Reaktioyhtälöiden tasapainottaminen vaihe vaiheelta

Mitä kertoimia saa muuttaa ja mitä alaindeksejä ei

Jokainen kaava kiinnittää yhden aineen koostumuksen. H₂O:ssa on aina kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi; sen muuttaminen muotoon H₂O₂ kuvaa vetyperoksidia, joka on eri yhdiste. Tasapainottaminen tehdään siksi vain kertoimilla, kaavojen edessä olevilla luvuilla, jotka kertovat, montako kunkin aineen kaavayksikköä osallistuu reaktioon.

Tasapainotetussa yhtälössä kunkin alkuaineen atomeja on yhtä paljon molemmilla puolilla. Koska atomit säilyttävät massansa, lähtöaineiden kokonaismassa on tällöin yhtä suuri kuin tuotteiden kokonaismassa, mikä on hyödyllinen riippumaton tarkistus. Kun mukana on ioneja, vasemman puolen varausten summan täytyy myös olla yhtä suuri kuin oikean puolen.

Kertoimet kirjoitetaan pienimpinä kokonaislukuina, jotka tasapainottavat yhtälön. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O on tasapainossa mutta ei supistetussa muodossa; kahdella jakamalla saadaan 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Kerrointa 1 ei kirjoiteta.

Tarkastelujärjestys, joka estää kehässä kiertämisen

Tarkastelu toimii parhaiten kiinteällä järjestyksellä, koska yhden alkuaineen tasapainottaminen voi rikkoa toisen, jonka olit jo saanut tasapainoon. Alla oleva järjestys siirtää myöhemmäksi alkuaineet, jotka esiintyvät useassa kaavassa, ja erityisesti vapaat alkuaineet, kuten O₂ tai metalli, koska vapaan alkuaineen kertoimen muuttaminen ei häiritse mitään muuta.

Lopullinen laskenta on tärkein. Luettele jokainen alkuaine ja sen lukumäärä kummallakin puolella kertomalla jokainen alaindeksi kertoimella ja sulkeiden ulkopuolisella alaindeksillä. Siihen menee minuutti, ja se paljastaa lähes jokaisen lipsahduksen.

• Kirjoita oikeat kaavat kaikille aineille, kaksiatomiset alkuaineet (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂) mukaan lukien, äläkä muuta niitä jälkeenpäin.
• Anna monimutkaisimmalle kaavalle kokeiluna kerroin 1.
• Tasapainota alkuaineet, jotka esiintyvät vain yhdessä lähtöaineessa ja yhdessä tuotteessa.
• Tasapainota moniatomiset ionit, jotka kulkevat muuttumattomina läpi yksittäisinä yksikköinä.
• Tasapainota seuraavaksi vety ja happi ja viimeiseksi vapaat alkuaineet.
• Poista murtoluvut kertomalla jokainen kerroin nimittäjällään ja supista sitten pienimpiin kokonaislukuihin.
• Laske jokainen alkuaine ja kokonaisvaraus molemmilta puolilta.

Läpikäyty esimerkki: 2-propanolin palaminen

2-Propanoli (isopropyylialkoholi), C₃H₈O, palaa hapessa muodostaen hiilidioksidia ja vettä: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Anna C₃H₈O:lle kerroin 1. Hiiltä esiintyy yhdessä lähtöaineessa ja yhdessä tuotteessa, joten 3 C vaatii 3 CO₂. Samoin vety: 8 H vaatii 4 H₂O.

Happi tulee viimeisenä, koska O₂ on vapaa alkuaine. Oikealla puolella on nyt 3 × 2 + 4 × 1 = 10 O-atomia. Polttoaine tuo jo 1 O:n, joten O₂:n täytyy tuoda 9 atomia, kerroin 9/2. Kertomalla kaikki kahdella saadaan 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Laskenta: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 vasemmalla ja 12 + 8 = 20 oikealla. Massatarkistus kahteen desimaaliin pyöristetyillä IUPAC:n standardiatomipainoilla (C 12.01, H 1.01, O 16.00) täsmää esitetyille ainemäärille: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g lähtöaineita ja 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g tuotteita.

Yleinen lipsahdus on unohtaa polttoaineen sisällä oleva happiatomi ja kirjoittaa 5 O₂ jokaista C₃H₈O:ta kohti. Laskenta paljastaa sen heti: 11 O-atomia vasemmalla ja 10 oikealla.

Moniatomiset ionit yksittäisinä yksikköinä

Kun moniatominen ioni, kuten sulfaatti, nitraatti tai fosfaatti, esiintyy muuttumattomana kummallakin puolella, laske se yhdeksi yksiköksi sen sijaan, että laskisit sen atomit erikseen. Tämä lyhentää kirjanpitoa ja välttää yleisimmän laskuvirheen: unohtamisen, että sulkeiden ulkopuolinen alaindeksi kertoo kaiken sulkeiden sisällä: Ca(NO₃)₂ sisältää 2 N ja 6 O.

Läpikäyty esimerkki: bariumhydroksidi reagoi fosforihapon kanssa muodostaen bariumfosfaattia ja vettä, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Aloita yhdisteestä Ba₃(PO₄)₂. Se sisältää 3 Ba, joten käytä 3 Ba(OH)₂, ja 2 fosfaattiyksikköä, joten käytä 2 H₃PO₄.

Vedessä ajattele sitä muodossa H–OH: jokainen molekyyli muodostuu hapon yhdestä H:sta ja emäksen yhdestä OH:sta. Vasemmalla puolella on nyt 3 × 2 = 6 OH-ryhmää ja 2 × 3 = 6 happamaa H-atomia, joten muodostuu 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Laskenta: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 ja 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 ja 8 + 6 = 14.

Käytä yksikkötapaa vain, kun ioni säilyy ehjänä. Jos nitraatti muuttuu esimerkiksi redox-reaktiossa NO:ksi, typpi ja happi on laskettava erikseen.

Varauksen tasapainottaminen ioniyhtälöissä

Ioniyhtälö voi olla atomien osalta tasapainossa ja silti väärin. Tarkastellaan alumiinimetallia kupari(II)-ioneja sisältävässä liuoksessa: Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Kummallakin puolella on yksi Al ja yksi Cu, mutta varaus on vasemmalla 2+ ja oikealla 3+.

Jokainen Al-atomi luovuttaa 3 elektronia ja jokainen Cu²⁺-ioni vastaanottaa 2. Pienin yhteinen monikerta on 6, joten 2 Al reagoi 3 Cu²⁺:n kanssa: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Varaus: 3(2+) = 6+ vasemmalla ja 2(3+) = 6+ oikealla; atomit Al 2 = 2 ja Cu 3 = 3.

Elektronit eivät esiinny kokonaisyhtälössä, joten varauksen epätasapaino tarkoittaa aina, että yhtälö ei vielä ole tasapainossa: jokin kerroin on väärä tai laji, kuten H⁺, OH⁻ tai H₂O, puuttuu. Monimutkaisemmille redox-yhtälöille, erityisesti happamassa tai emäksisessä liuoksessa, osareaktiomenetelmä on luotettavampi kuin tarkastelu.

Algebrallinen menetelmä hankaliin yhtälöihin

Jotkin yhtälöt, usein redox-reaktiot, joissa yksi alkuaine päätyy useaan tuotteeseen, vastustavat tarkastelua. Anna jokaiselle kertoimelle kirjain, kirjoita yksi yhtälö alkuainetta kohti, aseta yksi kirjain arvoon 1 ja ratkaise. Kaliumpermanganaatille ja suolahapolle: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kalium antaa a = c; mangaani antaa a = d; happi antaa 4a = f; vety antaa b = 2f; kloori antaa b = c + 2d + 2e. Kun a = 1, saadaan c = 1, d = 1, f = 4 ja b = 8, ja sitten 8 = 1 + 2 + 2e, joten e = 5/2. Kertomalla kahdella: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Laskenta: K 2, Mn 2, O 8, H 16 ja Cl 16 kummallakin puolella.

Jos sen jälkeen, kun olet asettanut yhden kirjaimen arvoon 1, alkuaineyhtälöt jättävät jonkin kertoimen määräämättä, yhtälöllä on useampi kuin yksi riippumaton tasapainotettu muoto. Se tarkoittaa yleensä, että yhtälö yhdistää kaksi erillistä reaktiota, ja oikean valitsemiseen tarvitaan lisää kemiallista tietoa, kuten se, mikä laji hapettuu ja mikä pelkistyy kummassakin osareaktiossa.

Tasapainotusvirheet ja laskenta, joka ne paljastaa

Sama lopullinen laskenta, alkuaine alkuaineelta ja sitten varaus, paljastaa jokaisen alla olevista virheistä. Tee laskennasta jokaisen yhtälön kiinteä viimeinen rivi, älä valinnainen lisä.

Jos laskenta epäonnistuu yhä saman alkuaineen kohdalla, palaa tarkastelujärjestykseen ja tarkista, tasapainotettiinko kyseinen alkuaine liian aikaisin.

• Alaindeksin muuttaminen tasapainon pakottamiseksi, esimerkiksi H₂O₂:n kirjoittaminen veden tilalle. Vertaa jokaista kaavaa tasapainottamattomaan yhtälöön, josta lähdit.
• Kaksiatomisen alkuaineen kirjoittaminen yksittäisinä atomeina, esimerkiksi O O₂:n sijaan.
• Sulkeiden läpi kertomisen unohtaminen, jolloin Ba₃(PO₄)₂:ssa lasketaan olevan 4 O 8:n sijaan.
• Murtolukujen tai yhteisen tekijän sisältävien kertoimien jättäminen lopulliseen vastaukseen.
• Atomien mutta ei varauksen tasapainottaminen yhtälössä, jossa on ioneja.
• Vapaan alkuaineen tasapainottaminen ensin, jolloin se pitää tehdä uudelleen jokaisen muun muutoksen jälkeen.