Hemijske jednačine

Hemijske jednačine prikazuju u stehiometrijskim odnosima reakcije različitih hemijskih elemenata i jedinjenja, tj. hemijski proces.^[a] Na levoj strani jednačine su hemijski elementi koje ulaze u proces, a na desnoj jedinjenja koja hemijskim procesom nastaju. Umesto znaka jednakosti piše se strelica (→) koja označava smer u kome se promena događa.^[1]^[2]

Primer oksidacije natrijuma:

4Na + O₂ → 2Na₂O

Stehiometrijski koeficijenti (brojevi ispred hemijskih formula) rezultat su zakona o održanju mase i zakona o održanju naelektrisanja. Zakon o održanju mase diktira da se količina svakog elementa u hemijskoj reakciji ne menja. Dakle, svaka strana hemijske jednačine mora predstavljati istu količinu bilo kojeg određenog elementa. Isto tako, naelektrisanje se čuva u hemijskoj reakciji. Prema tome, isto naelektrisanje mora biti prisutno na obe strane uravnotežene jednačine.

Formiranje hemijske reakcije uredi

Hemijska jednačina se sastoji od hemijskih formula reaktanata (početne supstance) i hemijske formule proizvoda (supstanci nastalih u hemijskoj reakciji). Ova dva seta su razdvojena simbolom strelice (→, obično se čita kao „daje“), a hemijska formula svake pojedinačne supstance je odvojena od ostalih znakom plus.

Kao primer, jednačina za reakciju hlorovodonične kiseline sa natrijumom može se označiti sa:

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H
2

Ova jednačina bi se čitala kao „dva HCl plus dva Na daje dva NaCl i dva H”. Ali, za jednačine koje uključuju složene hemikalije, umesto čitanja slova i njegovog indeksa, hemijske formule se čitaju korištenjem IUPAC nomenklature. Koristeći IUPAC nomenklaturu, ova jednačina bi se čitala kao „hlorovodonična kiselina plus natrijum daje natrijum hlorid i gas vodonik”.

Ova jednačina pokazuje da natrijum i HCl reaguju i formiraju NaCl i H₂. Takođe ukazuje da su dva molekula natrijuma potrebna za svaka dva molekula hlorovodonične kiseline i reakcija će formirati dva molekula natrijum hlorida i jedan dvoatomni molekul gasovitog vodonika za svaka dva molekula hlorovodonična kiselina i dva molekula natrijuma koji reaguju. Stehiometrijski koeficijenti (brojevi ispred hemijskih formula) proizilaze iz zakona održanja mase i zakona održanja naelektrisanja (pogledajte odeljak „Uravnotežavanje hemijskih jednačina“ ispod za više informacija).

Uobičajeni simboli uredi

Bejker-Venkataramanovo preuređenje

Simboli se koriste za razlikovanje različitih tipova reakcija. Da se označi tip reakcije:^[1]

„ $=$ ” simbol se koristi za označavanje stehiometrijske relacije.
„ $\rightarrow$ ” simbol se koristi za označavanje neto reakcije unapred.
„ $\rightleftarrows$ ” simbol se koristi za označavanje reakcije u oba smera.^[3]
„ ${\ce {<=>}}$ ” simbol se koristi za označavanje ravnoteže.^[4]

Fizičko stanje hemikalija se takođe vrlo često navodi u zagradama posle hemijskog simbola, posebno za jonske reakcije. Kada se navodi fizičko stanje, (s) označava čvrstu materiju, (l) označava tečnost, (g) označava gas i (aq) označava vodeni rastvor.

Ako reakcija zahteva energiju, to je naznačeno iznad strelice. Veliko grčko slovo delta ( $\Delta$ ^[5]) se stavlja na reakcionu strelicu kako bi se pokazalo da se reakcija dodaje energija u obliku toplote. Izraz $h\nu$ ^[6] se koristi kao simbol za dodavanje energije u obliku svetlosti. Drugi simboli se koriste za druge specifične vrste energije ili zračenja.

Balansiranje hemijskih jednačina uredi

Kao što se vidi iz jednačine CH
4 + 2 O
2 → CO
2 + 2 H
2O, koeficijent 2 mora se staviti ispred gasa kiseonika na strani reaktanata i ispred vode na strani proizvoda kako se, prema zakonu održanja mase, količina svakog elementa ne bi promenila tokom reakcije

P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
Ova hemijska jednačina se balansira tako što se prvo množi H₃PO₄ sa četiri da bi se uskladio broj atoma P, a zatim množenjem H₂O sa šest da bi se uskladio broj atoma H i O.

Zakon održanja mase nalaže da se količina svakog elementa ne menja u hemijskoj reakciji. Svaka strana hemijske jednačine mora predstavljati istu količinu bilo kog datog elementa. Isto tako, naelektrisanje se očuvava u hemijskoj reakciji. Stoga, isti naboj mora biti prisutan na obe strane uravnotežene jednačine.

Jedna hemijska jednačina se balansira promenom skalarnog broja za svaku hemijsku formulu. Jednostavne hemijske jednačine se mogu izbalansirati inspekcijom, odnosno pokušajima i greškama. Druga tehnika podrazumeva rešavanje sistema linearnih jednačina.

Balansirane jednačine se često pišu sa najmanjim celobrojnim koeficijentima. Ako ispred hemijske formule nema koeficijenta, koeficijent je 1.

Metoda inspekcije se može opisati kao stavljanje koeficijenta 1 ispred najsloženije hemijske formule i stavljanje ostalih koeficijenata ispred svega ostalog tako da obe strane strelice imaju isti broj svakog atoma. Ako postoji bilo koji frakcioni koeficijent, množi se svaki koeficijent sa najmanjim brojem koji je potreban da bi se oni učinili celim, obično imeniocem razlomačnog koeficijenta za reakciju sa jednim frakcionim koeficijentom.

Kao primer, koji se vidi na gornjoj slici, sagorevanje metana bi se izbalansiralo stavljanjem koeficijenta 1 ispred CH₄:

1 CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O

Pošto se na svakoj strani strelice nalazi po jedan ugljenik, prvi atom (ugljenik) je uravnotežen.

Gledajući sledeći atom (vodonik), desna strana ima dva atoma, dok leva ima četiri. Da bi se uravnotežili vodonici, 2 ide ispred H₂O, što daje:

1 CH₄ + O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Pregled poslednjeg atoma koji treba da se balansira (kiseonika) pokazuje da desna strana ima četiri atoma, dok leva ima dva. To se može izbalansirati stavljanjem 2 ispred O₂, dajući uravnoteženu jednačinu:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Ova jednačina nema koeficijente ispred CH₄ i CO₂, pošto je koeficijent 1 ispušten.

Treba imati na umu da u nekim okolnostima nije ispravno pisati uravnoteženu reakciju sa svim celobrojnim koeficijentima. Na primer, reakcija koja odgovara standardnoj entalpiji formiranja mora biti napisana tako da se formira jedan mol jednog proizvoda. Ovo će često zahtevati da neki koeficijenti reaktanata budu frakcioni, kao što je slučaj sa formiranjem litijum fluorida:

Li(s) + ¹⁄₂ F₂(g) → LiF(s)

Matrična metoda uredi

Generalno, svaka hemijska jednačina koja uključuje J različitih molekula može se napisati kao:

\sum _{j=1}^{J}\nu _{j}R_{j}=0

gde je R_j simbol za j-ti molekul, a ν_j je stehiometrijski koeficijent za j-ti molekul, pozitivan za proizvode, negativan za reaktante (ili obrnuto). Pravilno izbalansirana hemijska jednačina će se tada pridržavati:

\sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0

gde je matrica kompozicije a_ij broj atoma elementa i u molekulu j. Za svaki vektor koji, kada njime operiše kompoziciona matrica, dobije se nulti vektor, i kaže se da je član jezgra ili nulti prostor operatora. Bilo koji član ν_j nultog prostora a_ij služiće za balansiranje hemijske jednačine koja uključuje skup J molekula koji čine sistem. „Preferirani“ stehiometrijski vektor je onaj za koji se svi njegovi elementi mogu konvertovati u cele brojeve bez zajedničkih delilaca množenjem sa odgovarajućom konstantom.

Generalno, matrica kompozicije je degenerisana: to jest, neće svi njeni redovi biti linearno nezavisni. Drugim rečima, rang (J_R) matrice kompozicije je generalno manji od njenog broja kolona (J). Po teoremi o nultom rangu, nulti prostor a_ij će imati J-J_R dimenzije i ovaj broj se zove nulitet (J_N) od a_ij. Problem balansiranja hemijske jednačine tada postaje problem određivanja J_N-dimenzionalnog nultog prostora kompozicione matrice. Važno je napomenuti da će samo za J_N=1 postojati jedinstveno rešenje. Za J_N>1 postojaće beskonačan broj rešenja za problem balansiranja, ali samo J_N njih će biti nezavisno: Ako se mogu pronaći J_N nezavisna rešenja za problem balansiranja, onda će bilo koje drugo rešenje biti linearna kombinacija ovih rešenja. Ako je J_N=0, neće biti rešenja za problem balansiranja.

Razvijene su tehnike^[7]^[8] za brzo izračunavanje skupa J_N nezavisnih rešenja za problem balansiranja i superiorne su od inspekcijske i algebarske metode po tome što su determinativne i daju sva rešenja za problem balansiranja.

Jonske jednačine uredi

Jonska jednačina je hemijska jednačina u kojoj su elektroliti zapisani kao disocirani joni. Jonske jednačine se koriste za reakcije jednostrukog i dvostrukog pomeranja koje se javljaju u vodenim rastvorima.

Na primer, u sledećoj reakciji taloženja:

{\ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca(NO3)2 + 2 AgCl(v)}}

puna jonska jednačina je:

{\ce {Ca^2+ + 2Cl^- + 2Ag+ + 2NO3^- -> Ca^2+ + 2NO3^- + 2AgCl(v)}}

ili, sa uključenim svim fizičkim stanjima:

{\ce {Ca^2+(aq) + 2Cl^-(aq) + 2Ag+(aq) + 2NO3^{-}(aq) -> Ca^2+(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 2AgCl(v)}}

U ovoj reakciji, joni Ca²⁺ i NO₃⁻ ostaju u rastvoru i nisu deo reakcije. To jest, ovi joni su identični na strani reaktanata i na strani proizvoda hemijske jednačine. Pošto takvi joni ne učestvuju u reakciji, oni se nazivaju posmatračkim jonima. Neto jonska jednačina je puna jonska jednačina iz koje su uklonjeni posmatrački joni.^[9] Neto jonska jednačina tekućih reakcija je:

{\ce {2Cl^- + 2Ag+ -> 2AgCl(v)}}

ili, u redukovanom izbalansiranom obliku,

{\ce {Ag+ + Cl^- -> AgCl(v)}}

U reakciji neutralizacije ili kiselo/bazne reakcije, neto jonska jednačina će obično biti:

H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)

Postoji nekoliko reakcija kiselina/baza koje proizvode talog pored molekula vode prikazanog iznad. Primer je reakcija barijum hidroksida sa fosfornom kiselinom, koja ne proizvodi samo vodu već i nerastvorljivu so barijum fosfat. U ovoj reakciji nema posmatračkog jona, tako da je neto jonska jednačina ista kao puna jonska jednačina.

{\ce {3Ba(OH)2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3(PO4)2(v)}}

{\ce {{3Ba^{2}+}+{6OH^{-}}+{6H+}}}+\underbrace {\ce {2PO4^{3}-}} _{\ce {phosphate}}{\ce {->{6H2O}+\underbrace {Ba3(PO4)2(v)} _{barium~phosphate}}}

Reakcije dvostrukog pomeranja koje karakterišu karbonat koji reaguje sa kiselinom imaju neto jonsku jednačinu:

{\ce {2H+}}+\underbrace {{\ce {CO3^2-}}} _{{\ce {carbonate}}}{\ce {-> H2O + CO2 (^)}}

Ako je svaki jon „posmatrački jon” onda ne dolazi do reakcije, a neto jonska jednačina je nula.

Generalno, ako je z_j umnožak elementarnog naelektrisanja na j-tom molekulu, neutralnost naelektrisanja se može napisati kao:

\sum _{j=1}^{J}z_{j}\nu _{j}=0

gde su ν_j stehiometrijski koeficijenti opisani gore. Koeficijent z_j se može inkorporirati^[7]^[8] kao dodatni red u matricu a_ij opisanu gore, i pravilno izbalansirana jonska jednačina će tada takođe imati:

\sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0

Napomene uredi

^ stehiometrija, hemijsko merenje: učenje o proporciji

Reference uredi

^ ^a ^b IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. ISBN 0-9678550-9-8.
^ Crosland, M.P. (1959). „The use of diagrams as chemical 'equations' in the lectures of William Cullen and Joseph Black”. Annals of Science. 15 (2): 75—90.
^ The notation $\rightleftarrows$ was proposed in 1884 by the Dutch chemist Jacobus Henricus van 't Hoff. See: van 't Hoff, J.H. (1884). Études de Dynamique Chemique [Studies of chemical dynamics] (na jeziku: francuski). Amsterdam, Netherlands: Frederik Muller & Co. str. 4—5. Van 't Hoff called reactions that didn't proceed to completion "limited reactions". From pp. 4–5: "Or M. Pfaundler a relié ces deux phénomênes … s'accomplit en même temps dans deux sens opposés." (Now Mr. Pfaundler has joined these two phenomena in a single concept by considering the observed limit as the result of two opposing reactions, driving the one in the example cited to the formation of sea salt [i.e., NaCl] and nitric acid, [and] the other to hydrochloric acid and sodium nitrate. This consideration, which experiment validates, justifies the expression "chemical equilibrium", which is used to characterize the final state of limited reactions. I would propose to translate this expression by the following symbol:
HCl + NO₃ Na $\rightleftarrows$ NO₃ H + Cl Na.
I thus replace, in this case, the = sign in the chemical equation by the sign $\rightleftarrows$ , which in reality doesn't express just equality but shows also the direction of the reaction. This clearly expresses that a chemical action occurs simultaneously in two opposing directions.)
^ The notation ${\ce {<=>}}$ was suggested by Hugh Marshall in 1902. See: Marshall, Hugh (1902). „Suggested Modifications of the Sign of Equality for Use in Chemical Notation”. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. 24: 85—87. doi:10.1017/S0370164600007720.
^ The symbol is more properly denoted as a simple triangle (△), which was originally the alchemical symbol for fire.
^ This symbol comes from the Planck equation for the energy of a photon, $E=h\nu$ . It is sometimes mistakenly written with a 'v' ("vee") instead of the Greek letter ' $\nu$ ' ("nu")
^ ^a ^b Thorne, Lawrence R. (2010). „An Innovative Approach to Balancing Chemical-Reaction Equations: A Simplified Matrix-Inversion Technique for Determining the Matrix Null Space”. Chem. Educator. 15: 304—308. arXiv:1110.4321  .
^ ^a ^b Holmes, Dylan (2015). „The null space's insight into chemical balance”. Dylan Holmes. Pristupljeno 10. 10. 2017. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
^ James E. Brady; Frederick Senese; Neil D. Jespersen (14. 12. 2007). Chemistry: matter and its changes. John Wiley & Sons. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

Spoljašnje veze uredi

Uravnoteživanje hemijskih jednačina

[1] stehiometrija, hemijsko merenje: učenje o proporciji

[goldbook-2] IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. ISBN 0-9678550-9-8.

[3] Crosland, M.P. (1959). „The use of diagrams as chemical 'equations' in the lectures of William Cullen and Joseph Black”. Annals of Science. 15 (2): 75—90.

[4] The notation $\rightleftarrows$ was proposed in 1884 by the Dutch chemist Jacobus Henricus van 't Hoff. See: van 't Hoff, J.H. (1884). Études de Dynamique Chemique [Studies of chemical dynamics] (na jeziku: francuski). Amsterdam, Netherlands: Frederik Muller & Co. str. 4—5. Van 't Hoff called reactions that didn't proceed to completion "limited reactions". From pp. 4–5: "Or M. Pfaundler a relié ces deux phénomênes … s'accomplit en même temps dans deux sens opposés." (Now Mr. Pfaundler has joined these two phenomena in a single concept by considering the observed limit as the result of two opposing reactions, driving the one in the example cited to the formation of sea salt [i.e., NaCl] and nitric acid, [and] the other to hydrochloric acid and sodium nitrate. This consideration, which experiment validates, justifies the expression "chemical equilibrium", which is used to characterize the final state of limited reactions. I would propose to translate this expression by the following symbol:
HCl + NO₃ Na $\rightleftarrows$ NO₃ H + Cl Na.
I thus replace, in this case, the = sign in the chemical equation by the sign $\rightleftarrows$ , which in reality doesn't express just equality but shows also the direction of the reaction. This clearly expresses that a chemical action occurs simultaneously in two opposing directions.)

[5] The notation ${\ce {<=>}}$ was suggested by Hugh Marshall in 1902. See: Marshall, Hugh (1902). „Suggested Modifications of the Sign of Equality for Use in Chemical Notation”. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. 24: 85—87. doi:10.1017/S0370164600007720.

[6] The symbol is more properly denoted as a simple triangle (△), which was originally the alchemical symbol for fire.

[7] This symbol comes from the Planck equation for the energy of a photon, $E=h\nu$ . It is sometimes mistakenly written with a 'v' ("vee") instead of the Greek letter ' $\nu$ ' ("nu")

[Thorne2010-8] Thorne, Lawrence R. (2010). „An Innovative Approach to Balancing Chemical-Reaction Equations: A Simplified Matrix-Inversion Technique for Determining the Matrix Null Space”. Chem. Educator. 15: 304—308. arXiv:1110.4321  .

[Holmes2015-9] Holmes, Dylan (2015). „The null space's insight into chemical balance”. Dylan Holmes. Pristupljeno 10. 10. 2017. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

[10] James E. Brady; Frederick Senese; Neil D. Jespersen (14. 12. 2007). Chemistry: matter and its changes. John Wiley & Sons. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

[a]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]