B ходе любой химической реакции число атомов каждого химического элемента остаётся постоянным. Это положение химики записывают в виде стехиометрических коэффициентов — чисел, которые стоят перед формулами веществ, участвующих в реакции.
Слово «стехиометрия» придумал в конце XVIII века немецкий химик Иеремия Рихтер. Он произвёл его от греческих корней, означающих «измерение элементов».
Иногда эти коэффициенты подобрать легко. Например, в уравнении реакции щёлочи — гидроксида натрия и серной кислоты: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2Н2O коэффициенты показывают, что щёлочь и кислота вступают в реакцию в мольном соотношении 2:1. А, например, для реакции 2Са + O2 = 2СаО коэффициенты (2, 1, 2) показывают, что два моля кальция могут полностью прореагировать с одним молем кислорода и при этом получится два моля оксида кальция.
Правильно расставленные коэффициенты в реакции помогают правильно рассчитать количества веществ, вступающих в реакцию и образующихся в её результате. Так, атомная масса кальция равна 40, молекулярная масса кислорода равна 32, следовательно, если в реакцию вступит 80 г кальция, то израсходуется 32 г кислорода и получится 112 г оксида кальция.
Эти примеры простые.
Труднее подобрать коэффициенты для некоторых окислительно-восстановительных реакций. Вот не самый сложный пример.
При растворении меди в азотной кислоте образуется синий нитрат меди и выделяется газообразный оксид азота: Сu + HNO3 > Cu(NO3)2 + NO + Н2O (ставим стрелку, потому что пока это ещё не уравнение, в нём не сохраняется число атомов до и после реакции).
Подбирать «наугад» коэффициенты к такому уравнению — дело почти безнадёжное (можете попробовать). Однако существуют правила, значительно эту задачу облегчающие.
Проиллюстрируем эти правила на более простом примере: уравняем число атомов каждого элемента для реакции горения аммиака в кислороде: NH3 + O2 > N2 + Н2O. Для решения задачи воспользуемся тем, что в этой окислительно-восстановительной реакции число электронов, отданных одними атомами (восстановителями), должно быть в точности равно числу электронов, принятых другими атомами (окислителями). Ведь в химических реакциях, в отличие от некоторых физических процессов, электроны не уходят куда-то во внешнюю среду, не приходят извне, а также не рождаются (как, например, они рождаются, когда нейтрон в ядре атома превращается в протон и электрон, который с огромной скоростью вылетает из вещества).
Чтобы узнать, какие атомы в приведённой реакции отдают электроны, а какие — принимают, определим степени их окисления.
Азот более электроотрицателен, чем водород, поэтому степень его окисления в молекуле NH3 равна -3, водорода +1. Степень окисления атомов кислорода в молекуле 02 равна нулю. Теперь посмотрим на продукты.
Степень окисления атомов азота в молекуле N2 нулевая, атомов кислорода в молекулах воды -2, а атомов водорода +1 (эти атомы свою степень окисления не изменили). Итак, степень окисления атомов азота изменилась от -3 до 0, значит, азот отдаёт электроны — окисляется.
Степень окисления атомов кислорода изменилась от 0 до -2, значит, кислород принимает электроны — восстанавливается.
Составляем простые уравнения окисления и восстановления этих атомов: N-3 — 3е > N0 (или 2N-3 — 6е > 2N0, так как должна получиться молекула N2); О0 + 2е > О-2 (или 2О0 + 4е > 2O-2, так как реагирует молекула O2). Число отданных и принятых электронов в ходе реакции должно быть одинаковым.
Поэтому первое уравнение умножаем на 2, второе — на 3: 4N-3- 12е > 4N0; 6O0 + 12е > 6O-2. Баланс по электронам соблюдён.
Итак, должны прореагировать 4 молекулы NH3 и 3 молекулы O2 и образоваться 2 молекулы N2. Расставляем окончательные коэффициенты: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O.
Этот случай сравнительно простой: коэффициенты можно было бы подобрать и без электронного баланса.
Например, так. В исходном уравнении справа два атома N, а слева — один.
Уравниваем их: 2NH3 + O2 > N2 + Н2O. Теперь уравниваем атомы Н: 2NH3 + О2 > N2 + 3Н2O.
Осталось уравнять атомы О: 2NH3 + 1,5O2 > N2 + 3Н2O. Уравнение можно оставить в таком виде, но химики предпочитают, чтобы все коэффициенты были целыми, для чего достаточно умножить каждый из них на два. Метод электронного баланса позволяет справиться со значительно более сложными уравнениями.
Попробуйте, например, уравнять число всех атомов в правой и левой частях (то есть подобрать коэффициенты) для реакции образования жёлтого хромата калия К2СrO4 путём сплавления зелёного оксида хрома Сг2O3 с нитратом калия KNO3 и сильной щёлочью — гидроксидом калия КОН (в этой реакции образуется также нитрит калия): Сг2O3 + KNO3 + КОН > К2СrO4 + KNO2 + Н2O. Указание.
Сначала определите степени окисления всех элементов во всех соединениях и установите, какие элементы в каких веществах отдают электроны (окисляются), а какие — берут (восстанавливаются). Затем запишите уравнения переноса электронов для этих атомов.
Уравняйте число отданных и принятых электронов и полученные числа поставьте перед соответствующими формулами в уравнении реакции.
Найденное соотношение между атомами окислителя и восстановителя далее не должно изменяться!
После этого посчитайте число атомов калия слева и справа и уравняйте их. Затем сделайте то же для атомов водорода. Наконец, проверьте число атомов кислорода слева и справа; если их получилось одинаковое количество (по 16), значит, всё сделано верно.
Попробуйте теперь подобрать коэффициенты для приведённого выше уравнения реакции растворения меди в азотной кислоте или для реакции азотной кислоты с сульфидом железа: FeS + HNO3 > Fe(NO3)3 + S + N2 + H2O. Но «рекорд» сложности, вероятно, был поставлен в 1943 году, когда в ноябрьском номере американского «Журнала химического образования» один из его бывших редакторов Л. С. Фостер предложил читателям подобрать коэффициенты в таком «весёленьком» уравнении: {Cr [СО (NH2) 2]6}4[Cr (CN)6]3 + KMnO4 + HNO3 > K2Cr2O7 + CO2 + KNO3 + Mn(NO3)2 + H2O.