화학 반응식 균형 맞추기, 단계별로

바꿀 수 있는 것은 계수이고 첨자는 바꿀 수 없습니다

화학식 하나는 물질 하나의 조성을 고정합니다. H₂O에는 항상 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 있으며, 이를 H₂O₂로 바꾸면 다른 화합물인 과산화 수소를 나타냅니다. 따라서 균형은 화학식 앞의 수인 계수로만 맞춥니다. 계수는 각 물질의 화학식 단위가 몇 개 반응에 참여하는지를 나타냅니다.

균형 잡힌 반응식은 양쪽에 각 원소의 원자 수가 같습니다. 원자는 질량을 유지하므로 반응물의 총질량이 생성물의 총질량과 같아지며, 이는 유용한 독립적인 점검이 됩니다. 이온이 나올 때는 왼쪽의 전하 합도 오른쪽의 전하 합과 같아야 합니다.

계수는 반응식의 균형을 맞추는 가장 작은 정수로 씁니다. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O는 균형이 맞지만 가장 간단한 정수비가 아니며, 2로 나누면 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O가 됩니다. 계수 1은 쓰지 않습니다.

제자리를 맴돌지 않게 하는 점검 순서

점검은 정해진 순서로 할 때 가장 잘 됩니다. 한 원소의 균형을 맞추다 이미 맞춘 다른 원소의 균형이 깨질 수 있기 때문입니다. 아래 순서는 여러 화학식에 나타나는 원소를 뒤로 미루며, 특히 O₂나 금속 같은 홑원소 물질은 계수를 바꿔도 다른 것에 영향을 주지 않으므로 맨 나중에 맞춥니다.

마지막 집계가 가장 중요합니다. 각 원소를 양쪽의 개수와 함께 나열하되, 모든 첨자에 계수와 괄호 밖의 첨자를 곱하십시오. 1분이면 되고 거의 모든 실수를 잡아낼 수 있습니다.

• 이원자 원소(H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂)를 포함해 모든 물질의 올바른 화학식을 쓰고, 이후에는 바꾸지 않습니다.
• 가장 복잡한 화학식에 임시로 계수 1을 줍니다.
• 반응물 하나와 생성물 하나에만 나타나는 원소의 균형을 맞춥니다.
• 변하지 않고 그대로 지나가는 다원자 이온은 하나의 단위로 보고 균형을 맞춥니다.
• 다음으로 수소와 산소의 균형을 맞추고, 홑원소 물질은 마지막에 맞춥니다.
• 분수가 있으면 모든 계수에 분모를 곱해 없앤 다음, 가장 작은 정수로 약분합니다.
• 양쪽의 모든 원소와 총전하를 집계합니다.

풀이 예제: 2-프로판올의 연소

2-프로판올(아이소프로필 알코올) C₃H₈O는 산소에서 타서 이산화 탄소와 물을 만듭니다. C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. C₃H₈O에 계수 1을 줍니다. 탄소는 반응물 하나와 생성물 하나에 나타나므로 C 3개에는 CO₂ 3개가 필요합니다. 수소도 마찬가지로 H 8개에는 H₂O 4개가 필요합니다.

O₂는 홑원소 물질이므로 산소는 마지막에 맞춥니다. 오른쪽에는 이제 O 원자가 3 × 2 + 4 × 1 = 10개 있습니다. 연료가 이미 O 1개를 공급하므로 O₂가 9개의 원자를 공급해야 하며, 계수는 9/2입니다. 전체에 2를 곱하면 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O가 됩니다.

집계: C 6 = 6, H 16 = 16, O는 왼쪽이 2 + 18 = 20, 오른쪽이 12 + 8 = 20입니다. 소수 둘째 자리로 반올림한 IUPAC 표준 원자량(C 12.01, H 1.01, O 16.00)으로 질량을 점검해도 제시된 몰 양에서 일치합니다. 반응물은 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g, 생성물은 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g입니다.

흔한 실수는 연료 안에 있는 산소 원자를 잊고 C₃H₈O마다 5 O₂를 쓰는 것입니다. 집계를 하면 곧바로 드러납니다. 왼쪽 O 원자는 11개, 오른쪽은 10개입니다.

하나의 단위로서의 다원자 이온

황산 이온, 질산 이온, 인산 이온 같은 다원자 이온이 양쪽에 변하지 않고 나타나면, 원자를 따로 세지 말고 하나의 단위로 세십시오. 이렇게 하면 계산이 짧아지고 가장 흔한 세기 오류를 피할 수 있습니다. 그 오류는 괄호 밖의 첨자가 괄호 안 전체에 곱해진다는 것을 잊는 것입니다. Ca(NO₃)₂에는 N 2개와 O 6개가 있습니다.

풀이 예제: 수산화 바륨이 인산과 반응해 인산 바륨과 물을 만듭니다. Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Ba₃(PO₄)₂부터 시작합니다. Ba가 3개이므로 3 Ba(OH)₂를 쓰고, 인산 이온 단위가 2개이므로 2 H₃PO₄를 씁니다.

물은 H–OH로 생각하십시오. 분자마다 산의 H 하나와 염기의 OH 하나에서 만들어집니다. 이제 왼쪽에는 OH기가 3 × 2 = 6개, 산의 H 원자가 2 × 3 = 6개 있으므로 H₂O 6개가 생깁니다. 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. 집계: Ba 3 = 3, P 2 = 2, H는 6 + 6 = 12이고 6 × 2 = 12, O는 6 + 8 = 14이고 8 + 6 = 14입니다.

이온이 그대로 유지될 때만 단위 방식을 쓰십시오. 예를 들어 산화·환원 반응에서 질산 이온이 NO로 바뀌면 질소와 산소를 따로 세어야 합니다.

이온 반응식에서 전하의 균형 맞추기

이온 반응식은 원자의 균형이 맞아도 틀릴 수 있습니다. 구리(II) 이온 용액에 알루미늄 금속을 넣는 경우를 생각해 봅시다. Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). 양쪽에 Al과 Cu가 하나씩 있지만 전하는 왼쪽이 2+, 오른쪽이 3+입니다.

Al 원자는 각각 전자 3개를 잃고 Cu²⁺ 이온은 각각 2개를 얻습니다. 최소공배수는 6이므로 Al 2개가 Cu²⁺ 3개와 반응합니다. 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). 전하: 왼쪽 3(2+) = 6+, 오른쪽 2(3+) = 6+이며, 원자는 Al 2 = 2, Cu 3 = 3입니다.

전자는 전체 반응식에 나타나지 않으므로, 전하가 맞지 않으면 항상 반응식의 균형이 아직 맞지 않은 것입니다. 계수가 틀렸거나 H⁺, OH⁻, H₂O 같은 화학종이 빠졌습니다. 특히 산성 또는 염기성 용액의 더 복잡한 산화·환원 반응식에서는 점검보다 반쪽 반응법이 더 믿을 만합니다.

잘 풀리지 않는 반응식을 위한 대수적 방법

어떤 원소가 여러 생성물에 나타나는 산화·환원 반응처럼, 점검으로는 풀리지 않는 반응식이 있습니다. 각 계수에 문자를 하나씩 배정하고, 원소마다 식을 하나씩 세우고, 한 문자를 1로 놓은 뒤 풉니다. 과망가니즈산 칼륨과 염산의 경우는 a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O입니다.

칼륨에서 a = c, 망가니즈에서 a = d, 산소에서 4a = f, 수소에서 b = 2f, 염소에서 b = c + 2d + 2e가 나옵니다. a = 1로 놓으면 c = 1, d = 1, f = 4, b = 8이고, 8 = 1 + 2 + 2e이므로 e = 5/2입니다. 2를 곱하면 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O입니다. 집계: 양쪽에 K 2, Mn 2, O 8, H 16, Cl 16입니다.

한 문자를 1로 놓고도 원소별 식으로 계수 하나가 결정되지 않는다면, 그 반응식에는 독립적인 균형 형태가 둘 이상 있는 것입니다. 이는 대개 두 개의 별도 반응이 합쳐져 있다는 뜻이며, 올바른 것을 고르려면 각 반쪽 반응에서 어느 화학종이 산화되고 어느 것이 환원되는지 같은 추가적인 화학 정보가 필요합니다.

균형 맞추기 오류와 이를 잡아내는 집계

아래 오류는 모두 같은 마지막 집계, 곧 원소별로 한 번, 그다음 전하로 한 번 점검하면 잡힙니다. 집계는 선택 사항이 아니라 모든 반응식의 정해진 마지막 줄로 삼으십시오.

같은 원소에서 집계가 계속 맞지 않으면 점검 순서로 돌아가 그 원소의 균형을 너무 일찍 맞추지 않았는지 확인하십시오.

• 균형을 억지로 맞추려고 물에 H₂O₂를 쓰는 것처럼 첨자를 바꾸는 것. 모든 화학식을 처음의 균형 안 맞춘 반응식과 비교하십시오.
• 이원자 원소를 O₂ 대신 O처럼 낱개의 원자로 쓰는 것.
• 괄호에 곱하는 것을 잊어서 Ba₃(PO₄)₂의 O를 8개가 아니라 4개로 세는 것.
• 최종 답에 분수나 공약수가 있는 계수를 남기는 것.
• 이온이 있는 반응식에서 원자의 균형만 맞추고 전하의 균형은 맞추지 않는 것.
• 홑원소 물질을 먼저 맞췄다가 다른 것이 바뀔 때마다 다시 맞춰야 하는 것.