Зрівнювання хімічних рівнянь крок за кроком

Коефіцієнти можна змінювати, а індекси — ні

Кожна формула фіксує склад однієї речовини. H₂O завжди має два атоми Гідрогену й один атом Оксигену; змінивши її на H₂O₂, ви опишете гідроген пероксид — іншу сполуку. Тому зрівнювання виконують лише коефіцієнтами, тобто числами перед формулами, які показують, скільки формульних одиниць кожної речовини бере участь у реакції.

Зрівняне рівняння має однакову кількість атомів кожного елемента з обох боків. Оскільки атоми зберігають свою масу, загальна маса реагентів дорівнює загальній масі продуктів, що слугує корисною незалежною перевіркою. Коли є йони, сума зарядів ліворуч також має дорівнювати сумі праворуч.

Коефіцієнти записують найменшими цілими числами, що зрівнюють рівняння. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O зрівняне, але не в найпростішому вигляді; поділ на 2 дає 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Коефіцієнт 1 не пишуть.

Порядок підбору, що не дає ходити по колу

Підбір працює найкраще за сталого порядку, бо зрівнювання одного елемента може порушити баланс іншого, який ви вже владнали. Порядок нижче відкладає елементи, що входять до кількох формул, і особливо вільні елементи, як-от O₂ чи метал, бо зміна коефіцієнта вільного елемента нічого іншого не порушує.

Найважливіший — остаточний підрахунок. Випишіть кожен елемент із його кількістю з кожного боку, множачи кожен індекс на коефіцієнт і на будь-який індекс за дужками. Це займає хвилину й ловить майже кожен огріх.

• Запишіть правильні формули всіх речовин, зокрема двоатомних елементів (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), і не змінюйте їх надалі.
• Дайте найскладнішій формулі пробний коефіцієнт 1.
• Зрівняйте елементи, що входять лише до одного реагенту й одного продукту.
• Зрівняйте багатоатомні йони, що проходять без змін як єдині блоки.
• Далі зрівняйте Гідроген і Оксиген, а вільні елементи — останніми.
• Позбудьтеся будь-яких дробів, помноживши всі коефіцієнти на знаменник, а потім скоротіть до найменших цілих чисел.
• Підрахуйте кожен елемент і сумарний заряд з обох боків.

Розв’язаний приклад: горіння пропан-2-олу

Пропан-2-ол (ізопропіловий спирт), C₃H₈O, горить у кисні з утворенням вуглекислого газу та води: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Дайте C₃H₈O коефіцієнт 1. Карбон входить до одного реагенту й одного продукту, тож 3 C потребують 3 CO₂. Так само Гідроген: 8 H потребують 4 H₂O.

Оксиген лишається останнім, бо O₂ — вільний елемент. Тепер права частина має 3 × 2 + 4 × 1 = 10 атомів O. Пальне вже постачає 1 O, тож O₂ має постачити 9 атомів, що дає коефіцієнт 9/2. Помноживши все на 2, отримуємо 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Підрахунок: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 ліворуч і 12 + 8 = 20 праворуч. Перевірка маси за стандартними атомними масами IUPAC, округленими до двох десяткових розрядів (C 12.01, H 1.01, O 16.00), збігається для наведених молярних кількостей: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g реагентів і 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g продуктів.

Поширений огріх — забути атом Оксигену всередині пального й записати 5 O₂ на кожну C₃H₈O. Підрахунок викриває це одразу: 11 атомів O ліворуч і 10 праворуч.

Багатоатомні йони як єдині блоки

Коли багатоатомний йон, як-от сульфат, нітрат чи фосфат, з’являється без змін з обох боків, лічіть його як один блок, а не рахуйте його атоми окремо. Це скорочує облік і уникає найчастішої помилки лічби — забування, що індекс за дужками множить усе всередині: Ca(NO₃)₂ містить 2 N і 6 O.

Розв’язаний приклад: барій гідроксид реагує з ортофосфатною кислотою, даючи барій фосфат і воду, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Почніть із Ba₃(PO₄)₂. Він містить 3 Ba, тож беріть 3 Ba(OH)₂, і 2 фосфатні блоки, тож беріть 2 H₃PO₄.

Для води уявіть її як H–OH: кожна молекула утворюється з одного H кислоти й однієї OH основи. Ліва частина тепер містить 3 × 2 = 6 груп OH та 2 × 3 = 6 кислотних атомів H, тож утворюється 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Підрахунок: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 і 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 і 8 + 6 = 14.

Застосовуйте підхід із блоками лише тоді, коли йон лишається цілим. Якщо, наприклад, нітрат перетворюється на NO в окисно-відновній реакції, Нітроген і Оксиген потрібно рахувати окремо.

Зрівнювання заряду в йонних рівняннях

Йонне рівняння може бути зрівняним за атомами й усе одно хибним. Розгляньмо метал алюміній у розчині йонів купруму(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). З кожного боку по одному Al і одному Cu, але заряд дорівнює 2+ ліворуч і 3+ праворуч.

Кожен атом Al втрачає 3 електрони, а кожен йон Cu²⁺ приймає 2. Найменше спільне кратне — 6, тож 2 Al реагують із 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Заряд: 3(2+) = 6+ ліворуч і 2(3+) = 6+ праворуч; атоми Al 2 = 2 і Cu 3 = 3.

Електрони не з’являються в сумарному рівнянні, тому розбіжність зарядів завжди означає, що рівняння ще не зрівняне: хибний коефіцієнт або бракує частинки, як-от H⁺, OH⁻ чи H₂O. Для складніших окисно-відновних рівнянь, особливо в кислому чи лужному розчині, метод напівреакцій надійніший за підбір.

Алгебричний метод для впертих рівнянь

Деякі рівняння, часто окисно-відновні реакції, де один елемент опиняється в кількох продуктах, не піддаються підбору. Позначте кожен коефіцієнт літерою, запишіть по одному рівнянню для кожного елемента, прийміть одну літеру за 1 і розв’яжіть систему. Для калій перманганату й хлоридної кислоти: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Калій дає a = c; Манган дає a = d; Оксиген дає 4a = f; Гідроген дає b = 2f; Хлор дає b = c + 2d + 2e. Прийнявши a = 1, отримуємо c = 1, d = 1, f = 4 і b = 8, а потім 8 = 1 + 2 + 2e, тож e = 5/2. Помноживши на 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Підрахунок: K 2, Mn 2, O 8, H 16 і Cl 16 з кожного боку.

Якщо після того, як ви приймете одну літеру за 1, рівняння для елементів усе одно залишають коефіцієнт невизначеним, то рівняння має більше ніж одну незалежну зрівняну форму. Зазвичай це означає, що воно поєднує дві окремі реакції, і щоб вибрати правильну форму, потрібна додаткова хімічна інформація, наприклад що окиснюється, а що відновлюється в кожній напівреакції.

Помилки зрівнювання та підрахунок, що їх ловить

Кожну з наведених нижче помилок ловить той самий остаточний підрахунок — елемент за елементом, а потім заряд. Зробіть підрахунок сталим останнім рядком кожного рівняння, а не необов’язковим додатком.

Якщо підрахунок щоразу не сходиться для того самого елемента, поверніться до порядку підбору й перевірте, чи цей елемент не зрівняно надто рано.

• Зміна індексу для примусового балансу, наприклад запис H₂O₂ для води. Порівнюйте кожну формулу з незрівняним рівнянням, з якого ви починали.
• Запис двоатомного елемента окремими атомами, наприклад O замість O₂.
• Забуте множення крізь дужки, через що Ba₃(PO₄)₂ рахують як таке, що має 4 O замість 8.
• Залишені в остаточній відповіді дроби або коефіцієнти зі спільним дільником.
• Зрівнювання атомів, але не заряду в рівнянні з йонами.
• Зрівнювання вільного елемента першим, через що його доводиться переробляти після кожної іншої зміни.