Equação química - Chemical equation

Uma equação química é a representação simbólica de uma reação química na forma de símbolos e fórmulas, em que as entidades reagentes são fornecidas no lado esquerdo e as entidades de produto no lado direito com um sinal de mais entre as entidades em ambos os reagentes e os produtos e uma seta que aponta para os produtos e mostra a direção da reação. Os coeficientes próximos aos símbolos e fórmulas das entidades são os valores absolutos dos números estequiométricos . A primeira equação química foi diagramada por Jean Beguin em 1615.

Formação de reação química

Uma equação química consiste nas fórmulas químicas dos reagentes (as substâncias iniciais) e na fórmula química dos produtos (substâncias formadas na reação química). Os dois são separados por um símbolo de seta (→, geralmente lido como "rendimentos") e a fórmula química de cada substância individual é separada das outras por um sinal de mais .

Como exemplo, a equação para a reação de ácido clorídrico com sódio pode ser denotada:

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H
₂

Esta equação seria lida como "dois HCl mais dois Na produzem dois NaCl e H dois". Mas, para equações envolvendo produtos químicos complexos, em vez de ler a letra e seu subscrito, as fórmulas químicas são lidas usando a nomenclatura IUPAC . Usando a nomenclatura IUPAC, esta equação seria lida como "ácido clorídrico mais sódio produz cloreto de sódio e gás hidrogênio ."

Esta equação indica que o sódio e o HCl reagem para formar NaCl e H ₂ . Também indica que duas moléculas de sódio são necessárias para cada duas moléculas de ácido clorídrico e a reação formará duas moléculas de cloreto de sódio e uma molécula diatômica de hidrogênio gasoso para cada duas moléculas de ácido clorídrico e duas de sódio que reagem. Os coeficientes estequiométricos (os números na frente das fórmulas químicas) resultam da lei da conservação da massa e da lei da conservação da carga (consulte a seção "Equilibrando as equações químicas" abaixo para obter mais informações).

Símbolos comuns

Reorganização Baker-Venkataraman

Os símbolos são usados ​​para diferenciar entre diferentes tipos de reações. Para denotar o tipo de reação:

• O símbolo " " é usado para denotar uma relação estequiométrica .${\ displaystyle =}$
• O símbolo " " é usado para denotar uma reação direta.${\ displaystyle \ rightarrow}$
• O símbolo " " é usado para denotar uma reação em ambas as direções.${\ displaystyle \ rightleftarrows}$
• O símbolo " " é usado para denotar um equilíbrio .${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$

O estado físico dos produtos químicos também é comumente declarado entre parênteses após o símbolo químico, especialmente para reações iônicas. Ao indicar o estado físico, (s) denota um sólido, (l) denota um líquido, (g) denota um gás e (aq) denota uma solução aquosa .

Se a reação requer energia, ela é indicada acima da seta. Uma letra grega maiúscula delta ( ) é colocada na seta de reação para mostrar que a energia na forma de calor é adicionada à reação. A expressão é usada como um símbolo para a adição de energia na forma de luz. Outros símbolos são usados ​​para outros tipos específicos de energia ou radiação. ${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle h \ nu}$

Balanceamento de equações químicas

Como pode ser visto na equação CH
₄+ 2 O
₂→ CO
₂+ 2 H
₂O , um coeficiente de 2 deve ser colocado antes do gás oxigênio do lado dos reagentes e antes da água do lado dos produtos para que, de acordo com a lei de conservação da massa, a quantidade de cada elemento não mude durante a reação

P ₄ O ₁₀ + 6 H ₂ O → 4 H ₃ PO ₄
Esta equação química está sendo balanceada multiplicando primeiro H ₃ PO ₄ por quatro para corresponder ao número de átomos P e, em seguida, multiplicando H ₂ O por seis para corresponder aos números de átomos de H e O.

A lei da conservação da massa determina que a quantidade de cada elemento não muda em uma reação química . Assim, cada lado da equação química deve representar a mesma quantidade de qualquer elemento particular. Da mesma forma, a carga é conservada em uma reação química . Portanto, a mesma carga deve estar presente em ambos os lados da equação balanceada .

Um equilibra uma equação química alterando o número escalar de cada fórmula química. Equações químicas simples podem ser equilibradas por inspeção, isto é, por tentativa e erro. Outra técnica envolve a resolução de um sistema de equações lineares .

Equações balanceadas geralmente são escritas com os menores coeficientes de número inteiro. Se não houver coeficiente antes de uma fórmula química, o coeficiente será 1.

O método de inspeção pode ser delineado colocando um coeficiente de 1 na frente da fórmula química mais complexa e colocando os outros coeficientes antes de tudo o mais, de modo que ambos os lados das setas tenham o mesmo número de cada átomo. Se houver algum coeficiente fracionário , multiplique cada coeficiente pelo menor número necessário para torná-los inteiros, normalmente o denominador do coeficiente fracionário para uma reação com um único coeficiente fracionário.

Como exemplo, visto na imagem acima, a queima de metano seria equilibrada colocando um coeficiente de 1 antes do CH ₄ :

1 CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O

Como há um carbono em cada lado da seta, o primeiro átomo (carbono) está equilibrado.

Olhando para o próximo átomo (hidrogênio), o lado direito tem dois átomos, enquanto o lado esquerdo tem quatro. Para equilibrar os hidrogênios, 2 vai na frente do H ₂ O, que produz:

1 CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

A inspeção do último átomo a ser equilibrado (oxigênio) mostra que o lado direito tem quatro átomos, enquanto o lado esquerdo tem dois. Ele pode ser balanceado colocando 2 antes de O ₂ , dando a equação balanceada:

CH ₄ + 2 O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

Essa equação não tem coeficientes na frente de CH ₄ e CO ₂ , uma vez que um coeficiente de 1 é descartado.

Observe que, em algumas circunstâncias, não é correto escrever uma reação balanceada com todos os coeficientes de número inteiro. Por exemplo, a reação correspondente à entalpia de formação padrão deve ser escrita de modo que um mol de um único produto seja formado. Isso muitas vezes exigirá que alguns coeficientes de reagente sejam fracionários, como é o caso com a formação de fluoreto de lítio:

Li (s) + 1 ⁄ 2  F ₂ (g) → LiF (s)

Método Matrix

Geralmente, qualquer equação química envolvendo J moléculas diferentes pode ser escrita como:

${\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {J} \ nu _ {j} R_ {j} = 0}$

onde R _j é o símbolo para a j-ésima molécula e ν _j é o coeficiente estequiométrico para a j-ésima molécula, positivo para produtos, negativo para reagentes (ou vice-versa). Uma equação química devidamente balanceada obedecerá:

${\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {J} a_ {ij} \ nu _ {j} = 0}$

onde a matriz de composição a _ij é o número de átomos do elemento i na molécula j . Qualquer vetor que, quando operado pela matriz de composição produz um vetor zero, é considerado um membro do kernel ou espaço nulo do operador. Qualquer membro ν _j do espaço nulo de a _ij servirá para equilibrar uma equação química envolvendo o conjunto de moléculas J que compõem o sistema. Um vetor estequiométrico "preferido" é aquele para o qual todos os seus elementos podem ser convertidos em inteiros sem divisores comuns por multiplicação por uma constante adequada.

Geralmente, a matriz de composição é degenerada: ou seja, nem todas as suas linhas serão linearmente independentes. Em outras palavras, a classificação ( J _R ) da matriz de composição é geralmente menor que seu número de colunas ( J ). Pelo teorema da nulidade de classificação , o espaço nulo de a _ij terá dimensões JJ _R e este número é chamado de nulidade ( J _N ) de a _ij . O problema de equilíbrio de uma equação química torna-se então o problema de determinar a J _N espaço nulo -dimensional da matriz de composição. É importante notar que apenas para J _N = 1, haverá uma solução única. Para J _N > 1, haverá um número infinito de soluções para o problema de balanceamento, mas apenas J _N deles serão independentes: Se J _N soluções independentes para o problema de balanceamento podem ser encontradas, então qualquer outra solução será uma combinação linear dessas soluções. Se J _N = 0, não haverá solução para o problema de balanceamento.

Técnicas foram desenvolvidas para calcular rapidamente um conjunto de J _N soluções independentes para o problema de balanceamento e são superiores ao método de inspeção e algébrico porque são determinantes e fornecem todas as soluções para o problema de balanceamento.

Equações iônicas

Uma equação iônica é uma equação química na qual os eletrólitos são escritos como íons dissociados . Equações iônicas são usadas para reações de deslocamento simples e duplo que ocorrem em soluções aquosas .

Por exemplo, na seguinte reação de precipitação:

${\ displaystyle {\ ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca (NO3) 2 + 2 AgCl (v)}}}$

a equação iônica completa é:

${\ displaystyle {\ ce {Ca ^ 2 + + 2Cl ^ - + 2Ag + + 2NO3 ^ - -> Ca ^ 2 + + 2NO3 ^ - + 2AgCl (v)}}}$

ou, com todos os estados físicos incluídos:

${\ displaystyle {\ ce {Ca ^ 2 + (aq) + 2Cl ^ - (aq) + 2Ag + (aq) + 2NO3 ^ {-} (aq) -> Ca ^ 2 + (aq) + 2NO3 ^ {-} (aq) + 2AgCl (v)}}}$

Nesta reação, os íons Ca ²⁺ e NO ₃ ^- permanecem em solução e não fazem parte da reação. Ou seja, esses íons são idênticos tanto no lado do reagente quanto no lado do produto da equação química. Como esses íons não participam da reação, eles são chamados de íons de espectador . Uma equação iônica líquida é a equação iônica completa da qual os íons espectadores foram removidos. A equação iônica líquida das reações em processo é:

${\ displaystyle {\ ce {2Cl ^ - + 2Ag + -> 2AgCl (v)}}}$

ou, em forma equilibrada reduzida ,

${\ displaystyle {\ ce {Ag + + Cl ^ - -> AgCl (v)}}}$

Em uma neutralização ou reação ácido / base , a equação iônica líquida geralmente será:

H ⁺ (aq) + OH ^- (aq) → H ₂ O (l)

Existem algumas reações ácido / base que produzem um precipitado além da molécula de água mostrada acima. Um exemplo é a reação do hidróxido de bário com ácido fosfórico , que produz não apenas água, mas também o sal insolúvel de fosfato de bário . Nesta reação, não há íons espectadores, então a equação iônica líquida é a mesma que a equação iônica completa.

${\ displaystyle {\ ce {3Ba (OH) 2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3 (PO4) 2 (v)}}}$

${\ displaystyle {\ ce {{3Ba ^ {2} +} + {6OH ^ {-}} + {6H +}}} + \ underbrace {\ ce {2PO4 ^ {3} -}} _ {\ ce {fosfato }} {\ ce {-> {6H2O} + \ underbrace {Ba3 (PO4) 2 (v)} _ {bário ~ fosfato}}}}$

As reações de duplo deslocamento que apresentam um carbonato reagindo com um ácido têm a equação iônica líquida:

${\ displaystyle {\ ce {2H +}} + \ underbrace {{\ ce {CO3 ^ 2-}}} _ {{\ ce {carbonato}}} {\ ce {-> H2O + CO2 (^)}}}$

Se cada íon for um "íon espectador", não houve reação e a equação iônica líquida é nula.

Geralmente, se z _j é o múltiplo da carga elementar na j-ésima molécula, a neutralidade de carga pode ser escrita como:

${\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {J} z_ {j} \ nu _ {j} = 0}$

onde o ν _j são os coeficientes estequiométricos descritos acima. O z _j podem ser incorporados como uma linha adicional na um _ij matriz descrito acima, e uma equação iónico adequadamente equilibrada irá então também obedecem:

${\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {J} a_ {ij} \ nu _ {j} = 0}$

Referências