موازنه واکنش شیمیایی — به زبان ساده

در مطالب گذشته وبلاگ فرادرس در مورد واکنش‌های شیمیایی و هم‌چنین پیوندهای مختلف در شیمی صحبت کردیم. اما هریک از این پیوند‌ها در نتیجه واکنشی است که پیش‌تر در طبیعت رخ داده است. در این مطلب قصد داریم تا نحوه نوشتن معادله شیمیایی را توضیح داده و نهایتا روش موازنه واکنش را بیان کنیم. همچنین می‌توانید مطالب مربوط به موازنه در واکنش اکسایش و کاهش و واکنش اکسایش و کاهش آلی را نیز مطالعه کنید.

معادلات شیمیایی

همان‌گونه که در شکل زیر نیز نشان داده شده، حرارت دادن به ظرفی حاوی آمونیوم دی‌کرومات منجر به واکنشی می‌شود که تحت عنوان کوه آتشفشان آمونیوم دی‌کرومات شناخته می‌شود. چنین فرآیندی تولید‌کننده نور، حرارت و کرومیوم اکسید سبز‌رنگ می‌شود. اما چگونه می‌توان این واکنش را در قالب یک معادله نشان داد.

نحوه رخداد واکنش‌های شیمیایی با استفاده از معادلات شیمیایی بیان می‌شوند. برای نمونه فرض کنید گاز هیدروژن ($$H _ 2$$) با گاز اکسیژن واکنش داده که این امر منجر به تولید آب ($$H _ 2 O$$) می‌شود. در این صورت معادله شیمیایی چنین واکنشی را می‌توان مطابق با عبارت زیر بیان کرد:

$$ \color { white } {2 H _ 2 + O _ 2 \rightarrow 2 H _ 2 O } { 2 H _ 2 + O _ 2 \rightarrow 2 H _ 2 O } \color { white } { 2 H _ 2 + O _ 2 \rightarrow 2 H _ 2 O} $$

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

همان‌طور که در معادله فوق نیز مشاهده می‌کنید به‌منظور نشان دادن یک واکنش از علائم شیمیایی استفاده می‌شود. هم‌چنین مواد سمت چپ معادله تحت عنوان واکنش‌‌دهنده‌ها ($$R$$) و مواد سمت راست به‌عنوان فرآورده‌ها ($$P$$) شناخته می‌شوند. معادله توصیف شده در بالا نیز مطابق با عبارت زیر بیان می‌شود.

$$\underbrace{ { ( N H _ 4 ) _ 2 C r _ 2 O _ 7 } } _ { R } \rightarrow \underbrace{ { C r _ 2 O _ 3 + N _ 2 + 4 H _ 2 O } } _{ P }$$

توجه داشته باشید که در معادله فوق $$R$$ نشان‌دهنده واکنش‌دهنده‌ها و $$P$$ نشان‌دهنده فرآورده‌ها است. البته معادله شیمیایی را می‌توان با جزئیات بیشتری نیز بیان کرد. برای نمونه می‌توان حالت هر واکنش‌دهنده یا فرآورده را درون پرانتز نوشته و به‌صورت معادله زیر آن را بازنویسی کرد.

$${ ( N H _ 4 ) 2 Cr _ 2 O _ 7 ( s ) \rightarrow C r _ 2 O _ 3 ( s ) + N _ 2 ( g ) + 4 H _ 2 O ( g ) }$$

$$g$$ نشان‌دهنده گازی بودن مواد، $$l$$، مایع بودن و $$s$$ جامد بودن آن‌ها را نشان می‌دهد.

موازنه واکنش

معمولا در هنگام معرفی یک معادله شیمیایی در اولین گام معادله مذکور موازنه نیست. موازنه نبودن به معنای آن است که تعداد اتم‌های مربوط به هر عنصر در دو سمت معادله با هم برابر نیستند. برای تحلیل یک واکنش از بسیاری از جهات نیاز است تا در ابتدا موازنه واکنش را انجام دهید. برای نمونه معادله شیمیایی زیر را در نظر بگیرید که واکنش شیمیایی هپتان ($$C _ 7 H _ 16$$) را با اکسیژن نشان می‌دهد. این معادله را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد:

$${ C _ 7 H _ { 16 } ( l ) + O _ 2 ( g ) \rightarrow C O _ 2 ( g ) + H _ 2 O ( g ) }$$

همان‌طور که مشاهده می‌کنید معادله فوق موازنه نیست. برای نمونه تعداد تمامی اتم‌‌های کربن در سمت راست برابر با $$1$$ و در سمت چپ برابر با $$7$$ است. در حقیقت تعداد اتم‌های واکنش‌دهنده با تعداد اتم‌های فرآورده با هم برابر نیستند. جالب است بدانید که احتراق کامل هر هیدروکربن با مقداری کافی از اکسیژن منجر به تولید دی‌اکسید کربن و آب می‌شود.

توجه داشته باشید که برای انجام موازنه نمی‌توان نوع پیوند‌ها را تغییر داد. در حقیقت نوع پیوند‌ها با استفاده از اندیس‌های قرار گرفته زیر اتم‌ها تعیین می‌شوند. برای نمونه $$H _ 2 O$$ نشان‌دهنده مولکول آب است. برای نمونه می‌توان گفت ۱ میلیارد مولکول $$H _ 2 O$$ در یک ظرف آب وجود دارد. اما اگر شما اندیس‌های هریک از عناصر را تغییر دهید نوع مولکول را تغییر داده‌اید. در شکل زیر دو حالت مختلف نشان داده شده که در یکی از آن‌ها اندیس تغییر کرده و در دیگری تعداد مولکول‌ها. در شکل زیر این تفاوت نشان داده شده است.

برای موازنه‌ کردن یک معادله شیمیایی می‌توانید مطابق با گام‌های زیر به پیش بروید.

1. در ابتدا پیچیده‌ترین ماده را شناسایی کنید.
2. برای ماده انتخاب شده، عنصری را انتخاب کنید که تنها در واکنش‌دهنده‌ها یا فرآورده‌ها ظاهر شده باشد. عنصر انتخاب شده را در طرفین معادله موازنه کنید.
3. در مرحله بعد بار‌های یون‌ها را در طرفین موازنه کنید.
4. اتم‌های باقیمانده را موازنه کنید. معمولا این فرآیند با ساده‌ترین ترکیب به پایان می‌رسد. اگر حتی یکی از ضرایب بدست آمده نیز به‌صورت کسری هستند می‌توانید طرفین معادله را در مخرج کسر ضرب کنید؛ با انجام این کار تمامی ضرایب صحیح شده و درک بهتری را از کل معادله بدست خواهید آورد.
5. در گام آخر باید تعداد کل اتم‌ها را در دو طرف معادله موازنه کنید. در حقیقت تعداد اتم‌های تمامی عناصر باید در دو سمت معادله با هم برابر باشند.

مثال ۱

در ادامه معادله سوختن هپتان ارائه شده است. این معادله را موازنه کنید.

$${ C _ 7 H _ { 1 6 } ( l ) + O _ 2‌ ( g ) \rightarrow CO _ 2‌ ( g ) + H _2 O ( g ) }$$

همان‌طور که بیان شد در اولین گام باید پیچیده‌ترین ماده را شناسایی کرد. منظور از پیچیده‌ترین، ترکیبی است که بیشترین تعداد از اتم‌های مختلف را دارد. در واکنش ارائه شده در بالا مولکول $${ C _  7 H _ { 1 6 } }$$، این حالت را دارد.

در گام بعد باید ضرایب دو سمت را به نحوی تنظیم کرد که تعداد هریک از عناصر، در دو سمت معادله با هم برابر باشند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید تنها یک اتم کربن در سمت چپ وجود دارد. از این رو به‌منظور برابر کردن تعداد اتم‌های آن، عدد $$7$$ را پشت دی‌اکسید کربن قرار می‌دهیم. با انجام این کار، معادله به‌صورت زیر در می‌آید.

$${ C _ 7 H _ { 16 } + O _ 2 \rightarrow 7 C O _ 2 + H _ 2 O }$$

طبق روش ارائه شده در بالا، در گام بعدی باید بار‌های یون‌ها را در دو سمت موازنه کنیم اما همان‌طور که مشاهده می‌کنید در این معادله هیچ‌یک از مواد دارای باری الکتریکی نیستند. در مرحله آخر نیز باید دیگر اتم‌های باقیمانده را موازنه کرد. معادله فوق نشان می‌دهد که در سمت راست، $$2$$ اتم هیدروژن و در سمت چپ $$16$$ اتم از همین عنصر وجود دارد. بنابراین مولکول آب در سمت راست را در $$8$$ ضرب می‌کنیم. در این مرحله، معادله به‌صورت زیر در می‌آید.

$${ C _ 7 H _ { 16 } + O _ 2 \rightarrow 7 C O _ 2 + 8 H _ 2 O }$$

تاکنون اتم‌های هیدروژن و کربن در دو سمت موازنه شده‌اند. اما همان‌طور که می‌بینید $$22$$ اتم اکسیژن در سمت راست داریم و این در حالی است که تنها $$2$$ اتم از همین عنصر در سمت چپ قرار دارد. بدین منظور برای موازنه کردن اتم اکسیژن، مولکول آن را در $$11$$ ضرب می‌کنیم. در این صورت معادله فوق به‌صورت زیر در می‌‌آید.

$${ C _ 7 H _{ 16 } ( l ) + 11 O _ 2 ( g ) \rightarrow 7 C O _ 2 ( g ) + 8 H _ 2 O ( g ) }$$

مرحله آخر را به خودتان واگذار می‌کنیم. در این مرحله باید تعداد تمامی اتم‌ها را در طرفین معادله بدست آورید و از برابر بودن آن‌ها اطمینان حاصل کنید.

مثال ۲

معمولا سوخت‌های فسیلی استفاده شده در وسایل نقلیه‌، از ترکیبات ایزواکتان‌ها هستند. معادله احتراق آن‌ها نیز (در حالت ایده‌آل) به‌صورت زیر است.

$${ C _ 8 H _ { 18 } ( l ) + O _ 2 ( g ) \rightarrow C O _ 2 ( g ) + H _ 2 O ( g ) }$$

در این معادله نیز پیچیده‌ترین مولکول $$C _ 8 H _ { 18 }$$ است. از این رو معادله شیمیایی مذکور در گام اول به‌صورت زیر در می‌آید.

$$ \color { white } {2 H _ 2 + O _ 2 \rightarrow 2 H _ 2 O } { C _ 8 H _ { 18 } + O _ 2 \rightarrow 8 C O _ 2 + H _ 2 O } \color { white } { 2 H _ 2 + O _ 2 \rightarrow 2 H _ 2 O} $$

در مرحله بعد برای برابر کردن اتم‌های هیدروژن نیز مولکول آب را در $$9$$ ضرب می‌کنیم.

$${ C _ 8 H _ { 18 } + O _ 2 \rightarrow 8 C O _ 2 + 9 H _ 2 O }$$

همان‌طور که می‌بینید اتم اکسیژن کماکان در دو سمت معادله نابرابر است. بنابراین می‌توان مولکول اکسیژن ($$O _ 2$$) را در $$\frac { 2 5 } { 2 }$$ ضرب و تعداد آن‌ها را نیز در دو سمت برابر کرد. در نتیجه معادله به‌صورت زیر در می‌آید.

$${ C _ 8 H _ { 18 } + \frac { 25 } { 2 } O _ 2 \rightarrow 8 C O _ 2 + 9 H _ 2 O }$$

معادله فوق اکنون از نظر تعداد اتم‌ها در دو سمت با هم برابر است. اما پشت مولکول $$O _ 2$$ عدد $$\frac { 2 5 } { 2 }$$ یا همان $$12.5$$ است. در حقیقت نصف مقدار مولکول اکسیژن شاید زیاد معنی‌دار نباشد. از این رو می‌توان با ضرب کردن کل معادله در $$2$$، کل اعداد صحیح می‌شود. در نتیجه شکل نهایی و صحیح معادله به‌صورت زیر در می‌‌آید.

$${ 2 C _ 8 H _ { 1 8 } ( l ) + 25 O _ 2 ( g ) \rightarrow 16 C O _ 2 ( g ) + 18 H _ 2 O ( g ) }$$

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

در نهایت نیز باید تعداد هریک از اتم‌ها را در دو سمت معادله بدست آورد و برابری آن‌ها را چک کرد. واکنش نشان داده شده در بالا دارای $$16$$ اتم کربن، $$36$$ اتم هیدروژن و $$50$$ اتم اکسیژن در سمت چپ بوده و همین اندازه اتم نیز در سمت راست قرار دارد. در مثال بعدی، واکنشی به‌نسبت پیچیده‌تر را بالانس خواهیم کرد.

مثال ۳

هیدروکسی آپاتیت معدنی $$(Ca_5(PO_4)_3(OH))$$ با فسفریک اسید و آب واکنش داده و منجر به تولید $$Ca(H_2PO_4)_2 \bullet H_2O$$ می‌شود. فرمول شیمیایی این واکنش را نوشته و آن را موازنه کنید.

در ابتدا باید واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها را مشخص کرده و واکنش آن‌ها را با هم بنویسیم. شکل کلی این معادله برابر است با:

$$\mathrm { Ca } _ { 5 } \left( \mathrm { PO } _ { 4 } \right) _ { 3 } ( \mathrm { OH } ) ( \mathrm { s } ) + \mathrm { H } _ { 3 } \mathrm { PO } _ { 4 } ( \mathrm { aq } ) + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } _ { ( \mathrm { l } ) } \rightarrow \mathrm { Ca } \left( \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { PO } _ { 4 } \right) _ { 2 } \cdot \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } _ { ( \mathrm { s } ) }$$

در مرحله بعد باید پیچیده‌ترین ترکیب را در کل معادله بدست آورید. این ترکیب، $$(Ca_5(PO_4)_3(OH))$$ است. عنصر کلسیم تنها عنصری است که هم در واکنش‌دهنده‌ها و هم در فرآورده‌ها تنها در یک مولکول ظاهر شده است. در نتیجه با قرار دادن ضریب $$5$$ در پشت پیچیده‌ترین عنصر، معادله به‌صورت زیر در می‌آید.

$${ C a _ 5 ( P O _ 4 ) _ 3 ( O H ) + H _ 3 P O _ 4 + H _ 2 O \rightarrow 5 C a ( H _ 2 P O _ 4 ) _ 2 \cdot H _ 2 O }$$

یکی از روش‌ها به‌منظور تسریع فرآیند موازنه واکنش، استفاده از روش تعادل‌سازی یون‌هایی است که در ترکیبات واکنش‌دهنده و فرآورده ظاهر می‌شوند. بدین منظور باید بگوییم یون فسفات دارای $$3$$ بار منفی در سمت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها است ($$P O _ 4 ^ { 3 ^ − }$$). ساده‌ترین راه برای بالانس کردن این یون استفاده از ضریب $$7$$ در سمت واکنش‌دهنده و پشت ترکیبِ $$H _ 3 P O _ 4$$ است. در این صورت $$10$$ عدد از این یون در سمت راست و همین تعداد در سمت چپ قرار دارد. بنابراین معادله در این مرحله به‌صورت زیر در می‌آید.

$${ C a _ 5 ( P O _ 4 )‌ _ 3 ( O H ) + 7 H _ 3 P O _ 4 + H _ 2 O \rightarrow 5 C a ( H _ 2 P O _4 ) _ 2 \cdot H _ 2 O }$$

در مرحله آخر اکسیژن و هیدروژن نیز باید به‌طور جداگانه بالانس شوند. در معادله فوق $$30$$ اتم هیدروژن در سمت راست قرار دارد. این در حالی است که تعداد اتم‌های هیدروژن در سمت چپ نیز برابر با $$24$$ است. در نتیجه با قرار دادن عدد $$4$$ پشت مولکول آب می‌توان تعداد اتم‌های هیدروژن را نیز در سمت چپ برابر با $$30$$ کرد. نهایتا شکل موازنه شده معادله به‌صورت زیر بدست می‌آید.

$${ C a _ 5 ( P O _ 4 ) _ 3 ( O H ) ( s ) + 7 H _ 3 P O _ 4 ( a q ) + 4 H _ 2 O ( l ) \rightarrow 5 C a ( H _ 2 P O _ 4 ) _ 2 \cdot H _ 2 O ( s ) }$$

حال اگر تعداد اکسیژن‌ها را در دو سمت محاسبه کنید خواهید دید که تعداد آن‌ها در دو سمت برابر با $$45$$ است. از این رو می‌توان گفت معادله بدست آمده در بالا نشان‌دهنده شکل نهایی این واکنش است.

در صورتیکه مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های دروس رسمی دبیرستان
• آموزش جامع شیمی دبیرستان
• پیوند‌ شیمیایی — به زبان ساده
• تعریف واکنش شیمیایی — به زبان ساده