ปริมาณสารสัมพันธ์ Stoichiometry

ปริมาณสารสัมพันธ์ Stoichiometry

จำนวนโมลกับ มวลของสาร จำนวนโมลกับ อนุภาคของสาร ปริมาตรต่อโมล ของแก๊ส โมล มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลเป็นร้อยละจากสูตร ปริมาณสัมพันธ์ การเตรียมสารละลาย การคำนวณเกี่ยว กับสูตรเคมี สารละลาย สมการเคมีและความ สัมพันธ์ระหว่างปริมาณ สารในปฏิกิริยาเคมี ความเข้มข้นของ สารละลาย สมบัติของ สารละลาย สารกำหนดปริมาณ สูตรเอมพิริคัลและ สูตรโมเลกุล ปริมาตรของแก๊ส การคำนวณปริมาณสารในปฏิกิริยาเคมี มวลของสาร ผลได้ร้อยละ จำนวนอนุภาคของสาร

Stoichiometry มาจากคำผสมกรีกสองคำ Stoichion แปลว่า ธาตุ metron แปลว่า การวัด ใช้ระบุความสัมพันธ์เชิงปริมาณขององค์ประกอบของสารและปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้อง ปริมาณสารสัมพันธ์ หมายถึง การวัดหรือการหาปริมาณสารในปฏิกิริยาเคมี เป็นส่วนใหญ่

ความสำคัญและประโยชน์

สามารถใช้คาดคะเนปริมาณของสารที่จะต้องใช้เป็นสารตั้งต้น เพื่อที่จะได้ผลิตผลที่มีปริมาณ • ตามต้องการ 2. สามารถนำไปตีความหรืออธิบายผลจากเคมีวิเคราะห์

3. สามารถนำไปใช้ประกอบการเลือกปฏิกิริยาที่ ประหยัดที่สุดในทางอุตสาหกรรมและทางการค้า • สามารถบอกได้ว่าตัวทำปฏิกิริยาใดทำปฏิกิริยา • จนหมดหรือตัวทำปฏิกิริยาใดจะเหลือเป็นต้น

1.1 อะตอม โมเลกุล ไอออน และสูตรเคมี

อะตอม (atom) อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุไม่สามารถชั่งหามวลได้โดยตรง การหามวลอะตอมจึงใช้วิธีการเปรียบเทียบกับมวลของธาตุที่กำหนดเป็นมาตรฐาน

พบว่ามวลของธาตุ 1 อะตอมมีค่าน้อยมาก ไม่สะดวกในการนำไปคำนวณหาปริมาณสาร จึงกำหนดมวลที่ใช้เปรียบเทียบค่ามาตรฐาน เริ่มต้นใช้มวลของธาตุ H ซึ่งเป็นธาตุที่เบาที่สุด ใช้ มวล 1/16 ของมวลออกซิเจน ตกลงใช้มวล 1/12 ของมวลธาตุคาร์บอน-12 เป็นค่า มาตรฐาน ใช้เปรียบเทียบหามวลอะตอม

มวลอะตอม (atomic mass) คือ ตัวเลขที่ได้จากการเปรียบเทียบมวล จริงของธาตุ 1 อะตอมกับมวลมาตรฐานคือ มวล 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม หรือ 1.66 x 10-24 g มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม (g) 1.66 x 10-24 g = มวลของธาตุ 1 อะตอม 1amu

ธาตุ C-121 อะตอม มีมวลเท่ากับ 12 หน่วยมวลมาตรฐาน (amu) atomic mass unit ดังนั้น 12 amu = มวลของ C-12 1 อะตอม 1 amu = 1/12 มวลของ C-12 1 อะตอม = 1.66 x 10-24 g

ตัวอย่างโจทย์ • ธาตุ X 3 อะตอมมีมวลเป็น 2 เท่าของธาตุ C 5 อะตอม จงหามวลอะตอมของ X และมวลของ X 1 อะตอม ถ้า C มีมวลอะตอม = 12 ธาตุ C 1 อะตอมมีมวล = 12 amu ธาตุ C 5 อะตอมมีมวล = 5 x 12 = 60 amu แล้วธาตุ X 3 อะตอม มีมวลเป็น 2 เท่าของ C = 2 x 60 = 120 amu ดังนั้น X 1 อะตอมมีมวล = 120/3 = 40 amu ธาตุ X มีมวลอะตอม = 40 ดังนั้น ธาตุ X 1 อะตอม มีมวล = 40 x 1.66 x 10-24 g = 6.64 x 10-23 g

มวลอะตอมเฉลี่ย ธาตุส่วนใหญ่ในธรรมชาติมีหลายไอโซโทป แต่ละไอโซโทปมีปริมาณมากน้อยต่างกัน ดังนั้นค่ามวลอะตอมของธาตุใดๆในตารางธาตุจึงเป็นค่ามวลอะตอมเฉลี่ย ซึ่งขึ้นอยู่กับค่ามวลอะตอมและปริมาณของแต่ละไอโซโทปที่พบอยู่ในธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์จึงหามวลอะตอมและปริมาณของไอโซโทปของแต่ละธาตุ โดยใช้เครื่องมือเรียกว่า “แมสสเปกโตรมิเตอร์”ทำให้ได้ค่าที่มีความถูกต้องแน่นอนสูง มวลอะตอมเฉลี่ย = ( มวลอะตอมของธาตุ x %ไอโซโทปในธรรมชาติ) 100

โมเลกุล (molecule) หน่วยโครงสร้างที่เล็กที่สุดของธาตุหรือสารประกอบที่สามารถอยู่ได้โดยอิสระและยังคงมีสมบัติของธาตุหรือสารประกอบนั้นๆโดยสมบูรณ์

โมเลกุลอะตอมเดี่ยว (monoatomic molecule) เช่นก๊าซมีตระกูลหรือก๊าซเฉื่อย (noble or inert gas) ได้แก่ He, Ne, Kr, Xe และ Rn โมเลกุลอะตอมคู่ (diatomic molecule) • homonuclear molecule เช่น H2 , O2และ N2 • heteronuclear molecule เช่น HCl และ CO

โมเลกุลที่มีมากกว่าสองอะตอม (polyatomic molecule) • homonuclear molecule เช่น P4และ S8 • heteronuclear molecule เช่น H2O และ C6H12O6

มวลโมเลกุล • เมื่อธาตุต่างกันอย่างน้อย 2 ชนิดมารวมกันจะได้สารประกอบ(สูตรเคมี) เราสามารถคำนวณมวลของสารประกอบได้ เรียกว่า “มวลโมเลกุล” • การคำนวณหามวลโมเลกุลหาจาก ผลรวมของมวลอะตอม x จำนวนอะตอม(หรือ ผลรวมของมวลอะตอมของแต่ละธาตุในสารประกอบ) เช่น CO21 โมเลกุล ประกอบด้วย C 1อะตอม O 2 อะตอม H2SO41 โมเลกุล ประกอบด้วย H 2 อะตอม S 1อะตอม O 4อะตอม

มวลโมเลกุลของเกลือผลึก เกลือผลึกจะมีน้ำเกาะติดกับเกลือผลึก(สารประกอบไอออนิก) สูตรทั่วไปของเกลือผลึก M.nH2O การคำนวณมวลโมเลกุล M.nH2O = มวลโมเลกุล M + n(มวลโมเลกุลของH2O)

คำถามทิ้งท้าย สารประกอบชนิดหนึ่ง 100 โมเลกุล หนัก X กรัม และ C-1210 อะตอม หนัก Y กรัม จงหามวลโมเลกุลของสารประกอบนี้ ถ้ามวลสูตร KMnO4= 158 จงคำนวณหามวลอะตอมของ Mn

ไอออน (ion) • อะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่มีประจุไฟฟ้า เกิดจากโครงสร้างภายในของอะตอมหรือกลุ่มอะตอมมีจำนวนอิเล็กตรอนมากหรือน้อยกว่าจำนวนโปรตอน • ไอออนลบ (negative ion หรือ anion) เช่น F- Cl- O2- • ไอออนบวก (positive ion หรือ cation) เช่น Na+ Ca2+

เนื่องจากไอออนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอิเล็กตรอนในอะตอมหรือกลุ่มอะตอม ซึ่งอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก ไม่มีผลต่อมวลของอะตอมที่เป็นองค์ประกอบ ดังนั้นมวลของไอออนจึงคำนวณจากมวลอะตอมของธาตุองค์ประกอบในไอออนนั้นๆ NH4+มีมวลไอออน = 14 + (4x1) = 18 CO32- มีมวลไอออน = 12 + (3x16) = 60 Br มีมวลอะตอม= 80 Br- มีมวลไอออน = 80

39 x 1.66 x 10-24 g K+มีมวล 1 ไอออนเท่าไร ตัวอย่าง KNO3 1.01 g จะประกอบด้วย K+และ NO3-อย่าง ละกี่กรัม มวลโมเลกุลของ KNO3= 101 มวล K+ไอออน = มวลอะตอม K = 39 มวล NO3- ไอออน = 62 ดังนั้น KNO3101 กรัม ประกอบด้วย K+ไอออน 39 กรัม ถ้า 1.01 กรัม ประกอบด้วย K+ไอออน0.39 กรัม

KNO3101 กรัม ประกอบด้วย NO3- 62 กรัม ถ้า 1.01 กรัม ประกอบด้วย NO3- 0.62 กรัม

สูตรเคมี (chemical formula) กลุ่มสัญลักษณ์ของธาตุหรือสารประกอบ เช่นH2O2เป็นสูตรเคมีของสารประกอบ ซึ่ง 1 โมเลกุลประกอบด้วยHและOอย่างละ2อะตอม

สูตรเคมีจำแนกออกเป็น 3 ประเภท • สูตรอย่างง่าย (empirical formula) • สูตรโมเลกุล (molecular formula) • สูตรโครงสร้าง (structural formula)

สูตรอย่างง่าย (empirical formula) สูตรที่บอกถึงอัตราส่วนของอะตอมของธาตุต่างๆในสูตร เช่น NaCl, H2O และ Na2CO3 สูตรอย่างง่ายหาได้จากการทดลอง

สูตรโมเลกุล (molecular formula) บอกถึงจำนวนอะตอมที่แท้จริงในโมเลกุลนั้น เช่น H2O เป็นสูตรโมเลกุล เพราะน้ำ 1 โมเลกุลประกอบด้วย H 2 อะตอมและ O 1 อะตอม

สูตรซึ่งบอกรายละเอียดว่าอะตอมต่างๆในโมเลกุลจับกันอย่างไรหรือเกิดพันธะอย่างไรเช่น CH4 H H C H H สูตรโครงสร้าง (structural formula)

การคำนวณหา สูตรเอมพิริกัล และสูตรโมเลกุล

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลการคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล ต้องทราบว่าสารประกอบนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง อัตราส่วนโดยน้ำหนักของธาตุทั้งหมดที่ มีอยู่เป็นอย่างไรและน้ำหนักอะตอมของแต่ละธาตุด้วย

การหาสูตรเอมพิริกัล • ต้องรู้มวลของธาตุที่รวมพอดีกัน • หาอัตราส่วนโดยโมลอะตอมของธาตุที่รวมพอดีกัน โดยนำมวลอะตอมไปหารรวมมวลธาตุ • ทำให้เป็นอัตราส่วนต่ำสุดและจำนวนเต็ม • = อัตราส่วนโดยโมลที่ธาตุรวมพอดีกัน • = อัตราส่วนโดยจำนวนอะตอม • 4. เขียนสัญลักษณ์ของแต่ละธาตุ แล้วนำจำนวนอะตอมในข้อ 3 มาใส่ที่มุม ขวาล่างของสัญลักษณ์ จะได้สูตรอย่างง่าย

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลการคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล เมื่อได้สูตรเอมพิริกัลแล้วจะคำนวณหาสูตรโมเลกุลได้เมื่อทราบน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบนั้นๆ สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมพิริกัล)n โดย n = 1, 2, 3,…

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลการคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล Exจากการวิเคราะห์สารประกอบชนิดหนึ่งพบว่าประกอบด้วยกำมะถันและออกซิเจนมีร้อยละโดยน้ำหนักของกำมะถันเป็น 50.05 และออกซิเจน 49.95 ถ้าน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบนี้เท่ากับ 64 จงคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลและสูตรโมเลกุล ( S = 32, O = 16 )

วิธีทำอัตราส่วนโดยน้ำหนักของวิธีทำอัตราส่วนโดยน้ำหนักของ S : O = 50.05 : 49.95 อัตราส่วนโดยจำนวนของอะตอม S : O = =1.56 : 3.12 ทำให้เป็นอัตราส่วนที่เป็นเลขน้อยๆ โดยการหารตลอดด้วย 1.56 = S : O=1 : 2 50.05 49.95 : 32 16 1.56 3.12 : 1.56 1.56

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลการคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล สูตรเอมพิริกัล คือ SO2 สูตรโมเลกุล เป็น (SO2) n (SO2) n = 64 (32 + 16 x 2) n = 64 n = 1 ดังนั้นสูตรโมเลกุลคือ SO2

โมล (mole) เป็นหน่วยบอกจำนวนอนุภาค/ปริมาณของสาร เขียนย่อว่า “mol” โดย 1mol หมายถึง ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาค(อะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคอื่นๆ ) เท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีมวล 12 กรัมพอดี ปริมาณของสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ 1 โมล มีค่าเท่ากับ 6.02 x 1023อนุภาค เลขจำนวนนี้เรียกว่าเลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number)

โมล สาร 1 โมล คือ ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับจำนวนอะตอมของ C-12 ที่มีมวล 12 กรัมอนุภาคนี้ได้แก่ อะตอม โมเลกุล ไอออน เป็นต้น หรือ มวลของสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ 6.02 x 1023อนุภาค คือ เลขอาโวกาโดร ใช้สัญลักษณ์เป็น “mol”

C-12 หนัก 12 x 1.66 x 10-24กรัม จะมีจำนวนอะตอม 1 อะตอม C-12 หนัก 12 กรัม จะมีจำนวนอะตอม = (12 x 1)/(12 x 1.66 x 10-24 ) ดังนั้น C-12 12 กรัม จะมี C-12 จำนวน = 1/1.66 x 10-24 = 6.02 x 1023อะตอม

การนำโมลไปใช้ ถ้าอนุภาค คือ โมเลกุล เรียกว่า โมลโมเลกุล ถ้าอนุภาค คือ อะตอม เรียกว่า โมลอะตอม ถ้าอนุภาค คือ ไอออน เรียกว่า โมลไอออน ถ้าอนุภาค คือ อิเล็กตรอน เรียกว่า โมลอิเล็กตรอน

เช่น Zn 1 โมลอะตอมมีจำนวนอะตอม = 6.02 x 1023 อะตอม H2 1 โมลโมเลกุล มีจำนวนโมเลกุล = 6.02 x 1023โมเลกุล สาร 2 โมล มี 6.02 x 1023 x 2 อนุภาค สาร 0.5 โมล มี 6.02 x 1023 x 0.5 อนุภาค ก๊าซออกซิเจน(O2) 1 โมล หมายถึง 1 โมลโมเลกุล มีออกซิเจน 6.02 x 1023 โมเลกุล โซเดียม(Na) 1 โมล หมายถึง 1 โมลอะตอม มีโซเดียม 6.02 x 1023อะตอม

จำนวนโมลกับมวลของสาร • สารใดๆ 1 โมล(อะตอม) มีมวลเท่ากับ มวลอะตอม (กรัม) • สารใดๆ 1 โมล(โมเลกุล) มีมวลเท่ากับ มวลโมเลกุล(กรัม) • ธาตุ Na มีมวลอะตอม 23 • ดังนั้น จำนวนโมลของ Na 1 โมล(อะตอม) มีมวล = 23 g • ก๊าซ O2มีมวลโมเลกุลเท่ากับ 16 x 2 = 32 • ดังนั้นจำนวนโมลของ O21 โมล(โมเลกุล) มีมวล = 32 g • ซัลเฟตไอออน(SO42-) 1 โมล มีมวล = 32 + (16x4) = 96 g

โมลอะตอม มีจำนวนอะตอม = 6.02 x 1023อะตอม 1 โมลอะตอม ถ้านำไปชั่งจะหนัก = มวลอะตอม (หน่วยกรัม)

Ex. Al 40.5 กรัม จะมีกี่โมล และมีกี่อะตอม(Al=27) หาจำนวนโมลของ Al 40.5 g จาก Al = 27 แสดงว่า Al มวล 27 g คิดเป็น 1 โมล ถ้า Al มวล 40.5 g = 40.5 x 1 = 1.5 โมล 27 จำนวนโมล Al = มวลของ Al กรัม มวลอะตอมของ Al ดังนั้น จำนวนโมล = มวลของธาตุ(กรัม) มวลอะตอม

หาจำนวนอะตอมของ Al มี Al = 1.5 โมลอะตอม Al 1 โมลอะตอมมี = 6.02 x 1023 อะตอม ถ้า Al 1.5 โมลอะตอมมี = 1.5x 6.02 x 1023 = 9.03x1023 อะตอม จำนวนอะตอม = จำนวนโมลอะตอม x 6.02 x 1023 อะตอม

คำถามชวนคิด • ธาตุ S จำนวน 1.2 x 1024อะตอม จะมีกี่โมล และมีมวลเท่าไร (S=32) • ต้องชั่ง Fe มากี่กรัม จึงจะมีจำนวนอะตอมเท่ากับ C 45 กรัม (Fe=56,C=12) • ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)5 โมล จะมีมวลกี่กรัม • จงคำนวณหาจำนวนโมลของสารต่อไปนี้ • ก. ธาตุโพแทสเซียม(K) จำนวน 7.77 x 1022อะตอม • ข. ไอโอดีนโมเลกุล(I2) จำนวน 5.34 x 1025โมเลกุล • ค. โพแทสเซียมไอโอไดด์(KI) จำนวน 1.25 x 1021 โ • มเลกุล

จำนวนโมล (mol)= น้ำหนักของสาร(กรัม) น้ำหนักอะตอมหรือน้ำหนักโมเลกุล

คำว่าโมลอาจใช้ได้กับสารหลายๆ อย่างแล้วแต่สิ่งที่อ้างถึง เป็นต้นว่า อะตอม และโมเลกุล หรือไอออน อิเล็กตรอน ## ต้องระวังเป็นพิเศษที่จะต้องบอกถึงสิ่งที่อ้างถึง • เช่น ออกซิเจน 1 โมลอะตอมจะมี 6.02 x 1023อะตอม และมีน้ำหนัก 16 g ส่วนออกซิเจน 1 โมลโมเลกุล จะมี 6.02 x 1023โมเลกุล และมีน้ำหนัก 32 g • สารประกอบไอออนิก 1 โมล มีปริมาณเท่ากับ 6.02 x 1023หน่วย เช่น CaCl2 1 โมล จะมี CaCl2 จำนวน 6.02 x 1023หน่วย ซึ่งความจริงประกอบด้วย Ca2+ 6.02 x 1023 ไอออน (Ca 2+ 1 โมล)และ Cl- 2(6.02 x 1023) ไอออน(Cl- 2 โมล)

Exถ้ามีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หนัก 9.24 g จงคำนวณหา ก. จำนวนโมล CO2 ข. จำนวนโมเลกุล CO2 ค. จำนวนโมลของแต่ละธาตุใน คาร์บอนไดออกไซด์จำนวนนี้ ง. จำนวนอะตอมของแต่ละธาตุ ( C = 12.0 O = 16.0 )

วิธีทำ • น้ำหนักโมเลกุลของ CO2 • = 12.0 + ( 2 x 16.0 ) • = 44.0 • จำนวนโมลของ CO2= 9.24 • 44.00 • = 0.210 mol

ปริมาณสารสัมพันธ์ Stoichiometry