วิชาเคมี เรื่อง ปริมาณสารสัมพันธ์

วันจันทร์ที่ 24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557

สารกำหนดปริมาณและร้อยละของผลไม้ของสารผลิตภัณฑ์^_____^

สารกำหนดปริมาณและร้อยละของผลไม้ของสารผลิตภัณฑ์

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 เรียกผลที่ได้ว่านี้ ผลได้จริง (Actual yield) สำหรับการรายงานผล การทดลองนั้น จะเปรียบเทียบค่าที่ได้ตามทฤษฎีในรูปร้อยละ ซึ่งจะได้ความสัมพันธ์ดังนี้

การหาสูตรโมเลกุลของก๊าชและการหาร้อยละโดยมวลของธาตุจากสูตรเคมี^_____^

การหาสูตรโมเลกุลของก๊าชและการหาร้อยละโดยมวลของธาตุจากสูตรเคมี
การหาสูตรโมเลกุลของก๊าซ มีหลักการดังนี้

1. สารทุกชนิดที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเป็นก๊าซหมด และสารที่จะหาสูตรโมเลกุลจะต้องเป็นก๊าซหรือไอเท่านั้น

2. สมมติสูตรโมเลกุลของก๊าซที่จะหาสูตรโดยทราบว่าประกอบด้วยธาตุใดบ้าง

3. ต้องทราบปริมาตรของก๊าซต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกันในปฏิกิริยา และปริมาตรของก๊าซต้องวัดที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน

4. หาอัตราส่วนโดยปริมาตรก๊าซต่าง ๆ เป็นอย่างต่ำ

5. เปลี่ยนอัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซเป็นอัตราส่วนโดยโมล โดยใช้กฎอาโวกาโดร

6. เขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีตามโจทย์บอก แล้วเข้าสมการพีชคณิตของจำนวนอะตอมทั้งหมด ทางซ้าย และทางขวาของแต่ละธาตุให้เท่ากัน จะได้สมการพีชคณิตหลายสมการที่มีตัวแปรหลายตัว จากนั้นก็คำนวณหาสูตรโมเลกุลของก๊าซได้

มวลของสารในปฏิกริยาเคมี^_____^

มวลของสารในปฏิกริยาเคมี

การเปลี่ยนแปลงของสารในปฏิกิริยาใดๆ ต้องมีการกำหนดขอบเขตการศึกษา ซึ่งมีองค์ประกอบที่สำคัญอยู่ 2 ส่วนคือ ส่วนที่อยู่ภายในขอบเขตของการศึกษาซึ่งรวมทั้งก่อนการเปลี่ยนแปลงและหลังการเปลี่ยนแปลงเรียกว่า ระบบ กับส่วนที่อยู่นอกขอบเขตที่ศึกษา เช่นภาชนะ อุปกรณ์ หรือเครื่องมือวัดต่างๆเรียกว่า สิ่งแวดล้อม เช่น การทำน้ำให้เป็นน้ำแข็ง ระบบก่อนการเปลี่ยนแปลงคือน้ำ และระบบหลังการเปลี่ยนแปลงคือน้ำแข็ง ส่วนสิ่งแวดล้อมก็คือภาชนะ ระบบมีอยู่ 2 ระบบดังนี้

1. ระบบปิด คือ ระบบที่ไม่มีการถ่ายเทมวลของสารระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม

2. ระบบเปิด คือ ระบบที่มีการถ่ายเทมวลของสารระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม

การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสารจำเป็นต้องระบุสมบัติต่างๆ ของระบบ เช่น มวล อุณหภูมิ ปริมาตร ความดัน ถ้าตรวจสอบได้ว่าสมบัติใดของระบบมีการเปลี่ยนแปลงก็ถือได้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในระบบ สมบัติของสารและปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของระบบเรียกว่า ภาวะของระบบ

ในปี พ.ศ. 2317 อองตวน-โลรอง ลาวัวซิเอ ได้ทดลองเผาสารในหลอดที่ปิดสนิทพบว่า มวลรวมของสารก่อนเกิดปฏิกิริยา เท่ากับมวลรวมของสารหลังทำปฏิกิริยา จึงตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎทรงมวล

โจเชฟ เพราสต์ ได้ศึกษาการเตรียมสารประกอบบางชนิด พบว่าสารประกอบชนิดหนึ่งที่เตรียมด้วยวิธีการที่แตกต่างกันมีอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงที่ จึงตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎสัดส่วนคงที่ ตัวอย่างเช่น สารประกอบคอปเปอร์(II)ซัลไฟด์ ( CuS ) ที่เกิดจากการรวมตัวของทองแดงและกำมะถันจะมีอัตราส่วนโดยมวลเท่ากับ 2:1 เสมอ

สมบัติคอลิเกตีฟของสารละลาย^____^

สมบัติคอลิเกตีฟของสารละลาย

สารละลายเป็นสารเนื้อเดียวที่ได้จากการผสมสารบริสุทธ์ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเข้าด้วยกัน ถ้าสารที่นำมาผสมกันมีสถานะเดียวกันจะถือว่าสารที่มีปริมาณมากที่สุดเป็นตัวทำละลาย ส่วนสารที่มีปริมาณน้อยกว่าเป็นตัวละลาย จุดเดือดของสารละลายสูงกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์ และจุดหลอมเหลวของสารละลายต่ำกว่าตัวทำทำละลายบริสุทธิ์ และถ้าสารละลายที่มีความเข้มข้นในหน่วยโมลต่อกิโลกรัมเท่ากัน จะมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวเท่ากัน โดยที่ตัวละลายจะเป็นสารใดก็ได้แต่ต้องเป็นสารที่ระเหยยากและไม่แตกตัวเป็นไอออน ส่วนสารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกัน แม้จะมีตัวทำละละายชนิดเดียวกันก็มีค่าจุดเดือดและจุดหลอมเหลวไม่เท่ากัน

สูตรเกี่ยวกับสารละลายที่มีสมบัติคอลลิเกตีฟ

1. จุดเดือด

= จุดเดือดของสารละลาย - จุดเดือดของตัวทำละลาย (องศาเซลเซียส)

K_b = ค่าคงที่ของการเพิ่มขึ้นของจุดเดือดของสารละลาย (องศาเซลเซียส/mol/kg)

m = ความเข้มข้นของสารละลาย (mol/kg)

m₁ = มวลตัวถูกละลาย (g)

m₂ = มวลของตัวทำละลาย (g)

MW₁ = มวลโมเลกุลของตัวถูกละลาย

2. จุดหลอมเหลว (หรือจุดเยือกแข็ง)

= จุดเยือกแข็งของตัวทำละลาย - จุดเยือกแข็งของสารละลาย (องศาเซลเซียส)

K_f = ค่าคงที่ของการลดลงของจุดเยือกแข็งของสารละลาย (องศาเซลเซียส/mol/kg)

3.สารละลายชนิดเดียวกันมีความเข้มข้นเท่ากัน จุดเดือดและจุดเยือกแข็งสัมพันธ์กันดังนี้

การหามวลโมเลกุลของสาร^____^

การหามวลโมเลกุลของสาร

โมเลกุลของธาตุประกอบด้วยอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน เช่น โมเลกุลของก๊าซออกซิเจนประกอบด้วยธาตุออกซิเจน 2 อะตอม ส่วนโมเลกุลของสารประกอบที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างชนิดกันเช่น โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน 1 อะตอมและธาตุออกซิเจน 2 อะตอม

ในกรณีที่ไม่ทราบชนิดและจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลของสาร แต่ทราบมวลเป็นกรัมของสาร 1 โมเลกุล จะหามวลโมเลกุลของสารได้จากความสัมพันธ์ดังนี้

1. ใช้การเปรียบเทียบเช่นเดียวกับการหามวลอะตอม

2. คิดจากผลบวกของอะตอมของธาตุต่าง ๆ ที่เป็นองค์ประกอบใน 1 โมเลกุลของสารนั้น

มวลโมเลกุล H₂O = (2x1) 16 = 18

มวลโมเลกุล CuSO₄ * 5H₂O = 63.5 + 32 + (4x16) + (5x18) = 249.5

มวลอะตอม^_____^

มวลอะตอม

เนื่องจากอะตอมของแต่ละธาตุมีมวลน้อยมาก เช่น อะตอมของไฮโดรเจนมีมวล 1.66 * 10^-24 กรัม อะตอมของออกซิเจนมีมวล 2.65 * 10^-23 กรัม ทำให้ไม่สามารถชั่งมวลของธาตุ 1 อะตอมได้โดยตรง ดอลตันจึงได้พยายามหามวลอะตอมของแต่ละธาตุโดยใช้วิธีการเปรียบเทียบว่าอะตอมาตุชนิดหนึ่งมีมวลเป็นกี่ท่าของอะตอมของอีกธาตุหนึ่งที่กำหนดให้เป็นมาตรฐาน

ดอลตันได้พบว่าไฮโดรเจนเป็นธาตุที่อะตอมมีมวลน้อยที่สุด จึงเสนอให้ใช้ไฮโดรเจนเป็นธาตุมาตรฐานในการเปรียบเทียบเพื่อหามวลอะตอมของธาตุอื่นๆ โดยกำหนดให้ไฮโดรเจน 1 อะตอมมีมวลเป็น 1 หน่วย ด้วยวิธีการเช่นนี้ อะตอมของคาร์บอนมีมวลเป็น 12 เท่าของไฮโดรเจนก็จะมีมวลเป็น 12 หน่วย อะตอมของออกซิเจนมีมวลเป็น 16 เท่าของไฮโดรเจนก็จะมีมวลเป็น 16 หน่วย ตัวเลขที่ได้จากการเปรียบเทียบมวลของธาตุ 1 อะตอมกับมวลของธาตุมาตรฐาน 1 อะตอม เรียกว่า มวลอะตอมของธาตุ

ต่อมานักวิทยาศาสตร์จึงได้ตกลงใช้คาร์บอน-12 ซึ่งเป็นไอโซโทปหนึ่งของคาร์บอนเป็นมาตรฐานในการเปรียบเทียบมวล เนื่องจากธาตุคาร์บอนสามารถทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ เกิดเป็นสารประกอบได้เป็นจำนวนมาก และคาร์บอน-12 เป็นไอโซโทปที่มีปริมาณสูงกว่าไอโซโทปอื่นๆ ของคาร์บอนอีกด้วย โดยกำหนดให้คาร์บอน-12 จำนวน 1 อะตอมมีมวล 12 หน่วยมวลอะตอม ดังนั้น 1 หน่วยมวลอะตอมจึงมีค่าเท่ากับ 1/12 มวลของคาร์บอน-12 จำนวน 1 อะตอมหรือเท่ากับ 1.66 * 10^-24 กรัม ค่าของมวลอะตอมของธาตุจึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ไดดังนี้

ธาตุส่วนใหญ่ในธรรมชาติมีหลายไอโซโทป และแต่ละไอโซโทปมีปริมาณมากน้อยต่างกัน มวลอะตอมของคาร์บอนที่คำนวณได้นี้เป็นค่ามวลอะตอมที่เฉลี่ยของคาร์บอน ซึ่งสอดคล้องกับค่ามวลอะตอมของธาตุที่ปรากฏอยู่ในธรรมชาติ ดังนั้นค่ามวลอะตอมของธาตุใดๆ ในตารางธาตุจึงเป็นค่ามวลอะตอมเฉลี่ยซึ่งขึ้นอยู่กับค่ามวลอะตอมและปริมาณของแต่ละไอโซโทปที่พบอยู่ในธรรมชาติ ปัจจุบันนี้นักวิทยาศาสตร์จึงหามวลอะตอมและปริมาณของไอโซโทปของแต่ละธาตุ โดยใช้เครื่องมือเรียกว่า แมสสเปกโตรมิเตอร์ ทำให้ได้ค่าที่แน่นอนและมีความถูกต้องสูง