Βήματα για την εξισορρόπηση των χημικών εξισώσεων

Κάθε χημική αντίδραση περιλαμβάνει ένα ή περισσότερα αντιδρώντα που μετατρέπονται σε ένα ή περισσότερα προϊόντα μέσω μιας διαδικασίας θραύσης και σχηματισμού χημικών δεσμών. Αυτή η διαδικασία αναπαρίσταται γραπτώς με συνοπτικό τρόπο μέσω της χημικής εξίσωσης.

Όπως η διαδικασία αλλαγής που συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης πρέπει να συμμορφώνεται με ορισμένους φυσικούς νόμους, όπως ο νόμος της διατήρησης της ύλης και ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, μεταξύ άλλων, η χημική εξίσωση πρέπει επίσης να αντανακλά τη συμμόρφωση με αυτούς τους νόμους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί η προσαρμογή ή η εξισορρόπηση οποιασδήποτε χημικής εξίσωσης, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η ύλη είναι ισορροπημένη και στις δύο πλευρές της εξίσωσης, τηρώντας έτσι το νόμο της διατήρησης της ύλης.

Εκτός από τη διατήρηση της μάζας, είναι επίσης σημαντικό να διατηρηθούν τα συγκεκριμένα άτομα που συμμετέχουν στην αντίδραση, καθώς οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν μόνο αναδιάταξη των ηλεκτρονίων σθένους των ατόμων, αλλά δεν περιλαμβάνουν αλλαγές στους πυρήνες τους. Για το λόγο αυτό, όλα τα άτομα που υπήρχαν πριν από μια χημική αντίδραση πρέπει να εξακολουθούν να υπάρχουν και μετά την εκτέλεσή της.

Το να βεβαιωθείτε ότι συμβαίνει αυτό είναι η εξισορρόπηση μιας χημικής εξίσωσης. Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζουμε τρεις διαφορετικές μεθόδους για την πραγματοποίηση της εξισορρόπησης εξισώσεων διαφορετικών τύπων.

Μέθοδος 1: Εξισορρόπηση χημικών εξισώσεων με δοκιμή και σφάλμα

Αυτή είναι η απλούστερη μέθοδος για την εξισορρόπηση χημικών εξισώσεων. Είναι η κατ’ εξοχήν μέθοδος που χρησιμοποιείται κάθε φορά που βρισκόμαστε παρουσία σχετικά απλών αντιδράσεων στις οποίες δεν υπάρχουν πολλά αντιδρώντα ή προϊόντα που περιέχουν επαναλαμβανόμενα στοιχεία.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη διαδικασία εξισορρόπησης των εξισώσεων με δοκιμή και σφάλμα, θα πάρουμε ως παράδειγμα την αντίδραση καύσης του βουτανίου (C ₄ H ₁₀ ) παρουσία αερίου οξυγόνου (O ₂ ) για να σχηματιστεί διοξείδιο του άνθρακα (CO ₂ ) και νερό (Η ₂ ΕΙΤΕ).

Η εξισορρόπηση μέσω δοκιμής αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα:

Βήμα 1: Γράψτε τη μη ισορροπημένη χημική εξίσωση.

Πρέπει να γράψετε τα αντιδρώντα στα αριστερά χωρισμένα με σύμβολα + και όλα τα προϊόντα στα δεξιά του βέλους αντίδρασης να χωρίζονται επίσης με ένα σύμβολο +. Στο παράδειγμά μας, το βουτάνιο και το οξυγόνο είναι τα αντιδρώντα ενώ το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό είναι τα προϊόντα:

Πρέπει να επαληθεύσουμε ότι όλοι οι τύποι είναι σωστά γραμμένοι, προσέχοντας να χρησιμοποιήσουμε σωστά τυχόν παρενθέσεις που μπορεί να έχουν.

Βήμα 2: Καταγράψτε όλα τα στοιχεία σε κάθε πλευρά της εξίσωσης.

Σε αυτό το βήμα πρέπει να επαληθεύσουμε ότι δεν υπάρχουν στοιχεία στα αντιδρώντα που δεν υπάρχουν στα προϊόντα και αντίστροφα. Εάν συμβεί αυτό, οφείλεται σε σφάλμα στην αρχική εξίσωση, πιθανότατα λόγω ορισμένων ειδών που εμπλέκονται στην αντίδραση που δεν αναφέραμε.

Όπως φαίνεται σε αυτή την περίπτωση, όλα τα στοιχεία υπάρχουν και στις δύο πλευρές της εξίσωσης.

Βήμα 3: Μετρήστε τα άτομα κάθε στοιχείου σε κάθε πλευρά.

Σε αυτό το σημείο θέλετε να ελέγξετε αν η εξίσωση είναι ισορροπημένη ή όχι. Εάν είναι, τότε δεν χρειάζεται να γίνει τίποτα περισσότερο. Αν όχι, τότε θα προχωρήσει στο επόμενο βήμα.

Όπως μπορούμε να δούμε, κανένα από τα τρία στοιχεία που υπάρχουν (C, H και O) δεν είναι ισορροπημένο, οπότε προχωράμε στο επόμενο βήμα.

Βήμα 4: Ισορροπήστε προσθέτοντας στοιχειομετρικούς συντελεστές πριν από τους χημικούς τύπους των διαφορετικών ειδών.

Αυτό είναι το πιο σημαντικό βήμα. Πρώτα απ ‘όλα, πρέπει να ισορροπήσουμε ή να εξισορροπήσουμε ένα στοιχείο κάθε φορά. Αυτό επιτυγχάνεται πολλαπλασιάζοντας κάθε τύπο με έναν κατάλληλο ακέραιο αριθμό που εξισορροπεί τα άτομα σε κάθε πλευρά.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν πρέπει ποτέ να τροποποιούμε τους δείκτες των τύπων για να εξισορροπήσουμε μια εξίσωση, καθώς αυτό θα άλλαζε τον τύπο και συνεπώς την ταυτότητα της ουσίας.

Επιπλέον, πρέπει επίσης να θυμόμαστε ότι η προσαρμογή γίνεται ένα στοιχείο τη φορά, ακόμα κι αν η προσθήκη συντελεστών στην εξίσωση μεταβάλλει τα άλλα στοιχεία. Το κλειδί είναι η σειρά με την οποία ισορροπούν τα διάφορα στοιχεία. Μερικές χρήσιμες συμβουλές είναι:

1. Κάθε στοιχείο που εμφανίζεται σε καθαρή στοιχειακή μορφή εκατέρωθεν της εξίσωσης αφήνεται τελευταίο. Αυτά γενικά δεν αλλάζουν τα άλλα στοιχεία όταν τα προσαρμόζουμε. Στην περίπτωση του παραδείγματός μας, αυτό σημαίνει ότι αφήνουμε τελευταίο το οξυγόνο που εμφανίζεται ως στοιχειακό οξυγόνο στα αντιδρώντα.
2. Είναι καλή ιδέα να ξεκινήσετε με εκείνα τα στοιχεία που εμφανίζονται μόνο μία φορά σε κάθε πλευρά. Αυτά που επαναλαμβάνονται (όπως το οξυγόνο) γενικά ισορροπούν εξισορροπώντας τα άλλα στοιχεία.
3. Αν σε ένα σημείο της αιώρησης κολλήσουμε, είναι καλύτερο να διαγράψουμε τους συντελεστές και να ξεκινήσουμε ξανά, ξεκινώντας αυτή τη φορά με ένα άλλο στοιχείο.
4. Εάν είναι απαραίτητο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κλάσματα στους συντελεστές κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης, αρκεί ολόκληρη η εξίσωση τελικά να πολλαπλασιαστεί με τον παρονομαστή για να αφαιρεθούν τυχόν μη ακέραιοι συντελεστές.

Στο παράδειγμά μας, μπορούμε να ξεκινήσουμε και με το C και το H αφού και τα δύο εμφανίζονται μόνο μία φορά και στις δύο πλευρές της εξίσωσης. Για να εξισορροπήσουμε τους 4 άνθρακες των αντιδρώντων, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το CO ₂ επί 4. Επιπλέον, πολλαπλασιάζουμε και το νερό με 5 για να συμπληρώσουμε τα 10 Η που υπάρχουν στα αντιδρώντα.

Όπως βλέπουμε, στα προϊόντα υπάρχουν 13 οξυγόνα ενώ στα αντιδρώντα μόνο 2. Εφόσον δεν υπάρχει ακέραιος αριθμός που να πολλαπλασιάζεται επί 2 του 13, τότε θα χρησιμοποιήσουμε ένα κλάσμα που στον παρονομαστή θα έχει τον αριθμό του Ο που χρειαζόμαστε (13).ενώ στον παρονομαστή τοποθετούμε τον αριθμό του Ο στο μόριο Ο ₂ (2). Επομένως, τοποθετούμε ως συντελεστή 13/2:

Σε αυτό το σημείο η εξίσωση είναι ήδη ισορροπημένη, αλλά έχει κλασματικό συντελεστή, οπότε τώρα πολλαπλασιάζουμε ολόκληρη την εξίσωση με 2 (τον παρονομαστή του κλάσματος):

Που αντιστοιχεί στη σωστά ισορροπημένη εξίσωση.

Βήμα 5: Ελέγξτε ξανά όλα τα στοιχεία, καθώς και το ηλεκτρικό φορτίο.

Μετράμε για άλλη μια φορά όλα τα άτομα κάθε στοιχείου και στις δύο πλευρές της εξίσωσης. Είναι επίσης σημαντικό να επαληθευτεί ότι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο και στις δύο πλευρές της εξίσωσης είναι επίσης ίσο, αφού πρέπει επίσης να ικανοποιείται η προϋπόθεση διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Μέθοδος 2: Αλγεβρική προσαρμογή

Η μέθοδος αλγεβρικής προσαρμογής ή εξισορρόπησης συνίσταται στην επίλυση του προβλήματος εξισορρόπησης μέσω γραμμικής άλγεβρας, δηλαδή στην επίλυση ενός συστήματος αλληλένδετων γραμμικών εξισώσεων για την εύρεση όλων των στοιχειομετρικών συντελεστών ως αγνώστων.

Αυτή η μέθοδος λειτουργεί τόσο για απλές όσο και για πολύπλοκες εξισώσεις, όπως η εξισορρόπηση της εξίσωσης μιας αντίδρασης οξείδωσης-αναγωγής.

Θα πάρουμε ως παράδειγμα την αντίδραση μεταξύ του υπερμαγγανικού ιόντος και των ιόντων ιωδίου για την παραγωγή του κατιόντος μαγγανίου (II), του μοριακού ιωδίου και του νερού σε ένα όξινο μέσο (δηλ. παρουσία ιόντων Η+ ⁾ . Η μη προσαρμοσμένη εξίσωση είναι:

Τα βήματα για την εξισορρόπηση αυτής της εξίσωσης χρησιμοποιώντας την αλγεβρική μέθοδο είναι:

Βήμα 1: Προσθέστε ένα διαφορετικό γράμμα ως συντελεστή σε όλα τα χημικά είδη που υπάρχουν.

Μπορεί να είναι τα γράμματα a, b, c, … ή να χρησιμοποιεί τα τελευταία γράμματα του αλφαβήτου: x, y, z, …

Βήμα 2: Γράψτε τις εξισώσεις εξισορρόπησης μάζας και εξισορρόπησης φορτίου.

Αυτό το βήμα συνίσταται στη σύνταξη ενός συστήματος εξισώσεων των οποίων οι άγνωστοι είναι οι στοιχειομετρικοί συντελεστές. Οι εξισώσεις αντιστοιχούν στο εύρος κάθε στοιχείου ξεχωριστά, συν το ισοζύγιο φορτίου της χημικής εξίσωσης:

Βήμα 3: Λύστε το σύστημα των εξισώσεων

Όπως φαίνεται, έχουμε 6 άγνωστους, αλλά μόνο 5 ανεξάρτητες εξισώσεις. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να αποδώσουμε την τιμή σε ένα από τα άγνωστα για να αποκτήσουμε όλα τα άλλα. Αυτό είναι αναμενόμενο αφού υπάρχουν άπειροι συνδυασμοί στοιχειομετρικών συντελεστών, τόσο ακεραίων όσο και κλασμάτων, που θα χρησιμεύσουν για την εξισορρόπηση της εξίσωσης. Ωστόσο, μόνο μία από αυτές τις λύσεις θα είναι αυτή με τους χαμηλότερους ακέραιους συντελεστές.

Αυτοί οι τύποι συστημάτων εξισώσεων είναι εύκολο να λυθούν με αντικατάσταση, αν και οποιαδήποτε μέθοδος θα το κάνει. Στην περίπτωσή μας, θα αντικαταστήσουμε πρώτα την εξίσωση (1) με όλες τις άλλες

Συνδέουμε τώρα το f = 4d από την εξίσωση (2) σε όλες τις άλλες εξισώσεις:

Στη συνέχεια, αντικαθιστούμε (3) και (4) με (5) για να λάβουμε:

Τώρα πρέπει να εκχωρήσουμε μια αυθαίρετη τιμή στη μεταβλητή d . Με αυτό, θα έχουμε την τιμή του e και επίσης αυτή του c, και ούτω καθεξής. Κανονικά στην πρώτη μεταβλητή εκχωρείται η τιμή 1 για να διευκολύνει τα πάντα, αλλά επειδή στην περίπτωση αυτή το d πολλαπλασιάζεται επί 5/2, είναι προτιμότερο να επιλέξετε d = 2 έτσι ώστε το e να γίνει ακέραιος:

Τώρα με τα d και e , επιστρέφουμε στις εξισώσεις για να υπολογίσουμε τους υπόλοιπους συντελεστές:

Συνοψίζοντας, οι συντελεστές είναι  a = 2 ; b = 10 ; c = 16 ; d = 2 ; e = 5 ; f = 8. Η ισορροπημένη εξίσωση είναι τότε:

Βήμα 4: Βεβαιωθείτε ότι η εξίσωση είναι ισορροπημένη

Μετρώντας τα άτομα κάθε στοιχείου μπορούμε να επαληθεύσουμε ότι υπάρχουν:

• 2 άτομα Mn σε κάθε πλευρά.
• 8 άτομα οξυγόνου σε κάθε πλευρά.
• 10 άτομα ιωδίου σε κάθε πλευρά.
• 16 άτομα υδρογόνου σε κάθε πλευρά.
• Υπάρχει συνολική χρέωση +4 στην αριστερή πλευρά όπως και στη δεξιά πλευρά.

βιβλιογραφικές αναφορές

Chang, R. (2021). Χημεία (11η ^έκδ .). ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ MCGRAW HILL.

MIQ: Εξισορρόπηση χημικών εξισώσεων . (2020, 7 Δεκεμβρίου). campus.mdp.edu.ar. https://campus.mdp.edu.ar/agrarias/mod/page/view.php?id=3906

Regalado-Méndez, A., Delgado-Vidal, FK, Martínez-López, RE, & Peralta-Reyes, E. (2014). ΙΣΟΡΡΟΠΟΙΗΣΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΥ ΕΝΣΩΜΑΤΩΝΟΥΝ ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ: ΜΙΑ ΕΝΕΡΓΗ ΜΑΘΗΣΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ. College Education , 7 (2), 29–40. https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-50062014000200005

Timur : μέλος planetcalc. (2020). Online Υπολογιστής: Chemical Equation Balancer . PlanetCalc. https://es.planetcalc.com/6335/

Πανεπιστήμιο του Γκουαναχουάτο. (ν). ΤΑΞΗ 2 – Εξισορρόπηση με την αλγεβρική μέθοδο . OA.UGTO.MX. https://oa.ugto.mx/oa/oa-rg-0001375/clase_2__balanceo_por_el_mtodo_algebraico.html