Kemiallisten yhtälöiden tasapainotusvaiheet

Jokainen kemiallinen reaktio sisältää yhden tai useamman reagoivan aineen, jotka muuttuvat yhdeksi tai useammaksi tuotteeksi kemiallisten sidosten rikkomisen ja muodostamisen kautta. Tämä prosessi esitetään kirjallisesti tiivistetyllä tavalla kemiallisen yhtälön avulla.

Aivan kuten kemiallisen reaktion aikana tapahtuvan muutosprosessin on noudatettava tiettyjä luonnonlakeja, kuten mm. aineen säilymislakia ja energian säilymislakia, myös kemiallisen yhtälön on heijastettava näiden lakien noudattamista. Tästä syystä on tarpeen suorittaa minkä tahansa kemiallisen yhtälön säätö tai tasapainottaminen, jotta voidaan varmistaa, että aine on tasapainossa yhtälön molemmilla puolilla, mikä noudattaa aineen säilymislakia.

Massan säilymisen lisäksi on tärkeää, että reaktioon osallistuvat tietyt atomit säilyvät, koska kemialliset reaktiot sisältävät vain atomien valenssielektronien uudelleenjärjestymisen, mutta eivät muuta niiden ytimissä. Tästä syystä kaikkien atomien, jotka olivat läsnä ennen kemiallisen reaktion tapahtumista, on oltava edelleen läsnä sen jälkeen.

Sen varmistaminen, että tämä tapahtuu, on kemiallisen yhtälön tasapainottamisessa. Tässä artikkelissa esittelemme kolme erilaista menetelmää erityyppisten yhtälöiden tasapainottamiseksi.

Menetelmä 1: Kemiallisten yhtälöiden tasapainottaminen yrityksen ja erehdyksen avulla

Tämä on yksinkertaisin menetelmä kemiallisten yhtälöiden tasapainottamiseen. Se on erinomainen menetelmä, jota käytetään aina, kun olemme läsnä suhteellisen yksinkertaisissa reaktioissa, joissa ei ole useita reaktantteja tai tuotteita, jotka sisältävät toistuvia alkuaineita.

_{Ymmärtääksemme paremmin yhtälöiden tasapainotusprosessia yrityksen ja erehdyksen avulla, otamme esimerkkinä butaanin (C 4} H ₁₀ ) palamisreaktion happikaasun (O ₂ ) läsnä ollessa hiilidioksidin (CO ₂ ) ja veden muodostamiseksi. (H ₂ JOKO).

Tasapainottaminen kokeilulla koostuu seuraavista vaiheista:

Vaihe 1: Kirjoita epätasapainoinen kemiallinen yhtälö.

Reaktantit tulee kirjoittaa vasemmalle erotettuina +-merkeillä ja kaikki tuotteet reaktionuolen oikealle puolelle erotettuna myös +-merkillä. Esimerkissämme butaani ja happi ovat reagoivia aineita, kun taas hiilidioksidi ja vesi ovat tuotteita:

Meidän on varmistettava, että kaikki kaavat on kirjoitettu oikein, ja huolehdimme mahdollisten sulkeiden käyttämisestä oikein.

Vaihe 2: Listaa kaikki elementit yhtälön kummallakin puolella.

Tässä vaiheessa meidän on varmistettava, että lähtöaineissa ei ole elementtejä, joita ei ole tuotteissa ja päinvastoin. Jos näin tapahtuu, se johtuu virheestä alkuperäisessä yhtälössä, todennäköisesti johtuen joistakin reaktioon osallistuneista lajeista, joita emme listanneet.

Kuten tässä tapauksessa voidaan nähdä, kaikki elementit ovat läsnä yhtälön molemmilla puolilla.

Vaihe 3: Laske kunkin elementin atomit kummallakin puolella.

Tässä vaiheessa haluat tarkistaa, onko yhtälö tasapainossa vai ei. Jos on, mitään muuta ei tarvitse tehdä. Jos ei, se jatkaa seuraavaan vaiheeseen.

Kuten näemme, mikään kolmesta läsnä olevasta elementistä (C, H ja O) ei ole tasapainossa, joten siirrymme seuraavaan vaiheeseen.

Vaihe 4: Tasapainota lisäämällä stoikiometriset kertoimet ennen eri lajien kemiallisia kaavoja.

Tämä on tärkein askel. Ensinnäkin meidän on tasapainotettava tai tasapainotettava yksi kohde kerrallaan. Tämä saavutetaan kertomalla jokainen kaava sopivalla kokonaisluvulla, joka tasapainottaa kummankin puolen atomit.

On tärkeää huomata, että emme saa koskaan muuttaa kaavojen alaindeksiä yhtälön tasapainottamiseksi, koska tämä muuttaisi kaavaa ja siten aineen identiteettiä.

Lisäksi on muistettava, että säätö tehdään elementti kerrallaan, vaikka kertoimien lisääminen yhtälöön muuttaa muita elementtejä. Avain on siinä järjestyksessä, jossa eri elementit ovat tasapainossa. Joitakin hyödyllisiä vinkkejä ovat:

1. Mikä tahansa elementti, joka esiintyy puhtaassa elementtimuodossa yhtälön kummallakin puolella, jätetään viimeiseksi. Nämä eivät yleensä muuta muita elementtejä, kun säädämme niitä. Esimerkkimme tapauksessa tämä tarkoittaa sitä, että alkuainehapena esiintyvä happi reaktanteissa jätetään viimeiseksi.
2. On hyvä idea aloittaa niistä elementeistä, jotka näkyvät vain kerran kummallakin puolella. Itseään toistavat (kuten happi) yleensä tasapainottavat itsensä tasapainottamalla muita alkuaineita.
3. Jos jossain swingin kohdassa jäämme jumiin, on parasta poistaa kertoimet ja aloittaa alusta, tällä kertaa toisesta elementistä.
4. Tarvittaessa kertoimissa voidaan käyttää murto-osia tasapainotusprosessin aikana, kunhan lopuksi koko yhtälö kerrotaan nimittäjällä mahdollisten ei-kokonaislukukertoimien poistamiseksi.

Esimerkissämme voimme aloittaa sekä C:llä että H:lla, koska molemmat esiintyvät vain kerran yhtälön molemmilla puolilla. Tasapainottaaksemme reagoivien aineiden 4 hiiltä, ​​meidän on kerrottava CO ₂ 4:llä. Lisäksi kerromme myös vesi 5:llä täydentääksemme lähtöaineissa olevan 10 H:n.

Kuten näemme, tuotteissa on 13 happea, kun taas lähtöaineissa vain 2. Koska ei ole olemassa kokonaislukua, joka kerrotaan kahdella 13:sta, niin käytämme murto-osaa, jonka nimittäjässä on O-luku. että tarvitsemme (13) kun taas nimittäjään sijoitamme O ₂ (2) -molekyylin O-luvun. Siksi laitamme kertoimeksi 13/2:

Tässä vaiheessa yhtälö on jo tasapainotettu, mutta sillä on murtokerroin, joten nyt kerrotaan koko yhtälö kahdella (murto-osan nimittäjä):

Mikä vastaa oikein tasapainotettua yhtälöä.

Vaihe 5: Tarkista uudelleen kaikki elementit sekä sähkövaraus.

Laskemme jälleen kerran jokaisen alkuaineen kaikki atomit yhtälön molemmilla puolilla. On myös tärkeää varmistaa, että yhtälön molemmilla puolilla oleva kokonaissähkövaraus on myös yhtä suuri, koska myös sähkövarauksen säilymisen edellytyksen on täytyttävä.

Menetelmä 2: Algebrallinen sovitus

Algebrallinen säätö- tai tasapainotusmenetelmä koostuu tasapainotusongelman ratkaisemisesta lineaarialgebran avulla, eli toisiinsa liittyvien lineaaristen yhtälöiden järjestelmän ratkaisemisesta kaikkien stoikiometristen kertoimien löytämiseksi tuntemattomiksi.

Tämä menetelmä toimii sekä yksinkertaisissa että monimutkaisissa yhtälöissä, kuten hapetus-pelkistysreaktion yhtälön tasapainottamisessa.

Otetaan esimerkkinä permanganaatti-ionin ja jodidi-ionien välinen reaktio mangaani(II)-kationin, molekyylijodin ja veden tuottamiseksi happamassa väliaineessa (eli H+-ionien läsnä ollessa ⁾ . Säätämätön yhtälö on:

Vaiheet tämän yhtälön tasapainottamiseksi algebrallisella menetelmällä ovat:

Vaihe 1: Lisää eri kirjain kertoimeksi kaikille läsnä oleville kemikaaleille.

Se voi olla kirjaimia a, b, c, … tai se voi käyttää aakkosten viimeisiä kirjaimia: x, y, z, …

Vaihe 2: Kirjoita massa- ja varaustasapainotusyhtälöt.

Tämä vaihe koostuu yhtälöjärjestelmän kirjoittamisesta, jonka tuntemattomat ovat stoikiometriset kertoimet. Yhtälöt vastaavat kunkin alkuaineen aluetta erikseen plus kemiallisen yhtälön varaustasapaino:

Vaihe 3: Ratkaise yhtälöjärjestelmä

Kuten voidaan nähdä, meillä on 6 tuntematonta, mutta vain 5 riippumatonta yhtälöä. Tämä tarkoittaa, että meidän on itse määritettävä arvo yhdelle tuntemattomista saadaksemme kaikki muut. Tämä on odotettavissa, koska stoikiometrisiä kertoimia, sekä kokonaislukuja että murtolukuja, on loputtomasti, jotka tasapainottavat yhtälön. Kuitenkin vain yksi näistä ratkaisuista on se, jolla on pienin kokonaislukukerroin.

Tämän tyyppiset yhtälöjärjestelmät on helppo ratkaista korvaamalla, vaikka mikä tahansa menetelmä kelpaa. Meidän tapauksessamme korvaamme ensin yhtälön (1) kaikella muulla

Liitämme nyt f = 4d yhtälöstä (2) kaikkiin muihin yhtälöihin:

Seuraavaksi korvaamme (3) ja (4) arvolla (5), jotta saadaan:

Nyt meidän on annettava mielivaltainen arvo muuttujalle d . Tällä saamme e:n ja myös c:n arvon ja niin edelleen. Normaalisti ensimmäiselle muuttujalle annetaan arvo 1 kaiken helpottamiseksi, mutta koska tässä tapauksessa d kerrotaan 5/2:lla, on parempi valita d = 2 , jotta e:stä tulee kokonaisluku:

Nyt d :llä ja e:llä palaamme yhtälöihin laskeaksemme loput kertoimet:

Yhteenvetona kertoimet ovat  a = 2 ; b = 10; c = 16; d = 2; e = 5; f = 8. Tasapainotettu yhtälö on silloin:

Vaihe 4: Varmista, että yhtälö on tasapainossa

Laskemalla kunkin elementin atomit voimme varmistaa, että niitä on:

• 2 Mn atomia kummallakin puolella.
• 8 happiatomia kummallakin puolella.
• 10 jodiatomia kummallakin puolella.
• 16 vetyatomia kummallakin puolella.
• Vasemmalla puolella on kokonaisvaraus +4, kuten oikealla puolella.

Viitteet

Chang, R. (2021). Kemia (11. ^painos ). MCGRAW HILLIN KOULUTUS.

MIQ: Tasapainottavat kemialliset yhtälöt . (2020, 7. joulukuuta). 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 ja Peralta-Reyes, E. (2014). KEMIALLISTEN YHTÄLÖIDEN TASAPAINOINTI YLEISTÄ KEMIAN, LINEAARISEN ALGEBRAN JA LASKENTAJEN AINEIDEN INTEGROINTIIN: AKTIIVINEN OPPIMISEN LÄHESTYMISTAPA. College Education , 7 (2), 29–40. https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-50062014000200005

Timur: jäsen planetcalc. (2020). Online-laskin: Chemical Equation Balancer . PlanetCalc. https://es.planetcalc.com/6335/

Guanajuaton yliopisto. (nd). LUOKKA 2 – Tasapainotus algebrallisella menetelmällä . OA.UGTO.MX. https://oa.ugto.mx/oa/oa-rg-0001375/clase_2__balanceo_por_el_mtodo_algebraico.html