Echilibrul ecuațiilor chimice ale reacțiilor chimice

(Reacția dintre metan și oxigen pentru a produce dioxid de carbon și apă (prezentată în partea de jos) poate fi reprezentată printr-o ecuație chimică folosind formule (sus).)

Ecuația chimică descrisă în figură este echilibrată, ceea ce înseamnă că un număr egal de atomi pentru fiecare element implicat în reacție este reprezentat pe partea de reactant și de produs. Aceasta este o cerință pe care trebuie să o îndeplinească ecuația pentru a fi în concordanță cu legea conservării materiei. Poate fi confirmată prin simpla însumare a numerelor de atomi de pe ambele părți ale săgeții și comparând aceste sume pentru a se asigura că sunt egale. Rețineți că numărul de atomi pentru un element dat este calculat prin înmulțirea coeficientului oricărei formule care conține acel element cu indicele elementului din formulă. Dacă un element apare în mai multe formule pe o parte dată a ecuației, numărul de atomi reprezentați în fiecare trebuie să fie calculat și apoi adunat împreună. De exemplu, ambele specii de produse din exemplul de reacție, CO₂ și H₂O, conțin elementul oxigen și astfel numărul de atomi de oxigen de pe partea de produs a ecuației este

(1 moleculă de CO₂ × 2 atomi de O/moleculă de CO₂) + (2 molecule de H₂O × 1 atom de O/moleculă de H₂O) = 4 atomi de O

Ecuația pentru reacția dintre metan și oxigen pentru a produce dioxid de carbon și apă este confirmată a fi echilibrată prin această abordare, așa cum se arată aici:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
C	1 × 1 = 1	1 × 1 = 1	1 = 1, da
H	4 × 1 = 4	2 × 2 = 4	4 = 4, da
O	2 × 2 = 4	(1 × 2) + (2 × 1) = 4	4 = 4, da

O ecuație chimică echilibrată poate fi adesea derivată dintr-o descriere calitativă a unei reacții chimice printr-o abordare destul de simplă cunoscută sub numele de echilibrare prin inspecție. Luați în considerare ca exemplu descompunerea apei pentru a produce hidrogen molecular și oxigen. Acest proces este reprezentat calitativ printr-o ecuație chimică dezechilibrată:

H₂O → H₂ + O₂ (dezechilibrată)

Compararea numărului de atomi de H și O de ambele părți ale acestei ecuații confirmă dezechilibrul acesteia:

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, da
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, nu

Numărul de atomi de H de pe părțile reactante și de produs ale ecuației sunt egale, dar numărul de atomi de O nu este. Pentru a atinge echilibrul, coeficienții ecuației pot fi modificați după cum este necesar. Rețineți, desigur, că indicele formulei definește, parțial, identitatea substanței și, prin urmare, acestea nu pot fi modificate fără a modifica sensul calitativ al ecuației. De exemplu, schimbarea formulei reactantului de la H₂O la H₂O₂ ar aduce echilibru în numărul de atomi, dar în acest fel se schimbă și identitatea reactantului (acum este peroxid de hidrogen și nu apă). Echilibrul atomului de O poate fi realizat prin schimbarea coeficientului pentru H₂O la 2.

2H₂O → H₂ + O₂ (dezechilibrată)

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
H	2 × 2 = 4	1 × 2 = 2	4 ≠ 2, nu
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, da

Echilibrul atomului de H a fost deranjat de această modificare, dar este ușor restabilit prin schimbarea coeficientului pentru produsul H₂ la 2.

2H₂O → 2H₂ + O₂ (echilibrată)

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
H	2 × 2 = 4	1 × 2 = 2	4 ≠ 2, nu
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, da

Acești coeficienți produc un număr egal de atomi de H și O pe partea reactantului și a produsului, iar ecuația echilibrată este, prin urmare:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Exemplul 4.1

Echilibrarea ecuațiilor chimice

Scrieți o ecuație echilibrată pentru reacția azotului molecular (N₂) și oxigenului (O₂) pentru a forma pentoxidul de dinazot.

Soluţie

Mai întâi, scrieți ecuația dezechilibrată.

N₂ + O₂ → N₂O₅ (dezechilibrată)

În continuare, numărați numărul fiecărui tip de atom prezent în ecuația dezechilibrată.

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
N	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, da
O	1 × 2 = 2	1 × 5 = 5	2 ≠ 5, nu

Deși azotul este echilibrat, sunt necesare modificări ale coeficienților pentru a echilibra numărul de atomi de oxigen. Pentru a echilibra numărul de atomi de oxigen, o primă încercare rezonabilă ar fi schimbarea coeficienților pentru O₂ și N₂O₅ în numere întregi care vor produce 10 atomi de O (cel mai mic multiplu comun pentru subindicele atomului de O din aceste două formule).

N₂ + 5O₂ → 2N₂O₅ (dezechilibrată)

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
N	1 × 2 = 2	2 × 2 = 4	2 ≠ 4, nu
O	5 × 2 = 10	2 × 5 = 10	10 = 10, da

Echilibrul atomului de N a fost deranjat de această modificare; se reface prin modificarea coeficientului pentru reactantul N₂ la 2.

2N₂ + 5O₂ → 2N₂O₅

Element	Reactanți	Produse	Echilibrată?
N	2 × 2 = 4	2 × 2 = 4	4 = 4, da
O	5 × 2 = 10	2 × 5 = 10	10 = 10, da

Numărul de atomi N și O de pe ambele părți ale ecuației sunt acum egale, ecuația este echilibrată.

Exercițiu

Scrieți o ecuație echilibrată pentru descompunerea azotatului de amoniu pentru a forma azot molecular, oxigen molecular și apă. (Sugestie: echilibrați oxigenul ultimul, deoarece este prezent în mai mult de o moleculă în partea dreaptă a ecuației.)

Răspuns:

2NH₄NO₃ → 2N₂ + O₂ + 4H₂O

Uneori este convenabil să folosiți fracții în loc de numere întregi pentru coeficienți intermediari în procesul de echilibrare a unei ecuații chimice. Când echilibrul este atins, toți coeficienții ecuației pot fi apoi înmulțiți cu un număr întreg pentru a converti coeficienții fracționali în numere întregi fără a deranja echilibrul atomic. De exemplu, luați în considerare reacția etanului (C₂H₆) cu oxigenul pentru a produce H₂O și CO₂, reprezentată de ecuația dezechilibrată:

C₂H₆ + O₂ → H₂O + CO₂ (dezechilibrată)

Urmând abordarea obișnuită de inspecție, s-ar putea mai întâi echilibra atomii de C și H prin modificarea coeficienților pentru cele două specii de produse, după cum se arată:

C₂H₆ + O₂ → 3H₂O + 2CO₂ (dezechilibrată)

Acest lucru are ca rezultat șapte atomi de O pe partea de produs a ecuației, un număr impar – niciun coeficient întreg nu poate fi utilizat cu reactantul O₂ pentru a da un număr impar, deci un coeficient fracțional, 7/2, este utilizat în schimb pentru a obține o ecuație echilibrată provizorie. :

C₂H₆ + 7/2 O₂ → 3H₂O + 2CO₂

O ecuație echilibrată convențională cu coeficienți numere întregi este obținută prin înmulțirea fiecărui coeficient cu 2:

2C₂H₆ + 7O₂ → 6H₂O + 4CO₂

În cele din urmă, în ceea ce privește ecuațiile echilibrate, amintiți-vă convenția care dictează utilizarea coeficienților cel mai mic număr întreg. Deși ecuația pentru reacția dintre azotul molecular și hidrogenul molecular pentru a produce amoniac este, într-adevăr, echilibrată,

3N₂ + 9H₂ → 6NH₃

coeficienții nu sunt cele mai mici numere întregi posibile reprezentând numerele relative de molecule de reactant și produs. Împărțind fiecare coeficient la cel mai mare factor comun, 3, rezultă ecuația preferată:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃