ก๊าซมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเคมีต่างๆ และการทำความเข้าใจสัดส่วนของก๊าซถือเป็นสิ่งสำคัญในการคาดการณ์ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ สัดส่วนของก๊าซเกี่ยวข้องกับการคำนวณสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาเคมี ในบทเรียนนี้ เราจะเน้นที่สัดส่วนของก๊าซ ซึ่งเกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมลในปฏิกิริยาเคมีกับสารที่เป็นก๊าซ
แนวคิดเรื่องปริมาตรโมลาร์เป็นพื้นฐานในสัดส่วนของก๊าซ โดยกำหนดให้เป็นปริมาตรที่ก๊าซหนึ่งโมลครอบครอง ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (STP) ซึ่งเท่ากับ 0°C (273.15 K) และความดัน 1 บรรยากาศ ก๊าซอุดมคติหนึ่งโมลจะมีปริมาตร 22.4 ลิตร สมมติฐานนี้อิงตามกฎของก๊าซอุดมคติ:
\( PV = nRT \)ที่ไหน:
เมื่อเป็นเรื่องของปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ สโตอิจิโอเมทรีจะมีความเกี่ยวข้องมากขึ้นเล็กน้อย ประเด็นสำคัญคือการแปลงปริมาณที่กำหนดเป็นโมล เนื่องจากสโตอิจิโอเมทรีเกี่ยวข้องกับอัตราส่วนโมลระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ พิจารณาการเผาไหม้ของมีเทน (CH 4 ) ซึ่งเป็นก๊าซทั่วไป ที่มีออกซิเจนเพื่อผลิตคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ:
\(\textrm{ช.}_4 + 2\textrm{โอ้}_2 \rightarrow \textrm{ซีโอ}_2 + 2\textrm{ชม}_2\textrm{โอ้} \)สมการนี้บอกเราว่ามีเทน 1 โมลทำปฏิกิริยากับออกซิเจน 2 โมลทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมลและไอน้ำ 2 โมล หากกำหนดปริมาตรของมีเทนที่จุดศูนย์กลางปฏิกิริยา เราสามารถใช้ปริมาตรโมลเพื่อหาจำนวนโมลของมีเทน จากนั้นจึงใช้ค่าอัตราส่วนโมลเพื่อหาปริมาตรของก๊าซอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง
สมมติว่าเรามีก๊าซมีเทน 22.4 ลิตรที่ STP ซึ่งเทียบเท่ากับมีเทน 1 โมล โดยใช้สโตอิจิโอเมทรีของปฏิกิริยา เราสามารถคำนวณปริมาตรของออกซิเจนที่ต้องการและปริมาตรของคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำที่ผลิตได้:
บ่อยครั้งในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ สารตั้งต้นหนึ่งจะถูกใช้ก่อนสารตั้งต้นอื่นๆ ซึ่งจะกำหนดขอบเขตของปฏิกิริยา สารตั้งต้นนี้เรียกว่าสารตั้งต้นจำกัด การระบุสารตั้งต้นจำกัดมีความสำคัญอย่างยิ่งในการคาดการณ์ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นอย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถทำได้โดยคำนวณโมลของสารตั้งต้นแต่ละชนิดตามปริมาตร และใช้ความสัมพันธ์เชิงสัดส่วนของปฏิกิริยา
ในขณะที่กฎของแก๊สในอุดมคติ \(PV = nRT\) มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจพฤติกรรมของแก๊สภายใต้เงื่อนไขต่างๆ กฎนี้ยังมีบทบาทสำคัญในสโตอิจิโอเมทรีอีกด้วย กฎนี้ช่วยให้สามารถแปลงปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และโมลของแก๊สได้ ทำให้เราสามารถแก้ปัญหาสโตอิจิโอเมทรีได้นอกเหนือจากเงื่อนไข STP
ตัวอย่างเช่น หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหรือความดันที่ต่างจาก STP ปริมาตรของก๊าซที่เกี่ยวข้องก็ยังคงคำนวณได้โดยการหาโมลของก๊าซที่ STP ก่อน จากนั้นจึงใช้กฎของก๊าซในอุดมคติเพื่อหาปริมาตรใหม่ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ขั้นตอนนี้มีความจำเป็นเมื่อต้องจัดการกับสถานการณ์ในชีวิตจริงที่ปฏิกิริยาอาจไม่เกิดขึ้นเสมอไปภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน
ตัวอย่างของสัดส่วนของก๊าซในการประยุกต์ใช้ในชีวิตจริงสามารถเห็นได้จากกลไกการทำงานของถุงลมนิรภัยในยานพาหนะ การพองตัวอย่างรวดเร็วของถุงลมนิรภัยเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีที่ผลิตก๊าซปริมาณมากในระยะเวลาอันสั้น โซเดียมอะไซด์ (NaN 3 ) มักใช้ ซึ่งจะสลายตัวเพื่อผลิตก๊าซไนโตรเจน (N 2 ) เมื่อกระทบ:
\(2\textrm{นาน}_3 \rightarrow 2\textrm{นา} + 3\textrm{เอ็น}_2\)ปฏิกิริยานี้จะสร้างก๊าซไนโตรเจนได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ถุงลมนิรภัยพองตัวและช่วยลดแรงกระแทกให้กับผู้โดยสารในรถ ในที่นี้ จะใช้สโตอิจิโอเมทรีเพื่อคำนวณปริมาณโซเดียมอะไซด์ที่แม่นยำซึ่งจำเป็นต่อการผลิตก๊าซไนโตรเจนที่เพียงพอเพื่อเติมถุงลมนิรภัยให้ได้ปริมาตรที่ต้องการในหน่วยมิลลิวินาที
แม้ว่าเราอาจไม่สามารถจำลองปฏิกิริยาเคมีที่ใช้ในการพองตัวของถุงลมนิรภัยได้เนื่องจากข้อกังวลด้านความปลอดภัย แต่เราสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของก๊าซในปฏิกิริยาที่ง่ายกว่าได้ ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างน้ำส้มสายชู (กรดอะซิติก) และเบกกิ้งโซดา (โซเดียมไบคาร์บอเนต) จะก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์:
\(\textrm{ช.}_3\textrm{โคโอเอช} + \textrm{โซเดียมไฮดรอกไซด์}_3 \rightarrow \textrm{ช.}_3\textrm{คูนา} + \textrm{ชม}_2\textrm{โอ้} + \textrm{ซีโอ}_2\)การดำเนินการปฏิกิริยานี้ในระบบปิดที่มีลูกโป่งติดอยู่จะทำให้เราสามารถสังเกตก๊าซที่ผลิตขึ้นและทำให้ลูกโป่งพองตัวได้ จากนั้นจึงสามารถเชื่อมโยงปริมาตรของก๊าซที่ผลิตขึ้นกับสัดส่วนของปฏิกิริยา ซึ่งเป็นตัวอย่างที่จับต้องได้ของสัดส่วนของก๊าซในที่ทำงาน
แม้ว่าหลักการของสโตอิจิโอเมทรีของก๊าซจะตรงไปตรงมา แต่การประยุกต์ใช้ในชีวิตจริงอาจมีความซับซ้อน ปัจจัยต่างๆ เช่น พฤติกรรมของก๊าซที่ไม่เหมาะสมภายใต้เงื่อนไขบางประการ ความบริสุทธิ์ของสารตั้งต้น และอัตราการเกิดปฏิกิริยาอาจส่งผลต่อผลลัพธ์ได้ จำเป็นต้องพิจารณาด้านเหล่านี้ โดยเฉพาะในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่ความแม่นยำมีความสำคัญ
สัดส่วนของก๊าซเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการทำความเข้าใจและคาดการณ์ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ โดยการใช้แนวคิดต่างๆ เช่น กฎของก๊าซในอุดมคติ ปริมาตรโมลาร์ และสารตั้งต้นจำกัด เราสามารถคำนวณปริมาตรของก๊าซที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาภายใต้เงื่อนไขต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นในสถานศึกษา การใช้งานในอุตสาหกรรม หรือแม้แต่ในผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวัน เช่น ถุงลมนิรภัย หลักการของสัดส่วนของก๊าซมีนัยสำคัญและการประยุกต์ใช้ในวงกว้าง
