موازنة المعادلات الكيميائية خطوة بخطوة

ما يمكن للمعاملات أن تغيّره وما لا يمكن للرموز السفلية

كل صيغة تحدد تركيب مادة واحدة. فـ H₂O فيها دائمًا ذرتا هيدروجين وذرة أكسجين واحدة؛ وتغييرها إلى H₂O₂ يصف بيروكسيد الهيدروجين، وهو مركب مختلف. لذلك تتم الموازنة بالمعاملات فقط، وهي الأعداد أمام الصيغ، وتبيّن عدد الوحدات الصيغية من كل مادة المشاركة في التفاعل.

المعادلة الموزونة فيها العدد نفسه من ذرات كل عنصر على الجانبين. ولأن الذرات تحافظ على كتلتها، فإن الكتلة الكلية للمتفاعلات تساوي حينئذٍ الكتلة الكلية للنواتج، وهذا فحص مستقل مفيد. وعندما تظهر الأيونات، يجب أن يساوي مجموع الشحنات على اليسار مجموعها على اليمين.

تُكتب المعاملات بأصغر أعداد صحيحة تحقق الموازنة. المعادلة 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O موزونة لكنها ليست في أبسط صورة؛ والقسمة على 2 تعطي 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. ويُترك المعامل 1 دون كتابة.

ترتيب للفحص يتجنب الدوران في حلقة

يعمل الفحص بأفضل صورة بترتيب ثابت، لأن موازنة عنصر قد تخلّ بتوازن عنصر آخر سبق أن ضبطته. ويؤجل الترتيب أدناه العناصر التي تظهر في عدة صيغ، وخاصة العناصر الحرة مثل O₂ أو فلز، لأن تغيير معامل عنصر حر لا يخل بأي شيء آخر.

الحصر النهائي هو الأهم. اذكر كل عنصر مع عدده على كل جانب، مضروبًا كل رمز سفلي في المعامل وفي أي رمز سفلي خارج الأقواس. يستغرق ذلك دقيقة ويكشف تقريبًا كل هفوة.

• اكتب صيغًا صحيحة لكل المواد، بما فيها العناصر ثنائية الذرة (H₂ وN₂ وO₂ وF₂ وCl₂ وBr₂ وI₂)، ولا تغيّرها بعد ذلك.
• أعطِ أعقد صيغة معاملًا تجريبيًا قدره 1.
• وازن العناصر التي تظهر في متفاعل واحد وناتج واحد فقط.
• وازن الأيونات متعددة الذرات التي تمر دون تغيير بوصفها وحدات مفردة.
• وازن الهيدروجين والأكسجين بعد ذلك، والعناصر الحرة أخيرًا.
• أزل أي كسر بضرب كل المعاملات في مقامه، ثم اختزلها إلى أصغر أعداد صحيحة.
• أحصِ كل عنصر، والشحنة الكلية، على الجانبين.

مثال محلول: احتراق 2-بروبانول

يحترق 2-بروبانول (كحول الأيزوبروبيل) C₃H₈O في الأكسجين ليعطي ثاني أكسيد الكربون والماء: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. أعطِ C₃H₈O معاملًا قدره 1. يظهر الكربون في متفاعل واحد وناتج واحد، لذا فـ 3 C تتطلب 3 CO₂. وكذلك الهيدروجين: 8 H تتطلب 4 H₂O.

يأتي الأكسجين أخيرًا لأن O₂ عنصر حر. في الجانب الأيمن الآن 3 × 2 + 4 × 1 = 10 ذرات O. والوقود يوفر 1 O بالفعل، لذا يجب أن يوفر O₂ تسع ذرات، أي معامل 9/2. وبضرب كل شيء في 2 نحصل على 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

الحصر: C 6 = 6؛ H 16 = 16؛ O 2 + 18 = 20 على اليسار و12 + 8 = 20 على اليمين. ويتفق فحص الكتلة باستخدام الأوزان الذرية القياسية للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) مقرّبة إلى منزلتين عشريتين (C 12.01 وH 1.01 وO 16.00) للكميات المولية المبيّنة: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g من المتفاعلات و6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g من النواتج.

من الهفوات الشائعة نسيان ذرة الأكسجين داخل الوقود وكتابة 5 O₂ لكل C₃H₈O. ويكشف الحصر ذلك فورًا: 11 ذرة O على اليسار و10 على اليمين.

الأيونات متعددة الذرات وحدات مفردة

عندما يظهر أيون متعدد الذرات مثل الكبريتات أو النترات أو الفوسفات دون تغيير على الجانبين، فعدّه وحدة واحدة بدلًا من عدّ ذراته كلًا على حدة. يختصر ذلك المحاسبة ويتجنب أكثر أخطاء العدّ شيوعًا، وهو نسيان أن الرمز السفلي خارج الأقواس يضرب كل ما بداخلها: Ca(NO₃)₂ تحتوي على 2 N و6 O.

مثال محلول: يتفاعل هيدروكسيد الباريوم مع حمض الفوسفوريك ليعطي فوسفات الباريوم والماء، Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. ابدأ بـ Ba₃(PO₄)₂. تحتوي على 3 Ba، لذا استخدم 3 Ba(OH)₂، وعلى وحدتَي فوسفات، لذا استخدم 2 H₃PO₄.

بالنسبة إلى الماء، فكّر فيه على أنه H–OH: يتكوّن كل جزيء من H واحدة من الحمض وOH واحدة من القاعدة. يحمل الجانب الأيسر الآن 3 × 2 = 6 مجموعات OH و2 × 3 = 6 ذرات H حمضية، فيتكوّن 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. الحصر: Ba 3 = 3؛ P 2 = 2؛ H 6 + 6 = 12 و6 × 2 = 12؛ O 6 + 8 = 14 و8 + 6 = 14.

استخدم أسلوب الوحدات فقط عندما يبقى الأيون سليمًا. فإذا تحوّلت النترات إلى NO في تفاعل أكسدة واختزال مثلًا، فيجب عدّ النيتروجين والأكسجين كلًا على حدة.

موازنة الشحنة في المعادلات الأيونية

قد توازن المعادلة الأيونية الذرات وتبقى خاطئة مع ذلك. تأمل فلز الألومنيوم الموضوع في محلول أيونات النحاس(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). هناك Al واحدة وCu واحدة على كل جانب، لكن الشحنة 2+ على اليسار و3+ على اليمين.

تفقد كل ذرة Al ثلاثة إلكترونات، وكل أيون Cu²⁺ يكتسب اثنين. المضاعف المشترك الأصغر هو 6، لذا يتفاعل 2 Al مع 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). الشحنة: 3(2+) = 6+ على اليسار و2(3+) = 6+ على اليمين؛ الذرات Al 2 = 2 وCu 3 = 3.

لا تظهر الإلكترونات في المعادلة الكلية، لذا فإن اختلال الشحنة يعني دائمًا أن المعادلة لم توزن بعد: إما أن معاملًا خاطئ، أو أن نوعًا مثل H⁺ أو OH⁻ أو H₂O مفقود. وفي معادلات الأكسدة والاختزال الأكثر تعقيدًا، خاصة في الوسط الحمضي أو القاعدي، تكون طريقة نصف التفاعل أوثق من الفحص.

الطريقة الجبرية للمعادلات العصيّة

بعض المعادلات، وغالبًا تفاعلات الأكسدة والاختزال التي ينتهي فيها عنصر واحد في عدة نواتج، تستعصي على الفحص. أعطِ حرفًا لكل معامل، واكتب معادلة لكل عنصر، وضع أحد الحروف يساوي 1، ثم احلّ. بالنسبة إلى برمنغنات البوتاسيوم وحمض الهيدروكلوريك: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

يعطي البوتاسيوم a = c؛ ويعطي المنغنيز a = d؛ ويعطي الأكسجين 4a = f؛ ويعطي الهيدروجين b = 2f؛ ويعطي الكلور b = c + 2d + 2e. وبوضع a = 1 نحصل على c = 1 وd = 1 وf = 4 وb = 8، ثم 8 = 1 + 2 + 2e، فيكون e = 5/2. وبالضرب في 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. الحصر: K 2 وMn 2 وO 8 وH 16 وCl 16 على كل جانب.

إذا بقي معامل غير محدد في معادلات العناصر بعد أن تضع أحد الحروف يساوي 1، فهذا يعني أن للمعادلة أكثر من صورة موزونة مستقلة. وهذا يعني عادةً أنها تجمع تفاعلين منفصلين، ويلزم معلومات كيميائية إضافية، مثل أي الأنواع يتأكسد وأيها يختزل في كل نصف تفاعل، لاختيار الصورة الصحيحة.

أخطاء الموازنة والحصر الذي يكشفها

كل خطأ من الأخطاء التالية يكشفه الحصر النهائي نفسه، عنصرًا عنصرًا ثم الشحنة. اجعل الحصر سطرًا أخيرًا ثابتًا في كل معادلة، لا إضافة اختيارية.

إذا استمر الحصر في الفشل للعنصر نفسه، فارجع إلى ترتيب الفحص وتحقق مما إذا كان ذلك العنصر قد وُزن مبكرًا جدًا.

• تغيير رمز سفلي لفرض الموازنة، مثل كتابة H₂O₂ للماء. قارن كل صيغة بالمعادلة غير الموزونة التي بدأت منها.
• كتابة عنصر ثنائي الذرة على أنه ذرات مفردة، مثل O بدلًا من O₂.
• نسيان الضرب عبر الأقواس، فتُعدّ Ba₃(PO₄)₂ على أن فيها 4 O بدلًا من 8.
• ترك كسور، أو معاملات لها عامل مشترك، في الإجابة النهائية.
• موازنة الذرات دون الشحنة في معادلة فيها أيونات.
• موازنة عنصر حر أولًا ثم اضطرارك إلى إعادتها بعد كل تغيير آخر.