โรงเรียนนวมินทราชินูทิศ สตรีวิทยา พุทธมณฑล

การคำนวณปริมาณสารจากสมการเคมี

การเกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ เราเขียนแสดงได้ด้วยสมการเคมี สิ่งที่แสดงอยู่ในสมการเคมีจะประกอบด้วยสารเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น ๆ รวมทั้งภาวะต่าง ๆ
ของการเกิดปฏิกิริยาด้วย สมการเคมีจะช่วยให้เราคิดคำนวณค่าต่าง ๆ ของการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น เช่น มวลหรือน้ำหนักของสารเคมีที่ถูกใช้ไป หรือที่เกิดขึ้นใหม่
รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงของพลังงานและอื่น ๆ การคำนวณหาปริมาณสารจากสมการเคมีเป็นเรื่องใหญ่และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาวิชาเคมีในขั้นตอนต่อ ๆ ไป
แต่ก่อนอื่นควรทำความเข้าใจเบื้องต้นเกี่ยวกับสิ่งต่อไปนี้ให้ดีเสียก่อน

ระบบกับสิ่งแวดล้อม (system and surrounding)

ระบบ หมายถึง สิ่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลง โดยอาจเป็นการเปลี่ยนสถานะ การละลายหรือการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็ได้

สิ่งแวดล้อม หมายถึง สิ่งที่อยู่รอบ ๆ ของสิ่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลงนั้น ซึ่งก็คือทุกสิ่งทุกอย่างที่สัมผัสอยู่กับระบบ

จากรูปเป็นการเผาไหม้ของก๊าซหุงต้ม (LPG =Liquefied Petroleum Gas) เป็นปฏิกิริยาระหว่างก๊าซหุงต้มซึ่งส่วนใหญ่คือโพรเพน (C₃H₈) กับก๊าซออกซิเจน (O₂)

- ระบบ คือ ก๊าซหุงต้มกับก๊าซออกซิเจนที่กำลังเผาไหม้หรือทำปฏิกิริยาเคมีกัน

- สิ่งแวดล้อม คือ ทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่รอบ ๆ การเผาไหม้นี้ เช่น เตาแก๊ส อากาศ ...

กล่าวได้ว่าเมื่อมีการเกิดปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ระบบก็คือสารเคมีที่กำลังเกิดปฏิกิริยากันนั้น บรรดาเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง อากาศ น้ำ และอื่น ๆ ที่อยู่โดยรอบก็คือสิ่งแวดล้อม

เมื่อพิจารณาว่าระบบกับสิ่งแวดล้อมมีความเกี่ยวข้องกันอย่างไรในทางมวลสารและพลังงาน จะจำแนกระบบออกเป็น 3 ประเภท ดังนี้

1. ระบบเปิด (open system) คือระบบที่สามารถถ่ายเทได้ทั้งมวลและพลังงานกับสิ่งแวดล้อม เช่น น้ำร้อนใส่ขวดแล้วเปิดฝาไว้ มีผลให้น้ำในขวดระเหยออกไปได้ ขณะเดียวกันไอน้ำ
จากภายนอกก็สามารถเข้ามาในขวดได้ ส่วนความร้อนนั้นถ่ายเทเข้า-ออกได้อยู่ตลอดเวลา

(คลิ้ก ชมวีดีทัศน์แสดงระบบเปิด)

2. ระบบปิด (closed system) คือระบบที่ไม่ถ่ายเทมวลกับสิ่งแวดล้อม แต่ถ่ายเทพลังงานกันได้ เช่น น้ำร้อนที่ใสขวดแล้วปิดฝาไว้ ทำให้น้ำในขวดไม่สามารถระเหยออกไปได้
ขณะเดียวกันน้ำจากภายนอกก็เข้าไปในขวดไม่ได้เช่นกัน แต่ความร้อนสามารถถ่ายเทเข้า-ออกได้ (ระบบปิดไม่จำเป็นต้องมีฝาปิดเสมอไปก็ได้)

(คลิ้ก ชมวีดีทัศน์แสดงระบบปิด)

3. ระบบอิสสระหรือระบบแยกตัว (isolated system) คือระบบที่จัดทำขึ้นเป็นพิเศษ ป้องกันไม่ให้ถ่ายเททั้งมวลและพลังงานกับสิ่งแวดล้อม เช่น น้ำร้อนที่บรรจุเอาไว้ในกระติกน้ำร้อน
กระติกน้ำร้อนอย่างดีนั้นทำด้วยแก้ว 2 ชั้น ระหว่างชั้นเป็นศูนยากาศป้องกันการพาความร้อน ฉาบด้วยเงินหรือปรอทป้องกันการแผ่รังสีความร้อน ( แคลอริมิเตอร์เป็นเครื่องมือทดลอง
ทางวิทยาศาสตร์ที่มีสมบัติเป็นระบบอิสสระ )

(คลิ้ก ชมวีดีทัศน์แสดงระบบอิสระ)

จากรูป a เป็นระบบเปิด b เป็นระบบปิด และ c และระบบอิสระ

กฎเบื้องต้นของปริมาณสารสัมพันธ์ (Rules of stoichiometry)

พ.ศ. 2317 อองตวน โลรอง ลาวัวซิเยร์ (Antoin-Laurent Lavoisier) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ทดลองเผาสารเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ (HgO) ในหลอดปิด
พบว่าสลายตัวได้ปรอทและออกซิเจน ดังสมการ 2HgO (s) → Hg (l) + O₂ (g) ผลการทดลองพบว่ามวลของสารทั้งหมดก่อนเกิดปฏิกิริยาเท่ากับมวลของสารทั้งหมดหลังเกิดปฏิกิริยา
และเขาทดลองทำหลายๆ ครั้งก็ได้ผลเช่นเดิม จึงสรุปเป็นกฎเรียกว่า กฎทรงมวล กล่าวว่า “ในปฏิกิริยาเคมีใดๆ มวลของสารทั้งหมดก่อนเกิดปฏิกิริยาเท่ากับมวล
ของสารทั้งหมดหลังเกิดปฏิกิริยา” เช่นเมื่อให้แก๊สไนโตรเจน (H₂) 28 กรัมทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน (O₂) 32 กรัม จะเกิด NO 60 กรัม

ตัวอย่าง นำโซเดียมซัลเฟต (Na₂SO₄) 142 กรัม มาทำปฏิกิริยากับแบเรียมคลอไรด์ (BaCl₂) 208 กรัม เกิดโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) 117 กรัม ถ้าการทดลองนี้เป็นไปตามกฎทรงมวล
ปฏิกิริยาดังกล่าวจะเกิดแบเรียมซัลเฟต (BaSO₄) กี่กรัม

มวลสารก่อนปฏิกิริยา = มวลสารหลังปฏิกิริยา

โซเดียมซัลเฟต (Na₂SO₄) + แบเรียมคลอไรด์ (BaCl₂) = โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) + แบเรียมซัลเฟต (BaSO₄)

142 กรัม + 208 กรัม = 117 กรัม + แบเรียมซัลเฟต (BaSO₄)

350 กรัม = 117 กรัม + แบเรียมซัลเฟต (BaSO₄)

แบเรียมซัลเฟต (BaSO₄) = 350 กรัม - 117 กรัม

2. กฎสัดส่วนคงที่ (Law of constant Proportions , law of definite proprotion)

พ.ศ. 2345 โจเซฟ เพราสต์ (Joseph Prouste) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการทดลองและศึกษาปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวกับการรวมตัวของธาตุเป็นสารประกอบ
พบว่าอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงที่ ต่อมาได้ตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎสัดส่วนคงที่ กล่าวว่า “เมื่อธาตุตั้งแต่สองชนิดขี้นไปรวมตัวกัน
เกิดเป็นสารประกอบ อัตราส่วนโดยมวลธาตุที่เป็นองค์ประกอบนั้นย่อมมีค่าคงที่เสมอไม่ว่าสารประกอบนั้นจะเตรียมขึ้นโดยวิธีใดหรือจะเตรียมกี่ครั้งก็ตาม”
เช่น เมื่อธาตุไฮโดรเจนรวมตัวกับธาตุออกซิเจนเป็นน้ำ อัตราส่วนโดยมวลของธาตุไฮโดรเจนต่อธาตุออกซิเจนเท่ากับ 1:8 เสมอ ไม่ว่าจะเตรียมน้ำโดยวิธีใดๆ หรือกี่ครั้งก็ตาม ดังตัวอย่าง

_{การทดลอง}	มวลของธาตุ ที่ใช้ (กรัม)		มวลของธาตุ ที่เหลือ (กรัม)		มวลของ H₂O ที่ได้ (กรัม)	อัตราส่วนโดยมวลระหว่าง H:O
_{การทดลอง}	H	O	H	O	มวลของ H₂O ที่ได้ (กรัม)	อัตราส่วนโดยมวลระหว่าง H:O
1	2	16	-	-	18	1:8
2	3	16	1	-	18	1:8
3	4	16	2	-	18	1:8
4	4	32	-	-	36	1:8
5	4	40	-	8	36	1:8
6	4	50	-	18	36	1:8

ตัวอย่าง เมื่อเผากำมะถัน (S) กับโลหะทองแดง (Cu) จะทำปฏิกิริยากันได้ คอปเปอร์ (II) ซัลไฟด์ (CuS) ดังสมการ Cu (s) + S (s) → CuS (s) จงใช้ข้อมูลจากที่กำหนด
ให้คำนวณหาข้อมูลส่วนที่เว้นไว้ โดยให้ถือว่าปฏิกิริยาเป็นไปตามกฎทรงมวลและกฎสัดส่วนคงที่

_{การทดลอง}	มวลของธาตุ ที่ใช้ (กรัม)		มวลของธาตุ ที่เหลือ (กรัม)		มวลของ CuS ที่ได้ (กรัม)	อัตราส่วนโดยมวลระหว่าง Cu:S
_{การทดลอง}	Cu	S	Cu	S	มวลของ CuS ที่ได้ (กรัม)	อัตราส่วนโดยมวลระหว่าง Cu:S
1	2	1	-	-	3	2:1
2	3	1		-
3	4	3		1	6
4		5	1	-
5	6	6

3. กฎของเกย์ – ลุสแซก (Gay-Lussac's Law of Combining Gas Volumes))X

ในปี พ.ศ. 2531 โซเซฟ-ลุย-เก-ลูแซก ได้ทดลองวัดปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาพอดีกันและปริมาตรของก๊าซที่ได้จากปฏิกิริยา ณ อุณหภูมิและความดันเดียวกัน แล้วสรุปเป็นกฎการรวม
ปริมาตรของก๊าซ กล่าวว่า ' อัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาพอดีกันและปริมาตรของก๊าซที่ได้จากปฏิกิริยา จะมีค่าเป็นเลขจำนวนเต็มลงตัวน้อย ๆ' เช่น H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

อัตราส่วนโดยปริมาตรระหว่าง H₂(g) : Cl₂(g) : 2HCl(g) = 1 : 1 : 2

อัตราส่วนโดยปริมาตรระหว่าง 3H₂(g) : N₂(g) : 2NH₃(g) = 3: 1 : 2

ในปี พ.ศ. 2354 อาเมเดโอ อาโวกาโดร ได้ศึกษากฎของเกย์-ลูสแซกและอธิบายว่าการที่อัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยากันและที่ได้จากปฏิกิริยาเป็นเลขจำนวนเต็มน้อยๆ
เป็นเพราะปริมาตรของก๊าซมีความสัมพันธ์กับจำนวนอนุภาคของก๊าซที่รวมตัวกันเป็นสารประกอบ อาโวกาโดรเสนอสมสุติฐานว่า 'ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน ก๊าซทุกชนิดที่มีปริมาตรเท่ากัน
จะมีจำนวนโมอนุภาคเท่ากัน' ต่อมาทราบว่าอนุภาคของก๊าซอยู่ในรูปโมเลกุล จึงเสนอเป็นกฎของอาโวกาโดร กล่าวว่า “ ก๊าซที่มีปริมาตรเท่ากัน ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน
มีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน” ต่อมาทราบว่า สารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากันมีจำนวนโมลเท่ากัน จึงอาจกล่าวว่า “ก๊าซที่มีปริมาตรเท่ากัน ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน มีจำนวนโมลเท่ากัน” เช่น
2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)

ปฏิกิริยา	2H₂(g)	+	O₂(g)	→	2H₂O(g)
อัตราส่วนโดยปริมาตร	2	:	1	:	2
จำนวนอนุภาค	2n	:	n	:	2n
จำนวนโมเลกุล	2n	:	n	:	2n
จำนวนโมล	2n	:	n	:	2n

อัตราส่วนโดยปริมาตรระหว่าง H₂(g) : Cl₂(g) : 2HCl (g) = 1: 1 : 2