ปริมาณสัมพันธ์...
TRANSCRIPT
ปรมาณสมพนธ (ตอ)
(Stoichiometry)
1
2
ปรมาณสมพนธ
“ความสมพนธระหวางมวลหรอน าหนกของธาตตาง ๆ จากสารประกอบในปฏกรยาเคม ปรมาณสารสมพนธมประโยชนในแงของการคาดคะเนปรมาณของสารทตองใชเปนสารตงตนเพอใหเกดผลตภณฑทตองการ”
นยามเพมเตมตาง ๆ ทควรรในเรองปรมาณสมพนธ
1.การดลสมการ
“การน าตวเลขทเหมาะสมมาเตมหนาสญลกษณหรอสตรของสารทอยในสมการเคม ทงนเพอท าใหจ านวนอะตอมแตละธาตในสารตงตนและผลตภณฑมคาเทากน”
Fe(s)+O2(g)→ Fe2O3 (s)
4Fe(s)+3O2(g)→ 2Fe2O3 (s)
ดลสมการ
สงทชวยยนยนวาสมการทดลแลวสมการใดถกตอง ใหพจารณาจากผลการทดลองและศกษาจากปฏกรยาเคมทเกดขนไดจรงๆ
3
แบบฝกหด1 จงดลสมการตอไปน
4
8.
9.
10.
11.
12. จากสมการตอไปน 2CxHy(g) + 13O2(g) → 8CO2(g) + 10H2O(g) คา x+yเปนเทาใด
13. สารประกอบของยเรยท าปฏกรยากบแกสออกซเจนไดดงสมการa(NH2)2CO(aq) + bO2(g) → xCO2(g) + yN2(g) + zH2O(l) ถา a, b, x, y, z เปนเลขจ านวนเตม (x+y+z)-(a+b) มคาเทาใด
5
6
2. ขอบเขตของการศกษา
การศกษาการเปลยนแปลงของสารในปฏกรยาเคมใดๆ จะตองมการก าหนดขอบเขตของการศกษาดงน
2.1 ระบบ หมายถง สวนทอยภายในขอบเขตของการศกษาซงจะพจารณารวมทงกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลง การก าหนดระบบขนอยกบจดมงหมายของการศกษา
2.2 สงแวดลอม หมายถง สงทอยนอกขอบเขตของการศกษา เชน ภาชนะ, เครองมอวด
2.3 ภาวะของระบบ หมายถง สมบตของสารและปจจยทมผลตอสมบตของระบบ
ตวอยาง การท าน าใหเปนน าแขง
ระบบกอนการเปลยนแปลงคอน า
ระบบหลงการเปลยนแปลงคอน าแขง
สงแวดลอมกคอภาชนะ ภาวะของระบบ เชน มวล อณหภม ปรมาตร ความดน
7
ระบบแบงได 3 ประเภท ดงน
1. ระบบปด (Close System) ระบบทไมมการถายเทมวลสารกบสงแวดลอม ซงมวลของสารกอนการเปลยนแปลง และหลงการเปลยนแปลงคงท แตพลงงานของสารกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลงไมคงท เชนการสลายตวของโพแทสเซยมคลอเรตในภาชนะปด
2. ระบบเปด (Open System) ระบบทมการถายเทมวลของสารระหวางระบบกบสงแวดลอม ซงมวลและพลงงานของสารกอนการเปลยนแปลงและหลงการเปลยนแปลงมคาไมคงท เชนการเผาไหมของแกสมเทนในอากาศ
3. ระบบแยกตวหรอระบบอสระ (Isolated System) เปนระบบทไมมการเปลยนทงมวลและพลงงานกบสงแวดลอม เชน น ารอนในกระตกน ารอน
s
8
จากการทดลองเผาแคลเซยมคารบอเนตในบกเกอรเปนระบบแบบใด และจะท าใหการทดลองนเปลยนเปนระบบอน ๆ ไดอยางไร?
9
สรปสาระส าคญของระบบตาง ๆ
1. ระบบเปดหรอระบบปดใหพจารณามวลของสารกอนและหลงการเกดปฏกรยาเปนหลก สวนพลงงานยงคงมการถายเทระหวางระบบกบสงแวดลอม
2. ระบบของปฏกรยาเคม ชนดทเกดแกสเปนผลตภณฑ ถาปดภาชนะจะเปนระบบปด แตถาเปดภาชนะแกสทเกดขนลอยออกไปท าใหมวลของหลงปฏกรยาลดลงเปนระบบเปด
3. ระบบของปฏกรยาเคม ชนดทไมเกดแกสเปนผลตภณฑจะเปนระบบปดเสมอไมวาจะเปดหรอปดภาชนะกตาม
4. ในระบบเปดหลงการเปลยนแปลงไมจ าเปนทมวลตองลดลงบางปฏกรยามวลสามารถเพมขนไดเชน
Ca(OH)2(aq)+CO2(g) → CaCO3(s)+ H2O(l)
10
3. กฏทรงมวล
อองตวน โลรอง ลาววซเอ ไดตงกฎทรงมวล Law of conservation of mass ซงสรปไดวา“มวลของสารทงหมดกอนท าปฏกรยายอมเทากบมวลของสารทงหมดหลงท าปฏกรยา”
ขอยกเวนของกฏทรงมวล
กฎนจะใชไดกบปฏกรยาเคมในระบบปดเทานน ใชไมไดกบปฏกรยาเคมนวเคลยร…?
ตวอยาง 1 เมอผานแกสไฮโดรเจน 0.25 กรม ไปยงเหลกออกไซดทเผาจนรอนจด ปรากฏกวาเหลกออกไซด 7.25 กรม เปลยนเปนเหลก 5.25 กรม และเกดน า 2.25 กรม จากการทดลองนเปนไปตามกฏกทรงมวลหรอไม
11
ตวอยาง 2 สาร A 3 กรมท าปฏกรยาพอดกบสาร B 8 กรมไดสาร C 11 กรมถาน าสาร A 10
กรมมาท าปฏกรยาพอดกบสาร B จะไดสาร C มวลเทาใด
12
ตวอยาง 3 ปฏกรยาเผาไหมมเทน 40 กรมอยางสมบรณใหคารบอนไดออกไซดกกรม (H=1,
C=12, O=16)
13
4.กฎสดสวนคงท
โจเซฟ เพราสต ไดตงกฎสดสวนคงท Law of constant proportion ซงสรปไดวา “ในสารประกอบหนง ๆ ธาตตาง ๆ ทเปนองคประกอบรวมตวกนดวยอตราสวนโดยมวล (น าหนก) ทคงทเสมอ” โดยไมค านงถงวาสารประกอบนนจะมก าเนดหรอเตรยมไดโดยวธใด
ตวอยาง การเตรยมแกสคารบอนไดออกไซด อาจท าไดหลายวธดงน
CaCO3(s) → CaO(s)+ CO2(g)
CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(s)+ H2O(l)+ CO2(g)
ไมวาจะเตรยมโดยวธใด อตราสวนโดยมวลของ C : O ใน CO2 คอ 3 : 8 เสมอ
C + O2(s) → CO2(g)
ตวอยาง 4 Fe2O3 มอตราสวนมวลเหลกตอออกซเจนเปนเทาใด (Fe = 56, O = 16)
14
ตวอยาง 5 สารประกอบสองชนดประกอบดวยคารบอน ไฮโดรเจนและออกซเจน ดวยอตราสวนมวล3:1:4 และ 6:1:8 สตรโมเลกลอยางงายทเปนไปไดของสารประกอบของทงสองชนดนคออะไร
15
ตวอยาง 6 สารประกอบชนดหนงประกอบดวยก ามะถน รอยละ40 โดยมวล สวนทเหลอเปนออกซเจน ดงนนถาใหก ามะถนและออกซเจนอยางละ3.0 กรม ท าปฏกรยากนจะไดสารประกอบมากทสดเทาใด
16
ธาตX เกดสารประกอบคลอไรดไดสองชนด ซงเมอน าสารประกอบแตละชนด 1.0 g มาหาปรมาณธาตพบคลอรน 0.56 g และ 0.66 g สตรโมเลกลทเปนไปไดของสารประกอบทงสองชนด
17
5.สารก าหนดปรมาณ (Limiting Reagent)
“สารตงตนทท าปฏกรยาหมดกอนและเปนตวก าหนดปรมาณผลตภณฑทเกดขน” หรอกลาววาปฏกรยาทเกดขนจะสนสดลงเมอสารใดสารหนงหมด สารทหมดกอนจะเปนสารทใชก าหนดปรมาณของผลตภณฑทกดขน เรยกวา สารก าหนดปรมาณ
เทคนคการค านวณ
โจทยบอกขอมลของสารตงตนทสามารถหาโมลไดมาใหมากกวาหนงชนด แตไมบอกขอมลเกยวกบผลตภณฑ ในการค านวณตองพจารณาวาสารใดถกใชหมด แลวจงใชสารนนเปนหลกในการค านวณสงทตองการจากสมการเคม
สงส ำคญทจะตองทรำบคอสมกำรปฏกรยำเคมทเกดขนวำสำรตงตนมอะไรบำงและไดผลตภณฑเปนอะไรบำง ซงตองเปนสมกำรเคมทดลแลวจงจะน ำมำชค ำนวณได
18
ตวอยาง 7 ในการทดลองครงทหนงใหปรอท 1.00 กรมท าปฏกรยากบก ามะถนมากเกนพอ เกดผลตภณฑเพยงชนดเดยวคอ ซลไฟดของปรอทหนก 1.16 กรม และในการทดลองครงทสองใหปรอท 1.5 กรมท าปฏกรยากบก ามะถน 1.00 กรม
1. จงหาจงหามวลของผลตภณฑจากการทดลองครงทสอง2. จงหามวลของสารตงตนทเหลอจากการทดลองครงทสอง
19
ตวอยาง 8 ถาน าแกสไฮโดรเจน 25.0 กรม มาท าปฏกรยากบแกสไนโตรเจน 35.0 กรม จะเหลอสารใดกกรม ก าหนดให
3H2(g) + N2(g)→ 2NH3(g)
20
ตวอยาง 9 ผานแกสออกซเจน และแกสคลอรนลงในสารละลายผสมของ KOH และ MnO2
เกดปฏกรยาดงตอไปน4KOH(aq) +2MnO2(s) + O2(g) + Cl2(g)→ 2KMnO4(g) + 2H2O(l)+ 2KCl(aq)
ถาสารตงตนมอยางละ 5.0 โมล ท าปฏกรยาเกดน ากโมเลกล
21
6. สตรเอมพรคล (Empirical Formula)
“สตรทแสดงอตราสวนอยางต าของธาตองคประกอบ” เรยกอกอยางวาสตรอยางงาย
เชน ไฮโดรเจนเปอรออกไซดมสตรโมเลกลเปน H2O2 อตราสวนอยางต าของจ านวนอะตอม H : O
เทากบ 1 : 1 สตรเอมพรคลจงเปน HO
กลโคสมสตรโมเลกลเปน C6H12O6 อตราสวนอยางต าของจ านวนอะตอม C : H : O เทากบ 1 : 2 : 1 สตรเอมพรคลจงเปน CH2O
เทคนคการหาสตรเอมพรคล
1.ตองทราบวาสารทจะหาสตรเอมพรคลประกอบดวยธาตใดบาง
2.ตองทราบมวลอะตอมของแตละธาตในสารทจะหาสตรเอมพรคล
3.ตองทราบมวลของแตละธาตในสารทจะหาสตร
22
7. สตรโมเลกล (Molecular Formula)
“เปนการเขยนสตรแสดงองคประกอบของธาตตาง ๆ ตามทเปนจรง ” อาจกลาววาสตรโมเลกลเปนสตรทแสดงจ านวนอะตอมของธาตองคประกอบทมอยใน 1 โมเลกลของสาร
เชน ไฮโดรเจนมสตรโมเลกลเปน H2 แสดงวา 1 โมเลกลประกอบดวยไฮโดรเจน 2 อะตอม ไฮโดรเจนเปอรออกไซดมสตรโมเลกลเปน H2O2 แสดงวา 1 โมเลกลประกอบดวยไฮโดรเจนและออกซเจนธาตละ 2 อะตอม
เทคนคการหาสตรโมเลกลของสาร
1.ตองทราบสตรเอมพรคล
2.ตองทราบมวลโมเลกลโดยโจทยก าหนดมาใหทางตรงหรอทางออมกได
3.น าขอมลทไดจากขอ 1, 2 หาคา n โดยใชสตร
(มวลของสตรเอมพรคล) x n = มวลโมเลกล
23
ตวอยาง 10 กรดอนทรย ประกอบดวยธาต C H และ O ถากรดอนทรยนหนก 0.236 กรม ถกเผาไหมอยางสมบรณกบ O2 เกดแกส CO2 0.421 กรม และ H2O 0.172 กรม จงหาสตรเอมพรคลของกรดอนทรยนก าหนดมวลอะตอมของ H=1, C=12, O=16
ตวอยาง 11 ไทเทเนยม (IV) ออกไซด TiO2 เผาในบรรยากาศ H2(g) เกดน าและออกไซดของไทเทเนยมชนดใหม TixOy ถาเผา TiO2 1.598 กรม เกด TixOy 1.438 กรม จงหาสตรเอมพรคลของไทเทเนยมชนดใหมน (มวลอะตอมของ O=16, Ti=47.9)
24
ตวอยาง 11 ไทเทเนยม (IV) ออกไซด TiO2 เผาในบรรยากาศ H2(g) เกดน าและออกไซดของไทเทเนยมชนดใหม TixOy ถาเผา TiO2 1.598 กรม เกด TixOy 1.438 กรม จงหาสตรเอมพรคลของไทเทเนยมชนดใหมน (มวลอะตอมของ O=16, Ti=47.9)
25
ตวอยาง 12 สารอนทรยชนดหนงหนก 3.10 กรม เผาไหมกบแกส O2 เกดแกส CO2 4.4 กรมและไอน า 2.7 กรมถาน าสารนมาท าเปนไอพบวามปรมาตร 11.2 dm3 STP หนก 31.05 กรม จงหาสตรโมเลกลของสารละลายอนทรยน (มวลอะตอม H=1, C=12, O=16)
26
ตวอยาง 13 สารชนดหนงประกอบดวย C 42.4%, H 2.4%, N 16.6%, O 38.6% โดยมวล เตมสารน 6.45 กรม ลงในเบนซน C6H6 (ความหนาแนน 0.879 กรม/มลลลตร) ปรมาตร 50 มลลลตร ไดสารละลายโดยท าใหจดเยอกแขงลดลง 4.16 oC จงค านวณหาสตรโมเลกลของสารประกอบน Kf ของเบนซน = 5.12 oC/m (มวลอะตอมของ H=1, C=12, O=16)
27
8. ปรมาณสมพนธของแกส
นกวทยาศาสตรชาวอตาลชอ อาเมเดโอ อาโวกาโดร ไดศกษาความสมพนธระหวางปรมาตรกบปรมาณของแกส โดยเขาไดเสนอสมมตฐานไวในป ค.ศ. 1811 วา “ทอณหภมและความดนเดยวกน แกสตางชนดกนทมปรมาตรเทากนจะมจ านวนโมเลกลเทากน”
8.1 กฎอาโวกาโดร
28
“เพอเปนเกยรตแกอาโวการโดร ตวเลข 1 โมลซงเทากบ 6.02 x 1023 อนภาค จงเรยกวา เลขอาโวกาโดร (Avogadro Number)”
29
ในป ค.ศ. 1808 โชเซฟ ลย เกย ลสแซก ไดท าการศกษาและคนพบวา “อตราสวนระหวางปรมาตรของกาสทเกดขนซงวดทอณหภมและความดนเดยวกนจะเปนตวเลขจ านวนเตมลงตวนอย ๆ”
8.2 กฎเกยลสแซก
อตราสวนโดยปรมาตรของแกสตาง ๆ ในปฏกรยาทภาวะเดยวกนจะเทากบอตราสวนโดยโมลของแกสตาง ๆ ในปฏกรยาเดยวกน และจะไมสามารถระบไดวาปรมาตรของแกสกอนท าปฏกรยาเทากบปรมาตรของแกสหลงท าปฏกรยา
30
ตวอยาง 14 แกสออกซเจน 6.4 กรม มปรมาตรเทาใด ท STP(O =16)
ตวอยาง 15 แกสโอโซน 4.48 dm3 ท STP มจ านวนโมลเทาใด
31
ตวอยาง 16 จากปฏกรยาของคารบอนกบแกสออกซเจน 11.2 dm3 ท STP สามารถท า ใหเกดคารบอนไดออกไซดมวลสงสดเทาใด (C =12, O =16)
ตวอยาง 17 ทอณหภมและความดนคงทแกส A 5.4 cm3 ท าปฏกรยากบแกส B 13.5 cm3
ไดแกส C 9.0 cm3 และ เหลอแกส A อย 0.9 cm3 ถาตองการแกส C 240 cm3 จะตองใชแกส Aและแกส B เทาใดจงจะท าปฏกรยากนพอด
32
ตวอยาง 18 ภายใตอณหภมและความดนเดยวกนภาชนะชนดหนงบรรจแกสมเทนปรมาตร 20 dm3
จ านวน 6 โมล ถาน าภาชนะเดยวกนมาบรรจแกสคารบอนไดออกไซดได 30 dm3 จงหาจ านวนโมลของแกสคารบอนไดออกไซดน
ตวอยาง 19 จากปฏกรยาท STP ของ 2X2Y3(g) + 5Z2(g)→ 3Z3Y2(g) + ZX4(g)
ถาใช X2Y3 30 cm3 ท าปฏกรยากบ Z2 100 cm3 จะเกดผลตภณฑก cm3
33
9. การค านวณอน ๆ ทเกยวของกบปรมาณสารพนธ
สมการเคมหลายสมการอาจมความเกยวของกน เชน การผลตโลหะสงกะสจากปฏกรยาระหวางซงคออกไซดกบคารบอนมอนอกไซดทอณหภมสง ซงคารบอนมอนอกไซดไดจากปฏกรยาการเผาไหมคารบอน ปฏกรยาทเกดขนเขยนสมการไดดงน
9.1 การค านวณจากสมการเคมทเกยวของมากกวา 1 สมการ
2C(s) + O2(g)→ 2CO(g)
ZnO(s) + CO(g)→ Zn(s) + CO2(g)
จากความสมพนธของทงสองสมการถาทราบปรมาณของสารใดสารหนงในสมการหนง จะสามารถหาปรมาณของสารในอกสมการได
34
ตวอยาง 20 จงค านวณหามวลของแกสคลอรน ทตองใชในการเกดคารบอนเตตระคลอไรด 5.00 กโลกรม จากการเปลยนแปลงดงสมการ (C =12, Cl =35.5)
CS2(l) + 3Cl2(g)→ S2Cl2(l) + CCl4(l)
8S2Cl2(l) + 4CS2(l) → 3S8(s) + 4CCl4(l)
35
ส าหรบปฏกรยาทเปนแกสทงสารตงตนและผลตภณฑ สามารถใชสมประสทธของแกสตาง ๆ ในสมการมาอานเปนปรมาตรได แตระบบตองเปนทอณหภมและความดนเดยวกนเชน
9.2 ความสมพนธระหวางปรมาตรของสารในสมการเคม
N2(g) + 3H2(g)→ 2NH3(g)
1 dm3 3 dm3 2 dm3 ทอณหภมและความดนเดยวกน
เทคนคการค านวณเกยวกบสมการเคม
1.ตองทราบสมการของปฏกรยาเคมทดลแลว
2.พจารณาเฉพาะสารทโจทยถามและก าหนดให
3.น าสงทโจทยก าหนดใหมาคดค านวณหาสงทตองการจากสมการเคม โดยการเทยบบญญตไตรยางศ หรอ ใชวธการเทยบอตราสวนโมล
36
ตวอยาง 21 การผานแกสคลอรนลงในสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซดเกดปฏกรยาดงสมการ2NaOH(aq) + Cl2(g)→ NaOCl(aq) + NaCl(aq) + H2O(l)
จงหามวลของโซเดยมไฮดรอกไซดทตองใชท าปฏกรยากบแกสคลอรน 14.2 กรม (C =12, O=16,
Na=23, Cl =35.5)
37
ในการค านวณหาปรมาณของผลตภณฑจากสมการเคมนน คาทไดเรยกวา ผลไดตามทฤษฎ (Theoretical yield) แตในทางปฏบตจะไดผลตภณฑตางจากตามทฤษฎ แตจะไดมากหรอนอยขนอยกบวธการและสารเคมทใช เรยกผลทไดนวา ผลไดจรง (Actual yield) ส าหรบการรายงานผลการทดลองนน จะเปรยบเทยบคาทไดในรป ผลไดรอยละ หรอเรยกอกอยางวา percent yield ซงจะไดความสมพนธดงสมการ
9.3 ผลไดรอยละของผลตภณฑ
ผลไดรอยละ = ผลไดจรง
ผลไดตามทฤษฎ X 100
ตวอยาง 22 เมทานอลถกใชเปนเชอเพลงในรถแขงเพราะเผาไหมสมบรณ เตรยมไดจากปฏกรยาดงสมการCO(aq) + 2H2(g)→ CH3OH(l)
จงหา ผลไดรอยละ ของผลตภณฑถา แกสไฮโดรเจน 500 กรมท าปฏกรยากบคารบอนมอนอกไซดมากเกนพอแลวเกดเมทานอล 3500 กรม (C =12, O=16, H=1)
38
ตวอยาง 23 น าเบนซนจ านวน 15.6 กรมท าปฏกรยากบกรดไนตรกมากเกนพอ เกดปฏกรยาดงสมการC6H6(l) + HNO3(aq)→ C6H5NO2(l) + H2O(l)
ซงพบวาเกดไนโตรเบนซน 18 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)
ตวอยาง 24 ใชกรดบวทาโนอกจ านวน 10.0 กรมท าปฏกรยากบเอทานอล 3.14 กรม ไดปฏกรยาC4H8O2(aq) + C2H6O(aq)→ C6H12O2(aq) + H2O(l)
ซงพบวาเกดบวทาโนเอต 5.30 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)
39
ตวอยาง 24 ใชกรดบวทาโนอกจ านวน 10.0 กรมท าปฏกรยากบเอทานอล 3.14 กรม ไดปฏกรยาC4H8O2(aq) + C2H6O(aq)→ C6H12O2(aq) + H2O(l)
ซงพบวาเกดบวทาโนเอต 5.30 กรม จงหา ผลไดรอยละ (C =12, O=16, N=14, H=1)