Хемиска равенка

Хемиските равенки ги претставуваат реакциите на различни хемиски елементи и соединенија во стехиометриски односи, т.е. хемиски процес. На левата страна од равенката се хемиските елементи што влегуваат во процесот, а на десната страна се соединенијата што се образуваат со хемискиот процес. Наместо знак за еднаквост, се пишува стрелка (→) за да се означи насоката во која се случува промената.

Пример за оксидација на натриум:

4Na + O₂ → 2Na₂O

Стехиометриските коефициенти (броевите пред хемиските формули) се резултат на законот за зачувување на масата и законот за зачувување на полнежот. Законот за зачувување на масата диктира дека количината на секој елемент при хемиска реакција не се менува. Затоа, секоја страна од хемиската равенка мора да претставува иста количина на кој било даден елемент. Слично на тоа, полнежот е зачуван при хемиска реакција. Затоа, истиот полнеж мора да биде присутен на двете страни од урамнотежената равенка.

Формирање на хемиска реакција

Хемиската равенка се состои од хемиските формули на реактантите (почетните супстанции) и хемиските формули на производите (супстанциите образувани во хемиската реакција). Овие два сета се одделени со симбол на стрелка (→, обично се чита како „дава“), а хемиската формула на секоја поединечна супстанција е одделена од другите со знак плус.

На пример, равенката за реакција на хлороводородна киселина со натриум може да се напише како:

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H₂

Оваа равенка би се читала како „два плус два дава два и два“. Но, за равенки што вклучуваат сложени хемикалии, наместо да се чита буква и нејзин подзнак, хемиските формули се читаат со IUPAC номенклатура. Со номенклатура, оваа равенка би се читала како „хлороводородна киселина плус натриум дава натриум хлорид и водород во гас“.

Оваа равенка покажува дека натриумот и реагираат за да образуваат и _2. Исто така, укажува дека се потребни два молекули натриум за секои два молекули хлороводородна киселина и реакцијата ќе образува два молекули натриум хлорид и еден двоатомски молекул водороден гас за секои два молекули хлороводородна киселина и два молекули натриум што реагираат. Стехиометриските коефициенти (броевите пред хемиските формули) се изведени од законот за зачувување на масата и законот за зачувување на полнежот (видете го делот „Урамнотежување на хемиски равенки“ подолу за повеќе информации).

Вообичаени симболи

Преуредување според Бејкер-Венкатараман

Симболите се користат за разликување на различните видови реакции. Се користат следниве симболи:

• „ $=$ " се користи за означување на стехиометриска врска.
• „ $\rightarrow$ ” се користи за означување на нето реакција нанапред.
• „ $\rightleftarrows$ “ се користи за означување на реакција во двете насоки.
• „ ${\ce {<=>}}$ “ се користи за означување рамнотежа.

Физичката состојба на хемикалијата често се дава во загради по хемискиот симбол, особено за јонски реакции. Кога се наведува физичката состојба, (s) означува цврста, (l) означува течност, (g) означува гасовита и (aq) означува воден раствор.

Ако реакцијата бара енергија, ова е означено над стрелката. Големата грчка буква делта ($\Delta$) се поставува на реакционата стрелка за да се покаже дека енергијата се додава на реакцијата во облик на топлина. Изразот $h\nu$ се користи како симбол за додавање енергија во облик на светлина. Други симболи се користат за други специфични видови енергија или зрачење.

Израмнување на хемиски равенки

Како што се гледа од равенката CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, коефициентот 2 мора да се постави пред гасниот кислород на страната на реактантот и пред водата на страната на производот, така што, според законот за зачувување на масата, количината на секој елемент не се менува за време на реакцијата.

P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
Оваа хемиска равенка се израмнува така што прво се множи H₃PO₄ со четири за да се израмни бројот на атоми на P, а потоа H₂O се множи со шест за да се израмни со бројот на атоми на H и O.

Законот за зачувување на масата наведува дека количината на секој елемент не се менува во хемиска реакција. Секоја страна од хемиската равенка мора да претставува иста количина на кој било елемент во реакцијата. Слично на тоа, полнежот се зачувува во хемиска реакција. Затоа, истиот полнеж мора да биде присутен на двете страни од израмнетата равенка.

Хемиската равенка се израмнува со промена на скаларниот број за секоја хемиска формула. Едноставните хемиски равенки можат да се израмнат со проверка или со метод на обиди и грешки. Друга техника вклучува решавање на систем на линеарни равенки.

Израмнетите равенки често се пишуваат со најмалите целобројни коефициенти. Ако нема коефициент пред хемиската формула, коефициентот е 1.

Методот на инспекција може да се опише како поставување коефициент од 1 пред најсложената хемиска формула и поставување на другите коефициенти пред сè друго, така што обете страни на стрелката имаат ист број од секој атом. Доколку има какви било дробни коефициенти, секој коефициент се множи со најмалиот број потребен за да станат цели, обично именителот на дробниот коефициент за реакција со еден дробен коефициент.

Како пример, што се гледа на сликата погоре, согорувањето на метанот би се израмнило со поставување на коефициент од 1 пред CH₄:

1 CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O

Бидејќи има по еден јаглерод од секоја страна на стрелката, првиот атом (јаглерод) е израмнет.

Гледајќи го следниот атом (водород), десната страна има два атома, додека левата страна има четири. За да се израмнат водородите, 2 оди пред H₂O со што се добива:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Оваа равенка нема коефициенти пред CH₄ и CO₂, бидејќи коефициентот 1 е изоставен.

Треба да се напомене дека во некои околности не е точно да се напише израмнета реакција со сите целобројни коефициенти. На пример, реакција што одговара на стандардна енталпија на формирање мора да се напише така што ќе се формира еден мол од еден производ. Ова честопати ќе бара некои од коефициентите на реактантите да бидат дробни (фракциони), како што е случајот со формирањето на литиум флуорид:

Li(s) + 1⁄2 F₂(g) → LiF(s)

Матрична метода

Генерално, секоја хемиска равенка што вклучува J различни молекули може да се запише како:

$\sum _{j=1}^{J}\nu _{j}R_{j}=0$

каде што R_j е симбол за j-тиот молекул, а &_j е стехиометрискиот коефициент за j-тиот молекул, позитивен за продуктите, негативен за реактантите (или обратно). Правилно израмнетата хемиска равенка тогаш ќе биде:

$\sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0$

каде што композиционата матрица a_ij е број на атоми на елементот i во молекулата j. За секој вектор кој, кога се управува со композиционата матрица, дава нулти вектор, се вели дека е член на јадрото или нултиот простор на операторот. Секој член ν_j од нултиот простор a_ij ќе служи за израмнување на хемиската равенка што го вклучува множеството J молекули што го сочинуваат системот. „Претпочитан“ стехиометриски вектор е оној за кој сите негови елементи можат да се претворат во цели броеви без заеднички делители со множење со соодветна константа.

Генерално, композиционата матрица е дегенерирана: односно, не сите нејзини редови ќе бидат линеарно независни. Со други зборови, рангот (J_R) на композиционата матрица е генерално помал од бројот на колони (J). Според теоремата за рангот, нултиот простор a_ij ќе има димензии J-J_R и овој број се нарекува нултитет (J_N) на a_ij. Проблемот со балансирање на хемиска равенка потоа станува проблем на одредување на J_N-димензионалниот нулти простор на матрицата на композиција. Важно е да се напомене дека само за J_N=1 ќе има единствено решение. За J_N>1 ќе има бесконечен број решенија за проблемот на израмнување, но само J_N од нив ќе бидат независни: Ако можат да се најдат J_N независни решенија за проблемот на израмнување, тогаш секое друго решение ќе биде линеарна комбинација од овие решенија. Ако J_N=0, нема да има решение за проблемот на израмнување.

Развиени се техники за брзо пресметување на множеството J_N независни решенија за проблемот на израмнување што се супериорни во однос на инспекциската и алгебарската метода по тоа што се детерминативни и даваат решенија за проблемот на израмнување.

Јонски равенки

Јонска равенка е хемиска равенка во која електролитите се запишани како дисоцирани јони. Јонските равенки се користат за еднократни и двојни реакции на поместување што се јавуваат во водни раствори.

На пример, во следната реакција на таложење:

${\ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca(NO3)2 + 2 AgCl(v)}}$

полната јонска равенка е:

${\ce {Ca^2+ + 2Cl^- + 2Ag+ + 2NO3^- -> Ca^2+ + 2NO3^- + 2AgCl(v)}}$

или, со вклучени сите физички состојби:

${\ce {Ca^2+(aq) + 2Cl^-(aq) + 2Ag+(aq) + 2NO3^{-}(aq) -> Ca^2+(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 2AgCl(v)}}$

Во оваа реакција, јоните Ca²⁺ и NO₃⁻ остануваат во растворот и не се дел од реакцијата. То ест, овие јони се идентични на страната на реактантите и на страната на производите на хемиската равенка. Бидејќи таквите јони не учествуваат во реакцијата, тие се нарекуваат посматрачки јони. Нето јонска равенка е полна јонска равенка од која се отстранети посматрачките јони. Нето јонска равенка на тековните реакции е:

${\ce {2Cl^- + 2Ag+ -> 2AgCl(v)}}$

или, во редуциран израмнет облик,

${\ce {Ag+ + Cl^- -> AgCl(v)}}$

У реакцији неутрализације или кисело/базне реакције, нето јонска једначина ће обично бити:

-{H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)}-

Постојат неколку реакции киселина/база кои произведуваат талог покрај молекулите вода прикажан погоре. Примерот е реакција на бариум хидроксид со фосфорном киселином, која не произведува само воду, туку и нерастворлива сол бариум фосфат. Во оваа реакција нема посматрачки јон, така што нето јонската равенка е иста како полната јонска равенка.

${\ce {3Ba(OH)2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3(PO4)2(v)}}$

${\ce {{3Ba^{2}+}+{6OH^{-}}+{6H+}}}+\underbrace {\ce {2PO4^{3}-}} _{\ce {phosphate}}{\ce {->{6H2O}+\underbrace {Ba3(PO4)2(v)} _{barium~phosphate}}}$

Реакциите на двократно поместување кои го одликуваат карбонатот кој реагира со киселина имаат нето јонска равенка:

${\ce {2H+}}+\underbrace {{\ce {CO3^2-}}} _{{\ce {carbonate}}}{\ce {-> H2O + CO2 (^)}}$

Ако секој јон е „посматрачки јон” тогаш не доаѓа до реакција, а нето јонската равенка е нула.

Генерално, ако z_j е множеник на елементарен полнеж на j-тата молекула, неутралноста на полнежто може да се напиѓе како:

$\sum _{j=1}^{J}z_{j}\nu _{j}=0$

каде ν_j се стехиометриски коефициенти опишани погоре. Коефициентот z_j може да се инкорпорира како дополнителен ред во матрицата a_ij опишана погоре, и правилно израмнета равенка тогаш исто така ќе има:

$\sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0$

Надворешни врски

• Урамнотежување на хемиски равенки