Phương trình phản ứng hóa học: cân bằng hệ số

Khi sắt cháy trong oxy và tạo thành oxit sắt(III), ghi chép đầu tiên trông như thế này: bên trái là công thức các chất phản ứng, bên phải là công thức các sản phẩm, giữa chúng là một mũi tên. Đây là sơ đồ phản ứng.

Sơ đồ chưa phải là phương trình. Nó cho biết chất nào biến thành chất nào, nhưng không cho biết lượng mỗi chất là bao nhiêu: số nguyên tử sắt và oxy ở hai vế không bằng nhau. Theo định luật bảo toàn khối lượng thì điều này không thể xảy ra.

Ghi chép trở thành phương trình phản ứng khi các hệ số được đặt trước công thức — các số làm cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố. So sánh hai cách ghi của cùng một phản ứng.

Định luật bảo toàn khối lượng chất được phát biểu bởi M. V. Lomonosov (1748), và sau đó được A. Lavoisier xác nhận độc lập: khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất tạo thành.

Lý do rất đơn giản: trong phản ứng hóa học, nguyên tử không biến mất và cũng không tự nhiên xuất hiện. Các liên kết cũ bị phá vỡ, các liên kết mới hình thành, còn bản thân các nguyên tử chỉ sắp xếp lại. Bao nhiêu nguyên tử sắt có trước phản ứng thì sau phản ứng vẫn còn bấy nhiêu — chỉ là chúng giờ đây thuộc về một chất khác.

Từ đó suy ra yêu cầu chính đối với phương trình: số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở vế trái phải bằng số nguyên tử của nguyên tố đó ở vế phải. Cách duy nhất hợp lệ để đạt được điều này là chọn hệ số phù hợp.

Hệ số được đặt trước công thức và nhân với tất cả các nguyên tử trong đó, bao gồm cả các nguyên tử bên trong dấu ngoặc. Ví dụ, ghi chép \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) có nghĩa là ba đơn vị công thức của canxi hydroxit: số nguyên tử \(\mathrm{Ca}\) — 3, số nguyên tử \(\mathrm{O}\) — 6, số nguyên tử \(\mathrm{H}\) — 6. Hệ số 1 không viết ra, nhưng được ngầm hiểu.

Cân bằng hệ số không phải là đoán mò, mà là một quy trình ngắn gọn. Thứ tự thực hiện rất quan trọng: trước tiên cân bằng các nguyên tố xuất hiện đúng trong một chất ở vế trái và một chất ở vế phải, sau đó mới đến hydro và oxy — chúng thường phân bố trong nhiều chất và được điều chỉnh sau cùng.

Thứ tự áp dụng trong trường học được ghi nhớ bằng chuỗi: kim loại → phi kim → hydro → oxy. Sáu bước của thuật toán — bên dưới.

Nếu ở bước nào đó thu được hệ số lẻ (ví dụ, 3/2 trước phân tử khí có hai nguyên tử), đó không phải là lỗi hay bế tắc: hãy hoàn thành việc cân bằng, sau đó nhân tất cả các hệ số với 2 — các phân số sẽ biến mất, sự cân bằng vẫn được duy trì.

Ở các lớp lớn hơn, đối với các phản ứng oxy hóa-khử, có một phương pháp mạnh mẽ hơn — phương pháp cân bằng electron. Nó dựa trên số oxy hóa, nhưng các phản ứng trao đổi và hóa hợp vẫn được cân bằng bằng thuật toán đơn giản này.

Đây là lỗi số một của học sinh lớp tám. Trong sơ đồ \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\), clo không cân bằng: bên trái 2 nguyên tử, bên phải 1. Sự cám dỗ là rất lớn — thêm chỉ số và thu được \(\mathrm{NaCl_2}\). Số nguyên tử về mặt hình thức sẽ cân bằng, nhưng chất được ghi không tồn tại: natri clorua có thành phần \(\mathrm{NaCl}\), và không có công thức nào khác.

Chỉ số là một phần của công thức. Nó được xác định bởi thành phần của chất, tức là hóa trị và số oxy hóa của các nguyên tố, và không thể tùy ý thay đổi. Khi thay đổi chỉ số, bạn thay đổi chính chất đó: \(\mathrm{H_2O}\) — nước, còn \(\mathrm{H_2O_2}\) — hydro peoxit, một hợp chất hoàn toàn khác với các tính chất khác.

Hệ số là một số nhân đứng trước công thức. Nó chỉ cho biết số lượng hạt, không phải thành phần của chúng, do đó chỉ được phép cân bằng bằng hệ số.

Câu trả lời đúng cho sơ đồ trên là: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Natri 2 và 2, clo 2 và 2, công thức không bị thay đổi.

Các phương trình được phân loại dựa trên số lượng chất tham gia phản ứng và số lượng sản phẩm tạo thành. Ở bậc trung học cơ sở, người ta phân biệt bốn loại: hóa hợp, phân hủy, thế và trao đổi.

Việc xác định loại phản ứng rất hữu ích trước khi cân bằng hệ số: nó gợi ý những chất nào sẽ có mặt ở vế phải và số lượng của chúng là bao nhiêu, do đó giúp tránh sai sót trong chính sơ đồ.

Trong các bài kiểm tra và bài thi, người ta thường hỏi không phải toàn bộ phương trình mà là tổng các hệ số — đây là cách nhanh chóng để kiểm tra xem phương trình đã được lập đúng chưa. Cách tính rất đơn giản: cộng tất cả các hệ số ở vế trái và vế phải.

Đối với phương trình \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\), tổng là 4 + 3 + 2 = 9.

Ba điểm thường bị mất điểm:

• hệ số 1 vô hình cũng được tính. Trong phương trình \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\), cả ba hệ số đều bằng 1, do đó tổng là 3;
• chỉ số không được tính vào tổng — chỉ cộng các số đứng trước công thức;
• hệ số phải là số nguyên nhỏ nhất. Ghi chép \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) về mặt số nguyên tử là đúng, nhưng tất cả các số đều chia hết cho 2, do đó nó được rút gọn thành 2, 1, 2 — và tổng đúng là 5, chứ không phải 10.

Hệ số không chỉ cần thiết để cân bằng nguyên tử. Chúng cho biết tỉ lệ số lượng các chất (tính theo mol) mà các chất phản ứng và tạo thành. Đây chính là cầu nối đến các bài toán tính toán.

Phương trình \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) được đọc như sau: 1 mol nitơ phản ứng với 3 mol hydro và tạo ra 2 mol amoniac. Tỉ lệ 1 : 3 : 2 được duy trì với bất kỳ lượng chất nào.

Từ đó suy ra quy trình tính toán thông thường theo phương trình: chuyển khối lượng hoặc thể tích đã cho thành số mol, theo hệ số tìm số mol của chất cần tìm và quay trở lại khối lượng hoặc thể tích. Bản thân các bài toán tính toán — đã là một chủ đề lớn riêng biệt, nhưng nó luôn bắt đầu từ đây: với hệ số cân bằng sai, bất kỳ phép tính nào như vậy cũng sẽ cho kết quả sai.