ปริมาณสัมพันธ์
วิชาเคมี ที่ศึกษาเกี่ยวกับปริมาณสารที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเคมี
ปริมาณสัมพันธ์ (Stoichiometry)
- ปริมาณของตัวทำปฏิกิริยาและผลผลิต
- พลังงานของสารที่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาเคมี
ทำไมต้องศึกษาปริมาณสัมพันธ์?
ตัวทำปฏิกิริยาปริมาณเท่าใดให้พอดี
เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ด้านการเพิ่มผลผลิต
น้ำหนักอะตอม (Atomic Weight) หรือ มวลอะตอม (Atomic Mass)
อะตอมมีขนาดเล็กมาก
มวลของอะตอมมีค่าน้อยมาก
ชั่งหามวลที่แท้จริงได้ยาก
ใช้มวลเปรียบเทียบ (relative mass)
โดยเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน
C-12
หน่วยมาตรฐาน : amu (atomic mass unit)
1 อะตอมของ C-12 (มี 6 โปรตอน และ 6 นิวตรอน) มีมวลอะตอม 12 amu
1 amu = 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
= 1.66 x 10-24 g
1 g = 6.02 x 1023 amu
มวลอะตอมของธาตุใดๆ จึงเป็นตัวเลขที่แสดงว่าธาตุนั้นๆ 1 อะตอม
มีมวลเป็นกี่เท่าของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม
1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
คำถาม : ทังสเตนมีมวลอะตอม 183.84 amu
จงหาน้ำหนักเป็นกรัมของทังสเตน 25 อะตอม
วิธีคิด : ทังสเตน 1 อะตอม มีมวล = 183.84 amu
ทังสเตน 25 อะตอม มีมวล = 183.84 x 25 amu
= 4.596 x 103 amu
เปลี่ยน amu เป็น g
มวล 1 amu = 1.66 x 10-24 g
มวล 4.596 x 103 amu = 7.629 x 10-21 g
ตอบ : ทังสเตน 25 อะตอม มีมวล 7.629 x 10-21 g
1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
น้ำหนักโมเลกุล (Molecular Weight)
ใช้วิธีเปรียบเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน C-12 เช่นเดียวกับมวลอะตอม
มวลโมเลกุลของสารใดๆ บอกให้ทราบว่า สารนั้น 1 โมเลกุลมีมวลเป็นกี่เท่า
ของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
มวลโมเลกุล = มวลของสาร 1 โมเลกุล
มวลโมเลกุลของสาร หาได้จากผลบวกของมวลอะตอม
ของธาตุทั้งหมดในโมเลกุล
เช่น
SO2 = 1 S + 2 O
= (32 x 1) + (16 x 2)
= 64
H2SO4 = 2 H + 1 S + 4 O
= (2 x 1) + (1 x 32) + (4 x 16)
= 98
CH3COOH = 2 C + 2 O + 4 H
= (2 x 12) + (2 x 16) + (4 x 1)
= 60
6 x น้ำหนักอะตอมของ C = 6 x 12.01 = 72.06
12 x น้ำหนักอะตอมของ H = 12 x 1.008 = 12.00 � 6 x น้ำหนักอะตอมของ O = 6 x 16.00 = 96.00
ดังนั้น น้ำหนักโมเลกุลของกลูโคส = 72.06 + 12.00 + 96.00
= 180.06
จงคำนวณน้ำหนักโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส
ซึ่งมีสูตรโมเลกุล C6H12O6
น้ำหนักสูตร (Formular Weight)
สารประกอบอิออนิก อยู่ในรูปผลึกที่ประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบจำนวนมาก
สูตรของสาร จะเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของไอออนบวกและไอออนลบ
ซึ่ง ไม่ใช่สูตรโมเลกุล
เช่น
NaCl มีไอออนบวกและลบ เป็นอัตราส่วน 1:1
น้ำหนักสูตร หาได้จากการเปรียบเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน
หรือ คิดจากผลบวกของมวลอะตอมของธาตุต่างๆในสูตรของสารนั้น
จงคำนวณหาน้ำหนักสูตรของสารประกอบต่อไปนี้
NaCl = 23 + 35.5 = 58.5
C2H5Cl = (2 x 12) + (5 x 1) + (1 x 35.5)
= 64.5
CuSO4 · 5H2O = [(1 x 63.55) + (1 x 32) + (4 x 16)]
+ 5 x [(2 x 1) + (1 x 16)] � = 249.55
โมล : ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับจำนวนอะตอมของ C-12
ที่มีมวล 12 กรัม ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6.02 x 1023 อะตอม
อนุภาคอาจเป็นอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน
เลขจำนวน 6.02 x 1023 เรียกว่า
เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number)
โมล (Mole)
“Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna di Cerreto”
เลขอาโวกาโดร มาจากไหน?
1 amu = 1.66 x 10-24 g
1 g = 6.02 x 1023 amu
C-12 มวล 12 g = 12 x 6.02 x 1023 amu
แต่ C-12 12 amu = 1 อะตอม
ดังนั้น C-12 มวล 12 g = 6.02 x 1023 อะตอม
หรือ 1 โมลอะตอม C-12 = 6.02 x 1023 อะตอม C-12
1 โมลของสารใดๆ หมายถึง ปริมาณสารจำนวน 6.02 x 1023 อนุภาค
ซึ่งมีมวลเท่ากับมวลอะตอมของธาตุหรือมวลโมเลกุลของสารนั้นๆ
สารที่มีสถานะเป็นแก๊ส
แก๊ส 1 โมล มีปริมาตร 22.4 ลิตร ที่ STP มีจำนวน 6.02 x 1023 โมเลกุล
(Standard Temperature Pressure; อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1 บรรยากาศ)
โมลของสาร = น้ำหนักของสาร
มวลอะตอมหรือมวลโมเลกุล
จำนวนอะตอมหรือโมเลกุลของสาร = โมลของสาร x 6.02 x 1023
ปริมาตรแก๊สที่ STP = โมลของแก๊ส x 22.4 ลิตร
คำถาม : ถ้ามีแก๊สแอมโมเนียหนัก 15.35 กรัม จงคำนวณหาจำนวนโมล
จำนวนโมเลกุล และ ปริมาตรที่ STP
NH3 มวลโมเลกุล = 17
จำนวนโมล = น้ำหนักสาร
มวลโมเลกุล
จำนวนโมลของ NH3 = 15.35 = 0.90 โมล
17
จำนวนโมเลกุล = จำนวนโมล x 6.02 x 1023 โมเลกุล
= 0.90 x 6.02 x 1023
= 5.42 x 1023
ปริมาตรที่ STP = จำนวนโมล x 22.4 ลิตร
= 0.90 x 22.4
= 20.16 ลิตร
สูตรเคมี
กลุ่มสัญลักษณ์ของธาตุหรือสารประกอบที่แสดงถึงองค์ประกอบของสารต่างๆ
ว่าประกอบด้วยธาตุใดบ้างอย่างละกี่อะตอม
สูตรเอมไพริกัล (Empirical formular)
เป็นสูตรเคมีที่แสดงว่าใน 1 โมเลกุลประกอบด้วยธาตุอะไรบ้างและมีอัตราส่วน
อย่างต่ำของจำนวนอะตอมเท่าใด
สูตรโมเลกุล (Molecular formular)
เป็นสูตรเคมีที่แสดงว่าใน 1 โมเลกุลของสารประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
และแต่ละธาตุมีจำนวนอะตอมแน่นอนเท่าใด
สูตรโครงสร้าง (Structural formular)
เป็นสูตรเคมีที่แสดงว่าใน 1 โมเลกุลของสารประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
อย่างละกี่อะตอม และอะตอมของธาตุต่างๆในโมเลกุลยึดเกาะกันอย่างไร
สารประกอบบางชนิดมีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน แต่ สูตรโครงสร้างต่างกัน
และมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกันด้วย เรียกว่า ไอโซเมอร์
เช่น
CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
Pentane
CH3
CH
CH3
CH2
CH3
2-methylbutane
CH3
C
CH3
CH3
CH3
2,2-dimethylpropane
C5H12
การหาสูตรเอมไพริกัลและสูตรโมเลกุล
- สารนั้นมีธาตุใดเป็นองค์ประกอบ
- มีมวลอะตอมเท่าใด
- น้ำหนักของธาตุแต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบ
ธาตุองค์ประกอบแล้วทำให้เป็นเลขจำนวนเต็มน้อยๆ
ต้องมีการปัดเศษ
0.1 – 0.2 ปัดทิ้ง
0.3 – 0.7 ปัดทิ้งไม่ได้ ต้องหาตัวเลขที่มีค่าต่ำสุดมาคูณให้มีค่า
ใกล้เคียงกับตัวเลขที่จะปัดได้
0.8 – 0.9 ปัดขึ้น 1
สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมไพริกัล)n n = 1, 2, 3, ……..
ตย. สารประกอบชนิดหนึ่งประกอบด้วย S 50.05% โดยน้ำหนัก
และ O 49.95% โดยน้ำหนัก ถ้าน้ำหนักโมเลกุลของสารปะกอบนี้
เท่ากับ 64 จงคำนวณหาสูตรเอมไพริกัล และ สูตรโมเลกุลของสาร
วิธีทำ
อัตราส่วนโดยน้ำหนัก S : O = 50.05 : 49.95
อัตราส่วนโดยจำนวนอะตอม S : O = 50.05 : 49.95
32
16
= 1.56 : 3.12
ทำให้เป็นอัตราส่วนอย่างต่ำ โดยการหารด้วยตัวเลขที่น้อยที่สุด คือ 1.56
= 1.56 : 3.12
1.56
1.56
= 1 : 2
สูตรเอมไพริกัล คือ SO2
หาสูตรโมเลกุล (SO2)n = 64
[32 + (16 x 2)]n = 64
n = 1
สูตรโมเลกุล คือ SO2
สมการเคมี
สมการเคมี ประกอบด้วยสัญลักษณ์หรือสูตรของสารต่างๆ
- ใช้เขียนแทนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
- บอกให้ทราบว่า สารใดทำปฏิกิริยากันและเกิดสารใดบ้าง
- ใช้ในการคำนวณปริมาณสัมพันธ์ของสารต่างๆในปฏิกิริยานั้นๆ
ตัวทำปฏิกิริยา
ผลผลิต
เงื่อนไข
สมการเคมี เขียนได้ 2 แบบ
สมการแบบโมเลกุล
แสดงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสาร อาจมีการแสดงสถานะ
ทางกายภาพของสาร เช่น (g), (l), (s), (aq)
เช่น
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)
สมการไอออนิก
ใช้สำหรับปฏิกิริยาที่มีสารประกอบไอออนิกเข้ามาเกี่ยวข้อง
เขียนเฉพาะไอออนและโมเลกุลที่จำเป็นและเกิดปฏิกิริยาเท่านั้น
สารที่แตกตัวเป็นไอออนในน้ำได้น้อย สารที่ไม่ละลาย สารที่
ตกตะกอนหรือสารที่เป็นแก๊ส ให้เขียนสูตรโมเลกุล
NaCrO2(aq) + NaClO(aq) + NaOH(aq) Na2CrO4(aq) + NaCl(aq) + H2O(l)
เมื่ออยู่ในน้ำ สารเหล่านี้จะแตกตัวเป็นไอออน ดังนี้
Na+(aq) + CrO2-(aq) + Na+(aq) + ClO-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) 2Na+(aq) + CrO42-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
CrO2-(aq) + ClO-(aq) + OH-(aq) CrO42-(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
สมการไอออนิกสุทธิ
สมการไอออนิกที่ดุลแล้ว
2CrO2-(aq) + 3ClO-(aq) + 2OH-(aq) 2CrO42-(aq) + 3Cl-(aq) + H2O(l)
ก่อนที่จะนำสมการเคมีมาใช้ในการคำนวณ สมการเคมีนั้นต้องดุลเสียก่อน นั่นคือจะต้องเป็นไปตาม กฎทรงมวล (อะตอมของแต่ละธาตุทางซ้ายมือของสมการนั้นจะต้องเท่ากับอะตอมของแต่ละธาตุทางขวามือของสมการ)
1. เริ่มดุลจากโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดหรือโมเลกุลที่ประกอบด้วย
ธาตุมากที่สุดก่อน
2. ดุลโลหะ
3. ดุลอโลหะ(ยกเว้น H และ O)
4. ดุล H และ O
5. ตรวจดูจำนวนของธาตุในสมการ
จงดุลสมการต่อไปนี้
1. _ H2 + _ O2 ----> _ H2O
2. _ C3H8 + _ O2 ----> _ CO2 + _ H2O
3. _ Na2O2 + _ H2O ----> _NaOH + _O2
4. _ KClO3 ----> _ KCl + _ O2
5. _ KClO3 + _ C12H22O11 ----> _ KCl + _CO2 + _H2O
2H2 + O2 ----> 2H2O
C3H8 + 5O2 ----> 3CO2 + 4H2O
2Na2O2 + 2H2O ----> 4NaOH +O2
2KClO3 ----> 2KCl + 3O2
8KClO3 + C12H22O11 ----> 8KCl + 12CO2 + 11H2O
การคำนวณจากสมการเคมี
- เขียนสมการเคมีของปฏิกิริยานั้น พร้อมดุลสมการให้ถูกต้อง
- พิจารณาเฉพาะสารที่ต้องการทราบและสารที่กำหนดให้ที่มีความเกี่ยวข้องกัน
- นำข้อมูลที่กำหนดให้มาคำนวณเพื่อหาปริมาณสารที่ต้องการ
Ex : จงคำนวณว่าต้องใช้สังกะสีกี่กรัม และกี่โมล ทำปฏิกิรยากับกรด �เกลือ จึงจะทำให้แก๊สไฮโดรเจน 0.224 ลิตร ที่ STP
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ Zn + 2HCl ----> ZnCl2 + H2
ที่ STP H2 22.4 ลิตร (1 mol) เตรียมได้จากสังกะสี 65.4 g (1 mol)
H2 0.224 ลิตร เตรียมได้จากสังกะสี = 0.654 g
ดังนั้น จะต้องใช้สังกะสี = 0.654 g หรือ = 0.01 mol
สารกำหนดปริมาณ
ถ้าสารที่ทำปฏิกิริยามีปริมาณไม่พอดีกัน
ปฏิกิริยาจะสิ้นสุดเมื่อสารใดสารหนึ่งหมด
สารที่หมดก่อนจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของผลผลิตที่เกิดขึ้น
เรียกว่า สารกำหนดปริมาณ (Limiting reagent)
Ex : จงคำนวณว่าเกิด H2O กี่กรัม จากปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน 11.2 ลิตร �และออกซิเจน 11.2 ลิตร ที่ STP� 2H2(g) + O2(g) -----> 2H2O(g)
H2 11.2 ลิตร มีปริมาณ = 0.5 mol
O2 11.2 ลิตร มีปริมาณ = 0.5 mol
หาสารกำหนดปริมาณ ;
H2 = = 0.25 mol
O2 = = 0.5 mol
ดังนั้น H2 เป็นสารกำหนดปริมาณ �จากสมการ H2 2 mol เตรียมน้ำได้ 2 x 18 g
H2 0.5 mol เตรียมน้ำได้ 9.0 g
ดังนั้น เตรียมน้ำได้ 9.0 g.
ผลได้ตามทฤษฎี (Theoretical yield)
เป็นค่าที่ได้จากการคำนวณปริมาณผลผลิตตามสมการเคมี
ที่ถือว่าปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์
ในทางปฏิบัติ ผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยาจะมีค่าแตกต่างไปจากผลที่ได้ตามทฤษฎีเสมอ
ปริมาณผลผลิตที่ได้นี้ เรียกว่า ผลได้จริง (Actual yield)
การรายงานผลการทดลอง มักเปรียบเทียบผลได้จริงกับผลตามทฤษฎี
ในรูปของ ผลได้ร้อยละ (Percentage yield)
ผลได้ร้อยละ = ผลได้จริง
ผลได้ตามทฤษฎี
X 100
Ex : จงหาปริมาณผลผลิตตามทฤษฎี(เป็นกรัม) ของทองแดงที่ได้จากการ �แยก คอปเปอร์(I) ซัลไฟด์ (Cu2S) 1590 g.�ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ Cu2S + O2 ----> 2Cu + SO2�ถ้าผลการทดลองได้ทองแดง 1,200 g.
จงคำนวณหาผลผลิตร้อยละ
Cu2S 1590 g. = 1590 = 10 mol
จากสมการ
Cu2S 1 mol เตรียม Cu ได้ 2 mol = 2 x 63.5 g.� Cu2S 10 mol เตรียม Cu ได้ 2 x 63.5 x 10 = 1270 g.
ผลผลิตร้อยละ = 1200 x 100 = 94.5
159
1270
ความร้อนของปฏิกิริยา
การเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือปฏิกิริยาเคมี มักมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้อง
ปฏิกิริยาที่ระบบคายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม
เรียก ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction)
ปฏิกิริยาที่ระบบดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม
เรียก ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction)
การสลายพันธะ ต้องให้พลังงานกับระบบ (ระบบดูดพลังงานเข้าไป)
การเกิดพันธะใหม่ มีการคายพลังงานออกจากระบบ (ระบบให้พลังงานออกมา)
ตย. จงคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนของปฏิกิริยาต่อไปนี้
H2 (g) + 1O2 (g) H2O (g)
2
กำหนดให้ พลังงานพันธะ H-H = 431.0 kJ
H-O = 463.0 kJ
O=O = 485.0 kJ
ปฏิกิริยานี้เป็นแบบดูดหรือคายความร้อน?
วิธีทำ
จากสมการ พันธะที่ถูกทำลาย คือ H-H และ O=O
พันธะที่เกิดขึ้น คือ H-O
พลังงานที่ต้องใช้เพื่อสลายพันธะ = 431 kJ + 1 (485.0 kJ)
2
= 673.5 kJ
พลังงานที่ถูกคายออกมา = 2 (463.0 kJ) H-O 2 พันธะ
= 926.0 kJ
ความร้อนที่เปลี่ยนแปลง = 926.0 – 673.5 = 252.5 kJ
ความร้อนที่ระบบคายออกมา มากกว่า ความร้อนที่ถูกดูดเข้าไป ปฏิกิริยาคายความร้อน
หนังสืออ้างอิง (อ่านเพิ่มเติม)
(search โดยใช้คำว่า ปริมาณสัมพันธ์ หรือ stoichiometry)