لماذا يجب وزن المعادلة الكيميائية؟

تعتبر موازنة المعادلات الكيميائية إجراءً حتميًّا عند دراسة أحد فروع الكيمياء أو التعامل مع مجالاتها، لكن لماذا يجب وزن المعادلة الكيميائية؟

المعادلة الكيميائية هي عبارة عن تمثيل رمزي للتفاعل الكيميائي، حيث يتم كتابة العناصر المتفاعلة على اليسار والمنتجات على اليمين ، ويجب وزن المعادلة الكيميائية مراعاةً لقانون حفظ الكتلة الذي ينص على عدم إمكانية إنشاء الذرات أو تدميرها في التفاعل الكيميائي، أي يجب أن يتساوى عدد الذرات الداخل في التفاعل مع عدد الذرات الخارج من التفاعل.

تكون المعادلة متوازنة عندما يكون عدد ذرات كل عنصر من العناصر الداخلة في التفاعل وتكون الشحنة الإجمالية لها متساوية في كل من المواد المتفاعلة والمواد الناتجة؛ أي بعبارة أسهل، عندما تكون كلًا من الشحنة والكتلة متساوية  في طرفي المعادلة الكيميائية، فالأمر يشبه الميزان غير المتوازن، حيث أحد أطرافه وزنه أكبر من الآخر، ووفق قانون حفظ الكتلة (أو قانون لافوازييه) الذي ينص على أن كتل المواد المتفاعلة تساوي كتل المواد الناتجة، وعلى أن الطاقة لا تستحدث ولا تفنى ولا تخلق من العدم.

ويمكنك موازنة المعادلة من خلال القيام ببعض الخطوات البسيطة، وهي:

اجمع عدد الذرات والشحنات لجميع العناصر الكيميائية في كل طرف على حدا.

إذا كانت متساوية بين الطرفين، المعادلة متوازنة ولا تحتاج إلى تعديل، أما إذا كانت غير متساوية، فأنت بحاجة إلى أن تساويها من خلال ضرب العنصر (وضع العدد أمام العنصر) بالعدد اللازم لكي يساوي الطرف الآخر، وقد تحتاج إلى استخدام أرقام كبيرة.

إذا كانت كان هناك مركب من عنصرين أو أكثر أحدها غير متوزان، يجب ضرب كلا العنصرين أو كامل المركب بالرقم المناسب لكي يتساوى العنصر في طرفي المعادلة.

كتابة الصيغ الكيميائية للعناصر الداخلة في التفاعل والناتجة عن التفاعل بعد معرفة الرموز التي تمثل هذه العناصر، ونكتب العناصر الداخلة في التفاعل على جهة اليسار والنواتج على جهة اليمين.

يجب إحصاء عدد ذرات كل عنصرٍ داخل أو ناتج عن التفاعل، إذا لم تكن الذرات متساوية يجب القيام بوزن المعادلة الكيميائية حتى تتساوى الذرات الداخلة مع الناتجة من التفاعل.

يجب إجراء التعديل المناسب على المعادلة ليتساوى عدد ذرات الطرفين حيث تبدأ بأول عنصر وتوازن ذراته في الطرفين، ثم تنتقل إلى العنصر التالي وهكذا…

يجب التحقق من صحة النتائج التي وصلت إليها بعد التعديل.

كرر هذه الطريقة حتى تصل إلى معادلة متوازنة، ثم تحقق من صحة العمليات الحسابية التي قمت بها.

ويوجد مواقع خاصة على شبكة الإنترنت تساعدك حين تفشل بالموازنة، وكما يوجد العديد من الحيل التي قد تسهل الموازنة، مثل تقسيم جميع أطراف المعادلة على عدد يقبل القسمة عليها جميعها، وذلك يجعل المعادلة أبسط وأسهل. وبالقيام بموازنة التفاعلات الكيميائية يمكنك أن تصل إلى الكميات الصحيحة واللازمة لإجراء التفاعل.

 لدينا المعادلة التالية تفاعل غاز الميتان CH4 مع الأكسجين O2  والذي ينتج عنه الماء H2O وغاز ثاني أكسيد الكربون CO2.

بالنظر إلى المعادلة  نجد ان ذرات الكربون متساوية لكن يوجد أربع ذرات هيدروجين وذرتي أوكسجين في الطرف الأول يقابلها ذرتا هيدروجين وثلاثة أكسجين في الطرف الثاني

وبعد أن نقوم بموازنة المعادلة ونضع المعامل 2 قبل مركب الماء وبالنظر إليها نجد أن الأكسجين أيضًا بحاجة إلى موازنة فنضع العامل 2 قبل الأكسجين وبذلك يتحق توازن المعادلة وتصبح على الشكل التالي

عملًا بقانون حفظ الكتلة الكيميائي، والذي ينص على أنّ المادة لا تنشأ ولا تفنى بشكل اعتباطيٍّ في نظامٍ مغلق، بل تتحوّل من شكلٍ لآخر، فيجب أن تتساوى كمية عناصر المادة قبل وبعد التجربة، وإجراء التفاعل على حدٍّ سواء.

اكتشف أنطوان لوران لافوازييه، أنّ المادة لا يمكن تكوينها أو تدميرها، ولا تتغير كمية ذرات أي عنصرٍ يدخل في التفاعل الكيميائي؛ فالهدف هو الحصول على نفس العدد من كلّ نوعٍ من الذرات على جانبي المعادلة، لتُمثّل المعادلة ما يحدث خلال التفاعل الكيميائي بدقةٍ، ممّا يمكنك أيضًا، من التنبؤ بكميّة المواد المتفاعلة المطلوبة وكمية المنتجات المتكوّنة، وهو ما ستحتاج لمعرفته في بعض جوانب العمل مثل تقدير كمية الوقود اللازمة لقطع مسافة محددة.

إليك هذا المثال، يتفاعل الميتان CH4 والأكسجين O2، في تفاعل احتراقٍ، ينتج عنه غاز ثاني أكسيد الكربون CO2، والماء H2O، كما يلي:

معادلة تفاعل الميتان والأكسجين

من أجل موازنة المعادلة، يجب عليك تغيير كميات المواد المتفاعلة والمنتجات، حسب الضرورة، فلا بدّ أن يتساوى عدد ذرات كلٍّ من الكربون والهيدروجين والأكسجين، بين يمين ويسار المعادلة، وهذا ما تحققه ذرات الكربون. أمّا ذرات الهيدروجين، فلا بدّ من المضاعفة بـ 2 أمام الماء، وبذلك يتبقى الأكسجين الذي أصبح عدد ذراته الناتجة أكبر من المتفاعلة، فنضع المعامل 2 أمام O2   لتصبح المعادلة الكيميائية متوازنة الآن، كما يلي:

فحتى لو امتلكت المعادلة العناصر والكميّات الصحيحة، فلا بدّ من موازنتها، وإلّا فتُعرف بالمعادلات الهيكليّة، ولا يمكن استخدامها في حساب التفاعلات الكيميائية، فيجب أن تكون المعادلات الكيميائية متوازنةً لتلبية قانون حفظ المادة، والذي ينصّ على أنّه في نظامٍ مغلقٍ لا يتمّ إنشاء أو تدمير المادة.

وهكذا نكون عرفنا أن أي معادلة كيميائية تتكون من مواد تتفاعل مع بعضها ضمن شروط معينة تسمى بالمواد المتفاعلة، ومواد مختلفة ناتجة عن هذه التفاعلات تسمى بالمواد الناتجة، يفصل بينهما سهم يتجه من المواد المتفاعلة إلى المواد الناتجة، يحدث ضمن عملية التفاعل تغيير كيميائي حيث يتم إعادة ترتيب ذرات المواد المتفاعلة لإعطاء نواتج، وهذا يعني أن الذرات تخضع لقانون حفظ الكتلة أي أن الذرات لا تفنى ولا تخلق من العدم بل تبقى نفسها لكن يتم ترتيبها أو ربطها بطرق مختلفة.