2.13: Балансування хімічних рівнянь

Зараз ми визначили символи і формули для всіх складових хімічних рівнянь, але залишається один важливий крок. Треба бути впевненим, що закон збереження маси підкоряється. З кожного боку рівняння має з'явитися однакова кількість атомів (або молей атомів) заданого типу. Це відображає нашу віру в третій постулат Далтона, що атоми не створюються, не руйнуються і не змінюються від одного виду до іншого під час хімічного процесу. Коли закон збереження маси підкоряється, рівняння, як кажуть, збалансоване.

З кожного боку рівняння має з'явитися однакова кількість атомів (або молей атомів) заданого типу.

Як простий приклад того, як збалансувати рівняння, візьмемо реакцію, яка виникає, коли великий надлишок ртуті поєднується з бромом. На відео вище показано, як рідкий бром (темно-коричневий) поєднується з блискучою срібною (також рідкою) ртуттю. При цьому продукт являє собою білу тверду речовину, яка не плавиться, а замість цього перетворюється на газ при нагріванні вище 345° C, не розчиняється у воді і перетворюється на лососевий колір в присутності ультрафіолетового світла. З цих властивостей його можна виділити як бромід ртуті, Hg ₂ Br ₂. Рівняння реакції виглядало б так:

\[ \text{Hg} + \text{Br}_{2} \rightarrow \text{Hg}_{2}\text{Br}_{2} \label{1} \]

але він не збалансований, оскільки є 2 атоми ртуті (у Hg _{2 Br 2}) праворуч від рівняння і лише 1 зліва.

Неправильним способом отримання збалансованого рівняння є зміна цього на

\[ \text{Hg} + \text{Br}_{2} \rightarrow \cancel{\text{Hg}\text{Br}_{2}} \label{2} \]

Це рівняння неправильне, тому що ми вже визначили з властивостей продукту, що продукт Hg ₂ Br ₂. \(\ref{2}\)Рівняння збалансоване, але воно відноситься до іншої реакції, яка виробляє інший продукт. Рівняння також може бути неправильно записано як

\[ \cancel{\text{Hg}_{2}} + \text{Br}_{2} \rightarrow \text{Hg}_{2}\text{Br}_{2}\label{3} \]

Формула Hg ₂ передбачає, що були задіяні молекули, що містять по 2 атома ртуті, але наш попередній мікроскопічний досвід роботи з цим елементом свідчить про те, що таких молекул не відбувається.

При балансуванні рівняння ви повинні пам'ятати, що індекси у формулах були визначені експериментально. Зміна їх свідчить про зміну характеру реагентів або продуктів. Допустимо, однак, змінювати кількість задіяних реагентів або продуктів. Наприклад, розглянуте рівняння правильно збалансовано наступним чином:

\[ \underline{2}\text{Hg} + \text{Br}_{2} \rightarrow \text{Hg}_{2}\text{Br}_{2} \label{4} \]

 

Хімічне рівняння виражається через його атомний вигляд. 2 білі сфери реагують з 2 зв'язаними червоними сферами. Двостороння стрілка вказує на правильну гратчасту структуру скріплених червоних і білих сфер.

кредити зображення: За CCoil (розмова) - Власна робота, CC BY-SA 3.0, Вікісховище Вікімедіа [commons.wikimedia.org]

2, написане перед символом Hg, називається коефіцієнтом. Він вказує на те, що на мікроскопічному рівні 2Hg атоми зобов'язані вступати в реакцію з молекулою. У макроскопічному масштабі коефіцієнт 2 означає, що атоми 2 моль Hg зобов'язані вступати в реакцію з 1 моль молекул Br ₂. Зверніть увагу також, що Br ₂ має коефіцієнт 1, що означає, що на мікроскопічному рівні 1 молекула Br ₂ реагує з кожними 2 атомами Hg, а на макроскопічному рівні на кожні ₂ молі Hg потрібно 1 моль Br 2. Нарешті, на мікроскопічному рівні 1 молекулу Hg ₂ Br ₂ можна розглядати як єдину одиницю в структурі решітки, показаної вище. На макроскопічному рівні 1 моль Hg _{2 Br 2} становить 6,02 х 10 ²³ молекули броміду ртуті (I), розташовані в гратчастої структурі, показаної вище.

Підсумовуючи: Після того, як формули (індекси) були визначені, рівняння врівноважується регулювальними коефіцієнтами. Нічого іншого змінити не можна.

Приклад\(\PageIndex{1}\) : Balancing Equations

Збалансувати рівняння

\( \ce{Hg2Br2 + Cl2 -> HgCl2 + Br2}\)

Рішення:

Хоча Br і Cl збалансовані, Hg - ні. Коефіцієнт 2 при HgCl ₂ потрібен:

\( \text{Hg}_{2}\text{Br}_{2} + \text{Cl}_{2} \rightarrow \underline{2}\text{HgCl}_{2} + \text{Br}_{2}\)

Зараз Cl не збалансований. Нам потрібно _{2 молекули Cl 2} зліва:

\( \text{Hg}_{2}\text{Br}_{2} + \underline{2}\text{Cl}_{2} \rightarrow \text{2HgCl}_{2} + \text{Br}_{2}\)

Тепер у нас є атоми 2Hg, атоми 2Br та атоми 4Cl з кожного боку, і тому балансування завершено.

Більшість хіміків використовують кілька прийомів для балансування рівнянь. ¹ Наприклад, це допомагає знати, який елемент слід збалансувати в першу чергу. Коли кожен хімічний символ з'являється в одній формулі на кожній стороні рівняння (як приклад\(\PageIndex{1}\)), ви можете почати де завгодно, і процес буде працювати. Однак, коли символ з'являється у трьох або більше формулах, цей конкретний елемент буде важче збалансувати і зазвичай його слід залишати до останнього.

¹ Лоуренс Е. Стронг, Балансування хімічних рівнянь, Хімія, vol. 47, no. 1, pp. 13-16, січень 1974, обговорює деякі методи більш детально.

Приклад\(\PageIndex{2}\) : Reaction Equation

Коли бутан (С ₄ Н ₁₀) спалюється в газовому кисні (О ₂), єдиними продуктами є вуглекислий газ (СО ₂) і вода. Напишіть збалансоване рівняння, щоб описати цю реакцію.

Розв'язок Спочатку напишіть незбалансоване рівняння, що показує правильні формули всіх реагентів і продуктів:

\( \ce{C4H10 + O2 -> CO2 + H2O}\)

Відзначимо, що атоми O з'являються в трьох формулах, одна зліва і дві праворуч. Тому спочатку балансуємо C і H. Формула С ₄ Н ₁₀ визначає, скільки атомів С і Н повинно залишитися після реакції, і тому запишемо коефіцієнти 4 для СО ₂ і 5 для Н ₂ О:

\( \text{C}_{4}\text{H}_{10} + \text{O}_{2} \rightarrow \underline{4}\text{CO}_{2} + \underline{5}\text{H}_{2}\text{O}\)

Тепер у нас є загальна кількість атомів 13 O з правого боку, і рівняння можна врівноважити, використовуючи коефіцієнт перед O ₂:\(\frac{13}{2}\)

\( \text{C}_{4}\text{H}_{10} + \frac{13}{2}\text{O}_{2} \rightarrow \text{4CO}_{2} + \text{5H}_{2}\text{O}\)

Зазвичай бажано видалити дробові коефіцієнти, оскільки вони можуть бути інтерпретовані як частку молекули. (Половина молекули O ₂ була б атомом O, який має зовсім іншу хімічну реакційну здатність.) Тому множимо всі коефіцієнти по обидва боки рівняння на два, щоб отримати кінцевий результат:

\( \underline{2}\text{C}_{4}\text{H}_{10} + \underline{13}\text{O}_{2} \rightarrow \underline{8}\text{CO}_{2} + \underline{10}\text{H}_{2}\text{O}\)

(Іноді, коли нас цікавлять родимки, а не окремі молекули, може бути корисно опустити цей останній крок. Очевидно, що ідея половини моля молекул O ₂, тобто 3.011 × 10 ²³ молекул, набагато більш стійка, ніж ідея половини молекули.)

Ще одна корисна методика проілюстрована на прикладі\(\PageIndex{2}\). Коли елемент (наприклад, О ₂) з'являється сам по собі, зазвичай найкраще вибрати його коефіцієнт в останню чергу. Крім того, такі групи, як NO ₃, SO ₄ тощо, часто залишаються незмінними в реакції і можуть розглядатися так, ніби вони складаються з одного атома. Коли така група атомів укладена в дужки, за якими слідує індекс, індекс застосовується до всіх з них. Тобто формула включає в себе Ca (NO ₃) ₂ включає в себе 1Ca, 2N і 2 × 3 = 6 атомів O.

Приклад\(\PageIndex{3}\) : Balancing Equations

Збалансувати рівняння

\( \ce{NaMnO4 + H2O2 + H2SO4 -> MnSO4 + Na2SO4 + O2 + H2O}\)

Рішення

Зауважимо, що атоми кисню знаходяться в кожній з семи формул рівняння, що робить його особливо важко збалансувати. Однак Na фігурує тільки в двох формулах:

\( \underline{2}\text{NaMnO}_{4} + \text{H}_{2}\text{O}_{2} + \text{H}_{2}\text{SO}_{4} \rightarrow \text{MnSO}_{4} + \text{Na}_{2}\text{SO}_{4} + \text{O}_{2} + {H}_{2}\text{O}\)

як робить марганець, Mn:

\( \text{2NaMnO}_{4} + \text{H}_{2}\text{O}_{2} + \text{H}_{2}\text{SO}_{4} \rightarrow \underline{2}\text{MnSO}_{4} + \text{Na}_{2}\text{SO}_{4} + \text{O}_{2} + \text{H}_{2}\text{O}\)

Тепер ми зауважимо, що елемент S завжди з'являється з 4 атомами O, і тому ми балансуємо групи SO ₄:

\( \text{2NaMnO}_{4} + \text{H}_{2}\text{O}_{2} + \underline{3}\text{H}_{2}\text{SO}_{4} \rightarrow \text{2MnSO}_{4} + \text{Na}_{2}\text{SO}_{4} + \text{O}_{2} + \text{H}_{2}\text{O}\)

Тепер ми в змозі збалансувати водень:

\( \text{2NaMnO}_{4} + \text{H}_{2}\text{O}_{2} + \text{3H}_{2}\text{SO}_{4} \rightarrow \text{2MnSO}_{4} + \text{Na}_{2}\text{SO}_{4} + \text{O}_{2} + \underline{4}\text{H}_{2}\text{O}\)

і нарешті кисень. (Нам допомагає той факт, що він з'являється як елемент.)

\( \text{2NaMnO}_{4} + \text{H}_{2}\text{O}_{2} + \text{3H}_{2}\text{SO}_{4} \rightarrow \text{2MnSO}_{4} + \text{Na}_{2}\text{SO}_{4} + \underline{3}\text{O}_{2} + \text{4H}_{2}\text{O}\)

Зверніть увагу, що в цьому прикладі ми дотримувалися правила балансування спочатку тих елементів, чиї символи з'явилися в найменшій кількості формул: Na і Mn у двох, S (або SO ₄) і H в трьох кожен, і, нарешті, О. Навіть використовуючи це правило, однак, рівняння, в яких один або кілька елементів з'являються в чотирьох або більше формул важко збалансувати без деяких додаткових методів, які ми будемо розробляти при дослідженні реакцій у водних розчині.

Балансування хімічних рівнянь має важливе екологічне повідомлення для нас. Якщо атоми консервуються в хімічній реакції, то ми не можемо позбутися від них. Іншими словами, ми не можемо нічого викинути. Є лише дві речі, які ми можемо зробити з атомами: переміщати їх з місця на місце або від сполуки до з'єднання. Таким чином, коли ми «утилізуємо» щось, спалюючи його, скидаючи або запиваючи мийку, ми насправді не позбулися цього взагалі. Атоми, які складали його, все ще десь знаходяться, і це так само добре, щоб знати, де вони знаходяться і в якій молекулі вони знаходяться. Викинуті атоми в місцях, де ми їх не хочемо, і в небажаних молекулах відомі як забруднення.