Keemiliste reaktsioonivõrrandite tasakaalustamine samm-sammult

Mida kordajad tohivad muuta ja indeksid mitte

Iga valem fikseerib ühe aine koostise. H₂O sisaldab alati kahte vesinikuaatomit ja ühte hapnikuaatomit; selle muutmine H₂O₂-ks kirjeldab vesinikperoksiidi, teist ühendit. Tasakaalustamine toimub seega ainult kordajatega, valemite ees olevate arvudega, mis ütlevad, kui palju iga aine valemiühikuid osaleb.

Tasakaalustatud võrrandis on iga elemendi aatomeid mõlemal pool sama palju. Kuna aatomid säilitavad oma massi, on reagentide kogumass siis võrdne saaduste kogumassiga, mis on kasulik sõltumatu kontroll. Kui esinevad ioonid, peab vasakul olevate laengute summa võrduma ka parempoolse summaga.

Kordajad kirjutatakse väikseimate täisarvudena, mis võrrandi tasakaalustavad. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O on tasakaalus, kuid mitte lihtsaimal kujul; 2-ga jagamine annab 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Kordaja 1 jäetakse kirjutamata.

Vaatlusjärjekord, mis väldib ringiratast käimist

Vaatlus töötab kõige paremini kindla järjekorraga, sest ühe elemendi tasakaalustamine võib tasakaalust välja viia teise, mille juba lahendasid. Allolev järjekord lükkab edasi elemendid, mis esinevad mitmes valemis, ja eriti vabad elemendid, näiteks O₂ või metall, sest vaba elemendi kordaja muutmine ei häiri midagi muud.

Lõplik kontrollloendus on kõige olulisem. Loetle iga element koos selle arvuga mõlemal pool, korrutades iga indeksi kordajaga ja sulgude välise indeksiga. See võtab minuti ja püüab kinni peaaegu iga eksimuse.

• Kirjuta õiged valemid igale ainele, sealhulgas kaheaatomilised elemendid (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), ja ära muuda neid hiljem.
• Anna kõige keerulisemale valemile prooviks kordaja 1.
• Tasakaalusta elemendid, mis esinevad ainult ühes reagendis ja ühes saaduses.
• Tasakaalusta mitmeaatomilised ioonid, mis läbivad muutumatuna ühe ühikuna.
• Tasakaalusta järgmisena vesinik ja hapnik ning vabad elemendid viimasena.
• Kõrvalda murrud, korrutades kõik kordajad nimetajaga, seejärel taanda väikseimate täisarvudeni.
• Loe kokku iga element ja kogulaeng mõlemal pool.

Lahendatud näide: 2-propanooli põlemine

2-propanool (isopropüülalkohol), C₃H₈O, põleb hapnikus, andes süsinikdioksiidi ja vett: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Anna C₃H₈O-le kordaja 1. Süsinik esineb ühes reagendis ja ühes saaduses, seega 3 C nõuab 3 CO₂. Samuti vesinik: 8 H nõuab 4 H₂O.

Hapnik tuleb viimasena, sest O₂ on vaba element. Parempoolsel küljel on nüüd 3 × 2 + 4 × 1 = 10 O aatomit. Kütus annab juba 1 O, seega peab O₂ andma 9 aatomit, kordaja 9/2. Kõige 2-ga korrutamine annab 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Kontrollloendus: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 vasakul ja 12 + 8 = 20 paremal. Massikontroll IUPAC-i standardsete aatommassidega, mis on ümardatud kahe kümnendkohani (C 12.01, H 1.01, O 16.00), langeb kokku näidatud moolihulkade puhul: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g reagente ja 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g saadusi.

Tavaline eksimus on unustada kütuse sees olev hapnikuaatom ja kirjutada 5 O₂ iga C₃H₈O kohta. Kontrollloendus paljastab selle kohe: vasakul 11 O aatomit ja paremal 10.

Mitmeaatomilised ioonid ühe ühikuna

Kui mitmeaatomiline ioon, näiteks sulfaat, nitraat või fosfaat, esineb mõlemal pool muutumatuna, loe see üheks ühikuks, selle asemel et loendada selle aatomeid eraldi. See lühendab arvepidamist ja väldib kõige sagedasemat loendusviga, unustamist, et sulgude väline indeks korrutab kõike sees olevat: Ca(NO₃)₂ sisaldab 2 N ja 6 O.

Lahendatud näide: baariumhüdroksiid reageerib fosforhappega, andes baariumfosfaati ja vett, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Alusta Ba₃(PO₄)₂-st. See sisaldab 3 Ba, seega kasuta 3 Ba(OH)₂, ja 2 fosfaatühikut, seega kasuta 2 H₃PO₄.

Vee puhul mõtle sellest kui H–OH: iga molekul moodustub happe ühest H-st ja aluse ühest OH-st. Vasakul küljel on nüüd 3 × 2 = 6 OH-rühma ja 2 × 3 = 6 happelist H aatomit, seega moodustub 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Kontrollloendus: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 ja 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 ja 8 + 6 = 14.

Kasuta ühikupõhist lähenemist ainult siis, kui ioon säilib puutumatuna. Kui nitraat muudetakse redoksreaktsioonis näiteks NO-ks, tuleb lämmastikku ja hapnikku loendada eraldi.

Laengu tasakaalustamine ioonvõrrandites

Ioonvõrrand võib aatomite poolest tasakaalus olla ja olla ikkagi vale. Vaatle alumiiniummetalli, mis on asetatud vask(II)ioone sisaldavasse lahusse: Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Mõlemal pool on üks Al ja üks Cu, kuid laeng on vasakul 2+ ja paremal 3+.

Iga Al aatom loobub 3 elektronist ja iga Cu²⁺ ioon võtab vastu 2. Vähim ühiskordne on 6, seega reageerib 2 Al 3 Cu²⁺-ga: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Laeng: 3(2+) = 6+ vasakul ja 2(3+) = 6+ paremal; aatomid Al 2 = 2 ja Cu 3 = 3.

Elektronid ei esine summaarses võrrandis, seega tähendab laengu mittekattuvus alati, et võrrand ei ole veel tasakaalus: kordaja on vale või puudub liik, näiteks H⁺, OH⁻ või H₂O. Keerulisemate redoksvõrrandite puhul, eriti happelises või aluselises lahuses, on pooleraktsioonide meetod usaldusväärsem kui vaatlus.

Algebraline meetod kangekaelsete võrrandite jaoks

Mõned võrrandid, sageli redoksreaktsioonid, kus üks element lõpeb mitmes saaduses, ei alistu vaatlusele. Anna igale kordajale täht, kirjuta iga elemendi kohta üks võrrand, sea üks täht võrdseks 1-ga ja lahenda. Kaaliumpermanganaadi ja vesinikkloriidhappe jaoks: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kaalium annab a = c; mangaan annab a = d; hapnik annab 4a = f; vesinik annab b = 2f; kloor annab b = c + 2d + 2e. Seades a = 1, saame c = 1, d = 1, f = 4 ja b = 8, ning seejärel 8 = 1 + 2 + 2e, seega e = 5/2. 2-ga korrutamine annab: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Kontrollloendus: K 2, Mn 2, O 8, H 16 ja Cl 16 mõlemal pool.

Kui pärast ühe tähe 1-ga võrdsustamist jätavad elementide võrrandid ikkagi mõne kordaja määramata, on võrrandil rohkem kui üks sõltumatu tasakaalustatud kuju. See tähendab tavaliselt, et see ühendab kaks eraldi reaktsiooni, ning õige valimiseks on vaja täiendavat keemilist teavet, näiteks seda, milline liik oksüdeerub ja milline redutseerub igas pooleraktsioonis.

Tasakaalustamisvead ja kontrollloendus, mis need kinni püüab

Iga allpool oleva vea püüab kinni sama lõplik kontrollloendus, element elemendi haaval ja seejärel laeng. Tee kontrollloendus iga võrrandi kindlaks viimaseks reaks, mitte valikuliseks lisaks.

Kui kontrollloendus ebaõnnestub pidevalt sama elemendi puhul, mine tagasi vaatlusjärjekorra juurde ja kontrolli, kas see element tasakaalustati liiga vara.

• Indeksi muutmine tasakaalu sundimiseks, näiteks vee kirjutamine H₂O₂-na. Võrdle iga valemit tasakaalustamata võrrandiga, millest alustasid.
• Kaheaatomilise elemendi kirjutamine üksikute aatomitena, näiteks O asemel O₂.
• Sulgude kaudu läbikorrutamise unustamine, nii et Ba₃(PO₄)₂ loetakse sisaldavaks 4 O asemel 8.
• Murdude või ühise teguriga kordajate jätmine lõppvastusse.
• Aatomite, kuid mitte laengu tasakaalustamine ioone sisaldavas võrrandis.
• Vaba elemendi tasakaalustamine esimesena ja selle uuesti tegemine pärast iga teist muudatust.