เรื่อง  การกำหนดปริมาณสารและปฏิกิริยาเคมี

มวลอะตอม

                อะตอม  เป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากและมีมวลน้อยมาก  จึงไม่สามารถหามวลของสารจากการชั่งโดยตรงได้  มวลอะตอมไม่ใช่มวลที่จริงของธาตุนั้น 1 อะตอมกับมวลของธาตุอื่น  แต่เป็นค่าเปรียบเทียบ  โดยมีวิธีเปรียบเทียบดังนี้

มวลอะตอมขนาดธาตุ X = มวลของธาตุ X 1  อะตอม                                                  มวลของธาตุ H 1 อะตอม

                                                        

ต่อมาใช้ C-12  เป็นธาตุมาตรฐานในการเปรียบเทียบ  เนื่องจากสะดวกกว่า  โดยที่  C-12  หมายถึง C ที่มีมวลอะตอม = 12

                เราทราบว่า  C    1    อะตอม  มีมวล     12    amu

                ดังนั้น          C    อะตอม   มีมวล      12   amu  หรือ  1    amu

 

มวลอะตอมของธาตุ X = มวลของธาตุ X 1  อะตอม                                            มวลของ C-12   1 อะตอม

                                             

มวลโมเลกุล

                การหามวลโมเลกุลใช้วิธีเปรียบเทียบเช่นเดียวกับการหามวลอะตอม  ดังนี้

 

มวลโมเลกุลของธาตุ X = มวลของธาตุ X 1  อะตอม                                            มวลของ C-12   1 อะตอม

                                                         

                เราสามารถหามวลโมเลกุลของสารได้จาก  ความสัมพันธ์ต่อไปนี้

 

มวลโมเลกุล = ผลรวมของมวลอะตอมทุกอะตอมในโมเลกุล

                ตัวอย่างการคิดมวลโมเลกุลของสาร  เช่น

                H₂ SO₄    =   (1 2) + 32 + (16 4)   =  98

                Ca₃ (PO₄)₂   =   (40 3) + 2 { 31+ (16 4)}   =  310

 

โมลและปริมาณต่อโมลของสาร

           โมล (Mole)  เป็นหน่วยบอกปริมาณสารในวิชาเคมี  ซึ่งจำนวนโมลของสารสามารถ  แสดงถึงความสัมพันธ์กับปริมาณในหน่วยอื่นๆ  ได้ใน  3  ลักษณะ  ดังนี้

1. 1.              ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับจำนวนอนุภาคของสาร
2. 2.             ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับมวลของสาร
3. 3.             ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับปริมาตรของก๊าซ

 

1. 1.              ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับจำนวนอนุภาคของสาร

นักเคมีได้มีการกำหนดปริมาณของสาร 1 โมล โดยกำหนดเป็นจำนวนอนุภาคของสารดังนี้

 

สารใดๆ  1 โมล  จะมีจำนวนอนุภาค  =  6.02 1023  อนุภาค

 

จำนวนอนุภาค  หมายถึง

-อะตอม  ธาตุที่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยว  เช่น  Fe , Cu , Zn , C   เป็นต้น

-โมเลกุล  สารในรูปสารประกอบ หรือ ก๊าซ เช่น CCl₄ , H₂O , H₂ , Cl₂    เป็นต้น

-ไอออน  อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า  เช่น  Na⁺ , Cl^- , SO   เป็นต้น

เมื่อเราทราบว่าปริมาณ  6.02 10²³  อนุภาค  เท่ากับสาร 1 โมล  ถ้ามีสารอยู่ N อนุภาค จะคิด

คำนวณโมลของสารได้จาก

จำนวนโมล  =  N                           NA

เมื่อ  N  แทนจำนวนอนุภาคของสาร

       N_A  แทนจำนวนอนุภาคของสารต่อ 1 โมล  คือ 6.02 10²³

1. 2.              ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับมวลของสาร

สารเคมีจำนวน  1 โมล  มีจำนวนอนุภาคเท่ากัน  แต่มีมวลของสารเหล่านั้นไม่เท่ากัน  ดังนั้น  จึงมีการกำหนดปริมาณสาร

 1 โมล  ในรูปของสารดังนี้

 

สารใดๆ 1 โมล  จะมีมวลเท่ากับค่ามวลอะตอมหรือมวลโมเลกุลของสารนั้นในหน่วยเป็นกรัม

 

เมื่อทราบมวลของสารใดว่าหนักกี่กรัมย่อมสามารถคิดหาจำนวนโมลของสารนั้นได้จาก

                                               

จำนวนโมล  =  m                           M

 

เมื่อ  m    แทนจำนวนมวลของสาร  ในหน่วยกรัม

                      M    แทนมวลของสารต่อหนึ่งโมล  ซึ่งเท่ากับมวลอะตอมหรือมวลโมเลกุลของสารนั้นนั่นเอง

1. 3.              ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับปริมาตรของก๊าซ

จากการศึกษาเกี่ยวกับก๊าซชนิดต่างๆ นักเคมีพบว่า

 

ก๊าซใดๆ 1 โมล  จะมีปริมาตร  22.4 dm3  ที่อุณหภูมิ 0 ˚C  ความดัน 1  บรรยากาศ

 

เรียกสภาวะนี้ว่า  อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (Standard   Temperature  and   Pressure  หรือ  STP)  เมื่อเราทราบปริมาตรของก๊าซเราสามารถหาจำนวนโมลของก๊าซนั้นได้จากคามสัมพันธ์ดังนี้

                                               

จำนวนโมล  =  V(ที่ STP)                       22.4

สูตรเคมี

                สูตรเคมี  คือ  สัญลักษณ์ที่เขียนแทนโมเลกุลของสารโดยเขียนสัญลักษณ์ของธาตุ และจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของโมเลกุลไว้ด้วยกัน   สูตรเคมี  แบ่งได้เป็น  3  ประเภท

1. 1.             สูตรโมเลกุล  เป็นสูตรที่แสดงจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของสารที่มีอยู่ใน 1

โมเลกุล  เช่น  CCl₄  แสดงว่า  1  โมเลกุล  ประกอบด้วย  C  1  อะตอม  และ Cl  4  อะตอม

1. 2.             สูตรอย่างง่าย  เป็นสูตรที่แสดงอัตราส่วนอย่างต่ำระหว่างจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็น

องค์ประกอบ  ส่วนใหญ่ใช้เขียนแสดงสูตรของสารประกอบไอออนิก  ซึ่งไม่มีสูตรโมเลกุลที่แน่นอน  เช่น  NaCl    MgCl₂      AlCl₃   ฯลฯ

1. 3.             สูตรโครงสร้าง  เป็นสูตรที่แสดงว่าใน 1

โมเลกุลของสาร ประกอบด้วยธาตุใดบ้างอย่างละกี่

อะตอม  และมีการจัดเรียงตัวอย่างไร เช่น CO₂  มีการ

จัดเรียงอะตอม  ดังนี้  O = C = O

สมการเคมี

                สมการเคมี  เป็นสัญลักษณ์ที่เขียนขึ้นแทนปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นจากการทำปฏิกิริยาของสารตั้งต้น  แล้วเกิดเป็นสารใหม่ (ผลิตภัณฑ์)  มีหลักการเขียนดังนี้

1. 1.              เขียนสูตรเคมีของสารตั้งต้นที่เข้าทำปฏิกิริยากันไว้ทางด้านซ้ายมือ
2. 2.             เขียนสูตรเคมีของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาไว้ทางขวา  โดยใช้                 คั่นระหว่างสาร

ตั้งต้นและผลิตภัณฑ์

1. 3.             ระบุสถานะของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์  ดังนี้

 s = solid (ของแข็ง)                                                      l = liquid (ของเหลว)

 g = gas (ก๊าซ)                                                             aq = aqueous (สารละลาย)

1. 4.             ดุลสมการเคมีที่เขียนขึ้น  โดยทำให้จำนวนอะตอมของธาตุทุกชนิดในสมการเท่ากันทั้งด้านซ้าย

และด้านขวา  โดยเติมตัวเลขที่เหมาะสมลงหน้าสารในสมการแต่ละชนิด  ซึ่งตัวเลขที่ทำให้สมการดุลนั้นจะเติมลงข้างหน้าสูตรของสารแต่ละชนิด  ตัวเลขนี้จะหมายถึงอัตราส่วนของจำนวนโมลของสารที่ทำปฏิกิริยาพอดีกัน  ซึ่งจะได้จากข้อมูลจากการทดลองหาอัตราส่วนโดยโมลของสารแต่ละชุดที่เข้าทำปฏิกิริยาพอดีกัน  โดยใช้กระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า  การไทเทรต(Titration) 

การดุลสมการเคมี

                การเขียนสมการเคมีที่ถูกต้อง  จะต้องทำสมการเคมีให้สมดุล  โดยการทำให้จำนวนอะตอมของธาตุแต่ละชนิดทางด้านซ้ายของสมการเท่ากับด้านขวา  โดยเติมตัวเลขที่เหมาะสมลงไปข้างหน้าสูตรของสารเคมีแต่ละชนิด

การเกิดปฏิกิริยาเคมี

                การเกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นการเปลี่ยนแปลงของสาร  จากสารเดิมไปเป็นสารใหม่  ลักษณะการเกิดปฏิกิริยาอาจจำแนกเป็นระบบต่างๆได้ดังนี้

1. 1.              จำแนกตามการเปลี่ยนแปลงมวลสาร

1.1        ในการเกิดปฏิกิริยาใดๆ  ถ้ามวลของสารก่อนการเกิดปฏิกิริยาเท่ากับมวลของสารที่ได

จากปฏิกิริยา  จะเรียกว่าเป็น  “ระบบปิด”

1.2        ในการเกิดปฏิกิริยาใดๆ  ถ้ามวลของสารก่อนการเกิดปฏิกิริยาไม่เท่ากับมวลของสาร

หลังการเกิดปฏิกิริยา  จะเรียกว่าเป็น “ระบบเปิด”

1. 2.              จำแนกตามการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

2.1        ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเทความร้อนจากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อม  เรียกว่า  “ปฏิกิริยาคายความร้อน”  เช่น  การเผาไหม้ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนกับออกซิเจน

1.1        ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเทพลังงานจากสิ่งแวดล้อมภายนอกเข้าสู่ระบบ  เรียกว่า  “ปฏิกิริยา

ดูดความร้อน” ฏิกิริยาที่พบในชีวิตประจำวันมีหลายชนิด  มีลักษณะแตกต่างกัน  ดังนี้

1. 1.             ปฏิกิริยาการรวมหรือการสังเคราะห์ (Combination  or  Synthesis)  เป็นปฏิกิริยาเคมีที่สาร

ตั้งต้นมากกว่า 1 ชนิด มารวมกันเป็นสารใหม่เพียงชนิดเดียว

1. 2.             ปฏิกิริยาแยกสลาย (Decomposition)  เป็นปฏิกิริยาสารตั้งต้นเพียงชนิดเดียว  สลายตัวเป็น

สารใหม่ได้มากกว่า 1 ชนิด

1. 3.             ปฏิกิริยาการตกตะกอน (Precipitation)  เป็นปฏิกิริยาที่เกิดจากสารละลาย 2 ชนิด มาผสม

กัน แล้วทำให้เกิดสารใหม่ที่ไม่ละลายน้ำ(ตกตะกอน)

1. 4.             ปฏิกิริยาการเผาไหม้ (Combustion)  เป็นการเกิดปฏิกิริยาชนิดใดชนิดหนึ่งกับออกซิเจนใน

อากาศ  แล้วให้ความร้อนและแสงสว่างออกมา

1. 5.             ปฏิกิริยาการแทนที่ (Substitution)  เป็นปฏิกิริยาที่สารตั้งต้น 2 ชนิดทำปฏิกิริยากัน  โดย

อะตอมของธาตุในสารใดสารหนึ่งไปแทนที่บางอะตอมในสารอีกชนิดหนึ่งออกมา

 

สารละลาย

                  สารละลายไม่ใช่สารประกอบ  แต่ประกอบด้วยสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป 

1. 1.              องค์ประกอบของสารละลาย

สารละลายมีส่วนประกอบ 2 ส่วน  ดังนี้

1. 1.             ตัวทำละลาย
2. 2.             ตัวถูกละลาย

ตัวอย่างเช่น  น้ำเชื่อม  น้ำเป็นตัวทำละลายและมีน้ำตาลทรายเป็นตัวถูกละลาย  ตัวทำละลายและตัวถูกละลายมีมากกว่าหนึ่งชนิด  เช่น  น้ำอัดลม  มีน้ำเป็นตัวทำละลายและมีสารหลายชนิดเป็นตัวถูกละลาย  เช่น  ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  น้ำตาล  สี  สารมีกลิ่นหรือน้ำผลไม้

สารละลายบ่งออกเป็น 3 ชนิด  ตามสถานะของตัวทำละลาย  ได้แก่ 

1. 1.              สารละลายของแข็ง  มีตัวทำละลายเป็นของแข็ง  ส่วนตัวถูกละลายอาจอยู่ในสถานะของแข็ง

ของเหลว  หรือก๊าซก็ได้  เช่น  นาก  ไฮโดรเจนในแพลทินัม  โลหะเงินอุดฟัน เป็นต้น

1. 2.              สารละลายของเหลว  มีตัวทำละลายเป็นของเหลว  ส่วนตัวถูกละลายอาจอยู่ในสถานะของแข็ง 

ของเหลว  หรือก๊าซก็ได้  เช่น  สารละลายเอทานอล  น้ำปัสสาวะ  น้ำโสดา  เป็นต้น

1. 3.              สารละลายก๊าซ  มีตัวทำละลายเป็นสถานะก๊าซ  ส่วนตัวถูกละลายอาจอยู่ในสถานะของแข็ง 

ของเหลว  หรือก๊าซก็ได้  เช่น  อากาศ  ก๊าซหุงต้ม  เป็นต้น

                หลักในการพิจารณาตัวทำละลายและตัวถูกละลาย

1. 1.              ถ้าสารที่มารวมกันเป็นสารละลายมีสถานะต่างกัน  ตัวทำละลายจะมีสถานะเหมือนกับ

สารละลาย  เช่น  น้ำโซดา 

1. 2.              ถ้าสารที่มารวมตัวกันเป็นสารละลายมีสถานะเหมือนกัน  สารที่มีปริมาณมากจะเป็นตัวทำ

ละลาย  ส่วนสารที่มีปริมาณน้อยกว่าเป็นตัวถูกละลาย  เช่น  น้ำส้มสายชู

                โดยปกติการเตรียมสารละลาย  มักใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย  เพราะหาได้ง่ายและราคาถูกรวมทั้งมีสมบัติคงที่  สารละลายที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย  เรียกว่า  Aqueous  Solution

2. ชนิดของสารละลาย 

สามารถแบ่งสารละลาย  ออกเป็น 3 พวก  คือ

                2.1  สารละลายเจือจาง (Dilute  Solution)  หมายถึง สารละลายที่มีปริมาณตัวถูกละลายอยู่น้อย

                2.2  สารละลายเข้มข้น (Concentrated  Solution)  หมายถึง  สารละลายที่มีปริมาณตัวถูกละลายอยู่มาก

                2.3  สารละลายอิ่มตัว (Saturated  Solution)  หมายถึง  สารละลายที่มีตัวถูกละลายละลายอยู่เต็มที่แล้วแม้จะใส่ตัวถูกละลายลงไปอีก  ก็ไม่สามารถละลายในตัวทำละลายได้ต่อไป ณ อุณหภูมิหนึ่ง

                ปรากฏการณ์ที่สารละลายมีตัวถูกละลายละลายอยู่มากกว่า  ความสามารถในการละลายปกติที่อุณหภูมิหนึ่งๆ เราเรียกสารละลายนี้ว่า  สารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด (Supersaturated  Solution)  การเติมผลึกของตัวถูกละลายลงในสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด  จะช่วยชักนำให้ตัวถูกละลายตกผลึก  แยกออกจากสารละลาย

1. 3.              สิ่งที่มีผลต่อสารละลาย 

สิ่งที่มีผลต่อสารละลาย  ที่สำคัญมีดังนี้

3.1        ธรรมชาติของตัวถูกละลายและตัวทำละลาย  ทั้งตัวถูกละลายและตัวทำละลายต่างมี

อิทธิพลต่อสารละลาย 

                     3.2  อุณหภูมิ  โดยปกติเมื่อเราต้องการให้สารชนิดหนึ่งชนิดใดละลายในตัวทำละลายมากขึ้น  เราใช้ความร้อนช่วย ทำให้สารละลายได้เพิ่มขึ้น แต่มีของแข็งบางชนิด เมื่อเพิ่มอุณหภูมิแล้วสารกลับละลายได้น้อยลง

                      3.3  ความดัน  เป็นองค์ประกอบของสารละลาย  ซึ่งส่วนใหญ่มีอิทธิพลต่อก๊าซ  เพราะความสามารถในการละลายของก๊าซจะเพิ่มขึ้น  เมื่อเพิ่มความดัน เช่น การทำโซดาและน้ำอัดลมต่างๆ

แต่ความดันที่เปลี่ยนแปลงไม่ค่อยมีผลต่อของเหลว หรือของแข็ง

1. 4.              ความเข้มข้นของสารละลาย  

ความเข้มข้นของสารละลาย  เป็นค่าที่บอกให้ทราบว่า  ในสารละลายหนึ่งๆมีปริมาณของตัวถูก

ละลายเป็นปริมาณมากน้อยเพียงใด  การบอกความเข้มข้นของสารละลายทำได้หลายวิธี

4.1        เป็นค่าร้อยละ  ซึ่งจำแนกได้เป็น

1)            ร้อยละโดยมวล  เป็นหน่วยที่บอกมวลของตัวถูกละลายที่มีอยู่ในสารละลาย 100 หน่วย

มวลเดียวกัน  เช่น สารละลาย NaCl 15% โดยมวล  หมายถึง  ในสารละลาย NaCl 100 กรัม มี NaCl ละลายอยู่ 15 กรัม

 

ร้อยละโดยมวล = มวลตัวถูกละลาย     100                              มวลสารละลาย

                    

2)            ร้อยละโดยปริมาตร  เป็นหน่วยที่บอกปริมาตรของตัวถูกละลายที่มีอยู่ในสารละลาย 100

หน่วยปริมาตรเดียวกัน เช่น สารละลาย CH₃COOH 3% โดยปริมาตร หมายความว่า ในสารละลาย 100 ลูกบาศก์เซนติเมตร มี CH₃COOH ละลายอยู่ 3 ลูกบาศก์เซนติเมตร

                                 

ร้อยละโดยปริมาตร =ปริมาตรตัวถูกละลาย     100                                ปริมาตรของสารละลาย

 

3) ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร     เป็นหน่วยที่บอกถึงมวลของตัวถูกละลายที่ละลายใน

สารละลาย 100 หน่วยปริมาตร  ซึ่งคิดได้จาก

                               

ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร = มวลของตัวถูกละลาย     100                                          ปริมาตรของสารละลาย

 

4.2 โมลาริตีหรือโมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร (Mlarity  or  mol/dm³ )  หรือโมลาร์ใช้

สัญลักษณ์ M

                    โมลาริตีของสารละลาย  บอกให้ทราบถึงจำนวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย 1 dm³  ให้หน่วยเป็น mol/dm³  หรือโมลาร์  หน่วยนี้บอกให้ทราบว่า  ในสารละลาย 1 dm³  มีตัวถูกละลายอยู่กี่โมล เช่น สารละลาย NaCl 0.1 mol/dm³  (0.1 M) หมายความว่าในสารละลาย 1 dm³ มี NaCl ละลายอยู่ 0.1 mol  ค่าความเข้มข้นในหน่วยนี้นิยมนำไปใช้ในการคำนวณหาปริมาตรสารในปฏิกิริยาเคมี

                                       

mol/dm3  = จำนวนโมลของตัวถูกละลาย     100                          ปริมาตรของสารละลาย 1 dm3

 

                

 

 4.3  โมแลลิตีหรือโมลต่อกิโลกรัม (Mlarity  or  mol/kg)  หรือโมแลล ใช้สัญลักษณ์ m

                          โมแลล  บอกให้ทราบว่าในตัวทำละลาย 1 kg มีตัวถูกละลาย ละลายอยู่กี่โมล เช่น สารละลายกลูโคสในน้ำเข้มข้น 0.5 โมแลล หมายความว่าในน้ำ 1 kg จะมีกลูโคสละลายอยู่ 0.5 โมล

                                                                                                                                                                                               

                       

โมแลล (m)  = จำนวนโมลของตัวถูกละลาย     100                           มวลของตัวทำละลาย 1 กิโลกรัม

 

                  4.4  เศษส่วนโมล (Mole  Fraction)  ใช้สัญลักษณ์ X

                        เป็นหน่วยที่แสดงสัดส่วนโดยจำนวนโมลของสารที่เป็นองค์ประกอบในสารละลายต่อจำนวนโมลรวมของสารทุกชนิดในสารละลาย  เช่น  สารละลายชนิดหนึ่งประกอบด้วยสาร A,B และ C จะเขียนเศษส่วนโมลของสาร A,B และ C ได้ดังนี้

 

เศษส่วนโมลของ A ; XA =                           จำนวนโมลของ A                                                                                                                จำนวนโมลของ A + จำนวนโมลของ B + จำนวนโมลของ C               เศษส่วนโมลของ B ; XB =                           จำนวนโมลของ B                                                                                                                 จำนวนโมลของ A + จำนวนโมลของ B + จำนวนโมลของ C                                                                                                                                                                                                                                เศษส่วนโมลของ C ; XC =                           จำนวนโมลของ C                                                                                                                จำนวนโมลของ A + จำนวนโมลของ B + จำนวนโมลของ C