หน่วยที่ 3: ตารางธาตุและสมบัติของธาตุ (Periodic Table and Properties of Elements)

3.2 การคำนวณเกี่ยวกับธาตุ (Calculations Involving Elements)

การคำนวณเกี่ยวกับธาตุในเคมีเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำความเข้าใจและทำนายปฏิกิริยาเคมี โดยมีการคำนวณหลายประเภทที่สำคัญในการคำนวณเกี่ยวกับธาตุ ซึ่งสามารถแยกออกเป็นหัวข้อหลักได้ดังนี้

1. การคำนวณเลขมวลอะตอมเฉลี่ย (Calculating Average Atomic Mass)

เลขมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุคำนวณจากการถัวเฉลี่ยของไอโซโทปที่มีอยู่ในธรรมชาติ โดยพิจารณาตามสัดส่วนความอุดมสมบูรณ์ (Abundance) ของไอโซโทปแต่ละชนิด ตัวอย่างเช่น การคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยของคาร์บอน (\(C\)) ที่มีไอโซโทปที่สำคัญคือ \(^{12}C\) และ \(^{13}C\)

สมการการคำนวณเลขมวลอะตอมเฉลี่ยสามารถเขียนได้ดังนี้

เลขมวลอะตอมเฉลี่ย

\[ \text{} = (\text{มวลไอโซโทป 1} \times \text{สัดส่วนความอุดมสมบูรณ์ 1}) + (\text{มวลไอโซโทป 2} \times \text{สัดส่วนความอุดมสมบูรณ์ 2}) + \dots \]

ตัวอย่าง ธาตุคาร์บอนมีไอโซโทป \(^{12}C\) ที่มีความอุดมสมบูรณ์ 98.93% และมวล 12 amu และ \(^{13}C\) ที่มีความอุดมสมบูรณ์ 1.07% และมวล 13.003 amu ดังนั้นการคำนวณเลขมวลอะตอมเฉลี่ยของคาร์บอนจะเป็น

\[ \text{เลขมวลอะตอมเฉลี่ยของ } C = (12 \times 0.9893) + (13.003 \times 0.0107) = 12.01 \, \text{amu} \]

2. การคำนวณปริมาณโมล (Mole Calculation)

โมล (Mole) เป็นหน่วยที่ใช้ในการวัดปริมาณของสสาร หนึ่งโมลของสสารจะมีจำนวนอนุภาคเท่ากับเลขอาโวกาโดร (\(6.022 \times 10^{23}\)) การคำนวณปริมาณโมลใช้สูตรดังนี้

\[ \text{จำนวนโมล} = \frac{\text{มวลของสสาร (g)}}{\text{มวลโมเลกุลของสสาร (g/mol)}} \]

ตัวอย่าง ถ้าเรามี \(18 \, \text{g}\) ของน้ำ (\(H_2O\)) และมวลโมเลกุลของน้ำคือ \(18 \, \text{g/mol}\) จำนวนโมลของน้ำที่เรามีจะเป็น

\[ \text{จำนวนโมลของน้ำ} = \frac{18 \, \text{g}}{18 \, \text{g/mol}} = 1 \, \text{mol} \]

3. การคำนวณปริมาณสารสัมพันธ์ (Stoichiometric Calculations)

การคำนวณปริมาณสารสัมพันธ์คือการคำนวณปริมาณของสารที่จำเป็นในการเกิดปฏิกิริยาเคมีหรือผลิตผลผลิตตามสมการเคมีที่กำหนดไว้ ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน (\(H_2\)) และออกซิเจน (\(O_2\)) เพื่อผลิตน้ำ (\(H_2O\))

\[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O \]

ในกรณีนี้ เราสามารถคำนวณได้ว่าหากเรามี \(2 \, \text{mol}\) ของไฮโดรเจน เราจะต้องใช้ \(1 \, \text{mol}\) ของออกซิเจนเพื่อทำปฏิกิริยาครบถ้วน และจะได้ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ \(2 \, \text{mol}\)

การคำนวณเกี่ยวกับธาตุในเคมีช่วยให้เราสามารถคำนวณปริมาณสารที่เกี่ยวข้องในการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้อย่างแม่นยำ ตั้งแต่การคำนวณเลขมวลอะตอมเฉลี่ย ไปจนถึงการคำนวณปริมาณโมลและปริมาณสารสัมพันธ์ การคำนวณเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำคัญในการทำงานทางเคมีในห้องปฏิบัติการและในอุตสาหกรรม