Расчёты по химическим формулам и уравнениям реакций

Хими́ческим уравне́нием (уравне́нием хими́ческой реа́кции) называют условную запись химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов^[1].

Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную информацию о химической реакции, реагентах и продуктах реакции; его составление основывается на законах стехиометрии, в первую очередь, законе сохранения массы веществ в химических реакциях. Кроме уравнений используются полные и краткие схемы химических реакций — условные записи, дающие представление о природе реагентов и продуктов, то есть качественную информацию о химической реакции.

Пример окислительно-восстановительной реакции — горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды:

${\displaystyle \mathrm {2H_{2}+O_{2}\rightarrow 2H_{2}O} }$.

Хими́ческая фо́рмула — условное обозначение химического состава и структуры соединений с помощью символов химических элементов, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире и т. п.)^[2]. Химические формулы являются составной частью языка химии, на их основе составляются схемы и уравнения химических реакций, а также химическая классификация и номенклатура веществ. Одним из первых начал использовать их русский химик А. А. Иовский^[3].

Химическая формула может обозначать или отражать:

• 1 молекулу (а также ион, радикал…) или 1 моль конкретного вещества;
• качественный состав: из каких химических элементов состоит вещество;
• количественный состав: сколько атомов каждого элемента содержит молекула (ион, радикал…).

Например, формула HNO₃ обозначает:

• 1 молекулу азотной кислоты или 1 моль азотной кислоты;
• качественный состав: молекула азотной кислоты состоит из водорода, азота и кислорода;
• количественный состав: в состав молекулы азотной кислоты входят один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода.

В настоящее время различают следующие виды химических формул:

• Простейшая формула. Может быть получена опытным путём через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды — H₂O, а простейшая формула бензола — CH (в отличие от C₆H₆ — истинной). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество — числами в формате нижних индексов^[4].
• Истинная формула (брутто‐формула, молекулярная формула) может быть получена, если известна молекулярная масса вещества. Истинная формула воды Н₂О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С₆Н₆, что отличается от простейшей, отражающей состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает [нижний] индекс — маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, то есть в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают.
• Рациональная формула. В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа −ОН. При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений. Например, К₄[Co(CN)₆] — гексацианокобальтат калия. Рациональные формулы часто встречаются в полуразвёрнутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.
• Формула Маркуша представляют собой формулу, в которой выделяется активное ядро и некоторое количество вариантов заместителей, объединяемых в группу альтернативных структур. Она является удобным способом обозначения химических структур в обобщенном виде. Формула относится к описанию целого класса веществ. Использование «широких» формул Маркуша в химических патентах приводит к массе проблем и дискуссий.

Расчёты по химическим формулам и уравнениям реакций важен, так как перед проведением химической реакции необходимо рассчитать в каком массовом соотношении смешать реагенты и затем рассчитать массу продукта.

На точных химических расчётах основана металлургия, химическая, текстильная промышленность и др.