Закон збереження маси і коефіцієнти в рівняннях реакцій

Коли хіміки описують перетворення одних речовин на інші, вони спершу записують так звану схему реакції. Це скорочений запис, у якому ліворуч від стрілки стоять формули реагентів (вихідних речовин), а праворуч — формули продуктів. Наприклад, горіння водню в кисні спершу записують так:

H₂ + O₂ → H₂O

У цьому записі не зрівняно кількість атомів: ліворуч два атоми Гідрогену й два атоми Оксигену, а праворуч — два атоми Гідрогену й лише один атом Оксигену. Такий запис називають схемою, а не рівнянням.

Хімічне рівняння — це зрівняна схема, у якій число атомів кожного елемента ліворуч і праворуч однакове. Для тієї самої реакції зрівняне рівняння виглядає так:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Числа перед формулами (2 перед H₂ і 2 перед H₂O) називають коефіцієнтами. Вони показують, скільки молекул (або формульних одиниць) кожної речовини бере участь у реакції.

Закон збереження маси речовин

Чому взагалі потрібно зрівнювати схеми? Тому що діє фундаментальний закон природи — закон збереження маси речовин. Його в чіткій формі сформулював французький хімік Антуан Лавуазьє в XVIII столітті на основі дослідів у запаяних посудинах. Закон звучить так:

Маса речовин, що вступили в хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися внаслідок реакції.

Причина цього закону проста: під час хімічної реакції атоми не зникають і не з'являються з нізвідки — вони лише перегруповуються, утворюючи нові молекули. Маса кожного атома залишається незмінною, тому загальна маса системи не змінюється.

Застосування закону без молей

Закон збереження маси дає змогу знаходити масу одного продукту чи реагенту, якщо відомі маси інших. Ось два приклади.

• Прожарюють 10 г кальцій карбонату CaCO₃. Утворюється 5,6 г кальцій оксиду CaO. Яка маса вуглекислого газу CO₂ виділилася? За законом: 10 г = 5,6 г + m(CO₂), отже m(CO₂) = 10 − 5,6 = 4,4 г.

• Спалюють 3 г вуглецю C і добувають 11 г вуглекислого газу CO₂. Скільки кисню O₂ витрачено? 3 г + m(O₂) = 11 г, отже m(O₂) = 11 − 3 = 8 г.

Уявні «порушення» закону

Іноді здається, що закон збереження маси не виконується. Розгляньмо два поширені випадки.

• Магній після спалювання на повітрі важить більше, ніж до горіння. Це не порушення: магній приєднав кисень з повітря, тому маса магній оксиду дорівнює масі магнію плюс масі кисню, що прореагував.

• Колба з крейдою CaCO₃ і хлоридною кислотою HCl у відкритій посудині після реакції важить менше. Вуглекислий газ CO₂, що утворився, виходить в атмосферу. Якщо провести той самий дослід у закритій посудині, маса не зміниться.

Отже, закон збереження маси завжди виконується — потрібно лише враховувати всі реагенти й продукти, зокрема газоподібні.

Одне з найважливіших умінь у хімії — чітко розрізняти коефіцієнт та індекс. Плутанина між ними призводить до грубих помилок, які на НМТ коштують бала.

Індекс — частина формули речовини

Індекс — це мала цифра, яка стоїть унизу праворуч від символу хімічного елемента. Вона показує, скільки атомів цього елемента входить до складу однієї молекули (або формульної одиниці) речовини. Наприклад:

• H₂O — два атоми Гідрогену й один атом Оксигену.

• H₂O₂ — два атоми Гідрогену й два атоми Оксигену (це вже зовсім інша речовина — гідроген пероксид).

• CO₂ — один атом Карбону й два атоми Оксигену.

Індекс визначає хімічну індивідуальність речовини. H₂O і H₂O₂ — різні сполуки з різними властивостями. Тому під час зрівнювання хімічних рівнянь індекси змінювати категорично не можна. Якщо ви зміните індекс, ви отримаєте формулу іншої речовини, а це вже зовсім не та реакція, яку ви зрівнюєте.

Коефіцієнт — число перед формулою

Коефіцієнт — це число, яке ставлять перед формулою речовини. Він показує, скільки молекул (або формульних одиниць) цієї речовини бере участь у реакції. Коефіцієнт множить всі атоми, позначені у формулі. Розгляньмо кілька прикладів.

Формули з дужками

Коли у формулі є дужки, індекс за дужкою множить усі атоми всередині дужок. Коефіцієнт перед формулою множить усю формулу, включно з тим, що в дужках. Розберімо два типові приклади.

• 3Ca(OH)₂: коефіцієнт 3 множить Ca (1 атом) → 3 атоми Ca; множить групу OH, у якій індекс 2 за дужкою означає 2 групи OH, кожна з яких має 1 O і 1 H → 3 · 2 = 6 атомів O і 3 · 2 = 6 атомів H.

• 2Al₂(SO₄)₃: коефіцієнт 2 множить Al₂ (2 атоми Al) → 4 атоми Al; множить групу (SO₄)₃, де індекс 3 за дужкою означає 3 групи SO₄, кожна з яких має 1 S і 4 O → 2 · 3 = 6 атомів S і 2 · 3 · 4 = 24 атоми O.

Коефіцієнт 1

У хімічних рівняннях коефіцієнт 1 ніколи не пишуть — його просто опускають. Однак у сумі коефіцієнтів цю одиницю обов'язково враховують. Наприклад, у рівнянні:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

коефіцієнти: 1 (перед CH₄, не написаний), 2 (перед O₂), 1 (перед CO₂, не написаний), 2 (перед H₂O). Сума коефіцієнтів = 1 + 2 + 1 + 2 = 6.

Запам'ятай: якщо перед формулою нічого не стоїть, коефіцієнт дорівнює 1, і його треба додати до загальної суми.

Метод підбору — це основний спосіб зрівнювання хімічних рівнянь, яким ти користуватимешся найчастіше. Він не потребує складних обчислень, а лише уважності й дотримання певного порядку дій.

Порядок дій

1. Порахуй атоми кожного елемента з обох боків схеми. Запиши їх кількість ліворуч і праворуч.

2. Почни з елемента, що входить до найменшого числа формул або має найбільші індекси. Найчастіше це метал або неметал, що трапляється лише в одній формулі ліворуч і в одній праворуч.

3. Незмінні групи атомів (SO₄, NO₃, PO₄, OH тощо) зрівнюй як одне ціле — не розбивай їх на окремі елементи.

4. Гідроген зрівнюй передостаннім, а Оксиген — останнім.

5. Перевір усі елементи ще раз. Якщо всі збігаються — рівняння зрівняне.

Розгляньмо цей алгоритм на конкретних прикладах.

Непарне число атомів Оксигену

Часто в продуктах реакції утворюється оксид з непарним числом атомів Оксигену, наприклад P₂O₅ (5 атомів O) або Al₂O₃ (3 атоми O). Щоб зрівняти з киснем O₂, у якого завжди парне число атомів (2), коефіцієнт перед оксидом подвоюють:

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ — ліворуч 10 атомів O, праворуч 2 · 5 = 10 атомів O.

• 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ — ліворуч 6 атомів O, праворуч 2 · 3 = 6 атомів O.

Зверни увагу: коефіцієнти 4, 5, 2 у першому рівнянні не мають спільного дільника, тому їх залишають. Якщо ж спільний дільник є, коефіцієнти скорочують. Наприклад, 4H₂ + 2O₂ → 4H₂O треба скоротити на 2: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Горіння вуглеводнів

Для вуглеводнів (CₓHᵧ) порядок такий: спершу зрівнюють Карбон, потім Гідроген, а наприкінці — Оксиген.

• C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 5 + 3 + 4 = 13.

• 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O. Сума коефіцієнтів: 2 + 7 + 4 + 6 = 19.

Якщо після зрівнювання C і H перед O₂ виходить дробове число (наприклад, 3,5), усі коефіцієнти рівняння множать на 2, щоб позбутися дробу. Саме тому в другому прикладі перед C₂H₆ стоїть 2, а перед O₂ — 7, а не 3,5.

Рівняння з групами атомів

Коли в реакції беруть участь сполуки з багатоатомними йонами (SO₄²⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, OH⁻), зручно зрівнювати ці групи як одне ціле, не розбиваючи на окремі атоми.

• 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O. Сума коефіцієнтів: 2 + 3 + 1 + 6 = 12.

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 3 + 2 + 3 = 9.

• 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Сума коефіцієнтів: 2 + 6 + 2 + 3 = 13.

Сума коефіцієнтів

Сума коефіцієнтів — це сума всіх чисел перед формулами в лівій і правій частинах рівняння, разом з одиницями. Важливо: якщо рівняння не зведено до найменших цілих коефіцієнтів (наприклад, 4H₂ + 2O₂ → 4H₂O замість 2H₂ + O₂ → 2H₂O), сума коефіцієнтів буде неправильною. Завжди скорочуй спільний дільник!

Окрім закону збереження маси, у хімії є ще один важливий закон, що стосується газів. Його відкрив французький хімік Жозеф Луї Гей-Люссак у 1808 році.

Формулювання закону

За однакових температури й тиску об'єми газів, що вступають у реакцію й утворюються, відносяться як невеликі цілі числа — коефіцієнти рівняння.

Іншими словами, коефіцієнти в хімічному рівнянні показують не лише співвідношення кількостей молекул, а й співвідношення об'ємів газоподібних речовин (за однакових умов).

Приклади об'ємних співвідношень

Розгляньмо кілька реакцій за участю газів.

Що враховувати, а що — ні

Закон об'ємних співвідношень стосується лише газів. Рідини й тверді речовини в об'ємних співвідношеннях не враховують. Наприклад, у реакції:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

вода H₂O за нормальних умов (н. у.) — рідина, тому об'ємне співвідношення стосується лише газів: CH₄ : O₂ : CO₂ = 1 : 2 : 1. Воду не враховують. Так само не враховують тверді речовини: C, S, CaCO₃ тощо.

Маса зберігається, об'єм — ні

Важливо розуміти: маса речовин зберігається завжди, а сумарний об'єм газів — ні. Розгляньмо реакцію синтезу амоніаку:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

За повного перетворення стехіометричної суміші (1 об'єм N₂ + 3 об'єми H₂ = 4 об'єми газів) теоретично утворюються 2 об'єми NH₃ за тих самих температури й тиску. Отже, сумарний об'єм газів зменшується вдвічі. На практиці реальний вихід амоніаку обмежує хімічна рівновага, але теоретичне співвідношення об'ємів визначають саме коефіцієнти рівняння.

Пояснення закону об'ємних співвідношень дає закон Авогадро: в однакових об'ємах різних газів за однакових умов міститься однакова кількість молекул. А обчислення об'ємів газів за рівнянням реакції — це тема окремого курсу «Обчислення в хімії».

У цьому розділі ми розв'яжемо чотири типові завдання НМТ, які перевіряють уміння зрівнювати рівняння, знаходити суму коефіцієнтів і застосовувати закони збереження маси та об'ємних співвідношень.

Приклад 1. Сума коефіцієнтів у рівнянні

Завдання: Укажіть суму коефіцієнтів у рівнянні реакції Fe₂O₃ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂O.

Розв'язання:

1. Записуємо схему: Fe₂O₃ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂O.

2. Зрівнюємо групу SO₄: ліворуч 1 група (у H₂SO₄), праворуч 3 групи (у Fe₂(SO₄)₃). Ставимо 3 перед H₂SO₄: Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂O.

3. Зрівнюємо Гідроген: ліворуч 3 · 2 = 6 атомів H, праворуч у H₂O — 2 атоми. Ставимо 3 перед H₂O: Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

4. Перевіряємо Оксиген: ліворуч 3 (у Fe₂O₃) + 3 · 4 = 12 (у H₂SO₄) = 15; праворуч 3 · 4 = 12 (у Fe₂(SO₄)₃) + 3 · 1 = 3 (у H₂O) = 15. Усе збігається.

5. Сума коефіцієнтів: 1 (Fe₂O₃) + 3 (H₂SO₄) + 1 (Fe₂(SO₄)₃) + 3 (H₂O) = 8.

Відповідь: 8.

Чому інші варіанти неправильні: 6 — не враховано дві одиниці (перед Fe₂O₃ і Fe₂(SO₄)₃); 7 — враховано лише одну з двох одиниць; 16 — коефіцієнти не зведено до найменших цілих (наприклад, подвоєно всі коефіцієнти).

Приклад 2. Коефіцієнт перед киснем у горінні етану

Завдання: Який коефіцієнт стоїть перед формулою кисню в рівнянні горіння етану C₂H₆?

Розв'язання:

1. Записуємо схему: C₂H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O.

2. Зрівнюємо Карбон: ліворуч 2 атоми C, праворуч 1. Ставимо 2 перед CO₂: C₂H₆ + O₂ → 2CO₂ + H₂O.

3. Зрівнюємо Гідроген: ліворуч 6 атомів H, праворуч у H₂O — 2. Ставимо 3 перед H₂O: C₂H₆ + O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.

4. Зрівнюємо Оксиген: праворуч 2 · 2 = 4 (у CO₂) + 3 · 1 = 3 (у H₂O) = 7 атомів O. Ліворуч O₂ дає 2 атоми O. Щоб отримати 7, потрібно 3,5 молекули O₂. Дробовий коефіцієнт не залишають — множимо всі коефіцієнти на 2: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O.

Відповідь: 7.

Чому інші варіанти неправильні: 3,5 — лишили дробовий коефіцієнт, що неприпустимо; 4 — забули врахувати атоми Оксигену у воді; 14 — не звели коефіцієнти до найменших цілих (подвоїли ще раз).

Приклад 3. Об'ємні співвідношення газів

Завдання: За рівнянням N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ визначте, який об'єм водню потрібен на 1 л азоту та як зміниться сумарний об'єм газів за повного перетворення стехіометричної суміші (за однакових температури й тиску).

Розв'язання:

1. За законом об'ємних співвідношень, коефіцієнти показують співвідношення об'ємів газів: V(N₂) : V(H₂) : V(NH₃) = 1 : 3 : 2.

2. Отже, на 1 л азоту потрібно 3 л водню.

3. Сумарний об'єм газів до реакції: 1 л N₂ + 3 л H₂ = 4 л. Після реакції (теоретично) утворюється 2 л NH₃. Об'єм зменшується вдвічі.

Відповідь: 3 л водню; сумарний об'єм газів теоретично зменшується вдвічі.

Чому інші варіанти неправильні: «3 л, об'єм незмінний» — не враховує, що з 4 молекул газів утворюються 2; «1 л, удвічі менший» — неправильне співвідношення H₂ до N₂; «2 л, об'єм зростає» — суперечить стехіометрії реакції. Нагадаємо: реальний вихід амоніаку обмежує хімічна рівновага, але теоретичне співвідношення визначають коефіцієнти.

Приклад 4. Закон збереження маси в задачі

Завдання: Під час розкладання 21,4 г ферум(III) гідроксиду Fe(OH)₃ утворилося 16 г ферум(III) оксиду Fe₂O₃ й вода. Яка маса води?

Розв'язання:

1. За законом збереження маси: маса реагентів = масі продуктів.

2. m(Fe(OH)₃) = m(Fe₂O₃) + m(H₂O).

3. 21,4 г = 16 г + m(H₂O).

4. m(H₂O) = 21,4 − 16 = 5,4 г.

Відповідь: 5,4 г.

Чому інші варіанти неправильні: 37,4 г — маси додали замість відняти; 1,8 г — урахували одну молекулу води з трьох (помилково використали коефіцієнти рівняння замість закону збереження маси); 2,7 г — поділили на коефіцієнт 2. Зверни увагу: для знаходження маси води за законом збереження маси не потрібно знати рівняння реакції — достатньо відняти відомі маси.

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час зрівнювання рівнянь і застосування законів. Уникай їх — і твій результат на НМТ буде вищим.

• Змінюють індекси замість коефіцієнтів. Наприклад, пишуть H₂ + O₂ → H₂O₂ замість 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Зміна індексу перетворює воду на гідроген пероксид — зовсім іншу речовину. Індекси — це склад речовини, їх змінювати не можна.

• Не враховують коефіцієнт 1 у сумі коефіцієнтів. У рівнянні CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O дехто рахує суму як 2 + 2 = 4, забуваючи про одиниці перед CH₄ і CO₂. Правильна сума: 1 + 2 + 1 + 2 = 6. Інша помилка — рахують лише ліву частину рівняння.

• Залишають дробовий коефіцієнт або не зводять до найменших цілих. Наприклад, C₂H₆ + 3,5O₂ → 2CO₂ + 3H₂O — дробовий коефіцієнт неприпустимий. Або 4H₂ + 2O₂ → 4H₂O — коефіцієнти мають спільний дільник 2, їх треба скоротити до 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

• Множать коефіцієнт не на всі атоми формули. У записі 3Ca(OH)₂ помилково рахують 3 атоми Гідрогену замість 6, забуваючи, що індекс 2 за дужкою множить OH, а коефіцієнт 3 множить усе, включно з дужками. Правильно: 3 · 2 = 6 атомів H.

• Застосовують закон об'ємних співвідношень до води (рідина за н. у.) і твердих речовин. У CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O воду не враховують в об'ємному співвідношенні. Також помилково вважають, що сумарний об'єм газів зберігається, як маса — насправді він може змінюватися.

• Вважають, що збільшення маси магнію під час горіння на повітрі «порушує» закон збереження маси. Насправді маса зростає, бо магній приєднує кисень з повітря. Якщо зважити магній разом з киснем, що прореагував, маса збігатиметься з масою продукту.

Тема «Хімічне рівняння, закони збереження маси речовин і об'ємних співвідношень газів» входить до розділу 1.2 програми НМТ з хімії. Від тебе вимагають уміти записувати схеми реакцій і хімічні рівняння, а також застосовувати закон збереження маси.

Типи завдань

Ці вміння можуть перевіряти в завданнях з вибором однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18 тесту, 0 або 1 бал), а також у розрахункових задачах. Наприклад, можуть попросити:

• знайти суму коефіцієнтів у зрівняному рівнянні;

• визначити коефіцієнт перед формулою певної речовини;

• вказати об'ємне співвідношення газів за рівнянням.

Неправильні варіанти відповідей зазвичай відповідають типовим помилкам: пропущеній одиниці, дробовим чи незведеним коефіцієнтам.

Розрахункові задачі

У завданнях № 22–24 (0 або 2 бали, без часткових балів) частину задач розв'язують за зрівняними рівняннями реакцій. Наприклад, у демоваріанті НМТ 2026 року:

• № 23 — задача на відносний вихід продукту за об'ємами газів;

• № 24 — комбінована задача, що охоплює три реакції.

Помилка в коефіцієнті призводить до неправильного числа в розрахунку, тому зрівнювати рівняння треба дуже уважно.

Стратегія виконання

У довідкових матеріалах НМТ рівнянь реакцій немає — ти маєш уміти зрівнювати їх самостійно. Рекомендована стратегія:

• Після зрівнювання обов'язково перелічи атоми кожного елемента з обох боків рівняння.

• Суму коефіцієнтів рахуй разом з одиницями (не забувай, що 1 не пишуть, але враховують).

• Переконайся, що коефіцієнти зведено до найменших цілих чисел.

• Маса реагентів дорівнює масі продуктів, бо атоми лише перегруповуються, а не зникають і не з'являються.

• Зрівнюємо лише коефіцієнтами; індекси — це склад речовини, їх змінювати не можна.

• Коефіцієнт множить усі атоми формули, зокрема ті, що в дужках: 3Ca(OH)₂ — 3 атоми Ca, 6 атомів O, 6 атомів H.

• Порядок підбору: метали й групи атомів → Гідроген → Оксиген. Усі коефіцієнти множимо на спільний знаменник дробів, спільний дільник скорочуємо.

• Сума коефіцієнтів — з обох частин рівняння і разом з одиницями (1 не пишуть, але враховують).

• Об'єми газів відносяться як коефіцієнти рівняння; рідини й тверді речовини в об'ємних співвідношеннях не враховують.