Kemiallisen yhtälön tasapainottaja & stoikiometria

Tasapainota kemiallisia yhtälöitä Gaussin eliminoinnilla, laske stoikiometriset määrät, etsi rajoittavat reagenssit, laske prosentuaalinen saanto ja tunnista reaktiotyypit. Lisäksi: Jaksollinen järjestelmä | Moolimassa.

Syötä kemiallinen yhtälö käyttäen erottimena = (esim. Fe + O2 = Fe2O3, H2 + O2 = H2O, C3H8 + O2 = CO2 + H2O).

Toimintaperiaate: yhtälön tasapainottaja laskee atomit kummallakin puolella, rakentaa kerroinmatriisin ja ratkaisee sen Gaussin eliminoinnilla löytääkseen pienimmät kokonaislukukertoimet. Stoikiometrialaskuri käyttää kaikkien lajien moolimassoja muuntaakseen massan ja moolit toisikseen.
Mikä on tasapainotettu kemiallinen yhtälö?

Kemiallinen yhtälö on resepti, joka on kirjoitettu atomeilla. Massan säilymislaki sanoo, että atomeja ei synny eikä tuhoudu reaktiossa, joten vasemmalla ja oikealla puolella on oltava täsmälleen samat atomit — ja tasapainottaminen on kirjanpito, joka tämän varmistaa. Jokaisen kaavan edessä olevat suuret luvut (kertoimet) ovat säätimiä, joita käännetään, kunnes jokaisen alkuaineen määrä täsmää: ruostuva rauta vaatii 4 Fe + 3 O2 = 2 Fe2O3, ei 1 + 1 = 1. Tasapainottaminen on puhdasta algebraa, minkä vuoksi tämä sivu voi tehdä sen Gaussin eliminoinnilla ja laskea sitten jokaisen alkuaineen uudelleen näyttääkseen Vasen = Oikea. Murtokertoimet ovat hyväksyttäviä termokemiassa (reaktion moolia kohden); laboratorioreseptit poistavat nimittäjät kertomalla kaiken läpi.

Yksi sääntö muistettavaksi: kertoimet laskevat moolit, eivät yksittäisiä molekyylejä. 2H2 + O2 = 2H2O luetaan “2 mol vetyä ja 1 mol happea antavat 2 mol vettä” — minkä vuoksi myös 10 g H2:ta ja 32 g O2:ta eivät ole sama määrä reaktiota.
Stoikiometria: moolisilta

Molia ei voi punnita; punnitaan grammoja. Jokainen stoikiometriatehtävä on sama kolmivaiheinen ylitys: grammat → moolit (jaa moolimassalla), toisen lajin moolit → toisen lajin moolit (kerro kerroinsuhteella), moolit → grammat (kerro toisella moolimassalla). Keskimmäinen vaihe on se, missä tasapainotettu yhtälö tekee työnsä. Yllä olevalle esimerkille 10 g H2:ta on 4,960 mol; yhtälö 2H2 + O2 = 2H2O antaa sitten 2,480 mol kulunutta O2:ta (79,4 g) rinnalla ja enintään 4,960 mol muodostunutta H2O:ta (89,4 g). Moolimassat tulevat suoraan jaksollisesta järjestelmästä — Moolimassa-sivu on työkalu, joka on omistettu juuri tälle vaiheelle.

Rajoittava reagenssi: voileipälogiikka

Kahdella reaktantilla toinen niistä loppuu ensin ja reaktio pysähtyy siihen — rajoittava reagenssi ratkaisee kaiken, ja toinen on ylimäärin. Vertailu on moolit jaettuna kertoimilla: pienempi osamäärä loppuu ensin. Esimerkki tekee vastoin intuitiota olevan pisteen: 32 g O2 on kolme kertaa painavampi kuin 10 g H2, mutta O2 on rajoittava reagenssi (1,000 mol ÷ 1 voittaa 4,960 mol ÷ 2), joten teoreettinen saanto on vain 36,03 g H2O:ta ja 2,96 mol H2:ta jää käyttämättä. Pelkkä massa ei ratkaise kysymystä — yhtälön kertoimet on otettava vertailuun.

Teoreettinen, todellinen ja prosentuaalinen saanto

Teoreettinen saanto on se, minkä rajoittava reagenssi sallii, jos jokainen molekyyli reagoi; todellinen saanto on se, mikä todellisuudessa eristetään; prosentuaalinen saanto = todellinen/teoreettinen × 100 %. Esimerkin 85 g / 100 g saa arvion ”Hyvä/Kohtalainen” — todelliset synteesit menettävät saantoa sivureaktioissa, epätäydellisessä erotuksessa, tuotteessa, joka jää laitteisiin, ja tasapainossa, joka ei halua päättyä. Prosentuaalinen saanto yli 100 % on varoitusmerkki kosteasta tai saastuneesta tuotteesta, ei ihme.

Reaktiotyypit yhdellä silmäyksellä

Luokittelupaneeli lukee tasapainotetun yhtälön muodon: kaksi asiaa, jotka muuttuvat yhdeksi, on synteesi, yksi asia, joka hajoaa, on hajoaminen, alkuaine, joka vaihtuu yhdisteeseen, on yksinkertainen korvautuminen, ja kaksi yhdistettä, jotka vaihtavat kumppaneita, on kaksinkertainen korvautuminen. Minkä tahansa polttaminen O2:lla CO2:ksi ja H2O:ksi on palamista, ja jokainen reaktio, joka siirtää elektroneja lajien välillä, on lisäksi redox — luokat menevät päällekkäin (esimerkki 2H2 + O2 = 2H2O on synteesi, palamista ja redox samanaikaisesti). Redox-kirjanpidolla on oma sivunsa: Redox & elektrokemia.

Yleisiä väärinkäsityksiä
  • Tasapainottaminen alaindeksejä muuttamalla. H2O ja H2O2 ovat eri aineita; vain edessä olevia kertoimia saa säätää.
  • Pienempi massa on rajoittava reagenssi. Esimerkki on kumoava todiste: 32 g O2 painaa enemmän kuin 10 g H2 ja rajoittaa silti. Vertaa mooleja kertoimilla jaettuna, ei koskaan raakoja grammoja.
  • Tasapainotettu yhtälö tarkoittaa, että reaktio tapahtuu. Tasapainottaminen ei kerro mitään nopeudesta (kinetiikka) eikä siitä, kuinka pitkälle reaktio menee (tasapaino) — katso Kemiallinen tasapaino.
  • Saanto yli 100 % tarkoittaa enemmän tuotetta kuin mahdollista. Se tarkoittaa, että mitattu tuote sisältää vettä tai epäpuhtauksia; reaktio ei rikkonut mitään lakia.

Aiheeseen liittyvät työkalut: Moolimassa (grammojen ja moolien silta, johon tämä sivu nojaa), Kemiallinen tasapaino (kuinka pitkälle reaktiot todellisuudessa menevät) ja Redox & elektrokemia (elektronien siirtoreaktiot).