Jednadžba kemijske reakcije je zapis reakcije formulama tvari, u kojem je broj atoma svakog elementa lijevo i desno jednak. Da bi shema postala jednadžba, ispred formula postavljaju se koeficijenti: to zahtijeva zakon očuvanja mase. Ovdje je objašnjeno čime se shema razlikuje od jednadžbe, dan je korak po korak algoritam izjednačavanja (metal → nemetal → vodik → kisik), tablica vrsta reakcija, česte pogreške i interaktivni trenažer na kojem se tema odmah može usvojiti.
Shema reakcije i jednadžba reakcije: u čemu je razlika
Kada željezo gori u kisiku i nastaje željezov(III) oksid, prvi zapis izgleda ovako: lijevo formule početnih tvari, desno — formule produkata, između njih strelica. To je shema reakcije.
Shema još nije jednadžba. Ona kaže što se u što pretvara, ali ne kaže koliko čega se uzima: atoma željeza i kisika u lijevom i desnom dijelu ima različit broj. Prema zakonu očuvanja mase, tako ne može biti.
Jednadžbom reakcije zapis postaje kada se ispred formula postave koeficijenti — brojevi koji izjednačuju broj atoma svakog elementa. Usporedi dva zapisa iste reakcije.
| Atom | Lijevo | Desno |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Atom | Lijevo | Desno |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Zakon očuvanja mase: zašto su potrebni koeficijenti
Zakon očuvanja mase tvari formulirao je M. V. Lomonosov (1748.), a kasnije ga je neovisno potvrdio A. Lavoisier: masa tvari koje su ušle u reakciju jednaka je masi tvari koje su nastale.
Razlog je jednostavan: tijekom kemijske reakcije atomi ne nestaju niti se pojavljuju iz ničega. Stare veze pucaju, nove nastaju, a sami atomi se samo preraspoređuju. Koliko je atoma željeza bilo prije reakcije, toliko će ih ostati i poslije — samo što sada ulaze u sastav druge tvari.
Otuda glavno zahtjev za jednadžbu: broj atoma svakog elementa lijevo mora biti jednak broju atoma tog elementa desno. Jedini zakoniti način da se to postigne jest odabir koeficijenata.
Koeficijent se postavlja ispred formule i množi sve atome u njoj, uključujući atome unutar zagrada. Na primjer, zapis \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) znači tri formulske jedinice kalcijevog hidroksida: atoma \(\mathrm{Ca}\) — 3, atoma \(\mathrm{O}\) — 6, atoma \(\mathrm{H}\) — 6. Koeficijent 1 se ne piše, ali se podrazumijeva.
Kako izjednačiti koeficijente u jednadžbi reakcije: algoritam
Izjednačavanje koeficijenata nije nasumično pogađanje, već kratka procedura. Redoslijed je važan: prvo se izjednačuju elementi koji se nalaze točno u jednoj tvari lijevo i jednoj desno, a tek onda vodik i kisik — oni su obično raspoređeni u više tvari i prilagođavaju se posljednji.
Školski redoslijed pamti se lancem: metal → nemetal → vodik → kisik. Šest koraka algoritma — dolje.
Ako se u nekom koraku dobije razlomljeni koeficijent (na primjer, 3/2 ispred dvoatomne molekule plina), to nije pogreška niti slijepa ulica: dovedite izjednačavanje do kraja, a zatim pomnožite sve koeficijente odmah s 2 — razlomci će nestati, ravnoteža će se očuvati.
U višim razredima za redoks reakcije dodaje se snažnija metoda — metoda elektronske ravnoteže. Ona se oslanja na oksidacijski broj, ali reakcije izmjene i spajanja i dalje se izjednačuju upravo ovim jednostavnim algoritmom.
Zašto se ne smiju mijenjati indeksi u formulama tvari
Ovo je pogreška broj jedan kod osmaša. U shemi \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) klor se ne slaže: lijevo 2 atoma, desno 1. Napast je velika — dodati indeks i dobiti \(\mathrm{NaCl_2}\). Atomi će se formalno složiti, ali zapisane tvari nema: natrijev klorid ima sastav \(\mathrm{NaCl}\), i nikakav drugi.
Indeks je dio formule. Određen je sastavom tvari, dakle valencijom i oksidacijskim stanjem elemenata, i ne može se birati po želji. Mijenjajući indeks, mijenjaš samu tvar: \(\mathrm{H_2O}\) — voda, a \(\mathrm{H_2O_2}\) — vodikov peroksid, sasvim drugačiji spoj s drugim svojstvima.
Koeficijent je množitelj ispred formule. On govori samo o količini čestica, a ne o njihovom sastavu, stoga se izjednačavanje dopušta isključivo koeficijentima.
Ispravan odgovor za gornju shemu: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Natrija 2 i 2, klora 2 i 2, formule nisu promijenjene.
Vrste kemijskih reakcija
Jednadžbe se klasificiraju prema tome koliko tvari ulazi u reakciju i koliko nastaje. U osnovnoj školi izdvajaju se četiri vrste: spojevi, razlaganja, zamjene i izmjene.
Određivanje vrste korisno je prije izjednačavanja koeficijenata: ono sugerira koje će se tvari naći u desnom dijelu i koliko će ih biti, a time pomaže da se ne pogriješi u samoj shemi.
| Vrsta reakcije | Opća shema i primjer |
|---|---|
| Spojevi | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Razlaganja | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Zamjene | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Izmjene | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Zbroj koeficijenata u kemijskoj jednadžbi
Na testovima i kontrolnim zadacima često se ne pita cijela jednadžba, već zbroj koeficijenata — to je brz način provjere je li ispravno sastavljena. Računa se jednostavno: zbrajaju se svi koeficijenti lijeve i desne strane.
Za jednadžbu \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) zbroj je 4 + 3 + 2 = 9.
Tri mjesta gdje se najčešće gube bodovi:
- nevidljiva jedinica se također broji. U jednadžbi \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) sva tri koeficijenta su 1, stoga je zbroj 3;
- indeksi se ne ubrajaju u zbroj — zbrajaju se samo brojevi ispred formula;
- koeficijenti moraju biti najmanji cijeli brojevi. Zapis \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) po atomima je točan, ali svi se brojevi mogu podijeliti s 2, stoga se skraćuje na 2, 1, 2 — i ispravan zbroj je 5, a ne 10.
Računanje prema jednadžbama kemijskih reakcija: koeficijenti su molovi
Koeficijenti su potrebni ne samo za ravnotežu atoma. Oni pokazuju omjer količina tvari (u molovima) u kojem tvari reagiraju i nastaju. To je most prema računskim zadacima.
Jednadžba \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) čita se ovako: 1 mol dušika reagira s 3 mola vodika i daje 2 mola amonijaka. Omjer 1 : 3 : 2 očuvava se pri bilo kojim količinama tvari.
Otuda uobičajena shema računanja prema jednadžbi: pretvoriti zadanu masu ili volumen u količinu tvari, prema koeficijentima pronaći količinu tražene tvari i vratiti se na masu ili volumen. Sami računski zadaci — već su posebna velika tema, ali ona uvijek počinje ovdje: pri pogrešno postavljenim koeficijentima svaki takav račun dat će pogrešan odgovor.
Primjeri izjednačavanja koeficijenata
Primjer 1. Gorenje metana
Zadatak: izjednačiti koeficijente u shemi \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
Korak 1–2. Brojimo atome. Lijevo: ugljika 1, vodika 4, kisika 2. Desno: ugljika 1, vodika 2, kisika 2 + 1 = 3.
Korak 3. Metala u shemi nema — odmah prelazimo na nemetal.
Korak 4. Ugljik: 1 lijevo i 1 desno, već se slaže.
Korak 5. Vodik: lijevo 4, desno 2 — stavimo koeficijent 2 ispred vode, vodika desno postaje 4. Sada kisik: desno 2 (u \(\mathrm{CO_2}\)) + 2 (u dvije \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 atoma, lijevo 2 — stavimo 2 ispred \(\mathrm{O_2}\).
Korak 6. Nema razlomaka. Provjera: ugljik 1 i 1, vodik 4 i 4, kisik 4 i 4.
Odgovor: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), zbroj koeficijenata 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Primjer 2. Aluminij i sumporna kiselina
Zadatak: izjednačiti koeficijente u shemi \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
Korak 3. Počinjemo s metalom. Aluminija lijevo 1, desno 2 — stavimo 2 ispred \(\mathrm{Al}\).
Korak 4. Kiseli ostatak \(\mathrm{SO_4}\) zgodno je smatrati kao cijeli blok: desno ga je 3, lijevo 1 — stavimo 3 ispred \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Korak 5. Vodik: lijevo je postalo 3 · 2 = 6 atoma, stoga desno treba 3 molekule \(\mathrm{H_2}\). Kisik provjeravamo posljednji: lijevo 3 · 4 = 12, desno 3 · 4 = 12.
Korak 6. Provjera po svim elementima: aluminij 2 i 2, sumpor 3 i 3, kisik 12 i 12, vodik 6 i 6.
Odgovor: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), zbroj koeficijenata 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Primjer 3. Kada se pojavi razlomak
Zadatak: izjednačiti koeficijente u shemi \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
Korak 3. Metal: željeza po jedan atom lijevo i desno — zasad se slaže.
Korak 4. Klor: lijevo atomi idu u parovima, desno ih je 3. Da bi se dobila 3 atoma, ispred \(\mathrm{Cl_2}\) potreban je koeficijent 3/2 — ispadne \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Atomi su se složili, ali razlomljeni koeficijent u odgovoru nije uobičajeno ostavljati.
Korak 6. Množimo sve koeficijente s 2: željezo 1 · 2 = 2, klor 1,5 · 2 = 3, produkt 1 · 2 = 2.
Provjera: željeza 2 i 2, klora 6 i 6.
Odgovor: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), zbroj koeficijenata 2 + 3 + 2 = 7.
Česte pogreške pri izjednačavanju koeficijenata
-
„Izjednačio“, promijenivši formulu tvari: da bi se atomi složili u shemi gorenja vodika, dodaje se indeks i dobiva se umjesto vode vodikov peroksid.
\(\mathrm{H_2O_2}\) je druga tvar, i reakcija bi bila drugačija. Indeksi su nepovredivi, zadaje ih sastav tvari. Ispravan odgovor postiže se samo koeficijentima: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
-
Koeficijent se postavlja unutar formule: piše se $\mathrm{Na2Cl}$ umjesto $\mathrm{2NaCl}$.
Koeficijent stoji samo ispred cijele formule i odnosi se na cijelu tvar. Broj unutar formule je već indeks, dakle drugi sastav. Ako ispred formule ništa nije napisano, koeficijent je 1.
-
Zaboravlja se da koeficijent množi sve atome formule: u zapisu $\mathrm{2H_2SO_4}$ broje se 2 atoma vodika.
Množi se svaki indeks: u \(\mathrm{2H_2SO_4}\) vodika 2 · 2 = 4 atoma, sumpora 2 · 1 = 2, kisika 2 · 4 = 8. Isto sa zagradama: u \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) dušika 2 · 2 = 4, kisika 2 · 6 = 12.
-
Počinje se izjednačavati s kisikom ili vodikom.
Kisik i vodik ulaze u više tvari odjednom, stoga će se njihovi koeficijenti rušiti nakon svakog sljedećeg koraka. Redoslijed metal → nemetal → vodik → kisik štedi vrijeme: do kraja ostaje prilagoditi samo jedan element.
-
Napušta se izjednačavanje, ugledavši razlomljeni koeficijent, ili se razlomak ostavlja u odgovoru.
Razlomak je normalan među-rezultat. Dovedite izjednačavanje do kraja, a zatim pomnožite sve koeficijente s nazivnikom razlomka, obično s 2. Ravnoteža atoma pritom se neće narušiti, a brojevi će postati cijeli.
-
Zbraja se zbroj koeficijenata, preskačući nevidljive jedinice.
Koeficijent 1 se ne piše, ali u zbroju sudjeluje. U jednadžbi \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) zbroj je 2 + 1 + 2 = 5, a ne 4.
-
Ne radi se završna provjera i predaje se jednadžba u kojoj se nije složio svaki element.
Posljednji korak algoritma je obavezan: prođi kroz sve elemente redom i usporedi broj atoma lijevo i desno. Pogreška se najčešće skriva u kisiku, jer se on broji posljednji.
Pitanja i odgovori
Čime se shema reakcije razlikuje od jednadžbe reakcije?
Shema reakcije pokazuje samo koje tvari ulaze u reakciju i koje nastaju: formule lijevo, formule desno, između njih strelica. Jednadžbom ona postaje nakon izjednačavanja koeficijenata, kada je broj atoma svakog elementa lijevo jednak broju atoma desno. Jednostavnije rečeno, shema odgovara na pitanje „što se u što pretvara“, a jednadžba još i na pitanje „koliko“.
Što je koeficijent u jednadžbi reakcije i čime se razlikuje od indeksa?
Koeficijent je broj ispred formule tvari, on pokazuje količinu čestica i množi sve atome formule, uključujući atome u zagradama. Indeks je mali broj desno dolje unutar formule, on pokazuje sastav same tvari. Prilikom izjednačavanja podižu se koeficijenti, a indeksi se ne smiju mijenjati: promijenivši indeks, dobit ćeš drugu tvar i drugu reakciju.
Kako pronaći zbroj koeficijenata u kemijskoj jednadžbi?
Prvo pravilno izjednači koeficijente, a zatim zbroji sve brojeve ispred formula u lijevom i desnom dijelu. Koeficijent 1 se ne piše, ali u zbroju se uzima u obzir. Indeksi se ne ubrajaju u zbroj. I koeficijenti moraju biti najmanji cijeli brojevi: ako se svi mogu podijeliti zajedničkim množiteljem, jednadžbu treba skratiti, inače će zbroj biti previsok.
S kojim elementom početi izjednačavati koeficijente?
S onim koji se nalazi točno u jednoj tvari lijevo i u jednoj desno. U praksi je to redoslijed metal → nemetal (osim vodika i kisika) → vodik → kisik. Kisik i vodik ostavljaju se za kraj, jer ulaze u više tvari odjednom i prilagođavaju se već pronađenim koeficijentima.
Je li moguće postavljati razlomljene koeficijente?
U među-računima — da, to je zgodan prijem: ispred dvoatomne molekule plina često ispadne 3/2 ili 5/2. Ali u konačnom odgovoru koeficijenti moraju biti cijeli, stoga se na kraju svi koeficijenti jednadžbe množe nazivnikom razlomka, obično s 2. Ravnoteža atoma pritom se neće narušiti, a brojevi će postati cijeli.
Koje vrste kemijskih reakcija postoje?
Prema broju i sastavu početnih tvari i produkata izdvajaju se četiri glavne vrste: spojevi (iz više tvari nastaje jedna), razlaganja (iz jedne tvari nastaje više), zamjene (jednostavna tvar istiskuje element iz složene) i izmjene (dvije složene tvari izmjenjuju sastavne dijelove). Odvojeno se reakcije dijele na redoks i one koje teku bez promjene oksidacijskih stanja, kao i na egzotermne i endotermne.
Kako napraviti račun prema kemijskoj jednadžbi?
Koeficijenti jednadžbe zadaju omjer količina tvari u molovima. Redoslijed je ovakav: napisati jednadžbu i izjednačiti koeficijente, pretvoriti poznatu masu ili volumen u količinu tvari, prema omjeru koeficijenata pronaći količinu tražene tvari, a zatim je pretvoriti natrag u masu ili volumen. Ako koeficijenti nisu pravilno izjednačeni, pogrešan će biti i cijeli račun.
Zašto se u jednadžbi stavlja znak jednakosti, a u shemi — strelica?
Strelica znači „pretvara se u“ i dopušta da atomi još nisu izjednačeni. Znak jednakosti govori da su oba dijela doista jednaka po broju atoma svakog elementa, dakle zakon očuvanja mase je ispunjen, stoga se jednakost stavlja tek nakon izjednačavanja koeficijenata. U školskoj praksi strelica se često ostavlja i u gotovoj jednadžbi — to nije pogreška, ako se ravnoteža složila.
