Kemiska reaktioners ekvationer: balansering av koefficienter

När järn brinner i syre och bildar järn(III)oxid, ser den första notationen ut så här: till vänster formlerna för utgångsämnena, till höger – formlerna för produkterna, mellan dem en pil. Detta är ett reaktionsschema.

Ett schema är ännu inte en ekvation. Det säger vad som omvandlas till vad, men inte hur mycket av varje ämne som används: antalet järn- och syreatomer är olika på vänster och höger sida. Enligt lagen om massans bevarande kan detta inte vara fallet.

Notation blir en reaktions ekvation när koefficienter placeras framför formlerna – siffror som balanserar antalet atomer av varje grundämne. Jämför de två notationerna av samma reaktion.

Lagen om massans bevarande formulerades av M. V. Lomonosov (1748), och bekräftades senare oberoende av A. Lavoisier: massan av de ämnen som reagerar är lika med massan av de ämnen som bildas.

Anledningen är enkel: under en kemisk reaktion försvinner eller uppstår inte atomer ur tomma intet. Gamla bindningar bryts, nya bildas, och atomerna själva omgrupperas bara. Hur många järnatomer som fanns före reaktionen, lika många finns kvar efteråt – de ingår bara i ett annat ämne.

Detta leder till det viktigaste kravet på ekvationen: antalet atomer av varje grundämne på vänster sida måste vara lika med antalet atomer av detta grundämne på höger sida. Det enda lagliga sättet att uppnå detta är att välja koefficienter.

En koefficient placeras framför formeln och multiplicerar alla atomer i den, inklusive atomer inom parenteser. Till exempel betyder notationen \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) tre formelenheter kalciumhydroxid: atomer av \(\mathrm{Ca}\) – 3, atomer av \(\mathrm{O}\) – 6, atomer av \(\mathrm{H}\) – 6. Koefficienten 1 skrivs inte ut, men den underförstås.

Att balansera koefficienter är inte slumpmässigt gissande, utan en kort procedur. Ordningen är viktig: först balanseras grundämnen som förekommer exakt i ett ämne på vänster sida och ett på höger sida, och först därefter väte och syre – de är vanligtvis fördelade över flera ämnen och anpassas sist.

Skolordningen memoreras med kedjan: metall → icke-metall → väte → syre. Sex steg i algoritmen – nedan.

Om ett steg resulterar i en bråkdelskoefficient (t.ex. 3/2 framför en tvåatomig gasmolekyl), är det inte ett misstag eller en återvändsgränd: slutför balanseringen, och multiplicera sedan alla koefficienter med 2 – bråken försvinner, balansen bevaras.

I högre årskurser läggs en kraftfullare metod till för redoxreaktioner – metoden för elektronbalans. Den bygger på oxidationstal, men metates- och additionsreaktioner balanseras fortfarande med denna enkla algoritm.

Detta är det vanligaste misstaget bland åttondeklassare. I schemat \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) stämmer inte kloret: 2 atomer på vänster sida, 1 på höger. Frestelsen är stor – att lägga till ett index och få \(\mathrm{NaCl_2}\). Atomerna stämmer formellt, men det skrivna ämnet existerar inte: natriumklorid har sammansättningen \(\mathrm{NaCl}\), och inget annat.

Ett index är en del av formeln. Det bestäms av ämnets sammansättning, det vill säga grundämnenas valens och oxidationstal, och man får inte välja det efter eget godtycke. Genom att ändra ett index ändrar du själva ämnet: \(\mathrm{H_2O}\) är vatten, medan \(\mathrm{H_2O_2}\) är väteperoxid, en helt annan förening med andra egenskaper.

En koefficient är en multiplikator framför formeln. Den anger bara antalet partiklar, inte deras sammansättning, därför är det endast tillåtet att balansera med koefficienter.

Rätt svar för schemat ovan är: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Natrium 2 och 2, klor 2 och 2, formlerna har inte rörts.

Ekvationer klassificeras efter hur många ämnen som reagerar och hur många som bildas. I grundskolan skiljer man på fyra typer: förening, sönderdelning, ersättning och metates.

Det är användbart att bestämma typen innan man balanserar koefficienterna: det ger en ledtråd om vilka ämnen som kommer att finnas på höger sida och hur många det blir, och hjälper därmed till att inte göra fel i själva schemat.

I tester och kontroller efterfrågas ofta inte hela ekvationen, utan summan av koefficienterna – det är ett snabbt sätt att kontrollera om den är korrekt balanserad. Den beräknas enkelt: man summerar alla koefficienter på vänster och höger sida.

För ekvationen \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) är summan 4 + 3 + 2 = 9.

Tre vanliga platser där man tappar poäng:

• den osynliga ettan räknas också. I ekvationen \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) är alla tre koefficienterna lika med 1, så summan är 3;
• index ingår inte i summan – man summerar bara siffrorna framför formlerna;
• koefficienterna måste vara de minsta heltalen. Notation \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) är korrekt vad gäller atomer, men alla siffror kan delas med 2, så den förkortas till 2, 1, 2 – och den korrekta summan är 5, inte 10.

Koefficienter behövs inte bara för att balansera atomer. De visar förhållandet mellan substansmängderna (i mol) som ämnen reagerar och bildas i. Detta är bron till beräkningsuppgifter.

Ekvationen \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) läses som: 1 mol kväve reagerar med 3 mol väte och ger 2 mol ammoniak. Förhållandet 1 : 3 : 2 bevaras vid alla substansmängder.

Därför är den vanliga beräkningsmetoden baserad på ekvationen: omvandla den givna massan eller volymen till substansmängd, hitta substansmängden för det sökta ämnet med hjälp av koefficienterna och gå tillbaka till massan eller volymen. Själva beräkningsuppgifterna är ett separat stort ämne, men det börjar alltid här: med felaktigt balanserade koefficienter kommer alla sådana beräkningar att ge felaktigt svar.