4 має валентність PO4III, тоді як Магній двовалентний (MgII).
За правилом діагоналі отримуємо магній ортофосфат: Mg3(PO4)2.
Урівнювання: перед Mg ставимо коефіцієнт 3, перед кислотою H3PO4 — коефіцієнт 2. Кількість атомів Гідрогену зліва становить 2⋅3=6, отже, перед виділеним газом H2 ставимо коефіцієнт 3: 3Mg+2H3PO4=Mg3(PO4)2+3H2↑
Приклад 19. Термічний розклад нерозчинних основ
Записуємо вихідну речовину: Al(OH)3=t
Під час прокалювання нерозчинні у воді гідроксиди металів розкладаються на оксид відповідного металу зі збереженням його валентності та водяну пару: 2Al(OH)3=tAl2O3+3H2O
Приклад 20. Взаємодія основного оксиду активного металу з водою
Записуємо реагенти: Na2O+H2O=
Оксиди лужних і лужноземельних металів з’єднуються з водою, утворюючи розчинні основи (луги). Оксиду натрію Na2O відповідає гідроксид NaOH: Na2O+H2O=2NaOH
Взаємодія кислотних оксидів
Під час складання рівнянь реакцій кислотних оксидів враховують генетичну відповідність між оксидом і кислотою:
Оксиду сульфуру(IV) SO2 відповідає сульфітна кислота H2SO3 (кислотний залишок SO3II).
Оксиду фосфору(V) P2O5 відповідає ортофосфатна кислота H3PO4 (кислотний залишок PO4III).
Приклад 21. Кислотний оксид із лугом
Записуємо реагенти: SO2+KOH=
Кислотний оксид SO2 взаємодіє з калій гідроксидом із формуванням солі відповідної кислоти (калій сульфіту) та води: SO2+2KOH=K2SO3+H2O
Приклад 22. Кислотний оксид з основним оксидом
Записуємо реагенти: P2O5+CaO=
Реакція між оксидом фосфору(V) P2O5 та кальцій оксидом CaO є реакцією сполучення. Вода в системі не виділяється через відсутність Гідрогену серед реагентів: P2O5+3CaO=Ca3(PO4)2
Кальцій має валентність II, фосфатна група — III, формула солі — Ca3(PO4)2. Перед CaO ставимо коефіцієнт 3. Кількість атомів Оксигену: 5+3=8 зліва і 4⋅2=8 справа.
Приклад 23. Кислотний оксид з основою
Записуємо реагенти: P2O5+Ca(OH)2= P2O5+3Ca(OH)2=Ca3(PO4)2+3H2O
Утворюється кальцій ортофосфат, але наявність гідроксильних груп реагенту зумовлює утворення води як другого продукту.
Порівняння однотипних хімічних взаємодій
Порівняння реакцій нейтралізації розчину кислоти лугом та її взаємодії з основним оксидом того самого металу демонструє єдність їхніх кінцевих продуктів за відмінності коефіцієнтів: H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O H2SO4+Na2O=Na2SO4+H2O
В обох взаємодіях утворюються сіль натрій сульфат і вода, проте кількісне співвідношення реагентів і стехіометрія визначаються будовою вихідних речовин.
Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)
Завдання 1. Заповніть пропуски відповідними формулами та розставте коефіцієнти:
K2O+__=KOH
Na2O+__=Na2SiO3
H2SO3=__+H2O
Zn(OH)2=ZnO+__
Mg+__=MgCl2+Zn
Li+H2O=__+H2
CO2+__=H2CO3
Cr2O3+__=Cr+H2O
Na+__=NaOH+H2
P2O5+__=K3PO4+H2O
🔍 Показати розв'язок та відповіді до Завдання 1
K2O+H2O=2KOH
Na2O+SiO2=Na2SiO3
H2SO3=SO2↑+H2O
Zn(OH)2=tZnO+H2O
Mg+ZnCl2=MgCl2+Zn
2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
CO2+H2O=H2CO3
Cr2O3+3H2=t2Cr+3H2O
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑
P2O5+6KOH=2K3PO4+3H2O
Завдання 2. Складіть рівняння реакцій, визначте продукти та розставте коефіцієнти: