โมลและสูตรเคมี

บทท่ี 4 โมลและสตู รเคมี

4.1 มวลอะตอม จดุ ประสงค์ 1.บอกความหมายของมวลอะตอมของธาตุ มวลอะตอมสมั พทั ธ์ และมวลอะตอมเฉลย่ี ของธาตุ 2.คานวณมวลอะตอมของธาตแุ ละมวลอะตอมสมั พทั ธ์ 3.คานวณมวลอะตอมเฉลย่ี ของธาตุ 2

แนวการจดั การเรียนรู้ มวลอะตอมของธาตุ (atomic mass) - มวลอะตอมของธาตุสามารถหาไดอ้ ยา่ งไร? มวลของธาตุ 1 อะตอม = ผลรวมของมวลโปรตอน นิวตรอน และอเิ ลก็ ตรอน = ผลรวมของมวลโปรตอน และนิวตรอน มวลอะตอมสมั พทั ธ์ (Relation atomic mass) ไดจ้ ากการเปรยี บเทยี บมวลอะตอมกบั มวลอะตอมของธาตุมาตรฐาน ธาตุมาตรฐานทใ่ี ชเ้ ปรยี บเทยี บ คอื 12C โดยกาหนดให้ 12C จานวน 1 อะตอม มมี วล 12 หน่วยมวลอะตอม ดงั นัน้ 1 หน่วยมวลอะตอม มคี า่ เท่ากบั 1 มวลของ 12C จานวน 1 อะตอม (เทา่ กบั 1.66x10-24 กรมั ) 12 3

เขยี นเป็นสมการไดด้ งั น้ี มวลอะตอมสมั พทั ธ์ = 1 มวลอะตอมของธาตุ มวลอะตอมสมั พทั ธ์ = มวลอะตอมของธาตุ (������) 12 มวลของ 12������ 1 อะตอม 1.66 ������ 10−24 (������) ตวั อยา่ งการคานวณ 4

ทบทวนความร้เู ก่ียวกบั ไอโซโทป ธาตุแต่ละชนดิ อาจมหี ลายไอโซโทป ทาใหม้ มี วลอะตอมหลายคา่ ดงั นนั้ ในการคานวณจงึ ใชม้ วลอะตอม ทไ่ี ดจ้ ากการเฉลย่ี ของมวลอะตอมแต่ละไอโซโทป มวลอะตอมเฉลย่ี ของธาตุ = ผลรวมของ [ %ไอโซโทป มวลอะตอมของไอโซโทป ] 100 5

ตวั อย่างการคานวณ ธาตทุ ่ีมีหลายไอโซโทป คารบ์ อนมี 3 ไอโซโทป คอื 12C 13C และ 14C ซง่ึ 12C มมี วลอะตอม 12.0000 มปี รมิ าณรอ้ ยละ 98.930 13C มมี วลอะตอม 13.0034 มปี รมิ าณรอ้ ยละ 1.070 สว่ น 14C เป็นไอโซโทปกมั มนั ตรงั สมี ปี รมิ าณน้อยมาก จากสตู ร มวลอะตอมเฉลย่ี ของธาตุ = ผลรวมของ [ %ไอโซโทป มวลอะตอมของไอโซโทป ] แทนคา่ 100 มวลอะตอมเฉลย่ี ของ C = 98.930������12.0000 + 1.070 ������ 13.0034 100 100 = 11.872 + 0.1391 = 12.011 6

ตาราง 4.1 มวลอะตอมของไอโซโทป ปรมิ าณรอ้ ยละของไอโซโทป และมวลอะตอมเฉลย่ี ของธาตุบางชนิด ไอโซโทป มวลอะตอมของ ปริมาณร้อยละท่ีพบในธรรมชาติ มวลอะตอมเฉลี่ย ไอโซโทป 14N 14.0031 99.632 14.007 15N 15.0001 0.368 16O 15.9949 99.757 16.000 17O 16.9991 0.038 18O 17.9992 0.205 20Ne 19.9924 90.480 20.179 21Ne 20.9938 0.270 22Ne 21.9914 9.250 35Cl 34.9689 75.780 35.452 37Cl 36.9659 24.220 7

ตารางธาตุ 8

4.2 โมล 4.2.1 มวลตอ่ โมล 4.2.2 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งโมล มวล และปรมิ าตรของแก๊ส จุดประสงค์ 1.อธบิ ายความหมายของโมลและเลขอาโวกาโดร 2.คานวณมวลโมเลกุลและมวลสตู ร 3.อธบิ ายความสมั พนั ธข์ องโมล มวล จานวนอนุภาค และปรมิ าตรของแกส๊ ท่ี STP 4.คานวณปรมิ าณสารจากความสมั พนั ธข์ องโมล มวล จานวนอนุภาค และปรมิ าตร ของแก๊สท่ี STP 9

แนวการจดั การเรียนรู้ - พดู ถงึ หนว่ ยวดั ปรมิ าณสงิ่ ของในชีวติ ประจาวนั กรมั กิโลกรมั ลติ ร โหล เช่ือมโยงไปสกู่ ารบอกปรมิ าณสารเคมที เ่ี ป็นหนว่ ยมวล หนว่ ยปรมิ าตร หรอื หนว่ ยแสดงจานวนอนแภุตาเ่ นค่อื งจากสารประกอบดว้ ยอนภุ าคท่มี ขี นาดเลก็ และจานวนมาก นา้ ตาลทราย 1 เกลด็ มี C12H22O11 1.0 x 1017 โมเลกลุ 3.3 x 1022 โมเลกลุ นา้ 1 กรมั มี H2O นกั เคมจี ึงกาหนดหนว่ ยแสดงจานวนอนภุ าคของสารเป็นหนว่ ยใหญ่ ซง่ึ สมั พนั ธก์ บั ปรมิ าณสารทีว่ ดั ไดใ้ นชีวติ ประจาวนั โดยใหช้ ่ือวา่ โมล mole 10

IUPAC กาหนดให้ สาร 1 โมล มจี านวนอนุภาคเทา่ กบั 6.02214076 x 1023 อนุภาค เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number) หรอื คา่ คงตวั อาโวกาโดร (Avogadro’s constant) 11

พจิ ารณาหน่วยของสาร จากตารางท่ี 4.2 ตารางท่ี 4.2 จานวนอนุภาคของสารบางชนดิ ปรมิ าณ 1 โมล สาร จานวนอนุภาค ครปิ ทอน (Kr) 6.02 x 1023 อะตอม น้า (H2O) H2O 6.02 x 1023 โมเลกุล H 2 x 6.02 x 1023 อะตอม O 6.02 x 1023 อะตอม โซเดยี มซลั เฟต (Na2SO4) Na+ 2 x 6.02 x 1023 ไอออน SO42- 6.02 x 1023 ไอออน 12

ตวั อยา่ งการคานวณหาจานวนอะตอมหรอื ไอออนทเ่ี ป็นองคป์ ระกอบของสาร 13

อธบิ ายเพมิ่ เตมิ เน่อื งจากหน่วยโมล เป็นการ บอกจานวนอนภุ าคของสาร ดงั นนั้ สาร 1 โมล จงึ อาจมี มวลและปรมิ าตรไม่เท่ากนั ขนึ้ อยกู่ บั ชนดิ ของสาร 14

สรปุ ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งจานวนโมลและจานวนอนุภาค เขยี นเป็นแฟกเตอร์ สาร 1 โมล มจี านวนอนุภาคเทา่ กบั 6.02 x 1023 อนุภาค 1 โมล 6.02 x 1023 อนภุ าค 15

4.2.1 มวลตอ่ โมล - 12C จานวน 1 โมล มมี วลเทา่ ใด กอ่ นหน้าน้ี เรารวู้ า่ 12C จานวน 1 อะตอม มมี วล 12 หน่วยมวลอะตอม แลว้ 1 หน่วยมวลอะตอม มคี า่ เท่ากบั 1.66x10-24 กรมั ดงั นนั้ 12C จานวน 1 อะตอม มมี วล 12 x 1.66 x 10-24 กรมั สาร 1 โมล มจี านวนอนุภาคเทา่ กบั 6.02 x 1023 อนุภาค 1.66 x 10−24 ดงั นนั้ 12C จานวน 1 โมล มมี วล = 12 x 1 atom 12C g 12C x 6.02 x 1023 atom 12C = 12.00 g 12C มวลตอ่ โมล ดงั นนั้ 12C จานวน 1 โมล มมี วลเทา่ กบั 12.00 กรมั จะเรยี กค่ามวลในหน่วยกรมั ว่า 15

ตารางท่ี 4.3 การคานวณมวลตอ่ โมลของธาตุบางชนิด ธาตุ มวลอะตอม มวลต่อโมล (g/mol) ลเิ ทยี ม (Li) 6.94 6.94 x 1.66 x 1024 x 6.02 x 1023 = 6.94 เหลก็ (Fe) 55.85 55.85 x 1.66 x 1024 x 6.02 x 1023 = 55.85 ทองคา (Au) 196.97 196.97 x 1.66 x 1024 x 6.02 x 1023 = 196.97 โพแทสเซยี ม (K) 39.10 39.10 x 1.66 x 1024 x 6.02 x 1023 = 39.10 นกั เรยี นจะเหน็ ไดว้ า่ มวลของธาตุ 1 โมลในหน่วยกรมั (มวลตอ่ โมล) มคี า่ เท่ากบั มวลอะตอมของธาตุนนั้ ๆ 15

การคานวณมวลโมเลกุลและมวลสตู ร เมื่ออะตอมของธาตรุ วมตวั กนั สว่ นสารท่ีไมอ่ ยใู่ นรูป เป็นโมเลกลุ โมเลกลุ ผลรวมของมวล ผลรวมของมวลอะตอมของธาตุ อะตอมของธาตใุ นสตู รเคมี ในสตู รเคมี เรยี กวา่ มวลสูตร จะเรยี กวา่ มวลโมเลกุล มยวกลตโมวั เอลกยลุ า่ ขงอกงา=รค(า1น2วxณมวลนอา้ ะตตาอลมทขรอายงมCสี )ตู +รโม(2เล2กลุ xCม1ว2ลHอะ22ตOอม1ข1อนงา้ Hตา)ล+ทร(า1ย1มีมxวลมตว่อลโอมะลตเอทมา่ ขไหอรง่ O) = (12 x 12.01) + (22 x 1.01) + (11 x 16.00) = 342.34 นา้ ตาลทรายมีมวลโมเลกลุ เท่ากบั 342.34 ดงั นน้ั จงึ มมี วลตอ่ โมลเทา่ กบั 342.34 กรมั ตอ่ โมล 16

4.2.2 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งโมล มวล และปรมิ าตรของแก๊ส การวดั ปรมิ าณสารท่มี สี ถานะเป็นแก๊ส แกส๊ มีมวลนอ้ ยมากๆ เม่ือเทยี บกบั ปรมิ าตร ดงั นนั้ ปรมิ ารสารในสถานะแก๊ส จงึ นยิ มบอกเป็น ปรมิ าตรพรอ้ มระบอุ ณุ หภมู ิ และความดนั เพราะปรมิ าตรของแกส๊ จะเปล่ียนแปลงตาม อณุ หภมู ิและความดนั กาหนดอณุ หภมู ิและความดนั ท่ภี าวะมาตรฐานของแกส๊ (standard temperature and pressure เรยี กยอ่ วา่ STP) ใหอ้ ณุ หภมู ิ 0 องศาเซลเซยี ส และความดนั 1 บรรยากาศ 17

ตาราง 4.4 มวลของแกส๊ บางชนิดปรมิ าตร 1 ลติ ร ท่ี STP แกส๊ มวลต่อโมล (g/mol) มวลของแกส๊ 1 L (g) ฮเี ลยี ม (He) 4.00 0.179 มเี ทน (CH4) 16.05 0.716 ไอน้า (H2O) 18.02 0.804 นีออน (Ne) 20.18 0.900 ไนโตรเจน (N2) 28.02 1.251 ออกซเิ จน (O2) 32.00 1.430 18

- แกส๊ 1 โมล มปี รมิ าตรเทา่ ใดท่ี STP จากขอ้ มลู ในตาราง 4.4 แก๊สฮเี ลยี มปรมิ าตร 1 ลติ ร ท่ี STP มมี วล 0.179 กรมั ซง่ึ เชยี นในรปู แฟคเตอรเ์ ปลย่ี นหน่วยไดเ้ ป็น 1 L He 0.179 g He ดงั นนั้ แกส๊ ฮเี ลยี ม 1 โมล ซง่ึ มมี วล 4 กรมั จะมปี รมิ าตรท่ี STP เป็นดงั น้ี ปรมิ าตรของ He 1 mol ท่ี STP = 4.00 g He x 1L He = 22.4 L He 0.179 g He 19

สรปุ ความสมั พนั ธ์ ปรมิ าตรของแก๊ส (ลติ ร) มวล (กรมั ) ท่ี STP 22.4 ลติ รตอ่ โมล โมลมวลต่อโมล 6.02x1023 อนุภาคตอ่ โมล จานวนอนุภาค (อะตอม โมเลกุล ไอออน) 20

กจิ กรรม 4.1 ความสมั พนั ธร์ ะหว่างโมล มวล จานวนอนุภาค ความหนาแน่น และปรมิ าตรของแก๊สท่ี STP 21

4.3 สตู รเคมี 4.3.1 กฎสดั ส่วนคงท่ี 4.3.2 รอ้ ยละโดยมวลของธาตุ 4.3.3 การหาสตู รโมเลกลุ และสตู รอย่างง่าย 22

จุดประสงคก์ ารเรียนรู้ 1 คานวณอตั ราส่วนโดยมวลของธาตุองคป์ ระกอบ 2 ของสารประกอบตามกฎสดั ส่วน อธบิ ายความหมายของสตู รอยา่ งงา่ ย และสตู รโมเลกุล 3 ของสาร คานวณมวลเป็นรอ้ ยละของธาตุองคป์ ระกอบ 23

4 คานวณสตู รอยา่ งงา่ ยจากอตั ราส่วนโดยโมลของธาตุ 5 องคป์ ระกอบ คานวณสตู รโมเลกุลของสารจากสตู รอยา่ งงา่ ยและมวล โมเลกุล ของสาร 24

สตู รเคมี เป็นสญั ลกั ษณ์ทเ่ี ขยี นแทนธาตุและ สารประกอบ โดยแสดงชนิด และอตั ราสว่ นของ ธาตุทเ่ี ป็นองคป์ ระกอบหน่งึ ๆ จะมอี ตั ราสว่ นโดย โมลของอะตอมธาตุคงท่ี เน่อื งจากมวลและโมลของสารมี 4.3 สตู รเคมี ความสมั พนั ธก์ นั เม่อื ทราบ - นักวิทยาศาตรท์ ราบอตั ราส่วน อตั ราสว่ นโดยมวลจะสามารถหา โดยโมลของธาตไุ ดอ้ ยา่ งไร อตั ราสว่ นโดยโมลได้ 25

อตั ราสว่ นโดยมวลของ Cu : S = 2.0 : 1.0 อตั ราสว่ นโดยโมลของ Cu : S = 2.0/63.55 : 1.0/32.06 = 0.031 : 0.031 = 1.0 : 1.0 ดงั นัน้ อตั ราส่วนโดยโมลของทองแดงต่อกา มะถนั มีคา่ เฉลี่ย 1.0 : 1.0 **สรปุ 26 อตั ราส่วนโดยโมลของสารประกอบหน่ึง ๆ จะมีคา่ คงท่ี เช่นเดียวกบั อตั ราส่วนโดยมวล ซ่ึงการคานวณอตั ราส่วนโดย โมลนี้เป็นขนั้ ตอนสาคญั ในการหาสตู รเคมีของสารประกอบ

4.3.1 กฎสดั ส่วนคงที่ ใหน้ กั เรยี นวเิ คราะหข์ อ้ มลู ตารางท่ี 4.5 เพอ่ื ศกึ ษาอตั ราสว่ นโดยมวล ตาราง 4.5 ปรมิ าณของทองแดงต่อกามะถนั ทท่ี าปฏกิ ริ ยิ าพอดกี นั *ในการทดลองแต่ละครงั้ อตั ราสว่ นระหวา่ งมวลทองแดงตอ่ มวลของกามะถนั มคี ่าเทา่ ใด 27 *อตั ราส่วนโดยโมลของทองแดงต่อกามะถนั ทท่ี าปฏกิ ริ ยิ าพอดกี นั เป็นคอปเปอร์ (II)ซลั ไฟด์ มคี า่ เฉลย่ี เท่าใด

การคานวณอตั ราส่วนโดยมวลของธาตอุ งคป์ ระกอบของ สารประกอบตามกฎสดั ส่วนคงท่ี โดยยกตวั อย่าง 7 ประกอบ ตวั อยา่ งที่ 7 เมอ่ื เผาโลหะแมกนีเซยี ม (Mg) 2.64 กรมั ในอากาศ ได้ 28 แมกนีเซยี มออกไซด์ (MgO) เกดิ ขน้ึ 4.40 กรมั มาเผากบั แก๊สออกซเิ จน (O2) 1.61 กรมั จะเกดิ เป็นแมกนีเซยี มออกไซดท์ งั้ หมด ผลการทดลอง นี้เป็นไปตามกฎสดั ส่วนคงท่ีหรอื ไม่ และอตั ราส่วนโดยโมลเฉลี่ย ของแมกนีเซียมต่อออกซิเจนท่ีทาปฏิกริยาพอดีกนั เป็น สารประกอบนี้มีค่าเท่าใด

คานวณอตั ราส่วนโดยมวล 29 การทดลองท่ี 1 มวลO2 ใน MgO = มวลMgO – มวล Mg = 4.40 g – 2.64 g = 1.76 g อตั ราสว่ นโดยมวลของแมกนเี ซยี ม : ออกซเิ จน = 2.64 : 1.76 = 1.50 : 1.00 การทดลองท่ี 2 อตั ราสว่ นโดยมวลของแมกนีเซยี ม : ออกซเิ จน = 2.42 : 1.61 = 1.50 : 1.00 ดงั นัน้ ผลการทดลองทงั้ 2ครงั้ เป็นไปตามกฎสดั สว่ นคงท่ี

คานวณอตั ราส่วนโดยโมลเฉล่ีย อตั ราสว่ นโดยมวลของแมกนเี ซยี ม : ออกซเิ จน = 1.50/24.30 : 1.00/16.00 = 0.06 : 0.06 =1:1 ดงั นัน้ อตั ราสว่ นโดยโมลเฉลย่ี ของแมกนเี ซยี มต่อออกซเิ จนเทา่ กบั 1:1 ทาแบบฝึ กหดั 4.5 เพื่อทบทวนความรู้ 30

4.3.2 รอ้ ยละโดยมวลของธาตุ อตั ราสว่ นโดยมวลของธาตุในสารประกอบโดยทวั่ ไป แสดงอยใู่ นรปู ของรอ้ ยละโดยมวล รอ้ ยละโดยมวลของธาตุ A ในสารประกอบ = มวลมขวอลงขสอางรสปารระ���ก���อบ× 100% 31

ตวั อยา่ งท่ี 8 ออกไซดข์ องเหลก็ 159.69 กรมั ประกอบดว้ ยเหลก็ 111.69 กรมั จงคานวณรอ้ ยละโดยมวลของเหลก็ (Fe) และออกซเิ จน(O) ในออกไซดข์ อง เหลก็ รอ้ ยละโดยมวลของ Fe = 111.69 ������������× 100% 159.69 ดงั นัน้ สารประกอบออกไซดข์ องเหลก็ มรี อ้ ยละโดยมวลของเหลก็ เท่ากบั 69.942 และรอ้ ยละโดยมวลของออกซเิ จน เท่ากบั 100 - 69.942 = 30.058 *หากทราบสตู รเคมขี องสารประกอบ จะสามารถคานวณหารอ้ ยละ 32 โดยมวลของธาตุองคป์ ระกอบ ดงั ตวั อย่างท่ี 9

ตวั อย่างท่ี 9 จงคานวณรอ้ ยละโดยมวลของคารบ์ อน(C) และไฮโดรเจน(H) ใน คารบ์ อนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้า(H2O) ตามลาดบั 12.01 ������������× รอ้ ยละโดยมวลของ C = 44.01 100% = 27.29 % รอ้ ยละโดยมวลของ H = 2×1.01 ������������× 100% 18.02 = 11.2 % ทาแบบฝึ กหดั 4.6 เพ่อื ทบทวนความรู้ 33

4.3.3 การหาสตู รโมเลกลุ และสตู รอย่างง่าย จากกฎสดั ส่วนคงท่ี จะได้ อตั ราสว่ นโดยมวล และ รอ้ ยละโดย มวลของธาตุในสารประกอบซง่ึ สามารถนามาใชห้ าอตั ราส่วน โดยโมลเพอ่ื หา สตู รอยา่ งงา่ ยหรอื สตุ รเอมพริ คิ ลั และสตู ร โมเลกุล ของสารประกอบได้ 34

สรปุ ได้ว่า สตู รโมเลกุล = (สตู รเอมพริ คิ ลั ) n หรอื มวลโมเลกุล = n(มวลสตู รเอมพลิ คิ ลั ) 35

สตู รโมเลกลุ เป็นสตู รทแ่ี สดงจานวนอะตอมของธาตุองคป์ ระกอบทม่ี อี ยจู่ รงิ ใน 1 โมเลกุล เช่น น้า สตู รโมเลกลุ H2O แสดงว่า 1โมเลกลุ ประกอบดว้ ย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซเิ จน 1 อะตอม สตู รอย่างง่ายหรอื สตู รเอมพิริคลั เป็นสตู รทแ่ี สดงอตั ราสว่ นอย่างต่าของจานวนอะตอมของธาตุ 36 องคป์ ระกอบ เช่น กลโู คส สตู รโมเลกุล C6H12O6 อตั ราสว่ น C:H:O เท่ากบั 1:2:1 จงึ มสี ตู รเอมพริ คิ ลั CH2O

ตาราง 4.5 สตู รโมเลกุลและสตู รเอมพริ คิ ลั สารบางชนดิ ช่ือสาร สูตรโมเลกุล สูตรเอมพริ คิ ัล น้า H2O H2O กรดไฮโดรคอลรกิ HCl HCl โพรพีน C3H6 CH2 37 ไฮโดรเจนเปอรอ์ อกไซด์ H2O2 HO กรดแอซิตกิ C2H4O2 กลโู คส C6H12O8 CH2O โพแทสเซียมไนเทรต CH2O โพแทสเซียมเปอรแ์ มงกาเนต - KNO3 แมกนีเซียมซลั เฟต KMnO4 - MgSO4 -

ตวั อย่างท่ี 10 1.สารปะกอบชนดิ หน่งึ จานวน 20.88 กรมั ประกอบดว้ ยโซเดยี ม (Na) 6.07 กรมั และออกซเิ จน (O) 6.34 กรมั จงคานวณสตู รเอมพริ คิ ลั วิธีทา อตั ราสว่ นโดยมวลของ Na:S:O = 6.07:8.47:6.34 อตั ราส่วนโดยโมลเป็นดงั นี้ Na:S:O = 6.07g×12���2���.���9���9������ Nga:8.47g×414���.���0���1��������� Sg:6.34g×144���.���0���1��������� O g = 0.264 mol : 0.264 mol : 0.396 mol หารดว้ ย 0.264 ซง่ึ เป็นจานวนน้อยทส่ี ดุ อตั ราสว่ นโดยโมลของNa:S:O = 0.264 :00..226644 :00..236964 0.264 = 1.00 : 1.00 : 1.50 38

ออกซเิ จนเป็นเลขจดุ ทศนยิ ม จงึ ตอ้ งหาตวั เลขมาคณู ใหเ้ ป็นจานวนเตม็ อตั ราสว่ นโดยโมลของNa:S:O = 1.00×2 : 1.00×2 : 1.50×2 = 2:2:3 ดงั นัน้ สตู รเอมพริ คิ ลั ของสารประกอบน้คี อื Na2:S2:O3 39

2.เอทลิ มสี ตู รเอมพริ คิ ลั เทา่ กบั C2H5จงหาสตู รโมเลกุลของสารน้ี หาสตู รเอมพริ คิ ลั C2H5 = (2×12.01) + (5×1.01) = 29.07 จาก สตู รโมเลกุล = (สตู รเอมพริ คิ ลั )n หรอื มวลโมเลกุล = n(มวลสตู รเอมพริ คิ ลั ) 58.12 = n(29.07) n =2 ดงั นนั้ สตู รโมเลกลุ ของสารประกอบนคี้ ือ (C2H5)2 = C4H10 40