חישוב כמויות המגיבים, התוצרים והשאריות היא בעיה שכל תלמיד כימיה נתקל בה כשהוא נדרש לאזן תגובה כימית. הפתרון של בעיה כזאת מבוסס על חוק שימור החומר, שאומר כי כמות החומר לפני ואחרי תגובה תישאר לעולם קבועה (כל עוד לא עוסקים בתנאים אנרגטיים קיצוניים).
היישומון שלפנינו מסייע להבין איך מאזנים תגובות כימיות וגם מאפשר תרגול. בסוף ההסבר ניתן לכם טיפים איך לאזן תגובה כימית. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
שיווי משקל כימי הוא אחד מעקרונות היסוד שמניעים תגובות כימיות. כל תגובה כימית, בלי יוצא מהכלל, שואפת להגיע לשיווי משקל כלשהו שבו כמות התוצרים והמגיבים תישאר קבועה לאורך זמן (בהנחה שהתנאים לא משתנים). זה לא אומר שלא נוצרים תוצרים חדשים ולא נעלמים מגיבים, אלא רק שקצב יצירת התוצר והיעלמות המגיב נשאר קבוע.
כשאנחנו באים לאזן משוואה אנו מניחים שהתגובה נמצאת בשיווי משקל. למידע נוסף על שיווי משקל ועל קינטיקה של תגובות כימיות, היכנסו לכתבות כוח הכימיה – קינטיקה ותרמודינמיקה ושיווי משקל כימי. האיזון של תגובה כימית הוא רק הצגה של היחס בין המגיבים לתוצרים בתגובה הכימית בשיווי משקל. הוא אינו מייצג את כמויות החומרים או את קצב התגובות.
היישומון מחולק לשלושה חלקים.
ראשית ננסה להבין איך מאזנים תגובה כימית על ידי שימוש באנלוגיה להכנת כריך גבינה. נתחיל בכריך שמוכן משני רכיבים – לחם וגבינה. הנחת יסוד חשובה היא שאין חלקי גבינה או חלקי לחם, כפי שאין חלקי אטום או חלקי מולקולה, כך שאפשר להכין כריך רק מכפולות שלמות של לחם וגבינה.
תחילה נגדיר שכריך מוכן משתי פרוסות לחם ופרוסת גבינה אחת. כתבו בחלונות העליונים את הערכים 2 עבור הלחם ו-1 עבור הגבינה. כעת בואו נשחק. התחילו להעלות את ערכי הגבינה והלחם בחלון התחתון ושימו לב מה אתם מקבלים בחלק הימני של התגובה. שימו לב שכאשר מזינים כפולות של 2 עבור הלחם ומחצית הכמות גבינה מקבלים כריכים שלמים, בעוד שבמצבים אחרים מקבלים כריך עם שאריות. הלחם והגבינה הם המגיבים והכריך הוא התוצר. עודפי הלחם והגבינה הם השאריות. בתגובה מאוזנת אסור שיישארו שאריות.
נסו לשחק קצת עם ההגדרות ועם כמויות הלחם והגבינה שאתם מוסיפים וראו איך תמיד יישמר הקשר בין כמות המגיבים לכמות התוצרים על פי ההגדרות שקבעתם. כעת, על מנת להקשות, הוסיפו גם נקניק לתגובה (ואני מתנצל בפני הגולשים שומרי הכשרות). המצב משול לתגובה שבה דרושים שלושה מגיבים ליצירת תוצר. גם כאן אתם מוזמנים לשחק בהגדרות ולראות איך נשמר הקשר בין כמות המגיבים לתוצרים על פי ההגדרות שקבעתם מראש.
בחלק השני של היישומון נעבור לשחק בחומר האמיתי. כעת במקום כריכי גבינה יש לנו הדמיות של תגובות כימיות אמיתיות. נגלה שאף על פי שאנחנו עובדים עם מולקולות אמיתיות, העיקרון נשאר זהה – אין חצאי מולקולות ואין שאריות.
נתחיל בתגובה קלה יחסית, שבה שתי מולקולות מימן ומולקולת חמצן יוצרות מולקולת מים. שחקו עם כמוית המולקולות למטה וראו איך נוצרות מולקולות מים על פי היחס הנתון.
כאן המקום לתת לכן טיפ קטן לאיזון תגובות –. בתגובת יצירת האמוניה התהליך אמנם מסתבך מעט מספרית, אבל העקרונות נשמרים. כאן מולקולת חנקן ושלוש מולקולות מימן נותנות מולקולת אמוניה. לבסוף, בתהליך בעירת המתאן, יש לנו כבר שני תוצרים, לא אחד, אך גם כאן שימו לב שהיחסים נשמרים תמיד. שחקו מעט עם התגובות לפני שאתם עוברים לשלב הבא ונסו לראות איזה תהליך קורה כשאתם מאזנים תגובות.
החלק השלישי והאחרון של היישומון הינו מעין משחק איזון תגובות. כאן תקבלו תגובה כימית ותישאלו על כמות המגיבים (רמה 1), התוצרים והשאריות (רמה 2) או התוצרים והשאריות בתגובות מסובכות יותר (רמה 3). תשימו בוודאי לב שבשאלות הראשונות תפתרו את השאלות בקלות, פשוט על ידי ספירת מולקולות ואטומים בשני צדי התגובה, אך ככל שתתקדמו בשאלות תגלו שהאיזון הופך להיות יותר ויותר מסובך, ובמיוחד ברמה 3.
איזון תגובה כימית
נושא אחד חשוב (שאין ספק שצלחתם את כל הכתבה רק בשביל להגיע אליו) אינו נלמד ביישומון – איך מאזנים תגובה כימית. הנה לכם שיטה פשוטה יחסית לעשות את זה. הכינו רשימה של כל האטומים בכל צד של המשוואה ושל כמותם לפני האיזון.
לדוגמה ניקח את תגובת הבעירה של המתאן: CH4 + O2 --> CO2 + H2O (לפני איזון המשוואה). בצד שמאל של התגובה הכימית נמצאים 1C ,4H ,2O ובצד ימין ,1C ,2H 3O. כדי לקיים את חוק שימור החומר עלינו ליצור מצב שבו כמות האטומים מכל סוג זהה בצד ימין ובצד שמאל. היות שיש רק C אחד בכל צד, לא ניגע ב-CH4 וב-CO2 (לפחות בהתחלה). היות ש-O2 היא מולקולה חד-אטומית, נוכל להכפיל אותה בכל מספר שנבחר בלי לשנות את מאזן האטומים האחרים, על כן נשמור אותה לסוף.
בצד שמאל יש לנו 4H ובצד ימין 2H. אם נכפיל את H2O ב-2 נקבל בשני הצדדים 4H. ה-C, כאמור, קבוע (1), על כן נשאר לנו לאזן רק את ה-O. בצד ימין O=4, רק שכל שנשאר לנו לעשות הוא להכפיל את O2 ב-2.
אם כן, כעת נציג את התגובה: 1CH4 + 2O2 --> 1CO2 + 2H2O.
נסכום את האטומים: C=1, H=4, O=4 בשני הצדדים, כך שהתגובה מאוזנת.
נסכם את הטיפים העיקריים: בוחרים מולקולת "עוגן", ומוטב שתכיל אטום שנשאר קבוע משני צדי התגובה ,ובודקים "מה עוד חסר" במולקולת האחרות כדי ליצור שוויון עם הצד השני. השאיפה היא להשוות לצד הגבוה יותר, כך שאם בצד אחד H=2 ובצד השני H=4, את הצד הראשון נכפיל ב-2), אם יש מצב שבו יש לנו שני ערכים שונים שאחד מהם אינו מכפלה של השני (כמו 2 ו-3) נכפיל את שני הצדדים במספר שייתן מכנה משותף (למשל 6).
במולקולת העוגן מוטב להשתדל לא לגעת, אך אם מגיעים ל"מבוי סתום" מכפילים את שתי מולקולות העוגן באותו מספר. אם יש מולקולה חד אטומית כדאי תמיד לשמור אותה לסוף כדי לסיים את האיזון בלי לגרור שינוי בערכי אטומים אחרים. במצב שבו אין לכם מולקולת "עוגן", או שמולקולת העוגן שלכם היא מולקולה חד-אטומית בשני צדי התגובה, בחרו מולקולת עוגן אחרת (ומוטב שתהיה המולקולה הכי מסובכת במשוואה), ואזנו את כל השאר לפיה.
זכרו: מותר להכפיל רק מולקולות שלמות במספרים, לא לשנות את הנוסחה הכימית. כמויות האטומים בשני צידי התגובה חייבים להיות זהים בסוףףצ בגלל חוק שימור החומר.
אתגר למתקדמים: אזנו את משוואת הבעירה של אמוניה: NH3 + O2 --> NO + H2O.
למשוואות איזון מורכבות (האתר באנגלית).
לסרטון של Fuseschool המסביר על איזון משוואות (באנגלית)
