ปริมาณสารสัมพันธ์

ปริมาณสารสัมพันธ์
เป็นวิชาเคมีที่ศึกษาเกี่ยวกับปริมาณของสารตั้งต้น ผลผลิต และพลังงานของสารที่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาเคมี และกล่าวถึง อะตอม โมเลกุล ไอออน สูตรโมเลกุล วิธีการหาสูตร สมการ การขียนสมการทางเคมี และการคำนวณโดยใช้สมการเคมี
ทำไม ? ต้องเรียนปริมาณสารสัมพันธ์
1. ใช้คาดคะเนปริมาณสารตั้งต้น เพื่อที่จะได้ผลผลิตที่มีปริมาณตามต้องการ
2. ใช้ประกอบการเลือกปฏิกิริยาที่ประหยัดที่สุดในทางอุตสาหกรรมและการค้า
3. บอกได้ว่าตัวทำปฏิกิริยาใดหมด หรือตัวทำปฏิกิริยาใดจะเหลือ
สูตรเคมี (Chemical formula)
คือ กลุ่มสัญลักษณ์ของธาตุหรือสารประกอบ โดยเขียนบอกเพื่อให้ทราบว่า สารนั้นๆ 1 โมเลกุลประกอบด้วยธาตุใดบ้าง อย่างละกี่อะตอม เช่น H2O2
1 โมเลกุล ประกอบด้วย H และ O อย่างละ 2 อะตอม สูตรเคมี จำแนกได้ 3 ชนิด ดังนี้
1. สูตรเอมพิริกัล (empirical formula) คือ กลุ่มสัญลักษณ์ที่เขียนเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนอะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นสารประกอบนั้น เช่น CH2O เป็นสูตรเอมพิริกัลของ C6H12O6
2. สูตรโมเลกุล (molecular formula) คือ กลุ่มสัญลักษณ์ที่เขียนเพื่อระบุว่า ธาตุหรือสารประกอบนั้น 1 โมเลกุลประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง เช่น H2O2 1 โมเลกุลประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน และออกซิเจนอย่างละ 2 อะตอม แต่บางทีสูตรโมเลกุลกับสูตรเอมพิริกัลก็อาจเป็นสูตรเดียวกันในกรณีของ H2O
หรือบางทีสูตรโมเลกุลอาจเป็นพหุคูณของตัวเลขลงตัวกับสูตรเอมพิริกัลก็ได้ เช่น C3H6 ,H2O2
เขียนความสัมพันธ์ทั่วไปได้ว่า
สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมพิริกัล)n
เมื่อ n = 1, 2, 3,…
3. สูตรโครงสร้าง (Structural formula) คือสูตรโมเลกุลนั่นเอง แต่เขียนแสดงการเกาะเกี่ยวของอะตอมในโมเลกุลด้วย การใช้สูตรโครงสร้างจะเหมาะสมกว่าการใช้สูตรโมเลกุลสำหรับสารต่างชนิดกันที่มีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน เช่น C2H6O อาจจะเป็น ethanol หรือ dimethyl ether ก็ได้

H H
H C C OH , ethanol
H H
H H
H C O C H , dimethyl ether
H H

น้ำหนักอะตอม น้ำหนักโมเลกุล และน้ำหนักสูตร
น้ำหนักอะตอม
เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมากๆ ไม่สามารถชั่งหามวลที่แท้จริงได้โดยตรง
 ใช้มวลเปรียบเทียบ
(relative mass)
โดยเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน 12C

หน่วยมาตรฐาน
atomic mass unit (amu) โดยที่
1 amu = 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
1 amu = 1.6610-24 g.
 1 g. = 6.021023 amu
มวลอะตอมของธาตุใดๆ จึงเป็นตัวเลขที่แสดงว่า ธาตุนั้น 1 อะตอม มีมวลเป็นกี่เท่าของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม


ตัวอย่างที่ 1 ทังสเตนมีมวลอะตอม 183.84 amu
จงหาน้ำหนักเป็นกรัมของทังสเตน 25 อะตอม
วิธีทำ
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
ถ้ามวล 4.596 x 103 amu = 7.629 x 10-21 g

ตอบ : ทังสเตน 25 อะตอม มีมวล 7.629 x 10-21 g

น้ำหนักโมเลกุล
มวลโมเลกุล = มวลของธาตุ 1 โมเลกุล
1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
มวลโมเลกุลของสารใดๆ บอกให้ทราบว่า ธาตุนั้น
1 โมเลกุล มีมวลเป็นกี่เท่าของ 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม
ตัวอย่างที่ 2 มวลโมเลกุลของสาร หาได้จากผลบวกของมวลอะตอมของธาตุทั้งหมดในโมเลกุล 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 #




ตัวอย่างที่ 3 จงคำนวณน้ำหนักโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคสซึ่งมีสูตรโมเลกุล C6H12O6
วิธีทำ
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 #

น้ำหนักสูตร (Formular Weight)
• สารประกอบอิออนิก อยู่ในรูปผลึกที่ประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบจำนวนมาก
• สูตรของสาร จะเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของไอออนบวกและไอออนลบ ซึ่ง ไม่ใช่สูตรโมเลกุล
เช่น NaCl มีไอออนบวกและลบ เป็นอัตราส่วน
1:1
• น้ำหนักสูตร หาได้จากการเปรียบเทียบกับมวลของธาตุมาตรฐาน หรือ คิดจากผลบวกของมวลอะตอมของธาตุต่างๆในสูตรของสารนั้น
ตัวอย่างที่ 4 จงคำนวณหาน้ำหนักสูตรของสารประกอบต่อไปนี้
วิธีทำ
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 #

การคำนวนหาสูตรเอมพิริกัลและสูตรโมเลกุล
ต้องทราบ
- สปก. นั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
- อัตราส่วนโดยน้ำหนักของธาตุทั้งหมดที่มีอยู่เป็นอย่างไร
- น้ำหนักอะตอมของแต่ละธาตุด้วย
สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมพิริกัล)n , n = 1, 2, 3, …
0.1 – 0.2 ปัดทิ้ง
0.3 – 0.7 ปัดทิ้งไม่ได้ ต้องหาตัวเลขที่มีค่าต่ำสุดมาคูณให้มีค่า ใกล้เคียงกับตัวเลขที่จะปัดได้
0.8 – 0.9 ปัดขึ้น 1

ตัวอย่างที่ 5 จากการวิเคราะห์สารประกอบชนิดหนึ่ง พบว่าประกอบด้วยกำมะถันและออกซิเจน มีร้อยละโดยน้ำหนักของกำมะถันเป็น 50.05 และออกซิเจน 49.95 ถ้าน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบนี้เท่ากับ 64 จงคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล และสูตรโมเลกุล (S = 32, O = 16)
วิธีทำ อัตราส่วนโดย นน. ของ S : O = 50.05:49.95
อัตราส่วนโดยจำนวนอะตอมของ
S : O = 50.05/32 : 49.95/16
= 1.56 : 3.12
= 1 : 2
สูตรเอมพิริกัลคือ SO2
สูตรโมเลกุลเป็น (SO2)n
(SO2)n = 64
(32 + 16 × 2)n = 64
n = 1
สูตรโมเลกุลคือ SO2 #
โมล (mole)
โมล : ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับจำนวนอะตอมของ C-12 ที่มีมวล 12 กรัม ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6.02 x 1023 อะตอม
อนุภาคในที่นี้อาจเป็นอาจเป็นอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน ก็ได้ เลขจำนวน 6.02 x 1023 เรียกว่า
เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number)

“Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna di Cerreto”



สรุป
1 โมลของสารใดๆ หมายถึง ปริมาณสารจำนวน
6.02 x 1023 อนุภาค
ซึ่งมีมวลเท่ากับมวลอะตอมของธาตุหรือมวลโมเลกุลของสารนั้นๆ

โมลของสารที่มีสถานะเป็นแก๊ส
แก๊ส 1 โมล มีปริมาตร 22.4 ลิตร ที่ STP มีจำนวน 6.02 x 1023 โมเลกุล
STP = Standard Temperature Pressure;
อุณหภูมิ 0 °C ความดัน 1 บรรยากาศ

• โมลของสาร = น้ำหนักของสาร (g)
มวลอะตอมหรือมวลโมเลกุล (g/mol)
• จำนวนอะตอมหรือโมเลกุลของสาร
= โมลของสาร x 6.02 x 1023

• ปริมาตรแก๊สที่ STP
= โมลของแก๊ส x 22.4 ลิตร





ตัวอย่างที่ 6 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 โมเลกุล
= 5.42 x 1023 โมเลกุล #
ปริมาตรที่ STP = จำนวนโมล x 22.4 ลิตร
= 0.90 x 22.4
= 20.16 ลิตร #

สมการเคมี
สมการเคมี ประกอบด้วยสัญลักษณ์หรือสูตรของสารต่างๆ
- ใช้เขียนแทนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
- บอกให้ทราบว่า สารใดทำปฏิกิริยากันและเกิด
สารใดบ้าง
- ใช้ในการคำนวณปริมาณสัมพันธ์ของสารต่าง
ในปฏิกิริยานั้นๆ




สมการเคมี เขียนได้ 2 แบบ
สมการแบบโมเลกุล
- แสดงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสาร อาจมีการแสดงสถานะทางกายภาพของสาร เช่น (g), (l), (s), (aq)
เช่น CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)

สมการไอออนิก
- ใช้สำหรับปฏิกิริยาที่มีสารประกอบไอออนิกเข้ามาเกี่ยวข้อง เขียนเฉพาะไอออนและโมเลกุลที่จำเป็นและเกิดปฏิกิริยาเท่านั้น สารที่แตกตัวเป็นไอออนในน้ำได้น้อย สารที่ไม่ละลาย สารที่ตกตะกอนหรือสารที่เป็นแก๊ส 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)
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)

ก่อนที่จะนำสมการเคมีมาใช้ในการคำนวณ การเคมีนั้นต้องดุลเสียก่อน นั่นคือจะต้องเป็นไปตาม กฎทรงมวล (อะตอมของแต่ละธาตุทางซ้ายมือของสมการนั้นจะต้องเท่ากับอะตอมของแต่ละธาตุทางขวามือของสมการ)


ประกอบไปด้วยขั้นตอน ต่อไปนี้
1. เริ่มดุลจากโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดหรือโมเลกุลทีประกอบด้วยธาตุมากที่สุดก่อน
2. ดุลโลหะ
3. ดุลอโลหะ(ยกเว้น H และ O)
4. ดุล H และ O
5. ตรวจดูจำนวนของธาตุในสมการ

จงดุลสมการต่อไปนี้
1. _ H2 + _ O2 ----> _ H2O
2H2 + O2 ----> 2H2O
2. _ C3H8 + _ O2 ----> _ CO2 + _ H2O
C3H8 + 5O2 ----> 3CO2 + 4H2O
3. _ Na2O2 + _ H2O ----> _NaOH + _O2
2Na2O2 + 2H2O ----> 4NaOH +O2
4. _ KClO3 ----> _ KCl + _ O2
2KClO3 ----> 2KCl + 3O2

5. _ KClO3 + _ C12H22O11 ----> _ KCl + _CO2 + _H2O
8KClO3 + C12H22O11 ----> 8KCl + 12CO2 + 11H2O

การคำนวณจากสมการเคมี
- เขียนสมการเคมีของปฏิกิริยานั้น พร้อมดุลสมการให้ถูกต้อง
- พิจารณาเฉพาะสารที่ต้องการทราบและสารที่กำหนดให้ที่มีความเกี่ยวข้องกัน
- นำข้อมูลที่กำหนดให้มาคำนวณเพื่อหาปริมาณสารที่ต้องการ







ตัวอย่างที่ 7 จงคำนวณว่าต้องใช้สังกะสีกี่กรัม และกี่โมล ทำปฏิกิรยากับกรดเกลือ 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
จะต้องใช้สังกะสี = 0.654 g หรือ = 0.01 mol

สารกำหนดปริมาณ
• ถ้าสารที่ทำปฏิกิริยามีปริมาณไม่พอดีกัน ปฏิกิริยาจะสิ้นสุดเมื่อสารใดสารหนึ่งหมด
• สารที่หมดก่อนจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของผลผลิตที่เกิดขึ้น เรียกว่า สารกำหนดปริมาณ (Limiting reagent)

ตัวอย่างที่ 8 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 มักเปรียบเทียบผลได้จริงกับผลตามทฤษฎีในรูปของ ผลได้ร้อยละ (Percentage yield)

ผลได้ร้อยละ = ผลได้จริง X 100
ผลได้ตามทฤษฎี
ตัวอย่างที่ 9 จงหาปริมาณผลผลิตตามทฤษฎี(เป็นกรัม) ของทองแดงที่ได้จากการแยก คอปเปอร์(I) ซัลไฟด์ (Cu2S) 1590 g.
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ Cu2S +O2 ----> 2Cu + SO2
ถ้าผลการทดลองได้ทองแดง 1,200 g. จงคำนวณหาผลผลิตร้อยละ
Cu2S 1590 g. = 1590 = 10 mol
159
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 #
1270
ความร้อนของปฏิกิริยา
การเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือปฏิกิริยาเคมี มักมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้อง

• ปฏิกิริยาที่ระบบคายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม
เรียก ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction)

• ปฏิกิริยาที่ระบบดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม
เรียก ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction)

การสลายพันธะ ต้องให้พลังงานกับระบบ
(ระบบดูดพลังงานเข้าไป)
การเกิดพันธะใหม่ มีการคายพลังงานออกจากระบบ (ระบบให้พลังงานออกมา)




ตัวอย่างที่ 10 จงคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนของปฏิกิริยาต่อไปนี้
H2 (g) + 1 O2 (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 และพันธะที่เกิดขึ้น คือ H-O

พลังงานที่ต้องใช้เพื่อสลายพันธะ H-H และ O=O
= 431 kJ + 1 (485.0 kJ) = 673.5 kJ
2
พลังงานที่ถูกคายออกมาเพื่อสร้างพันธะ H-O
2 พันธะ = 2 (463.0 kJ) = 926.0 kJ
ความร้อนที่เปลี่ยนแปลง = 926.0 – 673.5
= 252.5 kJ
จะได้ว่า ความร้อนที่ระบบคายออกมา มากกว่า ความร้อนที่ถูกดูดเข้าไป ปฏิกิริยาในข้อนี้จึงเป็น”ปฏิกิริยาคายความร้อน