การดุลสมการเคมี

การดุลสมการเคมีคือการเลือกสัมประสิทธิ์ให้ธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนอะตอมเท่ากันทั้งสองข้างของสมการ โดยจะไม่เปลี่ยนสูตรเคมี แต่เปลี่ยนเฉพาะจำนวนหน่วยของสารแต่ละชนิดที่เข้าร่วมปฏิกิริยา

หลักการนี้ใช้ได้เพราะปฏิกิริยาเคมีทั่วไปเป็นไปตามกฎอนุรักษ์มวล อะตอมเพียงแค่จัดเรียงตัวใหม่ ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือหายไป ถ้าผลิตภัณฑ์มีออกซิเจน $4$ อะตอม สารตั้งต้นก็ต้องมีออกซิเจน $4$ อะตอมเช่นกัน

การดุลสมการเคมีหมายถึงอะไรจริง ๆ

เป้าหมายไม่ใช่ทำให้สมการดูสมดุลด้วยสายตา แต่คือทำให้จำนวนอะตอมของทุกธาตุตรงกัน

ตัวอย่างเช่น เริ่มจาก

$$\mathrm{H_2 + O_2 \rightarrow H_2O}$$

เมื่อดูครั้งแรก ไฮโดรเจนดูเหมือนจะถูกต้อง เพราะมีอะตอม H ข้างละ $2$ อะตอม แต่ออกซิเจนยังไม่สมดุล ด้านซ้ายมีออกซิเจน $2$ อะตอม แต่ด้านขวามีเพียง $1$ อะตอม

เปลี่ยนสัมประสิทธิ์ ไม่ใช่เลขห้อย

สัมประสิทธิ์บอกว่ามีโมเลกุลหรือหน่วยสูตรอยู่กี่หน่วย ส่วนเลขห้อยเป็นส่วนหนึ่งของเอกลักษณ์ของสารนั้น

ดังนั้น

$$2\mathrm{H_2O}$$

หมายถึงน้ำ $2$ โมเลกุล แต่ถ้าเปลี่ยน $\mathrm{H_2O}$ เป็น $\mathrm{H_2O_2}$ จะทำให้น้ำกลายเป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบคนละชนิด

ถ้าสูตรเคมีถูกต้องอยู่แล้ว สิ่งที่ควรเปลี่ยนมีเพียงสัมประสิทธิ์เท่านั้น

ตัวอย่างทำจริง: ดุลสมการการเผาไหม้ของมีเทน

พิจารณาปฏิกิริยา

$$\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O}$$

นับจำนวนอะตอมทั้งสองข้างก่อนที่จะเปลี่ยนอะไร

• คาร์บอน: ซ้าย $1$, ขวา $1$
• ไฮโดรเจน: ซ้าย $4$, ขวา $2$
• ออกซิเจน: ซ้าย $2$, ขวา $3$

คาร์บอนสมดุลอยู่แล้ว จึงปล่อยไว้ ไฮโดรเจนยังขาดทางด้านขวา ดังนั้นใส่ $2$ ไว้หน้าสูตรน้ำ:

$$\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}$$

ตอนนี้นับใหม่:

• คาร์บอน: ซ้าย $1$, ขวา $1$
• ไฮโดรเจน: ซ้าย $4$, ขวา $4$
• ออกซิเจน: ซ้าย $2$, ขวา $4$

ออกซิเจนเป็นธาตุเดียวที่ยังไม่สมดุล ดังนั้นใส่ $2$ ไว้หน้า $\mathrm{O_2}$:

$$\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}$$

ตรวจสอบครั้งสุดท้าย:

• คาร์บอน: ข้างละ $1$
• ไฮโดรเจน: ข้างละ $4$
• ออกซิเจน: ข้างละ $4$

ตอนนี้สมการดุลแล้ว

วิธีทำทีละขั้นที่ใช้ได้จริง

สำหรับโจทย์ระดับเริ่มต้นหลายข้อ ลำดับนี้มักใช้ได้ดี:

1. เขียนสูตรเคมีของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ให้ถูกต้องก่อน
2. นับจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุทั้งสองข้าง
3. ดุลธาตุที่ปรากฏอยู่ในสูตรเดียวของแต่ละข้างก่อน
4. เว้นธาตุอย่างออกซิเจนหรือไฮโดรเจนไว้ทีหลัง เมื่อมันปรากฏในหลายสารประกอบ
5. นับจำนวนอะตอมของทุกธาตุใหม่ทุกครั้งหลังเปลี่ยนสัมประสิทธิ์

นี่เป็นรูปแบบที่มีประโยชน์ ไม่ใช่กฎตายตัวที่ใช้ได้กับทุกปฏิกิริยา สิ่งสำคัญคือการนับใหม่ทุกครั้ง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการดุลสมการ

เปลี่ยนสูตรเคมีของสาร

การเปลี่ยนเลขห้อยคือการเปลี่ยนชนิดของสาร นั่นหมายความว่าคุณไม่ได้กำลังดุลปฏิกิริยาเดิมอีกต่อไป

ลืมว่าสัมประสิทธิ์หนึ่งตัวเปลี่ยนจำนวนอะตอมทุกชนิดในสูตรนั้น

ถ้าคุณใส่ $2$ หน้า $\mathrm{H_2O}$ ตอนนี้คุณมีไฮโดรเจน $4$ อะตอมและออกซิเจน $2$ อะตอมจากน้ำ ไม่ใช่แค่ไฮโดรเจนเพิ่มเป็นสองเท่าอย่างเดียว

หยุดก่อนตรวจสอบรอบสุดท้าย

สมการอาจดูเหมือนเกือบดุลแล้ว แต่ยังผิดอยู่หนึ่งอะตอมได้เสมอ ตอนจบต้องนับทุกธาตุอีกครั้งเสมอ

ปล่อยให้มีสัมประสิทธิ์เป็นเศษส่วนในคำตอบสุดท้าย

ระหว่างทำอาจมีเศษส่วนเกิดขึ้นได้ โดยเฉพาะในโจทย์ที่ยากขึ้น แต่สมการที่ดุลเสร็จแล้วมักเขียนด้วยสัมประสิทธิ์จำนวนเต็มที่น้อยที่สุด

สมการเคมีที่ดุลแล้วสำคัญเมื่อใด

การดุลสมการเป็นจุดเริ่มต้นของสโตอิชิโอเมทรี โจทย์สารกำหนดปริมาณ ผลได้ของปฏิกิริยา และการคำนวณในห้องปฏิบัติการอีกหลายแบบ ถ้าสมการยังไม่ดุล การคำนวณจำนวนโมลและมวลในขั้นต่อไปจะไม่น่าเชื่อถือ

ลองทำด้วยตัวเอง

ลองดุลสมการ

$$\mathrm{Al + O_2 \rightarrow Al_2O_3}$$

เริ่มจากอะลูมิเนียม จากนั้นค่อยแก้ออกซิเจน และปิดท้ายด้วยการตรวจสอบว่าสามารถย่อสัมประสิทธิ์ให้เป็นจำนวนเต็มที่น้อยที่สุดได้หรือไม่ ถ้าต้องการลองอีกกรณีหนึ่งหลังจากนั้น ให้ลองปฏิกิริยาการเผาไหม้ แล้วดูว่ารูปแบบการนับแบบเดิมยังใช้ได้อยู่หรือไม่