ปริมาณสารสัมพันธ์ Stoichiometry

สัมพันธ์ระหว่างปริมาณ 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 การคำนวณปริมาณสารในปฏิกิริยาเคมี ปริมาตรของแก๊ส มวลของสาร ผลได้ร้อยละ จำนวนอนุภาคของสาร

ปริมาณสารสัมพันธ์ หมายถึง การวัดหรือการหาปริมาณสารในปฏิกิริยาเคมี ใช้ระบุความสัมพันธ์เชิงปริมาณขององค์ประกอบของสารและปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้อง

ความสำคัญและประโยชน์

สามารถใช้คาดคะเนปริมาณของสารที่จะต้องใช้เป็นสารตั้งต้น เพื่อที่จะได้ผลิตผลที่มีปริมาณ ตามต้องการ 2. สามารถนำไปตีความหรืออธิบายผลจากเคมีวิเคราะห์

3. สามารถนำไปใช้ประกอบการเลือกปฏิกิริยาที่ ประหยัดที่สุดในทางอุตสาหกรรมและทางการค้า สามารถบอกได้ว่าตัวทำปฏิกิริยาใดทำปฏิกิริยา จนหมดหรือตัวทำปฏิกิริยาใดจะเหลือ เป็นต้น

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 1 อะตอม หรือ 1.66 x 10-24 g มวลอะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม (g) 1.66 x 10-24 g = มวลของธาตุ 1 อะตอม 1 amu

ธาตุ C-12 1 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 1. 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

ตัวอย่างโจทย์ 2. ธาตุอะลูมิเนียมมีมวลอะตอม 26.98 ธาตุอะลูมิเนียม 1 อะตอมมีมวลเท่าใด

ตัวอย่างโจทย์ 3. ธาตุโซเดียม 10 อะตอม มีมวล 3.82 x 10-22 กรัม มวลอะตอมของธาตุโซเดียมมีค่าเท่าใด มวลอะตอมของ Na เท่ากับ 23.01

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

ตัวอย่างโจทย์ 4. ออกซิเจนในธรรมชาติประกอบด้วย 3 ไอโซโทป คือ (99.759%) มีมวล 15.9948 (0.037%) มีมวล 16.9991 มีมวล 17.9991 จงคำนวณหามวลอะตอมเฉลี่ยของออกซิเจน มวลอะตอมเฉลี่ยของออกซิเจน 15.999

ตัวอย่างโจทย์ 5. คาร์บอนมีไอโซโทป 2 ชนิด คือ และ มีค่ามวลอะตอมเฉลี่ย 12.01113 มีในธรรมชาติ 98.89 % มีมวลอะตอม 12.00 มีในธรรมชาติ 1.11 % จงคำนวณหามวลอะตอมของ มวลอะตอม13.003

โมเลกุล (molecule) หน่วยโครงสร้างที่เล็กที่สุดของธาตุหรือสารประกอบที่สามารถอยู่ได้โดยอิสระและยังคงมีสมบัติของธาตุหรือสารประกอบนั้น ๆ โดยสมบูรณ์

โมเลกุลอะตอมเดี่ยว (monoatomic molecule) เช่น ก๊าซมีตระกูลหรือก๊าซเฉื่อย (noble or inert gas) ได้แก่ He, Ne, Kr, Xe และ Rn โมเลกุลอะตอมคู่ (diatomic molecule) homonuclear molecule เช่น H2 , O2 และ N2 heteronuclear molecule เช่น HCl และ CO

โมเลกุลที่มีมากกว่าสองอะตอม (polyatomic molecule) homonuclear molecule เช่น P4 และ S8 heteronuclear molecule เช่น H2O และ C6H12O6

มวลโมเลกุล เมื่อธาตุต่างกันอย่างน้อย 2 ชนิดมารวมกันจะได้สารประกอบ(สูตรเคมี) เราสามารถคำนวณมวลของสารประกอบได้ เรียกว่า “มวลโมเลกุล” การคำนวณหามวลโมเลกุลหาจาก มวลโมเลกุล = (มวลอะตอม x จำนวนอะตอม) เช่น H2SO4 1 โมเลกุลมีมวลโมเลกุลเท่าใด

โมล (mole) โมลกับอนุภาคของสาร เป็นหน่วยบอกจำนวนอนุภาค/ปริมาณของสาร เขียนย่อว่า “mol” โดย 1 mol หมายถึง ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาค(อะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคอื่นๆ ) เท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีมวล 12 กรัม

โมลกับอนุภาคของสาร 12C 1 atom 12C a atom 12C 12.00 x 1.66 x 10-24 g 12C 12.00 g = 12C a atom = 12C 1 atom x 12C 12.00 g 12C 12.00 x 1.66 x 10-24 g = 6.022137 x 1023 atom

โมลกับอนุภาคของสาร สาร 1 โมล สาร 6.02 x 1023 อนุภาค ปริมาณของสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ 1 โมล มีค่าเท่ากับ 6.02 x 1023 อนุภาค เลขจำนวนนี้เรียกว่า เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number) สาร 1 โมล สาร 6.02 x 1023 อนุภาค สาร 6.02 x 1023 อนุภาค สาร 1 โมล หรือ

จำนวนและชนิดของอนุภาค โมลกับอนุภาคของสาร สาร จำนวนโมล จำนวนและชนิดของอนุภาค K Kr H2 H2O CO2 NaCl K2SO4 1 2 0.5 6.02 x 1023 อะตอม 6.02 x 1023 โมเลกุล 2 x 6.02 x 1023 โมเลกุล 0.5 x 6.02 x 1023 โมเลกุล Na+ 6.02 x 1023 ไอออน และ Cl- 6.02 x 1023 ไอออน K+ 2 x 6.02 x 1023 ไอออน และ SO42- 6.02 x 1023 ไอออน

โมล โมลไอออน เช่น Ca2+ 1โมลไอออน โมลโมเลกุล เช่น H2 1โมลโมเลกุล มีจำนวนไอออน = 6.02 x 1023 โมลโมเลกุล เช่น H2 1โมลโมเลกุล มีจำนวนโมเลกุล = 6.02 x 1023 โมล โมลอะตอม เช่น Na 1โมลอะตอม มีจำนวนอะตอม = 6.02 x 1023

โจทย์ตัวอย่างโมลกับอนุภาคของสาร 1. จงหาจำนวนโมลของ H2O 4.5 x 1026 โมเลกุล 2. จงหาจำนวนโมลของ Na+ 2.2 x 10-15 ไอออน

โจทย์ตัวอย่างโมลกับอนุภาคของสาร 3. จงหาจำนวนโมลของ Ar 100 อะตอม 4. จงหาจำนวนอะตอมของ Mg 0.005 โมล

โจทย์ตัวอย่างโมลกับอนุภาคของสาร 5. จงหาจำนวนโมเลกุลของ CO2 5 โมล 6. จงหาจำนวนไอออนของ F- 5 x 10-6 โมล

จำนวนโมลกับมวลของสาร ธาตุ มวลอะตอม จำนวนอะตอมต่อโมล มวล (g) Li Fe Au K 6.941 55.845 196.966 39.098 6.02 x 1023

จำนวนโมลกับมวลของสาร สารใดๆ 1 โมล(อะตอม) มีมวลเท่ากับ มวลอะตอม (กรัม) สารใดๆ 1 โมล(โมเลกุล) มีมวลเท่ากับ มวลโมเลกุล(กรัม) สาร 1 โมล มวลอะตอมหรือมวลโมเลกุล มวลอะตอมหรือมวลโมเลกุล สาร 1 โมล หรือ

โจทย์ตัวอย่างโมลกับมวลของสาร 1. NaOH 5 mol มีมวลกี่กรัม 2. CO2 0.2 mol มีมวลกี่กรัม

โจทย์ตัวอย่างโมลกับมวลของสาร 3. เหล็ก 200 กรัม มีจำนวนโมลเท่าใด 4. แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ 9.5 x 10-4 กรัม มีจำนวนโมลเท่าใด

โจทย์ตัวอย่างโมลกับมวลของสาร 5. Al 40.5 กรัม จะมีกี่โมล และมีกี่อะตอม(Al=27)

Ex ถ้ามีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หนัก 9.24 g จงคำนวณหา ค.    จำนวนโมลของแต่ละธาตุในคาร์บอนไดออกไซด์ ง.    จำนวนอะตอมของแต่ละธาตุ

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

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

ค.      ใน 1 โมเลกุลของ CO2 มี C 1 อะตอม และ O 2 อะตอม ดังนั้น CO2 1 mol ประกอบด้วย C 1 mol O 2 mol ถ้า CO2 0.210 mol จึงประกอบด้วย C 0.210 x 1 = 0.210 mol และ O 0.210 x 2 = 0.420 mol

CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้วย C 1 อะตอม ถ้า CO2 1.26 x 1023 โมเลกุลจะมี C =1 x 1.26 x 1023 อะตอม CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้วย O 2 อะตอม ถ้า CO2 1.26 x 1023 โมเลกุล จะมี O = 2 x 1.26 x 1023 = 2.52 x 1023 อะตอม

สาร จำนวนโมล มวลอะตอม/มวลโมเลกุล จำนวนอนุภาค N2 1 28 6.02x1023โมเลกุล H2SO4 2 98 2 x 6.02x1023โมเลกุล Mg 3 24.3 3 x 6.02x1023 อะตอม NH4+ 0.1 18 0.1 x 6.02x1023ไอออน HCO3- 1.5 61 1.5x 6.02x1023 ไอออน

โมลโมเลกุล 1โมลโมเลกุล (1mol) จำนวน6.02x1023โมเลกุล มวลของสาร = มวลโมเลกุลมีหน่วยเป็นกรัม ปริมาตรของก๊าซ 22.4 dm3 ที่ STP

จำนวนโมลของแก๊ส = ปริมาตรแก๊สที่ STP การคำนวณเกี่ยวกับโมล การคำนวณโมล – กรัม จำนวนโมล = น้ำหนักสาร (กรัม) น้ำหนักอะตอมหรือน้ำหนักโมเลกุล การคำนวณโมลของแก๊ส จำนวนโมลของแก๊ส = ปริมาตรแก๊สที่ STP 22.4 ลิตร (dm3) (STP = ความดัน 1 atm อุณหภูมิ 273.15 K)

Ex. มวลโมเลกุล SO2=64, CCl4=154, NaOH=40 SO2 1 โมล มี 6.02x1023 โมเลกุลมีมวล 64 g มีปริมาตร 22.4 dm3 ที่ STP CCl4 1 โมล มี 6.02x1023 โมเลกุลมีมวล 154 g ปริมาตรไม่สามารถระบุได้ (มีสถานะเป็นของเหลว) NaOH 1 โมล มี 6.02x1023 โมเลกุลมีมวล 40 g ปริมาตรไม่สามารถระบุได้ (มีสถานะเป็นของแข็ง)

จงคำนวณน้ำตาลกลูโคส 3x1024 โมเลกุล มีกี่โมล ถ้า ”------------” 3.01x1024 โมเลกุล ”-----” = 1x 3.01x1024 6.02x1023 ดังนั้นน้ำตาลกลูโคส 3.01x1024 โมเลกุล = 5 โมล ดังนั้น จำนวนโมล = จำนวนโมเลกุล 6.02x1023

H2SO4 มวล 196 g มีกี่โมล (H=1,S=32,O=16) หามวลโมเลกุล H2SO4 = (1x2 + 32 +16x4) = 98 H2SO4 98 g คิดเป็น 1 mol H2SO4 196 g ” = 1x196 = 2 mol 98 ดังนั้น จำนวนโมล = มวลของสารเป็นกรัม มวลโมเลกุล

ก๊าซ O2 22.4 dm3 คิดเป็น 1 mol ” 38 dm3 ”---------” = 1x38 22.4 ก๊าซออกซิเจน ปริมาตร 38 dm3 ที่ 0oC ความดัน 1 atm มีจำนวนโมลเท่าไร ก๊าซ O2 22.4 dm3 คิดเป็น 1 mol ” 38 dm3 ”---------” = 1x38 22.4 = 1.7 mol ดังนั้น จำนวนโมล = ปริมาตรที่ STP 22.4 dm3

การคำนวณโมลของแก๊ส ตัวอย่าง จงหามวลของแก๊ส cyclopropane (C3H6) ปริมาตร 1.00 L ที่ STP (น้ำหนักอะตอม : C = 12.0, H = 1.0) จำนวนโมลของ C3H6 = ปริมาตรแก๊สที่ STP 22.4 L.mol-1 = 1.00 L 22.4 L.mol-1 = 0.045 mol

การคำนวณโมลของแก๊ส จำนวนโมลของแก๊ส = น้ำหนักแก๊ส (g) น้ำหนักโมเลกุล

ไอน้ำ 2.25 โมล มีปริมาตรกี่ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่STP ตัวอย่าง จงหาจำนวนโมลของแก๊สโอโซน(O3) ปริมาตร 10 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่ STP O3 22.4 dm3 คิดเป็น 1 mol ถ้า O3 10 dm3 คิดเป็น 1 x 10 = 0.45 mol 22.4 ดังนั้นจำนวนโมลของแก๊สโอโซน 10 dm3 เท่ากับ 0.45 โมล ไอน้ำ 2.25 โมล มีปริมาตรกี่ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่STP 50.4 dm3

ธาตุหรือสารประกอบในสภาพโมเลกุล ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมล มวล อนุภาค และปริมาตรที่ STP ของแก๊ส สามารถสรุปได้ดังนี้ ธาตุในสภาพอะตอม จำนวนโมล = มวล(g) = จำนวนอะตอม มวลอะตอม 6.02x1023 ธาตุหรือสารประกอบในสภาพโมเลกุล จำนวนโมล = มวล(g) = จำนวนโมเลกุล = ปริมาตรแก๊สSTP มวลโมเลกุล 6.02x1023 22.4 dm3 เขียนแทนด้วยสูตร n = m = N = VSTP M 6.02 x 10 23 22.4

สูตรเคมี (chemical formula) กลุ่มสัญลักษณ์ของธาตุหรือสารประกอบ เช่น H2O2 เป็นสูตรเคมีของสารประกอบ ซึ่ง 1 โมเลกุลประกอบด้วย H และ O อย่างละ 2 อะตอม

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

สูตรอย่างง่าย (empirical formula) สูตรที่บอกถึงอัตราส่วนของอะตอมของธาตุต่าง ๆ ในสูตร เช่น NaCl, H2O และ Na2CO3 สูตรอย่างง่ายหาได้จากการทดลอง

สูตรโมเลกุล (molecular formula) บอกถึงจำนวนอะตอมที่แท้จริงในโมเลกุลนั้น เช่น H2O เป็นสูตรโมเลกุล เพราะน้ำ 1 โมเลกุล ประกอบด้วย H 2 อะตอม และ O 1 อะตอม

สูตรโครงสร้าง (structural formula) สูตรซึ่งบอกรายละเอียดว่าอะตอมต่าง ๆ ในโมเลกุลจับกันอย่างไรหรือเกิดพันธะอย่างไร เช่น CH4 H H C H

การคำนวณหา สูตรเอมพิริกัล และสูตรโมเลกุล

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล ต้องทราบว่าสารประกอบนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง อัตราส่วนโดยน้ำหนักของธาตุทั้งหมดที่ มีอยู่เป็นอย่างไรและน้ำหนักอะตอมของแต่ละธาตุด้วย

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

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล เมื่อได้สูตรเอมพิริกัลแล้วจะคำนวณหาสูตรโมเลกุลได้ เมื่อทราบน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบนั้น ๆ สูตรโมเลกุล = (สูตรเอมพิริกัล)n โดย n = 1, 2, 3,…

การคำนวณหาสูตรเอมพิริกัล Ex จากการวิเคราะห์สารประกอบชนิดหนึ่ง พบว่าประกอบด้วยกำมะถันและออกซิเจนมีร้อยละโดยน้ำหนักของกำมะถันเป็น 50.05 และออกซิเจน 49.95 ถ้าน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบนี้เท่ากับ 64 จงคำนวณหาสูตรเอมพิริกัลและสูตรโมเลกุล ( S = 32, O = 16 )

50.05 49.95 : 32 16 1.56 3.12 1.56 1.56 วิธีทำ อัตราส่วนโดยน้ำหนักของ วิธีทำ อัตราส่วนโดยน้ำหนักของ S : O = 50.05 : 49.95 อัตราส่วนโดยจำนวนของอะตอม S : O = = 1.56 : 3.12 ทำให้เป็นอัตราส่วนที่เป็นเลขน้อย ๆ โดยการหารตลอดด้วย 1.56 = S : O = 1 : 2 50.05 49.95 32 16 : 1.56 3.12 1.56 1.56

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