Echilibrarea ecuațiilor chimice pas cu pas

Ce pot schimba coeficienții și ce nu pot schimba indicii

Fiecare formulă fixează compoziția unei substanțe. H₂O are întotdeauna doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen; schimbarea ei în H₂O₂ descrie peroxidul de hidrogen, un alt compus. Echilibrarea se face deci doar cu coeficienți, numerele din fața formulelor, care spun câte unități de formulă din fiecare substanță participă.

O ecuație echilibrată are același număr de atomi din fiecare element în ambele părți. Deoarece atomii își păstrează masa, masa totală a reactanților este atunci egală cu masa totală a produșilor, ceea ce oferă o verificare independentă utilă. Când apar ioni, suma sarcinilor din stânga trebuie să fie egală și cu suma din dreapta.

Coeficienții se scriu ca cele mai mici numere întregi care echilibrează ecuația. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O este echilibrată, dar nu în cei mai mici termeni; împărțirea la 2 dă 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Un coeficient egal cu 1 nu se scrie.

O ordine de inspecție care evită învârtirea în cerc

Inspecția funcționează cel mai bine cu o ordine fixă, deoarece echilibrarea unui element poate dezechilibra altul pe care l-ai stabilit deja. Ordinea de mai jos amână elementele care apar în mai multe formule și mai ales elementele libere precum O₂ sau un metal, deoarece schimbarea coeficientului unui element liber nu deranjează nimic altceva.

Bilanțul final contează cel mai mult. Listează fiecare element cu numărul lui de atomi în fiecare parte, înmulțind fiecare indice cu coeficientul și cu orice indice din afara parantezelor. Durează un minut și prinde aproape orice greșeală.

• Scrie formule corecte pentru toate substanțele, inclusiv pentru elementele diatomice (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), și nu le schimba ulterior.
• Dă formulei celei mai complexe un coeficient de probă egal cu 1.
• Echilibrează elementele care apar doar într-un reactant și într-un produs.
• Echilibrează ionii poliatomici care trec neschimbați ca unități unice.
• Echilibrează apoi hidrogenul și oxigenul, iar elementele libere la urmă.
• Elimină orice fracție înmulțind toți coeficienții cu numitorul ei, apoi redu la cele mai mici numere întregi.
• Fă bilanțul fiecărui element și al sarcinii totale în ambele părți.

Exemplu rezolvat: arderea 2-propanolului

2-Propanolul (alcool izopropilic), C₃H₈O, arde în oxigen și dă dioxid de carbon și apă: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Dă lui C₃H₈O un coeficient egal cu 1. Carbonul apare într-un reactant și într-un produs, deci 3 C cer 3 CO₂. La fel pentru hidrogen: 8 H cer 4 H₂O.

Oxigenul vine la urmă, deoarece O₂ este un element liber. Partea dreaptă are acum 3 × 2 + 4 × 1 = 10 atomi de O. Combustibilul furnizează deja 1 O, deci O₂ trebuie să furnizeze 9 atomi, un coeficient de 9/2. Înmulțirea tuturor cu 2 dă 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Bilanț: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 în stânga și 12 + 8 = 20 în dreapta. O verificare a masei, folosind masele atomice standard IUPAC rotunjite la două zecimale (C 12.01, H 1.01, O 16.00), concordă pentru cantitățile molare arătate: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g de reactanți și 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g de produși.

O greșeală frecventă este să uiți atomul de oxigen din combustibil și să scrii 5 O₂ pentru fiecare C₃H₈O. Bilanțul o scoate la iveală imediat: 11 atomi de O în stânga și 10 în dreapta.

Ionii poliatomici ca unități unice

Când un ion poliatomic precum sulfatul, azotatul sau fosfatul apare neschimbat în ambele părți, numără-l ca pe o singură unitate în loc să numeri separat atomii lui. Aceasta scurtează evidența și evită cea mai frecventă eroare de numărare, uitarea faptului că un indice din afara parantezelor înmulțește tot ce se află înăuntru: Ca(NO₃)₂ conține 2 N și 6 O.

Exemplu rezolvat: hidroxidul de bariu reacționează cu acidul fosforic și dă fosfat de bariu și apă, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Începe cu Ba₃(PO₄)₂. Conține 3 Ba, deci folosește 3 Ba(OH)₂, și 2 unități fosfat, deci folosește 2 H₃PO₄.

Pentru apă, gândește-te la ea ca la H–OH: fiecare moleculă se formează dintr-un H al acidului și o grupare OH a bazei. Partea stângă conține acum 3 × 2 = 6 grupări OH și 2 × 3 = 6 atomi de H acizi, deci se formează 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Bilanț: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 și 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 și 8 + 6 = 14.

Folosește abordarea pe unități doar când ionul rămâne intact. Dacă azotatul este transformat în NO într-o reacție redox, de exemplu, azotul și oxigenul trebuie numărate separat.

Echilibrarea sarcinii în ecuațiile ionice

O ecuație ionică poate echilibra atomii și totuși să fie greșită. Ia aluminiul metalic introdus într-o soluție de ioni de cupru(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Există un Al și un Cu în fiecare parte, dar sarcina este 2+ în stânga și 3+ în dreapta.

Fiecare atom de Al pierde 3 electroni, iar fiecare ion Cu²⁺ câștigă 2. Cel mai mic multiplu comun este 6, deci 2 Al reacționează cu 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Sarcină: 3(2+) = 6+ în stânga și 2(3+) = 6+ în dreapta; atomi Al 2 = 2 și Cu 3 = 3.

Electronii nu apar într-o ecuație globală, deci o nepotrivire a sarcinii înseamnă întotdeauna că ecuația nu este încă echilibrată: un coeficient este greșit sau lipsește o specie precum H⁺, OH⁻ sau H₂O. Pentru ecuații redox mai complicate, în special în mediu acid sau bazic, metoda semireacțiilor este mai fiabilă decât inspecția.

Metoda algebrică pentru ecuațiile dificile

Unele ecuații, adesea reacții redox în care un element ajunge în mai mulți produși, rezistă inspecției. Atribuie câte o literă fiecărui coeficient, scrie o ecuație pentru fiecare element, ia o literă egală cu 1 și rezolvă. Pentru permanganatul de potasiu și acidul clorhidric: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Potasiul dă a = c; manganul dă a = d; oxigenul dă 4a = f; hidrogenul dă b = 2f; clorul dă b = c + 2d + 2e. Pentru a = 1 rezultă c = 1, d = 1, f = 4 și b = 8, apoi 8 = 1 + 2 + 2e, deci e = 5/2. Înmulțind cu 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Bilanț: K 2, Mn 2, O 8, H 16 și Cl 16 în fiecare parte.

Dacă, după ce ai luat o literă egală cu 1, ecuațiile elementelor lasă totuși un coeficient nedeterminat, ecuația are mai multe forme echilibrate independente. Asta înseamnă de obicei că ea combină două reacții separate, iar pentru a o alege pe cea corectă sunt necesare informații chimice suplimentare, cum ar fi care specie se oxidează și care se reduce în fiecare semireacție.

Erori de echilibrare și bilanțul care le prinde

Fiecare dintre erorile de mai jos este prinsă de același bilanț final, element cu element și apoi sarcină. Fă din bilanț ultima linie fixă a fiecărei ecuații, nu un extra opțional.

Dacă bilanțul eșuează mereu pentru același element, revino la ordinea de inspecție și verifică dacă acel element a fost echilibrat prea devreme.

• Schimbarea unui indice pentru a forța echilibrul, cum ar fi scrierea H₂O₂ pentru apă. Compară fiecare formulă cu ecuația neechilibrată de la care ai pornit.
• Scrierea unui element diatomic ca atomi singuri, cum ar fi O în loc de O₂.
• Uitarea înmulțirii prin paranteze, astfel că Ba₃(PO₄)₂ este numărat ca având 4 O în loc de 8.
• Lăsarea de fracții, sau de coeficienți cu un factor comun, în răspunsul final.
• Echilibrarea atomilor, dar nu și a sarcinii, într-o ecuație cu ioni.
• Echilibrarea mai întâi a unui element liber și apoi refacerea ei după fiecare altă modificare.