Afstemning af kemiske reaktionsligninger trin for trin

Hvad koefficienter må ændre, og indeks ikke må

Hver formel fastlægger sammensætningen af ét stof. H₂O har altid to hydrogenatomer og ét oxygenatom; hvis du ændrer den til H₂O₂, beskriver du hydrogenperoxid, en anden forbindelse. Afstemning sker derfor kun med koefficienter, altså tallene foran formlerne, som angiver, hvor mange formelenheder af hvert stof der deltager.

En afstemt ligning har det samme antal atomer af hvert grundstof på begge sider. Fordi atomer bevarer deres masse, er den samlede masse af reaktanterne så lig med den samlede masse af produkterne, hvilket er en nyttig uafhængig kontrol. Når der optræder ioner, skal summen af ladningerne til venstre også være lig med summen til højre.

Koefficienter skrives som de mindste hele tal, der afstemmer ligningen. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O er afstemt, men ikke i laveste termer; ved division med 2 fås 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. En koefficient på 1 skrives ikke.

En rækkefølge for gennemsyn, der undgår at gå i ring

Gennemsyn virker bedst med en fast rækkefølge, fordi afstemning af ét grundstof kan bringe et andet, du allerede har afgjort, ud af balance. Rækkefølgen nedenfor udskyder grundstoffer, der optræder i flere formler, og især frie grundstoffer som O₂ eller et metal, fordi en ændring af et frit grundstofs koefficient ikke forstyrrer noget andet.

Den afsluttende optælling betyder mest. Opstil hvert grundstof med dets antal på hver side, hvor hvert indeks ganges med koefficienten og med et eventuelt indeks uden for parenteser. Det tager et minut og fanger næsten alle fejltrin.

• Skriv korrekte formler for alle stoffer, herunder toatomige grundstoffer (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), og ændr dem ikke bagefter.
• Giv den mest komplekse formel en prøvekoefficient på 1.
• Afstem de grundstoffer, der kun optræder i én reaktant og ét produkt.
• Afstem polyatomare ioner, der går uændrede igennem, som enkelte enheder.
• Afstem derefter hydrogen og oxygen, og frie grundstoffer til sidst.
• Fjern brøker ved at gange alle koefficienter med nævneren, og forkort derefter til de mindste hele tal.
• Tæl hvert grundstof og den samlede ladning op på begge sider.

Gennemregnet eksempel: forbrænding af 2-propanol

2-Propanol (isopropylalkohol), C₃H₈O, brænder i oxygen og giver carbondioxid og vand: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Giv C₃H₈O en koefficient på 1. Carbon optræder i én reaktant og ét produkt, så 3 C kræver 3 CO₂. Det samme gælder hydrogen: 8 H kræver 4 H₂O.

Oxygen kommer til sidst, fordi O₂ er et frit grundstof. Højre side har nu 3 × 2 + 4 × 1 = 10 O-atomer. Brændstoffet leverer allerede 1 O, så O₂ skal levere 9 atomer, en koefficient på 9/2. Når alt ganges med 2, fås 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Optælling: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 til venstre og 12 + 8 = 20 til højre. En massekontrol med IUPAC's standardatomvægte afrundet til to decimaler (C 12.01, H 1.01, O 16.00) stemmer for de viste molare mængder: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g reaktanter og 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g produkter.

Et almindeligt fejltrin er at glemme oxygenatomet inde i brændstoffet og skrive 5 O₂ for hver C₃H₈O. Optællingen afslører det med det samme: 11 O-atomer til venstre og 10 til højre.

Polyatomare ioner som enkelte enheder

Når en polyatomar ion som sulfat, nitrat eller phosphat optræder uændret på begge sider, så tæl den som én enhed i stedet for at tælle dens atomer hver for sig. Det forkorter regnskabet og undgår den hyppigste optællingsfejl, nemlig at glemme, at et indeks uden for parenteser ganger alt indeni: Ca(NO₃)₂ indeholder 2 N og 6 O.

Gennemregnet eksempel: bariumhydroxid reagerer med phosphorsyre og giver bariumphosphat og vand, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Start med Ba₃(PO₄)₂. Den indeholder 3 Ba, så brug 3 Ba(OH)₂, og 2 phosphatenheder, så brug 2 H₃PO₄.

For vandets vedkommende kan du tænke på det som H–OH: hvert molekyle dannes af ét H fra syren og én OH fra basen. Venstre side har nu 3 × 2 = 6 OH-grupper og 2 × 3 = 6 sure H-atomer, så der dannes 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Optælling: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 og 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 og 8 + 6 = 14.

Brug kun enhedsmetoden, når ionen forbliver intakt. Hvis nitrat for eksempel omdannes til NO i en redoxreaktion, skal nitrogen og oxygen tælles hver for sig.

Afstemning af ladning i ionligninger

En ionligning kan have afstemte atomer og alligevel være forkert. Betragt aluminiummetal anbragt i en opløsning af kobber(II)-ioner: Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Der er ét Al og ét Cu på hver side, men ladningen er 2+ til venstre og 3+ til højre.

Hvert Al-atom afgiver 3 elektroner, og hver Cu²⁺-ion optager 2. Det mindste fælles multiplum er 6, så 2 Al reagerer med 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Ladning: 3(2+) = 6+ til venstre og 2(3+) = 6+ til højre; atomer Al 2 = 2 og Cu 3 = 3.

Elektroner optræder ikke i en samlet ligning, så en uoverensstemmelse i ladning betyder altid, at ligningen endnu ikke er afstemt: en koefficient er forkert, eller en art som H⁺, OH⁻ eller H₂O mangler. For mere komplicerede redoxligninger, især i sur eller basisk opløsning, er halvreaktionsmetoden mere pålidelig end gennemsyn.

Den algebraiske metode til genstridige ligninger

Nogle ligninger, ofte redoxreaktioner hvor ét grundstof ender i flere produkter, modstår gennemsyn. Giv hver koefficient et bogstav, opstil én ligning pr. grundstof, sæt ét bogstav til 1, og løs. For kaliumpermanganat og saltsyre: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kalium giver a = c; mangan giver a = d; oxygen giver 4a = f; hydrogen giver b = 2f; chlor giver b = c + 2d + 2e. Sættes a = 1, fås c = 1, d = 1, f = 4 og b = 8, og derefter 8 = 1 + 2 + 2e, så e = 5/2. Ganget med 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Optælling: K 2, Mn 2, O 8, H 16 og Cl 16 på hver side.

Hvis grundstofligningerne, efter at du har sat ét bogstav til 1, stadig efterlader en koefficient ubestemt, har ligningen mere end én uafhængig afstemt form. Det betyder som regel, at den kombinerer to separate reaktioner, og der kræves yderligere kemisk information, for eksempel hvilken art der oxideres, og hvilken der reduceres i hver halvreaktion, for at vælge den rigtige.

Afstemningsfejl og den optælling, der fanger dem

Hver af fejlene nedenfor fanges af den samme afsluttende optælling, grundstof for grundstof og derefter ladning. Gør optællingen til en fast sidste linje i enhver ligning, ikke et valgfrit ekstra trin.

Hvis optællingen gang på gang fejler for det samme grundstof, så gå tilbage til rækkefølgen for gennemsyn og undersøg, om grundstoffet blev afstemt for tidligt.

• At ændre et indeks for at tvinge balance, som at skrive H₂O₂ for vand. Sammenlign hver formel med den uafstemte ligning, du startede fra.
• At skrive et toatomigt grundstof som enkeltatomer, for eksempel O i stedet for O₂.
• At glemme at gange igennem parenteser, så Ba₃(PO₄)₂ regnes for at have 4 O i stedet for 8.
• At efterlade brøker, eller koefficienter med en fælles faktor, i det endelige svar.
• At afstemme atomer, men ikke ladning, i en ligning med ioner.
• At afstemme et frit grundstof først og så skulle gøre det om efter hver anden ændring.