Transcript slide
ปริมาณสารสั มพันธ์ Stoichiometry จานวนโมลกับ อนุภาคของสาร การคานวณเกีย่ ว กับสู ตรเคมี สู ตรเอมพิริคลั และ สู ตรโมเลกุล ปริมาตรต่ อโมล ของแก๊ส โมล มวลอะตอม มวลเป็ นร้ อยละจากสู ตร จานวนโมลกับ มวลของสาร มวลโมเลกุล ปริมาณสั มพันธ์ สมการเคมีและความ สั มพันธ์ ระหว่ างปริมาณ สารในปฏิกริ ิยาเคมี สารกาหนดปริมาณ การคานวณปริมาณสารในปฏิกริ ิยาเคมี มวลของสาร จานวนอนุภาคของสาร การเตรียมสารละลาย สารละลาย ความเข้ มข้ นของ สารละลาย ปริมาตรของแก๊ส ผลได้ ร้อยละ สมบัติของ สารละลาย ปริ มาณสัมพันธ์ (Stoichiometry) Stoichiometry มาจากภาษากรีกว่ า Stoicheion แปลว่ า ธาตุ/สาคัญเป็ นอันดับแรก metron แปลว่ า การวัด ปริใช้ มาณสารสั มพันมธ์พัหมายถึ การวั ดหรื อการหาปริ มาณสารในปฏิกิริยาเคมี ระบุความสั นธ์ เชิง ปริ มาณขององค์ ประกอบของสารและ เป็ นส่ วนใหญ่ ปริมาณของสารขณะเกิดการเปลี ย่ นแปลงทางเคมี ความสาคัญและประโยชน์ 1. สามารถใช้ คาดคะเนปริ มาณของสารที่จะต้ องใช้ เป็ นสารตั้งต้ น เพือ่ ที่จะได้ ผลิตผลที่มีปริมาณ ตามต้ องการ 2. สามารถนาไปตีความหรืออธิบายผลจากเคมี วิเคราะห์ 3. สามารถนาไปใช้ ประกอบการเลือกปฏิกริ ิยาที่ ประหยัดทีส่ ุ ดในทางอุตสาหกรรมและทางการค้า 4. สามารถบอกได้ ว่าตัวทาปฏิกริ ิยาใดทาปฏิกริ ิยา จนหมดหรือตัวทาปฏิกริ ิยาใดจะเหลือ เป็ นต้ น 1.1 อะตอม โมเลกุล ไอออน และสู ตรเคมี อะตอม (atom) อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุไม่ สามารถชั่ งหามวลได้ โดยตรง การหามวลอะตอมจึงใช้ วิธีการเปรี ยบเทียบกั บ มวลของธาตุทกี่ าหนดเป็ นมาตรฐาน • พบว่ามวลของธาตุ 1 อะตอมมีค่าน้อยมาก ไม่สะดวกในการ นาไปคานวณหาปริ มาณสาร จึงกาหนดมวลที่ใช้เปรี ยบเทียบค่า มาตรฐาน เริ่ มต้นใช้มวลของธาตุ H ซึ่งเป็ นธาตุที่เบาที่สุด ใช้ มวล 1/16 ของมวลออกซิเจน ตกลงใช้มวล 1/12 ของมวลธาตุคาร์บอน-12 เป็ นค่า มาตรฐาน ใช้เปรี ยบเทียบหามวลอะตอม มวลอะตอม (atomic mass) คือ ตัวเลขที่ได้จากการเปรี ยบเทียบมวล จริ งของธาตุ 1 อะตอมกับมวลมาตรฐานคือ มวล 1/12 ของมวล C-12 1 อะตอม หรื อ 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 • ธาตุ X 3 อะตอมมีมวลเป็ น 2 เท่าของธาตุ C 5 อะตอม จงหามวลอะตอม ของ 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 มีมวลเป็ น 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 มวลอะตอมเฉลี่ย ธาตุส่วนใหญ่ในธรรมชาติมีหลายไอโซโทป แต่ละไอโซโทปมีปริ มาณ มากน้อยต่างกัน ดังนั้นค่ามวลอะตอมของธาตุใดๆในตารางธาตุจึงเป็ นค่า มวลอะตอมเฉลี่ย ซึ่งขึ้นอยูก่ บั ค่ามวลอะตอมและปริ มาณของแต่ละ ไอโซโทปที่พบอยูใ่ นธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์จึงหามวลอะตอมและปริ มาณของไอโซโทปของแต่ละ ธาตุ โดยใช้เครื่ องมือเรี ยกว่า “แมสสเปกโตรมิเตอร์” ทาให้ได้คา่ ที่มีความ ถูกต้องแน่นอนสูง มวลอะตอมเฉลี่ย = ( มวลอะตอมของธาตุ x %ไอโซโทปในธรรมชาติ) 100 โมเลกลุ (molecule) หน่ วยโครงสร้ างทีเ่ ล็กทีส่ ุ ดของธาตุหรือสารประกอบ ทีส่ ามารถอยู่ได้ โดยอิสระและยังคงมีสมบัตขิ องธาตุหรือ สารประกอบนั้น ๆ โดยสมบูรณ์ มวลทีแ่ ท้ จริงของโมเลกุลมีค่าน้ อยมาก จึงใช้ มวล โมเลกุล(molecular mass) ซึ่งเป็ นมวลเปรียบเทียบ เช่ นเดียวกับมวลอะตอม และเปรียบเทียบกับมวล มาตรฐานเช่ นเดียวกัน โมเลกุลอะตอมเดีย่ ว (monoatomic molecule) เช่ น ก๊าซมีตระกูลหรือก๊าซเฉื่อย (noble or inert gas) ได้ แก่ He, Ne, Kr, Xe และ Rn โมเลกุลอะตอมคู่ (diatomic molecule) homonuclear molecule เช่ น H2 , O2 และ N2 heteronuclear molecule เช่ น HCl และ CO โมเลกุลทีม่ มี ากกว่ าสองอะตอม (polyatomic molecule) homonuclear molecule เช่ น P4 และ S8 heteronuclear molecule เช่ น H2O และ C6H12O6 มวลโมเลกุล • เมื่อธาตุต่างกันอย่างน้อย 2 ชนิดมารวมกันจะได้สารประกอบ(สูตรเคมี) เราสามารถคานวณมวลของสารประกอบได้ เรี ยกว่า “มวลโมเลกุล” • การคานวณหามวลโมเลกุลหาจาก ผลรวมของมวลอะตอม x จานวน อะตอม(หรื อ ผลรวมของมวลอะตอมของแต่ละธาตุในสารประกอบ) เช่น CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้วย C 1อะตอม O 2 อะตอม H2SO4 1 โมเลกุล ประกอบด้วย H 2 อะตอม S 1อะตอม O 4อะตอม • มวลโมเลกุลของเกลือผลึก เกลือผลึกจะมีน้ าเกาะติดกับเกลือผลึก (สารประกอบไอออนิก) สูตรทัว่ ไปของเกลือผลึก M.nH2O การคานวณมวลโมเลกุล M.nH2O = มวลโมเลกุล M + n(มวลโมเลกุลของH2O) คาถามทิง้ ท้ าย สารประกอบชนิดหนึ่ง 100 โมเลกุล หนัก X กรัม และ C-12 10 อะตอม หนัก Y กรัม จงหามวลโมเลกุลของสารประกอบนี้ ถ้ามวลสูตร KMnO4 = 158 จงคานวณหามวลอะตอมของ Mn โดยกาหนดให้(K=39, O=16) ไอออน (ion) อะตอมหรือกลุ่มอะตอมทีม่ ปี ระจุไฟฟ้ า เกิดจาก โครงสร้ างภายในของอะตอมหรือกลุ่มอะตอมมีจานวน อิเล็กตรอนมากหรือน้ อยกว่ าจานวนโปรตอน ไอออนลบ (negative ion หรือ anion) 2เช่ น F Cl O ไอออนบวก (positive ion หรือ cation) + 2+ เช่ น Na Ca เนื่องจากไอออนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอิเล็กตรอนใน อะตอมหรื อกลุ่มอะตอม ซึ่ งอิเล็กตรอนเป็ นอนุภาคที่มีมวลน้อย มาก ไม่มีผลต่อมวลของอะตอมที่เป็ นองค์ประกอบ ดังนั้นมวล ของไอออนจึงคานวณจากมวลอะตอมของธาตุองค์ประกอบใน ไอออนนั้นๆ NH4+ มีมวลไอออน = 14 + (4x1) = 18 CO32- มีมวลไอออน = 12 + (3x16) = 60 Br มีมวลอะตอม= 80 Br- มีมวลไอออน = 80 K+ มีมวล 1 ไอออนเท่าไร 39 x 1.66 x 10-24 g ตัวอย่ าง KNO3 1.01 g จะประกอบด้วย K+ และ NO3- อย่าง ละกี่กรัม มวลโมเลกุลของ KNO3 = 101 มวล K+ ไอออน = มวลอะตอม K = 39 มวล NO3- ไอออน = 62 ดังนั้น KNO3 101 กรัม ประกอบด้วย K+ ไอออน 39 กรัม ถ้า 1.01 กรัม ประกอบด้วย K+ ไอออน 0.39 กรัม KNO3 101 กรัม ประกอบด้วย NO3ถ้า 1.01 กรัม ประกอบด้วย NO3- 62 กรัม 0.62 กรัม โมล (Mole) เป็ นหน่ ว ยบอกจ านวนอนุ ภ าค/ปริ ม าณของ สาร ซึ่งหมายถึง อะตอมของคาร์ บอน-12 ที่มีมวล 12 กรั มปริ มาณของสารที่มีจานวนอนุ ภาคเท่ า กับ 23 จานวนโดย 1โมล มีค่าเท่ ากับ 6.02 x 10 อนุภาค เลขจานวนนี้เรียกว่ าเลข อาโวกาโดร (Avogadro’s number) โมล สาร 1 โมล คือ ปริ มาณสารที่มีจานวนอนุภาค เท่ ากับจานวนอะตอมของ C-12 ที่มีมวล 12 กรั ม อนุภาคนีไ้ ด้ แก่ อะตอม โมเลกุล ไอออน เป็ นต้ น หรือ มวลของสารทีม่ จี านวนอนุภาคเท่ ากับ 6.02 x 1023 อนุภาค คือ เลขอาโวกาโดร ใช้ สัญลักษณ์ เป็ น “mol” C-12 หนัก 12 x 1.66 x 10-24 กรัม จะมีจานวนอะตอม 1 อะตอม C-12 หนัก 12 กรัม จะมีจานวนอะตอม = 12 x 1/12 x 1.66 x 10-24 ดังนั้น C-12 12 กรัม จะมี C-12 จานวน = 1/1.66 x 10-24 = 6.02 x 1023 อะตอม การนาโมลไปใช้ ถ้าอนุภาค คือ โมเลกุล เรี ยกว่า โมลโมเลกุล ถ้าอนุภาค คือ อะตอม เรี ยกว่า โมลอะตอม ถ้าอนุภาค คือ ไอออน เรี ยกว่า โมลไอออน ถ้าอนุภาค คือ อิเล็กตรอน เรี ยกว่า โมลอิเล็กตรอน เช่น Zn 1 โมลอะตอมมีจานวนอะตอม = 6.02 x 1023 อะตอม H2 1 โมลโมเลกุล มีจานวนโมเลกุล = 6.02 x 1023 โมเลกุล สาร 2 โมล มี 6.02 x 1023 x 2 อนุภาค สาร 0.5 โมล มี 6.02 x 1023 x 0.5 อนุภาค ก๊าซออกซิ เจน(O2) 1 โมล หมายถึง 1 โมลโมเลกุล มีออกซิเจน 6.02 x 1023 โมเลกุล โซเดียม(Na) 1 โมล หมายถึง 1 โมลอะตอม มีโซเดียม 6.02 x 1023 อะตอม จานวนโมลกับมวลของสาร • สารใดๆ 1 โมล(อะตอม) มีมวลเท่ากับ มวลอะตอม (กรัม) • สารใดๆ 1 โมล(โมเลกุล) มีมวลเท่ากับ มวลโมเลกุล(กรัม) • ธาตุ Na มีมวลอะตอม 23 ดังนั้น จานวนโมลของ Na 1 โมล(อะตอม) มีมวล = 23 g • ก๊าซ O2 มีมวลโมเลกุลเท่ากับ 16 x 2 = 32 ดังนั้นจานวนโมลของ O2 1 โมล(โมเลกุล) มีมวล = 32 g • ซัลเฟตไอออน(SO42-) 1 โมล มีมวล = 32 + (16x4) = 96 g มีจานวนอะตอม = 6.02 x 1023 อะตอม 1 โมลอะตอม ถ้านาไปชัง่ จะหนัก = มวลอะตอม (หน่วยกรัม) Ex. Al 40.5 กรัม จะมีกี่โมล และมีกี่อะตอม(Al=27) หาจานวนโมลของ Al 40.5 g จาก Al = 27 แสดงว่า Al มวล 27 g คิดเป็ น 1 โมล ถ้า Al มวล 40.5 g = 40.5 x 1 = 1.5 โมล 27 จานวนโมล Al = มวลของ Al กรัม มวลอะตอมของ Al ดังนั้น จานวนโมล = มวลของธาตุ(กรัม) มวลอะตอม หาจานวนอะตอมของ Al มี Al = 1.5 โมลอะตอม Al 1 โมลอะตอมมี = 6.02 x 1023 อะตอม ถ้า Al 1.5 โมลอะตอมมี = 1.5x 6.02 x 1023 = 9.03x1023 อะตอม จานวนอะตอม = จานวนโมลอะตอม x 6.02 x 1023 อะตอม คาถามชวนคิด 1. 2. 3. 4. ธาตุ S จานวน 1.2 x 1024 อะตอม จะมีกี่โมล และมีมวลเท่าไร (S=32) ต้องชัง่ Fe มากี่กรัม จึงจะมีจานวนอะตอมเท่ากับ C 45 กรัม (Fe=56,C=12) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO2) 5 โมล จะมีมวลกี่กรัม จงคานวณหาจานวนโมลของสารต่อไปนี้ ก. ธาตุโพแทสเซียม(K) จานวน 7.77 x 1022 อะตอม ข. ไอโอดีนโมเลกุล(I2) จานวน 5.34 x 1025 โมเลกุล ค. โพแทสเซียมไอโอไดด์(KI) จานวน 1.25 x 1021 โมเลกุล จานวนโมล (mol) = น้าหนักของสาร (กรัม) นา้ หนักอะตอมหรือนา้ หนักโมเลกุล • คาว่าโมลอาจใช้ได้กบั สารหลายๆ อย่างแล้วแต่สิ่งที่อา้ งถึง เป็ นต้นว่า อะตอม และโมเลกุล หรื อไอออน อิเล็กตรอน ## ต้ องระวังเป็ นพิเศษที่จะต้ องบอกถึง สิ่ งที่อ้างถึง • เช่น ออกซิเจน 1 โมลอะตอมจะมี 6.02 x 1023 อะตอม และมีน้ าหนัก 16 g ส่ วนออกซิเจน 1 โมลโมเลกุล จะมี 6.02 x 1023 โมเลกุล และมีน้ าหนัก 32 g • สารประกอบไอออนิก 1 โมล มีปริ มาณเท่ากับ 6.02 x 1023 หน่วย เช่น CaCl2 1 โมล จะมี CaCl2 จานวน 6.02 x 1023 หน่วย ซึ่งความจริ งประกอบด้วย Ca2+ 6.02 x 1023 ไอออน (Ca 2+ 1 โมล)และ Cl- 2(6.02 x 1023) ไอออน(Cl- 2 โมล) Ex ถ้ ามีก๊าซคาร์ บอนไดออกไซด์ (CO2) หนัก 9.24 g จงคานวณหา ก. จานวนโมล CO2 ข. จานวนโมเลกุล CO2 ค. จานวนโมลของแต่ ละธาตุใน คาร์ บอนไดออกไซด์ จานวนนี้ ง. จานวนอะตอมของแต่ ละธาตุ ( C = 12.0 O = 16.0 ) วิธีทา ก. นา้ หนักโมเลกุลของ CO2 = 12.0 + ( 2 x 16.0 ) = 44.0 จานวนโมลของ CO2 = 9.24 44.00 = 0.210 mol ข. CO2 1 mol มี 6.02 x 1023 โมเลกุล 23 CO2 0.210 mol มี 0.210 x 6.02 x 10 โมเลกุล 23 = 1.26 x 10 โมเลกุล ค. ใน 1 โมเลกุลของ CO2 มี C 1 อะตอม และ O 2 อะตอม ดังนั้น CO2 1 mol จึงประกอบด้ วย C 1 mol และ O 2 mol CO2 0.210 mol จึงประกอบด้ วย C 0.210 x 1 = 0.210 mol และ O 0.210 x 2 = 0.420 mol ง. CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้ วย C 1 อะตอม 23 23 ถ้ า CO2 1.26 x 10 โมเลกุลจะมี C =1 x 1.26 x 10 อะตอม CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้ วย O 2 อะตอม ถ้ า CO2 1.26 x 1023 โมเลกุล จะมี O = 2 x 1.26 x 1023 = 2.52 x 1023 อะตอม โมลไอออน เช่น Ca2+ 1โมลไอออน มีจานวนไอออน = 6.02 x 1023 โมลโมเลกุล เช่น H2 1โมลโมเลกุล มีจานวนโมเลกุล = 6.02 x 1023 โมล โมลอะตอม เช่น Na 1โมลอะตอม มีจานวนอะตอม = 6.02 x 1023 สาร N2 จานวนโมล มวลอะตอม/ มวลโมเลกุล 1 28 จานวนอนุภาค 6.02x1023โมเลกุล H2SO4 2 98 2 x 6.02x1023โมเลกุล Mg 3 24.3 3 x 6.02x1023 อะตอม NH4+ 0.1 28 0.1 x 6.02x1023ไอออน HCO3- 1.5 61 1.5x 6.02x1023 ไอออน จานวน6.02x1023โมเลกุล 1โมลโมเลกุล (1mol) มวลของสาร = มวลโมเลกุลมีหน่วยเป็ นกรัม ปริ มาตรของก๊าซ 22.4 dm3 ที่ STP การคานวณเกี่ยวกับโมล การคานวณโมล – กรัม จานวนโมล = นา้ หนักสาร (กรั ม) นา้ หนักอะตอมหรื อนา้ หนักโมเลกุล การคานวณโมลของแก๊ ส จานวนโมลของแก๊ ส = ปริมาตรแก๊ สที่ 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 มีปริ มาตร 22.4 dm3 ที่ STP CCl4 1 โมล มี 6.02x1023 โมเลกุลมีมวล 154 g ปริ มาตรไม่ สามารถระบุได้ (มีสถานะเป็ นของเหลว) NaOH 1 โมล มี 6.02x1023 โมเลกุลมีมวล 40 g ปริ มาตรไม่ สามารถระบุได้ (มีสถานะเป็ นของแข็ง) จงคานวณน้ าตาลกลูโคส 3x1024 โมเลกุล มีกี่โมล น้ าตาลกลูโคส 6.02x1023 โมเลกุล คิดเป็ น = 1 โมล ถ้า ”------------” 3.01x1024 โมเลกุล ”-----” = 1x 3.01x1024 6.02x1023 ดังนั้นน้ าตาลกลูโคส 3.01x1024 โมเลกุล = 5 โมล ดังนั้น จานวนโมล = จานวนโมเลกุล 6.02x1023 H2SO4 มวล 196 g มีกี่โมล (H=1,S=32,O=16) หามวลโมเลกุล H2SO4 = (1x2 + 32 +16x4) = 98 H2SO4 98 g คิดเป็ น 1 mol H2SO4 196 g ” = 1x196 = 2 mol 98 ดังนั้น จานวนโมล = มวลของสารเป็ นกรัม มวลโมเลกุล ก๊าซออกซิ เจน ปริ มาตร 38 dm3 ที่ 0oC ความดัน 1 atm มีจานวนโมลเท่าไร ก๊าซ O2 ” 3 22.4 dm 38 dm3 คิดเป็ น 1 mol ”---------” = 1x38 22.4 = 1.7 mol ดังนั้น จานวนโมล = ปริ มาตรที่ STP 22.4 dm3 การคานวณโมลของแก๊ ส ตัวอย่ าง จงหามวลของแก๊ ส cyclopropane (C3H6) ปริมาตร 1.00 L ที่ STP (นา้ หนักอะตอม : C = 12.0, H = 1.0) จานวนโมลของ C3H6 = ปริมาตรแก๊ สที่ STP 22.4 L.mol-1 = 1.00 L 22.4 L.mol-1 = 0.045 mol การคานวณโมลของแก๊ ส จานวนโมลของแก๊ ส = นา้ หนักแก๊ ส (g) นา้ หนักโมเลกุล นา้ หนักแก๊ ส (g) = โมลของแก๊ ส นา้ หนักโมเลกุล = 0.045 [(12.03)+(1.06)] = 1.89 g ตัวอย่ าง จงหาจานวนโมลของแก๊สโอโซน(O3) ปริ มาตร 10 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่ STP O3 22.4 dm3 คิดเป็ น 1 mol ถ้า O3 10 dm3 คิดเป็ น 1 x 10 = 0.45 mol 22.4 ดังนั้นจานวนโมลของแก๊สโอโซน 10 dm3 เท่ากับ 0.45 โมล ไอน้ า 2.25 โมล มีปริ มาตรกี่ลกู บาศก์เดซิ เมตร ที่STP 50.4 dm3 ความสัมพันธ์ระหว่างจานวนโมล มวล อนุภาค และ ปริ มาตรที่ STP ของแก๊ส สามารถสรุ ปได้ดงั นี้ • ธาตุในสภาพอะตอม จานวนโมล = มวล(g) = จานวนอะตอม 6.02x1023 มวลอะตอม • ธาตุหรื อสารประกอบในสภาพโมเลกุล จานวนโมล = มวล(g) = จานวนโมเลกุล = ปริ มาตรแก๊สSTP 6.02x1023 • เขียนแทนด้วยสูตร n = m = N = มวลโมเลกุล M 6.02 x 10 23 22.4 dm3 VSTP 22.4