Cân bằng phương trình hóa học từng bước

Hệ số được thay đổi còn chỉ số dưới thì không

Mỗi công thức cố định thành phần của một chất. H₂O luôn có hai nguyên tử hiđro và một nguyên tử oxi; đổi nó thành H₂O₂ là mô tả hiđro peoxit, một hợp chất khác. Vì vậy việc cân bằng chỉ được thực hiện bằng các hệ số, tức những con số đứng trước công thức, cho biết có bao nhiêu đơn vị công thức của mỗi chất tham gia.

Một phương trình đã cân bằng có cùng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế. Vì nguyên tử giữ nguyên khối lượng, tổng khối lượng chất phản ứng khi đó bằng tổng khối lượng sản phẩm, đây là một phép kiểm tra độc lập hữu ích. Khi có ion, tổng điện tích ở vế trái cũng phải bằng tổng ở vế phải.

Các hệ số được viết là những số nguyên nhỏ nhất làm cân bằng phương trình. 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O đã cân bằng nhưng chưa tối giản; chia cho 2 được 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Hệ số 1 không cần viết.

Một thứ tự quan sát giúp không bị quay vòng

Cách quan sát hiệu quả nhất khi theo một thứ tự cố định, vì cân bằng một nguyên tố có thể làm mất cân bằng một nguyên tố khác bạn đã xử lý xong. Thứ tự dưới đây hoãn các nguyên tố xuất hiện trong nhiều công thức, và đặc biệt là các đơn chất như O₂ hay một kim loại, vì đổi hệ số của một đơn chất không làm xáo trộn gì khác.

Bảng đếm kiểm tra cuối cùng là quan trọng nhất. Hãy liệt kê mỗi nguyên tố với số nguyên tử ở mỗi vế, nhân mọi chỉ số dưới với hệ số và với bất kỳ chỉ số dưới nào bên ngoài dấu ngoặc. Việc này chỉ mất một phút và bắt được gần như mọi sơ suất.

• Viết đúng công thức của mọi chất, kể cả các đơn chất lưỡng nguyên tử (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), và không thay đổi chúng về sau.
• Đặt hệ số thử là 1 cho công thức phức tạp nhất.
• Cân bằng các nguyên tố chỉ xuất hiện trong một chất phản ứng và một sản phẩm.
• Cân bằng các ion đa nguyên tử đi qua nguyên vẹn như một đơn vị.
• Tiếp theo cân bằng hiđro và oxi, và các đơn chất để sau cùng.
• Khử mọi phân số bằng cách nhân tất cả hệ số với mẫu số của nó, rồi tối giản về các số nguyên nhỏ nhất.
• Đếm kiểm tra từng nguyên tố, và cả tổng điện tích, ở hai vế.

Ví dụ có lời giải: đốt cháy propan-2-ol

Propan-2-ol (ancol isopropylic), C₃H₈O, cháy trong oxi tạo ra cacbon đioxit và nước: C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O. Đặt hệ số 1 cho C₃H₈O. Cacbon xuất hiện trong một chất phản ứng và một sản phẩm, nên 3 C cần 3 CO₂. Hiđro tương tự: 8 H cần 4 H₂O.

Oxi để sau cùng vì O₂ là đơn chất. Vế phải bây giờ có 3 × 2 + 4 × 1 = 10 nguyên tử O. Nhiên liệu đã cung cấp sẵn 1 O, nên O₂ phải cung cấp 9 nguyên tử, tức hệ số 9/2. Nhân tất cả với 2 được 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O.

Đếm kiểm tra: C 6 = 6; H 16 = 16; O 2 + 18 = 20 ở vế trái và 12 + 8 = 20 ở vế phải. Phép kiểm tra khối lượng dùng khối lượng nguyên tử chuẩn của IUPAC làm tròn đến hai chữ số thập phân (C 12.01, H 1.01, O 16.00) cho kết quả khớp với các lượng mol đã nêu: 2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g chất phản ứng và 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g sản phẩm.

Một sơ suất thường gặp là quên nguyên tử oxi nằm sẵn trong nhiên liệu và viết 5 O₂ cho mỗi C₃H₈O. Bảng đếm kiểm tra lộ ra ngay lập tức: 11 nguyên tử O ở vế trái và 10 ở vế phải.

Ion đa nguyên tử như một đơn vị

Khi một ion đa nguyên tử như sunfat, nitrat hay photphat xuất hiện không đổi ở cả hai vế, hãy đếm nó như một đơn vị thay vì đếm riêng từng nguyên tử. Cách này rút ngắn việc ghi sổ và tránh được lỗi đếm thường gặp nhất, đó là quên rằng chỉ số dưới bên ngoài dấu ngoặc nhân mọi thứ bên trong: Ca(NO₃)₂ chứa 2 N và 6 O.

Ví dụ có lời giải: bari hiđroxit phản ứng với axit photphoric tạo bari photphat và nước, Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O. Bắt đầu với Ba₃(PO₄)₂. Nó chứa 3 Ba, nên dùng 3 Ba(OH)₂, và 2 đơn vị photphat, nên dùng 2 H₃PO₄.

Với nước, hãy coi nó là H–OH: mỗi phân tử được tạo từ một H của axit và một OH của bazơ. Vế trái bây giờ có 3 × 2 = 6 nhóm OH và 2 × 3 = 6 nguyên tử H axit, nên tạo thành 6 H₂O: 3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O. Đếm kiểm tra: Ba 3 = 3; P 2 = 2; H 6 + 6 = 12 và 6 × 2 = 12; O 6 + 8 = 14 và 8 + 6 = 14.

Chỉ dùng cách coi ion là một đơn vị khi ion còn nguyên vẹn. Chẳng hạn, nếu nitrat bị chuyển thành NO trong phản ứng oxi hóa–khử thì phải đếm riêng nitơ và oxi.

Cân bằng điện tích trong phương trình ion

Một phương trình ion có thể cân bằng nguyên tử mà vẫn sai. Xét kim loại nhôm đặt trong dung dịch ion đồng(II): Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s). Mỗi vế có một Al và một Cu, nhưng điện tích là 2+ ở vế trái và 3+ ở vế phải.

Mỗi nguyên tử Al nhường 3 electron và mỗi ion Cu²⁺ nhận 2. Bội chung nhỏ nhất là 6, nên 2 Al phản ứng với 3 Cu²⁺: 2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s). Điện tích: 3(2+) = 6+ ở vế trái và 2(3+) = 6+ ở vế phải; nguyên tử Al 2 = 2 và Cu 3 = 3.

Electron không xuất hiện trong phương trình tổng, nên điện tích không khớp luôn có nghĩa là phương trình chưa cân bằng: một hệ số sai, hoặc thiếu một loại như H⁺, OH⁻ hay H₂O. Với các phương trình oxi hóa–khử phức tạp hơn, nhất là trong môi trường axit hoặc bazơ, phương pháp nửa phản ứng đáng tin cậy hơn cách quan sát.

Phương pháp đại số cho những phương trình khó

Một số phương trình, thường là phản ứng oxi hóa–khử mà một nguyên tố đi vào nhiều sản phẩm, không chịu khuất phục cách quan sát. Hãy gán một chữ cái cho mỗi hệ số, viết một phương trình cho mỗi nguyên tố, đặt một chữ cái bằng 1 và giải. Với kali pemanganat và axit clohiđric: a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O.

Kali cho a = c; mangan cho a = d; oxi cho 4a = f; hiđro cho b = 2f; clo cho b = c + 2d + 2e. Đặt a = 1 được c = 1, d = 1, f = 4 và b = 8, rồi 8 = 1 + 2 + 2e, nên e = 5/2. Nhân với 2: 2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O. Đếm kiểm tra: K 2, Mn 2, O 8, H 16 và Cl 16 ở mỗi vế.

Nếu sau khi đặt một chữ cái bằng 1 mà các phương trình nguyên tố vẫn để lại một hệ số chưa xác định, thì phương trình có nhiều hơn một dạng cân bằng độc lập. Điều đó thường có nghĩa là nó gộp hai phản ứng riêng biệt, và cần thêm thông tin hóa học, chẳng hạn chất nào bị oxi hóa và chất nào bị khử trong mỗi nửa phản ứng, để chọn dạng đúng.

Lỗi cân bằng và bảng đếm kiểm tra phát hiện chúng

Mỗi lỗi dưới đây đều bị phát hiện bằng cùng một bảng đếm kiểm tra cuối cùng, từng nguyên tố rồi đến điện tích. Hãy biến bảng đếm kiểm tra thành dòng cuối cố định của mọi phương trình, chứ không phải một việc làm thêm tùy chọn.

Nếu bảng đếm kiểm tra cứ lỗi ở cùng một nguyên tố, hãy quay lại thứ tự quan sát và kiểm tra xem nguyên tố đó có được cân bằng quá sớm không.

• Đổi chỉ số dưới để ép cân bằng, như viết H₂O₂ cho nước. Hãy so sánh mọi công thức với phương trình chưa cân bằng bạn xuất phát.
• Viết một đơn chất lưỡng nguyên tử thành nguyên tử đơn lẻ, như O thay vì O₂.
• Quên nhân qua dấu ngoặc, nên Ba₃(PO₄)₂ bị đếm là có 4 O thay vì 8.
• Để lại phân số, hoặc các hệ số có ước chung, trong đáp án cuối cùng.
• Cân bằng nguyên tử nhưng không cân bằng điện tích trong phương trình có ion.
• Cân bằng đơn chất trước rồi phải làm lại sau mỗi thay đổi khác.