Balansering av kjemiske likninger trinn for trinn

Hva koeffisienter kan endre og indekser ikke kan

Hver formel fastlegger sammensetningen til ett stoff. H₂O har alltid to hydrogenatomer og ett oksygenatom; å endre det til H₂O₂ beskriver hydrogenperoksid, en annen forbindelse. Balansering gjøres derfor bare med koeffisienter, tallene foran formlene, som sier hvor mange formelenheter av hvert stoff som deltar.

En balansert likning har like mange atomer av hvert grunnstoff på begge sider. Siden atomer beholder massen sin, er den totale massen av reaktantene da lik den totale massen av produktene, noe som gir en nyttig uavhengig kontroll. Når ioner er med, må summen av ladningene til venstre også være lik summen til høyre.

Koeffisienter skrives som de minste hele tallene som balanserer likningen. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O er balansert, men ikke i laveste termer; deling på 2 gir 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. En koeffisient på 1 skrives ikke.

En inspeksjonsrekkefølge som unngår å gå i ring

Inspeksjon virker best med en fast rekkefølge, fordi balansering av ett grunnstoff kan ubalansere et annet du allerede har ordnet. Rekkefølgen nedenfor utsetter grunnstoffer som forekommer i flere formler, og særlig frie grunnstoffer som O₂ eller et metall, fordi en endring av koeffisienten til et fritt grunnstoff ikke forstyrrer noe annet.

Sluttkontrollen er viktigst. List opp hvert grunnstoff med antallet på hver side, og multipliser hver indeks med koeffisienten og med eventuell indeks utenfor parenteser. Det tar et minutt og fanger nesten alle glipp.

• Skriv riktige formler for alle stoffer, også for toatomige grunnstoffer (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), og ikke endre dem etterpå.
• Gi den mest kompliserte formelen prøvekoeffisienten 1.
• Balanser grunnstoffer som bare forekommer i én reaktant og ett produkt.
• Balanser fleratomige ioner som går uendret gjennom som enkeltenheter.
• Balanser hydrogen og oksygen deretter, og frie grunnstoffer sist.
• Fjern eventuelle brøker ved å multiplisere alle koeffisientene med nevneren, og forkort deretter til de minste hele tallene.
• Tell opp hvert grunnstoff, og den totale ladningen, på begge sider.

Regneeksempel: forbrenning av 2-propanol

2-Propanol (isopropylalkohol), C₃H₈O, brenner i oksygen og gir karbondioksid og vann: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Gi C₃H₈O koeffisienten 1. Karbon forekommer i én reaktant og ett produkt, så 3 C krever 3 CO₂. Det samme gjelder hydrogen: 8 H krever 4 H₂O.

Oksygen kommer sist fordi O₂ er et fritt grunnstoff. Høyre side har nå 3 × 2 + 4 × 1 = 10 O-atomer. Drivstoffet leverer allerede 1 O, så O₂ må levere 9 atomer, en koeffisient på 9/2. Multipliserer vi alt med 2, får vi 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Opptelling: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 til venstre og 12 + 8 = 20 til høyre. En massekontroll med IUPACs standard atomvekter avrundet til to desimaler (C 12.01, H 1.01, O 16.00) stemmer for stoffmengdene som er vist: 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.

En vanlig glipp er å glemme oksygenatomet i drivstoffet og skrive 5 O₂ for hver C₃H₈O. Opptellingen avslører det med en gang: 11 O-atomer til venstre og 10 til høyre.

Fleratomige ioner som enkeltenheter

Når et fleratomig ion som sulfat, nitrat eller fosfat står uendret på begge sider, kan du telle det som én enhet i stedet for å telle atomene hver for seg. Det forkorter regnskapet og unngår den hyppigste tellefeilen, nemlig å glemme at en indeks utenfor en parentes multipliserer alt innenfor: Ca(NO₃)₂ inneholder 2 N og 6 O.

Regneeksempel: bariumhydroksid reagerer med fosforsyre og gir bariumfosfat og vann, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Start med Ba₃(PO₄)₂. Den inneholder 3 Ba, så bruk 3 Ba(OH)₂, og 2 fosfatenheter, så bruk 2 H₃PO₄.

For vannet kan du tenke på det som H–OH: hvert molekyl dannes av ett H fra syren og én OH fra basen. Venstre side har nå 3 × 2 = 6 OH-grupper og 2 × 3 = 6 sure H-atomer, så det dannes 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Opptelling: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 og 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 og 8 + 6 = 14.

Bruk enhetstilnærmingen bare når ionet består uendret. Hvis nitrat for eksempel omdannes til NO i en redoksreaksjon, må nitrogen og oksygen telles hver for seg.

Balansering av ladning i ioniske likninger

En ionisk likning kan balansere atomene og likevel være feil. Tenk deg aluminiummetall i en løsning av kobber(II)-ioner: Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Det er ett Al og ett Cu på hver side, men ladningen er 2+ til venstre og 3+ til høyre.

Hvert Al-atom avgir 3 elektroner og hvert Cu²⁺-ion tar opp 2. Minste felles 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 høyre; atomer Al 2 = 2 og Cu 3 = 3.

Elektroner står ikke i en totalreaksjon, så en ladningsfeil betyr alltid at likningen ennå ikke er balansert: en koeffisient er feil, eller en art som H⁺, OH⁻ eller H₂O mangler. For mer kompliserte redokslikninger, særlig i sur eller basisk løsning, er halvreaksjonsmetoden mer pålitelig enn inspeksjon.

Den algebraiske metoden for vanskelige likninger

Noen likninger, ofte redoksreaksjoner der ett grunnstoff havner i flere produkter, lar seg ikke løse ved inspeksjon. Gi hver koeffisient en bokstav, skriv én likning per grunnstoff, sett én bokstav lik 1, og løs. For kaliumpermanganat og saltsyre: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kalium gir a = c; mangan gir a = d; oksygen gir 4a = f; hydrogen gir b = 2f; klor gir b = c + 2d + 2e. Setter vi a = 1, får vi c = 1, d = 1, f = 4 og b = 8, og så 8 = 1 + 2 + 2e, altså e = 5/2. Multiplisert med 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Opptelling: K 2, Mn 2, O 8, H 16 og Cl 16 på hver side.

Hvis likningene for grunnstoffene fortsatt lar en koeffisient være ubestemt etter at du har satt én bokstav lik 1, har likningen mer enn én uavhengig balansert form. Det betyr vanligvis at den kombinerer to separate reaksjoner, og at det trengs ekstra kjemisk informasjon, for eksempel hvilken art som oksideres og hvilken som reduseres i hver halvreaksjon, for å velge den riktige.

Balanseringsfeil og opptellingen som fanger dem

Hver av feilene nedenfor fanges opp av den samme sluttopptellingen, grunnstoff for grunnstoff og deretter ladning. Gjør opptellingen til en fast siste linje i hver likning, ikke til et valgfritt tillegg.

Hvis opptellingen stadig svikter for samme grunnstoff, går du tilbake til inspeksjonsrekkefølgen og sjekker om det grunnstoffet ble balansert for tidlig.

• Å endre en indeks for å tvinge fram balanse, som å skrive H₂O₂ for vann. Sammenlign hver formel med den ubalanserte likningen du startet med.
• Å skrive et toatomig grunnstoff som enkeltatomer, som O i stedet for O₂.
• Å glemme å multiplisere gjennom parenteser, slik at Ba₃(PO₄)₂ telles som 4 O i stedet for 8.
• Å la brøker, eller koeffisienter med en felles faktor, stå igjen i det endelige svaret.
• Å balansere atomer, men ikke ladning, i en likning med ioner.
• Å balansere et fritt grunnstoff først og så måtte gjøre det om etter hver annen endring.