معادله شیمیایی چیست؟ – به زبان ساده

$$2 \mathrm {H} _ {2} + \mathrm {O}_{2} \rightarrow 2 \mathrm {H}_{2} \mathrm {O}$$

جهت یک واکنش شیمیایی

جهت یک واکنش شیمیایی را به کمک معادله شیمیایی می‌توان مشخص کرد. به عبارت دیگر، واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها به کمک یکی از ۳ نماد زیر مشخص می‌شوند.

• «$$\rightarrow$$»: واکنش یک‌طرفه
• «$$\rightleftharpoons$$»: واکنش تعادلی (دوطرفه) یا برگشت‌پذیر
• «$$=$$»: برای نمایش روابط استوکیومتری

در برخی متون، برای نمایش واکنش‌هایی که در هر دو جهتِ رفت و برگشت انجام می‌شوند،‌ از نماد «$$\rightleftarrows$$» بهره می‌گیرند.

نمایش حالت فیزیکی مواد به کمک معادله شیمیایی

• (s): حالت جامد
• (l): حالت مایع
• (g): حالت گاز
• (aq): ذرات در «محلول آبی» (Aqueous Solution)

نمایش انرژی در معادله شیمیایی

برخی از واکنش‌های شیمیایی برای شروع نیاز به انرژی دارند. اگر انجام واکنش، به انرژی نیاز داشته باشد، در بالای فلش‌ها نشان داده می‌شود. این انرژی را به دو شکل می‌توان نشان داد

• استفاده از نماد یونانی دلتا $$(\Delta)$$ به معنای انرژی اضافه شده به شکل گرما
• به کمک عبارت «$$h\nu$$»، به معنای انرژی فوتون. استفاده از این عبارت یعنی برای انجام واکنش به نور نیاز داریم.

به یاد داشته باشید که ضرایب استوکیومتری پشت هر ماده در واکنش، برای این استفاده می‌شود تا بیانگر قوانین پایستگی بار و جرم باشد.

معادله شیمیایی یونی

مثال معادله شیمیایی یونی

در مثال زیر، یک نمونه معادله شیمیایی یونی را بررسی می‌کنیم. معادله اول، یک معادله شیمیایی و معادله دوم معادله‌ای به صورت یونی است.

معادله شیمیایی: $${\displaystyle { {Ca Cl2 + 2Ag N O_3 \rightarrow Ca(N O_3)_2 + 2 A g Cl(\downarrow)}}}$$

معادله یونی: $${\displaystyle { {Ca^{2+} + 2Cl^- + 2Ag^+ + 2NO_3^- \rightarrow Ca^2+ + 2NO_3^- + 2A g Cl(\downarrow)}}}$$

معادله یونی خالص برای مثال بالا را بعد از حذف یون‌های تماشاچی، می‌توان به شکل زیر نوشت. در حقیقت، در اینجا، معادله را تنها برای یون‌های شرکت کننده در واکنش نوشتیم:

$${\displaystyle { {2Cl^- + 2Ag^+ \rightarrow 2AgCl(\downarrow)}}}$$

موازنه معادله شیمیایی ساده

$${C_7H_{16} (l) + O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + H_2O (g) }$$

فیلم آموزش موازنه انرژی و مواد در فرادرس

کلیک کنید

مراحل موازنه واکنش به روش وارسی

• کار را با پیچیده‌ترین ترکیب شروع و فرض کنید تنها یک مولکول از این ترکیب در واکنش شرکت می‌کند.
• اتم با کمترین تعداد در این ترکیب را در دو طرف موازنه کنید. برای این کار، می‌توان از ضرایب کسری نیز کمک گرفت.
• در انتها، تعداد اتم‌های مشترک در سایر ترکیبات را موازنه کنید.
• بعد از این‌که اتم‌ها و بارهای الکتریکی، موازنه شدند، با اعمال ضرایب مناسب، عبارات کسری را حذف کنید.

مثال موازنه واکنش به روش وارسی

$$\mathrm {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {O}_{2} \rightarrow \mathrm {C O}_{2}+\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}$$

در این مثال، پیچیده‌ترین مولکول، اتیلن گلایکول است. بنابراین، ضریب ۱ را برای آن در نظر می‌گیریم. البته زمانیکه هیچ عددی پشت مولکول نباشد، بیانگر ضریب ۱ است اما برای اینکه مولکول‌های بررسی شده و مراحل موازنه، مشخص باشند، از این ضریب استفاده می‌کنیم.

$$\mathrm {{1}} {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {O}_{2} \rightarrow \mathrm {C O}_{2}+\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}$$

هریک از اتم‌های کربن و هیدروژن را در ۲ مولکول داریم اما اکسیژن در تمامی ۴ مولکول وجود دارد. پس ادامه کار را با موازنه کربن و هیدروژن پی می‌گیریم. در مولکول اتیلن گلایکول، ۲ اتم کربن داریم. بنابراین، ضریب ۲ را در پشت مولکول دی‌اکسید کربن قرار می‌دهیم.

$$\mathrm {{1}} {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {O}_{2} \rightarrow \mathrm {{2}} {C O}_{2}+\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}$$

با طی کردن مراحل بالا، می‌بینیم که اتم کربن، موازنه شده است. حالا نوبت به هیدروژن می‌رسد. در سمت چپ واکنش، ۶ اتم هیدروژن داریم و بنابراین، با داشتن ۳ مولکول آب در طرف راست، هیدروژن نیز موازنه خواهد شد.

$$\mathrm {{1}} {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {O}_{2} \rightarrow \mathrm {{2}} {C O}_{2}+\mathrm {{3}} {H}_{2} \mathrm {O}$$

در ادامه باید به موازنه اکسیژن بپردازیم. ۷ اتم اکسیژن در سمت راست داریم که ۴ اتم متعلق به مولکول دی‌اکسید کربن و ۳ اتم متعلق به مولکول آب است. برای موازنه این معادله شیمیایی باید در طرف چپ، ۷ اتم اکسیژن داشته باشیم. از این ۷ اتم، ۲ اتم در مولکول اتیلن گلایکول موجود است. در نتیجه، به ۵ اتم اکسیژن برای مولکول $$O_2$$ نیاز داریم. این ۵ اتم را به شکل کسری به مولکول اکسیژن اضافه می‌کنیم. در حقیقت، اگر کسر $$\frac{5}{2}$$ را پشت مولکول اکسیژن قرار دهیم، در ادامه اگر کل معادله را در عدد ۲ ضرب کنیم،‌ با عدد ۲ در مخرج ساده خواهد شد.

$$(\mathrm {{1}} {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {{\frac{5}{2}}}{O}_{2} \rightarrow \mathrm {{2}} {C O}_{2}+\mathrm {{3}} {H}_{2} \mathrm {O})\times2 \\ \mathrm {{2}} {C}_ {2} \mathrm {H}_{6} \mathrm {O}_{2}+\mathrm {{5}}{O}_{2} \rightarrow \mathrm {{4}} {C O}_{2}+\mathrm {{6}} {H}_{2} \mathrm {O}$$

مثال دوم موازنه واکنش به روش وارسی

قانون دیگری نیز وجود دارد که می‌گوید گروه‌های چنداتمی را که در طول واکنش، تغییر نمی‌کنند، به مانند اتم‌هایی بزرگ در نظر بگیرید و این گروه‌ها را به گونه‌ای مجزا موازنه کنید. برای اینکه با این قانون، بیشتر آشنا شویم، از معادله واکنش بین کلسیم کربنات و فسفریک اسید کمک می‌گیریم.  معادله این واکنش در زیر آورده شده است:

$$\mathrm {C a CO }_{ 3 }+\mathrm {H}_{ 3} \mathrm {P O}_{ 4} \rightarrow \mathrm{ Ca }_{ 3}\left (\mathrm {P O} _ {4} \right)_ {2}+ \mathrm {H}_ {2} \mathrm {O}+\mathrm {CO}_{2}$$

پیچیده‌ترین مولکول در این مثال، کلسیم فسفات است. بنابراین عدد ۱ را پشت این مولکول قرار می‌دهیم.

$$\mathrm {C a CO }_{ 3 }+\mathrm {H}_{ 3} \mathrm {P O}_{ 4} \rightarrow \mathrm {{1}} { Ca }_{ 3}\left (\mathrm {P O} _ {4} \right)_ {2}+ \mathrm {H}_ {2} \mathrm {O}+\mathrm {CO}_{2}$$

$$\mathrm {Ca CO}_{3}+2 \mathrm{H}_{3} \mathrm{ P O}_{4} \rightarrow 1 \mathrm {C a}_{3} \left (\mathrm{P O}_{4} \right)_{2}+ \mathrm {H}_{2} \mathrm{ O}+\mathrm {C O}_{2}$$

همچنین، سه اتم کلسیم در سمت چپ نیاز داریم.

$$3 \mathrm {Ca CO}_ {3}+2 \mathrm {H}_{3} \mathrm {P O}_{4} \rightarrow 1 \mathrm {C a}_{3} \left (\mathrm {P O}_{4} \right) _{2}+\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}+\mathrm {C O}_{2}$$

در ادامه، کربن، اکسیژن و هیدروژن برای موازنه باقی مانده‌اند. سه اتم کربن در سمت چپ داریم و بنابراین، ضریب ۳ را برای مولکول دی‌اکسید کربن سمت راست، در نظر می‌گیریم.

$$3 \mathrm {Ca CO}_ {3}+2 \mathrm {H}_{3} \mathrm {P O}_{4} \rightarrow 1 \mathrm {C a}_{3} \left (\mathrm {P O}_{4} \right) _{2}+\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}+3\mathrm {C O}_{2}$$

در سمت چپ، ۶ هیدروژن داریم و بار دیگر به سمت راست معادله، ضریب ۳ را اضافه می‌کنیم اما این بار این ضریب به مولکول آب اختصاص پیدا می‌کند.

$$3 \mathrm {Ca CO}_ {3}+2 \mathrm {H}_{3} \mathrm {P O}_{4} \rightarrow 1 \mathrm {C a}_{3} \left (\mathrm {P O}_{4} \right) _{2}+3\mathrm {H}_{2} \mathrm {O}+3\mathrm {C O}_{2}$$

موازنه بار

اگر در معادله واکنش، ذرات باردار داشته باشیم، این بارها را نیز باید موازنه کنیم. به طور مثال، واکنش زیر را در نظر بگیرید:

$$\mathrm {Fe} ^{2+}+\mathbf {P O}_{4}^{3-} \rightarrow \mathrm {F e}_{3}\left (\mathbf {P O}_{4}\right)_{2}$$

موازنه این معادله شیمیایی قدری ساده است. پیچیده‌ترین مولکول، آهن (II) فسفات در سمت راست معادله است. با فرض این‌که یک مولکول از این ترکیب پیچیده داشته باشیم، باید ضریب ۳ را برای $${Fe} ^{2+}$$ و ضریب ۲ را برای یون فسفات در نظر بگیریم. با این کار، معادله شیمیایی ما موازنه می‌شود.

$$3\mathrm {Fe} ^{2+}+2\mathbf {P O}_{4}^{3-} \rightarrow \mathrm {F e}_{3}\left (\mathbf {P O}_{4}\right)_{2}$$

حال، به سادگی می‌توانیم موازنه بار را نیز بررسی کنیم. مقدار بار در سمت راست، برابر با صفر است. در سمت چپ نیز این میزان طبق محاسبات زیر، برابر با صفر خواهد بود که نشان می‌دهد، معادله، موازنه شده است.

$$3×(+2) + 2×(-3) = 6-6 = 0$$

محدودیت‌ های موازنه به روش وارسی

البته موازنه معادله شیمیایی به روش وارسی، با محدودیت‌هایی نیز همراه است. به طور مثال، واکنش زیر را در نظر بگیرید:‌

$$\mathrm{CH}_{3} \mathrm{ONa}+\mathrm{NaClO}_{2}+\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{COCl}_{2}+\mathrm{NaCl}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$$

اگر بخواهیم واکنش بالا را به روش وارسی، موازنه کنیم به جایی نمی‌رسیم. به کمک دو قانون اول، موازنه را از کربن آغاز خواهیم کرد و ضریب ۱ را برای $$CH_3ONa$$ در نظر می‌گیریم. با این کار، نتیجه می‌گیریم که ۱ مولکول از $$COCl_2$$ نیز به تولید می‌رسد. این ساده‌ترین بخش کار بود.

سایر اتم‌ها در ترکیبات دیگر یافت می‌شوند. بنابراین، زمانیکه ضریبی را در پشت یک مولکول قرار دهیم، حداقل، تعداد دو اتم دیگر تغییر می‌کنند. در نتیجه، باید از سایر روش‌ها برای موازنه استفاده کنیم.