25 พฤษภาคม 2559 ปริมาณสารสัมพันธ์...

โครงการแนะแนวความถนัดทางวิศวกรรมสู่น้อง ม.ปลาย คร้ังท่ี 9 (FE Camp 9) คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ระหว่างวันท่ี 20 - 25 พฤษภาคม 2559

เคมี

ปรมิาณสารสมัพนัธ์

โมล โมล (mole, ย่อว่า mol) เป็นหน่วย SI ที่ใช้บอกถึงปริมาณของสสาร โดยโมลถือเป็นหน่วยที่มีความส าคัญมากทางเคมี เนื่องจากปริมาณของสารในสมการเคมีจะสัมพันธ์กันเป็นสัดส่วนกับโมล (แสดงด้วยเลขดุลหน้าสารแต่ละชนิดในสมการเคมี) ความสัมพันธ์ของโมลกับปริมาณอ่ืนๆ

เปอร์เซ็นต์โดยมวล ใช้เพื่อบอกปริมาณของธาตุหรือสารนั้น ๆ ในโมเลกุลหรือสารประกอบ

กฎทรงมวล กล่าวว่า “มวลของสารไม่สามารถสูญหาย หรือ เพ่ิมขึ้นใหม่ได้” ดังนั้น มวลของสารก่อนท าปฏิกิริยา

(มวลสารที่เข้าท าปฏิกิริยาจริง ไม่รวมมวลที่มากเกินพอ ) จะต้องเท่ากับมวลของสารหลังท าปฏิกิริยา โดยปฏิกิริยาที่เป็นไปตามกฏทรงมวลนั้นจะต้องอยู่ในระบบปิด เช่น A + B C + D มวล A + มวล B = มวล C + มวล D จะได้

กฎสัดส่วนคงท่ี กล่าวว่า “อัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ จะมีค่าคงที่เสมอ” เช่น C + O2 CO2

12 : 32 44 6 : 16 22

mol = = = = = มวล (g) MW 22.4 dm3

V (dm3) at STP จ านวนโมเลกุล 6.02x1023

PV RT

CVsol

1000

Note: STP คือ สภาวะมาตรฐานของแก๊ส (ความดัน 1 atm, อุณหภูมิ 0 C หรือ 273 K)

% โดยมวลของสาร A =

% โดยมวลของสาร A ในสารประกอบนั้น ๆ

มวลของสารประกอบทั้งหมด

m ก่อนท าปฏิกิริยา = m หลังท าปฏิกิริยา


เคมี

ความเข้มข้นของสารละลาย หน่วยของความเข้มข้น

- เปอร์เซ็นต์ - % โดยมวล (W/W) - % โดยปริมาตร (V/V) - % โดยมวลต่อปริมาตร (W/V)

- โมลาริตี (Molarity, M)

- โมแลลลิตี (Molality, m)

- ppm (part per million) ปริมาณของตัวถูกละลายใน 1 ล้านหน่วย (106) ของสารละลาย - ppb (part per billion) ปริมาณของตัวถูกละลายใน 1 พันล้านหน่วย (109) ของสารละลาย - เศษส่วนโมล (mole fraction, x)

การผสมและเจือจางสารละลาย

% = x 100

ปริมาณของสารตัวถูกละลาย

ปริมาณของสารละลายทั้งหมด

M =

โมลของตัวถูกละลาย (mol) ปริมาตรรวมของสารละลาย (dm3)

m = โมลของตัวถูกละลาย (mol)

มวลรวมของตัวท าละลาย (kg)

x = โมลของสารที่สนใจ (mol) โมลของสารผสมทั้งหมด (mol)

เจือจาง : C1V1 = C2V2

ผสม : CรวมVรวม = C1V1 + C2V2 + (molx1000) + …

Note: การเปลี่ยนหน่วยระหว่างเปอร์เซ็นต์และโมลาริตี สามารถท าได้ดังนี้

ใช้กับ % โดยมวลต่อปริมาตร M = % x 10 MW

M = % x 10 x D MW

ใช้กับ % โดยมวล เมื่อ D คือ ความหนาแน่นของสารละลาย

ใช้กับ % โดยปริมาตร เมื่อ D คือ ความหนาแน่นของตัวถูกละลาย


เคมี

สมการเคมี ก าหนดสมการเคมี aA bB cC dD

จะได้ความสัมพันธ์ของปริมาณสารแต่ละชนิดที่ถูกใช้หรือเกิดข้ึนในปฏิกิริยา ดังนี้

สารก าหนดปริมาณ คือ สารตั้งต้นที่หมดก่อน จะใช้เป็นตัวก าหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น สารที่มีมากเกินพอ คือ สารตั้งต้นที่ยังคงเหลือหลังจากสารก าหนดปริมาณถูกใช้หมดแล้ว ในความเป็นจริง ปฏิกิริยาเคมีนั้นไม่สามารถด าเนินไปจนสมบูรณ์ได้ (สารก าหนดปริมาณถูกใช้หมด และได้ผลิตภัณฑ์ออกมาตามที่ค านวณได้จากสมการเคมี) ซึ่งส่งผลให้ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้น้อยกว่าที่ค านวณจากสมการเคมี ดังนั้นจึงมีการนิยามตัวแปรบางตัวขึ้นมาเพ่ืออธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้ คือ เปอร์เซ็นต์ผลผลิต (% yield)

molA molB molC molD

a b c d

! Note: - ก่อนค านวณทุกครั้ง อย่าลืม ดุลสมการ

- mol ที่ใช้ในการค านวณ คือ โมลที่ใช้หรือท่ีเกิดจริง

- molX

xของสารตั้งต้นที่มีค่าน้อยที่สุด คือ สารก าหนดปริมาณ

% yield = x 100 ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจริง

ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นตามทฤษฎี


เคมี

ตัวอย่างท่ี 1 ธาตุ X ซึ่งเป็นของแข็ง มีความหนาแน่น 1.8 g/cm3 ถ้าธาตุ X ปริมาตร 10 cm3 มีจ านวนอะตอมเท่ากับ 1.2 x 1024 อะตอม แล้วมวลอะตอมของ X เป็นเท่าใด

Soln จาก = และ ความหนาแน่น (g/cm3) = .

จะได้ มวลอะตอม = (ความหนาแน่น x ปริมาตร) x

=

233

3 24

g 6.02x10 อะตอม1.8 x10 cm x 9.03กรัม

cm 1.2x10 อะตอม

#

ตัวอย่างท่ี 2 จงหาร้อยละโดยมวลของคาร์บอน (C) ในสารประกอบโซเดียมคาร์บอเนต

Soln มวลโมเลกุลของ Na2CO3 = (23 x 2) + (12 x 1) + (16 x 3) = 106 g

mol

ร้อยละโดยมวลของ C = x 100 = 12

x100106

ร้อยละ 11.32 #

ตัวอย่างท่ี 3 หน่วย amu (atomic mass unit) ถูกนิยามดังนี้ “คาร์บอน 1 โมล มีมวล 12 กรัม อะตอมของคาร์บอน 1 อะตอมจะมีมวล 12 amu”

จงหาว่า 1 amu คิดเป็นกี่กรัม Soln คาร์บอน 1 โมล = 6.02 x 1023 อะตอม มีมวล 12 กรัม

คาร์บอน 1 อะตอม มีมวล 23

121x

6.02x10= 12 x 1.66 x 10-24 กรัม = 12 amu

ดังนั้น 1 amu คิดเป็น 1.66 x 10-24 กรัม # ตัวอย่างท่ี 4 (PAT3 ต.ค. 52) การเตรียมสารละลาย NaOH ให้มีความเข้มข้น 0.02 โมลาร์ โดยใช้ NaOH

4 กรัม จะสามารถเตรียมสารละลาย NaOH ได้ปริมาตรเท่าใด (Na = 23, H = 1, O = 16) 1. 4,050 มิลลิลิตร 2. 5,000 มิลลิลิตร 3. 5,125 มิลลิลิตร 4. 6,000 มิลลิลิตร

Soln จาก solมวล (g) CV

0

MW 100

จะได้ 3

sol 3มวล (g) 1000 4 1000 dmV x mol x 5dm 5000mL

MW C 40 0.02 m

ol

#

6.02 x 1023 1.2 x 1024

มวล (g) มวลอะตอม

จ านวนโมเลกุล 6.02x1023

มวล (g) ปริมาตร (cm3)

มวล C (g) มวลสารประกอบ


เคมี

ตัวอย่างท่ี 5 (PAT3 มี.ค. 55) สารละลาย A ปริมาตร 20 ลูกบาศก์เซนติเมตร มีความเข้มข้น 98% โดยมวล มีความหนาแน่น 0.2 กรัมต่อลูกบาศก์เมตร และสาร A มีมวลโมเลกุล 98 กรัมต่อโมล หากต้องเตรียมสารละลาย A ที่มีความเข้มข้น 0.16 โมลต่อลิตร จะต้องเติมน้ ากลั่นจนสารละลายมีปริมาตรรวมก่ีลูกบาศก์เซนติเมตร

Soln หาความเข้มข้นของสารละลาย A ในหน่วยโมลาร์ จาก

จะได้ 98x10%x1 x0.2

M 2MMW

0 D

98

x

เมื่อเจือจางสารละลาย (ความเข้มข้นลดลง) จะหาปริมาตรหลังเจือจางได้จาก C1V1 = C2V2

จะได้ 3323 3

mol mol2 x20 cm 0.16 x cmV

dm dm

ดังนั้น

33

32

3

mol2 x20 cm

dmV 250 cmmol

0.16dm

#

ตัวอย่างท่ี 6 สมมติปฏิกิริยาเคมีหนึ่งมีสมการเคมีดังนี้

A 3B 2C วิศวกรเคมีป้อนสาร A จ านวน 10 โมล และสาร B จ านวน 50 โมล เข้าสู่ถังผสมสาร ได้สาร C ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์จ านวน 14 โมล (แก้ไขโจทย์ในหนังสือ ตัดข้อความด้านหลังทิ้งนะ : และผลิตภัณฑ์ข้างเคียงอ่ืน ๆ หลังท าปฏิกิริยาพบว่าเหลือสาร A อยู่ 2 โมล และสาร B จ านวนหนึ่ง) จงตอบค าถามต่อไปนี้ 1. สารใดเป็นสารก าหนดปริมาณ

Soln สารก าหนดปริมาณ คือ สารตั้งต้นที่ molX

x น้อยที่สุด จากโจทย์ มีสารตั้งต้น คือ

A และ B

สาร A ; molA 10

10a 1

สาร B ; molB 50

16.67b 3

M = % x 10 x D MW

molX

xของสาร A มีค่าน้อยกว่า

ดังนั้น A เป็นสารก าหนดปริมาณ #


เคมี

2. ร้อยละผลผลิตของปฏิกิริยามีค่าเท่าใด

Soln หาปริมาณ C ที่เกิดขึ้นทางทฤษฎี จากสมการ A 3B 2C

จาก molC

m

c

olA

a จะได้

molA 10molC xc x2 20mol

a 1

หาร้อยละผลผลิตได้จาก

จะได้ 14

% yield x100 70%20

#

ตัวอย่างท่ี 7 (PAT3 มี.ค. 53) ในการเตรียมโซดาไฟ (NaOH) ในอุตสาหกรรมจะเตรียมโดยการท า

ปฏิกิริยาระหว่างปูนขาว (Ca(OH)2) กับโซดาแอช (Na2CO3) และนอกจากจะได้โซดาไฟแล้ว ยังจะได้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นผลพลอยได้ โดยมีสมการเคมีที่ยังไม่ได้ดุลสมการดังนี้

2 3 2 3Na CO Ca(OH) NaOH CaCO

ก าหนดให้ น้ าหนักของอะตอม Na = 23, C = 12, O = 16, Ca = 40, H = 1, จงหาว่า ในการเตรียมโซดาไฟ ถ้าใช้โซดาแอช 26.5 กิโลกรัม จะได้โซดาไฟปริมาณก่ีกิโลกรัม

Soln ดุลสมการจะได้ 2 3 2 3Na CO Ca(OH) 2NaOH CaCO

หาปริ มาณ NaOH ที่ เ กิ ด ขึ้ น ได้ จ าก 2 3molNa CO molNaOH

1 2 จะ ได้

2 3

2 3

Na CO NaOH

Na CO NaOH

มวล มวล

1xMW 2xMW

2 3

2 3

2 3

Na CONaOH Na CO

Na CO

มวล 26.5 kgมวล x 2xMW x 2x40 g 20 kg

1xMW 106 g #

ตัวอย่างท่ี 8 (PAT3 มี.ค. 57) โรงงานผลิตอะลูมิเนียมซัลเฟต (Al2(SO4)3) ด าเนินการผลิตโดยใช้

อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ท าปฏิกิริยากับกรดซัลฟูริก (H2SO4) ดังปฏิกิริยาต่อไปนี้

2 3 2 4 2 4 3 2Al O H SO Al (SO ) H O

(สมการนี้ยังไม่ได้ดุลสมการให้ถูกต้อง) ทางโรงงานใช้แร่บอกไซท์ปริมาณ 1,000 กิโลกรัม ซึ่งมีอะลูมิเนียมออกไซด์อยู่ 50% โดยน้ าหนัก และสารละลายกรดซัลฟูริกปริมาณ 2,000 กิโลกรัม ที่มีความเข้มข้น 80% โดย

% yield = x 100 ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจริง

ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นตามทฤษฎี


เคมี

น้ าหนัก เป็นวัตถุดิบ อยากทราบว่าสารใดเป็นสารก าหนดปริมาณในการผลิตครั้งนี้และจะผลิตอะลูมิเนียมซัลเฟตได้กี่กิโลกรัม ก าหนดให้ มวลโมเลกุล Al2O3 = 100 กรัมต่อโมล Al2(SO4)3 = 340 กรัมต่อโมล

H2SO4 = 100 กรัมต่อโมล H2O = 20 กรัมต่อโมล 1. สารก าหนดปริมาณคือ Al2O3 และผลิต Al2(SO4)3 ได้ 3,400 กิโลกรัม 2. สารก าหนดปริมาณคือ H2SO4 และผลิต Al2(SO4)3 ได้ 3,400 กิโลกรัม 3. สารก าหนดปริมาณคือ Al2O3 และผลิต Al2(SO4)3 ได้ 1,700 กิโลกรัม 4. สารก าหนดปริมาณคือ H2SO4 และผลิต Al2(SO4)3 ได้ 1,700 กิโลกรัม

5. สารก าหนดปริมาณคือ Al2O3 และผลิต Al2(SO4)3 ได้ 1,000 กิโลกรัม Soln แร่บอกไซท ์1,000 กิโลกรัม จะมีอะลูมิเนียมออกไซด์ 50%

ดังนั้น จะมีอะลูมิเนียมออกไซด์ = 50

x1000 500 g100

k

ดุลสมการจะได้ 2 3 2 4 2 4 3 2Al O 3H SO Al (SO ) 3H O หาสารก าหนดประมาณ; จากโจทย์ มีสารตั้งต้นคือ Al2O3 และ Al2(SO4)3

สาร Al2O3;

2 3 2 3

2 3

Al O Al O

Al O

mol มวล 500 kg5

1 1xMW 100 kg

สาร H2SO4;

2 4 2 4

2 4

H SO H SO

H SO

mol มวล 2000x0.8 kg5.33

3 3xMW 3x100 kg

เนื่องจาก molX

x ของ Al2O3 มีค่าน้อยกว่า ดังนั้น Al2O3 เป็นสารก าหนดปริมาณ #

หาปริมาณ Al2(SO4)3 ที่เกิดขึ้นได้จาก 2 42 3 3

m Al SOAl olmol O

1 1

จะได้

2 42 3 3

2 3 Al SO2 4 3

Al SOAl O

Al O

มวลมวล

1xMW 1xMW

2 3

Al SO Al SO2 4 2 43 32 3

Al O

Al O

มวล 500 kgมวล x 1xMW x 1x340 kg 1,700 kg

1xMW 100 kg #

Scanned by CamScanner


เคมี

เฉลยละเอยีดเคม ี: Polymer เว้นไว้ 8 pts

ตัวอย่างท่ี 1 (Ent 49) พลาสติกชนิดหนึ่งมีสมบัติดังนี้ ก. ประกอบด้วยมอนอเมอร์เพียงชนิดเดียว

ข. เป็นเทอร์มอพลาสติก ค. เมื่อไหม้ไฟจะเกิดควันสีขาว กลิ่นคล้ายกรดเกลือ

ง. ใช้ท ารองเท้า กระดาษติดผนัง พลาสติกชนิดใดมีสมบัติดังกล่าว

1. พอลิยูเรียฟอร์มาลดีไฮด์ 2. พอลิสไตรีน 3. พอลิโพรพิลีน 4. พอลิไวนิลคลอไรด์ เนื่องจาก ข้อ 4 พอลิไวนิลคลอไรด์ มีสมบัติคือ

- เป็นเทอร์มอพลาสติกชนิดหนึ่ง เกิดจากมอนอเมอร์คือ ไวนิลคลอไรด์ - เมื่อเผาจะได้กรด HCl จึงมีกลิ่นของกรดเกลือ - นิยมใช้ท าท่อน้ า รองเท้า กระดาษติดผนัง บัตรเครดิต และฉนวนหุ้มสายไฟ ซึ่งตรงกับคุณสมบัติที่โจทย์ให้มา จึงตอบข้อ 4

ข้อ 1 พอลิยูเรียฟอร์มาลดีไฮด์ เป็นพลาสติกประเภทเทอร์มอเซต ข้อ 2 พอลิสไตรีน เกิดกลิ่นแก๊สจุดตะเกียง ใช้ท าโฟมบรรจุอาหาร วัสดุลอยน้ า ข้อ 3 พอลิโพรพิลีน เกิดกลิ่นพาราฟีน ใช้ท าภาชนะบรรจุสารเคมี โต๊ะ เก้าอ้ี

ตัวอย่างท่ี 2 (Ent 51) โครงสร้างของพลาสติกในข้อใดที่ ไม่ สอดคล้องกับสมบัติของพลาสติกนั้น

1. 2. 3. 4.

สมบัติ โครงสร้าง

โซ่ตรง โซ่กิ่ง ตาข่าย ยืดหยุ่น โค้งงอได้ น ากลับมาใช้ใหม่ได้ น ามาขึ้นรูปใหม่ไม่ได้ ได้รับความร้อนไม่อ่อนตัว

/ / - -

/ / - /

- - / /

เนื่องจาก จากสมบัติของพลาสติก 2 ประเภท 1. เทอร์มอพลาสติก มีโครงสร้างเป็นโซ่ตรงและกิ่ง จะยืดหยุ่น โค้งงอได้ และ

สามารถน ากลับมาใช้ใหม่ได ้ 2. พลาสติกเทอร์มอเซต มีโครงสร้างเป็นตาข่าย เมื่อได้รับความร้อนจะไม่อ่อนตัว

แต่เมื่ออุณหภูมิมากพอจะท าให้พลาสติกชนิดนี้สลายตัว จึงไม่สามารถน ามาข้ึนรูปใหม่ได้ จากข้อมลูข้างต้นท าให้ ข้อ 4 มีโครงสร้างไม่สอดคล้องกับสมบัติของพลาสติก จึงตอบข้อ 4


เคมี

ตัวอย่างท่ี 3 (Ent 54) สัญลักษณ์ต่อไปนี้มีความหมายว่าอย่างไร

1. สามารถรีไซเคิลได้อีก 5 ครั้ง

2. สามารถรีไซเคิลได้ทั้งหมด 5 ครั้ง 3. ผ่านการรีไซเคิลมาได้ 5 ครั้งแล้ว

4. เป็นพลาสติกรีไซเคิลประเภทที่ 5 เนื่องจาก สัญลักษณ์ในภาพเป็นสัญลักษณ์ท่ีใช้บอกประเภทของพลาสติกแต่ละชนิด ที่สามารถน า

กลับมาใช้ใหม่ได ้โดยตัวเลขตรงกลางสัญลักษณ์แสดงถึงประเภทของพลาสติก ในที่นี้คือพลาสติกประเภทที่ 5 เป็นพลาสติกประเภทพอลิโพรพิลีน (Polypropylene)

ตัวอย่างท่ี 4 (Ent 27) กระบวนการวัลคาไนเซชันคืออะไร 1. กระบวนการที่ท าให้พอลิเมอร์ไอโซพรีนต่อกันเป็นสายยาวเพ่ิมขึ้น 2. กระบวนการที่ท าให้ยางสังเคราะห์มีความยืดหยุ่นใกล้เคียงกับยางธรรมชาติ 3. กระบวนการที่ท าให้ยางสังเคราะห์มีโครงสร้างใกล้เคียงกับยางธรรมชาติ 4. กระบวนการที่ท าให้พอลิเมอร์ของยางเชื่อมต่อกันเป็นร่างแห โดยมีก ามะถันเป็นตัวเชื่อม เนื่องจาก กระบวนการวัลคาไนเซชัน (Vulcanization) เป็นกระบวนการที่ช่วยปรับปรุงคุณภาพของ

ยางจากการเติมก ามะถัน ท าให้เกิดพันธะโคเวเลนต์ “disulfide linkage” เชื่อมระหว่าง พอลิเมอร ์

ตัวอย่างท่ี 5 (PAT3 มี.ค. 53) ข้อใด ไม่ใช่ คุณสมบัติของยางสังเคราะห์ (Synthetic Rubber) 1. มีความต้านทานแรงดึงสูง 2. เป็นฉนวนที่ดีมาก 3. ที่อุณหภูมิต่ าจะแข็งและเปราะ 4. ทนน้ า ทนน้ ามันจากพืช และสัตว์ 5. ทนต่อสารเคมี กรด – เบส เนื่องจาก ยางสังเคราะห์มีคุณสมบัติคือ

- มีความยืดหยุ่นสูง ท าให้มีความต้านทานแรงดึงสูง - มีความเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี - มีความแข็งแต่เปราะ - ทนต่อสภาพที่ต้องสัมผัสกับน้ ามันเบนซิน หรือตัวท าละลายอินทรีย์ได้ดี ท าให้ ข้อ 1, 2, 3 และ 4 ถูกต้อง ดังนั้น ข้อ 5 จึงไม่ใช่สมบัติของยางสังเคราะห์


เคมี

ตัวอย่างท่ี 6 (PAT3 มี.ค. 54) ข้อความใดกล่าวได้ ถูกต้อง เกี่ยวกับสมบัติของพลาสติกท่ีใช้ในการท า เก้าอ้ีนั่งนักเรียน

ก. เมื่อได้รับความร้อนสามารถคืนรูปเดิมหรือเปลี่ยนรูปได้ ข. พลาสติกประเภทเทอร์มอเซต (Thermosetting Plastic) ค. มีโครงสร้างโมเลกุลแบบเส้น 1. ก 2. ข 3. ก และ ค 4. ก และ ข 5. ก ข และ ค เนื่องจาก พลาสติกท่ีน ามาใช้ท าเก้าอ้ีนั่งนักเรียน ส่วนมากมักเป็นพลาสติกประเภทพอลิโพรพิลีน ซึ่งเป็นพลาสติกประเภทเทอร์มอพลาสติก มีโครงสร้างโมเลกุลแบบเส้นและกิ่ง เมื่อได้รับความร้อนจะสามารถคืนรูปเดิมหรือเปลี่ยนรูปได้

25 พฤษภาคม 2559 ปริมาณสารสัมพันธ์...

Documents