⚗️

Χημικές Αντιδράσεις & Ισοστάθμιση

Χημική εξίσωση, διατήρηση μάζας και ατόμων, πότε γίνεται μια αντίδραση, είδη αντιδράσεων

Πού «εξαφανίζονται» τα καύσιμα που καίει ένα αυτοκίνητο;

Γεμίζεις το ντεπόζιτο και σε λίγες μέρες άδειασε. Η βενζίνη δεν χάθηκε: έγινε διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί που βγήκαν από την εξάτμιση — και μάλιστα ζυγίζουν περισσότερο από τη βενζίνη που κάηκε, γιατί πήραν και οξυγόνο από τον αέρα. Εδώ μαθαίνεις να γράφεις τέτοιες αλλαγές ως χημικές εξισώσεις και να τις ισοσταθμίζεις ώστε κανένα άτομο να μη χάνεται.

Χημικές αντιδράσεις

Χημικά φαινόμενα (αντιδράσεις) ονομάζονται οι μεταβολές κατά τις οποίες από ορισμένες αρχικές ουσίες (αντιδρώντα) δημιουργούνται νέες ουσίες (προϊόντα) με διαφορετικές ιδιότητες.

Γίνονται παντού γύρω μας: στη φωτοσύνθεση ( $CO_2$ + $H_2O$ → γλυκόζη), στο μήλο που σαπίζει, στο γάλα που ξινίζει, στο κρασί που γίνεται ξίδι, στα μάρμαρα που γίνονται γύψος.

Κάθε αντίδραση συμβολίζεται με μια χημική εξίσωση: αντιδρώντα αριστερά, προϊόντα δεξιά, ένα βέλος ( $\rightarrow$ ) ανάμεσα. Συχνά σημειώνουμε και τη φυσική κατάσταση:

$(s)$ στερεό · $(l)$ υγρό · $(g)$ αέριο · $(aq)$ υδατικό διάλυμα · $\downarrow$ ίζημα · $\uparrow$ αέριο που εκφεύγει

Διατήρηση της μάζας και ισοστάθμιση

Νόμος διατήρησης της μάζας (Lavoisier): σε κάθε χημική αντίδραση η μάζα των αντιδρώντων είναι ίση με τη μάζα των προϊόντων.

Αυτό συμβαίνει γιατί τα άτομα ούτε δημιουργούνται ούτε καταστρέφονται — απλώς ανακατανέμονται: σπάνε οι δεσμοί των αντιδρώντων και σχηματίζονται νέοι. Άρα ο αριθμός των ατόμων κάθε στοιχείου πρέπει να είναι ίδιος στα δύο μέλη.

Για να το πετύχουμε, βάζουμε κατάλληλους συντελεστές μπροστά από τους τύπους (ισοστάθμιση). Π.χ. η σύνθεση της αμμωνίας:

$N_2 + H_2 \rightarrow NH_3 \quad \Longrightarrow \quad N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$

Ποτέ δεν αλλάζουμε τους δείκτες των τύπων — αυτό θα άλλαζε την ίδια την ουσία ( $H_2O$ ≠ $H_2O_2$ ).

Ήξερες ότι;

Ένα κερί που καίγεται φαίνεται να «χάνει» μάζα. Αν όμως μάζευες όλο το $CO_2$ και τους υδρατμούς που παράγει, θα ζύγιζαν περισσότερο από το κερί που κάηκε. Η διαφορά είναι ακριβώς το οξυγόνο του αέρα που αντέδρασε — ο νόμος του Lavoisier ισχύει και εδώ.

$N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3 \qquad CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Η χημική εξίσωση είναι μια ζυγαριά ατόμων: ρύθμισε τους συντελεστές μέχρι κάθε στοιχείο να έχει τον ίδιο αριθμό ατόμων στους δύο δίσκους — μόνο τότε η εξίσωση «ισορροπεί» και η μάζα διατηρείται.

Μέθοδος: ισοστάθμιση απλής χημικής εξίσωσης

Γράψε σωστούς τύπους για όλα τα σώματα (διατομικά στοιχεία: $H_2$ , $O_2$ , $N_2$ , $Cl_2$ …).
Ισοστάθμισε πρώτα τα μέταλλα, μετά τα αμέταλλα εκτός $H$ και $O$ , μετά το $H$ και τελευταίο το $O$ .
Αν ένα πολυατομικό ιόν ( $SO_4^{2-}$ , $PO_4^{3-}$ …) εμφανίζεται αναλλοίωτο και στα δύο μέλη, μέτρα το ως μία μονάδα.
Χρησιμοποίησε τους μικρότερους ακέραιους συντελεστές.
Έλεγξε κάθε στοιχείο ξεχωριστά.

Κόλπο μνήμης

Η σειρά της ισοστάθμισης είναι «ΜΑΥΟ»: Μέταλλα, Αμέταλλα, Υδρογόνο, Οξυγόνο. Το οξυγόνο το αφήνεις τελευταίο γιατί εμφανίζεται σχεδόν παντού· όταν φτάσεις σε αυτό, όλα τα άλλα έχουν «κλειδώσει».

Άσκηση: Να ισοσταθμιστούν: (α) $Al + O_2 \rightarrow Al_2O_3$ , (β) $C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ .

Λύση:

(α) Τα $O$ : $2$ αριστερά, $3$ δεξιά → ΕΚΠ $6$ : $3O_2$ και $2Al_2O_3$ . Τότε $Al$ : $4$ δεξιά → $4Al$ .

$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

Έλεγχος: $Al$ $4 = 4$ , $O$ $6 = 6$ ✓.

(β) $C$ : $3CO_2$ · $H$ : $8$ άτομα → $4H_2O$ · $O$ δεξιά: $3 \cdot 2 + 4 = 10$ → $5O_2$ .

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

Έλεγχος: $C$ $3 = 3$ , $H$ $8 = 8$ , $O$ $10 = 10$ ✓.

Άσκηση: Να ισοσταθμιστεί η $Ca(OH)_2 + H_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 + H_2O$ και να επαληθευτεί η διατήρηση της μάζας στην $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ ( $A_r$ : $H = 1$ , $O = 16$ ).

Λύση:

$Ca$ : $3Ca(OH)_2$ · $PO_4$ ως μονάδα: $2H_3PO_4$ · $H$ : αριστερά $3 \cdot 2 + 2 \cdot 3 = 12$ → $6H_2O$ .

$3Ca(OH)_2 + 2H_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 + 6H_2O$

Έλεγχος: $Ca$ $3 = 3$ , $PO_4$ $2 = 2$ , $H$ $12 = 12$ , $O$ εκτός $PO_4$ : $6 = 6$ ✓.

Μάζα: $2 \cdot 2 + 32 = 36\ \text{g}$ αντιδρώντων και $2 \cdot 18 = 36\ \text{g}$ προϊόντων ✓.

Πότε πραγματοποιείται μια χημική αντίδραση;

Σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων, για να γίνει μια αντίδραση πρέπει τα σωματίδια των αντιδρώντων να συγκρουστούν και μάλιστα κατάλληλα: με την κατάλληλη ταχύτητα (ενέργεια) και τον κατάλληλο προσανατολισμό.

Αποτέλεσμα μιας τέτοιας σύγκρουσης είναι να σπάσουν οι δεσμοί των αντιδρώντων και να σχηματιστούν νέοι δεσμοί (των προϊόντων).
Οι συγκρούσεις που οδηγούν σε αντίδραση λέγονται αποτελεσματικές — είναι μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό όλων των συγκρούσεων.

Γρήγορος έλεγχος

Σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων, μια σύγκρουση οδηγεί σε αντίδραση όταν τα σωματίδια έχουν:

Είδη χημικών αντιδράσεων

Με κριτήριο τη μεταβολή του αριθμού οξείδωσης χωρίζουμε τις αντιδράσεις σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

Α. Οξειδοαναγωγικές — ο Α.Ο. ορισμένων στοιχείων μεταβάλλεται. Απλές μορφές τους: σύνθεση, αποσύνθεση – διάσπαση, απλή αντικατάσταση.

Β. Μεταθετικές — οι Α.Ο. όλων των στοιχείων μένουν σταθεροί. Είναι η διπλή αντικατάσταση και η εξουδετέρωση.

Γρήγορο κριτήριο: αν σε ένα από τα δύο μέλη υπάρχει ελεύθερο στοιχείο (Α.Ο. $0$ ) που στο άλλο μέλος είναι σε ένωση, η αντίδραση είναι σίγουρα οξειδοαναγωγική.

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Να ισοσταθμιστούν και να χαρακτηριστούν (οξειδοαναγωγική ή μεταθετική) οι αντιδράσεις:

(1) $Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3$ (2) $KClO_3 \rightarrow KCl + O_2$ (3) $AgNO_3 + NaCl \rightarrow AgCl + NaNO_3$ (4) $H_2SO_4 + NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$

Λύση:

(1) $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$ — $Fe$ : $0 \to +3$ , $Cl$ : $0 \to -1$ → οξειδοαναγωγική (σύνθεση).

(2) $2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2$ — $Cl$ : $+5 \to -1$ , $O$ : $-2 \to 0$ → οξειδοαναγωγική (διάσπαση). Έλεγχος $O$ : $6 = 6$ ✓.

(3) $AgNO_3 + NaCl \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$ (ήδη ισοσταθμισμένη) — κανένας Α.Ο. δεν αλλάζει → μεταθετική (διπλή αντικατάσταση).

(4) $H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$ — μεταθετική (εξουδετέρωση). Έλεγχος $H$ : $2 + 2 = 4$ ✓.

Γρήγορος έλεγχος

Στην καύση $C_2H_6 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ , μετά την ισοστάθμιση με τους μικρότερους ακέραιους συντελεστές, ο συντελεστής του $O_2$ είναι:

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι η σωστή κίνηση κατά την ισοστάθμιση μιας χημικής εξίσωσης;

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις παρακάτω αντιδράσεις είναι μεταθετική;

Πρόκληση

όταν το οξυγόνο βγαίνει μονό. Ισοστάθμισε με τους μικρότερους ακέραιους συντελεστές: (α) $C_4H_{10} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ (καύση του βουτανίου του γκαζακιού), (β) $NH_3 + O_2 \rightarrow NO + H_2O$ .

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $C$ : $C_4H_{10} + O_2 \rightarrow 4CO_2 + H_2O$ . $H$ : $10$ αριστερά → $5H_2O$ . $O$ δεξιά: $4 \cdot 2 + 5 = 13$ → χρειάζεσαι $\frac{13}{2}O_2$ . Διπλασιάζεις τα πάντα:

$2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$

Έλεγχος: $C$ $8 = 8$ , $H$ $20 = 20$ , $O$ $26 = 16 + 10$ ✓

(β) $N$ : $NH_3 \rightarrow NO$ . $H$ : $2NH_3$ (6 H) → $3H_2O$ , οπότε και $2NO$ . $O$ δεξιά: $2 + 3 = 5$ → $\frac{5}{2}O_2$ . Διπλασιάζεις:

$4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4NO + 6H_2O$

Έλεγχος: $N$ $4 = 4$ , $H$ $12 = 12$ , $O$ $10 = 4 + 6$ ✓

Απάντηση: (α) $2, 13, 8, 10$ , (β) $4, 5, 4, 6$ . Το κόλπο: αν το $O$ βγαίνει μονό, βάλε κλάσμα στο $O_2$ και μετά διπλασίασε όλους τους συντελεστές.

Συνηθισμένα λάθη

Αλλαγή δεικτών. Το $H_2O$ δεν γίνεται $H_2O_2$ για να «βγει» το οξυγόνο — βάζεις συντελεστή.
Μονοατομικά αέρια στοιχεία. Το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και τα αλογόνα γράφονται ως $H_2$ , $O_2$ , $N_2$ , $Cl_2$ — όχι $H$ , $O$ , $N$ , $Cl$ .
Ξεχασμένος τελικός έλεγχος. Διόρθωση ενός στοιχείου συχνά χαλάει άλλο· ξαναμέτρησε όλα τα στοιχεία στο τέλος.
Κλασματικοί συντελεστές. Αν βγει $3{,}5\ O_2$ , πολλαπλασίασε όλους τους συντελεστές με $2$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

Χημική αντίδραση: αντιδρώντα → προϊόντα με νέες ιδιότητες· χημική εξίσωση με συντελεστές και $(s), (l), (g), (aq), \downarrow, \uparrow$ .
Lavoisier: μάζα αντιδρώντων = μάζα προϊόντων· τα άτομα ανακατανέμονται.
Ισοστάθμιση μόνο με συντελεστές: μέταλλα → αμέταλλα → $H$ → $O$ · έλεγχος.
Θεωρία συγκρούσεων: αποτελεσματικές συγκρούσεις με κατάλληλη ενέργεια και προσανατολισμό.
Οξειδοαναγωγικές (αλλάζει Α.Ο.: σύνθεση, διάσπαση, απλή αντικατάσταση) · μεταθετικές (σταθεροί Α.Ο.: διπλή αντικατάσταση, εξουδετέρωση).

Χημικές αντιδράσεις

Γίνονται παντού γύρω μας: στη φωτοσύνθεση (

CO_2

H_2O

→ γλυκόζη), στο μήλο που σαπίζει, στο γάλα που ξινίζει, στο κρασί που γίνεται ξίδι, στα μάρμαρα που γίνονται γύψος.

Κάθε αντίδραση συμβολίζεται με μια χημική εξίσωση: αντιδρώντα αριστερά, προϊόντα δεξιά, ένα βέλος (

\rightarrow

) ανάμεσα. Συχνά σημειώνουμε και τη φυσική κατάσταση:

(s)

στερεό ·

(l)

υγρό ·

(g)

αέριο ·

(aq)

υδατικό διάλυμα ·

\downarrow

ίζημα ·

\uparrow

αέριο που εκφεύγει