Harjoituksia

Nestekaasu on propaanin ja butaanin seos. Hiilivetyjen palaessa puhtaasti muodostuu hiilidioksisia ja vettä.

Propaani: $\mathrm{C_3H_8 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow CO_2 \ (g) + H_2O \ (g)}$

Aakkosjärjestyksessä CHO ensimmäinen vaihe on tasapainottaa hiili (C). Katsotaan, kuinka monta hiiltä on yhdessä propaanimolekyylissä ja lisätään kerroin hiilidioksidin eteen.

$\mathrm{C_3H_8 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow 3 \ CO_2 \ (g) + H_2O \ (g)}$

Seuraavaksi tasapainotetaan vety (H). Yhdessä propaanimolekyylissä on 8 vetyä, joten tästä muodostuu neljä vesimolekyyliä.

$\mathrm{C_3H_8 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow 3 \ CO_2 \ (g) + 4 \ H_2O \ (g)}$

Lopuksi lasketaan, kuinka paljon happea tarvitaan yhteensä. Reaktiotuotteissa on yhteensä 6 + 4 = 10 happea, jotka saadaan aikaiseksi viidellä happimolekyylillä.

$\mathrm{C_3H_8 \ (g) + 5 \ O_2 \ (g) \longrightarrow 3 \ CO_2 \ (g) + 4 \ H_2O \ (g)}$

Butaani: $\mathrm{C_4H_{10} \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow CO_2 \ (g) + H_2O \ (g)}$

Ensin hiili: $\mathrm{C_4H_{10} \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow 4 \ CO_2 \ (g) + H_2O \ (g)}$

Sitten vety: $\mathrm{C_4H_{10} \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow 4 \ CO_2 \ (g) + 5 \ H_2O \ (g)}$

Reaktiotuotteissa on yhteensä 8 + 5 = 13 happea, jotka saadaan aikaiseksi $\frac{13}{2}$ happimolekyylillä.

$\mathrm{C_4H_{10} \ (g) + \frac{13}{2} \ O_2 \ (g) \longrightarrow 4 \ CO_2 \ (g) + 5 \ H_2O \ (g)}$

Lopuksi kerrotaan kaikki kertoimet kahdella, jotta päästään eroon murtoluvuista ja reaktioyhtälö on tasapainotettu.

$\mathrm{2 \ C_4H_{10} \ (g) + 13 \ O_2 \ (g) \longrightarrow 8 \ CO_2 \ (g) + 10 \ H_2O \ (g)}$

a) Hiilimonoksidin ja vesihöyryn reaktiossa muodostuu vetyä ja hiilidioksidia:

$\mathrm{CO \ (g) + H_2O \ (g) \longrightarrow H_2 \ (g) + CO_2 \ (g)}$

Koska lähtöaineissa ja reaktiotuotteissa olevien atomien määrät ovat yhtä suuret, reaktio on jo tasapainossa.

b) Natriumhydroksidin ja rikkihapon neutraloitumisreaktiossa muodostuu natriumsulfaattia (suolaa) ja vettä:

$\mathrm{NaOH \ (aq) + H_2SO_4 \ (aq) \longrightarrow Na_2SO_4 \ (aq) + H_2O \ (l)}$

Reaktiotuotteissa on natriumsulfaatissa kaksi natriumia, joten lisätään natriumhydroksidin eteen kerroin 2.

$\mathrm{2 \ NaOH \ (aq) + H_2SO_4 \ (aq) \longrightarrow Na_2SO_4 \ (aq) + H_2O \ (l)}$

Koska hydroksidi-ioneja (OH^-) on lähtöaineiden puolella nyt kaksi, tulee vesimolekyylin eteen lisätä myös kerroin 2.

$\mathrm{2 \ NaOH \ (aq) + H_2SO_4 \ (aq) \longrightarrow Na_2SO_4 \ (aq) + 2 \ H_2O \ (l)}$

c) Ammoniakin ja happikaasun reaktiossa muodostuu typpioksidia ja vesihöyryä:

$\mathrm{NH_3 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow NO \ (g) + H_2O \ (g)}$

Happikaasu lähtöaineissa kannattaa tasapainottaa vasta viimeisenä, koska sen eteen on mahdollista laittaa lopuksi sopiva kerroin. Aloitetaan vetyatomeista, koska ne evät ole tasapainossa (vasemmalla kolme, oikealla kaksi). Pienin yhteinen jaettava luvuilla kolme ja kaksi on kuusi, joten lisätään kerroin 2 ammoniakin eteen ja kerroin 3 vesimolekyylin eteen.

$\mathrm{2 \ NH_3 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow NO \ (g) + 3 H_2O \ (g)}$

Seuraavaksi pitää tasapainottaa oikealla puolella oleva typpimonoksidi, joten lisätään sen eteen kerroin 2.

$\mathrm{2 \ NH_3 \ (g) + O_2 \ (g) \longrightarrow 2 \ NO \ (g) + 3 \ H_2O \ (g)}$

Tasapainotetaan lopuksi happi kuntoon. Reaktiotuotteissa on happea 5 atomia ja lähtöaineissa 2. Lisätään siis kerroin $\frac{5}{2}$ hapen eteen, jotta kaikki atomit ovat tasapainossa.

$\mathrm{2 \ NH_3 \ (g) + \frac{5}{2} \ O_2 \ (g) \longrightarrow 2 \ NO \ (g) + 3 \ H_2O \ (g)}$

Lopuksi kerrotaan kaikki kertoimet kahdella, jotta päästään eroon murtoluvuista ja reaktioyhtälö on tasapainotettu.

$\mathrm{4 \ NH_3 \ (g) + 5 \ O_2 \ (g) \longrightarrow 4 \ NO \ (g) + 6 \ H_2O \ (g)}$

a) Fosforihapon ja kalsiumhydroksidin reaktiossa muodostuu kalsiumfosfaattia ja vettä:

$\mathrm{H_3PO_4 \ (aq) + Ca(OH)_2 \ (aq) \longrightarrow Ca_3(PO_4)_2 \ (s) + H_2O \ (l)}$

• Hapen ja vedyn hapetusluvut eivät muutu reaktiossa, joten H: (+I) ja O: (-II)

• Myöskään fosfaatti-ioni (PO₄^3- ei hajoa reaktiossa, joten fosforin hapetusluku ei muutu.

• Lähtöaineissa hydroksidi-ionin (OH^- varaus on -1, joten kalsiumin hapetusluku on +II.

• Reaktuotteissa fosfaatti-ionin varaus on -III, joten kalsiumin hapetusluku on +II. Minkään atomin hapetusluku ei siis muutu.

Tasapainotetaan siis kalsium reaktioyhtälön vasemmalle ja oikealle puolelle kuntoon lisäämällä kalsiumhydroksidin eteen kerroin 3.

$\mathrm{H_3PO_4 \ (aq) + 3 \ Ca(OH)_2 \ (aq) \longrightarrow Ca_3(PO_4)_2 \ (s) + H_2O \ (l)}$

Tasapainotetaan vielä fosfaatti-ionien lukumäärä kuntoon lisäämällä kerroin 2 fosforihapon eteen.

$\mathrm{2 \ H_3PO_4 \ (aq) + 3 \ Ca(OH)_2 \ (aq) \longrightarrow Ca_3(PO_4)_2 \ (s) + H_2O \ (l)}$

Lopuksi lasketaan, kuinka monta vesimolekyyliä reaktiossa muodostuu happiatomien perusteella. Koska fosfaatti-ionit ovat jo tasapainossa, vesimolekyylejä muodostuu kuusi kappaletta, koska kolmessa kalsiumhydroksidissa on yhteensä kuusi happea.

$\mathrm{2 \ H_3PO_4 \ (aq) + 3 \ Ca(OH)_2 \ (aq) \longrightarrow Ca_3(PO_4)_2 \ (s) + 6 \ H_2O \ (l)}$

b) Raudan ja tinan hapetus-pelkistysreaktio:

$\mathrm{Fe^{3+} \ (aq) + Sn^{2+} \ (aq) \longrightarrow Fe^{2+} \ (aq) + Sn^{4+} \ (aq)}$

• Rauta (Fe) pelkistyy eli luovuttaa elektroneja: $\mathrm{+III \rightarrow +II}$

• Tina (Sn) hapettuu eli vastaanottaa elektroneja: $\mathrm{+II \rightarrow +IV}$

Koska yksi rauta luovuttaa yhden elektronin ja tina vastaanottaa kaksi, tarvitaan rautaioneja kaksinkertainen määrä tinaioneihin verrattuna. (Pienin yhteinen jaettava on 2.)

$\mathrm{2 \ Fe^{3+} \ (aq) + Sn^{2+} \ (aq) \longrightarrow 2 \ Fe^{2+} \ (aq) + Sn^{4+} \ (aq)}$

Tarkistetaan lopuksi, että varaukset ovat reakioyhtälön kummallakin puolella tasapainossa: vasemmalla yhteensä +8 ja oikealla samoin +8.

c) Raudan ja hapen reaktio:

$\mathrm{Fe \ (s) + O_2 \ (g) \longrightarrow Fe_2O_3 \ (s)}$

Luetellaan atomien hapetusluvut.

• Lähtöaineissa Fe: 0 ja O: 0

• Reaktiotuotteissa O: $\mathrm{-II}$ ja täten Fe: $\mathrm{+III}$

• Rauta hapettuu $\mathrm{0 \rightarrow III}$

• Happi pelkistyy $\mathrm{0 \rightarrow -II}$

Yksi rauta-atomi siis luovuttaa kolme elektronia ja yksi happiatomi vastaanottaa kaksi. Tällöin yksi happimolekyyli vastaanottaa yhteensä neljä elektronia. Lukujen kolme ja neljä pienin yhteinen jaettava on 12, joten lähtöaineiden kertoimiksi saadaan

• Fe: $\frac{12}{3}=4$

• O₂: $\frac{12}{4}=3$

Reaktioyhtälöksi saadaan täten

$\mathrm{4 \ Fe \ (s) + 3 \ O_2 \ (g) \longrightarrow Fe_2O_3 \ (s)}$

Jotta reaktion oikea puoli olisi myös tasapainossa, tulee reaktiotuotteen eteen laittaa vielä kerroin 2.

$\mathrm{4 \ Fe \ (s) + 3 \ O_2 \ (g) \longrightarrow 2 \ Fe_2O_3 \ (s)}$