Balansera kemiska reaktionsformler steg för steg

Vad koefficienter får ändra och index inte får

Varje formel fastställer sammansättningen hos ett ämne. H₂O har alltid två väteatomer och en syreatom; att ändra den till H₂O₂ beskriver väteperoxid, en annan förening. Balansering görs därför bara med koefficienter, talen framför formlerna, som anger hur många formelenheter av varje ämne som deltar.

En balanserad reaktionsformel har lika många atomer av varje grundämne på båda sidor. Eftersom atomer behåller sin massa är den totala massan av reaktanter då lika med den totala massan av produkter, vilket ger en användbar oberoende kontroll. När joner förekommer måste också summan av laddningarna till vänster vara lika med summan till höger.

Koefficienter skrivs som de minsta heltal som balanserar reaktionsformeln. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O är balanserad men inte i lägsta termer; division med 2 ger 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. En koefficient på 1 skrivs inte ut.

En granskningsordning som undviker att gå i cirklar

Granskning fungerar bäst med en fast ordning, eftersom balansering av ett grundämne kan rubba ett annat som du redan har klarat av. Ordningen nedan skjuter upp grundämnen som förekommer i flera formler, och särskilt fria grundämnen som O₂ eller en metall, eftersom en ändrad koefficient för ett fritt grundämne inte rubbar något annat.

Den avslutande sammanräkningen är viktigast. Lista varje grundämne med dess antal på varje sida, och multiplicera varje index med koefficienten och med eventuellt index utanför parentesen. Det tar en minut och fångar nästan varje förbiseende.

• Skriv korrekta formler för varje ämne, inklusive tvåatomiga grundämnen (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), och ändra dem inte efteråt.
• Ge den mest komplicerade formeln koefficienten 1 som provvärde.
• Balansera grundämnen som bara förekommer i en reaktant och en produkt.
• Balansera flervärda joner som passerar oförändrade som enskilda enheter.
• Balansera väte och syre härnäst, och fria grundämnen sist.
• Ta bort eventuella bråk genom att multiplicera varje koefficient med nämnaren och förkorta sedan till de minsta heltalen.
• Räkna samman varje grundämne, och den totala laddningen, på båda sidor.

Räkneexempel: förbränning av 2-propanol

2-Propanol (isopropylalkohol), C₃H₈O, brinner i syre och ger koldioxid och vatten: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Ge C₃H₈O koefficienten 1. Kol förekommer i en reaktant och en produkt, så 3 C kräver 3 CO₂. På samma sätt med väte: 8 H kräver 4 H₂O.

Syre kommer sist eftersom O₂ är ett fritt grundämne. Högersidan har nu 3 × 2 + 4 × 1 = 10 O-atomer. Bränslet bidrar redan med 1 O, så O₂ måste bidra med 9 atomer, en koefficient på 9/2. Multiplikation av allt med 2 ger 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Sammanräkning: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 till vänster och 12 + 8 = 20 till höger. En masskontroll med IUPAC:s standardatomvikter avrundade till två decimaler (C 12.01, H 1.01, O 16.00) stämmer för de molmängder som visas: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g reaktanter och 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g produkter.

Ett vanligt förbiseende är att glömma syreatomen i bränslet och skriva 5 O₂ för varje C₃H₈O. Sammanräkningen avslöjar det genast: 11 O-atomer till vänster och 10 till höger.

Flervärda joner som enskilda enheter

När en flervärd jon som sulfat, nitrat eller fosfat förekommer oförändrad på båda sidor, räkna den som en enhet i stället för att räkna dess atomer var för sig. Det förkortar bokföringen och undviker det vanligaste räknefelet, att glömma att ett index utanför parentesen multiplicerar allt innanför: Ca(NO₃)₂ innehåller 2 N och 6 O.

Räkneexempel: bariumhydroxid reagerar med fosforsyra och ger bariumfosfat och vatten, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Börja med Ba₃(PO₄)₂. Den innehåller 3 Ba, så använd 3 Ba(OH)₂, och 2 fosfatenheter, så använd 2 H₃PO₄.

För vattnet, tänk på det som H–OH: varje molekyl bildas av ett H från syran och en OH från basen. Vänstersidan har nu 3 × 2 = 6 OH-grupper och 2 × 3 = 6 sura H-atomer, så 6 H₂O bildas: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Sammanräkning: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 och 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 och 8 + 6 = 14.

Använd enhetsmetoden bara när jonen klarar sig intakt. Om nitrat till exempel omvandlas till NO i en redoxreaktion måste kväve och syre räknas var för sig.

Att balansera laddning i jonformler

En jonformel kan balansera atomerna och ändå vara fel. Tänk dig aluminiummetall i en lösning med koppar(II)joner: Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Det finns ett Al och ett Cu på varje sida, men laddningen är 2+ till vänster och 3+ till höger.

Varje Al-atom avger 3 elektroner och varje Cu²⁺-jon tar upp 2. Minsta gemensamma multipel är 6, så 2 Al reagerar med 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Laddning: 3(2+) = 6+ till vänster och 2(3+) = 6+ till höger; atomer Al 2 = 2 och Cu 3 = 3.

Elektroner förekommer inte i en totalformel, så en laddningsobalans betyder alltid att reaktionsformeln ännu inte är balanserad: en koefficient är fel, eller så saknas en art som H⁺, OH⁻ eller H₂O. För mer komplicerade redoxreaktioner, särskilt i sur eller basisk lösning, är halvreaktionsmetoden mer tillförlitlig än granskning.

Den algebraiska metoden för svåra reaktionsformler

Vissa reaktionsformler, ofta redoxreaktioner där ett grundämne hamnar i flera produkter, motstår granskning. Tilldela en bokstav till varje koefficient, skriv en ekvation för varje grundämne, sätt en bokstav till 1 och lös. För kaliumpermanganat och saltsyra: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kalium ger a = c; mangan ger a = d; syre ger 4a = f; väte ger b = 2f; klor ger b = c + 2d + 2e. Med a = 1 fås c = 1, d = 1, f = 4 och b = 8, och sedan 8 = 1 + 2 + 2e, så e = 5/2. Multiplikation med 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Sammanräkning: K 2, Mn 2, O 8, H 16 och Cl 16 på varje sida.

Om en koefficient fortfarande är obestämd av ekvationerna för grundämnena sedan du har satt en bokstav till 1, har reaktionsformeln mer än en oberoende balanserad form. Det betyder oftast att den kombinerar två separata reaktioner, och extra kemisk information, till exempel vilken art som oxideras och vilken som reduceras i varje halvreaktion, behövs för att välja rätt.

Balanseringsfel och den sammanräkning som fångar dem

Vart och ett av felen nedan fångas av samma avslutande sammanräkning, grundämne för grundämne och sedan laddning. Gör sammanräkningen till en fast sista rad i varje reaktionsformel, inte ett valfritt tillägg.

Om sammanräkningen gång på gång misslyckas för samma grundämne, gå tillbaka till granskningsordningen och kontrollera om det grundämnet balanserades för tidigt.

• Att ändra ett index för att tvinga fram balans, till exempel skriva H₂O₂ för vatten. Jämför varje formel med den obalanserade reaktionsformel du började från.
• Att skriva ett tvåatomigt grundämne som enskilda atomer, till exempel O i stället för O₂.
• Att glömma att multiplicera genom parenteser, så att Ba₃(PO₄)₂ räknas som att ha 4 O i stället för 8.
• Att lämna bråk, eller koefficienter med en gemensam faktor, i det slutliga svaret.
• Att balansera atomer men inte laddning i en reaktionsformel med joner.
• Att balansera ett fritt grundämne först och sedan behöva göra om det efter varje annan ändring.