ปริมาณสัมพันธ์เป็นสาขาหนึ่งของเคมีที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาเคมี การรู้ปริมาณสารสัมพันธ์ช่วยให้นักเคมีระบุปริมาณของสารที่ใช้และผลิตในปฏิกิริยาได้ ซึ่งทำให้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานในห้องปฏิบัติการและการใช้งานทางอุตสาหกรรม
ในด้านปริมาณสัมพันธ์ สมการทางเคมีจะให้สูตรสำหรับปฏิกิริยาเคมี โดยจะแสดงให้เห็นว่าสารตั้งต้นตัวใดรวมกันและผลิตภัณฑ์ใดที่ก่อตัวขึ้น พร้อมด้วยปริมาณตามลำดับ พิจารณาสมการการเผาไหม้ของมีเทน:
\( \textrm{ช}_4 + 2\textrm{โอ}_2 \rightarrow \textrm{บจก}_2 + 2\textrm{ชม}_2\textrm{โอ} \)สมการนี้บอกเราว่าหนึ่งโมเลกุลของมีเทน ( \(\textrm{ช}_4\) ) ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนสองโมเลกุล ( \(2\textrm{โอ}_2\) ) เพื่อผลิตคาร์บอนไดออกไซด์หนึ่งโมเลกุล ( \(\textrm{บจก}_2\) ) และน้ำสองโมเลกุล ( \(2\textrm{ชม}_2\textrm{โอ}\) )
โมลเป็นหน่วยที่ใช้ในวิชาเคมีเพื่อแสดงปริมาณสารเคมี หนึ่งโมลประกอบด้วยอนุภาคของสสาร \(6.022 \times 10^{23}\) พอดี (เลขอาโวกาโดร) การใช้แนวคิดเกี่ยวกับโมล นักเคมีสามารถเชื่อมโยงมวลของสารกับจำนวนอนุภาคหรือโมลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาได้
ตัวเลขที่อยู่หน้าสูตรเคมีในสมการทางเคมีเรียกว่าสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ โดยระบุสัดส่วนที่สารตั้งต้นรวมกันและเกิดผลิตภัณฑ์ ในตัวอย่างการเผาไหม้มีเทน ค่าสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์คือ 1 สำหรับมีเธน 2 สำหรับออกซิเจน 1 สำหรับคาร์บอนไดออกไซด์ และ 2 สำหรับน้ำ
ในการคำนวณปริมาณสัมพันธ์ บ่อยครั้งที่เราจำเป็นต้องแปลงโมลเป็นกรัมหรือในทางกลับกัน ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้มวลโมลาร์ของสาร ซึ่งก็คือมวลของหนึ่งโมลของสารนั้น มวลโมลาร์ของสารประกอบคือผลรวมของมวลโมลาร์ของส่วนประกอบต่างๆ ตัวอย่างเช่น:
ลองคำนวณมวลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นเมื่อ \(50.0\, \textrm{ก}\) ของมีเทนถูกเผาไหม้ในออกซิเจนอย่างสมบูรณ์ มวลโมลาร์ของมีเทนคือ \(16.04\, \textrm{กรัม/โมล}\) และมวลโมลาร์ของคาร์บอนไดออกไซด์คือ \(44.01\, \textrm{กรัม/โมล}\)
ขั้นแรก แปลงมวลมีเทนเป็นโมล:
\( \textrm{โมลของ CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{ก}}{16.04\, \textrm{กรัม/โมล}} \)เมื่อใช้สัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์จากสมการที่สมดุล เรารู้ว่ามีเทน 1 โมลทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมล ดังนั้น โมลของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตออกมาจะเท่ากับโมลของมีเทนที่ทำปฏิกิริยา
จากนั้นแปลงโมลของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกรัม:
\( \textrm{มวลของ CO}_2 = \textrm{โมลของ CO}_2 \times \textrm{มวลโมลของ CO}_2 \)ในปฏิกิริยาเคมี ตัวทำปฏิกิริยาจำกัดคือสารที่ใช้หมดก่อนและกำหนดปริมาณสูงสุดของผลิตภัณฑ์ที่สามารถก่อตัวได้ ผลผลิตทางทฤษฎีคือปริมาณสูงสุดของผลิตภัณฑ์ที่คาดหวังจากปฏิกิริยา โดยขึ้นอยู่กับปริมาณของสารตั้งต้นที่มีขีดจำกัด
ในการระบุสารตั้งต้นจำกัด ให้เปรียบเทียบอัตราส่วนโมลของสารตั้งต้นที่มีอยู่กับอัตราส่วนโมลที่กำหนดโดยสมการทางเคมีที่สมดุล สารตั้งต้นที่ให้ปริมาณผลิตภัณฑ์น้อยที่สุดตามอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์คือสารตั้งต้นจำกัด การคำนวณผลผลิตทางทฤษฎีเกี่ยวข้องกับการใช้ปริมาณของสารตั้งต้นจำกัดและปริมาณสัมพันธ์ของปฏิกิริยา
พิจารณาปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไนโตรเจน ( \(\textrm{เอ็น}_2\) ) และก๊าซไฮโดรเจน ( \(\textrm{ชม}_2\) ) เพื่อผลิตแอมโมเนีย ( \(\textrm{เอ็นเอช}_3\) ):
\( \textrm{เอ็น}_2 + 3\textrm{ชม}_2 \rightarrow 2\textrm{เอ็นเอช}_3 \)หากเรามี \(\textrm{เอ็น}_2\) 28 กรัม และ \(\textrm{ชม}_2\) 10 กรัม ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่จำกัด และผลผลิตทางทฤษฎีของ \(\textrm{เอ็นเอช}_3\) คืออะไร \(\textrm{เอ็นเอช}_3\) ?
มวลโมลาร์ของ \(\textrm{เอ็น}_2 = 28.02\, \textrm{กรัม/โมล}\) ; มวลโมลาร์ของ \(\textrm{ชม}_2 = 2.016\, \textrm{กรัม/โมล}\)
แปลงกรัมเป็นโมล:
\( \textrm{โมลของ N}_2 = \frac{28\, \textrm{ก}}{28.02\, \textrm{กรัม/โมล}} \) \( \textrm{โมลของ H}_2 = \frac{10\, \textrm{ก}}{2.016\, \textrm{กรัม/โมล}} \)เปรียบเทียบอัตราส่วนโมลที่มีอยู่ของ \(\textrm{ชม}_2\) กับ \(\textrm{เอ็น}_2\) กับอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์จากสมการ สารตั้งต้นจำกัดจะกำหนดปริมาณสูงสุดของ \(\textrm{เอ็นเอช}_3\) ที่สามารถผลิตได้ แปลงโมลของสารตั้งต้นที่เป็นสารจำกัดให้เป็นโมลของ \(\textrm{เอ็นเอช}_3\) โดยใช้สัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ แล้วแปลงเป็นกรัมหากจำเป็น
การคำนวณปริมาณสัมพันธ์ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในรูปแบบบริสุทธิ์เท่านั้น แต่ยังใช้กับวิธีแก้ปัญหาด้วย ในสารละลายที่เป็นน้ำ ความเข้มข้นมักแสดงเป็นโมลาริตี ซึ่งก็คือ โมลของตัวถูกละลายต่อสารละลายหนึ่งลิตร ( \(M = \textrm{นางสาว}\) )
เมื่อทำปฏิกิริยาในสารละลาย สามารถใช้ปริมาตรของสารละลายและโมลาริตีของสารละลายเพื่อค้นหาโมลของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องได้ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการทดลองไทเทรต โดยการใช้สารละลายที่ทราบความเข้มข้นเพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารละลายที่ไม่ทราบโดยการวางตัวเป็นกลาง
สมมติว่าเราจำเป็นต้องทำให้สารละลาย HCl 1.0 M HCl 50.0 มล. เป็นกลางด้วยสารละลาย NaOH ปฏิกิริยามีดังนี้:
\( \textrm{เอชซีแอล} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{โซเดียมคลอไรด์} + \textrm{ชม}_2\textrm{โอ} \)ปริมาณสัมพันธ์ของปฏิกิริยาบอกเราว่า HCl หนึ่งโมลทำปฏิกิริยากับ NaOH หนึ่งโมล เพื่อผลิต NaCl หนึ่งโมลและน้ำหนึ่งโมล ขั้นแรก ให้หาโมลของ HCl:
\( \textrm{โมลของ HCl} = \textrm{ปริมาณ (ลิตร)} \times \textrm{โมลาริตี (M)} \)จากนั้น ใช้อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ในการคำนวณปริมาตรของสารละลาย NaOH ที่จำเป็นในการทำปฏิกิริยากับสารละลาย HCl โดยสมบูรณ์ ตัวอย่างนี้สาธิตการประยุกต์ใช้ปริมาณสัมพันธ์ในสารละลาย โดยที่ความเข้มข้นและปริมาตรของสารละลายจะกำหนดปริมาณของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์
ปริมาณสัมพันธ์เป็นแนวคิดพื้นฐานทางเคมีที่ช่วยให้สามารถวิเคราะห์เชิงปริมาณของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาเคมีได้ โดยการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา นักเคมีสามารถคาดการณ์ผลผลิตของผลิตภัณฑ์ ระบุสารตั้งต้นที่จำกัด และคำนวณปริมาณวัสดุที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา ไม่ว่าจะจัดการกับปฏิกิริยาในรูปแบบบริสุทธิ์หรือในสารละลาย การคำนวณปริมาณสัมพันธ์ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าสำหรับทั้งการทดลองในห้องปฏิบัติการและกระบวนการทางเคมีทางอุตสาหกรรม องค์ประกอบหลัก รวมถึงแนวคิดเกี่ยวกับโมล สัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ และความสามารถในการแปลงระหว่างโมลกับกรัม หรือกำหนดความเข้มข้นในสารละลาย ล้วนจำเป็นสำหรับการคำนวณเหล่านี้อย่างถูกต้อง ด้วยการฝึกฝนและการประยุกต์ใช้ เราสามารถเชี่ยวชาญการคำนวณปริมาณสัมพันธ์และนำไปใช้กับปัญหาทางเคมีที่หลากหลายได้
