[Zhihu] Có những phương trình hóa học nào mà hệ số cân bằng cực kì phức tạp vãi cả linh hồn?
Có mấy bạn hiểu sai ý tui hỏi rồi (cũng tại tui hỏi không rõ).
Câu hỏi không phải hỏi về cách cân bằng phương trình hóa học, mà là hỏi có những hệ số cân bằng cực kì phức tạp nào.
_______
Group Weibo Việt Nam: https://www.facebook.com/groups/245234876341228
Fanpage: https://www.facebook.com/weibovietnam
Dịch: Quác Quác Quác
_______
(Chỉnh sửa lúc 19.05.2019)
Phương trình hóa học “cân bằng phức tạp” và “hệ số cân bằng phức tạp” là hai chuyện khác nhau.
Có những phương trình hóa học có thể cho ra nhiều kết quả cân bằng, cả hai vế đều có số nguyên tử bằng nhau, thậm chí số điện tử chuyển đổi cũng tương đương với nhau, vậy cuối cùng là do đâu mà vì thế? Trong những kết quả đó cái nào mới là đúng?
Axit cloric (HClO3) khi vượt quá một nồng độ nhất định sẽ sinh ra phản ứng không tương xứng (*) - 1 phần bị oxy hóa, 1 phần bị khử, tui đã xem trong sách giáo khoa phần Hóa Vô Cơ, và thấy được nó có ít nhất là 3 cách cân bằng phương trình phản ứng:
3HClO3 = HClO4 + Cl2↑ + 2O2↑ + H2O
8HClO3 = 4HClO4 + 2Cl2↑ + 3O2↑ + 2H2O
26HClO3 = 10HClO4 + 8Cl2↑ +15O2↑ + 8H2O
(*) Phản ứng không tương xứng – Disproportionation: Không cân xứng là một phản ứng oxy hóa khử trong đó một yếu tố hoạt động theo cả hai cách, với một phần của nó bị oxy hóa và một phần khác bị giảm.
Bạn đọc có thể tính lại, 3 phương trình này đều dảm bảo cân bằng, và cả số điện tử cũng bằng nhau luôn, vậy cái phương trình nào mới là đúng?
Thật ra thì, phản ứng không cân xứng của Axit cloric có thể được giải thích sơ lược là gồm hai bước phản ứng dưới đây kết hợp thành:
3HClO3 = HClO4 + 2ClO2↑ + H2O
2ClO2 = Cl2 + 2O2
Như vậy có thể xem phương trình thứ nhất đã nêu ở trên là cơ bản nhất, và cũng gần nhất với cơ chế phản ứng cơ bản.
Tuy nhiên đến cách cân bằng của loại phương trình thứ hai và thứ ba thì lại có thể giải thích thành hai phản ứng chồng chất (*) dưới đây:
①3HClO3 = HClO4 + Cl2↑ + 2O2↑ + H2O
②2HClO3 + O2 = 2HClO4 (ở đây đặt vấn đề có sinh ra phản ứng hay không)
(*) Phản ứng chồng chất: tức là có sản phẩm sinh ra từ phản ứng thứ nhất là chất phản ứng của phản ứng thứ hai.
Đem cả hai vế của phương trình ① nhân với 2, rồi cùng với phương trình ② chồng chất, ta được cách cân bằng thứ hai đã nói ở trên.
Đem cả hai vế của phương trình ① nhân với 8, rồi cùng với phương trình ② chồng chất, ta được cách cân bằng thứ ba đã nói ở trên.
Tuy rằng vẫn còn nghi vấn phản ứng ② có khả năng xảy ra hay không, nhưng trong phản ứng này, dù là số nguyên tử hay số điện tử chuyển đổi vẫn đảm bảo cân bằng, cho nên tổ hợp tuyến tính hai phương trình ① và ② ta sẽ được cách cân bằng thứ hai và thứ ba ở trên, cho dù là số nguyên tử hay số điện tử chuyển đổi đều được cân bằng, như thế này thì, dù cho là tính toán từ góc độ số nguyên tử hay số điện tử chuyển đổi đi chăng nữa, cũng không thể phán đoán được tính chính xác của 3 cách cân bằng ở trên.
Về vấn đề cân bằng phương trình hóa học, có thể giải thích trên bản chất của toán học rằng: phương trình tuyến tính căn cứ theo số nguyên tử có ở hai vế, cần giải nghiệm số nguyên nhỏ nhất của phương trình tuyến tính (phương trình bậc nhất một ẩn). Đối với trường hợp khi một phản ứng hóa học sinh ra nhiều loại chất phản ứng hoặc sản phẩm, giả dụ có tổng cộng n chất phản ứng và sản phẩm, như vậy hệ số phân tử của chất phản ứng và sản phẩm tương ứng tổng cộng là x1, x2,…, xn, với n là ẩn số chưa biết, nhưng nếu nguyên tử của cả nhóm chất phản ứng và sản phẩm chỉ có m loại (m<n), như vậy tổ hợp phương trình bất định nhiều nhất có thể đạt được chỉ là ẩn số chưa biết n và m phương trình, nếu xét đến các nhóm nguyên tử mà trong phương trình hóa học các nguyên tử có kết cấu không đổi (ví dụ: Axit oxo) và các yếu tố phụ khác, thì có thể sẽ có một vài phương trình tương đương, khi đó nghiệm nguyên dương của phương trình bất định này sẽ có dạng:
x1=a1*t
x2=a2*t
…
xn=an*t
(với t là số nguyên dương)
Vậy hệ số cân bằng của phương trình hóa học có thể được coi là duy nhất là: x1=a1, x2=a2,…, xn=an.
Nếu là cân bằng phương trình hóa học của phản ứng Oxy hóa khử thì còn phải thỏa mãn yêu cầu số điện tử chuyển đổi bằng nhau, tức điều kiện cần thiết là số điện tử mất đi và nhận lại phải tương đương, tiếp đó, có thể là trong nhóm các phương trình bất định đã nêu ở trên lại phải thêm vào phương trình độc lập khác, khi thêm vào nhóm phương trình bất định của phương trình số điện tử chuyển đổi tương đương rồi, nghiệm số nguyên đó sẽ có thể thỏa mãn công thức nghiệm số nguyên dương đã nêu ở trên. Phương trình hóa học của phản ứng Oxy hóa khử cũng chỉ có một cách thức cân bằng duy nhất.
Đối với trường hợp một phản ứng Oxy hóa khử không chỉ sinh ra nhiều loại chất phản ứng và sản phẩm, mà phương hướng điện tử chuyển đổi cũng cực kì phức tạp, như vậy khá chắc rằng, dù cho có thêm vào phương trình số điện tử chuyển đổi tương đương đi nữa, thì nghiệm số nguyên dương của nhóm các phương trình bất định cũng không thỏa mãn được công thức nghiệm số nguyên dương đã nêu ở trên, và xuất hiện công thức nghiệm số nguyên dương phức tạp, tình huống này một khi đã xảy ra, thì sử dụng phương pháp cân bằng phương trình hóa học của phản ứng Oxy hóa khử, cách cân bằng không chỉ có một, đối với trường hợp này để biết cái nào mới là cách cân bằng đúng, cần nghiên cứu tìm hiểu thêm về cơ chế phản ứng của phản ứng, và thậm chí là phải thông qua thực nghiệm mới xác định được.
_______
Nguồn: https://www.zhihu.com/question/321760950/answer/669504568