Kimyasal Denklemler Nasıl Denkleştirilir?

Kimyasal denkleştirme ve atomların korunumu ilkesi

Kimyasal denklem denkleştirme, bir tepkimedeki her elementin atom sayısını okun iki tarafında eşit hâle getirmektir. Bunun temelinde atomların korunumu ilkesi bulunur: Kimyasal tepkime sırasında atomlar yok olmaz, yeniden düzenlenir veya başka bir elementin atomuna dönüşmez. Bu nedenle tepkimeye giren maddelerde bulunan belirli sayıdaki karbon, hidrojen, oksijen ya da başka element atomu, ürünlerde de aynı sayıda bulunmalıdır.

Denkleştirme yapılırken maddelerin kimlikleri korunur ve yalnızca formüllerin önündeki katsayılar değiştirilir. Katsayı, o formülden kaç birim bulunduğunu belirtir; dolayısıyla aynı maddenin daha fazla ya da daha az miktarda gösterilmesini sağlar. Örneğin suyun hidrojen ve oksijene ayrılmasını gösteren H2O → H2 + O2 denklemi başlangıçta dengeli değildir. Sol tarafta 1 oksijen atomu, sağ tarafta ise O2 nedeniyle 2 oksijen atomu vardır. H2O'nun katsayısı 2 yapılırsa oksijen sayısı eşitlenir: 2H2O → H2 + O2. Bu kez solda 4 hidrojen atomu, sağda 2 hidrojen atomu kalır. H2'nin katsayısı da 2 yapıldığında denklem 2H2O → 2H2 + O2 olur ve her iki tarafta 4 hidrojen, 2 oksijen atomu bulunur.

Bu eşitlik, maddelerin aynı olduğu anlamına gelmez; yalnızca her elementin atom sayısının korunduğunu gösterir. Bir denklemin dengeli olup olmadığı, her element için sol ve sağ taraftaki atom sayıları karşılaştırılarak anlaşılır. Tepkime denklemlerinde iyonik veya net iyonik gösterim gibi farklı yazım düzeyleri bulunabilir; bu tür denklemlerin özel olarak denkleştirilmesi ayrı bir konudur.

Alt indis ile katsayı arasındaki fark

Alt indis, bir kimyasal formülde tek bir molekül ya da formül birimi içindeki atom sayısını gösterir. Örneğin H2O formülünde bir su molekülünde 2 hidrojen ve 1 oksijen atomu bulunduğu anlaşılır. Katsayı ise formülün tamamının önünde yer alır ve kaç molekül ya da formül birimi bulunduğunu belirtir. 3H2O yazımı, üç su molekülünü ifade eder; toplam hidrojen atomu 3 × 2 = 6, oksijen atomu ise 3 × 1 = 3 olur.

Bu iki gösterim aynı biçimde değiştirilemez. Alt indisi değiştirmek, o maddenin içindeki atom oranını ve dolayısıyla maddenin kimliğini değiştirir. H2O yerine H2O2 yazmak denklemi sayısal olarak dengelemeye yardımcı gibi görünse de artık su değil, farklı bir madde gösterilmiş olur. Bu nedenle denkleştirme sırasında H2O, H2 ve O2 formülleri aynen korunur; yalnızca önlerine katsayı eklenir.

Somut olarak H2O → H2 + O2 denkleminde oksijenleri eşitlemek için H2O'nun alt indisini 1'den 2'ye çevirmek doğru değildir. Doğru işlem H2O'nun önüne 2 yazmaktır: 2H2O → H2 + O2. Daha sonra hidrojen sayısını eşitlemek için H2'nin önüne 2 eklenir: 2H2O → 2H2 + O2. Böylece maddelerin kimliği değişmeden atom sayıları eşitlenir. Katsayılar, denklemdeki bütün formüle uygulanır; alt indis ise yalnızca bulunduğu elementin formül içindeki sayısını belirtir.

Denklemde atom sayılarını belirleme

Atom sayılarını bulmak için her formüldeki alt indis, o formülün katsayısıyla çarpılır. Alt indis yazılmamışsa değer 1 kabul edilir. Örneğin 2CO2 ifadesinde karbon atomu sayısı 2 × 1 = 2, oksijen atomu sayısı ise 2 × 2 = 4'tür. Aynı element bir tarafta birden fazla formülde bulunuyorsa her formüldeki miktar ayrı ayrı hesaplanır ve sonuçlar toplanır. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O denkleminde ürün tarafındaki oksijen sayısı CO2'den gelen 1 × 2 = 2 ile H2O'dan gelen 2 × 1 = 2'nin toplamı, yani 4'tür. Bu nedenle atom tablosu hazırlarken elementleri satır, tepkimeye girenleri ve ürünleri sütun yapmak hata olasılığını azaltır. Her element için iki taraftaki toplam sayı karşılaştırılır.

Kimyasal denklemi sistematik olarak denkleştirme adımları

Sistematik denkleştirme, katsayıları rastgele değiştirmek yerine belirli bir sırayla belirlemektir. Önce denklemdeki tüm elementler listelenir ve her iki taraftaki atom sayıları, başlangıçta tüm katsayılar 1 kabul edilerek hesaplanır. Ardından yalnızca bir tarafta bulunan veya sayısı daha kolay izlenebilen elementlerden başlanır. Birden fazla element içeren karmaşık gruplar genellikle en sona bırakılır; hidrojen ve oksijen de çoğu denklemde son aşamalarda düzenlenebilir. Katsayı yazıldığında, daha önce dengelenmiş elementlerin sayısı yeniden kontrol edilir; çünkü bir formülün katsayısını değiştirmek o formüldeki bütün elementlerin sayısını etkiler.

Örnek olarak CH4 + O2 → CO2 + H2O denklemini ele alalım. Karbon sayısı iki tarafta da 1 olduğu için karbon katsayıları değiştirilmez. Solda 4 hidrojen, sağda ise H2O içinde 2 hidrojen bulunduğundan suyun önüne 2 yazılır: CH4 + O2 → CO2 + 2H2O. Şimdi ürünlerdeki oksijen sayısı CO2'den 2, 2H2O'dan 2 olmak üzere toplam 4'tür. Bu sayıyı sağlamak için O2'nin önüne 2 eklenir: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Karbon 1'e 1, hidrojen 4'e 4 ve oksijen 4'e 4 olarak eşleşir.

Her değişiklikten sonra bütün elementleri yeniden saymak gerekir. Bir formüldeki alt indisler bu süreçte değiştirilmez. Denkleştirme tamamlandığında katsayılar, yazılmayan 1 katsayısı da dikkate alınarak değerlendirilir. Kesir ortaya çıkarsa önce denklem matematiksel olarak korunur, ardından tüm katsayılar uygun ortak sayıyla çarpılarak tam sayılı hâle getirilir. Katsayıların mol oranı olarak kullanıldığı hesaplamalar ise denkleştirme işleminden sonraki ayrı bir adımdır.

Kesirli katsayıları tam sayılı katsayılara dönüştürme

Bazı denklemleri denkleştirirken bir formülün önünde kesirli katsayı görülebilir. Kesirli katsayı, atom sayılarını eşitleme açısından geçerli olabilir; ancak kimyasal denklemler genellikle en küçük tam sayı katsayılarıyla yazılır. Kesri ortadan kaldırmak için denklemdeki bütün katsayılar, paydanın uygun katıyla çarpılır. Yalnızca kesir bulunan maddenin katsayısını değiştirmek doğru değildir; çünkü denklemdeki tüm katsayıların aynı sayıyla çarpılması atom oranlarını korur.

Örneğin suyun oluşumunu gösteren H2 + O2 → H2O denkleminde önce ürünün katsayısı 1 bırakılıp oksijen dengelenmek istendiğinde H2'nin önüne 1, O2'nin önüne 1/2 yazılabilir: H2 + 1/2O2 → H2O. Bu gösterimde solda 2 hidrojen ve 2 oksijen, sağda da 2 hidrojen ve 1 oksijen bulunduğu için hidrojen dengeli, oksijen ise formüldeki katsayı ve alt indis birlikte dikkate alındığında 1/2 × 2 = 1 olarak eşittir. Tam sayılı biçim için bütün katsayılar 2 ile çarpılır: 2H2 + O2 → 2H2O. Böylece kesir kaybolur ve atom oranları değişmez.

Aynı işlem daha büyük paydalı kesirlerde de uygulanır; amaç bütün katsayıları tam sayıya dönüştürmektir. Sonrasında ortak bir bölen varsa katsayılar bu bölenle sadeleştirilir. Kesirli katsayıyı yalnızca ilgili formülde bırakmak veya sadece paydasını değiştirmek, diğer katsayılarla olan oranı bozabileceğinden kullanılmamalıdır.

Denkleştirilmiş denklemi kontrol etme ve en küçük tam sayı oranını bulma

Denkleştirme bittiğinde sonuç doğrudan doğru kabul edilmemelidir. Önce denklemde görünen her element için bir kontrol tablosu hazırlanır. Her formülün katsayısı ile alt indisi çarpılır; bir element aynı tarafta birden fazla formülde bulunuyorsa bu çarpımlar toplanır. Sol ve sağ taraftaki toplamlar her element için eşitse denklem atomların korunumu ilkesine uygundur. Bu kontrol, bir katsayı değişikliğinin daha önce dengelenmiş başka bir elementi bozup bozmadığını da ortaya çıkarır.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O denklemini kontrol edelim. Karbon için sol taraf 1 × 1 = 1, sağ taraf 1 × 1 = 1'dir. Hidrojen için sol taraf 1 × 4 = 4, sağ taraf 2 × 2 = 4'tür. Oksijen için sol taraf 2 × 2 = 4, sağ taraf CO2'den 1 × 2 = 2 ve H2O'dan 2 × 1 = 2 olmak üzere toplam 4'tür. Her element eşit olduğu için denklem dengelidir.

Tam sayı katsayıları ayrıca en küçük oranı göstermelidir. Örneğin 4H2 + 2O2 → 4H2O denkleminde iki tarafta da 8 hidrojen ve 4 oksijen atomu bulunur; denklem atom bakımından dengelidir. Ancak katsayıların ortak böleni 2 olduğu için denklem 2H2 + O2 → 2H2O biçiminde sadeleştirilmelidir. Bu son biçimde katsayılar ortak bölen taşımadığından en küçük tam sayı oranı elde edilmiş olur. Son kontrolde hem atom eşitliği hem de katsayıların ortak bölen taşımaması aranır.