خطوات الحسابات الكيميائية مهمة للغاية. عندما تكتب معادلة كيميائية متوازنة، تبدو وصفة ملفات تعريف الارتباط مثل ملف تعريف الارتباط برقائق الشوكولاتة، فهي تعرض الكواشف (المكونات) التي تتحد لتشكيل المنتجات (ملفات تعريف الارتباط) وتُظهر العلاقات العددية بين الكواشف والمنتجات (مثل عدد الأكواب. مطلوب لعمل مجموعة من ملفات تعريف الارتباط)، وهذا ما يسمى الرياضيات الكيميائية (حسابات كيميائية).
مفهوم الحسابات الكيميائية
عندما يتم إجراء التفاعل لأول مرة، لا يُعرف الكثير عن الطبيعة المجهرية للمنتجات، لذلك من الضروري تحديد تكوين ونوع المادة المصنعة حديثًا بشكل تجريبي. فيما يتعلق بهذه البيانات كنسبة مئوية من التوليف، فإن المعادلات الكيميائية هي تمثيلات رمزية للتغيرات الكيميائية والفيزيائية، وأنواع المواد الخاضعة للتغيير (المواد المتفاعلة) والمواد المعرضة للتغيير (منتجات التفاعل) مفصولة بسهم ويسبقها أعداد صحيحة تشير عددهم النسبي.
معادلات التوازن هي معادلات تؤدي معاملاتها إلى عدد متساوٍ من الذرات لكل عنصر من العناصر المتفاعلة والنواتج. يمكن استخدام معادلة كيميائية متوازنة لوصف قياس العناصر المتكافئة (العلاقات بين كميات الكواشف والمنتجات) ويتم استخدام المعاملات من المعادلة لاشتقاق العوامل المتكافئة التي يمكن استخدامها لاحقًا لربط حسابات كتلة المواد.
خطوات الحساب الكيميائي
للحصول على معادلة كيميائية مناسبة، من الضروري معرفة كيفية كتابة معادلة كيميائية ويتم ذلك باتباع الخطوات الرئيسية التالية:[2]
- اكتب معادلة خطية للتفاعل الكيميائي: أي أن المعادلة مكتوبة كنص على سبيل المثال: ينتج الماء عن طريق تفاعل ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة، ذرتان
- قم بتحويل المعادلة الخطية إلى رموز: بعد ذلك ستكتب المعادلة غير المتوازنة باستخدام الرموز الكيميائية الصحيحة لجميع المواد المتفاعلة والمنتجات على سبيل المثال: بالنسبة للمعادلة السابقة، يحتوي الهيدروجين على الرمز H والعنصر الأكسجين له الرمز O، لذلك تكتب المعادلة H2O → H2 + O2
- موازنة المعادلة عن طريق التحقق: هدف التوازن للمعادلة مكافئ لكلا الجانبين، أي يجب أن يكون عدد الأشخاص في المعادلة الذين يدخلون مساوياً لعدد الأشخاص في المعادلة بعد التفاعل، بمعنى أكثر دقة، لديك للتأكد من ظهور نفس العدد من كل نوع من الذرات على جانبي المعادلة، على سبيل المثال موازنة معادلة المياه: 2H2O 2H2 + O2.
- اكتب رمز الحالة بعد كل رمز كيميائي: يتم ذلك باستخدام الرموز المخصصة لكل عنصر أو رمز تفاعل، مثل الحرارة على سبيل المثال: + تُستخدم لفصل كاشف أو منتج عن الآخر.
فوائد الحسابات الكيميائية
بعد التعرف على خطوات الحسابات الكيميائية، من المهم أن تعرف أن المعادلة الكيميائية تمنحك المعلومات الأساسية حول تفاعل كيميائي. فيما يلي أهم فوائد الحسابات الكيميائية:
المساهمة في فهم طبيعة المفاعلات
تساعد المعادلات الكيميائية على فهم طبيعة المواد الكيميائية التي تتفاعل وتشكل معادلة تسهل على متلقي المعلومات فهم المواد الكيميائية الناتجة بمعنى أكثر دقة، مما يساعد على تحليل المعادلة إلى رموز تسهل المعلومات لفهم طبيعة كل مادة على حدة.
يساعد على معرفة كميات الكواشف والمنتجات
تساعد المعادلة الكيميائية في معرفة الحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة والمنتجات (على سبيل المثال، الصلبة والسائلة والغازية والمائية)، عندما يتم إجراء التفاعلات باستخدام كميات أقل من الكواشف المتكافئة، سيتم تحديد كمية المنتج الناتج عن طريق النوع المحدد. الكاشف وكمية المنتج الناتج عن التفاعل الكيميائي هو ناتجها الفعلي، والذي غالبًا ما يكون أقل من كمية المنتج التي تنبأ بها القياس المتكافئ للمعادلة الكيميائية المتوازنة التي تمثل التفاعل (العائد النظري)، ودرجة يولد التفاعل يتم التعبير عن المقدار النظري كنسبة مئوية من المحصول.
يساعد في قياس العناصر الكيميائية للتفاعل
يمكن استخدام معادلة كيميائية متوازنة لوصف قياس العناصر المتفاعلة (العلاقات بين كميات المواد المتفاعلة والمنتجات)، تُستخدم المعاملات من المعادلة لاشتقاق العوامل المتكافئة التي يمكن استخدامها لاحقًا لحساب كتل الكواشف والمنتجات، وكميات الخط والكميات الأخرى الخصائص.
تساعد المعادلة الكيميائية في تحديد النسبة المئوية للكتلة الدقيقة للمحلول
لتحديد محلول بدقة، يجب أن نحدد تركيزه: كمية المذاب في كمية معينة من المذيب. تستخدم كلمات مثل مخفف أو مركّز لوصف المحاليل التي تحتوي على مادة مذابة أكثر أو أقل، ولكن هذه مصطلحات نسبية تعتمد معانيها على عوامل مختلفة، تُعرف على أنها نسبة الكتلة مع 100.
تساعد المعادلة الكيميائية على معرفة تركيز المحاليل
عادة ما يتم التعبير عن تركيزات المحلول على شكل مولات ويمكن تحضيرها عن طريق إذابة كتلة معروفة من المذاب في مذيب أو تمييع مخزون من المحلول. هو عدد مولات المذاب في لتر واحد من المحلول.
موازنة الحسابات الكيميائية
عادةً ما تقوم بموازنة ذرات H (الهيدروجين) أولاً، تليها ذرات O (الأكسجين)، ثم أي ذرات أخرى. فيما يلي أهم الأشياء التي يجب مراعاتها عند موازنة معادلة كيميائية:
- عليك أن تبدأ بموازنة الجزيء الأكثر تعقيدًا.
- لا تقم أبدًا بتغيير الرمز الكيميائي للمادة، ولا الرموز الموجودة في الرموز الكيميائية التي تتفاعل، ولا حتى الرموز الناتجة.
- اضرب الرقم الموجود أمام الصيغة في كل رمز يتبعها.
- لا يمكن تكوين الذرات أو تدميرها في تفاعل كيميائي (أي أنها لا “تأكل” أي رمز كيميائي).
لإجراء العمليات الحسابية الكيميائية، يجب أن نجد المعادلة الرمزية
لإجراء الحسابات الكيميائية، نحتاج إلى إيجاد المعادلة الرمزية أو التمثيل الرمزي للتفاعل الكيميائي، والكواشف (المواد الخام) المكتوبة على اليسار ومنتجات المعادلة الكيميائية (المواد التي تظهر بعد التفاعل الكيميائي) هي مكتوب على اليمين، أما بالنسبة للأرقام المجاورة لرموز الكيان فهي تشير إلى عدد مولات مادة منتجة أو مستخدمة في تفاعل كيميائي. يجب مراعاة ما يلي عند تنفيذ هذه المعادلة:[4]
- الكواشف مكتوبة على اليسار والمنتجات على اليمين.
- تشير المعاملات الموجودة بجانب رموز الكيان إلى عدد مولات مادة ما يتم إنتاجها أو استخدامها في تفاعل كيميائي.
- يتم فصل الكواشف والمنتجات بواسطة سهم وعادة ما تُقرأ بصوت عالٍ على أنها “ثقافات”.
- يجب أن تحتوي المعادلات الكيميائية على معلومات حول خصائص الحالة للمنتجات والمواد المتفاعلة سواء كانت مائية (مذابة في الماء – مائي)، مواد صلبة (مواد)، سوائل (لترات) أو حتى غازات (حجم).
تستند الحسابات الكيميائية على
تعتمد الحسابات الكيميائية على قانون حفظ الكتلة، وينص قانون حفظ الكتلة على أن الذرات لا تُفقد أو تُصنع في تفاعل كيميائي، بل تتجمع بطرق مختلفة لتشكيل المواد التي تنتج عن التفاعل، لذلك في الرمز التوازن عدد ذرات كل عنصر هو نفسه على جانبي المعادلة، ما لم يتم فقد الذرات أو صنعها في تفاعل كيميائي، يكون مجموع كتل المنتجات مساويًا للكتلة الكلية للمتفاعلات، ويكون المجموع من الكتل النسبية للمواد المتفاعلة يتوافق مع مجموع الكتل النسبية للمنتجات، على سبيل المثال، يمكن للحسابات باستخدام قانون حفظ الكتلة حساب كتلة مادة ما في التفاعل إذا كانت كتل المواد الأخرى معروفة، مثال: تتكون كربونات الكالسيوم من 28 جرامًا من أكسيد الكالسيوم و 22 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل منها كربون.