chap 2 stoichiometry
TRANSCRIPT
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