สูตรเคมีและสมการเคมี
จำนวนโมลหาได้จากกฎของเกย์- ลูสแซกและกฎของอาโวกาโดร การหาจำนวนโมลโดยวิธีนี้เป็นการหาจำนวนโมลของสมการเคมี กฎของเกย์- ลูสแซกสรุปว่า “ปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยากันและที่ได้จากปฏิกิริยาจะเป็นอัตราส่วนลงตัวน้อย ๆ ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน”
ตัวอย่าง เช่น ก๊าซไนโตรเจน (N 2) 10 ลูกบาศก์เดซิเมตร ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซไฮโดรเจน (H 2) 30 ลูกบาศก์เดซิเมตรจะเกิดก๊าซแอมโมเนีย (NH 3) 20 ลูกบาศก์เดซิเมตร
N 2(g) + 3H 2(g) ——> 2NH 3(g)
10 ………..30…………….. 20 dm 3 กฎของเกย์- ลูสแซก
1 …………..3 ………………2 dm 3 ( ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน)
จากกฎของอาโวกาโดร : ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน
ถ้า N 2(g) 1 dm 3 คิดเป็น 1 โมลหรือ 1 โมเลกุล
H 2(g) 1 dm 3 คิดเป็น 1 โมลหรือ 1 โมเลกุล
H 2(g) 3 dm 3 คิดเป็น 3 โมลหรือ 3 โมเลกุล
NH 3 1 dm 3 คิดเป็น 1 โมลหรือ 1 โมเลกุล
NH 3(g) 2 dm 3 คิดเป็น 2 โมลหรือ 2โมเลกุลN 2(g) + 3H 2(g) ——> 2NH 3(g)
1 ………….3……………….. 2 โมล ( โมเลกุล) กฎของอาโวกาโดร ( ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน)
จากกฎของเกย์- ลูกแซกและกฎของอาโวกาโดร สรุปได้ว่า อัตราส่วนอย่างต่ำ ( โดยปริมาตร) ของก๊าซที่เข้าทำปฏิกิริยากันและที่ได้จากปฏิกิริยาจะเท่ากับจำนวนโมลหรือจำนวนโมเลกุลของก๊าซนั้น
ลักษณะสำคัญของกฎของเกย์- ลูสแซกและกฎของอาโวกาโดร
1. จำนวนโมลและโมเลกุลของสมการเคมีจะมีค่าเท่ากับปริมาตรของก๊าซที่เข้าทำปฏิกิริยาพอดีกันนั่นเอง
2. จำนวนโมลเหล่านี้คือตัวเลขที่ใช้ในการดุลสมการเคมี เช่น 4NH 3(g) +3O 2(g) ——> 2N 2(g)+6H 2O(g)
3. จากปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาพอดีกันและที่ได้จากปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน สามารถนำไปใช้หาสูตรโมเลกุลของก๊าซได้ โดยอาศัยหลักการดุลสมการเคมี
ตัวอย่าง ก๊าซ X 15 ลูกบาศก์เซนติเมตร ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซ Y 45 ลูกบาศก์เซนติเมตร เกิดก๊าซ Z เพียงอย่างเดียว 30 ลูกบาศก์เซนติเมตร ปริมาตรของก๊าซทั้งหมดวัดที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน จงหาสูตรโมเลกุลของก๊าซ Z
วิธีทำ เมื่อก๊าซ X และ Y ทำปฏิกิริยากันได้ก๊าซ Z เพียงอย่างเดียว ดังนั้น ก๊าซ Z จะต้องมีธาตุ X และ Y เป็นองค์ประกอบ ดังสมการ
X 2(g) + Y 2(g) ——> X aY b(Z)
15 ………45………….. 30 cm 3 ( จากกฎเกย์- ลูสแซก)
1 ………..3……………. 2 cm 3 ( ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน)
1 ………..3……………. 2 mol ( จากกฎอาโวกาโดร ที่อุณหภูมิและ ความดันเดียวกัน)
1X 2(g) + 3Y 2(g) ——> 2 X aY b
เมื่อดุลสมการเคมี จำนวนอะตอมทั้ง 2 ข้างต้องเท่ากัน a = 1, b = 3
ดังนั้น สูตรของ Z คือ XY 3 ตอบ
4. จากสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีของก๊าซที่ดุลแล้ว อัตราส่วนจำนวนโมลหรือจำนวนโมเลกุลจะเท่ากับอัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่เข้าทำปฏิกิริยากันและที่ได้จากปฏิกิริยา สามารถนำไปใช้หาปริมาตรของก๊าซต่าง ๆ ในปฏิกิริยาเคมีนั้น ๆ ได้
ตัวอย่าง ก๊าซผสมระหว่างก๊าซมีเทน (CH 4) กับก๊าซโพรเพน (C 3H 8) อย่างละ 15 ลูกบาศก์เซนติเมตร จะต้องใช้ก๊าซออกซิเจนกี่ลูกบาศก์เซนติเมตรจึงจะทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซผสมนี้ กำหนดสมการเคมีของปฏิกิริยาเคมีดังนี้
CH 4(g) + O 2(g) ———> H 2O(g) + CO 2(g) …………..(1)
C 3H 8(g) + O 2(g) ———-> H 2O(g) + CO 2(g) …………..(2)
วิธีทำ จากสมการ (1) ดุลสมการได้ดังนี้
CH 4(g) + 2O 2(g) ——> 2H 2O( ) + CO 2(g)
1 …………..2……………….. 2…………. 1 mol กฎอาโวกาโดร
1 …………..2 ………………..2 ………….1 mol และกฎเกย์- ลูสแซก
CH 4 1 cm 3 ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซออกซิเจน = 2 cm 3
CH 4 15 cm 3 ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซออกซิเจน = 15 x 2 = 30 cm 3
จาก (2) ;
C 3H 8(g) + 5O 2(g) ——> 4H 2O(g) + 3CO 2(g)
1 ………………5 ………………..4 …………..3 mol
1 ………………5 ………………..4 …………..3 cm 3
C 3H 8 1 cm 3 ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซออกซิเจน = 5 cm 3
C 3H 8 15 cm 3 ทำปฏิกิริยาพอดีกับก๊าซออกซิเจน = 15 x 5 = 75 cm 3
ต้องใช้ก๊าซออกซิเจนทั้งหมด = 30 = 75 = 105 cm 3 ตอบ
การหาสูตรเอมพิริคัลของสาร
สูตรเอมพิริคัล เป็นสูตรที่แสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของธาตุองค์ประกอบ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์มีสูตรโมเลกุลเป็น H 2O 2 อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนอะตอม H : O เท่ากับ 1 : 1 สูตรเอมพิริคัลจึงเป็น HO กลูโคสมีสูตรโมเลกุลเป็น C 6H 12O 6 อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนอะตอม C : H : O เท่ากับ 1 : 2 : 1 สูตรเอมพิริคัลจึงเป็น CH 2O
การหาสูตรเอมพิริคัล มีหลักดังนี้
1. ต้องทราบว่าสารที่จะหาสูตรเอมพิริคัลประกอบด้วยธาตุใดบ้าง
2. ต้องทราบมวลอะตอมของแต่ละธาตุในสารที่จะหาสูตรเอาพิริคัล
3. ต้องทราบมวลของแต่ละธาตุในสารที่จะหาสูตร
4. ให้ข้อมูลจากข้อ 1, 2 และ 3 หาอัตราส่วนโดยโมล ด้วยการนำมวลของแต่ละธาตุหารด้วยมวลอะตอมของมันมาเข้าอัตราส่วน
5. สำหรับการปัดจุดทศนิยมของตัวเลขในการหาอัตราส่วนโดยโมล โดยทำตัวเลขใดตัวเลขหนึ่ง ให้เป็น 1 แล้วจึงปัดจุดทศนิยมด้วยวิธีปัด 0.1 – 0.2 ทิ้ง ถ้าเป็น 0.8 – 0.9 ปัดขึ้นอีก 1 ถ้าเป็น 0.0 – 0.7 ปัดไม่ได้ต้องหาตัวเลขที่ต่ำที่สุดมาคูณตัวเลขของอัตราส่วนโดยโมลให้มีค่าใกล้กับที่ จะปัดจุดทศนิยมได้ แล้วปัดจุดทศนิยมตัวเลขให้เป็นจำนวนเต็ม อนึ่งการปัดจุดทศนิยม ถ้าตัวเลขปัดจุดทศนิยมไม่ได้ ตัวเลขทุกตัวของอัตราส่วนโดยโมลนั้นก็จะไม่ปัดจุดทศนิยม หาตัวเลขมาคูณให้ได้ตัวเลขที่จะปัดจุดทศนิยมได้อัตราส่วนโดยโมลที่เป็นจำนวนเต็มได้สูตรเอมพิริคัล
สารกำหนดปริมาณและร้อยละของผลได้ของสารผลิตภัณฑ์
สารกำหนดปริมาณ ( Limiting Reagent)
สารที่เข้าทำปฏิกิริยามีปริมาณไม่พอดีกัน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะสิ้นสุดเมื่อสารใดสารหนึ่งหมด สาร ที่หมดก่อนจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์ของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นเรียกว่า สารกำหนดปริมาณ ( Limiting Reagent)
สารกำหนดปริมาณในการเกิดปฏิกิริยาเป็นการคำนวณสารจากสมการของปฏิกิริยาที่โจทย์บอกข้อมูลเกี่ยวกับสารตั้งต้นมาให้มากกว่าหนึ่งชนิด ลักษณะโจทย์มี 2 แบบ คือ
1. โจทย์บอกข้อมูลของสารตั้งต้นมาให้มากกว่าหนึ่งชนิด แต่ไม่บอกข้อมูลเกี่ยวกับสารผลิตภัณฑ์ ในการคำนวณต้องพิจารณา ว่าสารใดถูกใช้ทำปฏิกิริยาหมด แล้วจึงใช้สารนั้นเป็นหลักในการคำนวณสิ่งที่ต้องการจากสมการได้
2. โจทย์บอกข้อมูลของสารตั้งต้นมาให้มากกว่าหนึ่งชนิด และบอกข้อมูลของสารผลิตภัณฑ์ชนิด ใดชนิดหนึ่งมาให้ด้วย ในการคำนวณให้ใช้ข้อมูลจากสารผลิตภัณฑ์เป็นเกณฑ์ในการเทียบหาสิ่งที่ต้องการจากสมการเคมี
ร้อยละของผลได้ของสารผลิตภัณฑ์
ในการคำนวณหาปริมาณของผลิตภัณฑ์จากสมการเคมีนั้น ค่าที่ได้เรียกว่า ผลได้ตามทฤษฎี ( Theoretical yield) แต่ในทางปฏิบัติจะได้ผลิตภัณฑ์น้อยกว่าตามทฤษฎี แต่จะได้มากหรือน้อยแค่ไหน ก็ขึ้นอยู่กับวิธีการและสารเคมีที่ใช้ เรียกผลที่ได้ว่านี้ผลได้จริง ( Actual yield) สำหรับการรายงานผล การทดลองนั้น จะเปรียบเทียบค่าที่ได้ตามทฤษฎีในรูปร้อยละ ซึ่งจะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
ความเข้มข้นของสารละลายและการเตรียมสารละลาย
สารละลาย ( Solution) คือ สารเนื้อเดียวที่มีสารตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมกัน ประกอบด้วยตัวทำละลายและตัวถูกละลาย ถ้าตัวถูกสารละลายและตัวทำละลายมีสถานะเดียวกันสารละลายที่มีปริมาณมากกว่าเป็นตัวทำละลาย แต่ถ้าสารทั้งสองมีสถานะแตกต่างกันสารที่มีสถานะเดียวกันกับสารละลายเป็นตัวทำละลาย
หน่วยของสารละลาย เป็นค่าที่แสดงถึงปริมาณของตัวละลายที่ละลายอยู่ในตัวทำละลายหรือในสารละลายนั้น วัดในรูปความเข้มข้นปริมาณตัวถูกละลายต่อปริมาณสารละลาย ( ยกเว้นหน่วยโมลต่อกิโลกรัม)
1. ร้อยละ
1.1 ร้อยละโดยมวล ( มวล / มวล) คือ ปริมาณมวลของตัวถูกละลายในมวลของสารละลาย 100 หน่วยมวล
1.2 ร้อยละโดยปริมาตร ( ปริมาตร / ปริมาตร) คือ ปริมาตรของตัวถูกละลายในสารละลายปริมาตร 100 หน่วยปริมาตร นิยมใช้กับสารละลายที่เป็นของเหลว เช่น สารละลายแอลกอฮอล์เข้มข้นร้อยละ 20 โดยปริมาตร หมายความว่าสารละลายนี้ 100 ลูกบาศก์เซนติเมตรจะมีแอลกอฮอล์ละลายอยู่ 20 ลูกบาศก์เซนติเมตร
1.3 ร้อยละมวลต่อปริมาตร คือ ปริมาณของตัวถูกละลายในปริมาตรของสารละลาย 100 หน่วยปริมาตร โดยทั่วไปถ้ามวลของตัวถูกละลายมีหน่วยเป็นกรัม ปริมาตรของสารละลายจะมีหน่วยเป็นลูกบาศก์เซนติเมตร และถ้ามวลของตัวถูกละลายมีหน่วยเป็นกิโลกรัม ปริมาตรของสารละลายจะมีหน่วยเป็นลูกบาศก์เดซิเมตรหรือลิตร หน่วยมวลและหน่วยปริมาตรต้องให้สอดคล้องกันด้วย
2. โมลาริตี หรือโมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร ( mol/dm 3 หรือ mol/l) เป็นหน่วยที่บอกจำนวนโมลของตัว ถูกละลายในสารละลาย 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร หน่วยความเข้มข้นเป็นโมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตรอาจเรียกย่อได้เป็นโมลาร์ (Molar) ใช้สัญลักษณ์ M
3. โมแลลิตี หรือ โมลต่อกิโลกรัม (mol/kg) เป็นหน่วยที่บอกจำนวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลาย ในตัวทำละลาย 1 กิโลกรัม จึงมีหน่วยเป็น mol/kg หรือเรียกว่า โมแลล ( Molal) ใช้สัญลักษณ์ m
4. เศษส่วนโมล ( Mole fractions) คือ สัดส่วนจำนวนโมลของสารองค์ประกอบหนึ่งต่อจำนวนโมลรวม ของสารทุกชนิดในสารละลาย ใช้สัญลักษณ์ X เช่น สารละลายชนิดหนึ่งประกอบด้วยสาร A a mol, B b mol และ C c mol จะได้เศษส่วนโมลของสาร A, B และ C ดังนี้
เศษส่วนโมลของสาร A (X A) = a / ( a + b + c )
เศษส่วนโมลของสาร B (X B) = b / ( a + b + c )
เศษส่วนโมลของสาร C (X C) = c / ( a + b + c )
ผลรวมของเศษส่วนโมลของสารองค์ประกอบทั้งหมดคือ XA + XB + XC มีค่าเท่ากับ 1 และเมื่อนำค่าเศษส่วนโมลของแต่ละสารมาคูณด้วยร้อย จะได้ความเข้มข้นในหน่วยร้อยละโดยมวลของสารนั้น
ร้อยละโดยมวลของสาร A = เศษส่วนโมลของสาร A * 100
ร้อยละโดยมวลของสาร B = เศษส่วนโมลของสาร B * 100
ร้อยละโดยมวลของสาร C = เศษส่วนโมลของสาร C * 100
5. ส่วนในล้านส่วน ( parts per million; ppm) เป็นหน่วยที่บอกมวลของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย 1 ล้านหน่วยมวลเดียวกัน ซึ่งเป็นหน่วยความเข้มข้นของสารละลายที่เจือจางมาก ๆ หรืออาจใช้แสดงปริมาณของสิ่งเจือปนที่มีอยู่ในสารเคมีที่บริสุทธิ์ต่าง ๆ เช่น สารละลายโพแทสเซียมไนเตรตเข้มข้น 2 ppm หมายความว่ามีโพแทสเซียมไนเตรตเป็นตัวละลาย 2 ส่วน (กรัม) ละลายอยู่ในสารละลาย 1 ล้านส่วน ( กรัม) หรือ 106 กรัม
ในกรณีที่สารละลายเจือจางมากๆ มวลของสารละลายมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของตัวทำละลาย ทำให้มวลของสารละลายมีค่าใกล้เคียงกันมากกับมวลของตัวทำละลายจนถือว่าเท่ากันได้
