สมการเคมี

สมการเคมีประกอบด้วยสูตรเคมีของสารตั้งต้น (สารตั้งต้น) และสูตรทางเคมีของผลิตภัณฑ์ (สารที่ก่อตัวในปฏิกิริยาเคมี) ทั้งสองจะแยกจากกันโดยสัญลักษณ์ลูกศร (→มักจะอ่านเป็น "อัตราผลตอบแทน") และสูตรทางเคมีของสารแต่ละตัวของแต่ละคนจะถูกแยกออกจากคนอื่น ๆ ด้วยเครื่องหมายบวก

ตัวอย่างเช่น สมการสำหรับปฏิกิริยาของกรดไฮโดรคลอริกกับโซเดียมสามารถแสดงได้ดังนี้

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H
₂

สมการนี้จะอ่านว่า "HCl สองตัวบวก Na สองตัวให้ NaCl สองตัวและ H สองตัว แต่สำหรับสมการที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีที่ซับซ้อนมากกว่าการอ่านตัวอักษรและตัวห้อยของสูตรทางเคมีจะถูกอ่านโดยใช้IUPAC ศัพท์ การใช้ระบบการตั้งชื่อ IUPAC สมการนี้จะอ่านได้ว่า "กรดไฮโดรคลอริกบวกโซเดียมให้ผลผลิตโซเดียมคลอไรด์และก๊าซไฮโดรเจน "

สมการนี้แสดงให้เห็นว่าโซเดียมและ HCl ตอบสนองต่อรูปแบบโซเดียมคลอไรด์และ H 2 นอกจากนี้ยังบ่งชี้ว่าจำเป็นต้องมีโมเลกุลโซเดียม 2 โมเลกุลต่อโมเลกุลกรดไฮโดรคลอริกทุกๆ 2 โมเลกุล และปฏิกิริยาจะก่อให้เกิดโมเลกุลโซเดียมคลอไรด์ 2 โมเลกุลและโมเลกุลไดอะตอมมิก 1 โมเลกุลของโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนทุกๆ สองกรดไฮโดรคลอริกและโซเดียม 2 โมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา สัมประสิทธิ์ stoichiometric (ตัวเลขในด้านหน้าของสูตรทางเคมี) ผลมาจากกฎหมายของการอนุรักษ์มวลและกฎของการอนุรักษ์ค่าใช้จ่าย (ดูส่วน "สมดุลสมการทางเคมี" ด้านล่างสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม)

สัญลักษณ์ใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยาประเภทต่างๆ เพื่อแสดงประเภทของปฏิกิริยา: ^[1]

• "${\displaystyle =}$สัญลักษณ์ " ใช้เพื่อแสดงถึงความสัมพันธ์แบบปริมาณสัมพันธ์
• "${\displaystyle \rightarrow }$สัญลักษณ์ " ใช้เพื่อแสดงถึงปฏิกิริยาไปข้างหน้าสุทธิ
• "${\displaystyle \rightleftarrows }$" สัญลักษณ์ ใช้เพื่อแสดงถึงปฏิกิริยาทั้งสองทิศทาง^[3]
• "${\displaystyle {\ce {<=>}}}$"สัญลักษณ์ที่ใช้ในการแสดงถึงความสมดุล . ^[4]

สถานะทางกายภาพของสารเคมีมักระบุไว้ในวงเล็บหลังสัญลักษณ์ทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับปฏิกิริยาไอออนิก เมื่อระบุสภาพร่างกาย, (S) หมายถึงของแข็ง (L) หมายถึงของเหลว (g) หมายถึงก๊าซและ (AQ) หมายถึงสารละลาย

หากปฏิกิริยาต้องการพลังงาน จะแสดงไว้เหนือลูกศร อักษรกรีกตัวพิมพ์ใหญ่เดลต้า (${\displaystyle \เดลต้า }$^[5] ) วางบนลูกศรปฏิกิริยาเพื่อแสดงว่าพลังงานในรูปของความร้อนถูกเติมเข้าไปในปฏิกิริยา การแสดงออก${\displaystyle h\nu }$^[6]ใช้เป็นสัญลักษณ์ของการเติมพลังงานในรูปของแสง สัญลักษณ์อื่นๆ ใช้สำหรับพลังงานหรือการแผ่รังสีเฉพาะประเภทอื่นๆ

จากสมการ CH
₄+ 2 โอ
₂→ CO
₂+ 2 H
₂Oต้องวางสัมประสิทธิ์ 2 ก่อน ก๊าซออกซิเจนที่ด้านสารตั้งต้นและก่อน น้ำที่ด้านผลิตภัณฑ์เพื่อให้ปริมาณของแต่ละองค์ประกอบไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการทำปฏิกิริยาตามกฎการอนุรักษ์มวล

P 4 O 10 + 6 H 2 O → 4 H 3 PO 4
สมการทางเคมีนี้มีความสมดุลโดยการคูณ H ₃ PO ₄ด้วยสี่ก่อนเพื่อให้ตรงกับจำนวนอะตอมของ P แล้วคูณ H ₂ O ด้วยหกเพื่อให้ตรงกับตัวเลข ของอะตอม H และ O

กฎหมายของการอนุรักษ์ของมวลบอกว่าปริมาณของแต่ละองค์ประกอบไม่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาเคมี ดังนั้นแต่ละด้านของสมการเคมีจึงต้องแทนปริมาณเดียวกันของธาตุใดธาตุหนึ่งโดยเฉพาะ ในทำนองเดียวกันค่าใช้จ่ายเป็นป่าสงวนในปฏิกิริยาเคมี ดังนั้นค่าใช้จ่ายเดียวกันต้องมีอยู่บนทั้งสองด้านของความสมดุลสมการ

สมการหนึ่งทำให้สมการเคมีสมดุลโดยการเปลี่ยนจำนวนสเกลาร์สำหรับสูตรเคมีแต่ละสูตร สมการทางเคมีอย่างง่ายสามารถปรับสมดุลได้ด้วยการตรวจสอบ กล่าวคือ โดยการลองผิดลองถูก อีกเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการแก้ระบบสมการเชิงเส้น

สมการสมดุลมักเขียนด้วยสัมประสิทธิ์จำนวนเต็มน้อยที่สุด หากไม่มีสัมประสิทธิ์ก่อนสูตรเคมี สัมประสิทธิ์คือ 1

วิธีการตรวจสอบสามารถสรุปได้โดยการใส่ค่าสัมประสิทธิ์ 1 ไว้หน้าสูตรทางเคมีที่ซับซ้อนที่สุด และใส่สัมประสิทธิ์อื่นๆ ก่อนสิ่งอื่นใด เพื่อให้ลูกศรทั้งสองข้างมีจำนวนอะตอมเท่ากัน หากมีสัมประสิทธิ์เศษส่วนใดๆอยู่ ให้คูณทุกสัมประสิทธิ์ด้วยจำนวนที่น้อยที่สุดที่จำเป็นในการทำให้เป็นจำนวนเต็ม โดยทั่วไปแล้วตัวส่วนของสัมประสิทธิ์เศษส่วนสำหรับปฏิกิริยาที่มีสัมประสิทธิ์เศษส่วนเพียงตัวเดียว

ดังตัวอย่างที่เห็นในภาพด้านบน การเผาไหม้ของก๊าซมีเทนจะสมดุลโดยใส่ค่าสัมประสิทธิ์ 1 ก่อน CH ₄ :

1 CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O

เนื่องจากในแต่ละด้านของลูกศรมีคาร์บอนหนึ่งตัว อะตอมแรก (คาร์บอน) จึงมีความสมดุล

มองไปที่อะตอมถัดไป (ไฮโดรเจน) ทางด้านขวามือมีอะตอมสองอะตอม ในขณะที่ด้านซ้ายมือมีสี่อะตอม ในการปรับสมดุลไฮโดรเจน 2 ไปข้างหน้า H ₂ O ซึ่งให้:

1 CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

การตรวจสอบอะตอมสุดท้ายที่จะสมดุล (ออกซิเจน) แสดงให้เห็นว่าด้านขวามือมีสี่อะตอมในขณะที่ด้านซ้ายมีอะตอมสองตัว สามารถบาลานซ์ได้โดยใส่ 2 ก่อน O ₂ให้สมการสมดุล:

CH ₄ + 2 O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

สมการนี้ไม่มีสัมประสิทธิ์ใดๆ นำหน้า CH ₄และ CO ₂เนื่องจากสัมประสิทธิ์ 1 ลดลง

โปรดทราบว่าในบางกรณี การเขียนปฏิกิริยาที่สมดุลกับสัมประสิทธิ์จำนวนเต็มทั้งหมดนั้นไม่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาที่สอดคล้องกับเอนทาลปีมาตรฐานของการก่อรูปต้องถูกเขียนในลักษณะที่ว่าหนึ่งโมลของผลิตภัณฑ์เดี่ยวจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งมักจะต้องการให้สัมประสิทธิ์ของสารตั้งต้นบางตัวเป็นเศษส่วน เช่นเดียวกับกรณีของการเกิดลิเธียมฟลูออไรด์:

Li(s) + 1 ⁄ 2  F ₂ (g) → LiF(s)

วิธีเมทริกซ์

โดยทั่วไป สมการทางเคมีใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลต่างๆ ของJสามารถเขียนได้ดังนี้

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

ที่อาร์_เจเป็นสัญลักษณ์ที่ที่ jโมเลกุลและν _ญคือค่าสัมประสิทธิ์ stoichiometric สำหรับที่ jโมเลกุลในเชิงบวกสำหรับผลิตภัณฑ์เชิงลบสำหรับสารตั้งต้น (หรือกลับกัน) สมการเคมีที่สมดุลอย่างเหมาะสมจะเป็นไปตาม:

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

ที่องค์ประกอบ matrix _IJคือจำนวนอะตอมของธาตุฉันในโมเลกุลเจ เวกเตอร์ใดๆ ซึ่งเมื่อดำเนินการโดยเมทริกซ์องค์ประกอบแล้วให้เวกเตอร์เป็นศูนย์ กล่าวกันว่าเป็นสมาชิกของเคอร์เนลหรือสเปซว่างของโอเปอเรเตอร์ ใด ๆ ที่สมาชิกν _ญของพื้นที่ null ของ_IJจะให้บริการเพื่อความสมดุลสมการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับชุดของJโมเลกุลประกอบด้วยระบบ เวกเตอร์ปริมาณสัมพันธ์ที่ "พึงประสงค์" เป็นเวกเตอร์ซึ่งองค์ประกอบทั้งหมดสามารถแปลงเป็นจำนวนเต็มโดยไม่มีตัวหารร่วมโดยการคูณด้วยค่าคงที่ที่เหมาะสม

โดยทั่วไป เมทริกซ์องค์ประกอบจะเสื่อมลง กล่าวคือ ไม่ใช่ทุกแถวของมันจะเป็นอิสระเชิงเส้น กล่าวอีกนัยหนึ่งอันดับ ( J _R ) ของเมทริกซ์องค์ประกอบโดยทั่วไปจะน้อยกว่าจำนวนคอลัมน์ ( J ) โดยยศเป็นโมฆะทฤษฎีบทพื้นที่ null ของ_IJจะมีJJ _Rขนาดและจำนวนนี้จะเรียกว่าเป็นโมฆะ ( J _N ) ของIJ ปัญหาของการปรับสมดุลสมการเคมีจึงกลายเป็นปัญหาของการกำหนดสเปซว่างมิติJ _Nของเมทริกซ์องค์ประกอบ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสำหรับJ _N =1 เท่านั้นจะมีวิธีแก้ปัญหาที่ไม่เหมือนใคร สำหรับJ _N > 1 จะมีจำนวนอนันต์ของการแก้ปัญหาความสมดุล แต่J _Nของพวกเขาจะเป็นอิสระ: ถ้าJ _Nแก้อิสระเพื่อปัญหาสมดุลสามารถพบได้แล้ววิธีการแก้ปัญหาอื่น ๆ ที่จะมีการรวมกันเชิงเส้น ของโซลูชั่นเหล่านี้ หากJ _N = 0 จะมีวิธีการแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นไม่มีความสมดุล

เทคนิคการได้รับการพัฒนา^{[7] [8]}ได้อย่างรวดเร็วคำนวณชุดของJ _Nแก้อิสระเพื่อปัญหาสมดุลและจะดีกว่าการตรวจสอบและวิธีการเกี่ยวกับพีชคณิตในการที่พวกเขาเป็นที่กำหนดและผลตอบแทนการแก้ปัญหาทั้งหมดไปที่ปัญหาความสมดุล

สมการไอออนิกเป็นสมการทางเคมีซึ่งในอิเล็กโทรถูกเขียนเป็นพ้นจากไอออน สมการไอออนิกที่ใช้สำหรับการเดียวและปฏิกิริยารางคู่ที่เกิดขึ้นในน้ำ แก้ปัญหา

ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยาการตกตะกอนต่อไปนี้:

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

สมการไอออนิกแบบเต็มคือ:

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

หรือมีสภาวะทางกายภาพทั้งหมดรวมอยู่ด้วย:

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

ในปฏิกิริยานี้ไอออนCa ²⁺และ NO ₃ ⁻ยังคงอยู่ในสารละลายและไม่เป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยา นั่นคือ ไอออนเหล่านี้เหมือนกันทั้งด้านสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ของสมการเคมี เนื่องจากอิออนดังกล่าวไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา จึงเรียกว่าไอออนผู้ชม . ไอออนิกสุทธิสมการเป็นสมการไอออนิกเต็มรูปแบบจากที่ไอออนชมได้ถูกลบออก ^[9]สมการไอออนิกสุทธิของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

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

หรือในรูปแบบที่สมดุลลดลง

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

ในการวางตัวเป็นกลางหรือกรด / ฐานปฏิกิริยาสมการไอออนิกสุทธิมักจะเป็น:

H ⁺ (aq) + OH ⁻ (aq) → H ₂ O(l)

มีปฏิกิริยากรด/เบสสองสามตัวที่ก่อให้เกิดการตกตะกอนเพิ่มเติมจากโมเลกุลของน้ำที่แสดงไว้ข้างต้น ตัวอย่างคือปฏิกิริยาของแบเรียมไฮดรอกไซด์กับกรดฟอสฟอริกซึ่งไม่เพียงผลิตน้ำเท่านั้น แต่ยังผลิตเกลือแบเรียมฟอสเฟตที่ไม่ละลายน้ำด้วย ในปฏิกิริยานี้ ไม่มีไอออนของผู้ชม ดังนั้นสมการไอออนิกสุทธิจึงเหมือนกับสมการไอออนิกเต็ม

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

${\displaystyle {\ce {{3Ba^{2}+}+{6OH^{-}}+{6H+}}}+\underbrace {\ce {2PO4^{3}-}} _{\ce {ฟอสเฟต }}{\ce {->{6H2O}+\วงเล็บปีกกา {Ba3(PO4)2(v)} _{แบเรียม~ฟอสเฟต}}}}$

ปฏิกิริยาการกระจัดสองครั้งที่มีปฏิกิริยาคาร์บอเนตกับกรดมีสมการไอออนิกสุทธิ:

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

ถ้าไอออนทุกตัวเป็น "ไอออนของผู้ชม" แสดงว่าไม่มีปฏิกิริยาใดๆ และสมการไอออนิกสุทธิเป็นโมฆะ

โดยทั่วไป ถ้าz _jเป็นพหุคูณของประจุพื้นฐานบนโมเลกุลj-thความเป็นกลางของประจุอาจเขียนได้ดังนี้

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

โดยที่ν _jคือสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ที่อธิบายข้างต้น Z _เจอาจจะรวม^{[7] [8]}เป็นแถวเพิ่มเติมใน_IJเมทริกซ์อธิบายไว้ข้างต้นและสมการไอออนิกมีความสมดุลอย่างถูกต้องแล้วจะยังเชื่อฟัง:

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