Kimyasal tepkimeler ve denkleştirme

Mutfaktaki tüpte yanan propan gazının alevi küçük bir tepkime fabrikasıdır: her propan molekülü havadaki oksijenle birleşir, geriye karbon dioksit ve su buharı kalır. Bir mühendis bu tüpün ne kadar oksijen tüketeceğini, ne kadar karbon dioksit üreteceğini hesaplamak isterse önce tepkimenin dengeli bir denklemini yazmak zorundadır. Denklem yalnız hangi maddelerin girip çıktığını değil, kaçar tanesinin girip çıktığını da söylemelidir. Oryantasyondaki "Kimya bir dildir" dersinde denklemlerin nasıl okunduğunu ve basit denklemlerin nasıl denkleştirildiğini gördük. Bu ders o beceriyi derinleştiriyor: daha karmaşık tepkimeleri sistemli bir sırayla denkleştirmeyi, kesirli katsayılarla çalışmayı ve denkleştirilmiş bir denklemin katsayılarından mol ve hacim oranlarını okumayı öğretiyor.

• Kimyasal bir tepkimede neyin korunduğunu ve neyin korunmayabileceğini ayırt edersin.
• Karmaşık denklemleri sistemli bir sırayla ve gerektiğinde kesirli katsayılarla denkleştirirsin.
• Çok atomlu iyonları denkleştirmede tek birim olarak sayarsın.
• Denkleştirilmiş bir denklemin katsayılarından mol oranlarını ve normal koşullarda gaz hacim oranlarını okursun.

Tepkimede ne korunur?

Kimyasal bir tepkimede atomlar yeniden düzenlenir ama yok olmaz ve yoktan var olmaz. Bu yüzden her tepkimede iki şey kesinlikle korunur: her elementin atom sayısı ve buna bağlı olarak toplam kütle. Toplam elektrik yükü de korunur.

Buna karşılık bazı büyüklükler korunmayabilir. Hidrojen ile oksijenden su oluşan tepkimede iki hidrojen molekülü ile bir oksijen molekülü, yani üç molekül tepkimeye girer, iki su molekülü çıkar. Molekül sayısı, dolayısıyla toplam mol sayısı korunmayabilir. Gazların toplam hacmi de değişebilir. Sınav sorularında "hangisi her zaman korunur" diye sorulduğunda cevap atom sayısı ve kütledir; mol ve molekül sayısı ise tepkimeye göre değişir.

Denkleştirmenin amacı

Bir denklemi denkleştirmek, okun iki yanında her elementin atom sayısını eşitlemektir. Bunun için yalnız formüllerin önündeki katsayılar ayarlanır. Bir maddenin formülündeki alt indislere dokunmak o maddeyi başka bir maddeye çevireceği için yapılmaz. Son denklemde katsayılar genellikle en küçük tam sayılarla yazılır.

Sistemli sıra

Basit denklemler göz kararıyla denkleştirilebilir, ama karmaşık denklemlerde bir sıra izlemek işi kolaylaştırır:

1. En çok atom içeren ya da en karmaşık görünen formülle başlanır ve onun katsayısı geçici olarak 1 kabul edilir.
2. Önce yalnız bir formülde geçen elementler eşitlenir; genellikle metaller ve karbon.
3. Hidrojen ve oksijen gibi birçok formülde geçen elementler sona bırakılır.
4. En son her element bir kez daha sayılarak denetlenir.

Propanın yanmasında bu sıra şöyle işler: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O. Propanın katsayısı 1 alınır. Üç karbon için CO₂'nin önüne 3, sekiz hidrojen için H₂O'nun önüne 4 yazılır. Sağ tarafta oksijen 3 · 2 + 4 = 10 atom olur; bu yüzden O₂'nin önüne 5 yazılır. Sonuç: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.

Kesirli katsayı yöntemi

Bazen son adımda tek bir elementi eşitlemek için kesirli bir katsayı gerekir. Etanın yanmasında C₂H₆ için 1 alınınca 2CO₂ ve 3H₂O yazılır; sağda 4 + 3 = 7 oksijen atomu vardır ve O₂'nin önüne 7/2 gelir. Kesirden kurtulmak için bütün katsayılar 2 ile çarpılır: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O. Bu yöntem özellikle hidrokarbonların ve alkollerin yanma tepkimelerinde sık kullanılır.

Çok atomlu iyonlar bir birimdir

Bir çok atomlu iyon tepkimenin iki yanında bozulmadan duruyorsa, onu atomlarına ayırmadan tek bir birim gibi saymak işi kısaltır. Gümüş nitrat ile kalsiyum klorürün tepkimesinde nitrat grubu (NO₃) iki yanda da bulunur: AgNO₃ + CaCl₂ → AgCl + Ca(NO₃)₂. Sağda iki nitrat olduğu için AgNO₃'ün önüne 2 yazılır; ardından gümüş için AgCl'nin önüne 2 gelir: 2AgNO₃ + CaCl₂ → 2AgCl + Ca(NO₃)₂. Nitrat grubunu azot ve oksijen atomlarına ayırarak saymak aynı sonucu verir ama çok daha uzun sürer.

Katsayıların anlamı

Denkleştirilmiş bir denklemin katsayıları yalnız tanecik sayılarını değil, mol oranlarını da gösterir. N₂ + 3H₂ → 2NH₃ denklemi şöyle okunur: 1 mol azot ile 3 mol hidrojen tepkimeye girerek 2 mol amonyak oluşturur. Bu oran her miktar için geçerlidir; 3 mol azot 9 mol hidrojenle tepkimeye girer ve 6 mol amonyak verir.

Gazlar için normal koşullarda 1 mol 22,4 litre olduğundan, katsayılar aynı koşullardaki gaz hacim oranlarını da verir. 2CO + O₂ → 2CO₂ tepkimesinde normal koşullarda 4,48 litre karbon monoksit, yani 0,2 mol, 0,1 mol oksijenle, yani 2,24 litre oksijenle tepkimeye girer. Katsayılar kütle oranını ise doğrudan vermez; kütle oranını bulmak için mol sayıları mol kütleleriyle çarpılmalıdır. Bu hesaplar modülün ilerleyen bir dersinde ayrıntılı olarak ele alınacaktır.

Sözden denkleme

Sınav soruları tepkimeyi çoğu zaman sözle anlatır ve denklemin yazılmasını öğrenciye bırakır. Bu durumda önce her maddenin formülü doğru yazılır; adlandırma dersinde öğrendiğimiz kurallar burada işe yarar. "Kalsiyum karbonat ısıtıldığında kalsiyum oksit ve karbon dioksit gazına ayrışır" cümlesi CaCO₃ → CaO + CO₂ biçiminde yazılır; bu denklem zaten dengelidir. "Magnezyum, hidroklorik asitle tepkimeye girerek magnezyum klorür ve hidrojen gazı oluşturur" cümlesi Mg + HCl → MgCl₂ + H₂ olarak yazılır ve klor ile hidrojeni eşitlemek için HCl'nin önüne 2 eklenir. Formüller yanlış yazılırsa doğru katsayılar bulunamaz; bu yüzden formül adımı atlanmamalıdır.

Okun üzerindeki bilgiler

Bir tepkimenin gerçekleşmesi için özel koşullar gerekiyorsa bunlar okun üzerine ya da altına yazılır. Isıtma gerektiren tepkimelerde okun üzerine ısı işareti, bir katalizör kullanılıyorsa katalizörün formülü konur. Bu bilgiler tepkimenin nasıl yürütüleceğini söyler, ama denkleştirmeyi etkilemez; katalizör tepkimede harcanmadığı için iki yandaki atom sayımına katılmaz.

Denkleştirmeyi denetlemek

Bir denklem denkleştirildikten sonra her element için sol ve sağdaki atom sayıları yan yana yazılır. Etanolün yanması için C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O denkleminde solda 2 karbon, 6 hidrojen ve 1 + 6 = 7 oksijen; sağda 2 karbon, 6 hidrojen ve 4 + 3 = 7 oksijen vardır. Her sütun eşitse denklem dengelidir. Etanol formülünde hidrojenin iki ayrı yerde (C₂H₅ ve OH) geçtiğini unutmamak gerekir.

Örnek 1 — Kesirli katsayı

Soru: CH₃OH + O₂ → CO₂ + H₂O denklemi en küçük tam sayılarla denkleştirildiğinde O₂'nin katsayısı kaç olur?

• A) O₂'nin önüne 1 yazılır.
• B) O₂'nin önüne 2 yazılır.
• C) O₂'nin önüne 4 yazılır.
• D) O₂'nin önüne 3 yazılır.
• E) O₂'nin önüne 5 yazılır.

Çözüm: CH₃OH için 1 alınınca CO₂ ve 2H₂O gelir; sağda 4 oksijen, solda metanolden 1 oksijen vardır, O₂'den 3 atom, yani 3/2 gerekir. Bütün katsayılar 2 ile çarpılınca 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O olur. Cevap: D.

Örnek 2 — Mol oranı

Soru: N₂ + 3H₂ → 2NH₃ denklemine göre 2 mol azot tamamen tepkimeye girdiğinde kaç mol amonyak oluşur?

• A) 2 mol amonyak
• B) 4 mol amonyak
• C) 1 mol amonyak
• D) 6 mol amonyak
• E) 3 mol amonyak

Çözüm: Katsayılara göre her 1 mol azot 2 mol amonyak verir; 2 mol azot 4 mol amonyak verir. Cevap: B.

Örnek 3 — İyon birimi

Soru: Ca(OH)₂ + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O denklemi denkleştirildiğinde katsayılar sırasıyla hangisidir?

• A) 1, 1, 1, 1
• B) 2, 1, 2, 1
• C) 1, 2, 2, 1
• D) 2, 2, 1, 1
• E) 1, 2, 1, 2

Çözüm: Sağda iki nitrat grubu olduğu için HNO₃'ün önüne 2 yazılır. Solda iki OH ve iki H birleşerek iki su oluşturur. Cevap: E.

Örnek 4 — Gaz hacmi

Soru: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ tepkimesine göre NK'da ölçülen 11,2 litrelik O₂ kaç litre SO₂ ile tepkimeye girer?

• A) 22,4 litre SO₂
• B) 11,2 litre SO₂
• C) 5,6 litre SO₂
• D) 44,8 litre SO₂
• E) 33,6 litre SO₂

Çözüm: Katsayılar aynı koşuldaki hacim oranını verir; SO₂, oksijenin iki katı hacimde tepkimeye girer. Cevap: A.

• Mol sayısının her tepkimede korunduğunu sanmak. Korunan atom sayısı ve kütledir; mol ve molekül sayısı değişebilir.
• Kesirli katsayıyla bırakmak. Son denklem en küçük tam sayılarla yazılır; kesir varsa bütün katsayılar çarpılır.
• Katsayıları kütle oranı sanmak. Katsayılar mol oranını verir; kütle için mol kütleleriyle çarpmak gerekir.
• Formülde iki yerde geçen atomu bir kez saymak. Etanolde hidrojen hem C₂H₅'te hem OH'de vardır.
• Bozulmadan kalan çok atomlu iyonu dağıtarak saymak. Birim olarak saymak hem hızlı hem güvenlidir.