Keemilise reaktsiooni võrrand on reaktsiooni kirjapanek ainete valemite abil, kus iga elemendi aatomite arv on vasakul ja paremal pool võrdne. Et skeem muutuks võrrandiks, asetatakse valemite ette kordajad: seda nõuab massi jäävuse seadus. Siin selgitatakse, mille poolest erineb skeem võrrandist, antakse samm-sammuline tasakaalustamisalgoritm (metall → mittemetall → vesinik → hapnik), reaktsioonitüüpide tabel, sagedased vead ja interaktiivne treening, mille abil saab teemat kohe kinnistada.
Reaktsiooni skeem ja reaktsiooni võrrand: mis vahe on
Kui raud põleb hapnikus ja tekib raud(III)oksiid, siis esimene kirjapanek näeb välja nii: vasakul on lähtesubstantside valemid, paremal – produktide valemid, nende vahel nool. See on reaktsiooni skeem.
Skeem ei ole veel võrrand. Selles on öeldud, mis milles muutub, aga mitte öeldud, kui palju millestki võetakse: raua ja hapniku aatomeid vasakul ja paremal pool on erinev arv. Massi jäävuse seaduse järgi nii olla ei saa.
Reaktsiooni võrrandiks muutub kirjapanek siis, kui valemite ette on asetatud kordajad – arvud, mis tasakaalustavad iga elemendi aatomite arvu. Võrdle kahte sama reaktsiooni kirjapanekut.
| Aatom | Vasakul | Paremal |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Aatom | Vasakul | Paremal |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Massi jäävuse seadus: milleks on vaja kordajaid
Ainete massi jäävuse seaduse sõnastas M. V. Lomonossov (1748), hiljem kinnitas seda sõltumatult ka A. Lavoisier: lähteaineteks olevate ainete mass on võrdne saadud ainete massiga.
Põhjus on lihtne: keemilise reaktsiooni käigus aatomid ei kao ega teki tühjast kohast. Vanad sidemed purunevad, uued tekivad, aatomid ise aga ainult ümbergrupeeruvad. Kui palju raua aatomeid oli enne reaktsiooni, sama palju jääb ka pärast – nad lihtsalt kuuluvad nüüd teise aine koosseisu.
Sellest tuleneb peamine nõue võrrandile: iga elemendi aatomite arv vasakul peab olema võrdne selle elemendi aatomite arvuga paremal. Ainus seaduslik viis selle saavutamiseks on kordajate leidmine.
Kordaja asetatakse valemi ette ja korrutab kõik selles olevad aatomid, sealhulgas sulgudes olevad aatomid. Näiteks kirjapanek \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) tähendab kolme kaltsiumhüdroksiidi valemühikut: \(\mathrm{Ca}\) aatomeid – 3, \(\mathrm{O}\) aatomeid – 6, \(\mathrm{H}\) aatomeid – 6. Kordajat 1 ei kirjutata, kuid see on mõeldud.
Kuidas tasakaalustada reaktsiooni võrrandit: algoritm
Kordajate tasakaalustamine ei ole juhuslik valik, vaid lühike protseduur. Selle järjekord on oluline: esmalt tasakaalustatakse elemendid, mis esinevad täpselt ühes aines vasakul ja ühes paremal, ja alles seejärel vesinik ja hapnik – need jaotuvad tavaliselt kohe mitmesse ainesse ja neid kohandatakse viimasena.
Koolis õpitav järjekord on meeldejäetav ahelana: metall → mittemetall → vesinik → hapnik. Algoritmi kuus sammu on toodud allpool.
Kui mõnel sammul saadakse murdarvuline kordaja (näiteks 3/2 kahe aatomiga gaasimolekuli ees), pole see viga ega ummik: vii tasakaalustamine lõpuni ja seejärel korruta kõik kordajad kohe 2-ga – murrud kaovad, tasakaal säilib.
Vanemates klassides lisandub oksüdatsioonireaktsioonide jaoks võimsam meetod – elektronbilansi meetod. See tugineb oksüdatsiooniastele, kuid vahetus- ja liitumisreaktsioone tasakaalustatakse endiselt just selle lihtsa algoritmiga.
Miks ei tohi ainete valemites indekseid muuta
See on kaheksanda klassi õpilaste esimene viga. Skeemis \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) kloor ei klapi: vasakul 2 aatomit, paremal 1. Kiitus on suur – lisada indeks ja saada \(\mathrm{NaCl_2}\). Aatomid klapivad formaalselt, kuid kirjapanekut ei eksisteeri: naatriumkloriidil on koostis \(\mathrm{NaCl}\), mitte mingi muu.
Indeks on osa valemist. Selle määrab aine koostis, st elementide valentsus ja oksüdatsiooniaste, ja seda ei saa oma soovi järgi valida. Indeksi muutmisega muudad ise ainet: \(\mathrm{H_2O}\) – vesi, aga \(\mathrm{H_2O_2}\) – vesinikperoksiid, hoopis teine ühend teiste omadustega.
Kordaja on valemi ees olev tegur. See näitab ainult osakeste arvu, mitte nende koostist, seetõttu tohib tasakaalustada ainult kordajatega.
Õige vastus ülaltoodud skeemile on: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Naatriumi 2 ja 2, kloori 2 ja 2, valemeid ei puudutatud.
Keemiliste reaktsioonide tüübid
Võrrandeid klassifitseeritakse selle järgi, kui palju aineid reaktsioonis osaleb ja kui palju saadakse. Põhikoolis eristatakse nelja tüüpi: liitumis-, lagunemis-, asendus- ja vahetusreaktsioonid.
Reaktsiooni tüübi määramine on kasulik enne kordajate tasakaalustamist: see annab vihje, millised ained satuvad paremale poole ja kui palju neid on, ning aitab seega mitte eksida ise skeemis.
| Reaktsiooni tüüp | Üldskeem ja näide |
|---|---|
| Liitumisreaktsioonid | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Lagunemisreaktsioonid | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Asendusreaktsioonid | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Vahetusreaktsioonid | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Keemilise reaktsiooni võrrandi kordajate summa
Testides ja kontrolltöödes küsitakse sageli mitte kogu võrrandit, vaid kordajate summat – see on kiire viis kontrollida, kas see on õigesti koostatud. Seda arvutatakse lihtsalt: liidetakse kõik kordajad vasakul ja paremal pool.
Võrrandi \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) summa on 4 + 3 + 2 = 9.
Kolm kohta, kus kõige sagedamini punkte kaotatakse:
- nähtamatu ühik loeb samuti. Võrrandis \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) on kõik kolm kordajat võrdsed 1-ga, seetõttu on summa 3;
- indeksid summasse ei kuulu – liidetakse ainult valemite ees olevad arvud;
- kordajad peavad olema vähimad täisarvud. Kirjapanek \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) on aatomite poolest õige, kuid kõik arvud jaguvad 2-ga, seetõttu taandatakse see 2, 1, 2 – ja õige summa on 5, mitte 10.
Arvutused keemiliste reaktsioonide võrrandite järgi: kordajad on moolid
Kordajad on vajalikud mitte ainult aatomite tasakaalustamiseks. Need näitavad ainete koguste suhet (moolides), milles ained reageerivad ja saadakse. See ongi sild arvutusülesanneteni.
Võrrandit \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) loetakse nii: 1 mool lämmastikku reageerib 3 mooli vesinikuga ja annab 2 mooli ammoniaaki. Suhe 1 : 3 : 2 säilib mis tahes ainete koguste korral.
Sellest tuleneb tavaline arvutusülesannete skeem võrrandi järgi: teisenda antud mass või maht aine koguseks, kordajate järgi leia otsitava aine kogus ja pöördu tagasi massi või mahu juurde. Arvutusülesanded ise on juba eraldi suur teema, kuid see algab alati siit: valesti tasakaalustatud kordajate korral annab iga selline arvutus vale vastuse.
Kordajate tasakaalustamise näited
Näide 1. Metaani põlemine
Ülesanne: tasakaalusta kordajad skeemis \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
Samm 1–2. Arvutame aatomid. Vasakul: süsinikku 1, vesinikku 4, hapnikku 2. Paremal: süsinikku 1, vesinikku 2, hapnikku 2 + 1 = 3.
Samm 3. Metalle skeemis pole – läheme kohe mittemetalli juurde.
Samm 4. Süsinik: 1 vasakul ja 1 paremal, klapib juba.
Samm 5. Vesinik: vasakul 4, paremal 2 – asetame kordaja 2 vee ette, vesinikku paremal pool muutub 4. Nüüd hapnik: paremal pool 2 (CO2-s) + 2 (kahes H2O-s) = 4 aatomit, vasakul 2 – asetame 2 O2 ette.
Samm 6. Murdusid pole. Kontroll: süsinik 1 ja 1, vesinik 4 ja 4, hapnik 4 ja 4.
Vastus: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), kordajate summa 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Näide 2. Alumiinium ja väävelhape
Ülesanne: tasakaalusta kordajad skeemis \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
Samm 3. Alustame metallist. Alumiiniumi vasakul 1, paremal 2 – asetame 2 Al ette.
Samm 4. Happejääki \(\mathrm{SO_4}\) on mugav lugeda tervikuna: paremal pool on seda 3, vasakul 1 – asetame 3 \(\mathrm{H_2SO_4}\) ette.
Samm 5. Vesinik: vasakul pool sai 3 · 2 = 6 aatomit, seega paremal pool on vaja 3 molekuli \(\mathrm{H_2}\). Hapnikku kontrollime viimasena: vasakul 3 · 4 = 12, paremal 3 · 4 = 12.
Samm 6. Kontroll kõigi elementide järgi: alumiinium 2 ja 2, väävel 3 ja 3, hapnik 12 ja 12, vesinik 6 ja 6.
Vastus: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), kordajate summa 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Näide 3. Kui tekib murdarv
Ülesanne: tasakaalusta kordajad skeemis \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
Samm 3. Metall: rauda on vasakul ja paremal pool üks aatom – klapib seni.
Samm 4. Kloor: vasakul pool aatomid käivad paaridena, paremal pool neid on 3. Et saada 3 aatomit, on vaja \(\mathrm{Cl_2}\) ette kordajat 3/2 – tuleb \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Aatomid klappisid, kuid murdarvulist kordajat vastusesse jätta pole kombeks.
Samm 6. Korrutame kõik kordajad 2-ga: raud 1 · 2 = 2, kloor 1,5 · 2 = 3, produkt 1 · 2 = 2.
Kontroll: rauda 2 ja 2, kloori 6 ja 6.
Vastus: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), kordajate summa 2 + 3 + 2 = 7.
Sagedased vead kordajate tasakaalustamisel
-
„Tasakaalustasin“, muutes aine valemit: et tasakaalustada vesiniku põlemise skeemi aatomeid, lisatakse indeks ja saadakse vee asemel vesinikperoksiid.
\(\mathrm{H_2O_2}\) on teine aine ja reaktsioon oleks teine. Indeksid on puutumatud, need määrab aine koostis. Õige vastus saavutatakse ainult kordajatega: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
-
Kordaja asetatakse valemi sisse: kirjutatakse $\mathrm{Na2Cl}$ $\mathrm{2NaCl}$ asemel.
Kordaja on ainult kogu valemi ees ja kehtib kogu aine kohta. Arv valemi sees on juba indeks, st teine koostis. Kui valemi ees pole midagi kirjutatud, on kordaja 1.
-
Unustatakse, et kordaja korrutab valemi kõiki aatomeid: $\mathrm{2H_2SO_4}$ kirjapanekus loetakse 2 vesiniku aatomit.
Tuleb korrutada iga indeksit: \(\mathrm{2H_2SO_4}\) puhul on vesinikku 2 · 2 = 4 aatomit, väävlit 2 · 1 = 2, hapnikku 2 · 4 = 8. Sama sulgudega: \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) puhul on lämmastikku 2 · 2 = 4, hapnikku 2 · 6 = 12.
-
Alustatakse tasakaalustamist hapnikust või vesinikust.
Hapnik ja vesinik sisalduvad kohe mitmes aines, seetõttu nende kordajad lähevad iga järgmise sammuga sassi. Järjekord metall → mittemetall → vesinik → hapnik säästab aega: lõpuks jääb kohandada ainult üks element.
-
Lõpetatakse tasakaalustamine, nähes murdarvulist kordajat, või jäetakse murdarv vastusesse.
Murdarv on normaalne vahetulemus. Viige tasakaalustamine lõpuni ja seejärel korrutage kõik võrrandi kordajad nimetajaga (enamasti 2-ga). Aatomite tasakaal sellega ei rikkuda, arvud muutuvad täisarvulisteks.
-
Arvutatakse kordajate summa, jättes nähtamatud ühikud välja.
Kordajat 1 ei kirjutata, kuid summas see osaleb. Võrrandis \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) summa on 2 + 1 + 2 = 5, mitte 4.
-
Ei tehta lõppkontrolli ja antakse võrrand, kus mitte iga element ei klapi.
Algoritmi viimane samm on kohustuslik: käige läbi kõik elemendid järjest ja võrrelge aatomite arvu vasakul ja paremal pool. Viga peitub kõige sagedamini hapnikus, sest seda loetakse viimasena.
Küsimused ja vastused
Mille poolest erineb reaktsiooni skeem reaktsiooni võrrandist?
Reaktsiooni skeem näitab ainult, millised ained reageerivad ja millised saadakse: valemid vasakul, valemid paremal, nende vahel nool. Võrrandiks muutub see pärast kordajate tasakaalustamist, kui iga elemendi aatomite arv vasakul on võrdne aatomite arvuga paremal. Lihtsamalt öeldes vastab skeem küsimusele „mis milles muutub“, aga võrrand ka küsimusele „kui palju“.
Mis on kordaja reaktsiooni võrrandis ja mille poolest erineb see indeksist?
Kordaja on aine valemi ees olev arv, see näitab osakeste arvu ja korrutab valemi kõiki aatomeid, sealhulgas sulgudes olevaid aatomeid. Indeks on väike arv valemi sees paremal all, see näitab ise aine koostist. Tasakaalustamisel leitakse kordajad, indekseid aga muuta ei tohi: indeksi muutmisega saate teise aine ja teise reaktsiooni.
Kuidas leida keemilise reaktsiooni võrrandi kordajate summa?
Kõigepealt tasakaalustage kordajad õigesti ja seejärel liitke kõik valemite ees olevad arvud vasakul ja paremal pool. Kordajat 1 ei kirjutata, kuid summas see arvestatakse. Indeksid summasse ei kuulu. Ja kordajad peavad olema vähimad täisarvud: kui kõik need jaguvad ühise teguriga, tuleb võrrand taandada, muidu osutub summa liiga suureks.
Millise elemendiga alustada kordajate tasakaalustamist?
Selle elemendiga, mis esineb täpselt ühes aines vasakul ja ühes paremal. Praktikas on see järjekord metall → mittemetall (välja arvatud vesinik ja hapnik) → vesinik → hapnik. Hapnik ja vesinik jäetakse viimaseks, sest need sisalduvad kohe mitmes aines ja neid kohandatakse juba leitud kordajate järgi.
Kas murdarvulisi kordajaid võib kasutada?
Vahetulemustes – jah, see on mugav võte: kahe aatomiga gaasimolekuli ees tekib sageli 3/2 või 5/2. Kuid lõplikus vastuses peavad kordajad olema täisarvulised, seetõttu korrutatakse lõpus kõik võrrandi kordajad murru nimetajaga, tavaliselt 2-ga. Aatomite tasakaal sellega ei rikkuda.
Millised on keemiliste reaktsioonide tüübid?
Lähtesubstantside ja produktide arvu ja koostise järgi eristatakse neli peamist tüüpi: liitumisreaktsioonid (mitmest ainest saadakse üks), lagunemisreaktsioonid (ühest ainest saadakse mitu), asendusreaktsioonid (lihtaine tõrjub elemendi liitainest välja) ja vahetusreaktsioonid (kaks liitainet vahetavad koostisosi). Eraldi jagatakse reaktsioonid oksüdatsioonireaktsioonideks ja oksüdatsiooniasteid muutmata toimuvateks reaktsioonideks, samuti eksotermilisteks ja endotermilisteks reaktsioonideks.
Kuidas teha arvutust keemilise reaktsiooni võrrandi järgi?
Võrrandi kordajad määravad ainete koguste suhte moolides. Järjekord on järgmine: kirjutada võrrand ja tasakaalustada kordajad, teisendada tuntud mass või maht aine koguseks, kordajate suhte järgi leida otsitava aine kogus ja seejärel teisendada see tagasi massiks või mahuks. Kui kordajad on tasakaalustamata valesti, on vale ka kogu arvutus.
Miks võrrandis pannakse võrdusmärk, aga skeemis – nool?
Nool tähendab „muutub millekski“ ja lubab, et aatomid pole veel tasakaalus. Võrdusmärk ütleb, et mõlemad pooled on tõepoolest võrdsed iga elemendi aatomite arvu poolest, st massi jäävuse seadus on täidetud, seetõttu pannakse võrdusmärk alles pärast kordajate tasakaalustamist. Koolipraktikas jäetakse nool sageli ka valmis võrrandisse – see pole viga, kui tasakaal on saavutatud.
