Interpretacja równań reakcji chemicznych

Równanie chemiczne przedstawia, jakie substraty reagują i jakie produkty powstają. Aby było poprawne, po obu stronach musi znajdować się taka sama liczba atomów każdego pierwiastka. Wynika to z zasady zachowania masy.

Liczby stojące przed wzorami to współczynniki stechiometryczne. Określają one proporcje ilości reagujących substancji. Nie wolno ich mylić z indeksami dolnymi: we wzorze $H_2$ indeks informuje o dwóch atomach wodoru w cząsteczce, natomiast współczynnik w zapisie $2H_2$ oznacza dwie cząsteczki lub dwa mole wodoru.

Najważniejsza interpretacja równania jest molowa: współczynniki wyrażają stosunek liczby moli substancji. Dla równania $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ oznacza to, że dwa mole wodoru reagują z jednym molem tlenu, tworząc dwa mole wody.

Tę samą zależność można zapisać jako proporcję $n(H_2):n(O_2):n(H_2O)=2:1:2$. W zadaniu podana ilość substancji rzadko jest dokładnie równa wartości z równania, ale zachowuje tę samą proporcję. Na przykład $0{,}5$ mola tlenu wymaga $1$ mola wodoru i prowadzi do powstania $1$ mola wody.

Aby przejść od moli do mas, wykorzystuje się masę molową $M$. Podstawowe zależności mają postać $n=\frac{m}{M}$ oraz $m=nM$. Najpierw oblicza się liczbę moli substancji danej w zadaniu, następnie stosuje proporcję wynikającą z równania, a na końcu przelicza otrzymane mole na oczekiwaną masę lub objętość.

Dla reakcji $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ masy odpowiadające współczynnikom wynoszą: $4$ g wodoru, $32$ g tlenu i $36$ g wody. Masa produktów jest równa całkowitej masie zużytych substratów, czyli $36$ g.

Dla gazów współczynniki mogą wyrażać również stosunek objętości, ale tylko wtedy, gdy wszystkie porównywane gazy są mierzone w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem. Jest to konsekwencja prawa Avogadra: równe objętości gazów w takich samych warunkach zawierają równe liczby moli.

W reakcji $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ dwa dm$^3$ wodoru reagują z jednym dm$^3$ tlenu. Jeśli woda występuje jako gaz, powstają dwa dm$^3$ pary wodnej. Nie można jednak wprost porównywać objętości gazowego tlenu z objętością ciekłej wody, ponieważ reguła objętościowa nie dotyczy cieczy i ciał stałych.

W warunkach normalnych temperatura wynosi $0\,^{\circ}C$, a ciśnienie $1013\,hPa$. Jeden mol gazu zajmuje wtedy objętość $V_m=22{,}4\,dm^3/mol$. Stosuje się zależności $V=nV_m$ oraz $n=\frac{V}{V_m}$.

W zadaniach gazowych można więc działać na dwa sposoby. Gdy znane są objętości gazów w tych samych warunkach, często wystarcza proporcja współczynników. Gdy trzeba połączyć objętość z masą albo warunki normalne są podane w treści, wygodnie jest przeliczyć objętość na mole, użyć równania i wykonać końcowe przeliczenie.

Jeżeli podano ilości obu substratów, należy sprawdzić, który z nich jest reagentem ograniczającym. Substrat zużywany jako pierwszy ogranicza ilość produktu; drugi reagent pozostaje w nadmiarze.