Phương pháp cân bằng phương trình hoá học

Phương trình hóa học là biểu diễn bằng ký hiệu hóa học của một phản ứng hóa học. Cân bằng phương trình hóa học là điều chỉnh hệ số của các chất tham gia và sản phẩm phản ứng sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phương trình bằng nhau. Các bạn hãy cùng yeuhoahoc.edu.vn khám phá và tìm kiếm ra phương pháp cân bằng phương trình hoá học đơn giản và dễ hiểu qua nội dung bài viết này nhé!  

Định nghĩa cân bằng phương trình hoá học

Cân bằng phương trình hoá học là quá trình điều chỉnh các hệ số trong phương trình hoá học để đảm bảo rằng số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố và tổng khối lượng của các chất tham gia và sản phẩm trong một phản ứng hóa học là bằng nhau. Mục tiêu của việc cân bằng là giữ cho phương trình hoá học phản ánh chính xác tỷ lệ một cách đúng đắn, mô tả quy luật bảo toàn khối lượng và nguyên tử trong phản ứng.

Khi phương trình hoá học đã được cân bằng, nó sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự thay đổi chất lượng và khối lượng của các chất trong phản ứng, và cung cấp thông tin quan trọng để dự đoán và kiểm soát các quy trình hóa học trong thực tế.

Nguyên tắc cân bằng phương trình hoá học 

Sử dụng nguyên tắc bảo toàn nguyên tử: Nguyên tắc bảo toàn nguyên tử cho biết rằng số lượng nguyên tử của mỗi loại nguyên tố phải giữ nguyên giữa các bên của phương trình. Điều này đòi hỏi sự phối hợp kỹ lưỡng khi điều chỉnh hệ số.

Bảo toàn khối lượng: Khối lượng của các chất tham gia phải bằng khối lượng của các sản phẩm. Điều này có nghĩa là tổng khối lượng của các chất phải được duy trì trong quá trình cân bằng.

Các phương pháp cân bằng phương trình hoá học

Phương pháp cân bằng phương trình hoá học bằng đại số

Một phương pháp hiệu quả để cân bằng phương trình hóa học là sử dụng phương pháp đại số. Đây là cách giải quyết các phương trình hóa học phức tạp bằng cách dựa vào nguyên tắc đơn giản: số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở cả hai bên của phản ứng phải bằng nhau.

Hướng dẫn cân bằng phương trình hóa học bằng phương pháp đại số thường bao gồm các bước sau:

Bước 1: Đặt các hệ số hợp thức tương ứng là các biến số chưa biết mà bạn muốn tìm.

Bước 2: Thực hiện cân bằng số lượng nguyên tử của các nguyên tố và sử dụng định luật bảo toàn khối lượng để lập ra một hệ phương trình đại số.

Bước 3: Chọn một biến số tùy ý làm biến số chính, sau đó giải hệ phương trình đại số để tìm các biến số còn lại.

Ví dụ cụ thể, hãy xem xét phương trình sau:  ${\mathrm{aAl}}_2{\mathrm{O}}_3 + \mathrm{bHCl} \to {\mathrm{cAlCl}}_3 + {\mathrm{dH}}_2\mathrm{O}$

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có các quy tắc sau:

• Cho Al: 2a = c
• Cho O: 3a = d
• Cho H: b = 2d 
• Cho Cl: b = 3c

Nếu chúng ta chọn c = 2, b = 6 làm biến số chính, chúng ta có thể giải hệ phương trình này và tìm ra kết quả: a = 1, b = 6, c = 2, d = 3

Như vậy, chúng ta đã cân bằng phương trình hóa học thành công:

  Al 2 O 3 + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 O

Phương pháp đại số là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các phương trình hóa học phức tạp và đảm bảo sự cân bằng chính xác trong các phản ứng hóa học.

Phương pháp cân bằng phương trình hóa học sử dụng phương pháp Ion – Electron

Cách thực hiện cân bằng phương trình hóa học bằng phương pháp ion – electron thường bao gồm các bước sau:

Bước 1: Xác định các nguyên tố nào tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử và viết các bản phản ứng oxi hóa – khử tương ứng.

Bước 2: Cân bằng các bản phản ứng oxi hóa – khử bằng cách điều chỉnh hệ số tương ứng.

Bước 3: Nhân các bản phản ứng oxi hóa – khử với các hệ số để thăng bằng số electron.

Bước 4: Viết ra phương trình ion đầy đủ bằng cách kết hợp các bản phản ứng oxi hóa – khử.

Bước 5: Cân bằng phương trình hóa học dựa trên các hệ số trong phương trình ion đầy đủ.

Ví dụ cụ thể, hãy xem xét phản ứng sau:       

$\mathrm{Fe} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3 + {\mathrm{SO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Hướng dẫn giải:

Bước 1: Xác định các nguyên tố tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử và viết các bản phản ứng oxi hóa – khử tương ứng. Trong phương trình, các nguyên tố tham gia là Fe và S.

Bán phản ứng oxi hóa – khử:

${\mathrm{Fe}}^0 \to {\mathrm{Fe}}^{3+} ; {\mathrm{S}}^{+6} \to {\mathrm{S}}^{+4}$

Bước 2: Cân bằng các bán phản ứng oxi hóa – khử bằng cách điều chỉnh hệ số tương ứng.

$$\begin{gathered} {\mathrm{Fe}}^0 \to {\mathrm{Fe}}^{3+} + 3\mathrm{e} \\ {\mathrm{S}}^{+6} + 2\mathrm{e} \to {\mathrm{S}}^{+4} \end{gathered}$$

Bước 3: Nhân các bán phản ứng oxi hóa – khử với các hệ số để thăng bằng số electron.

$$\begin{gathered} 2\mathrm{Fe} \to 2{\mathrm{Fe}}^{3+}+ 6\mathrm{e} \\ 3\mathrm{S}+6 + 12\mathrm{H}+ + 6\mathrm{e} \to 3\mathrm{S}+4 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \end{gathered}$$

Bước 4: Viết ra phương trình ion đầy đủ bằng cách kết hợp các bản phản ứng oxi hóa – khử.

$2{\mathrm{Fe}}^{3+}+ 6\mathrm{e} + 3\mathrm{S}+6 + 12{\mathrm{H}}^{+} + 6\mathrm{e} \to 2{\mathrm{Fe}}^{3+} 3{\mathrm{S}}^{+4} + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Bước 5: Cân bằng phương trình hóa học dựa trên các hệ số trong phương trình ion đầy đủ.
$2\mathrm{Fe} + 6{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3 + 3{\mathrm{SO}}_2 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
Phương pháp ion – electron là một công cụ mạnh mẽ để cân bằng phương trình hóa học và hiểu sâu hơn về các phản ứng oxi hóa – khử trong hóa học.

Cân bằng phương trình hoá học bằng phương pháp hệ số

Cân bằng phương trình hóa học là quá trình điều chỉnh hệ số của các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng hóa học để đảm bảo rằng số lượng nguyên tử của mỗi loại nguyên tố và tổng khối lượng các chất tham gia và sản phẩm là bằng nhau. Phương pháp cân bằng này thường sử dụng các quy tắc và nguyên tắc cụ thể để thực hiện việc điều chỉnh các hệ số một cách chính xác.

Ví dụ: Cân bằng phản ứng cháy etan (${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6$) trong không khí.

Phản ứng ban đầu:

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6 + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Ở đây, chúng ta cần cân bằng phương trình để đảm bảo rằng số nguyên tử của carbon (C) và hydrogen (H) trong phản ứng tham gia và sản phẩm là bằng nhau.

Bước 1: Bắt đầu bằng việc đặt hệ số “1” cho các chất tham gia và sản phẩm:

Bước 2: Tiến hành cân bằng các nguyên tố một cách tuần tự. Bắt đầu với carbon (C):

Bước 3: Tiếp theo, cân bằng hydrogen (H):

Bước 4: Kiểm tra lại các nguyên tử của carbon và hydrogen. Bây giờ chúng ta đã cân bằng cả hai nguyên tố này.

Bước 5: Kiểm tra khối lượng. Điều này đòi hỏi tính toán tổng khối lượng của các chất tham gia và sản phẩm. Nếu khối lượng không cân bằng, bạn phải điều chỉnh hệ số thích hợp.

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6 + {\mathrm{O}}_2 \to 2{\mathrm{CO}}_2 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Đã cân bằng cả về số lượng nguyên tử và khối lượng, phản ứng cháy etan giữa etan và không khí đã được cân bằng hoàn chỉnh.

Phương pháp hệ số là một cách thường được sử dụng để cân bằng phương trình hóa học và đảm bảo tính chính xác của các phản ứng hóa học.

Cân bằng phương trình hóa học được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến nghiên cứu và giáo dục.

Việc cân bằng phương trình hóa học đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm

Tính toán lượng chất

Khi phương trình hóa học được cân bằng, ta có thể sử dụng tỉ lệ số mol giữa các chất tham gia và sản phẩm để tính toán lượng chất cần thiết cho phản ứng hoặc lượng chất thu được sau phản ứng.
Ví dụ, nếu muốn điều chế 10 gam khí ${\mathrm{CO}}_2$ từ phản ứng giữa ${\mathrm{CaCO}}_3$ và HCl, ta cần tính toán lượng ${\mathrm{CaCO}}_3$ và HCl cần thiết dựa vào phương trình hóa học cân bằng:
${\mathrm{CaCO}}_3 + 2\mathrm{HCl} –––> {\mathrm{CaCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{CO}}_2$

Xác định thành phần hỗn hợp

Khi biết tỉ lệ số mol giữa các chất trong hỗn hợp, ta có thể sử dụng phương trình hóa học cân bằng để xác định tỷ lệ phần trăm khối lượng hoặc phần trăm thể tích của các chất trong hỗn hợp.
Ví dụ, nếu phân tích một hỗn hợp gồm khí ${\mathrm{CO}}_2$ và ${\mathrm{N}}_2$, ta có thể đốt cháy hỗn hợp này với ${\mathrm{O}}_2$ để thu được ${\mathrm{CO}}_2$ và ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$, sau đó dựa vào tỉ lệ số mol giữa ${\mathrm{CO}}_2$và ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ trong sản phẩm để xác định thành phần % thể tích của ${\mathrm{CO}}_2$ và ${\mathrm{N}}_2$ trong hỗn hợp ban đầu.

Giải thích cơ chế phản ứng

Việc cân bằng phương trình hóa học giúp ta xác định được số mol electron trao đổi trong phản ứng, từ đó có thể giải thích cơ chế phản ứng xảy ra như thế nào.
Ví dụ, trong phản ứng giữa Fe và ${\mathrm{CuSO}}_4,$ Fe khử ${{\mathrm{Cu}}^{2+}}^{}$ thành Cu, đồng thời ${\mathrm{Fe}}^{2+}$ được tạo thành. Việc cân bằng phương trình hóa học cho ta biết rằng 1 mol Fe nhường 2 electron và 1 mol ${\mathrm{Cu}}^{2+}$ nhận 2 electron.

Ứng dụng trong sản xuất

Việc cân bằng phương trình hóa học giúp ta xác định được tỉ lệ mol giữa các chất tham gia để tối ưu hóa quá trình sản xuất, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.
Ví dụ, trong sản xuất amoniac (${\mathrm{NH}}_3$) từ khí nitơ (${\mathrm{N}}_2$) và khí hydro (${\mathrm{H}}_2$), việc cân bằng phương trình hóa học cho ta biết rằng tỉ lệ mol ${\mathrm{N}}_2$:${\mathrm{H}}_2$ cần thiết là 1:3.

Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

Việc cân bằng phương trình hóa học là một bước quan trọng trong nghiên cứu khoa học, giúp ta hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng, từ đó có thể phát triển các phương pháp mới để tổng hợp các chất hoặc nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong tự nhiên.