# Химические уравнения

Химия · 8 класс · Вещества и химические реакции
Источник: https://razlozheno.ru/subject/himiya/8/himicheskie-uravneniya

Разберёмся, почему при реакциях масса не пропадает и не берётся из воздуха, как записывать реакции химическими уравнениями и как расставлять коэффициенты, чтобы атомов слева и справа было поровну.

## Чему научишься

- Сформулировать закон сохранения массы веществ и объяснить, чем опыт Ломоносова отличается от опыта Бойля
- Прочитать химическое уравнение: назвать значение знаков $+$, $\rightarrow$, $t$ и коэффициентов
- Расставить коэффициенты в схеме реакции, например $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$, и проверить себя подсчётом атомов

## С чего начать

Железную стружку прокалили — и она стала тяжелее. Откуда взялась лишняя масса, если из ничего вещество не появляется? И как записать это одной строчкой, чтобы всё сходилось до последнего атома?

## 1. Куда девается масса: закон сохранения

*Два опыта с железом и один вывод*

Начнём с загадки. Роберт Бойль брал железную стружку, запаивал её в реторту (стеклянный сосуд) и прокаливал. Потом **вскрывал** сосуд и взвешивал снова. Масса выросла. Выходит, вещество берётся из ничего?

Нет. Смотри, что упустили. Пока сосуд был закрыт, всё было в порядке. Когда Бойль его вскрыл, внутрь ворвался воздух. Металл соединился с частью воздуха, и прибавка в весе пришла оттуда.

*Рисунок: Портрет мужчины с длинными вьющимися волосами в старинной одежде*

Через много лет М.В. Ломоносов (1756 г.) повторил опыт по-другому. Он взвесил запаянную реторту с металлом **до** прокаливания и **после** него, и **не вскрывал** её. Масса осталась прежней. Ничего не вошло и ничего не вышло, значит, и весы не сдвинулись.

*Рисунок: Двое чашечных весов с колбами и гирями, между ними нагреваемая колба*

**Закон сохранения массы веществ**

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе образующихся веществ (закон сохранения массы веществ). В 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал гипотезу о сохранении вещества при превращениях, а в 1756 г. проверил её опытом с запаянной ретортой. Позднее А.Л. Лавуазье подтвердил и развил количественное понимание этого закона; его работа относится к 1789 г.

**Как это представить и запомнить**

**Аналогия.** Возьми закрытую коробку с конструктором. Можно разобрать одну фигуру и собрать из тех же деталей другую, но вес коробки не изменится, потому что деталей не прибавилось и не убавилось. В реакции так же: атомы перестраиваются, а новых не появляется. Оговорка: аналогия верна, пока коробка закрыта. Открытая коробка может что-то потерять или что-то получить, как реторта Бойля.

**Как запомнить (правило самопроверки).** Масса «изменилась»? Ищи, что вошло в сосуд или вышло из него. У запаянного сосуда масса не меняется.

**Проверь себя:** Почему у Бойля масса выросла, а у Ломоносова осталась прежней?
**Ответ:** Бойль вскрывал реторту перед повторным взвешиванием, и внутрь попадал воздух. Ломоносов взвешивал запаянную реторту, не вскрывая, поэтому ничего не вошло и не вышло.

**Почему масса сохраняется**

Подробности о строении атомов будут в других темах, но идея простая. В реакции меняется только то, как атомы соединены между собой. Сами атомы остаются на месте, поэтому их общая масса до реакции равна общей массе после.

### Проверь себя

**Какой французский химик выпустил «Начальный учебник химии», сформулировав принцип о том, что количество вещества одинаково до и после операции?**
- А. Л. Лавуазье — верно
- М. В. Ломоносов
- Р. Бойль
- Д. И. Менделеев
> Ученый изложил принцип сохранения массы и количества начал до и после химической операции в своем учебнике.

**В каком году М. В. Ломоносов впервые сформулировал свою гипотезу о сохранении материи при химических превращениях?**
- 1756 г.
- 1791 г.
- 1748 г. — верно
- 1627 г.
> Летом 1748 года ученый выдвинул гипотезу о том, что сколько материи убудет в одном месте, столько же присовокупится в другом.

**В каком городе была построена первая в России химическая лаборатория, где М. В. Ломоносов провел свои опыты?**
- Лондон
- Санкт-Петербург — верно
- Париж
- Москва
> Именно в Санкт-Петербурге в 1756 году была построена лаборатория, позволившая выполнить прокаливание металлов в закрытых сосудах.

**Почему в опытах Роберта Бойля масса реторты с веществом после нагревания оказывается больше исходной?**
- Бойль вскрывал реторту перед повторным взвешиванием, давая воздуху проникнуть внутрь — верно
- Бойль не запаивал реторту до начала нагревания
- Бойль использовал неточные математические коэффициенты для расчета массы
- Бойль взвешивал сосуд в присутствии посторонних газов, растворяющих стекло
> Из-за вскрытия запаянного сосуда внутрь входил окружающий воздух, увеличивая итоговую массу образовавшегося вещества.

**Какое ключевое изменение внес М. В. Ломоносов в методику проведения опыта Р. Бойля?**
- Взвешивал запаянную реторту до и после нагревания, не вскрывая её — верно
- Использовал жидкое топливо вместо спирта
- Заменил железную стружку на медную пластинку
- Проводил нагревание в открытой чаше на воздухе
> Сохранение герметичности сосуда во время повторного взвешивания доказало, что общая масса веществ не изменяется.

**Как формулируется закон сохранения массы веществ?**
- Масса газообразных реагентов всегда больше массы твердых продуктов
- Масса продуктов реакции всегда превышает массу исходных веществ из-за нагревания
- Масса веществ уменьшается пропорционально выделенному в реакции теплу
- Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе образующихся веществ — верно
> Это фундаментальное утверждение фиксирует равенство масс исходных реагентов и продуктов реакции.

**Какая химическая реакция протекала в опытах Р. Бойля и М. В. Ломоносова по прокаливанию металлов?**
- Реакция горения парафиновой свечи
- Реакция между медью и углекислым газом
- Реакция между железом и кислородом с образованием железной окалины — верно
- Реакция разложения воды на кислород и водород
> Железная стружка реагировала с кислородом внутри реторты, превращаясь в сложный оксид.

**Почему при горение свечи создается впечатление нарушения закона сохранения массы?**
- При горении свечи происходят ядерные реакции распада
- Продукты горения являются газами и улетучиваются в воздух — верно
- Масса свечи полностью превращается в световое излучение без остатка
- Кислород воздуха уничтожает атомы углерода
> Газообразные продукты уходят в окружающую среду, из-за чего масса оставшейся части свечи уменьшается.

**Почему масса ржавчины оказывается больше массы исходного железа при ржавлении на открытом воздухе?**
- В ходе реакции увеличивается объём самих атомов железа
- При ржавлении выделяются тяжелые металлы из атмосферы
- Железо поглощает солнечный свет, превращая его в массу
- К железу связывается кислород из окружающего воздуха — верно
> Присоединение кислорода из воздуха увеличивает общую массу образовавшейся ржавчины.

**Какую руководящую должность в Лондонском королевском обществе исполнял Роберт Бойль?**
- Главный хранитель лаборатории
- Казначей Общества наук
- Президент — верно
- Ученый секретарь
> В биографической справке к параграфу указано, что Бойль исполнял обязанности президента Лондонского королевского общества.

**Какая формулировка закона сохранении материи принадлежит М. В. Ломоносову (1748 г.)?**
- «...качество и количество начал остаются теми же самыми, происходят только превращения»
- «...во всякой химической операции масса реагентов уменьшается на величину выделенного тепла»
- «...сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится к другому» — верно
- «...атомы металлов при сильном нагревании способны превращаться в газы»
> Именно эти слова цитируются в тексте как фрагмент выдвинутой Ломоносовым гипотезы.

**На сколько лет раньше выхода учебника А. Л. Лавуазье была экспериментально подтверждена гипотеза о сохранении массы?**
- Спустя 10 лет
- Спустя 50 лет
- Спустя 33 года — верно
- Спустя 100 лет
> В тексте написано: «Спустя 33 года после подтверждения гипотезы о сохранении массы веществ... вышел учебник».

**Относительно какого явления М. В. Ломоносов сделал запись в дневнике, что «славного Роберта Бойля мнение ложно»?**
- Относительно увеличения массы реторты при прокаливании металлов — верно
- Относительно формы используемых химических сосудов
- Относительно существования атомов железа
- Относительно растворения меди в кислотах
> Ломоносов доставил доказательства того, что при нагревании герметично запаянного сосуда его масса не возрастает.

**В каких годах жил английский физик и химик Роберт Бойль, согласно биографической справке?**
- 1627–1691 гг. — верно
- 1748–1756 гг.
- 1711–1765 гг.
- 1800–1850 гг.
> В подписи под портретом и в тексте указаны годы жизни Р. Бойля: 1627–1691.

## 2. Что такое химическое уравнение и его знаки

*Как записать реакцию словами химии*

Писать «железо при нагревании соединяется с кислородом и получается железная окалина» каждый раз долго. Химики договорились о коротком языке из формул и нескольких значков. Это и есть химическое уравнение.

**Химические уравнения**

Химические уравнения (или уравнения химических реакций) — это описание химических реакций с помощью химических формул веществ и специальных знаков.

**Значки химического уравнения**

| Знак | Что заменяет | Как читать в записи железа с кислородом |
| --- | --- | --- |
| $+$ | союз «и» между веществами | железо «и» кислород |
| $\rightarrow$ | слова «превращаются в» | превращаются в |
| $t$ над стрелкой или знаком равенства | слова «при нагревании» | при нагревании |
| коэффициенты (числа перед формулами) | уравнивают число атомов каждого элемента до и после реакции | сколько «штук» каждой формулы нужно |

Запись сначала выглядит как **схема** со стрелкой, а числа перед формулами ещё не расставлены:

$\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \xrightarrow{t} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$

Читается так: железо и кислород при нагревании превращаются в $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$. Такая схема пока нарушает закон из первой части: кислорода слева два атома, а справа четыре. Коэффициенты как раз и нужны, чтобы это исправить.

Эту идею можно увидеть и в практическом задании с медной проволокой. При прокаливании медь изменяет вид и покрывается новым веществом — наблюдается химическое явление. Значит, можно описать превращение химической формулой и составить уравнение реакции: медь соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид меди(II): $2\mathrm{Cu} + \mathrm{O}_2 \overset{t}{=} 2\mathrm{CuO}$. При записи уравнения число атомов меди и кислорода должно совпадать слева и справа.

**Как это представить и запомнить**

**Аналогия.** Уравнение похоже на кулинарный рецепт: «взять то-то и то-то, нагреть, получить это». Коэффициент — сколько порций каждого продукта нужно взять.

**Как запомнить (правило самопроверки).** Читай слева направо: $+$ — «и», $\rightarrow$ — «превращаются в», $t$ — «при нагревании». Если такое предложение не складывается, значит, знак стоит не там.

**Проверь себя:** Как прочитать запись $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \xrightarrow{t} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$?
**Ответ:** Железо и кислород при нагревании превращаются в $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$.

### Проверь себя

**Чем химическое уравнение отличается от схемы химической реакции?**
- В химическом уравнении названия веществ записываются только словами
- В химическом уравнении указывается только масса исходных веществ
- В схеме реакции всегда ставятся коэффициенты, а в уравнении — индексы
- В химическом уравнении расставлены коэффициенты и используется знак равенства — верно
> Уравнение отражает закон сохранения массы с помощью расставленных коэффициентов и знака «=».

**В лабораторном опыте «Мои химические исследования» предлагается прокалить медную проволоку в пламени. К какому явлению относится наблюдаемое изменение?**
- К механическому явлению
- К физическому явлению
- К химическому явлению — верно
- К биологическому явлению
> При прокаливании меди образуется новое вещество (оксид меди), что указывает на химическую реакцию.

**Каким знаком при составлении химической схемы заменяются слова «превращаются в»?**
- Знаком плюс $+$
- Двоеточием $:$
- Знаком равенства $=$
- Стрелкой $\rightarrow$ — верно
> Слова «превращаются в» заменяют стрелкой, указывающей направление реакции.

**Что в текстовом описании реакции заменяется знаком «+» при переходе к химической схеме?**
- Названия образующихся газов
- Слова «превращаются в»
- Союз «и» — верно
- Слова «при нагревании»
> В источнике указано правило замены: союз «и» между реагентами замещается знаком «+».

**Что показывает химическая формула вещества, согласно вводным вопросам урока?**
- Точную температуру плавления вещества
- Общий объем вещества в закрытом сосуде
- Качественный и количественный состав вещества — верно
- Скорость взаимодействия данного вещества с кислородом
> Химическая формула отражает, какие атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав вещества.

## 3. Расставляем коэффициенты

*Схема и уравнение — в чём разница*

Коэффициенты нужны потому, что закон сохранения массы работает на уровне атомов. Сколько атомов каждого элемента вошло, столько и должно выйти. Поэтому схему превращают в уравнение и меняют знак «стрелка» на «равно».

**Схема и готовое уравнение**

Схема: $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \xrightarrow{t} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$

Уравнение: $3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$

Здесь $3$ и $2$ — коэффициенты, числа перед формулами. Они уравнивают число атомов каждого элемента до и после реакции.

**Как это представить и запомнить**

**Аналогия.** Представь, что из деталей конструктора собирают одну готовую фигурку: три железных кубика и четыре кислородных. Кислородные кубики продаются только парами (это $\mathrm{O}_2$), значит, нужно две пары. Железных нужно три. Всё, что вошло в сборку, должно оказаться в фигурке. Оговорка: реальные атомы не кубики, но счёт у них тот же.

**Как запомнить (правило самопроверки).** Коэффициент умножает **всю** формулу целиком. Индекс внутри формулы не трогают: он показывает состав вещества. Всегда пересчитай атомы слева и справа.

*Рисунок: Детали конструктора двух цветов слева и одна собранная из них фигурка справа*

**Пример: Уравниваем $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$**

1. Считаем атомы. Слева: $\mathrm{Fe}$ — 1, $\mathrm{O}$ — 2. Справа: $\mathrm{Fe}$ — 3, $\mathrm{O}$ — 4. Не сходится.
2. Начнём с кислорода: справа 4 атома, слева 2. Чтобы слева стало 4, ставим коэффициент $2$ перед $\mathrm{O}_2$: $2\mathrm{O}_2$ даёт 4 атома кислорода.
3. Теперь железо: справа 3 атома, слева 1. Ставим коэффициент $3$ перед $\mathrm{Fe}$: $3\mathrm{Fe}$.
4. Пишем результат: $3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$. Если коэффициента нет, подразумевается $1$.
5. Проверка. Слева: $\mathrm{Fe}$ — 3, $\mathrm{O}$ — 4. Справа: $\mathrm{Fe}$ — 3, $\mathrm{O}$ — 4. Всё сошлось, значит, масса до реакции равна массе после.

**Неправильно:** Чтобы уравнять кислород, дописать индекс: $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_2$ или поменять $\mathrm{O}_2$ на $\mathrm{O}_4$.
**Правильно:** Индексы менять нельзя: это уже другое вещество. Меняют только коэффициенты перед формулами: $3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$.

**Схема и уравнение реакции**

| Признак | Схема реакции | Уравнение реакции |
| --- | --- | --- |
| Знак между частями | стрелка $\rightarrow$ | знак равенства $=$ |
| Коэффициенты | не расставлены | расставлены |
| Атомов слева и справа | не поровну | поровну |
| Закон сохранения массы | не выполнен | выполнен |

**Проверь себя:** Сколько атомов кислорода слева в записи $3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$ и сколько справа?
**Ответ:** Слева $2 \text{ молекулы} \times 2 \text{ атома} = 4$ атома. Справа в $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$ тоже 4 атома.

### Проверь себя

**Какая химическая формула соответствует железной окалине, образующейся в описываемой реакции?**
- $\mathrm{FeO}$
- $\mathrm{CuO}$
- $\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$
- $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$ — верно
> Именно формула $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$ используется в тексте урока для обозначения железной окалины.

**Что обозначает строчная латинская буква $t$ над стрелкой в схеме химической реакции?**
- Точное время протекания реакции в минутах
- Текущий объём выделяемого газа
- Тип химической связи в продукте
- Условие нагревания — верно
> Буква $t$ над стрелкой превращения заменяет собой фразы «при нагревании» или «под действием температуры».

**Какое нарушение закона сохранения массы наблюдается в неуравненной схеме $\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \xrightarrow{t} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$?**
- В левой части схемы находятся металлы, а в правой — газы
- Количество кислорода до реакции превышает количество железа
- В схеме отсутствует знак плюс между продуктами реакции
- До реакции один атом железа и два атома кислорода, а после — три атома железа и четыре атома кислорода — верно
> Схема показывает разное число атомов каждого элемента до и после превращения, что противоречит закону сохранения массы.

**Какие коэффициенты следует поставить для расстановки равенства в уравнении: $\mathbf{?}\mathrm{Fe} + \mathbf{?}\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$?**
- 3 перед $\mathrm{Fe}$ и 2 перед $\mathrm{O}_2$ — верно
- 1 перед $\mathrm{Fe}$ и 2 перед $\mathrm{O}_2$
- 3 перед $\mathrm{Fe}$ и 4 перед $\mathrm{O}_2$
- 2 перед $\mathrm{Fe}$ и 3 перед $\mathrm{O}_2$
> Коэффициенты 3 и 2 дают ровно 3 атома железа и $2 \times 2 = 4$ атома кислорода с обеих сторон.

**Что показывает коэффициент, проставляемый перед химической формулой в уравнении?**
- Температуру, при которой протекает химическая реакция
- Число атомов данного элемента внутри одной молекулы
- Порядковый номер элемента в Периодической системе
- Число молекул или отдельных атомов данного вещества — верно
> Коэффициент служит множителем, указывающим на число структурных частиц вещества в реакции.

**Какая математическая формула приводится в тексте урока в качестве примера уравнения для нахождения неизвестной величины?**
- $PV = nRT$
- $a^2 + b^2 = c^2$
- $x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$ — верно
- $E = mc^2$
> Текст урока ссылается на известную формулу корней квадратного уравнения.

**Из какого языка взята буква $t$, используемая в схемах химических реакций над стрелкой?**
- Заглавная латинская буква
- Строчная греческая буква
- Строчная кириллическая буква
- Строчная латинская буква — верно
> В тексте прямым текстом указано: «над которой напишем строчную латинскую букву $t$».

## Ключевые термины

- **Закон сохранения массы веществ** — Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе образующихся веществ.
- **Химические уравнения** — Описание химических реакций с помощью химических формул веществ и специальных знаков.
- **Коэффициенты** — Числа перед химическими формулами для уравнивания числа атомов каждого элемента до и после реакции.

## Итог

- Масса веществ, вступивших в реакцию, всегда равна массе образующихся веществ — это закон сохранения массы.
- Опыт Бойля с вскрытием сосуда дал прибавку массы из-за притока воздуха, а запаянная реторта Ломоносова показала, что масса сохраняется.
- Химическое уравнение — запись реакции формулами и знаками: $+$ («и»), $\rightarrow$ («превращаются в»), $t$ («при нагревании»).
- Коэффициенты — числа перед формулами, они уравнивают число атомов каждого элемента до и после реакции.
- Индексы в формулах менять нельзя, менять можно только коэффициенты.

## Шпаргалка

### Железо и кислород

- **$\mathrm{Fe} + \mathrm{O}_2 \xrightarrow{t} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$** — схема реакции, коэффициентов нет
- **$3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O}_2 \overset{t}{=} \mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4$** — готовое уравнение, атомов поровну

### Знаки уравнения

- **$+$** — заменяет союз «и» между веществами
- **$\rightarrow$** — заменяет слова «превращаются в»
- **$t$ над знаком** — заменяет слова «при нагревании»
- **Коэффициент** — число перед формулой, уравнивает атомы
- **Закон сохранения массы** — масса вступивших равна массе образовавшихся

### Как расставить коэффициенты

1. **Посчитай атомы** — выпиши число атомов каждого элемента слева и справа
2. **Уравняй** — ставь коэффициенты перед формулами, индексы не трогай
3. **Проверь** — пересчитай атомы каждого элемента слева и справа
4. **Замени знак** — вместо стрелки поставь знак равенства

### Схема и уравнение

|  | Схема | Уравнение |
| --- | --- | --- |
| Знак | стрелка | равенство |
| Коэффициенты | нет | есть |
| Атомов поровну | нет | да |

## Любопытное

- Ломоносов провёл свой опыт с запаянной ретортой в 1756 г., а Лавуазье пришёл к тому же закону в 1789 г.
- Опыт Бойля не был ошибкой: он честно измерил прибавку массы, но не заметил, что в открытый сосуд пришёл воздух.