บทท 2ปรมาณสารสมพนธ

(Stoichiometry)

2-1

ปรมาณสารในปฏกรยาเคม

โลกจลภาคอะตอม & โมเลกล

โลกมหพภาคกรม

มองไมเหนตองใชจนตนาการชวย

มองเหนและวดได

ปฏกรยาเคมเกดขนในระดบอะตอมและโมเลกล

2-2

นยาม1 atom 12C มมวล 12 amu

ซงท าให1H = 1.008 amu16O = 16.00 amu

มวลอะตอม (Atomic mass) คอ มวลของอะตอมในหนวย atomic mass units (amu)

มวลอะตอม (Atomic mass)

2-3

ตวอยางโจทยทอง (Au) มมวลอะตอมเปน 16.4 เทาของ 12C ทองมมวลอะตอมเปนก amu

มวลของ 1 atom 12C = 12 amu

= 16.4 x 12 amu = 197 amu

มวลของ 1 atom Au = 16.4มวลของ 1 atom 12C

มวลของ 1 atom Auมวลของ 1 atom 12C

X มวลของ 1 atom 12C

2-4

ในธรรมชาต Li ม 2 ไอโซโทป คอ7.42% 6Li (6.015 amu)

92.58% 7Li (7.016 amu)

7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016100 = 6.941 amu

มวลอะตอมเฉลยของ Li คอ

มวลอะตอมเฉลย

2-5

6

Average atomic mass (6.941)

ตวอยางโจทยคลอรนมมวลอะตอมเฉลยเปน 35.5 จงค านวณเปอรเซนตของ 35Cl ในธรรมชาต เมอก าหนดใหคลอรนในธรรมชาตมเพยงสองไอโซโทปคอ 35Cl และ 37Cl ซงมมวลอะตอมเปน 34.968amu และ 36.956 amu ตามล าดบ

1 atom 35Cl = 34.968 amu 1 atom 37Cl = 36.956 amu

1 atom Cl = 35.5 amuก าหนดให X สวน ใน 1 atom Cl เปน 35Cl

34.968 X amu + 36.956 (1-X) amu = 35.5 amuX = 0.7324 = 73.2%

2-7

โมล (mole, mol) คอ ปรมาณของสสารทประกอบดวยจ านวนของอนภาคมลฐาน (เชน อะตอม โมเลกล หรอไอออน) เทากบจ านวนอะตอมทมอยใน 12.00 กรมของ 12C

1 mol = NA = 6.0221367 x 1023

เลขอะโวกาโดร (Avogadro’s number) 2-8

Molar mass คอมวลของ

จ านวน 1 โมล มหนวยเปนกรม

โมเลกล

1 โมลของ 12C = 6.022 x 1023 อะตอมของ 12C = 12.00 g1 12C atom = 12.00 amu

1 โมลของ 12C atoms = 12.00 g 12C1 โมลของ Li atoms = 6.941 g of Li

ส าหรบอะตอมของธาตใด ๆมวลอะตอม (amu) = มวลของ 1 โมล (กรม)

อะตอม

ไอออน

2-9

1 amu = 1.66 x 10-24 g หรอ1 g = 6.022 x 1023 amu

x 12.00 g6.022 x 1023 12C atoms1 amu

= 1.66 x 10-24 g

1 amu = ? g

1 12C atom12.00 amux

1 12C atom = 12.00 amu6.022 x 1023 12C atoms = 12.00 g

2-10

M= มวลของ 1 โมล ในหนวย gNA = เลขอะโวกาโดร

มวลของธาต(m)

จ านวนโมลของธาต (n)

จ านวนอะตอมของธาต (N)

m/M nNA

nM N/NA

ความสมพนธระหวาง มวล โมล และ อะตอม

2-11

การค านวณเกยวกบมวลอะตอมและโมลโพแทสเซยม (K) มวล 0.551 g มกอะตอม ?

1 โมล K = 39.10 g K 1 โมล K = 6.022 x 1023 อะตอม K

0.551 g K 1 mol K39.10 g Kx x 6.022 x 1023 atoms K

1 mol K

= 8.49 x 1021 อะตอม K

2-12

ตวอยางโจทยตะกว (Pb) 1.00 x 1012 อะตอม มมวลเปนกกรม ?

มวล 1 mol Pb = 207.2 g1 mol Pb = 6.022 x 1023 atom Pb

1.00 x 1012 atom Pb 1 mol Pb6.022 x 1023 atom Pb

x 207.2 g1 mol Pbx

= 3.44 x 10-10 g

2-13

มวลโมเลกล (หรอน าหนกโมเลกล) คอ ผลรวมของมวลอะตอม (amu) ทงหมด

SO2

1S 32.07 amu2O + 2 x 16.00 amu SO2 64.07 amu

ส าหรบโมเลกลใด ๆ

มวลโมเลกล (amu) = มวลของ 1 โมล (grams)

1 โมเลกล SO2 = 64.07 amu

1 โมล SO2 = 64.07 g SO2 2-14

การค านวณเกยวกบมวลโมเลกล72.5 g ของ C3H8O ม H อยกอะตอม ?

1 mol C3H8O = (3 x 12) + (8 x 1) + 16 = 60 g C3H8O

1 mol H = 6.022 x 1023 atoms H

5.82 x 1024 atoms H

1 mol C3H8O molecules = 8 mol H atoms

72.5 g C3H8O1 mol C3H8O60 g C3H8O

x 8 mol H atoms1 mol C3H8O

x

6.022 x 1023 H atoms1 mol H atomsx =

มวล C3H8O โมล C3H8O โมล H อะตอม H

2-15

ตวอยางโจทยค านวณจ านวนโมเลกลของน า 2.56 mL

1 g H2O = 1 mL H2O (ความหนาแนน)1 mol H2O = 18.016 g H2O (มวลโมเลกล)1 mol H2O = 6.022 x 1023 molecules H2O

2.56 mL H2O1 g H2O

1 mL H2Ox 1 mol H2O

18.016 g H2Ox

6.022 x 1023 molecules H2O1 mol H2O

x

= 8.56 x 1022 molecules H2O2-16

17

KE = 1/2 x m x v2

v = (2 x KE/m)1/2

F = q x v x B

Light

Light

Heav

y

Heav

y

2-17

การใชแมสสเปกโทรมเตอรเพอพสจนแหลงทมาของทองทถกโขมย

2-18

ตวอยางโจทยระบจ านวนและต าแหนงสญญานของไอออน H2S+ ในแมสสเปกตรม ถาในธรรมชาต ไฮโดรเจนม 2ไอโซโทปคอ 1H และ 2H สวนซลเฟอรม 4 ไอโซโทปคอ 32S, 33S, 34S และ 36S

1H1H 34 35 36 381H2H หรอ 2H1H 35 36 37 392H2H 36 37 38 40

32S 33S 34S 36S

7 สญญานทต าแหนง 34, 35, 36, 37, 38, 39 และ 402-19

n คอ จ านวนโมลอะตอมของธาตในหนงโมลโมเลกลของสารประกอบ

C2H6O

%C = 2 x (12.01 g)46.07 g x 100% = 52.14%

%H = 6 x (1.008 g)46.07 g x 100% = 13.13%

%O = 1 x (16.00 g)46.07 g x 100% = 34.73%

52.14% + 13.13% + 34.73% = 100.0%

n x มวลของธาต 1 โมลมวลของสารประกอบ 1 โมล x 100%=

เปอรเซนตของธาตองคประกอบในสารประกอบ

2-20

การหาสตรสดสวน(สตรอตราสวน สตรอยางงาย

สตรเอมไพรคล หรอสตรโมเลกล)

2-21

g CO2 mol CO2 mol C g C

g H2O mol H2O mol H g H

g of O = g of sample – (g of C + g of H)

เผาไหม ethanol 11.5 g

ได CO2 22.0 g และ H2O 13.5 g

0.5 mol C = 6.0 g C

1.5 mol H = 1.5 g H

4.0 g O = 0.25 mol Oสตรอตราสวน C0.5H1.5O0.25

ท าใหเปนจ านวนเตมโดยคณดวย 4สตรอตราสวน C2H6O

22/44 x 1/1

13.5/18 x 2/1

x 12

x 111.5 6.0 1.5 4/16

2-22

ตวอยางโจทยตองใชไอโอดน ( I2) กกรม เพอใหท าปฏกรยาพอดกบอะลมเนยม (Al) 20.4 กรม แลวเกดเปน AlI3

1 mol Al = 26.98 g Al2 mol Al สมมลกบ 3 mol I2 เพอเกดเปนAlI3 1 mol mol I2 = 253.8 g I2

20.4 g Al26.98 g Al1 mol Alx 3 mol I2

2 mol Alx 1 mol I2253.8 g I2x

= 288 g I22-23

ตวอยางโจทยป ยไนโตรเจนสามารถเตรยมไดจากสารเคมหลายชนด เชน ยเรย [(NH2)2CO], แอมโมเนยมไนเตรต (NH4NO3), กวนดน [HNC(NH2)2] และแอมโมเนย (NH3)สารตวใดมเปอรเซนตไนโตรเจนสงทสดยเรย : 14.01 x 2

14.01 x 2 + 1.008 x 4 + 12.01 + 16.00 x 100 = 46.7% N

NH4NO3: 14.01 x 214.01 x 2 + 1.008 x 4 + 16.00 x 3

x 100 = 35.0% N

กวนดน: 14.01 x 314.01 x 3 + 1.008 x 5 + 12.01 x 100 = 71.1% N

NH3: 14.0114.01 + 1.008 x 3 x 100 = 82.3% N

2-24

ปฏกรยาระหวาง H2 กบ O2 เกดเปน H2O อาจแสดงไดดงน

ปฏกรยาเคม (chemical reaction) คอ กระบวนการเปลยนแปลงทท าใหเกดสารทตางจากสารตงตน ซงมกจะแสดงโดยใช สมการเคม (chemical equation) ทประกอบดวยสญลกษณทางเคมและลกศรชทศทางการเปลยนแปลง

reactants products

2-25

ความหมายของสมการเคม2 Mg + O2 2 MgO

2 อะตอมของ Mg + 1 โมเลกลของ O2 ให 2 โมเลกลของ MgO2 โมลของ Mg + 1 โมลของ O2 ให 2 โมลของ MgO

48.6 กรมของ Mg + 32.0 กรมของ O2 ให 80.6 กรมของ MgOไมใช

2 กรมของ Mg + 1 กรมของ O2 ให 2 กรมของ MgO2-26

1. เขยนสตรโมเลกลทถกตองของตวท าปฏกรยาไวทางซายมอและเขยนสตรโมเลกลทถกตองของผลตภณฑไวทางขวามอ

Ethane ท าปฏกรยากบออกซเจนเกดเปนคารบอนไดออกไซดและน า

C2H6 + O2 CO2 + H2O2. เตมตวเลขสมประสทธหนาสตรโมเลกลของสารแตละตว

เพอใหจ านวนอะตอมของธาตทางซายและขวามอของสมการเทากน หามเปลยนตวเลขหอยในสตรโมเลกลเดดขาด

2C2H6 ไมใช C4H12

การดลสมการเคม

2-27

การดลสมการเคม3. เรมตนจากการดลอะตอมของธาตทพบในแตละขางของ

สมการเพยงขางละหนงสาร

C2H6 + O2 CO2 + H2O เรมดวย C หรอ H ไมใช O

คณ CO2 ดวย 2 C2H6 + O2 2CO2 + H2O

คณ H2O ดวย 3 C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O

2-28

4. ดลอะตอมของธาตทพบในแตละขางของสมการมากกวาหนงสาร

C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O

คณ O2 by 72 C2H6+ O2 2CO2 + 3H2O7

2

ท าใหเปนจ านวนเตมโดยคณสมการดวย 2 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O

การดลสมการเคม

1x2 = 2 2x2 + 3x1 = 7

2-29

5. ตรวจดจ านวนอะตอมของธาตทกตววาดลแลวหรอไม

2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O4 C (2 x 2) 4 C

12 H (2 x 6) 12 H (6 x 2)14 O (7 x 2) 14 O (4 x 2 + 6)

การดลสมการเคม

โครงสรางของ ethane

2-30

ตวอยางโจทยดลสมการเคมตอไปน

N2O5 N2O4 + O212

N2O5 N2O4 + O22 2

CH4 + 4 Br2 CBr4 + 4 HBr

4 N10 O

4 N8 O 2 O

1 C4 H

8 Br

1 C

4 Br4 H4 Br

x 2

2-31

1. เขยนและดลสมการเคม2. แปลงมวลสารททราบใหเปนโมล3. ใชสมประสทธในสมการเคมค านวณโมลสารทตองการหา4. แปลงโมลสารทตองการหาใหเปนมวลในหนวยทก าหนด

การค านวณมวลสารในปฏกรยาเคม

2-32

ตวอยางโจทยตองใชแอมโมเนย (NH3) กกโลกรม เพอเตรยมแอมโมเนยมซลเฟต (NH4)2SO4 1.0 กโลกรม จากปฏกรยาตอไปน

2 NH3 (g) + H2SO4 (aq) (NH4)2SO4 (aq) 1 mol (NH4)2SO4 = 132.2 g (NH4)2SO4

1 mol (NH4)2SO4 ตองใช 2 mol NH3

1 mol NH3 = 17.03 g NH3

1 kg (NH4)2SO4 132.2 g (NH4)2SO4

1 mol (NH4)2SO4 x 2 mol NH31 mol (NH4)2SO4

x

1 mol NH3

17.03 g NH3x = 0.258 kg NH3 2-33

พจารณาปฏกรยาการเผาไหมของเมทธานอล2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O

การเผาไหมของเมทธานอล 209 g จะเกดน าขนกกรม ?กรม CH3OH โมล CH3OH โมล H2O กรม H2O

มวลโมเลกลCH3OH

สมประสทธ มวลโมเลกลH2O

209 g CH3OH 1 mol CH3OH32.0 g CH3OHx 4 mol H2O

2 mol CH3OHx

18.0 g H2O1 mol H2O

x = 235 g H2O2-34

6 เขยวใชหมด

เหลอ 6 แดง

(6)(12)

Limiting Reagents

2-35

36

ค านวณมวลของ Al2O3 ทเกดขนจากปฏกรยาของ Al 124 g กบ Fe2O3 601 g

2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe

มวล Al โมล Al โมล Fe2O3

ทตองใชมวล Fe2O3

ทตองใช

124 g 601 g ?

ถามวล Fe2O3ทตองใช

< มวล Fe2O3 ทมในปฏกรยา

Al เปน limiting reagent

Fe2O3 เปน limiting reagent

ถามวล Fe2O3ทตองใช

> มวล Fe2O3 ทมในปฏกรยา

การค านวณเมอม Limiting Reagents

2-36

124 g Al1 mol Al27.0 g Alx 1 mol Fe2O3

2 mol Alx

Al 124 g ตองใช Fe2O3 367 g

160. g Fe2O31 mol Fe2O3

x

= 367 g Fe2O3

เนองจากในปฏกรยาม Fe2O3 601 g ดงนน Fe2O3 จงมมากเกนพอ และ Al เปน limiting reagent

2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe124 g 601 g ?

2-37

ใชมวลของ limiting reagent (Al) มาค านวณมวลผลตภณฑ (AlO3) ทเกดขน

g Al mol Al mol Al2O3 g Al2O3

124 g Al 1 mol Al27.0 g Alx 1 mol Al2O3

2 mol Alx 102 g Al2O31 mol Al2O3

x

= 234 g Al2O3

2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe

2-38

ผลผลตตามทฤษฎ (Theoretical Yield) คอ ปรมาณของผลตภณฑทควรจะเกดถา limiting reagent ท าปฏกรยาหมด

ผลผลตจรง (Actual Yield) คอ ปรมาณผลตภณฑทเกดขนจรง

% Yield = Actual YieldTheoretical Yield

x 100

เปอรเซนตผลผลต

2-39

ตวอยางโจทยโรงงานอตสาหกรรมแหงหนงเตรยมเอทธลน (C2H4) โดยการใหความรอนเฮกเซน (C6H14) ดงสมการ โดยมเปอรเซนตผลผลตของเอทธลนเปน 42.5% ถาตองการเอทธลน 481 กรม จะตองใชเฮกเซนกกรม

C6H14 C2H4 + ผลตภณฑอน1 mol C2H4 = 28.05 g C2H41 mol C6H14 ใหผลผลตสงสด 3 mol C2H41 mol C6H14 = 86.17 g C6H14

x 481 g C2H4 28.05 g C2H4

1 mol C2H4x 1 mol C6H143 mol C2H4

x

1 mol C6H14

86.17 g C6H14x = 1.16 x 103 g C6H14

42.5100

2-40

ตวอยางโจทยแอมโมเนยมซลเฟต [(NH4)2SO4] เปนป ยไนโตรเจนซงอาจเตรยมไดจากปฏกรยา 2 ขนตอนดงตอไปน

2 NH3 + CO2 + H2O (NH4)2CO3

(NH4)2CO3 + CaSO4 (NH4)2SO4 + CaCO3

ค านวณหาเปอรเซนตผลผลต เมอใชแอมโมเนย 50 g และแคลเซยมซลเฟต 300 g สามารถผลตแอมโมเนยมซลเฟตได 150 กรม

2-41

ปฏกรยารวม

2 NH3 + CO2 + H2O + CaSO4 (NH4)2SO4 + CaCO3

มวล NH3 โมล NH3โมล CaCO3

ทตองใชมวล CaCO3

ทตองใช

50.0 g NH31 mol NH317.03 g NH3

x 1 mol CaSO42 mol NH3

x 136.15 g CaSO41 mol CaSO4

x

= 200 g CaSO4 ดงนน NH3 เปน limiting reagent

50 g 300 g

2-42

2 NH3 + CO2 + H2O + CaSO4 (NH4)2SO4 + CaCO3

ผลผลตตามทฤษฎ

50.0 g NH31 mol NH317.03 g NH3

x 1 mol (NH4)2SO42 mol NH3

x

132.15 g (NH4)2SO41 mol (NH4)2SO4

x

=

= 194 g (NH4)2SO4

% Yield =

50.0 g 300 glimiting reagent excess

150 gactual yield

150 g (NH4)2SO4194 g (NH4)2SO4

x 100 = 77 %

2-43

การบาน1. จงหาน าหนกโมเลกลของสารตอไปน (ตอบเปนเลขนยส าคญ3 หรอ 4 ตว และก าหนด Na = 22.99, S = 32.06, C = 12.01, H = 1.01, O = 16.01 และ Cu = 63.55)

1.1 Na2S1.2 C6H12O6

1.3 (CuSO4.5H2O)2

2. สารชนดหนงมธาต C และ H เทานน เปนองคประกอบ เมอน าสารนจ านวน 1.20 กรม มาเผาจนปฏกรยาเกดขนอยางสมบรณ พบวา เกด CO2 3.60 กรม และ H2O 1.96 กรม จงหาสตรอยางงายของสารน 2-44

3. สงกะส (Zn) และก ามะถน (S) ท าปฏกรยากนดงสมการZn + S ZnS

เมอน า Zn 12.0 กรม มาท าปฏกรยากบ S 6.50 กรม จะได ZnS อยางมากทสดกกรม ธาตใดเปนสารก าหนดปรมาณ ธาตใดเหลอจากปฏกรยา และเหลอกกรม (Zn = 65.4, S = 32)4. ออกไซดหนงของไนโตรเจน มไนโตรเจน 30.4% เปนองคประกอบ จงหาสตรเอมพรกลของสารน และถาน าหนกโมเลกลของสารนเทากบ 92 จงหาสตรโมเลกลของสารน(N = 14, O = 16)

2-45

5. จงดลสมการตอไปน5.1 ZnS + HCl ZnCl2 + H2S5.2 HCl + Cr CrCl3 + H2

5.3 Al + Fe3O4 Al2O3 + Fe5.4 H2 + Br2 HBr5.5 Na2S2O3 + I2 NaI + Na2S4O6

6. แกสชนดหนงประกอบดวย C 85.7% และ H 14.3% ถาแกสนมความหนาแนน 2.50 g/dm3 ท STP สตรโมเลกลของสารนเปนเทาใด

2-46

7. น าสารผสม KClO3 กบ KCl หนก 5 กรม ไปเผา จะไดแกสออกซเจนสลายตวออกมาเทากบ 1120 cm3 ท STP จงค านวณหามวลเปนรอยละของ KCl ในสารผสมดงกลาว (K = 39,Cl = 35.5, O = 16)8. ปฏกรยาสนดาปของ C3H6 42 กรม แยกน าออกได 18 กรม จงหารอยละของน าทได9. สารพอลเมอร X มสตร Br3C6H3(C8H8)n คาของ n แปรผนตามสภาวะของการเตรยม ถาสารพอลเมอร X ทเตรยมไดมโบรมน 10.46% คาของ n จะมคาเทาใด

2-47

10. ก าหนดใหปฏกรยาการเผาไหมของเอทานอล (C2H5OH) และแกสโซลน (C8H18) ใหพลงงานเปน 1380 และ 5928 kJ/molตามล าดบ ถาแกสโซฮอลเปนเชอเพลงทประกอบดวยเอทานอลและแกสโซลน โดยมเอทานอล 10% โดยน าหนก แกสโซฮอลและแกสโซลนจะใหพลงงานตางกนกกโลจลตอหนงกโลกรม

2-48