312 107 Basic Chemistry ปริมาณสัมพันธ์

1. 312 107 Basic Chemistry ปริมาณสัมพันธ์

2. ปริมาณสัมพันธ์ (Stoichiometry) วิชาเคมี ที่ศึกษาเกี่ยวกับปริมาณสารที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเคมี - ปริมาณของตัวทำปฏิกิริยาและผลผลิต - พลังงานของสารที่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาเคมี

3. ทำไมต้องศึกษาปริมาณสัมพันธ์?ทำไมต้องศึกษาปริมาณสัมพันธ์? • ใช้คาดคะเนปริมาณผลผลิต เมื่อทราบปริมาณตัวทำปฏิกิริยา • ช่วยประหยัดสารเคมี เพราะสามารถบอกได้ว่าควรใช้ • ตัวทำปฏิกิริยาปริมาณเท่าใดให้พอดี • คำนวณหาพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาหรือที่ใช้ในปฏิกิริยาได้ • เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ด้านการเพิ่มผลผลิต

4. น้ำหนักอะตอม (Atomic Weight) หรือ มวลอะตอม (Atomic Mass) อะตอมมีขนาดเล็กมาก มวลของอะตอมมีค่าน้อยมาก ชั่งหามวลที่แท้จริงได้ยาก ใช้มวลเปรียบเทียบ (relative mass) โดยเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน C-12

5. 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 1023amu มวลอะตอมของธาตุใดๆ จึงเป็นตัวเลขที่แสดงว่าธาตุนั้นๆ 1 อะตอม มีมวลเป็นกี่เท่าของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม

6. 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 103amu 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

7. น้ำหนักโมเลกุล (MolecularWeight) ใช้วิธีเปรียบเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน C-12 เช่นเดียวกับมวลอะตอม มวลโมเลกุลของสารใดๆ บอกให้ทราบว่า สารนั้น 1 โมเลกุลมีมวลเป็นกี่เท่า ของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม มวลโมเลกุล = มวลของสาร 1 โมเลกุล 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม

8. มวลโมเลกุลของสาร หาได้จากผลบวกของมวลอะตอม ของธาตุทั้งหมดในโมเลกุล SO2= 1 S + 2 O = (32 x 1) + (16 x 2) = 64 เช่น 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

9. จงคำนวณน้ำหนักโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส ซึ่งมีสูตรโมเลกุล C6H12O6         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 ดังนั้นน้ำหนักโมเลกุลของกลูโคส =   72.06  +  12.00  +  96.00   =   180.06

10. น้ำหนักสูตร (Formular Weight) สารประกอบอิออนิก อยู่ในรูปผลึกที่ประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบจำนวนมาก สูตรของสาร จะเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของไอออนบวกและไอออนลบ ซึ่ง ไม่ใช่สูตรโมเลกุล เช่น NaCl มีไอออนบวกและลบ เป็นอัตราส่วน 1:1 น้ำหนักสูตร หาได้จากการเปรียบเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน หรือ คิดจากผลบวกของมวลอะตอมของธาตุต่างๆในสูตรของสารนั้น

11. จงคำนวณหาน้ำหนักสูตรของสารประกอบต่อไปนี้จงคำนวณหาน้ำหนักสูตรของสารประกอบต่อไปนี้  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

12. โมล (Mole) โมล: ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับจำนวนอะตอมของ C-12 ที่มีมวล 12 กรัม ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6.02 x 1023อะตอม อนุภาคอาจเป็นอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน เลขจำนวน 6.02 x 1023เรียกว่า เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number) “Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna di Cerreto”

13. 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 1023อะตอม หรือ 1 โมลอะตอม C-12 = 6.02 x 1023อะตอม C-12 1 โมลของสารใดๆ หมายถึง ปริมาณสารจำนวน 6.02 x 1023อนุภาค ซึ่งมีมวลเท่ากับมวลอะตอมของธาตุหรือมวลโมเลกุลของสารนั้นๆ

14. สารที่มีสถานะเป็นแก๊สสารที่มีสถานะเป็นแก๊ส แก๊ส 1 โมล มีปริมาตร 22.4 ลิตร ที่ STP มีจำนวน 6.02 x 1023โมเลกุล (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

15. จำนวนโมล = น้ำหนักสาร มวลโมเลกุล จำนวนโมลของ NH3 = 15.35 = 0.90 โมล 17 คำถาม : ถ้ามีแก๊สแอมโมเนียหนัก 15.35 กรัม จงคำนวณหาจำนวนโมล จำนวนโมเลกุล และ ปริมาตรที่ STP NH3มวลโมเลกุล = 17 จำนวนโมเลกุล = จำนวนโมล x 6.02 x 1023โมเลกุล = 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

16. 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

17. CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH2 CH3 CH3 สารประกอบบางชนิดมีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน แต่ สูตรโครงสร้างต่างกัน และมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกันด้วย เรียกว่า ไอโซเมอร์ เช่น C5H12 Pentane 2-methylbutane CH3 CH3 CH3 C 2,2-dimethylpropane CH3

18. การหาสูตรเอมไพริกัลและสูตรโมเลกุลการหาสูตรเอมไพริกัลและสูตรโมเลกุล • - สารนั้นมีธาตุใดเป็นองค์ประกอบ • - มีมวลอะตอมเท่าใด • - น้ำหนักของธาตุแต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบ • คำนวณอัตราส่วนโดยน้ำหนักและอัตราส่วนจำนวนอะตอมของ • ธาตุองค์ประกอบแล้วทำให้เป็นเลขจำนวนเต็มน้อยๆ สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมไพริกัล)n n = 1, 2, 3, …….. ต้องมีการปัดเศษ 0.1 – 0.2 ปัดทิ้ง 0.3 – 0.7 ปัดทิ้งไม่ได้ ต้องหาตัวเลขที่มีค่าต่ำสุดมาคูณให้มีค่า ใกล้เคียงกับตัวเลขที่จะปัดได้ 0.8 – 0.9 ปัดขึ้น 1

19. วิธีทำ อัตราส่วนโดยน้ำหนัก S : O = 50.05 : 49.95 อัตราส่วนโดยจำนวนอะตอม S : O = 50.05 : 49.95 32 16 = 1.56 : 3.12 = 1.56 : 3.12 1.56 1.56 = 1 : 2 หาสูตรโมเลกุล (SO2)n = 64 [32 + (16 x 2)]n = 64 n = 1 ตย. สารประกอบชนิดหนึ่งประกอบด้วย S 50.05% โดยน้ำหนัก และ O 49.95% โดยน้ำหนัก ถ้าน้ำหนักโมเลกุลของสารปะกอบนี้ เท่ากับ 64 จงคำนวณหาสูตรเอมไพริกัล และ สูตรโมเลกุลของสาร ทำให้เป็นอัตราส่วนอย่างต่ำ โดยการหารด้วยตัวเลขที่น้อยที่สุด คือ 1.56 สูตรเอมไพริกัล คือ SO2 สูตรโมเลกุล คือ SO2

20. เงื่อนไข ผลผลิต ตัวทำปฏิกิริยา สมการเคมี สมการเคมี ประกอบด้วยสัญลักษณ์หรือสูตรของสารต่างๆ - ใช้เขียนแทนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี - บอกให้ทราบว่า สารใดทำปฏิกิริยากันและเกิดสารใดบ้าง - ใช้ในการคำนวณปริมาณสัมพันธ์ของสารต่างๆในปฏิกิริยานั้นๆ

21. 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

22. 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) สมการไอออนิกสุทธิ CrO2-(aq) + ClO-(aq) + OH-(aq) CrO42-(aq) + Cl-(aq) + H2O(l) สมการไอออนิกที่ดุลแล้ว 2CrO2-(aq) + 3ClO-(aq) + 2OH-(aq) 2CrO42-(aq) + 3Cl-(aq) + H2O(l)

23. ก่อนที่จะนำสมการเคมีมาใช้ในการคำนวณ สมการเคมีนั้นต้องดุลเสียก่อน นั่นคือจะต้องเป็นไปตาม กฎทรงมวล (อะตอมของแต่ละธาตุทางซ้ายมือของสมการนั้นจะต้องเท่ากับอะตอมของแต่ละธาตุทางขวามือของสมการ) 1. เริ่มดุลจากโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดหรือโมเลกุลที่ประกอบด้วย ธาตุมากที่สุดก่อน 2. ดุลโลหะ 3. ดุลอโลหะ(ยกเว้น H และ O) 4. ดุล H และ O 5. ตรวจดูจำนวนของธาตุในสมการ

24. 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

25. 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                       ดังนั้นจะต้องใช้สังกะสี=   0.654 gหรือ=  0.01 mol

26. สารกำหนดปริมาณ ถ้าสารที่ทำปฏิกิริยามีปริมาณไม่พอดีกัน ปฏิกิริยาจะสิ้นสุดเมื่อสารใดสารหนึ่งหมด สารที่หมดก่อนจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของผลผลิตที่เกิดขึ้น เรียกว่า สารกำหนดปริมาณ (Limiting reagent)

27. Ex : จงคำนวณว่าเกิด H2O กี่กรัม จากปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน 11.2 ลิตร และออกซิเจน 11.2 ลิตรที่ STP          2H2(g)+     O2(g)----->        2H2O(g)   H2   11.2 ลิตรมีปริมาณ =    0.5 mol O2   11.2 ลิตรมีปริมาณ =    0.5 mol หาสารกำหนดปริมาณ ; H2    =   =   0.25 mol O2=   =    0.5 mol ดังนั้น     H2เป็นสารกำหนดปริมาณ จากสมการ    H2      2  mol    เตรียมน้ำได้          2 x 18 g H2   0.5  mol    เตรียมน้ำได้       9.0   g ดังนั้นเตรียมน้ำได้      9.0 g.

28. ผลได้ตามทฤษฎี (Theoretical yield) เป็นค่าที่ได้จากการคำนวณปริมาณผลผลิตตามสมการเคมี ที่ถือว่าปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ในทางปฏิบัติ ผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยาจะมีค่าแตกต่างไปจากผลที่ได้ตามทฤษฎีเสมอ ปริมาณผลผลิตที่ได้นี้ เรียกว่า ผลได้จริง (Actual yield) การรายงานผลการทดลอง มักเปรียบเทียบผลได้จริงกับผลตามทฤษฎี ในรูปของ ผลได้ร้อยละ (Percentage yield) ผลได้ร้อยละ = ผลได้จริง X 100 ผลได้ตามทฤษฎี

29. Ex : จงหาปริมาณผลผลิตตามทฤษฎี(เป็นกรัม) ของทองแดงที่ได้จากการ แยก คอปเปอร์(I) ซัลไฟด์ (Cu2S) 1590 g.ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ       Cu2S   +   O2---->       2Cu   +   SO2ถ้าผลการทดลองได้ทองแดง 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

30. ความร้อนของปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือปฏิกิริยาเคมี มักมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้อง ปฏิกิริยาที่ระบบคายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม เรียก ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction) ปฏิกิริยาที่ระบบดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม เรียก ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction) การสลายพันธะ ต้องให้พลังงานกับระบบ (ระบบดูดพลังงานเข้าไป) การเกิดพันธะใหม่ มีการคายพลังงานออกจากระบบ (ระบบให้พลังงานออกมา)

31. H2(g) + 1O2(g) H2O (g) 2 ตย. จงคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนของปฏิกิริยาต่อไปนี้ 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

32. หนังสืออ้างอิง (อ่านเพิ่มเติม) • เคมี เล่ม 1 ทบวงมหาวิทยาลัย • เคมีพื้นฐาน เล่ม 1 จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย • General Chemistry ของ Raymond Chang • Website ทั่วๆ ไป ทั้งของไทยและต่างประเทศ • (search โดยใช้คำว่า ปริมาณสัมพันธ์ หรือ stoichiometry)