איזון משוואות כימיות שלב אחר שלב

מה מותר לשנות במקדמים ואסור בתחתיות

כל נוסחה קובעת את ההרכב של חומר אחד. ב-H₂O תמיד יש שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד; שינויה ל-H₂O₂ מתאר מימן על-חמצני, תרכובת אחרת. לכן מאזנים רק באמצעות מקדמים, המספרים שלפני הנוסחאות, שאומרים כמה יחידות נוסחה של כל חומר משתתפות.

במשוואה מאוזנת יש אותו מספר אטומים מכל יסוד בשני הצדדים. מכיוון שאטומים שומרים על מסתם, המסה הכוללת של המגיבים שווה אז למסה הכוללת של התוצרים, וזו בדיקה עצמאית שימושית. כשמופיעים יונים, סכום המטענים בצד שמאל חייב להיות שווה גם הוא לסכום בצד ימין.

המקדמים נכתבים כמספרים השלמים הקטנים ביותר שמאזנים את המשוואה. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O מאוזנת אך לא בצורתה הפשוטה ביותר; חלוקה ב-2 נותנת 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. מקדם של 1 אינו נכתב.

סדר בדיקה שמונע הסתובבות במעגלים

בדיקה עובדת הכי טוב בסדר קבוע, כי איזון של יסוד אחד עלול לפגוע באיזון של יסוד אחר שכבר סידרתם. הסדר שלהלן דוחה יסודות שמופיעים בכמה נוסחאות, ובמיוחד יסודות חופשיים כמו O₂ או מתכת, כי שינוי המקדם של יסוד חופשי אינו מפריע לשום דבר אחר.

הספירה הסופית חשובה ביותר. רשמו כל יסוד עם הכמות שלו בכל צד, תוך הכפלת כל תחתית במקדם ובכל תחתית שמחוץ לסוגריים. זה לוקח דקה ותופס כמעט כל טעות.

• כתבו נוסחאות נכונות לכל החומרים, כולל יסודות דו-אטומיים (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), ואל תשנו אותן אחר כך.
• תנו לנוסחה המורכבת ביותר מקדם ניסיון של 1.
• אזנו יסודות שמופיעים רק במגיב אחד ובתוצר אחד.
• אזנו יונים רב-אטומיים שעוברים ללא שינוי כיחידות בודדות.
• אזנו מימן וחמצן בשלב הבא, ויסודות חופשיים אחרונים.
• נקו כל שבר על ידי הכפלת כל המקדמים במכנה שלו, ואז צמצמו למספרים השלמים הקטנים ביותר.
• ספרו כל יסוד, ואת המטען הכולל, בשני הצדדים.

דוגמה פתורה: בעירה של 2-פרופנול

2-פרופנול (אלכוהול איזופרופילי), C₃H₈O, נשרף בחמצן ויוצר פחמן דו-חמצני ומים: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. תנו ל-C₃H₈O מקדם של 1. פחמן מופיע במגיב אחד ובתוצר אחד, ולכן 3 C דורשים 3 CO₂. כך גם מימן: 8 H דורשים 4 H₂O.

חמצן בא אחרון כי O₂ הוא יסוד חופשי. בצד ימין יש עכשיו 3 × 2 + 4 × 1 = 10 אטומי O. הדלק כבר מספק 1 O, ולכן O₂ חייב לספק 9 אטומים, מקדם של 9/2. הכפלת הכול ב-2 נותנת 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

ספירה: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 בצד שמאל ו-12 + 8 = 20 בצד ימין. בדיקת מסה בעזרת משקלים אטומיים סטנדרטיים של IUPAC מעוגלים לשני מקומות עשרוניים (C 12.01, H 1.01, O 16.00) מסכימה עבור הכמויות המולריות שמוצגות: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g של מגיבים ו-6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g של תוצרים.

טעות נפוצה היא לשכוח את אטום החמצן שבתוך הדלק ולכתוב 5 O₂ לכל C₃H₈O. הספירה חושפת זאת מיד: 11 אטומי O בצד שמאל ו-10 בצד ימין.

יונים רב-אטומיים כיחידות בודדות

כשיון רב-אטומי כמו סולפט, חנקתי או פוספט מופיע ללא שינוי בשני הצדדים, ספרו אותו כיחידה אחת במקום לספור את האטומים שלו בנפרד. זה מקצר את החשבונאות ומונע את שגיאת הספירה השכיחה ביותר, שכחה שתחתית מחוץ לסוגריים מכפילה כל מה שבפנים: Ca(NO₃)₂ מכיל 2 N ו-6 O.

דוגמה פתורה: בריום הידרוקסיד מגיב עם חומצה זרחתית ויוצר בריום פוספט ומים, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. מתחילים ב-Ba₃(PO₄)₂. הוא מכיל 3 Ba, ולכן משתמשים ב-3 Ba(OH)₂, ו-2 יחידות פוספט, ולכן משתמשים ב-2 H₃PO₄.

עבור המים, חשבו עליהם כעל H–OH: כל מולקולה נוצרת מ-H אחד של החומצה ו-OH אחד של הבסיס. בצד שמאל יש עכשיו 3 × 2 = 6 קבוצות OH ו-2 × 3 = 6 אטומי H חומציים, ולכן נוצרות 6 מולקולות H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. ספירה: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 ו-6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 ו-8 + 6 = 14.

השתמשו בגישת היחידה רק כשהיון שורד שלם. אם חנקתי הופך ל-NO בתגובת חמצון-חיזור, למשל, יש לספור חנקן וחמצן בנפרד.

איזון מטען במשוואות יוניות

משוואה יונית יכולה להיות מאוזנת באטומים ועדיין שגויה. נבחן מתכת אלומיניום שהונחה בתמיסה של יוני נחושת(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). יש Al אחד ו-Cu אחד בכל צד, אבל המטען הוא 2+ בצד שמאל ו-3+ בצד ימין.

כל אטום Al מאבד 3 אלקטרונים וכל יון Cu²⁺ מקבל 2. הכפולה המשותפת הקטנה ביותר היא 6, ולכן 2 Al מגיבים עם 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). מטען: 3(2+) = 6+ בצד שמאל ו-2(3+) = 6+ בצד ימין; אטומים Al 2 = 2 ו-Cu 3 = 3.

אלקטרונים אינם מופיעים במשוואה הכוללת, ולכן אי-התאמה במטען פירושה תמיד שהמשוואה עדיין אינה מאוזנת: מקדם שגוי, או שחסר מין כמו H⁺, OH⁻ או H₂O. במשוואות חמצון-חיזור מורכבות יותר, במיוחד בתמיסה חומצית או בסיסית, שיטת חצאי התגובות אמינה יותר מבדיקה.

השיטה האלגברית למשוואות עיקשות

יש משוואות, לעתים קרובות תגובות חמצון-חיזור שבהן יסוד אחד מגיע לכמה תוצרים, שמתנגדות לבדיקה. הקצו אות לכל מקדם, כתבו משוואה אחת לכל יסוד, קבעו אות אחת כ-1 ופתרו. עבור אשלגן פרמנגנט וחומצה כלורית: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

אשלגן נותן a = c; מנגן נותן a = d; חמצן נותן 4a = f; מימן נותן b = 2f; כלור נותן b = c + 2d + 2e. קביעת a = 1 נותנת c = 1, d = 1, f = 4 ו-b = 8, ואז 8 = 1 + 2 + 2e, ולכן e = 5/2. הכפלה ב-2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. ספירה: K 2, Mn 2, O 8, H 16 ו-Cl 16 בכל צד.

אם אחרי שקבעתם אות אחת כ-1 משוואות היסודות עדיין משאירות מקדם לא מוגדר, למשוואה יש יותר מצורה מאוזנת עצמאית אחת. בדרך כלל זה אומר שהיא משלבת שתי תגובות נפרדות, ונדרש מידע כימי נוסף, כמו איזה מין עובר חמצון ואיזה חיזור בכל חצי תגובה, כדי לבחור את הנכונה.

שגיאות באיזון והספירה שתופסת אותן

כל אחת מהשגיאות שלהלן נתפסת באותה ספירה סופית, יסוד אחר יסוד ואז מטען. הפכו את הספירה לשורה אחרונה קבועה בכל משוואה, לא לתוספת אופציונלית.

אם הספירה ממשיכה להיכשל באותו יסוד, חזרו לסדר הבדיקה ובדקו אם היסוד הזה אוזן מוקדם מדי.

• שינוי תחתית כדי לכפות איזון, כמו כתיבת H₂O₂ עבור מים. השוו כל נוסחה למשוואה הלא מאוזנת שממנה התחלתם.
• כתיבת יסוד דו-אטומי כאטומים בודדים, כמו O במקום O₂.
• שכחה להכפיל דרך סוגריים, כך שב-Ba₃(PO₄)₂ נספרים 4 O במקום 8.
• השארת שברים, או מקדמים עם גורם משותף, בתשובה הסופית.
• איזון אטומים אך לא מטען במשוואה עם יונים.
• איזון יסוד חופשי קודם, ואז הצורך לעשות זאת מחדש אחרי כל שינוי אחר.