ปริมาณสารสัมพันธ์

ปริมาณสารสัมพนั ธ์

Stoichiometry มาจากคาผสมกรีกสองคา Stoichion แปลว่าธาตุ และ metron แปลว่าการวดั ใช้ระบุความสัมพนั ธ์เชิงปริมาณของ องค์ประกอบของสารและปฏกิ ริ ิยาเคมี ทเี่ กย่ี วข้อง

ความสาคญั และประโยชน์

1. สามารถใช้คาดคะเนปริมาณของ สารที่จะต้องใช้เป็ นสารต้ังต้น เพ่ือที่จะได้ผลติ ผลท่มี ีปริมาณ ตามต้องการ

2) สามารถนาไปตคี วาม หรืออธิบายผลจากเคมีวเิ คราะห์

3) สามารถนาไปใช้ประกอบการเลือก ปฏกิ ริ ิยาทปี่ ระหยดั ทส่ี ุดในทาง อุตสาหกรรมและทางการค้า

4) สามารถบอกได้ว่าตัวทา ปฏิกริ ิยาใดทาปฏกิ ริ ิยาจนหมด หรือตวั ทาปฏกิ ริ ิยาใดจะเหลือ เป็ นต้น

1.1 อะตอม โมเลกลุ ไอออน และสูตรเคมี

อะตอม (atom) อนุภาคทเ่ี ลก็ ทสี่ ุดของธาตุ ทส่ี ามารถทาปฏิกริ ิยาเคมีได้ เช่น H, C, Al

โมเลกลุ (molecule) หน่วยโครงสร้างทเ่ี ลก็ ทส่ี ุดของธาตุ หรือสารประกอบทสี่ ามารถอยู่ได้โดย อสิ ระและยงั คงมสี มบัตขิ องธาตุหรือ สารประกอบน้ัน ๆ โดยสมบูรณ์

โมเลกลุ อะตอมเดย่ี ว (monoatomic molecule) เช่น แก๊สมตี ระกลู หรือแก๊สเฉื่อย (noble or inert gas) ได้แก่ He, Ne, Kr, Xe และ Rn

โมเลกลุ อะตอมคู่ (diatomic molecule) ➢ homonuclear molecule เช่น H2 , O2 และ N2 ➢ heteronuclear molecule เช่น HCl, CO และ HF

โมเลกลุ ทม่ี มี ากกว่าสองอะตอมขนึ้ ไป (polyatomic molecule) ➢ homonuclear molecule เช่น P4 และ S8 ➢ heteronuclear molecule เช่น H2O, CH4 และ C6H12O6

ไอออน (ion) อะตอมหรือกล่มุ อะตอมทมี่ ปี ระจุ ➢ ไอออนลบ (negative ion หรือ anion) เช่น F- Cl- O2- ➢ ไอออนบวก (positive ion หรือ cation) เช่น Na+ Ca2+

สูตรเคมี (chemical formula) กลุ่มสัญลกั ษณ์ของธาตุหรือสารประกอบ เช่น H2O2 เป็ นสูตรเคมขี องสารประกอบ ซึ่ง 1 โมเลกลุ ประกอบด้วย H และ O อย่างละ 2 อะตอม

สูตรเคมจี าแนกออกเป็ น 3 ประเภท ➢ สูตรอย่างง่าย (empirical formula) ➢ สูตรโมเลกลุ (molecular formula) ➢ สูตรโครงสร้าง (structural formula)

สูตรอย่างง่าย สูตรทบ่ี อกถงึ อตั ราส่วนของอะตอม ของธาตุต่าง ๆ ในสูตร เช่น NaCl, H2O และ Na2CO3 สูตรอย่างง่ายหาได้จากการทดลอง

สูตรโมเลกลุ บอกถงึ จานวนอะตอมทแ่ี ท้จริงใน โมเลกลุ น้ัน เช่น H2O เป็ นสูตรโมเลกลุ เพราะนา้ 1 โมเลกลุ ประกอบด้วย H 2 อะตอม และ O 1 อะตอม

สูตรโครงสร้าง สูตรซึ่งบอกรายละเอยี ดว่า อะตอมต่าง ๆ ในโมเลกลุ จบั กนั อย่างไร หรือเกดิ พนั ธะอย่างไร เช่น CH4 H H CH H

2.2 นา้ หนักอะตอม นา้ หนักโมเลกลุ และนา้ หนักสูตร

เน่ืองจากอะตอมมขี นาดเลก็ มาก อะตอมเบาทสี่ ุดมมี วลประมาณ 1.6 X 10-24 กรัม ทาให้ไม่สามารถชั่งมวลของอะตอมโดยตรงได้ จงึ ไม่นิยมใช้มวลท่ีแท้จริง (absolute mass) แต่นิยมใช้มวลเปรียบเทียบ (relative mass) เรียกว่า นา้ หนักอะตอม

นา้ หนักอะตอมของธาตุ เป็ นมวลเฉลย่ี ของบรรดาไอโซโทป ทม่ี ปี รากฏในธรรมชาตขิ องธาตุน้ัน เปรียบเทยี บกบั มวลของธาตุมาตรฐาน

ค.ศ. 1961 ใช้ 12C ซ่ึงเป็ นไอโซโทปหนึ่ง ของธาตุคาร์บอนเป็ นมาตรฐานและ ได้กาหนด atomic mass unit (amu) ขนึ้ (ต่อมาได้เรียกหน่วย amu เป็ น Dalton, D) โดยมีนิยามว่าเป็ น ของมวลรวม 12C ดงั น้ัน มวลของอะตอม C = 12.00 D

และใช้ค่าของ D ( 1 amu ) เป็ นมาตรฐานในการกาหนด ค่านา้ หนักอะตอมของธาตุ ค่า 1 D ( 1 amu ) = 1.66053 x 10-24 กรัม

ในธรรมชาติ ธาตุเกือบท้งั หมดมไี อโซโทป เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีสองไอโซโทป คือ 1H และ 2H ดงั น้ัน นา้ หนักอะตอมของธาตุทใ่ี ช้จงึ เป็ น นา้ หนักอะตอมเฉลยี่ ของไอโซโทปของธาตุน้ัน ๆ โดยเฉลยี่ ตามอตั ราส่วนของปริมาณของ ไอโซโทปทีม่ ปี รากฏจริง ๆ ในธรรมชาติ

นา้ หนักโมเลกลุ หรือนา้ หนักสูตร นา้ หนักซึ่งได้มาจากผลบวกของ นา้ หนักอะตอมของแต่ละธาตุใน โมเลกลุ หรือหน่วยสูตรน้ัน

Ex จงคานวณนา้ หนักโมเลกลุ ของนา้ ตาล กลโู คสซ่ึงมสี ูตรโมเลกลุ C6H12O6 วธิ ีทา นา้ หนักโมเลกลุ คือ ผลบวกของนา้ หนัก อะตอมของแต่ละธาตุในโมเลกลุ น้ัน 6 x นา้ หนักอะตอมของ C = 6 x 12.01 D = 72.06 D 12 x นา้ หนักอะตอมของ H = 12 x 1.00 D = 12.00D 6 x นา้ หนักอะตอมของ O = 6 x 16.00 D = 96.00 D รวม = 180.06 D ดงั น้ัน นา้ หนักโมเลกลุ ของกลูโคส = 180.06 D

2.3 การคานวณหา สูตรเอมพริ ิกลั และสูตรโมเลกลุ

การคานวณหาสูตรเอมพริ ิกลั ต้องทราบว่าสารประกอบน้ันประกอบ ด้วยธาตุอะไรบ้าง อตั ราส่วนโดยนา้ หนัก ของธาตุท้งั หมดทมี่ อี ยู่เป็ นอย่างไรและ นา้ หนักอะตอมของแต่ละธาตุด้วย

เม่ือได้สูตรเอมพริ ิกลั แล้วจะคานวณ หาสูตรโมเลกลุ ได้ เม่ือทราบนา้ หนัก โมเลกลุ ของสารประกอบน้ัน ๆ สูตรโมเลกลุ = (สูตรเอมพริ ิกลั )n โดย n = 1, 2, 3,…

Ex จากการวเิ คราะห์สารประกอบชนิดหน่ึง พบว่าประกอบด้วยกามะถนั และออกซิเจน มีร้อยละโดยนา้ หนักของกามะถนั เป็ น 50.05 และออกซิเจน 49.95 ถ้านา้ หนัก โมเลกลุ ของสารประกอบนีเ้ ท่ากบั 64 จงคานวณหาสูตรเอมพริ ิกลั และสูตรโมเลกลุ ( S = 32, O = 16 )

วธิ ีทา อตั ราส่วนโดยน้าหนักของ S : O = 50.05 : 49.95 อตั รSาส:่วOนโด=ยจ5า0น3.20ว5น:ข4อ91ง.6อ95ะตอม = 1.56 : 3.12 โดทยากใหาร้เปห็ นารอตตั ลรอาสด่วดน้วทยี่เป1็ .น5เ6ลข=น้อ1ย.56ๆ : 3.12 1.56 1.56 S:O = 1 : 2

สูตรเอมพริ ิกลั คือ SO2 สูตรโมเลกลุ เป็ น (SO2) n (SO2) n = 64 (32 + 16 x 2) n = 64 n=1 ดงั น้ันสูตรโมเลกลุ คือ SO2

2.4 โมล นิยมใช้หน่วยโมลเพื่อบอกปริมาณของสาร โดยหน่ึงโมลมีค่าเท่ากบั 6.02 x 1023 อนุภาค ซึ่งเท่ากบั จานวนอะตอมของ 12C หนัก 12.0 กรัม เลขจานวนนีเ้ รียกว่าเลข อโวกาโดร (Avogadro’s number)

และหนึ่งโมลอะตอมของธาตุใด ๆ จะมนี า้ หนักเท่ากบั นา้ หนักอะตอม ของธาตุน้ัน ๆ ในหน่วยเป็ นกรัม เช่น นา้ (H2O) 1 โมล จะหนัก 18.0 กรัม และจะมจี านวนโมเลกลุ เท่ากบั 6.02 x 1023

จานวนโมล = น้าหนักของสาร (กรัม) นา้ หนักอะตอมหรือนา้ หนักโมเลกลุ

Ex ถ้ามแี ก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หนัก 9.24 g จงคานวณหา ก. จานวนโมล CO2 ข. จานวนโมเลกลุ CO2 ค. จานวนโมลของแต่ละธาตุใน คาร์บอนไดออกไซด์จานวนนี้ ง. จานวนอะตอมของแต่ละธาตุ ( C = 12.0 O = 16.0 )

วธิ ีทา ก. นา้ หนักโมเลกลุ ของ CO2 = 12.0 + ( 2 x 16.0 ) = 44.0 จานวนโมลของ CO2 = 9.24 44.0 = 0.210 โมล

ข. CO2 1 mol มี 6.02 x 1023 โมเลกลุ CO2 0.210 mol มี 0.210 x 6.02 x 1023 โมเลกลุ = 1.26 x 1023 โมเลกลุ

ค. ใน 1 โมเลกลุ ของ CO2 มี C 1 อะตอม และ O 2 อะตอม ดงั น้ัน CO2 1 mol จึงประกอบด้วย C 1 mol และ O 2 mol CO2 0.210 mol จึงประกอบด้วย C 0.210 x 1 = 0.210 mol และ O 0.210 x 2 = 0.420 mol

ง. CO2 1.26 x 1023 โมเลกลุ จะมี C = 1 x 1.26 x 1023 อะตอม = 1.26 x 1023 อะตอม และ O = 2 x 1.26 x 1023 = 2.52 x 1023 อะตอม

2.5 สมการเคมี  สมการเคมเี ป็ นส่ิงทเี่ ขยี นแทนปฏกิ ริ ิยาเคมี บอกให้ทราบชนิดของสารท่ีเข้าทาปฏิกริ ิยากนั (reactants) และชนิดของสารที่เป็ นผลผลติ ของ ปฏกิ ริ ิยา (products)  โดยเขยี นสารท่เี ข้าทาปฏิกริ ิยากนั ไว้ทางซ้ายมือ และสารทเ่ี ป็ นผลติ ผลไว้ทางขวามือของลูกศรท่ี มที ศิ ทางชี้ไปทางสารท่ีเกดิ ขนึ้ จากปฏิกริ ิยา

สมการเคมเี ขยี นได้ 2 แบบ คือ ก. สมการแบบโมเลกลุ แสดงปฏกิ ริ ิยา ระหว่างโมเลกลุ ของสาร สมการโมเลกลุ ทดี่ ุลแล้วจะต้องมจี านวน อะตอมของแต่ละธาตุท้งั สองข้างลูกศร เท่ากนั CH4 (g) +2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O(g)

ข. สมการไอออนิก นิยมใช้สาหรับปฏิกริ ิยาทม่ี สี ารประกอบ ไอออนิกเข้ามาเกยี่ วข้อง จะเขียนเฉพาะ ไอออนและโมเลกลุ ทจี่ าเป็ นและเกดิ ปฏกิ ริ ิยาเท่าน้ัน

เช่น สมการแบบโมเลกลุ NaCrO2 + NaClO +NaOH Na2CrO4 + NaCl + H2O เน่ืองจากเป็ นสารประกอบไอออนิก เม่ืออยู่ในนา้ จะแตกตวั ให้ไอออน Na+ + CrO2− + Na+ + ClO− + Na+ + OH − → 2 Na+ + CrO24− + Na+ + CI− + H2O

Na+ ปรากฏอยู่ท้งั ซ้ายมือและขวามือของสมการ แสดงว่าไม่ได้เข้าร่วมในการทาปฏิกริ ิยา ดงั น้ัน สมการไอออนิกที่เขยี นจงึ ไม่จาเป็ นต้อง เขียน Na+ ไว้ด้วย ดังนี้ Na + + CrO − + N a + + C lO − + Na + + OH − → 2 Na + + CrO24− + Na + + C I− + H O 2 2 CrO2− + ClO− + OH − CrO24− + Cl− + H 2O 2C rO − + 3C lO − + 2OH − 2C rO 2− + 3Cl− + H 2O 2 4

2.6 การคานวณทเ่ี กย่ี วข้องกบั สมการเคมี สมการเคมีบอกถงึ สารที่เกยี่ วข้องใน ปฏกิ ริ ิยาเคมี ความสัมพนั ธ์เชิงปริมาณ ของสารต่าง ๆ ท่เี กย่ี วข้องในปฏิกริ ิยา และสามารถคานวณปริมาณของผลติ ผล ท่ไี ด้จากปฏกิ ริ ิยาเคมี

CaC2(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(aq) + C2H2(g) ……. 1 12 1 1 โมเลกลุ 12 1 1 โมล 6.02 x 1023 2(6.02 x 1023) 6.02 x 1023 6.02 x 1023 โมเลกลุ 64.1 2(18.0) 74.1 26.0 กรัม 22.4 ลติ ร(dm3) ท่ี STP

Ex จากสมการ (1) ถ้าใช้ CaC2 2.5 mol ทาปฏกิ ริ ิยากบั นา้ ที่มีปริมาณมากเกนิ พอ ก. ได้ C2H2(g) เกดิ ขนึ้ กโ่ี มล ข. ได้ C2H2(g) เกดิ ขนึ้ กก่ี รัม ค. ได้ C2H2(g) เกดิ ขนึ้ กล่ี ติ ร ท่ี STP ง. นา้ ทาปฏกิ ริ ิยาไปกโี่ มลและกก่ี รัม (Ca = 40.1 , C = 12.0, H = 1.0)

CaC2(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(aq) + C2H2(g) ……. 1 วธิ ีทา ก. จากสมการ 1 จะเห็นว่า CaC2 1 mol ให้ C2H2 1 mol CaC2 2.5 mol ให้ C2H2 2.5 mol ด้วย