ปรมาณสมพนธ (ตอ)

(Stoichiometry)

1

2

ปรมาณสมพนธ

“ความสมพนธระหวางมวลหรอน าหนกของธาตตาง ๆ จากสารประกอบในปฏกรยาเคม ปรมาณสารสมพนธมประโยชนในแงของการคาดคะเนปรมาณของสารทตองใชเปนสารตงตนเพอใหเกดผลตภณฑทตองการ”

นยามเพมเตมตาง ๆ ทควรรในเรองปรมาณสมพนธ

1.การดลสมการ

“การน าตวเลขทเหมาะสมมาเตมหนาสญลกษณหรอสตรของสารทอยในสมการเคม ทงนเพอท าใหจ านวนอะตอมแตละธาตในสารตงตนและผลตภณฑมคาเทากน”

Fe(s)+O2(g)→ Fe2O3 (s)

4Fe(s)+3O2(g)→ 2Fe2O3 (s)

ดลสมการ

สงทชวยยนยนวาสมการทดลแลวสมการใดถกตอง ใหพจารณาจากผลการทดลองและศกษาจากปฏกรยาเคมทเกดขนไดจรงๆ

3

แบบฝกหด1 จงดลสมการตอไปน

4

8.

9.

10.

11.

12. จากสมการตอไปน 2CxHy(g) + 13O2(g) → 8CO2(g) + 10H2O(g) คา x+yเปนเทาใด

13. สารประกอบของยเรยท าปฏกรยากบแกสออกซเจนไดดงสมการa(NH2)2CO(aq) + bO2(g) → xCO2(g) + yN2(g) + zH2O(l) ถา a, b, x, y, z เปนเลขจ านวนเตม (x+y+z)-(a+b) มคาเทาใด

5

6

2. ขอบเขตของการศกษา

การศกษาการเปลยนแปลงของสารในปฏกรยาเคมใดๆ จะตองมการก าหนดขอบเขตของการศกษาดงน

2.1 ระบบ หมายถง สวนทอยภายในขอบเขตของการศกษาซงจะพจารณารวมทงกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลง การก าหนดระบบขนอยกบจดมงหมายของการศกษา

2.2 สงแวดลอม หมายถง สงทอยนอกขอบเขตของการศกษา เชน ภาชนะ, เครองมอวด

2.3 ภาวะของระบบ หมายถง สมบตของสารและปจจยทมผลตอสมบตของระบบ

ตวอยาง การท าน าใหเปนน าแขง

ระบบกอนการเปลยนแปลงคอน า

ระบบหลงการเปลยนแปลงคอน าแขง

สงแวดลอมกคอภาชนะ ภาวะของระบบ เชน มวล อณหภม ปรมาตร ความดน

7

ระบบแบงได 3 ประเภท ดงน

1. ระบบปด (Close System) ระบบทไมมการถายเทมวลสารกบสงแวดลอม ซงมวลของสารกอนการเปลยนแปลง และหลงการเปลยนแปลงคงท แตพลงงานของสารกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลงไมคงท เชนการสลายตวของโพแทสเซยมคลอเรตในภาชนะปด

2. ระบบเปด (Open System) ระบบทมการถายเทมวลของสารระหวางระบบกบสงแวดลอม ซงมวลและพลงงานของสารกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลงมคาไมคงท เชนการเผาไหมของแกสมเทนในอากาศ

3. ระบบแยกตวหรอระบบอสระ (Isolated System) เปนระบบทไมมการเปลยนทงมวลและพลงงานกบสงแวดลอม เชน น ารอนในกระตกน ารอน

s

8

จากการทดลองเผาแคลเซยมคารบอเนตในบกเกอรเปนระบบแบบใด และจะท าใหการทดลองนเปลยนเปนระบบอน ๆ ไดอยางไร?

9

สรปสาระส าคญของระบบตาง ๆ

1. ระบบเปดหรอระบบปดใหพจารณามวลของสารกอนและหลงการเกดปฏกรยาเปนหลก สวนพลงงานยงคงมการถายเทระหวางระบบกบสงแวดลอม

2. ระบบของปฏกรยาเคม ชนดทเกดแกสเปนผลตภณฑ ถาปดภาชนะจะเปนระบบปด แตถาเปดภาชนะแกสทเกดขนลอยออกไปท าใหมวลของหลงปฏกรยาลดลงเปนระบบเปด

3. ระบบของปฏกรยาเคม ชนดทไมเกดแกสเปนผลตภณฑจะเปนระบบปดเสมอไมวาจะเปดหรอปดภาชนะกตาม

4. ในระบบเปดหลงการเปลยนแปลงไมจ าเปนทมวลตองลดลงบางปฏกรยามวลสามารถเพมขนไดเชน

Ca(OH)2(aq)+CO2(g) → CaCO3(s)+ H2O(l)

10

3. กฏทรงมวล

อองตวน โลรอง ลาววซเอ ไดตงกฎทรงมวล Law of conservation of mass ซงสรปไดวา“มวลของสารทงหมดกอนท าปฏกรยายอมเทากบมวลของสารทงหมดหลงท าปฏกรยา”

ขอยกเวนของกฏทรงมวล

กฎนจะใชไดกบปฏกรยาเคมในระบบปดเทานน ใชไมไดกบปฏกรยาเคมนวเคลยร…?

ตวอยาง 1 เมอผานแกสไฮโดรเจน 0.25 กรม ไปยงเหลกออกไซดทเผาจนรอนจด ปรากฏกวาเหลกออกไซด 7.25 กรม เปลยนเปนเหลก 5.25 กรม และเกดน า 2.25 กรม จากการทดลองนเปนไปตามกฏกทรงมวลหรอไม

11

ตวอยาง 2 สาร A 3 กรมท าปฏกรยาพอดกบสาร B 8 กรมไดสาร C 11 กรมถาน าสาร A 10

กรมมาท าปฏกรยาพอดกบสาร B จะไดสาร C มวลเทาใด

12

ตวอยาง 3 ปฏกรยาเผาไหมมเทน 40 กรมอยางสมบรณใหคารบอนไดออกไซดกกรม (H=1,

C=12, O=16)

13

4.กฎสดสวนคงท

โจเซฟ เพราสต ไดตงกฎสดสวนคงท Law of constant proportion ซงสรปไดวา “ในสารประกอบหนง ๆ ธาตตาง ๆ ทเปนองคประกอบรวมตวกนดวยอตราสวนโดยมวล (น าหนก) ทคงทเสมอ” โดยไมค านงถงวาสารประกอบนนจะมก าเนดหรอเตรยมไดโดยวธใด

ตวอยาง การเตรยมแกสคารบอนไดออกไซด อาจท าไดหลายวธดงน

CaCO3(s) → CaO(s)+ CO2(g)

CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(s)+ H2O(l)+ CO2(g)

ไมวาจะเตรยมโดยวธใด อตราสวนโดยมวลของ C : O ใน CO2 คอ 3 : 8 เสมอ

C + O2(s) → CO2(g)

ตวอยาง 4 Fe2O3 มอตราสวนมวลเหลกตอออกซเจนเปนเทาใด (Fe = 56, O = 16)

14

ตวอยาง 5 สารประกอบสองชนดประกอบดวยคารบอน ไฮโดรเจนและออกซเจน ดวยอตราสวนมวล3:1:4 และ 6:1:8 สตรโมเลกลอยางงายทเปนไปไดของสารประกอบของทงสองชนดนคออะไร

15

ตวอยาง 6 สารประกอบชนดหนงประกอบดวยก ามะถน รอยละ40 โดยมวล สวนทเหลอเปนออกซเจน ดงนนถาใหก ามะถนและออกซเจนอยางละ3.0 กรม ท าปฏกรยากนจะไดสารประกอบมากทสดเทาใด

16

ธาตX เกดสารประกอบคลอไรดไดสองชนด ซงเมอน าสารประกอบแตละชนด 1.0 g มาหาปรมาณธาตพบคลอรน 0.56 g และ 0.66 g สตรโมเลกลทเปนไปไดของสารประกอบทงสองชนด

17

5.สารก าหนดปรมาณ (Limiting Reagent)

“สารตงตนทท าปฏกรยาหมดกอนและเปนตวก าหนดปรมาณผลตภณฑทเกดขน” หรอกลาววาปฏกรยาทเกดขนจะสนสดลงเมอสารใดสารหนงหมด สารทหมดกอนจะเปนสารทใชก าหนดปรมาณของผลตภณฑทกดขน เรยกวา สารก าหนดปรมาณ

เทคนคการค านวณ

โจทยบอกขอมลของสารตงตนทสามารถหาโมลไดมาใหมากกวาหนงชนด แตไมบอกขอมลเกยวกบผลตภณฑ ในการค านวณตองพจารณาวาสารใดถกใชหมด แลวจงใชสารนนเปนหลกในการค านวณสงทตองการจากสมการเคม

สงส ำคญทจะตองทรำบคอสมกำรปฏกรยำเคมทเกดขนวำสำรตงตนมอะไรบำงและไดผลตภณฑเปนอะไรบำง ซงตองเปนสมกำรเคมทดลแลวจงจะน ำมำชค ำนวณได

18

ตวอยาง 7 ในการทดลองครงทหนงใหปรอท 1.00 กรมท าปฏกรยากบก ามะถนมากเกนพอ เกดผลตภณฑเพยงชนดเดยวคอ ซลไฟดของปรอทหนก 1.16 กรม และในการทดลองครงทสองใหปรอท 1.5 กรมท าปฏกรยากบก ามะถน 1.00 กรม

1. จงหาจงหามวลของผลตภณฑจากการทดลองครงทสอง2. จงหามวลของสารตงตนทเหลอจากการทดลองครงทสอง

19

ตวอยาง 8 ถาน าแกสไฮโดรเจน 25.0 กรม มาท าปฏกรยากบแกสไนโตรเจน 35.0 กรม จะเหลอสารใดกกรม ก าหนดให

3H2(g) + N2(g)→ 2NH3(g)

20

ตวอยาง 9 ผานแกสออกซเจน และแกสคลอรนลงในสารละลายผสมของ KOH และ MnO2

เกดปฏกรยาดงตอไปน4KOH(aq) +2MnO2(s) + O2(g) + Cl2(g)→ 2KMnO4(g) + 2H2O(l)+ 2KCl(aq)

ถาสารตงตนมอยางละ 5.0 โมล ท าปฏกรยาเกดน ากโมเลกล

21

6. สตรเอมพรคล (Empirical Formula)

“สตรทแสดงอตราสวนอยางต าของธาตองคประกอบ” เรยกอกอยางวาสตรอยางงาย

เชน ไฮโดรเจนเปอรออกไซดมสตรโมเลกลเปน H2O2 อตราสวนอยางต าของจ านวนอะตอม H : O

เทากบ 1 : 1 สตรเอมพรคลจงเปน HO

กลโคสมสตรโมเลกลเปน C6H12O6 อตราสวนอยางต าของจ านวนอะตอม C : H : O เทากบ 1 : 2 : 1 สตรเอมพรคลจงเปน CH2O

เทคนคการหาสตรเอมพรคล

1.ตองทราบวาสารทจะหาสตรเอมพรคลประกอบดวยธาตใดบาง

2.ตองทราบมวลอะตอมของแตละธาตในสารทจะหาสตรเอมพรคล

3.ตองทราบมวลของแตละธาตในสารทจะหาสตร

22

7. สตรโมเลกล (Molecular Formula)

“เปนการเขยนสตรแสดงองคประกอบของธาตตาง ๆ ตามทเปนจรง ” อาจกลาววาสตรโมเลกลเปนสตรทแสดงจ านวนอะตอมของธาตองคประกอบทมอยใน 1 โมเลกลของสาร

เชน ไฮโดรเจนมสตรโมเลกลเปน H2 แสดงวา 1 โมเลกลประกอบดวยไฮโดรเจน 2 อะตอม ไฮโดรเจนเปอรออกไซดมสตรโมเลกลเปน H2O2 แสดงวา 1 โมเลกลประกอบดวยไฮโดรเจนและออกซเจนธาตละ 2 อะตอม

เทคนคการหาสตรโมเลกลของสาร

1.ตองทราบสตรเอมพรคล

2.ตองทราบมวลโมเลกลโดยโจทยก าหนดมาใหทางตรงหรอทางออมกได

3.น าขอมลทไดจากขอ 1, 2 หาคา n โดยใชสตร

(มวลของสตรเอมพรคล) x n = มวลโมเลกล

23

ตวอยาง 10 กรดอนทรย ประกอบดวยธาต C H และ O ถากรดอนทรยนหนก 0.236 กรม ถกเผาไหมอยางสมบรณกบ O2 เกดแกส CO2 0.421 กรม และ H2O 0.172 กรม จงหาสตรเอมพรคลของกรดอนทรยนก าหนดมวลอะตอมของ H=1, C=12, O=16

ตวอยาง 11 ไทเทเนยม (IV) ออกไซด TiO2 เผาในบรรยากาศ H2(g) เกดน าและออกไซดของไทเทเนยมชนดใหม TixOy ถาเผา TiO2 1.598 กรม เกด TixOy 1.438 กรม จงหาสตรเอมพรคลของไทเทเนยมชนดใหมน (มวลอะตอมของ O=16, Ti=47.9)

24

ตวอยาง 11 ไทเทเนยม (IV) ออกไซด TiO2 เผาในบรรยากาศ H2(g) เกดน าและออกไซดของไทเทเนยมชนดใหม TixOy ถาเผา TiO2 1.598 กรม เกด TixOy 1.438 กรม จงหาสตรเอมพรคลของไทเทเนยมชนดใหมน (มวลอะตอมของ O=16, Ti=47.9)

25

ตวอยาง 12 สารอนทรยชนดหนงหนก 3.10 กรม เผาไหมกบแกส O2 เกดแกส CO2 4.4 กรมและไอน า 2.7 กรมถาน าสารนมาท าเปนไอพบวามปรมาตร 11.2 dm3 STP หนก 31.05 กรม จงหาสตรโมเลกลของสารละลายอนทรยน (มวลอะตอม H=1, C=12, O=16)

26

ตวอยาง 13 สารชนดหนงประกอบดวย C 42.4%, H 2.4%, N 16.6%, O 38.6% โดยมวล เตมสารน 6.45 กรม ลงในเบนซน C6H6 (ความหนาแนน 0.879 กรม/มลลลตร) ปรมาตร 50 มลลลตร ไดสารละลายโดยท าใหจดเยอกแขงลดลง 4.16 oC จงค านวณหาสตรโมเลกลของสารประกอบน Kf ของเบนซน = 5.12 oC/m (มวลอะตอมของ H=1, C=12, O=16)

27

8. ปรมาณสมพนธของแกส

นกวทยาศาสตรชาวอตาลชอ อาเมเดโอ อาโวกาโดร ไดศกษาความสมพนธระหวางปรมาตรกบปรมาณของแกส โดยเขาไดเสนอสมมตฐานไวในป ค.ศ. 1811 วา “ทอณหภมและความดนเดยวกน แกสตางชนดกนทมปรมาตรเทากนจะมจ านวนโมเลกลเทากน”

8.1 กฎอาโวกาโดร

28

“เพอเปนเกยรตแกอาโวการโดร ตวเลข 1 โมลซงเทากบ 6.02 x 1023 อนภาค จงเรยกวา เลขอาโวกาโดร (Avogadro Number)”

29

ในป ค.ศ. 1808 โชเซฟ ลย เกย ลสแซก ไดท าการศกษาและคนพบวา “อตราสวนระหวางปรมาตรของกาสทเกดขนซงวดทอณหภมและความดนเดยวกนจะเปนตวเลขจ านวนเตมลงตวนอย ๆ”

8.2 กฎเกยลสแซก

อตราสวนโดยปรมาตรของแกสตาง ๆ ในปฏกรยาทภาวะเดยวกนจะเทากบอตราสวนโดยโมลของแกสตาง ๆ ในปฏกรยาเดยวกน และจะไมสามารถระบไดวาปรมาตรของแกสกอนท าปฏกรยาเทากบปรมาตรของแกสหลงท าปฏกรยา

30

ตวอยาง 14 แกสออกซเจน 6.4 กรม มปรมาตรเทาใด ท STP(O =16)

ตวอยาง 15 แกสโอโซน 4.48 dm3 ท STP มจ านวนโมลเทาใด

31

ตวอยาง 16 จากปฏกรยาของคารบอนกบแกสออกซเจน 11.2 dm3 ท STP สามารถท า ใหเกดคารบอนไดออกไซดมวลสงสดเทาใด (C =12, O =16)

ตวอยาง 17 ทอณหภมและความดนคงทแกส A 5.4 cm3 ท าปฏกรยากบแกส B 13.5 cm3

ไดแกส C 9.0 cm3 และ เหลอแกส A อย 0.9 cm3 ถาตองการแกส C 240 cm3 จะตองใชแกส Aและแกส B เทาใดจงจะท าปฏกรยากนพอด

32

ตวอยาง 18 ภายใตอณหภมและความดนเดยวกนภาชนะชนดหนงบรรจแกสมเทนปรมาตร 20 dm3

จ านวน 6 โมล ถาน าภาชนะเดยวกนมาบรรจแกสคารบอนไดออกไซดได 30 dm3 จงหาจ านวนโมลของแกสคารบอนไดออกไซดน

ตวอยาง 19 จากปฏกรยาท STP ของ 2X2Y3(g) + 5Z2(g)→ 3Z3Y2(g) + ZX4(g)

ถาใช X2Y3 30 cm3 ท าปฏกรยากบ Z2 100 cm3 จะเกดผลตภณฑก cm3

33

9. การค านวณอน ๆ ทเกยวของกบปรมาณสารพนธ

สมการเคมหลายสมการอาจมความเกยวของกน เชน การผลตโลหะสงกะสจากปฏกรยาระหวางซงคออกไซดกบคารบอนมอนอกไซดทอณหภมสง ซงคารบอนมอนอกไซดไดจากปฏกรยาการเผาไหมคารบอน ปฏกรยาทเกดขนเขยนสมการไดดงน

9.1 การค านวณจากสมการเคมทเกยวของมากกวา 1 สมการ

2C(s) + O2(g)→ 2CO(g)

ZnO(s) + CO(g)→ Zn(s) + CO2(g)

จากความสมพนธของทงสองสมการถาทราบปรมาณของสารใดสารหนงในสมการหนง จะสามารถหาปรมาณของสารในอกสมการได

34

ตวอยาง 20 จงค านวณหามวลของแกสคลอรน ทตองใชในการเกดคารบอนเตตระคลอไรด 5.00 กโลกรม จากการเปลยนแปลงดงสมการ (C =12, Cl =35.5)

CS2(l) + 3Cl2(g)→ S2Cl2(l) + CCl4(l)

8S2Cl2(l) + 4CS2(l) → 3S8(s) + 4CCl4(l)

35

ส าหรบปฏกรยาทเปนแกสทงสารตงตนและผลตภณฑ สามารถใชสมประสทธของแกสตาง ๆ ในสมการมาอานเปนปรมาตรได แตระบบตองเปนทอณหภมและความดนเดยวกนเชน

9.2 ความสมพนธระหวางปรมาตรของสารในสมการเคม

N2(g) + 3H2(g)→ 2NH3(g)

1 dm3 3 dm3 2 dm3 ทอณหภมและความดนเดยวกน

เทคนคการค านวณเกยวกบสมการเคม

1.ตองทราบสมการของปฏกรยาเคมทดลแลว

2.พจารณาเฉพาะสารทโจทยถามและก าหนดให

3.น าสงทโจทยก าหนดใหมาคดค านวณหาสงทตองการจากสมการเคม โดยการเทยบบญญตไตรยางศ หรอ ใชวธการเทยบอตราสวนโมล

36

ตวอยาง 21 การผานแกสคลอรนลงในสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซดเกดปฏกรยาดงสมการ2NaOH(aq) + Cl2(g)→ NaOCl(aq) + NaCl(aq) + H2O(l)

จงหามวลของโซเดยมไฮดรอกไซดทตองใชท าปฏกรยากบแกสคลอรน 14.2 กรม (C =12, O=16,

Na=23, Cl =35.5)

37

ในการค านวณหาปรมาณของผลตภณฑจากสมการเคมนน คาทไดเรยกวา ผลไดตามทฤษฎ (Theoretical yield) แตในทางปฏบตจะไดผลตภณฑตางจากตามทฤษฎ แตจะไดมากหรอนอยขนอยกบวธการและสารเคมทใช เรยกผลทไดนวา ผลไดจรง (Actual yield) ส าหรบการรายงานผลการทดลองนน จะเปรยบเทยบคาทไดในรป ผลไดรอยละ หรอเรยกอกอยางวา percent yield ซงจะไดความสมพนธดงสมการ

9.3 ผลไดรอยละของผลตภณฑ

ผลไดรอยละ = ผลไดจรง

ผลไดตามทฤษฎ X 100

ตวอยาง 22 เมทานอลถกใชเปนเชอเพลงในรถแขงเพราะเผาไหมสมบรณ เตรยมไดจากปฏกรยาดงสมการCO(aq) + 2H2(g)→ CH3OH(l)

จงหา ผลไดรอยละ ของผลตภณฑถา แกสไฮโดรเจน 500 กรมท าปฏกรยากบคารบอนมอนอกไซดมากเกนพอแลวเกดเมทานอล 3500 กรม (C =12, O=16, H=1)

38

ตวอยาง 23 น าเบนซนจ านวน 15.6 กรมท าปฏกรยากบกรดไนตรกมากเกนพอ เกดปฏกรยาดงสมการC6H6(l) + HNO3(aq)→ C6H5NO2(l) + H2O(l)

ซงพบวาเกดไนโตรเบนซน 18 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)

ตวอยาง 24 ใชกรดบวทาโนอกจ านวน 10.0 กรมท าปฏกรยากบเอทานอล 3.14 กรม ไดปฏกรยาC4H8O2(aq) + C2H6O(aq)→ C6H12O2(aq) + H2O(l)

ซงพบวาเกดบวทาโนเอต 5.30 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)

39

ตวอยาง 24 ใชกรดบวทาโนอกจ านวน 10.0 กรมท าปฏกรยากบเอทานอล 3.14 กรม ไดปฏกรยาC4H8O2(aq) + C2H6O(aq)→ C6H12O2(aq) + H2O(l)

ซงพบวาเกดบวทาโนเอต 5.30 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)