Ecuații chimice

O ecuație chimică este scrierea prescurtată a unei reacții chimice. În stânga săgeții stau reactanții, adică substanțele care se consumă, iar în dreapta produșii, adică substanțele noi care se formează. Formulele arată din ce sunt făcute substanțele, iar numerele din fața lor, numite coeficienți, arată în ce proporție reacționează. Condițiile reacției, precum încălzirea sau catalizatorul, se scriu deasupra săgeții.

Ecuația respectă legea conservării masei, formulată de Lavoisier: într-o reacție chimică, masa totală a reactanților este egală cu masa totală a produșilor. Atomii nu apar și nu dispar, ci doar se regrupează în substanțe noi. De aceea, fiecare element are același număr de atomi în stânga și în dreapta săgeții. Dacă numerele diferă, ecuația se egalează, adică se aleg coeficienții potriviți. Regula esențială: se schimbă numai coeficienții, niciodată indicii din formule, pentru că un alt indice înseamnă o altă substanță (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ este apă, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ este apă oxigenată).

Exemplu rezolvat: egalăm reacția dintre aluminiu și oxigen, din care rezultă oxid de aluminiu.

1. Scriem formulele: $\mathrm{Al}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$.
2. Oxigenul are $2$ atomi în stânga și $3$ în dreapta; cel mai mic multiplu comun este $6$, deci punem $3{\mathrm{O}}_2$ și $2\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$.
3. În dreapta sunt acum $4$ atomi de aluminiu, deci punem $4\mathrm{Al}$.
4. Verificăm: $4$ atomi Al și $6$ atomi O în fiecare parte. Ecuația este $4Al+3{\mathrm{O}}_2\to 2A{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$.

Al doilea exemplu arată conservarea masei. În $2Mg+{\mathrm{O}}_2\to 2MgO$, $48$ g magneziu ($2\cdot 24$) și $32$ g oxigen dau $80$ g oxid de magneziu ($2\cdot 40$), iar $48+32=80$. Coeficienții arată raportul dintre molecule, deci dintre moli, nu dintre mase: în $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, raportul este $2:1:2$.

O ecuație egalată se citește în trei feluri. Ecuația $4Al+3{\mathrm{O}}_2\to 2A{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$ spune că $4$ atomi de aluminiu reacționează cu $3$ molecule de oxigen și formează $2$ unități formulă de oxid de aluminiu. La fel de bine, $4$ mol de aluminiu reacționează cu $3$ mol de oxigen. Ecuația nu spune însă că $4$ g de aluminiu reacționează cu $3$ g de oxigen: masele se obțin înmulțind numărul de moli cu masa molară.

Egalarea merge repede dacă respecți o ordine: întâi metalele, apoi nemetalele diferite de hidrogen și oxigen, apoi hidrogenul, iar oxigenul la urmă, pentru că aceste două elemente apar în mai multe formule.

Exemplu 1: grupări de atomi care rămân întregi. Egalăm $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2+{\mathrm{H}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{C}{\mathrm{a}}_3(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4{)}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Gruparea $\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4$ trece neschimbată din reactant în produs, deci se numără ca unitate.

1. Calciul: $3$ atomi în dreapta, deci $3\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$.
2. Gruparea fosfat: $2$ în dreapta, deci $2{\mathrm{H}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4$.
3. Hidrogenul din stânga: $3\cdot 2+2\cdot 3=12$ atomi. În dreapta, hidrogenul este numai în apă, deci $6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
4. Verificăm oxigenul: în stânga $3\cdot 2+2\cdot 4=14$, în dreapta $8+6=14$.

Rezultă $3Ca(\mathrm{OH}{)}_2+2{\mathrm{H}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{C}{\mathrm{a}}_3(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4{)}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Exemplu 2: număr impar de atomi de oxigen. Egalăm arderea etanului, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

1. Carbonul: $2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$.
2. Hidrogenul: șase atomi cer $3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
3. Oxigenul din produși: $2\cdot 2+3=7$ atomi, deci în stânga sunt necesare $7/2$ molecule ${\mathrm{O}}_2$.
4. Coeficienții finali sunt numere întregi, așa că înmulțim ecuația cu $2$: $2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6+7{\mathrm{O}}_2\to 4C{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Verificare: $4$ C, $12$ H și $14$ O pe fiecare parte.

Exemplu 3: aflarea unei mase din legea conservării. Prin încălzirea a $50$ g carbonat de calciu rămân $28$ g oxid de calciu. Masa dioxidului de carbon degajat este $50-28=22$ g. Ecuația confirmă: $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{CaO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, iar $50/100=0,5$ mol dau $0,5\cdot 56=28$ g CaO și $0,5\cdot 44=22$ g $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Lavoisier a arătat, prin experimente în vase închise, că masa totală dinainte de reacție este egală cu cea de după. Legea servește și la controlul unei ecuații: dacă masa reactanților, calculată cu coeficienții și masele molare, diferă de masa produșilor, ecuația nu este egalată.

Exemplu 4: aceeași metodă cu ioni poliatomici și volum de gaz. Aluminiul reacționează cu acidul sulfuric diluat: $\mathrm{Al}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3+{\mathrm{H}}_2$.

1. Aluminiul: $2$ atomi în sare, deci $2\mathrm{Al}$.
2. Gruparea sulfat: $3$ în sare, deci $3{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$.
3. Hidrogenul: $3\cdot 2=6$ atomi în acid, deci $3{\mathrm{H}}_2$.
4. Verificăm oxigenul: $3\cdot 4=12$ în stânga și $3\cdot 4=12$ în $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3$.

Ecuația $2Al+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3+3{\mathrm{H}}_2$ arată că $2$ mol aluminiu dau $3$ mol hidrogen. Pentru $2,7$ g aluminiu, adică $2,7/27=0,1$ mol, rezultă $0,15$ mol ${\mathrm{H}}_2$, adică $0,15\cdot 22,4=3,36$ L în condiții normale.

Simboluri în ecuație. Literele din paranteză arată starea de agregare: $(s)$ solid, $(l)$ lichid, $(g)$ gaz, $(aq)$ soluție apoasă. Săgeata în sus, $\uparrow$, marchează un gaz care se degajă, iar cea în jos, $\downarrow$, un precipitat. Deasupra săgeții se scriu condițiile, de exemplu $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})\stackrel{\mathrm{t}}{\to }\mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$, unde $t$ înseamnă încălzire.

Ce se conservă și ce nu. Se conservă numărul de atomi și masa. Numărul de molecule nu se conservă: în ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\to 2N{\mathrm{H}}_3$, patru molecule de reactanți dau două molecule de produs. Pentru gazele aflate la aceeași temperatură și presiune, coeficienții arată și raportul volumelor: $1$ L azot și $3$ L hidrogen dau $2$ L amoniac, deci volumul total scade de la $4$ L la $2$ L, deși masa rămâne aceeași.

Problemele de la admitere cer suma coeficienților sau un raport molar dedus dintr-o ecuație pe care trebuie s-o egalezi singur. Pentru alcanii cu $n$ atomi de carbon, arderea completă este ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{nC}{\mathrm{O}}_2+(\mathrm{n}+1){\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, iar coeficienții se aduc la numere întregi.

Exemplu 1 (complement simplu). Suma celor mai mici coeficienți întregi din ecuația $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{NO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ este: A. $9$; B. $15$; C. $19$; D. $21$; E. $23$.

1. Hidrogenul: cel mai mic multiplu comun al lui $3$ și $2$ este $6$, deci $2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ și $3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
2. Azotul: $2\mathrm{NO}$.
3. Oxigenul din produși: $2+3=5$ atomi, deci $5/2{\mathrm{O}}_2$; înmulțim cu $2$.
4. Ecuația este $4N{\mathrm{H}}_3+5{\mathrm{O}}_2\to 4NO+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, iar suma este $4+5+4+6=19$. Răspuns corect: C.

Exemplu 2 (complement grupat). Pentru arderea butanului, $2{\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}+13{\mathrm{O}}_2\to 8C{\mathrm{O}}_2+10{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, sunt corecte afirmațiile:

1. dintr-un mol de butan rezultă $4$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$;
2. din $2$ mol de butan rezultă $10$ mol apă;
3. masa reactanților este egală cu masa produșilor;
4. numărul de moli ai reactanților este egal cu al produșilor.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Coeficienții dau raportul molar $2:13:8:10$. Afirmația 1 este adevărată: $8/2=4$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ la $1$ mol de butan. Afirmația 2 este adevărată: coeficientul apei este $10$ la $2$ mol de butan. Afirmația 3 este adevărată: $2\cdot 58+13\cdot 32=532$ g și $8\cdot 44+10\cdot 18=532$ g. Afirmația 4 este falsă, deoarece reactanții însumează $2+13=15$ mol, iar produșii $8+10=18$ mol; numărul de moli nu se conservă. Răspuns corect: A.

Verificarea rapidă a unei ecuații de ardere este numărarea oxigenului: pentru alcanul cu $n=3$ (propanul), formula dă $(3\cdot 3+1)/2=5$ molecule de oxigen, iar ecuația ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8+5{\mathrm{O}}_2\to 3C{\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ are $10$ atomi de oxigen în fiecare parte.

Greșeli frecvente

• Greșit: ${\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ este egalarea reacției de formare a apei.
  Corect: indicele schimbă substanța; ecuația corectă este $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
• Greșit: Coeficientul $2$ din fața lui ${\mathrm{H}}_2$ înseamnă doi atomi de hidrogen.
  Corect: înseamnă două molecule, cu patru atomi de hidrogen în total.
• Greșit: Într-o reacție se conservă și numărul de molecule.
  Corect: se conservă atomii și masa; în $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, trei molecule de reactanți dau două molecule de produs.
• Greșit: Dacă ecuația este egalată, masele în grame ale substanțelor sunt în raportul coeficienților.
  Corect: coeficienții dau raportul molar; masa este coeficientul înmulțit cu masa molară, de exemplu $2\cdot 2=4$ g ${\mathrm{H}}_2$ pentru $32$ g ${\mathrm{O}}_2$.

Înainte și după