Закон сохранения массы. Уравнения реакций

Что происходит с веществами во время реакции на уровне атомов? Молекулы исходных веществ разрушаются, а из тех же самых атомов строятся молекулы новых веществ. Атомы при этом не исчезают и не появляются из ничего. Из этой простой мысли вытекает один из главных законов химии.

Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Если 4,8 г магния сгорают в 3,2 г кислорода, получается ровно 8 г оксида магния. Масса сохраняется потому, что каждый атом магния и кислорода, который был в начале реакции, остаётся и в её продукте.

Закон помогает решать задачи без уравнения реакции. При прокаливании 10 г карбоната кальция образуются оксид кальция и 4,4 г углекислого газа. Масса оксида кальция равна \(10 - 4{,}4 = 5{,}6\) г.

Уравнение химической реакции

Реакцию можно записать формулами. Уравнение химической реакции — это условная запись реакции с помощью химических формул и коэффициентов. В каждой реакции есть реагенты и продукты. Реагенты — это исходные вещества, их формулы записывают слева; продукты — вещества, которые образуются в реакции, их формулы записывают справа. Между частями ставят стрелку или знак равенства:

\[ \ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]

Уравнение читают так: «четыре а-эль плюс три о-два равно два а-эль-два-о-три». Над стрелкой указывают условия: \(t^\circ\) — нагревание, «кат.» — катализатор. Стрелка вверх после формулы означает выделение газа, стрелка вниз — выпадение осадка.

Коэффициенты в уравнении

По закону сохранения массы число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым. Добиваются этого подбором коэффициентов в уравнении — чисел перед формулами. Индексы в формулах при этом менять нельзя: написав \(\ce{H2O2}\) вместо \(\ce{H2O}\), мы получим другое вещество.

Разберём порядок действий на примере горения алюминия. Сначала записываем правильные формулы реагентов и продуктов: \(\ce{Al + O2} \rightarrow \ce{Al2O3}\). Считаем атомы кислорода: слева два, справа три. Наименьшее общее кратное чисел 2 и 3 равно 6, поэтому перед \(\ce{O2}\) ставим 3, а перед \(\ce{Al2O3}\) ставим 2. Теперь справа четыре атома алюминия, значит, и слева нужно 4. Получаем \(\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}\).

Удобный порядок уравнивания такой: сначала металлы, затем неметаллы, кроме водорода и кислорода, затем водород и в последнюю очередь кислород. Если кислород сошёлся, уравнение почти наверняка верно. Ещё несколько уравненных реакций:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O}, \qquad \ce{4P + 5O2 -> 2P2O5}, \qquad \ce{2KClO3 ->[t^\circ] 2KCl + 3O2 ^} \]

\[ \ce{Fe2O3 + 3H2 ->[t^\circ] 2Fe + 3H2O}, \qquad \ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2 ^} \]

Сумма коэффициентов

В заданиях часто спрашивают сумму коэффициентов в уравнении. Её находят, сложив все коэффициенты обеих частей уравнения, причём коэффициент 1, который не пишут, тоже учитывают. В уравнении \(\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}\) сумма коэффициентов равна \(4 + 3 + 2 = 9\), а в уравнении \(\ce{NaOH + HCl -> NaCl + H2O}\) она равна 4.