บทที่ 2. ปริมาณสารสัมพันธ์

          - อะตอม โมเลกุล ไอออน และสูตรเคมี

          - น้ำหนักอะตอม น้ำหนักโมเลกุล และน้ำหนักสูตร

          - การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลป์และสูตรโมเลกุล

          - โมล

          - สมการเคมี และการคำนวณเกี่ยวกับสมการเคมี

          - สารกำหนดปริมาณ

          - ผลผลิตตามทฤษฎี ผลผลิตจริง และผลผลิตร้อยละ

          - ความร้อนของปฏิกิริยาเคมี

 

2.1 อะตอม โมเลกุล ไอออน และสูตรเคมี

          อะตอม คือ อนุภาคหน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุที่เข้าทำปฏิกิริยาเคมีกันได้ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคสำคัญ 3 อนุภาค คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน(ยกเว้นอะตอมไฮโดรเจนไม่มีนิวตรอน) อะตอมของธาตุต่างๆ เขียนแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ซึ่งไม่ซ้ำกัน

          โมเลกุล คือ อนุภาคหน่วยเล็กของสารที่สามารถดำรงอยู่ได้โดยอิสระในธรรมชาติ ซึ่งอาจประกอบจากอะตอมตั้งแต่ 1 อะตอมขึ้นไป จึงแบ่งโมเลกุลได้เป็น 3 ประเภท คือ โมเลกุลอะตอมเดี่ยว(monoatomic molecule) โมเลกุลอะตอมคู่(diatomic molecule) และโมเลกุลหลายอะตอม(polyatomic molecule)

          ไอออน คือ อนุภาคที่แสดงประจุไฟฟ้าซึ่งเกิดจากอะตอมที่มีการให้หรือรับอิเล็กตรอน เป็นผลทำให้จำนวนอิเล็กตรอนในอนุภาคเปลี่ยนแปลงไป จึงแสดงประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น อนุภาคที่เสียอิเล็กตรอน เรียกว่า ไอออนบวก ส่วนอนุภาคที่รับอิเล็กตรอน เรียกว่า ไอออนลบ

          สูตรเคมี คือ กลุ่มของสัญลักษณ์ของธาตุที่เขียนแทนสารประกอบ หรือโมเลกุลของธาตุที่มีอะตอมมารวมกันตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป อาจแบ่งสูตรเคมีออกเป็นหลายประเภท ในเบื้องต้นนี้จะกล่าวถึงเพียง 2 ประเภท คือ สูตรโมเลกุล และสูตรอย่างง่าย

          สูตรโมเลกุล เป็นสูตรที่เขียนแสดงองค์ประกอบภายในโมเลกุลของสารว่าประกอบด้วยอะตอมของธาตุอะไรบ้างและมีจำนวนเท่าใด เช่น H2O เป็นสูตรโมเลกุลของน้ำ C6H12O6 เป็นสูตรโมเลกุลของกลูโคส NH3 เป็นสูตรโมเลกุลของแอมโมเนีย เป็นต้น

          สูตรอย่างง่าย เป็นสูตรที่เขียนแสดงองค์ประกอบภายในโมเลกุลของสารว่าประกอบด้วยอะตอมของธาตุใดมารวมกันในอัตราส่วนอย่างต่ำเท่าใด เช่น H2O เป็นสูตรอย่างง่ายของน้ำ (เหมือนกันกับสูตรโมเลกุล เพราะเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของ H:O = 2:1 ซึ่งเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำแล้ว)  CH2O เป็นสูตรอย่างง่ายของกลูโคส(อัตราส่วนอย่างต่ำของอะตอม C:H:O = 1:2:1 จากสูตรโมเลกุลนำมาหารด้วย 6 ทุกอะตอม) NH3 เป็นสูตรอย่างง่ายของแอมโมเนีย(เช่นเดียวกับน้ำคือเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนอะตอมแล้ว) เป็นต้น

          สูตรของสารประกอบไอออนิกที่เขียนแสดงโดยส่วนมากแล้วเป็นสูตรอย่างง่าย แสดงอัตราส่วนของไอออนที่เป็นองค์ประกอบเพื่อให้มีประจุมีความสมดุลกันของไอออนบวกและไอออนลบ แต่ในความเป็นจริงแล้วสารประกอบไอออนิกมีโครงผลึกที่มีไอออนเกาะกันอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ไม่สามารถเขียนสูตรโมเลกุลแทนได้อย่างชัดเจน จึงนิยมเขียนเป็นสูตรอย่างง่ายตามการสมดุลของประจุ เช่น Na+ กับ Cl- เขียนสูตรแทนเป็น NaCl  Ba2+ กับ Cl- เขียนสูตรแทนเป็น BaCl2 เป็นต้น

กิจกรรมเสริม

          ให้นักศึกษาเขียนชื่อและสูตรของสารประกอบของธาตุในตารางธาตุ เลขอะตอม ตั้งแต่ 1 ถึง 53 ในกรณีที่เป็นสารประกอบไอออนิกให้เขียนแสดงไอออนบวกและไอออนลบด้วย เขียนลงในสมุดบันทึกให้ได้สักคนละ 50 สูตรหรือมากกว่าเท่าที่จะสนใจทำ ดังตัวอย่างในตารางต่อไปนี้

เช่น กรณีสารที่ไม่ใช่สารประกอบไอออนิก

ชื่อสารประกอบ

สูตรโมเลกุล

สูตรอย่างง่าย

กรดอะซิติก

C2H4O2 (CH3COOH)

CH2O

คาร์บอนไดออกไซด์

CO2

CO2

แอมโมเนีย

NH3

NH3

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

H2O2

HO

ซัลเฟอร์ไตรออกไซด์

SO3

SO3

ฟอสฟอรัสเพนตระคลอไรด์

PCl5

PCl5

ซิลิกอนไดออกไซด์

SiO2

SiO2

กรณีสารประกอบไอออนิก(ลองหาข้อมูลมาเติมช่องว่างต่อไปนี้)

ไอออนบวก

ไอออนลบ

สูตรไอออนิก

ชื่อสาร

แคลเซียม(Ca2+)

ฟลูออไรด์(F-)

CaF2

แคลเซียมฟลูออไรด์

คอปเปอร์(II)(Cu2+)

ฟอสเฟต(PO43- )

 

 

ซิลเวอร์(Ag+)

 

 

ซิลเวอร์ไนเตรต

 

 

 

เลด(II)ฟลูออไรด์

 

 

 

ซีเซียมคาร์บอเนต

 

 

 

แบเรียมคลอเรต

 

 

 

โซเดียมคาร์บอเนต

 

2.2 น้ำหนักอะตอม น้ำหนักโมเลกุล และน้ำหนักสูตร

          น้ำหนักอะตอมกำหนดให้มีหน่วยเป็น amu โดยกำหนดว่า 1 amu มีค่าเท่ากับ 1/12 ของน้ำหนักอะตอมของคาร์บอน-12 เป็นไอโซโทปของคาร์บอนที่มี 6 โปรตอน และ 6 นิวตรอน นั่นหมายความว่า น้ำหนักอะตอมของคาร์บอน-12(C-12) มีค่า 12 amu เป็นค่ามาตรฐานเพื่อการวัดค่าของน้ำหนักอะตอมของธาตุอื่นๆ เช่น ค่าน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมเป็น 8.400%ของน้ำหนักคาร์บอน-12 อะตอม ดังนั้นน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนจะมีค่าเป็น 0.084x12.00 = 1.008 amu น้ำหนักอะตอมของธาตุต่างๆ ในตารางธาตุเป็นค่าเฉลี่ยของน้ำหนักอะตอมของไอโซโทปที่มีในธรรมชาติ ซึ่งสามารถหาข้อมูลได้จากเว็บไซต์ต่างๆทางเคมี นักศึกษาลองตรวจสอบดูว่าค่าน้ำหนักอะตอมที่แสดงในตารางธาตุนั้นเป็นค่าเฉลี่ยจริงหรือไม่

          น้ำหนักโมเลกุล เป็นน้ำหนักเปรียบเทียบอีกเช่นกัน แต่สามารถคำนวณหาได้จากผลรวมของน้ำหนักอะตอมตามสูตรโมเลกุลของสารนั้นๆ ใช้สำหรับสารที่สามารถเขียนสูตรโมเลกุลได้ แต่ถ้าไม่สามารถเขียนสูตรโมเลกุลได้ แต่เขียนเป็นสูตรอย่างง่าย ผลรวมของน้ำหนักอะตอมที่ได้จากสูตรอย่างง่ายนั้น เรียกว่า น้ำหนักสูตร เช่น CO2 มีน้ำหนักโมเลกุล เท่ากับ 44 คำนวณมาจากน้ำหนักอะตอมของคาร์บอน รวมกับน้ำหนักอะตอมของออกซิเจน 2 อะตอม คือ 12+2x16

          ตัวอย่างการคำนวณน้ำหนักสูตร เช่น สารประกอบ NaCl คำนวณน้ำหนักสูตรได้จากน้ำหนักอะตอมของ Na รวมกับน้ำหนักอะตอมของ Cl จึงได้เท่ากับ 23 + 35.5 = 58.5

คิดเพิ่มเติมอีกนิด

จากสูตรที่นักศึกษาเขียนในตารางในหัวข้อสูตรเคมีที่ผ่านมาแล้วนั้น แต่ละสารมีน้ำหนักโมเลกุล หรือน้ำหนักสูตรได้เท่าไร ลองคิดคำนวณแต่ละสูตรๆ แสดงรายละเอียดให้เห็นว่าได้มาอย่างไร

เช่น กรดอะซิติก สูตรโมเลกุลเป็น C2H4O2 น้ำหนักโมเลกุล คิดได้ดังนี้

          น้ำหนักอะตอมของคาร์บอนx2 + น้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนx4 + น้ำหนักอะตอมของออกซิเจนx2 = 12x2 + 1x4 + 16x2 = 60 ลองทำสูตรที่เขียนมาแล้วลงใส่ตาราง

 

2.3 การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลป์และสูตรโมเลกุล

          จากสูตรของสารประกอบที่บอกจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุที่มีอยู่ในหนึ่งหน่วยของสารประกอบเราก็ยังต้อทราบค่าความบริสุทธิ์ของสารประกอบที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ จากสูตรเราสามารถคำนวณเปอร์เซ็นต์ของมวลในสารประกอบที่แต่ละธาตุมีอยู่ได้ จากนั้นก็เปรียบเทียบผลขององค์ประกอบที่ได้จากการทดลอง แล้วหาความบริสุทธิ์ของตัวอย่างได้

          เปอร์เซ็นต์องค์ประกอบโดยมวล เป็นค่าเปอร์เซ็นต์โดยมวลของแต่ละธาตุในสารประกอบหนึ่งๆ เปอร์เซ็นต์องค์ประกอบได้มาจากการหารมวลของแต่ละธาตุใน 1 โมล ของสารประกอบ ด้วยมวลโมเลกุลของสารประกอบแล้วคูณด้วย 100 เปอร์เซ็นต์ ดังแสดงในสมการ

          %องค์ประกอบของธาตุ =     nxน้ำหนักอะตอมของธาตุ      x 100

                                         น้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบ

          โดย n คือจำนวนอะตอมของธาตุในสูตรโมเลกุลของสารประกอบนั้น

เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ สูตรโมเลกุลเป็น H2O2 แสดงว่า ใน 1 โมล ประกอบด้วย H 2 โมลอะตอม และ O 2 โมลอะตอม คำนวณน้ำหนักโมเลกุลของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้เป็น 2x1.008 + 2x16.00 = 34.02(34.016) คำนวณเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบของ H2O2 ได้ดังนี้

          %H =     2x1.008 g H     x 100  = 5.926 %

                      34.02 g H2O2        

          %O =     2x16.00 g O    x 100   = 94.06 %

                      34.02 g H2O2

          ถ้าเราใช้สูตรอย่างง่ายของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์(HO) ในการคำนวณ ก็จะได้

          %H =     1x1.008 g H     x 100  = 5.926 %

                      17.01 g H2O2        

          %O =     1x16.00 g O    x 100   = 94.06 %

                      17.01 g H2O2

          จะเห็นได้ว่าเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบที่คำนวณมีค่าเท่ากัน เนื่องจากว่าเป็นเปอร์เซ็นต์โดยมวลเหมือนกัน จึงได้ค่าเหมือนกัน เพียงแต่ลดสัดส่วนของอะตอมลงไปเท่านั้น แสดงว่าหากเราทราบสัดส่วนของเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบโดยมวลของสารเราก็สามารถนำไปหาสูตรอย่างง่ายของสารนั้นได้ หากต้องการหาสูตรโมเลกุลเราต้องทราบน้ำหนักโมเลกุลของสารด้วย

ตัวอย่างการคำนวณเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบของสาร ทดลองคำนวณตามตัวอย่างต่อไปนี้

          กรดฟอสฟอริก(H3PO4) เป็นของเหลวข้นไม่มีสี ใช้ในการซักล้าง เป็นปุ๋ย ใช้ในยาสีฟัน และเครื่องดื่มผสมคาร์บอเนต จงคำนวณเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบโดยมวลของ H P และ O ของสารประกอบนี้ น้ำหนักโมเลกุลของกรดฟอสฟอริก คือ 97.99

วิธีคิด

          %H =     3x1.008 g H     x 100  = 3.086 %

                      97.99 g H3PO4      

          %P =     1x30.97 g P     x 100  = 31.61 %

                      97.99 g H3PO4      

          %O =     4x16.00 g O     x 100  = 65.31 %

                      97.99 g H3PO4      

          ผลรวมของเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบทั้งหมด=3.086+31.61+65.31=100.01(100.006) เป็นค่าที่เกิน 100 เกิดจากการปรับตัวเลขในการคำนวณ

ตัวอย่างการคำนวณสูตรอย่างง่าย

          กรดแอสคอบิก(วิตามินซี) ประกอบด้วยคาร์บอน(C) 40.92% ไฮโดรเจน(H) 4.58% และออกซิเจน(O) 54.50% โดยมวล จงหาสูตรอย่างง่ายของสารนี้

วิธีคิด ถ้ามีกรดแอสคอบิก 100 g เราสามารถเปลี่ยนจากเปอร์เซ็นต์ไปเป็นกรัมได้โดยตรงในตัวอย่างนี้ เราจะมี C 40.92 g H 4.58 g และ O 54.50 g จากนั้นเปลี่ยนกรัมเป็นโมลอะตอมของแต่ละธาตุ โดยให้ n แทนจำนวนโมลของแต่ละธาตุ คำนวณได้ดังนี้

nC = 40.92 x   1 mol C      = 3.407 mol C

                             12.01 g C     

nH = 4.58 x    1 mol H      = 4.54 mol H

                             1.008 g H     

nO = 54.50 x   1 mol O      = 3.406 mol O

                             16.00 g O

          ดังนั้น จะได้สูตรเป็น C3.407H4.54O3.406 ซึ่งเราแสดงตามสัดส่วนโดยมวลของอะตอมที่มีอยู่อย่างไรก็ตามสูตรเคมีจะเขียนด้วยเลขจำนวนเต็มทั้งหมด ลองเปลี่ยนตัวเลขโดยหารด้วยทุกตัวเลขกำกับล่างที่มีค่าน้อยที่สุด(3.406) จะได้

          C : 3.407  » 1   H : 4.54  = 1.33   O : 3.406  = 1

               3.406              3.406                  3.406

          เขียนใหม่ได้สูตรเป็น CH1.33O จากนั้นเปลี่ยนค่า 1.33 ของเลขกำกับล่าง H ให้เป็นเลขจำนวนเต็ม ซึ่งขั้นนี้เราทำได้โดยการลองผิดลองถูก ดังนี้

          1.33x1 = 1.33    1.33x2 = 2.66   1.33x3 = 3.99(» 4) นั่นแสดงว่าทำให้เป็นจำนวนเต็ม 4 เราก็คูณเลขกำกับล่างทุกตัวในสูตรด้วย 3 จึงได้สูตรเคมีของกรดแอสคอบิกเป็น C3H4O3 ซึ่งเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำที่เป็นเลขลงตัวน้อยสุด(เป็นสูตรอย่างง่าย)

การทดลองเพื่อหาสูตรอย่างง่าย

          เมื่อทำการเผาเอทานอลจำนวน 11.5 g เกิดปฏิกิริยาอย่างสมบูรณ์แล้วพบว่าได้ CO2 22.0 g และ H2O 13.5 g จงคำนวณหาสูตรอย่างง่ายของเอทานอล

วิธีคิด

          การเผาไหม้ของเอทานอลเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์แสดงว่าอะตอมคาร์บอนในเอทานอลเปลี่ยนเป็นอะตอมคาร์บอนในคาร์บอนไดออกไซด์ อะตอมไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นน้ำ จากปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำที่ได้หลังปฏิกิริยาก็ใช้คำนวณหาน้ำหนักของคาร์บอนและไฮโดรเจนที่เป็นองค์ประกอบของเอทานอลได้ นำไปลบออกจากน้ำหนักทั้งหมดของเอทานอลก็ได้น้ำหนักของออกซิเจนที่เป็นองค์ประกอบของเอทานอล

          มวลของคาร์บอนที่ประกอบอยู่ในคาร์บอนไดออกไซด์ 22.0 g หาได้ดังนี้

          มวลของ C = 22.0gCO2 x  1mol CO2   x  1mol C12.01 g C   = 6.00gC

                                         44.01 g CO2    1mol CO2    1mol C

          มวลของ H = 13.5gH2O x  1mol H2O   x  2mol H x  1.008 g H   = 1.51gH

                                         18.02 g H2O    1mol H2O    1mol H

          ดังนั้น มวลของ O = มวลของเอทานอลที่ใช้ – (มวลของ C + มวลของ H)

                                = 11.5 g – (6.00 g + 1.51 g) = 4.0 g

          โมลของ C = 6.00gC x 1mol C  = 0.500 mol C

                                     12.01g C

          โมลของ H = 1.51gH x 1mol H  = 1.50 mol H

                                     1.008g H

          โมลของ O = 4.0gOx 1mol O  = 0.25 mol O

                                     16.00g O

          สูตรของเอทานอลที่ได้ คือ C0.50H1.50O0.25  ทำให้เป็นจำนวนเต็มหารด้วยเลขกำกับล่างคือ 0.25 ทุกอะตอม จึงได้สูตรอย่างง่ายของสารประกอบเอทานอลเป็น C2H6O

ตัวอย่างการหาสูตรโมเลกุล

          สารประกอบตัวอย่างหนึ่ง ประกอบด้วยไนโตรเจน(N) 1.52 g  และออกซิเจน(O) 3.47 g มวลโมเลกุลของสารประกอบนี้มีค่าระหว่าง 90 g และ 95 g  จงคำนวณหาสูตรโมเลกุลของสารประกอบนี้และมวลโมเลกุลที่ถูกต้องด้วย

วิธีคิด

          จากน้ำหนักที่เป็นองค์ประกอบในสารประกอบนี้นำมาหาจำนวนโมลของแต่ละธาตุในสารประกอบได้ดังนี้

nN = 1.52 gN x   1 mol N      = 0.108 mol N

                               14.01 g N   

nO = 3.47 gO x   1 mol O      = 0.217 mol O

                               16.00 g O   

          จากนั้นเขียนสูตรอย่างง่ายของสารนี้ได้เป็น N0.108O0.217 ทำให้จำนวนอะตอมเป็นจำนวนเต็มโดยหารด้วยเลขกำกับล่างที่น้อยที่สุด(0.108) จะได้เลขลงตัวน้อยๆ เป็น 1:2 จึงเขียนสูตรอย่างง่ายของสารเป็น NO2

          มวลโมลาร์ของสูตรอย่างง่าย NO2 คือ 14.01 g + 2x16.00g = 46.01g

โจทย์กำหนดให้มวลโมลาร์ของสารนี้อยู่ระหว่าง 90 และ 95 จึงนำมวลโมลาร์ของสูตรอย่างง่ายมาหารมวลโมลาร์ที่กำหนดให้ ดังนี้ 90/46.01  » 2

นั่นแสดงว่าสูตรโมเลกุลของสารนี้จึงคูณสูตรอย่างง่ายด้วย 2 เขียนสูตรโมเลกุลเป็น N2O4 และคำนวณน้ำหนักโมเลกุลที่ถูกต้องได้เป็น 2x46.01 = 92.02 g ซึ่งเป็นค่าที่อยู่ระหว่าง 90 และ 95 ตามที่โจทย์กำหนดให้มาแล้ว

 

2.4 โมล

          โมล(mol) เป็นปริมาณสารที่ประกอบด้วยหลายหน่วยของสาร(อะตอม โมเลกุล อนุภาค) ที่มีอะตอมเท่ากับ 12 g (หรือ 0.012 kg) ของ C-12 ไอโซโทป โดยจำนวนอะตอมที่แท้จริงใน 12 g ของ C-12 วัดได้จากการทดลอง ตัวเลขนี้เรียกว่า เลขอาโวกาโดร(NA) ให้ชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ชื่อ อามิดิโอ อาโวกาโดร ค่าที่ยอมรับกันในปัจจุบัน คือ 6.022137x1023  แต่ในการคำนวณโดยทั่วไปแล้วปรับเป็น 6.02x1023 ซึ่งใช้เป็นหน่วยวัดปริมาณสารต่างๆ เช่นเดียวกับหน่วยวัดปริมาณสิ่งของที่เราใช้เป็นโหล ซึ่งมีจำนวนเป็น 12 อัน(หน่วยนับ)

          มวลของสารปริมาณ 1 โมล คือ มวลโมลาร์(มวลโมเลกุล มวลอะตอม) หน่วยเป็นกรัมหรือกิโลกรัม เช่น 1 โมลของคาร์บอน-12 มวลเป็น 12 กรัม มีจำนวนอะตอม 6.02x1023  อะตอม ถ้าคิดน้ำหนัก 1 อะตอมของคาร์บอน จะคิดได้ดังนี้

                       12.00 g ของ C-12     = 1.993x10-23  g

                   6.02x1023 C-12 อะตอม

ตัวอย่างการคำนวณเกี่ยวกับโมล

          ฮีเลียมเป็นแก๊สที่มีค่าใช้ในอุตสาหกรรม งานวิจัยที่ใช้อุณหภูมิต่ำ ใช้กับถังเก็บแก๊สสำหรับการดำน้ำลึกและในบอลลูน จะมีฮีเลียมอยู่กี่โมลถ้ามีฮีเลียมอยู่ 6.46 g

วิธีคิด

          ตัวคูณแปลงหน่วยระหว่างกรัมและโมล คือ มวลโมลาร์ มวลโมลาร์ของฮีเลียมคือ 4.003 g ดังนั้นจะได้

          1 mol = 4.003 g  เขียนแสดงตัวคูณแปลงหน่วยได้เป็น

          1 mol ของ He   และ    4.003 g He

             4.003 g He              1 mol He

ตัวคูณแปลงหน่วยทางซ้ายมือคือตัวคูณที่เหมาะสมในการนำมาคูณ เพื่อให้ g He ถูกตัดไป เหลือแต่ mol He จึงใช้ตัวคูณทางซ้ายมือมาคูณกับมวลของฮีเลียม ที่ให้มาในโจทย์ ได้เป็นดังนี้

      6.46 g He x 1 mol ของ He  = 1.61 mol

                         4.003 g He        

          ดังนั้นจะมีฮีเลียม(He) อะตอมอยู่ 1.61 โมล ใน 6.46 g ของ He

ตัวอย่าง

          สังกะสี(Zn) เป็นโลหะสีเงินใช้ทำโลหะผสมทองเหลือง(ผสมกับทองแดง) และผสมกับเหล็กในแผ่นโลหะเพื่อป้องกันการกัดกร่อน จะมี Zn กี่กรัมต่อ Zn 0.356 mol

วิธีคิด

          ตัวคูณแปลงหน่วยระหว่างโมลและกรัม คือ มวลโมลาร์ มวลโมลาร์ของ Zn  คือ 65.39 g ดังนั้นจะได้ว่า 1 mol Zn = 65.39 g Zn ตัวคูณการแปลงหน่วยเขียนได้ดังนี้

          1 mol ของ  Zn  และ    65.39 g Zn

             65.39 g Zn              1 mol Zn

ตัวคูณแปลงหน่วยทางขวามือถูกต้องเหมาะสมกว่าโมลจะถูกตัดออกไป แล้วเหลือหน่วยหรับ สำหรับคำตอบ ได้เป็น

            0.356 mol Zn x 4.003 g He = 23.3 g Zn

                                    1 mol He

ดังนั้นจะมี Zn อยู่ 23.3 g ใน 0.356 mol ของ Zn

 

2.5 สมการเคมี และการคำนวณเกี่ยวกับสมการเคมี

สมการเคมีบอกถึงสารที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเคมี  โดยเขียนสารตั้งต้นไว้ทางซ้ายมือของลูกศร สารผลิตภัณฑ์ไว้ทางขวามือของลูกศร แสดงทิศทางการเกิดปฏิกิริยา ความสัมพันธ์เชิงปริมาณของสารต่าง ๆ  ที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาและสามารถคำนวณปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาเคมี โดยคำนวณได้จากสมการที่ดุลแล้ว การดุลสมการเคมีมีวิธีการดำเนินการได้หลายวิธีตามรูปแบบของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น มีหลักเบื้องต้นของการดุลสมการด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้

1. บอกสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ทุกตัวและเขียนสูตรให้ถูกต้องโดยเขียนอยู่ด้านซ้ายและด้านขวามือ ตามลำดับ

2. เริ่มดุลสมการด้วยการใช้เลขสัมประสิทธิ์ที่ทำให้จำนวนอะตอมของแต่ละธาตุมีค่าเท่ากันทั้งสองด้านของสมการ เราสามารถเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์นี้ได้(จำนวนที่ใช้ในการเขียนสูตร) การเปลี่ยนเลขกำกับล่างอาจจะเปลี่ยนเอกลักษณ์ของสารได้ เช่น 2NO2 มีความหมายว่า “มีสองโมลเลกุลของไนโตรเจนไดออกไซด์” แต่ถ้าเพิ่มเป็นสองเท่าของตัวเลขกำกับล่างเราจะได้ N2O4 ซึ่งเป็นสูตรของไดไนโตรเจนเตตระออกไซด์เป็นสารประกอบที่ต่างกัน

3. พิจารณาธาตุที่ปรากฏเพียงครั้งเดียวในแต่ละด้านของสมการโดยมีจำนวนอะตอมเท่ากันทั้งสองด้าน สูตรที่ประกอบด้วยธาตุเหล่านี้จะมีค่าสัมประสิทธิ์ที่เท่าเดิม ดังนั้นจึงไม่มีความจำเป็นที่จะต้องปรับค่าสัมประสิทธิ์ของแต่ละด้านในสมการ ถัดมาดูธาตุที่ปรากฏเพียงครั้งเดียวในแต่ละด้านของสมการแต่มีจำนวนอะตอมที่แตกต่างกัน ดุลธาตุเหล่านี้ให้เท่ากันทั้งสองด้าน สุดท้ายดุลธาตุที่มีสองสูตรหรือมากกว่าของด้านเดียวกันในสมการ

4. ตรวจสอบดูว่าดุลสมการได้ถูกโดยที่ต้องแน่ใจว่ามีจำนวนของอะตอมในแต่ละด้านเท่ากันทั้งสองด้านของลูกศร

 พิจารณาตัวอย่าง การเตรียมแก๊สออกซิเจนจำนวนน้อยๆ ทำได้โดยให้ความร้อนโพแทสเซียมคลอเรต(KClO3) ผลผลิตที่ได้คือ แก๊สออกซิเจน(O2) และโพแทสเซียมคลอไรด์(KCl) จากข้อมูลนี้เขียนสมการการเตรียมแก๊สออกซิเจน ได้ดังนี้

          KClO3 --> KCl  + O2 

จากสมการที่เขียนได้จะเห็นได้ว่า ทั้ง 3 ธาตุ(K,Cl,O) ปรากฏที่เดียวทั้งสองด้าน K และ Cl มีจำนวนอะตอมเท่ากัน ทั้งสองด้านของสมการ แต่จำนวนอะตอมของ O ยังไม่เท่ากัน ด้านซ้ายมี 3 ด้านขวามี 2 ถ้าต้องการทำให้เท่ากันทั้งสองด้านคือเท่ากับ 6 ต้องคูณ 2 ทางซ้ายมือ(เลข3) และ คูณด้วย 3 ทางขวามือ(เลข2) จึงเขียนใหม่เป็น

          2KClO3 --> KCl  + 3O2 

ขั้นสุดท้าย เราดุลธาตุ K และ Cl อะตอมโดยเติม 2 เข้าหน้า KCl ทางขวามือ จะได้

          2KClO3 --> 2KCl  + 3O2 

จะได้สมการที่ดุลอย่างสมบูรณ์แล้ว มีจำนวนอะตอมของทุกธาตุเท่ากันทั้งสองด้าน

          จากสมการที่ดุลแล้วนี้สามารถนำไปคำนวณปริมาณสารที่เกี่ยวข้องในสมการ ดังตัวอย่างต่อไปนี้ ปฏิกิริยาระหว่าง แคลเซียมคาร์ไบด์(CaC2) กับน้ำ(H2O) ได้ผลผลิตเป็นแคลเซียมไฮดรอกไซด์(Ca(OH)2) และแก๊สอะเซติลีน(C2H2) เขียนสมการและดุลแล้วได้ดังนี้

CaC2(s) +   2H2O(l)   -->      Ca(OH)2(aq) +   C2H2(g)   ….(1)

1                  2                     1                     1            โมเลกุล

1                  2                     1                     1            โมล

6.02 x 1023  2(6.02 x 1023)  6.02 x 1023       6.02 x 1023     โมเลกุล

64.1             2(18.0)             74.1            26.0              กรัม

                                                          22.4   ลิตร(dm3) ที่ STP

ตัวอย่าง จากสมการ  (1)  ถ้าใช้  CaC2  2.5  mol ทำปฏิกิริยากับน้ำที่มีปริมาณมากเกินพอ

ก.      ได้  C2H2(g)  เกิดขึ้นกี่โมล

ข.      ได้  C2H2(g)  เกิดขึ้นกี่กรัม

ค.      ได้  C2H2(g)  เกิดขึ้นกี่ลิตร  ที่  STP

ง.       น้ำทำปฏิกิริยาไปกี่โมลและกี่กรัม

          (Ca  =  40.1 ,  C  =  12.0,  H  =  1.0)

วิธีทำ

ก.      จากสมการ  1 จะเห็นว่า 

      CaC2  1  mol ให้ C2H2    1  mol

\CaC2 2.5 mol ให้ C2H2  2.5 mol  ด้วย

ข.   น้ำหนักโมเลกุลของ C2H2  =  26.0 

หมายความว่า     C2H2  1  mol  หนัก  26.0  g

\ C2H2  2.5  mol  หนัก =     ( 2.5 mol) (26.0 g)    =        65.0  g

                                               (1 mol)

ค.  C2H2(g)  1  mol  มีปริมาตร  22.4  l ที่  STP

\ C2H2(g)  2.5  mol  มีปริมาตร  =    (2.5 mol) (22.4 l)   ที่  STP

                                                        (1 mol)

                                          =    56.0  l ที่  STP

ง.  จากสมการ

     CaC2 1 mol ทำปฏิกิริยาพอดีกับ H2O 2  mol 

\CaC2 2.5 mol ทำปฏิกิริยากับ H2O (2 x 2.5) mol       =     5.0  mol

             H2O  1  mol  มีน้ำหนัก  =   18.0  g

\    H2O  5.0  mol  มีน้ำหนัก   =     (18.0) (5.0)        =     90  g

 

 

2.6 สารกำหนดปริมาณ

          การทำปฏิกิริยาเคมีของสารตั้งต้นหากปริมาณสารที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาไม่พอดีกัน สารที่มีจำนวนน้อยกว่าจำนวนที่พอดีกันจะถูกใช้หมดไปก่อน ส่วนสารที่มีจำนวนมากกว่าจำนวนที่พอดีกันจะเหลืออยู่ เรียกว่าเป็นสารที่มีมากเกินพอ ดังนั้นปริมาณผลผลิตที่เกิดขึ้นจึงถูกกำหนดโดยสารที่มีปริมาณน้อยกว่า เพราะเป็นสารที่ใช้หมดไปเพื่อทำให้เกิดผลผลิต

ตัวอย่าง

          การเกิดของไนโตรเจนไดออกไซด์(NO2) จากไนตริกออกไซด์(NO) และออกซิเจน(O2)

          2NO(g) + O2(g) --> 2NO2(g)

          ถ้าเริ่มต้นจาก NO จำนวน 8 โมล รวมกับ O2 จำนวน 7 โมล สารใดเป็นสารกำหนดปริมาณ และสารใดเป็นสารที่มีมากเกิดพอ

          จากสมการ แสดงว่า 2 โมล ของ NO ได้ NO2 2 โมล

                   ดังนั้น 8 โมล ของ NO ก็ได้ NO2 8 โมล

          ส่วน O2 1 โมล ได้ NO ได้ NO2 2 โมล

                   ดังนั้น 7 โมล ของ O2 ก็ได้ NO2 2x7= 14 โมล

          จะเห็นได้ว่า ปริมาณผลผลิต NO2 จาก NO ได้น้อยกว่า ดังนั้น NO จึงเป็นสารกำหนดปริมาณการเกิดปฏิกิริยา

ยังมีต่อตอน 2 หัวข้อ 2.7

เอกสารอ้างอิง Raymond Chang Chemistry McGraw-Hill International enterprises 2007