Cân bằng hóa học là gì? Cân bằng phương trình hóa học?

1. Cân bằng hóa học:

1.1. Cân bằng hóa học là gì? 

Cân bằng hóa học là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực hóa học, mô tả sự cân bằng giữa các chất và phản ứng hóa học trong một hệ thống. Khi một phản ứng hóa học xảy ra, các chất tham gia (hay còn gọi là phản ứng) tương tác với nhau để tạo ra các chất mới (hay còn gọi là sản phẩm). Cân bằng hóa học xảy ra khi tỷ lệ số mol của các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng là cố định và không thay đổi theo thời gian.

Cân bằng hóa học được mô tả bằng phương trình hóa học, trong đó các chất tham gia được biểu diễn bên trái mũi tên và các sản phẩm được biểu diễn bên phải mũi tên. Các hệ số trước các chất chỉ ra tỷ lệ số mol của chúng trong phản ứng. Ví dụ, phương trình cân bằng hóa học sau đây:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Trong phản ứng trên, 2 phân tử hidro (H₂) và một phân tử oxi (O₂) tương tác với nhau để tạo ra 2 phân tử nước (H₂O). Sự cân bằng hóa học được thể hiện bởi việc số mol của hidro và oxi trước và sau phản ứng không thay đổi.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học:

– Nhiệt độ: Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Tăng nhiệt độ có thể làm tăng tốc độ phản ứng và thay đổi hệ số cân bằng trong phương trình hóa học.

– Áp suất: Áp suất cũng có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, đặc biệt đối với các phản ứng chất khí. Tăng áp suất có thể thúc đẩy phản ứng và thay đổi tỷ lệ số mol của các chất trong phản ứng.

– Nồng độ chất tham gia: Nồng độ chất tham gia trong phản ứng cũng có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Thay đổi nồng độ chất tham gia có thể thay đổi tỷ lệ số mol của các chất và ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng.

– Sự hiện diện của chất xúc tác: Chất xúc tác có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học bằng cách tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác không tham gia vào phản ứng, nhưng có thể thay đổi cơ chế phản ứng và giúp đạt được sự cân bằng nhanh hơn.

– Sự hiện diện của chất phụ gia: Một số chất phụ gia có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học bằng cách tạo ra các sản phẩm phụ hoặc ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Chúng có thể tác động đến cân bằng phản ứng bằng cách giảm hoặc tăng tỷ lệ số mol của các chất tham gia và sản phẩm.

– Điều kiện môi trường: Điều kiện môi trường như pH, dung dịch hoặc chất dung môi có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Chúng có thể thay đổi cấu trúc và tính chất của các chất tham gia và sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng.

Sự thay đổi các yếu tố này có thể làm thay đổi hệ số cân bằng trong phương trình hóa học, từ đó làm thay đổi tỷ lệ số mol của các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng. Để duy trì cân bằng hóa học trong điều kiện thay đổi, hệ thống sẽ điều chỉnh tỷ lệ phản ứng của các chất để đạt đến trạng thái cân bằng mới.

Lưu ý rằng mỗi phản ứng hóa học có các yếu tố ảnh hưởng riêng, và các yếu tố này có thể tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau. Để hiểu rõ hơn về cân bằng hóa học trong một phản ứng cụ thể, cần phân tích và nghiên cứu cẩn thận các yếu tố tương quan.

2. Cân bằng phương trình hóa học là gì?

Cân bằng phương trình hóa học là quá trình điều chỉnh số lượng chất tham gia và chất sản phẩm trong một phản ứng hóa học để đảm bảo đúng định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn nguyên tố. Theo định luật bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng của các chất tham gia phải bằng tổng khối lượng của các chất sản phẩm. Theo định luật bảo toàn nguyên tố, số nguyên tử của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng phải bằng nhau. Để cân bằng phương trình hóa học, ta cần thay đổi các hệ số của các chất tham gia và chất sản phẩm sao cho cùng số lượng từng loại nguyên tử ở cả hai vế của phương trình. Các chỉ số dưới của các nguyên tử trong công thức hợp chất không được thay đổi. Có nhiều cách cân bằng phương trình hóa học, như cân bằng theo nguyên tử nguyên tố, cân bằng theo trình tự kim loại – phi kim, cân bằng theo hệ số phân số, cân bằng theo đại số, cân bằng theo ion – electron, v.v..

3. Các cách cân bằng phương trình hóa học:

3.1. Cân bằng phương trình hóa học theo nguyên tử nguyên tố:

Đây là cách đơn giản nhất, chỉ cần so sánh số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế và thêm hệ số phù hợp để cân bằng. Để cân bằng một phương trình hóa học, ta cần thực hiện các bước sau:

– Viết phương trình hóa học chưa cân bằng với các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng.

– Đếm số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm.

– Chọn một hệ số cho mỗi chất sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố bên trái bằng số nguyên tử của nguyên tố đó bên phải.

– Kiểm tra lại xem phương trình đã cân bằng chưa. Nếu chưa, điều chỉnh lại các hệ số cho đến khi cân bằng.

– Viết lại phương trình hóa học đã cân bằng với các hệ số phù hợp.

3.2. Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp chẵn lẻ:

Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp chẵn lẻ là một cách đơn giản và hiệu quả để giải quyết những trường hợp phức tạp. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng các số chẵn và lẻ để thay đổi hệ số của các chất tham gia và sản phẩm trong phương trình. Các bước thực hiện như sau:

– Bước 1: Viết phương trình hóa học chưa cân bằng, ghi rõ các nguyên tố và số nguyên tử của chúng ở hai vế.

– Bước 2: Chọn một nguyên tố có số nguyên tử lẻ ở một vế và chẵn ở vế kia, gọi là nguyên tố chính. Nếu không có nguyên tố nào thỏa mãn, chọn một nguyên tố có số nguyên tử khác nhau ở hai vế, gọi là nguyên tố phụ.

– Bước 3: Nhân hệ số của chất chứa nguyên tố chính (hoặc phụ) ở vế ít hơn bằng số nguyên tử của nguyên tố đó ở vế nhiều hơn, và ngược lại. Sau đó, kiểm tra lại số nguyên tử của các nguyên tố khác, nếu cân bằng thì dừng lại, nếu không thì tiếp tục bước 4.

– Bước 4: Nếu số nguyên tử của một nguyên tố nào đó vẫn chưa cân bằng, lặp lại bước 2 và 3 cho đến khi cân bằng được tất cả các nguyên tố. Cuối cùng, rút gọn hệ số nếu có thể.

3.3. Cân bằng phương trình hóa học theo nguyên tố chung nhất:

Đây là cách dùng cho các phương trình có nhiều chất tham gia và sản phẩm. Cách làm là chọn ra nguyên tố xuất hiện nhiều nhất trong phương trình, rồi cân bằng số nguyên tử của nó trước, sau đó cân bằng các nguyên tố khác.

Để cân bằng phương trình hóa học theo nguyên tố chung nhất, ta có thể áp dụng phương pháp đại số. Phương pháp này dựa trên việc thiết lập các hệ số cho các nguyên tố trong phương trình, sau đó giải hệ phương trình để tìm ra các hệ số cân bằng. Ví dụ, xét phương trình sau:

C + O2 -> CO2

Ta có thể gán các hệ số a, b, c cho các nguyên tố C, O, CO2 trong phương trình, sao cho:

aC + bO2 -> cCO2

Sau đó, ta viết các phương trình theo số mol của mỗi nguyên tố:

a = c (số mol C bằng nhau ở hai vế)

2b = 2c (số mol O bằng nhau ở hai vế)

Từ đó, ta giải ra được a = b = c = 1. Do đó, phương trình cân bằng là:

C + O2 -> CO2

3.4. Cân bằng phương trình hóa học theo nguyên tố tiêu biểu:

Đây là cách dùng cho các phương trình có một nguyên tố chỉ xuất hiện ở một vế. Cách làm là chọn ra nguyên tố đó, rồi cân bằng số nguyên tử của nó trước, sau đó cân bằng các nguyên tố khác.

Để cân bằng phương trình hóa học, ta cần tuân theo các bước sau:

– Viết phương trình hóa học chưa cân bằng, ghi rõ các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng.

– Xác định số nguyên tử của mỗi nguyên tố tiêu biểu (như H, O, N, C, S…) ở hai vế của phương trình.

– Chọn một nguyên tố tiêu biểu để bắt đầu cân bằng. Thường thì ta chọn nguyên tố có số nguyên tử khác nhau nhiều nhất ở hai vế.

– Đặt hệ số cho các chất chứa nguyên tố đó sao cho số nguyên tử của nguyên tố đó bằng nhau ở hai vế. Hệ số là số nguyên dương đặt trước công thức của chất.

– Lặp lại bước trên cho các nguyên tố tiêu biểu khác, cho đến khi số nguyên tử của tất cả các nguyên tố tiêu biểu bằng nhau ở hai vế.

– Kiểm tra lại phương trình đã cân bằng chính xác hay chưa. Nếu có thể, rút gọn các hệ số cho nhỏ nhất có thể.

3.5. Cân bằng phương trình hóa học phản ứng cháy của chất hữu cơ:

Đây là cách dùng cho các phương trình có chất hữu cơ (chứa C, H, O) tham gia phản ứng cháy với O2 để tạo ra CO2 và H2O. Cách làm là cân bằng số nguyên tử C trước, rồi đến H, cuối cùng là O.

Để cân bằng phương trình hóa học phản ứng cháy của chất hữu cơ, ta cần tuân theo các bước sau:

– Xác định công thức phân tử của chất hữu cơ và ghi nó ở bên trái của phương trình.

– Ghi các sản phẩm của phản ứng cháy là nước (H2O) và khí cacbon đioxit (CO2) ở bên phải của phương trình.

– Cân bằng số nguyên tử cacbon ở hai bên bằng cách nhân hệ số cho CO2.

– Cân bằng số nguyên tử hiđro ở hai bên bằng cách nhân hệ số cho H2O.

– Cân bằng số nguyên tử oxy ở hai bên bằng cách nhân hệ số cho O2 (khí oxy) ở bên trái của phương trình.

– Kiểm tra lại xem có thể rút gọn hệ số hay không và viết phương trình hoàn chỉnh.

Ví dụ: Cân bằng phương trình hóa học phản ứng cháy của metan (CH4):

CH4 + O2 -> H2O + CO2

– Cân bằng số nguyên tử cacbon: CH4 + O2 -> H2O + 1CO2

– Cân bằng số nguyên tử hiđro: CH4 + O2 -> 2H2O + CO2

– Cân bằng số nguyên tử oxy: CH4 + 2O2 -> 2H2O + CO2

– Không thể rút gọn hệ số nên phương trình hoàn chỉnh là: CH4 + 2O2 -> 2H2O + CO2

3.6. Cân bằng phương trình hóa học theo phản ứng cháy của hợp chất chứa O:

Đây là cách dùng cho các phương trình có hợp chất chứa O (như SO2, NO2, CO) tham gia phản ứng cháy với O2 để tạo ra sản phẩm khác. Cách làm là cân bằng số nguyên tử O trước, rồi đến các nguyên tố khác.

Để cân bằng phương trình này, ta cần tuân theo các bước sau:

– Xác định các nguyên tố và hợp chất tham gia phản ứng. Ví dụ, nếu ta có phản ứng cháy của metan (CH4) với oxi (O2), thì ta có các nguyên tố C, H, O và hợp chất CH4, O2, CO2, H2O.

– Viết công thức phân tử của các chất tham gia và sản phẩm. Ví dụ, ta có CH4 + O2 -> CO2 + H2O.

– Đặt hệ số cho các chất sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố bên trái bằng số nguyên tử của nguyên tố đó bên phải. Ví dụ, ta có CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O.

– Kiểm tra lại xem phương trình đã cân bằng hay chưa. Nếu cân bằng, thì dừng lại. Nếu chưa cân bằng, thì điều chỉnh lại hệ số cho đến khi cân bằng.

3.7. Cân bằng phương trình hóa học theo bản chất hóa học của phản ứng:

Đây là cách dùng cho các phương trình có nhiều loại phản ứng xảy ra đồng thời, như phản ứng oxi hoá – khử, phản ứng axit – bazơ, phản ứng trao đổi ion… Cách làm là xác định bản chất của từng loại phản ứng, rồi áp dụng các quy tắc riêng để cân bằng.

Cân bằng phương trình hóa học là quá trình đặt hệ số nhân trước các chất tham gia và sản phẩm để bảo toàn nguyên tố, nguyên tử và điện tích trong phản ứng. Để cân bằng phương trình hóa học theo bản chất hóa học của phản ứng, ta cần xác định loại phản ứng (ví dụ: oxi hóa khử, trao đổi ion, …) và áp dụng các quy tắc cụ thể cho từng loại. Một số quy tắc chung có thể áp dụng cho mọi loại phản ứng là: 

– Bắt đầu với các chất đơn chất, sau đó là các chất phức tạp hơn.

– Cân bằng các nguyên tố xuất hiện ít nhất trước, sau đó là các nguyên tố xuất hiện nhiều hơn.

– Cân bằng các ion có điện tích cao trước, sau đó là các ion có điện tích thấp hơn.

– Nếu cần, sử dụng số thập phân hoặc phân số để cân bằng các hệ số nhân.

– Kiểm tra lại kết quả bằng cách đếm số nguyên tử và điện tích của mỗi nguyên tố ở hai vế của phương trình.

3.8. Cân bằng phương trình hóa học theo trình tự kim loại – phi kim:

Đây là cách dùng cho các phương trình có nhiều nguyên tố khác nhau. Cách làm là cân bằng theo thứ tự ưu tiên của các nguyên tố, từ kim loại đến phi kim, rồi đến Hidro và Oxi. Để cân bằng phương trình hóa học theo trình tự kim loại – phi kim, ta có thể áp dụng các bước sau:

– Bước 1: Viết phương trình hóa học chưa cân bằng với các chất tham gia và sản phẩm.

– Bước 2: Xác định số nguyên tử của mỗi nguyên tố bên trái và bên phải của phương trình.

– Bước 3: Bắt đầu cân bằng từ các nguyên tố kim loại, sau đó đến các nguyên tố phi kim, cuối cùng là oxy và hydro. Để cân bằng, ta có thể thêm các hệ số vào trước các công thức chất.

– Bước 4: Kiểm tra lại số nguyên tử của mỗi nguyên tố bên trái và bên phải của phương trình. Nếu số nguyên tử bằng nhau, phương trình đã cân bằng. Nếu không, quay lại bước 3 và điều chỉnh các hệ số cho phù hợp.

3.9. Cân bằng phương trình hóa học theo hóa trị tác dụng: 

Đây là cách dùng cho các phương trình có nhiều chất phản ứng và sản phẩm có hóa trị khác nhau. Cách làm là xác định hóa trị của các chất, rồi dùng công thức chéo để cân bằng.

Để cân bằng được phương trình:

– Ta cần biết các nguyên tố và hợp chất tham gia phản ứng, cũng như số hóa trị của chúng. Số hóa trị cho biết khả năng kết hợp của một nguyên tố với các nguyên tố khác. 

– Có thể dùng bảng tuần hoàn để tra cứu số hóa trị của các nguyên tố. 

– Sau đó, ta sử dụng phương pháp đại số để tìm ra các hệ số cân bằng sao cho tổng số nguyên tử của mỗi loại nguyên tố bên trái và bên phải phương trình bằng nhau. 

– Cuối cùng, ta kiểm tra lại kết quả bằng cách đếm số nguyên tử và so sánh với dữ liệu ban đầu.

Ví dụ: Cân bằng phương trình hóa học sau theo hóa trị tác dụng:

Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu

Bước 1: Xác định hóa trị tác dụng của các nguyên tố trong phương trình:

Fe: +2 hoặc +3 (tùy thuộc vào trạng thái oxy hóa)

Cu: +2

S: +6

O: -2

Bước 2: Chọn một giá trị cho hóa trị tác dụng của Fe, ví dụ +2. Sau đó tính số electron mà Fe cho đi và Cu nhận được trong phản ứng:

Fe: cho đi 2 electron

Cu: nhận được 2 electron

Bước 3: So sánh số electron cho đi và nhận được ở hai vế. Nếu bằng nhau, thì phương trình đã cân bằng. Nếu không, thì điều chỉnh hệ số của các chất sao cho bằng nhau.

Trong ví dụ này, số electron cho đi và nhận được ở hai vế đã bằng nhau, nên ta không cần điều chỉnh gì. Phương trình đã cân bằng là:

Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu

3.10. Cân bằng phương trình hóa học theo hệ số phân số:

Để cân bằng phương trình hóa học theo hệ số phân số, ta cần thực hiện các bước sau:

– Viết phương trình hóa học chưa cân bằng, ghi rõ công thức của các chất tham gia và sản phẩm.

– Xác định số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm.

– Chọn một nguyên tố có số nguyên tử khác nhau ở hai vế của phương trình, gọi là nguyên tố cần cân bằng.

– Nhân các công thức của các chất tham gia và sản phẩm với các hệ số phân số sao cho số nguyên tử của nguyên tố cần cân bằng bằng nhau ở hai vế của phương trình. Các hệ số phân số có thể được tìm ra bằng cách giải một hệ phương trình đại số hoặc bằng cách dùng phương pháp thử và sai.

– Lặp lại bước trên cho đến khi tất cả các nguyên tố đều cân bằng ở hai vế của phương trình.

– Rút gọn các hệ số phân số nếu có thể, để được các hệ số nguyên nhỏ nhất.

3.11. Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp đại số:

Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp đại số là một cách để tìm ra hệ số của các chất tham gia và sản phẩm trong một phản ứng hóa học. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc bảo toàn nguyên tử, tức là số lượng nguyên tử của mỗi loại nguyên tố phải bằng nhau ở hai vế của phương trình. Để cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp đại số, ta có thể thực hiện các bước sau:

– Gán một biến cho hệ số của mỗi chất trong phương trình, ví dụ a, b, c, d…

– Viết các phương trình đại số cho số lượng nguyên tử của mỗi loại nguyên tố ở hai vế, ví dụ 2a = b + 2c cho nguyên tố H.

– Giải hệ phương trình đại số để tìm ra giá trị của các biến.

– Thay các giá trị của các biến vào phương trình hóa học ban đầu để được phương trình đã cân bằng.

3.12. Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp cân bằng electron:

Cân bằng phương trình hóa học theo phương pháp cân bằng electron là một cách để giải quyết các phản ứng xảy ra trong dung dịch nước. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng số oxi hóa của các nguyên tố để xác định số electron bị nhận hoặc cho trong quá trình phản ứng. Các bước thực hiện phương pháp này như sau:

– Viết phương trình hóa học chưa cân bằng, chỉ ghi các công thức phân tử của các chất tham gia và sản phẩm.

– Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm.

– Tách phương trình thành hai nửa phương trình, một cho quá trình nhận electron (nửa phương trình khử) và một cho quá trình cho electron (nửa phương trình oxi hóa).

– Cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong mỗi nửa phương trình, ngoại trừ oxy và hydro.

– Cân bằng số nguyên tử oxy bằng cách thêm H2O vào bên thiếu oxy.

– Cân bằng số nguyên tử hydro bằng cách thêm H+ vào bên thiếu hydro.

– Cân bằng số electron bằng cách nhân mỗi nửa phương trình với một hệ số sao cho tổng số electron nhận và cho bằng nhau.

– Cộng hai nửa phương trình lại với nhau để được phương trình hóa học đã cân bằng.

– Nếu dung dịch là kiềm, cộng thêm OH- vào hai vế của phương trình để loại bỏ H+.

Các cách cân bằng phương trình hóa học trên đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng loại phương trình mà chọn cách thích hợp. Ngoài ra, để cân bằng phương trình hóa học nhanh và chính xác, các bạn cần nắm vững kiến thức về nguyên tố, hợp chất, hóa trị, số oxi hoá… và luyện tập nhiều bài tập để rèn luyện kỹ năng.