Hemijske reakcije i njihovo izjednačavanje

Hemijske  reakcije

Naravno, opet neću u ovom postu navoditi definicije niti ću objašnjavati koji tipovi reakcija postoje, šta u njima nastaje, sve to opet naglašavam, možete naći na netu.  

Ok napisali smo hemijsku reakciju (reaktante i produkte) sledeće što moramo da uradimo je da je izjednačimo. Reakciju izjednačavamo kako bi smo izjednačili brojeve molova supstanci sa leve i desne strane, odnosno reaktante sa produktima. Zašto se to radi, to je već definisano zakonom o održanju mase.

Hajmo da uzmemo primer neke hemijske reakcije. Uzećemo reakciju neutralizacije H₂SO₄ sa NaOH:

H₂SO₄ + NaOH → Na₂SO₄+ H₂O

Najlakši način da izjednačimo hemijsku reakciju je da prvo obratimo pažnju na elemente koji se samo jednom pojavljuju sa leve i desne strane. U  ovoj reakciji, vidimo da se Na i S pojavljuju samo jednom i sa desne i sa leve strane. Zato ćemo početi od njih. Da smo npr. počeli da brojimo H, videli bi smo da imamo 3 vodonika sa leve i 2 sa desne, to je već komplikovano srediti. Dakle, gledamo za Na i S. Vidimo da nam se broj atoma S slaže jer ispred H₂SO₄ ne stoji ni jedan koeficijent tj podrazumeva se da tu stoji broj 1. Dakle imamo 1 sumpor sa leve strane. Takođe vidimo da imamo 1 sumpor i sa desne strane. Sada za Na vidimo da sa leve strane imamo 1 natrijum, a sa desne da imamo 2 natrijuma jer iako ispred Na₂SO₄ imamo koeficijent 1 vidimo da u subskriptu imamo broj 2 što nam se odnosi na atome Na. Da bi smo izjednačili sada br atoma Na pišemo koeficijent 2 ISPRED NaOH. Nikako ne smemo pisati u subskriptu (npr. Na₂OH bi bilo nepravilno jer na taj način utičemo na formulu jedinjenja što nikako ne smemo da radimo). Dakle pišemo dvojku ispred NaOH:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄+ H₂O

Sada vidimo da nam se brojevi Na poklapaju, brojevi S se i dalje poklapaju jer dodat broj 2 nije uticao na njihov broj. Brojimo H i vidimo da sa leve strane imamo 4 a sa leve 2. Stavljamo 2 ispred H₂O kako bi smo sada izjednačili H:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄+ 2H₂O

Sada brojimo kiseonik, vidimo da imamo 6 (4+2) sa leve i 6 sa desne (4+2) što se poklapa. Uspeli smo da izjednačimo hemijsku reakciju, sada je ona spremna za proračune.

Mala napomena, hajde da probamo da izbrojimo šta sve imamo u molekulu (NH₄)₂SO₄ . Uzeo sam ovo jedinjenje jer ima u sebi zagradu sa subskriptom i pravilo za ovo jedninjenje važiće za sva ostala jedinjenja na koja možete naići a koja se pišu sa zagradama.

(NH₄)₂SO₄

N: Vidimo da imamo 1 azot, ali takođe vidimo da se azot nalazi u zagradi sa subskriptom 2 plave boje. Ta dvojka znači da se sve unutar nje množi sa tim brojem. Dakle imamo 1 N ∙ 2 (dvojka koja potiče od zagrade) = 2 N. Dakle imamo 2 azota.

H: Vidimo da imamo 4 H (crvena 4) i to se sve nalazi u zagradi sa 2 u subskriptu pa imamo 4 H ∙ 2 = 8 H.

S: Imamo samo jedan S jer se on nalazi van zagrade a takođe nema subskript.

O: kiseonik se ne nalazi u zagradi pa na njega ne utiče 2, ali ima u subskriptu broj 4 pa imamo ukupno 4 O.

Oksido-redukcione reakcije

Sada već krećemo sa malo ozbiljnijim temama, takođe ovde moram spomenuti par definicija, koje ću takođe probati da objasnim tako da vam budu logične.

Oksido-redukcione reakcije ili redoks reakcije su reakcije kod kojih se jedan element oksiduje dok se drugi redukuje, zato se i zovu oksido-redukcione. Prostim rečima kod oksido-redukcionih reakcija jedan atom daje elektrone a neki drugi atom ih prima.

Postoje elementi kojima odgovara kada daju elektrone, npr metali. Zato će u oksido-redukcionim reakcijama metali davati elektrone. Kada neki elemenent daje odnosno otpušta elektrone mi kažemo da se on onda oksidovao. Te elektrone koje je neki element otpustio mora neko da prihvati, a to rade elementi kojima odgovara višak negativnog naelektrisanja, kao npr nemetali. Za elemente koji prime elektron se kaže da su se redukovali. Dakle imamo oksidaciju i redukciju u jednoj reakciji, zato se te reakcije i zovu oksido-redukcione reakcije.

Da bi smo izjednačili oksido-redukcionu reakciju moramo pronaći u reakciji šta se oksidovalo a šta se redukovalo. Da bi smo to utvrdili moramo da znamo još jednu stvar, a to su oksidaciona stanja. Oksidaciono stanje je pokazatelj kako je neki element naelektrisan. Element je naelektrisan kada on ima višak ili manjak elektrona. Naravno, ukoliko neko ima višak elektrona onda će on biti negativno naelektrisan, ukoliko ima manjak, onda će biti pozitivno naelektrisan. Oksidaciono stanje je jako bitno da se razume pa ćemo mu sada posvetiti malo više pažnje.

Kako se to utvrđuje oksidaciono stanje? Postoji par pravila. Atomi i molekuli elementranih gasova imaju oksidaciono stanje 0 (nula). npr u reakciji:

C + O₂ → CO₂

Vidimo da imamo C tj. ugljenik je u obliku atoma, to znači da on ima naelektrisanje 0. Kiseonik je u obliku molekula, ali kao što znamo kiseonik nikada ne može biti u obliku atoma u reakciji jer se svi gasovi pišu kao molekuli, odnosno sa dvojkom u subskriptu (X₂) i oni takođe imaju uvek naelektrisanje 0. Ovo takodje i za sve molekule. To je drugo pravilo, drugo pravilo kaže da ukupno naelektrisanje meolekula mora biti 0. Dakle, utvrdili smo da C, O₂ i CO₂ svi imaju naelektrisanje 0.

                                                                      _{0       0            0}

C + O₂ → CO₂

Molekul CO₂ ima ukupno naelektrisanje 0, ali da bi smo utvrdili šta nam se oksidovalo a šta redukovalo, moramo da nadjemo kako su naelektrisani elementi unutar tog molekula, odnosno kako su naelektrisani ugljenik i kiseonik u CO₂ molekulu. Neki elementi imaju skoro uvek isto naelektrisanje i ta naelektrisanja se pamte. Kao npr u ovom slučaju. Kiseonik je skoro uvek naelektrisan -2. Ovo skoro uvek nemojte da vas buni, izuzetci od naelektrisanja -2 su veoma retki i sigurno ćete ih sretati kasnije. Dakle, kiseonik ima naelektrisanje -2. Ali koliko mi imamo atoma kiseonika u CO₂? Imamo ih dva, pa je ukupno naelektrisanje kiseonika -4. Dalje, imamo 1 C atom. Kako je on naelektrisan? Rekli smo da molekul mora biti neutralan, odnosno da ima ukupno naelektrisanje 0. Kako imamo -4 koji potiču od kiseonika, onda je C +4 (-4 i +4 daju 0). To naelektrisanje pišemo iznad odgovarajućih oznaka hemijskih elemenata, za kiseonika se ne piše -4 već -2, jer je to naelektrisanje jednog atoma, onda po formuli znamo da imamamo 2  atoma kiseonika i da nam je ukupno naelektrisanje za ta dva atoma kiseonika -4. I brojevi kojima se piše naelektrisanje su rimski brojevi:

                                                                    _{0        0          +IV -II}

C + O₂ → CO₂

Za pozitivne brojeve kao npr u našem slučaju +IV možemo da izostavimo znak + i da pišemo samo IV jer se on inače pretpostavlja. Dakle, imali smo reaktant ugljenik C sa naelektrisanjem 0, i sada imamo C u produktu CO₂ sa naelektrisanjem IV. To znači da je ugljenik otpustio elektrone odnosno da se oksidovao i da mu se povečalo oksidaciono stanje, to je inače definicija oksidacije. Kiseonik sa druge strane se redukovao, odnosno primio je elektrone i smanjio mu se oksidacioni broj. Uzmite logično, ako nečemu dodate elektrone koji su negativni, logično je da će mu se onda smanjiti naelektrisanje, kao za kiseonik u ovom slučaju, tako je isto i za C ako je iz naelektrisanja 0 prešao u +IV logično je da je morao da otpusti elektrone kako bi mu se povećao oksidacioni broj. Sada elemente koji su se redukovali i oksidovali pišemo na sledeći način (na strelicama se piše koliko je otpustio ili primio elektrona naš element):

Vidimo da je 1 C atom iz naelektrisanja 0 prešao u naelektrisanje +IV i da bi to uradio morao je da otpusti 4 elektrona (na strelici pišemo + 4 e^-).

Za kiseonik, vidimo da je kiseonik iz naeleketrisanja 0 (kako gasove ne možemo da pišemo kao atome, kao za C uvek ih pišemo u obliku molekula, tj u obliku X₂) u nalektrisanje -II. Kako smo napisali 2 atoma kiseonika sa leve strane (kao molekul) moramo da napišemo isti broj atoma i sa desne strane i pišemo 2O.

Ukupan broj razmenjenih elektrona mora biti jednak nuli. Ugljenik je dao 4 elektrona, jedan kiseonik prima 2 elektrona a kako mi imamo 2 atoma kiseonika onda imamo da kiseonik ukupno prima 4 elektrona i to nam je 0 jer je +IV i -II∙2 = 0.

Da bi smo odredili naelektrisanje elemenata nekog molekula moramo da upamtimo da H najčešće ima naelektrisanje +1, O ima najčešće -2, metali prve grupe periodnog sistema imaju +1 a metali II grupe periodnog sistema imaju naelektrisanje +II, nemetali VII grupe periodnog sistema imaju -I naelektrisanje. Iz periodnog sistema takođe možemo da odredimo naelektrisanja elemenata na osnovu njihovog rasporeda, ali to će biti neka druga tema. Kada upamtimo tih par pravila možemo lako da odredimo naelektrisanja. Npr. za molekul NaOH: znamo da je H +1, da je O -2, onda naelektrisanje Na mora biti +1 da bi ceo molekul bio naelektrisan 0. Za molekul Mg(OH)₂ znamo da je H +1 ali kako imamo 2 atoma H onda je to +2, da je za O -4 (jer imamo takođe 2 atoma O) i onda da bi ceo molekul bio naelektrisan 0 Mg je +2.

Evo jednog primera reakcije koja nije oksido-redukciona, čisto da bi ste razlikovali:

2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O

Zašto ovo nije okisdo-redukcija? Zato što ni jedan element nije promenio oksidaciono stanje, Na je +1; H +1; O -2 i S -6 u svim molekulima.

Evo jedne malo komplikovanije reakcije okisod-redukcije:

I   VII   -II          I    III   -II               I VI -II              I  VI  -II           II     VI -II           I   -II        IV -II

KMnO₄ + H₂C₂O₄ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O + CO₂

Naravno, naelektrisanja sam ja napisao ali vi morate da ga odredite po gore opisanim pravilima. Pišemo šta se okisdovalo a šta redukovalo. Mn nam se redukovao iz Mn(VII) u Mn(II) i C nam se oksidovao iz C(III) u C(IV) pa to i pišemo:

     

Ispred C(III) pišemo br 2 jer 2 atoma C figurišu u formuli H₂C₂O₄ pa onda moramo i tu 2 da pišemo i za C(IV) da bi smo imali izjednačen broj C atoma (slično kao i za primer sa kiseonikom u prethodnoj reakciji). Vidimo da Mn daje 5 e^- a dva C primaju samo 2 e^-. Sada da bi smo izjednačili brojeve elektrona, moramo prvu reakciju za Mn da pomnožimo sa 2 i drugu sa 5 da bi smo imali ukupno po 10 reazmenjenih e^-.

Sada imamo tačan broj razmenjenih elektrona i samo ove koeficijente prepišemo u našu početnu jednačinu. Tako što pišemo brojeve 2 ispred molekula koji imaju Mn (oni koji imaju VII i II, tj. samo oni molekuli sa Mn koji su prešli iz Mn(VII) u MN(II) ) i 10 ispred molekula sa C (oni koji imaju oksid stanja III i IV). Napomena za molekul H₂C₂O₄ kod njega ne možemo ispred da pišemo 10 jer on već u sebi sadrži 2 atoma C pa zato ispred pišemo koeficijent 5 (5 ∙ 2C = 10 C atoma)

2KMnO₄ + 5H₂C₂O₄ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + H₂O + 10CO₂

Ovo sve smo uradili ali to još uvek nije kraj, mada sada ide najlakši deo. Molekule koje smo na ovaj način izjednačili (KMnO₄; H₂C₂O₄; MnSO₄ i CO₂) više ne diramo, tj njihove koeficijente više ne prepravljamo, samo izjednačimo atome u ostalim molekulima na osnovu ovih već dodatih koeficijenata. To radimo na sledeći način . Imamo 1 S atom sa leve a 3 sa desne. Dodajemo 3 ispred H₂SO₄, zatim, sada imamo 5∙2 + 3∙2 = 16 atoma H sa leve a sa desne samo 2 pa pišemo 8 ispred molekula H₂O. Sada samo izbrojimo atome O. Imamo 2∙4 + 5∙4 + 3∙4 = 40 atoma sa leve i imamo 4 + 2∙4 + 8 + 10∙2 = 40 atoma sa  desne, atomi O se poklapaju. Pa nam je izjednačena reakcija:

2KMnO₄ + 5H₂C₂O₄ + 3H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O + 10CO₂

Da bi ste savladali ovu oblast, kao i svaki proračun morate da je vežbate, ali nadam se da će vam sada biti bar malo jasnije uz ovo objašnjenje.