طرق موازنة المعادلات الكيميائية بالتفصيل

 

موازنة المعادلات الكيميائية

تتضمن موازنة المعادلات الكيميائية إضافة معاملات (ارقام) متكافئة إلى كل من المواد المتفاعلة reactants  والمواد الناتجة products. وهذه الأضافات مهمة لأن المعادلة الكيميائية يجب أن تخضع لقانون حفظ الكتلة law of conservation of mass وقانون النسبة الثابتة law of constant proportions ، أي يجب أن تكون ذرات كل عنصر متماثلة العدد على جانب المتفاعلات وجانب النواتج من المعادلة.

وقد قمت بمناقشة طريقتين سريعتين وسهلتين لموازنة المعادلة الكيميائية في هذه المقالة.

1.       الطريقة الأولى هي طريقة الموازنة التقليدية.

2.      الطريقة الثانية هي طريقة الموازنة الجبرية.

 

 

المصطلحات المستخدمة

معادلة كيميائية

·         المعادلة الكيميائية Chemical Equation هي تمثيل رمزي للتفاعل الكيميائي حيث يتم الإشارة إلى المواد المتفاعلة والمواد الناتجة بواسطة الصيغ الكيميائية الخاصة بكل عنصر.

·         مثال على معادلة كيميائية التي تصف التفاعل بين الهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء :

2H2 + O2 → 2H2O

 ·         جانب المواد المتفاعله هو جزء من المعادلة الكيميائية يقع على يسار السهم "→" بينما جانب النواتج هو الجزء الموجود على يمين رمز السهم.

 

معامل متكافئ

·         يصف المعامل المتكافئ stoichiometric coefficient العدد الإجمالي لجزيئات او عدد المولات لأحد الأنواع الكيميائية التي تشارك في تفاعل كيميائي.

·         يوفر نسبة بين الأنواع المتفاعلة والناتجة المتكونة في التفاعل.

·         في التفاعل الموصوف بواسطة المعادلة التالية :

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

·         يكون معامل القياس المتكافئ لـ O2 و H2O هو 2 بينما يكون معامل CH4 و CO2  هو 1.

·         أي هوا الرقم الذي يوضع قبل صيغة المركب او الجزيء.

·         إجمالي عدد ذرات العنصر الموجود في متفاعلات المعادلة الكيميائية المتوازنة يساوي عدد ذرات العنصر نفسة في نواتج المعادلة وهو المعامل المتكافئ.

·         على سبيل المثال ، العدد الإجمالي لذرات الأكسجين في الأنواع المتفاعلة 2O2  هو 4.

·         أثناء موازنة المعادلات الكيميائية ، يتم تعيين معاملات القياس المتكافئ بطريقة توازن العدد الإجمالي لذرات عنصر ما على الجانب المتفاعلات والنواتج.

 

 

طرق موازنة المعادلات الكيميائية

1- طريقة الموازنة التقليدية

الخطوة الأولى التي يجب اتباعها أثناء موازنة المعادلات الكيميائية هي معرفة جميع نواتج ومتفاعلات المعادلة غير المتوازنة بالكامل. لتوضيح هذه الطريقة ، سنأخذ تفاعل الاحتراق بين البروبان propane والأكسجين oxygen كمثال سهل الفهم للتوضيح.

 

الخطوة 1

·         يجب ان تتوفر المعادلة غير المتوازنة بكل مكوناتها من الصيغ الكيميائية للمواد المتفاعلة والمواد الناتجة.

·         الصيغة الكيميائية للبروبان هي C3H8 يحترق بالأكسجين (O2) لتكوين ثاني أكسيد الكربون  CO2 والماء H2O

·         يمكن كتابة المعادلة الكيميائية غير المتوازنة كالآتي :

C3H8 + O2 → CO2 + H2O

 

 الخطوة 2

يجب مقارنة العدد الإجمالي لذرات كل عنصر على جانب المواد المتفاعلة وجانب المواد الناتجة. في هذا المثال ، يمكن جدولة عدد الذرات على كل جانب على النحو التالي.

المعادلة الكيميائية:

C3H8 + O2 → CO2 + H2O

 

 الخطوه 3

·         الآن ، تتم إضافة المعاملات إلى الجزيئات التي تحتوي على عنصر يكون عدد ذراته مختلف في جانب المتفاعلات وجانب النواتج.

·         يجب أن يوازن المعامل الذي نضيفة عدد الذرات على كل جانب.

·         بشكل عام ، يتم تخصيص معاملات القياس المتكافئ لذرات الهيدروجين والأكسجين في الأخر بعد موازنة الذرات الباقية.

·         الآن ، يجب تعديل عدد ذرات العناصر الموجودة في المادة المتفاعلة و الناتجة.

·         من المهم ملاحظة أنه يجب الحصول على عدد ذرات العنصر في نوع واحد بضرب معامل القياس المتكافئ مع العدد الإجمالي لذرات هذا العنصر الموجود في جزيء واحد من النوع.

·         على سبيل المثال ، عند تعيين المعامل 3 لجزيء  CO2 ، يصبح العدد الإجمالي لذرات الأكسجين في CO2 هو 6. في هذا المثال ، يتم تخصيص معامل للكربون أولاً ، كما هو موضح أدناه.

المعادلة الكيميائية:

C3H8 + O2 → 3CO2 + H2O

 

 الخطوة 4

نكرر الخطوة 3 حتى يتساوى عدد ذرات العناصر المتفاعلة على جانب المواد المتفاعلة والناتجة. في هذا المثال ، يتم موازنة الهيدروجين بعد ذلك. يتم تحويل المعادلة الكيميائية على النحو التالي.

المعادلة الكيميائية:

C3H8 + O2 → 3CO2 + 4H2O

 

الآن بعد أن تم موازنة ذرات الهيدروجين ، فإن العنصر التالي الذي يجب موازنته هو الأكسجين. هناك 10 ذرات أكسجين على جانب المواد الناتجة ، مما يعني أن الجانب المتفاعل يجب أن يحتوي أيضًا على 10 ذرات أكسجين.

يحتوي كل جزيء O2 على ذرتين من الأكسجين. لذلك ، فإن المعامل المتكافئ الذي يجب تخصيصه لجزيء O2 هو 5 حتى يصبح العدد الإجمالي هوا 10. تم جدولة المعادلة الكيميائية أدناه بعد الإضافة.

المعادلة الكيميائية:

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

 

 

الخطوة 5

·         بمجرد موازنة جميع العناصر الفردية ، تتم مقارنة العدد الإجمالي للذرات لكل عنصر على جانب المواد المتفاعلة والمواد الناتجة مرة أخرى.

·         إذا لم تكن هناك اختلافات ، يُقال أن المعادلة الكيميائية متوازنة.

·         في هذا المثال ، يحتوي كل عنصر على عدد متساوٍ من الذرات في المتفاعلات والنواتج.

·         لذلك ، فإن المعادلة الكيميائية المتوازنة للتفاعل هي:

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

 

 

2- طريقة الموازنة الجبرية

تتضمن طريقة موازنة المعادلات الكيميائية هذه تعيين المتغيرات الجبرية ٥٥٥ كمعامِلات متكافئة لكل نوع في المعادلة الكيميائية غير المتوازنة. يتم استخدام هذه المتغيرات في المعادلات الرياضية ويتم حلها للحصول على قيم كل معامل متكافئ. من أجل شرح هذه الطريقة بشكل أفضل ، قمت بأخذ التفاعل بين الجلوكوز glucose والأكسجين الذي ينتج ثاني أكسيد الكربون والماء كمثال سهل للتوضيح.

 

الخطوة 1

·         يجب ان توجد معادلة كيميائية غير متوازنة عن طريق كتابة الصيغ الكيميائية للمواد المتفاعلة والناتجة.

·         في هذا المثال ، المواد المتفاعلة هي الجلوكوز (C6H12O6) والأكسجين (O2) والمنتجات هي ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء  (H2O)

·         المعادلة الكيميائية غير المتوازنة هي؛

C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O

 

الخطوة 2

الآن ، يتم تخصيص المتغيرات الجبرية لكل نوع (كمعامِلات متكافئة) في المعادلة الكيميائية غير المتوازنة. في هذا المثال ، يمكن كتابة المعادلة على النحو التالي.

aC6H12O6 + bO2 → cCO2 + dH2O

الآن ، يجب صياغة مجموعة من المعادلات (بين المتفاعلات والنواتج) من أجل موازنة كل عنصر في التفاعل. في هذا المثال ، يمكن تكوين المعادلات التالية.

 

معادلة الكربون

·         على الجانب المتفاعل ، ستحتوي جزيئات C6H12O6   على ذرات كربون "6a"

·         على جانب النواتج ، تحتوي جزيئات "c" من ثاني أكسيد الكربون على ذرات كربونc"

·         في هذه المعادلة ، الأنواع الوحيدة التي تحتوي على الكربون هي C6H12O6 و  CO2

·         لذلك ، يمكن صياغة المعادلة التالية للكربون: 

6a = c

 

 معادلة الهيدروجين

·         الأنواع التي تحتوي على الهيدروجين في هذه المعادلة هي C6H12O6 و  H2

·         تحتوي جزيئات "a" من C6H12O6 على ذرات هيدروجين "12 a" بينما تحتوي جزيئات "d" H2O" على ذرات هيدروجين "2d"

·         لذلك ، تصبح معادلة الهيدروجين:

12a = 2d

·         بتبسيط هذه المعادلة (بقسمة كلا الجانبين على 2) ، تصبح المعادلة:

6a = d

 

معادلة الأكسجين

كل الأنواع في هذه المعادلة الكيميائية تحتوي على الأكسجين. لذلك ، يمكن إجراء العلاقات التالية للحصول على معادلة الأكسجين:

·         بالنسبة لجزيئات  C6H12O6 ، توجد ذرات أكسجين "6a"

·         تحتوي جزيئات "b" من O2 على إجمالي الأكسجين "2b"

·         تحتوي جزيئات "c" من ثاني أكسيد الكربون على عدد "2c" من ذرات الأكسجين.

·         تحتوي جزيئات "d" من H2O على ذرات أكسجين واحدة "d"

·         لذلك ، يمكن كتابة معادلة الأكسجين على النحو التالي:

6a + 2b = 2c + d

 

 

الخطوه 3

يتم سرد معادلات كل عنصر معًا لتكوين نظام من المعادلات. في هذا المثال ، يكون نظام المعادلات كما يلي:

6a = c (carbon); 6a = d (hydrogen); 6a + 2b = 2c + d (oxygen)

يمكن أن يحتوي نظام المعادلات هذا على حلول متعددة ، ولكن الحل الذي يحتوي على الحد الأدنى من قيم المتغيرات مطلوب. للحصول على هذا الحل ، يتم تعيين قيمة لأحد المعاملات. في هذه الحالة ، يفترض أن تكون قيمة a هي 1. لذلك ، يتم تحويل نظام المعادلات على النحو التالي:

a = 1

c = 6a = 6 *1 = 6

d = 6a = 6

باستبدال قيم a و c و d في المعادلة

6a + 2b = 2c + d

يمكن الحصول على قيمة "b" على النحو التالي:

6*1 + 2b = 2*6 +6

2b = 12; b= 6

من المهم ملاحظة أنه يجب حل هذه المعادلات بطريقة يكون فيها كل متغير عددًا صحيحًا موجبًا. إذا تم الحصول على القيم الكسرية ، فيجب ضرب القاسم المشترك الأصغر بين جميع المتغيرات مع كل متغير. هذا ضروري لأن المتغيرات تحتوي على قيم المعاملات المتكافئة ، والتي يجب أن تكون عددًا صحيحًا موجبًا.

 

الخطوة 4

الآن وقد تم الحصول على أصغر قيمة لكل متغير ، يمكن استبدال قيمها في المعادلة الكيميائية التي تم الحصول عليها في الخطوة 2.

لذلك ، يصبح التفاعل :

 aC6H12O6 + bO2 → cCO2 + dH2O 

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

وبالتالي ، تم الحصول على المعادلة الكيميائية المتوازنة.

تعتبر الطريقة الجبرية لموازنة المعادلات الكيميائية أكثر كفاءة من الطريقة التقليدية. ومع ذلك ، يمكن أن ينتج عنها قيم كسرية لمعاملات القياس المتكافئ ، والتي يجب تحويلها بعد ذلك إلى أعداد صحيحة.

 

 

أمثلة محلولة

يتم توفير بعض الأمثلة التي تصف موازنة المعادلات الكيميائية في هذا القسم الفرعي. تمت موازنة هذه المعادلات باستخدام كلتا الطريقتين الموصوفتين أعلاه.

 

مثال 1

معادلة كيميائية غير متوازنة:

 Al + O2 → Al2O3

 

الطريقة التقليدية

باتباع الطريقة التقليدية ، يمكن موازنة التفاعل على النحو التالي:

المعادلة:

 Al + O2 → Al2O3

 

أولاً ، ذرات الألمنيوم متوازنة. تصبح المعادلة

 2Al + O2 → Al2O3

الآن ، يجب أن تكون ذرات الأكسجين متوازنة ، فهناك ذرتان من الأكسجين على الجانب المتفاعل و 3 على جانب النواتج. لذلك ، يجب أن يكون هناك 3 جزيئات O2 تنتج 2 Al2O3 من الذرات. تتحول المعادلة الكيميائية إلى

 2Al + 3O2 → 2Al2O3

نظرًا لأن عدد ذرات الألومنيوم على جانب المنتج قد تضاعف ، لذلك يجب أن يكون الرقم على جانب المادة المتفاعلة أيضاً.

 

المعادلة:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

 

بما أن كل عنصر متوازن ، فقد وجد أن المعادلة الكيميائية المتوازنة هي

4Al + 3O2 → 2Al2O3

 

 

الطريقة الجبرية

باستخدام الطريقة الجبرية لموازنة المعادلات الكيميائية ، يمكن تعيين المتغيرات التالية للمعادلة غير المتوازنة.

aAl + bO2 → cAl2O3

معادلة الألمنيوم:  a=2c

معادلة الأكسجين: 2b=3c

بافتراض أن a = 1 ، نحصل على:

c = a/2 ; c = 1/2

2b = 3*(½) = 3/2 ; b = ¾

 

 نظرًا لأنه تم الحصول على القيم الكسرية لـ b و c ، يجب إيجاد القاسم المشترك الأدنى بين المتغيرات a و b و c وضربه في كل متغير. نظرًا لأن القاسم المشترك الأصغر هو 4 ، يجب ضرب كل متغير في 4.

لذلك تكون المعادلة :

a = 4*1 = 4 ;  b = (¾)*4 = 3 ; c = (½)*4 = 2

باستبدال قيم a و b و c في المعادلة غير المتوازنة ، يتم الحصول على المعادلة الكيميائية المتوازنة التالية.

4Al + 3O2 → 2Al2O3

 

 

مثال 2

معادلة كيميائية غير متوازنة:

N2 + H2 → NH3

 

الطريقة التقليدية

في هذا التفاعل ، تكون ذرات النيتروجين متوازنة أولاً. يحتوي الجانب المتفاعل على ذرتين من النيتروجين ، مما يعني أنه يجب تكوين جزيئين من NH3 لكل جزيء  N2 

المعادلة الكيميائية:

N2 + H2 → 2NH3

 

يحتوي كل جزيء H2  على ذرتين هيدروجين. من أجل موازنة عدد ذرات الهيدروجين في المعادلة ، يجب أن يكون العدد الإجمالي لذرات الهيدروجين مساويًا لـ 6. لذلك ، فإن المعامل المتكافئ الذي يجب تخصيصه للهيدروجين هو 3.

المعادلة الكيميائية:

N2 + 3H2 → 2NH3

 

وبالتالي ، فإن المعادلة الكيميائية المتوازنة هي

N2 + 3H2 → 2NH3

 

 

الطريقة الجبرية

يجب تخصيص المتغيرات a و b و c لـ N2  و H2 و NH3 على التوالي. يمكن كتابة المعادلة الكيميائية على النحو التالي: 

aN2 + bH2 → cNH3

 معادلة النيتروجين: 2a=c

معادلة الهيدروجين: 2b=3c

بافتراض  a = 1 ، يمكن الحصول على قيم b و c على النحو التالي.

c = 2a = 2

2b = 3c = 3*2 = 6; b = 6/2 = 3

بما أن a ، b ، c ليس لها مضاعفات مشتركة ، فيمكن استبدالها في المعادلة على النحو التالي.

N2 + 3H2 → 2NH3

هذا هو الشكل المتوازن للمعادلة الكيميائية المعطاة.

 

 

تمارين

قم بموازنة المعادلات التالية:

 

 

 

الأجابة على الأسئلة الشائعة

1- ما هي المعادلة المتوازنة للتفاعل بين هيدروكسيد الكالسيوم وحمض النيتريك؟

المعادلة الكيميائية المتوازنة هي:

Ca(OH)2 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + 2H2O 

 2- إذا تفاعل الماء مع الأكسجين لتكوين بيروكسيد الهيدروجين ، فما المعادلة الكيميائية المتوازنة للتفاعل؟

المعادلة الكيميائية المتوازنة هي:

2H2O + O2 → 2H2O2

 

 

3- ما هي المعادلة الكيميائية المتوازنة للتفاعل بين كلوريد الحديديك وهيدروكسيد الصوديوم؟

الصيغة الكيميائية لكلوريد الحديديك هي FeCl3  وهيدروكسيد الصوديوم هي NaOH. المعادلة الكيميائية غير المتوازنة هي:

FeCl3 + NaOH → Fe(OH)3 + NaCl

 

موازنة عدد ذرات الأكسجين والهيدروجين أولاً ثم موازنة عدد ذرات الصوديوم ، تم العثور على المعادلة الكيميائية المتوازنة لتكون:

FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl

 

 

 

 

المصادر

1.       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.

2.      Holmes, Dylan (2015). "The null space's insight into chemical balance". Dylan Holmes. Retrieved Oct 10, 2017.

3.      James E. Brady; Frederick Senese; Neil D. Jespersen (December 14, 2007). Chemistry: matter and its changes. John Wiley & Sons. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355.