ปริมาณสารสัมพันธ์ สอวน. เคมี สรุปครบ พร้อมเทคนิคทำโจทย์

ปริมาณสารสัมพันธ์ (Stoichiometry) คือการคำนวณความสัมพันธ์เชิงปริมาณของสารในปฏิกิริยาเคมี โดยใช้ “โมล” เป็นตัวกลาง และใช้เลขสัมประสิทธิ์ในสมการที่ดุลแล้วเป็นอัตราส่วน สำหรับ สอวน. เคมี บทนี้สำคัญที่สุดบทหนึ่ง เพราะโจทย์คำนวณแทบทุกบท ตั้งแต่แก๊ส สารละลาย สมดุล ไปจนถึงเคมีไฟฟ้า ล้วนต้องผ่านการแปลงหน่วยเป็นโมลก่อนทั้งนั้น หลักคิดมีแค่ 3 ขั้น คือ แปลงสิ่งที่โจทย์ให้เป็นโมล ใช้อัตราส่วนโมลจากสมการ แล้วแปลงโมลกลับเป็นหน่วยที่โจทย์ถาม

พี่ปีโป้สังเกตมาตลอดว่า น้องที่ทำโจทย์ สอวน. ไม่ทัน ส่วนใหญ่ไม่ได้ติดที่บทยาก ๆ แต่ติดที่ปริมาณสารสัมพันธ์ไม่คล่อง คิดช้า หรือเผลอผิดหน่วย บทความนี้ พปป. เลยสรุปทุกเครื่องมือที่ต้องใช้ พร้อมตัวอย่างที่ไล่จากพื้นฐานไปจนถึงแนวโจทย์ระดับค่าย

ปริมาณสารสัมพันธ์คืออะไร ทำไมต้องคิดผ่านโมล

สมการเคมีบอกเราว่าอนุภาคทำปฏิกิริยากัน “กี่ต่อกี่” ไม่ได้บอกว่ากี่กรัมต่อกี่กรัม เช่น 2H₂ + O₂ → 2H₂O หมายถึงไฮโดรเจน 2 โมลทำปฏิกิริยากับออกซิเจน 1 โมล ไม่ได้หมายถึง 2 กรัมกับ 1 กรัม

ดังนั้นไม่ว่าโจทย์จะให้มวล ปริมาตรแก๊ส จำนวนอนุภาค หรือความเข้มข้น เราต้องแปลงเป็นโมลก่อนเสมอ จึงจะเทียบอัตราส่วนตามสมการได้ถูกต้อง

ตารางแปลงหน่วยเป็นโมล เครื่องมือหลักที่ต้องคล่อง

เกร็ดที่ช่วยให้ไม่พลาด

• ตั้งแต่ปี 2019 นิยามของโมลผูกกับค่าคงที่อาโวกาโดรที่กำหนดตายตัวคือ 6.02214076 × 10²³ ต่อโมล ในการสอบมักใช้ 6.02 × 10²³ ก็พอ
• ค่า 22.4 L/mol ใช้ได้กับแก๊สสมบูรณ์ที่ 0 °C และ 1 atm เท่านั้น ถ้าใช้นิยาม STP ของ IUPAC ปัจจุบัน (0 °C และ 1 bar) ค่าจะเป็นประมาณ 22.7 L/mol ให้ดูว่าโจทย์กำหนดค่าไหนมา ถ้าภาวะไม่ใช่ STP ให้ใช้ PV = nRT แทน
• ปริมาตรสารละลายที่ให้มาเป็น cm³ หรือ mL ต้องหารด้วย 1000 ก่อนคูณกับความเข้มข้นหน่วย mol/L

สูตรเอมพิริคัลและสูตรโมเลกุล

สูตรเอมพิริคัลบอกอัตราส่วนอะตอมอย่างต่ำ ส่วนสูตรโมเลกุลบอกจำนวนอะตอมจริงในหนึ่งโมเลกุล วิธีหามี 4 ขั้น

1. แปลงมวลหรือร้อยละโดยมวลของแต่ละธาตุเป็นโมล (ถ้าให้ร้อยละ ให้สมมติสาร 100 g)
2. หารทุกค่าด้วยค่าที่น้อยที่สุด
3. ถ้าได้ทศนิยมที่ใกล้ .5 .33 หรือ .25 ให้คูณด้วย 2, 3 หรือ 4 ให้เป็นจำนวนเต็ม
4. ถ้าโจทย์ให้มวลโมลาร์มา หาสูตรโมเลกุลจาก (มวลโมลาร์ ÷ มวลสูตรเอมพิริคัล) แล้วคูณเข้าไปในสูตร

ตัวอย่างที่ 1 วิเคราะห์จากการเผาไหม้

สารอินทรีย์ประกอบด้วย C, H และ O หนัก 0.600 g เผาไหม้สมบูรณ์ได้ CO₂ 0.880 g และ H₂O 0.360 g ถ้ามวลโมลาร์ของสารนี้เท่ากับ 180 g/mol จงหาสูตรโมเลกุล (C = 12.0, H = 1.0, O = 16.0)

• C ทั้งหมดไปอยู่ใน CO₂ จะได้ n(C) = 0.880 / 44.0 = 0.0200 mol คิดเป็นมวล 0.240 g
• H ทั้งหมดไปอยู่ใน H₂O จะได้ n(H₂O) = 0.360 / 18.0 = 0.0200 mol จึงมี H = 0.0400 mol คิดเป็นมวล 0.0400 g
• O หาจากมวลที่เหลือ 0.600 − 0.240 − 0.0400 = 0.320 g หรือ 0.0200 mol
• อัตราส่วน C : H : O = 0.0200 : 0.0400 : 0.0200 = 1 : 2 : 1 สูตรเอมพิริคัลคือ CH₂O (มวลสูตร 30)
• 180 ÷ 30 = 6 สูตรโมเลกุลคือ C₆H₁₂O₆

จุดที่น้องพลาดบ่อยคือหา O จากออกซิเจนใน CO₂ และ H₂O ซึ่งผิด เพราะออกซิเจนส่วนหนึ่งมาจาก O₂ ที่ใช้เผา ต้องหา O จากผลต่างของมวลเท่านั้น

สารกำหนดปริมาณและผลได้ร้อยละ

สารกำหนดปริมาณ (Limiting Reagent) คือสารตั้งต้นที่หมดก่อน และเป็นตัวกำหนดว่าจะได้ผลิตภัณฑ์มากที่สุดเท่าไร วิธีที่ พปป. แนะนำเพราะเร็วและไม่สับสนคือ เอาโมลของสารตั้งต้นแต่ละตัวหารด้วยเลขสัมประสิทธิ์ของมัน ตัวที่ได้ค่าน้อยที่สุดคือสารกำหนดปริมาณ

ผลได้ร้อยละ (Percent Yield) = (ผลได้จริง ÷ ผลได้ตามทฤษฎี) × 100 โดยผลได้ตามทฤษฎีต้องคำนวณจากสารกำหนดปริมาณเสมอ

ตัวอย่างที่ 2 หาสารกำหนดปริมาณและผลได้ร้อยละ

ผสม H₂ 4.0 g กับ O₂ 16.0 g ให้ทำปฏิกิริยากันตามสมการ 2H₂ + O₂ → 2H₂O ถ้าเก็บน้ำได้จริง 14.4 g จงหาผลได้ร้อยละ

• n(H₂) = 4.0 / 2.0 = 2.0 mol หารด้วยสัมประสิทธิ์ 2 ได้ 1.0
• n(O₂) = 16.0 / 32.0 = 0.50 mol หารด้วยสัมประสิทธิ์ 1 ได้ 0.50
• O₂ ได้ค่าน้อยกว่า จึงเป็นสารกำหนดปริมาณ
• น้ำตามทฤษฎี = 0.50 × 2 = 1.0 mol หรือ 18.0 g
• ผลได้ร้อยละ = (14.4 ÷ 18.0) × 100 = 80%

ระวังกับดักที่พบบ่อย คือดูแค่ว่าสารตัวไหนมี “มวลน้อยกว่า” แล้วตอบว่าเป็นสารกำหนดปริมาณ ในตัวอย่างนี้ H₂ มีมวลน้อยกว่า แต่ไม่ใช่ตัวที่หมดก่อน

ต่อยอดระดับ สอวน. เคมี โจทย์ของผสมและปฏิกิริยาหลายขั้น

โจทย์ระดับค่ายมักไม่ให้คำนวณตรง ๆ ขั้นเดียว แนวที่เจอบ่อยมีดังนี้

• โจทย์ของผสม ให้สารสองชนิดที่ทำปฏิกิริยาแบบเดียวกัน ให้ตั้งตัวแปรเป็นโมลของแต่ละสาร แล้วสร้างสมการสองสมการจากมวลรวมกับปริมาณผลิตภัณฑ์
• ปฏิกิริยาหลายขั้น ไม่ต้องคำนวณทีละขั้นให้เสียเวลา ให้ไล่อัตราส่วนโมลต่อกันเป็นทอด ๆ จากสารแรกไปถึงสารสุดท้ายในบรรทัดเดียว
• การไทเทรตย้อนกลับ (Back Titration) เติมรีเอเจนต์มากเกินพอแล้วไทเทรตส่วนที่เหลือ โมลที่ทำปฏิกิริยากับตัวอย่างจริงเท่ากับโมลที่เติมทั้งหมดลบส่วนที่เหลือ
• ปฏิกิริยารีดอกซ์ ต้องดุลสมการด้วยวิธีครึ่งปฏิกิริยาให้ถูกก่อน เพราะถ้าสัมประสิทธิ์ผิด อัตราส่วนโมลจะผิดทั้งข้อ

ตัวอย่างที่ 3 โจทย์ของผสม

ของผสมระหว่าง NaHCO₃ และ Na₂CO₃ หนัก 2.43 g ทำปฏิกิริยากับ HCl มากเกินพอ ได้แก๊ส CO₂ 560 cm³ ที่ STP (ใช้ 22.4 L/mol) จงหาร้อยละโดยมวลของ Na₂CO₃ ในของผสม (NaHCO₃ = 84.0, Na₂CO₃ = 106.0 g/mol)

สมการคือ NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ และ Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ ทั้งสองให้ CO₂ 1 โมลต่อสาร 1 โมล

• n(CO₂) = 0.560 / 22.4 = 0.0250 mol
• ให้ NaHCO₃ = x mol และ Na₂CO₃ = y mol จะได้ x + y = 0.0250 และ 84.0x + 106.0y = 2.43
• แทน x = 0.0250 − y จะได้ 2.10 + 22.0y = 2.43 ดังนั้น y = 0.0150 mol และ x = 0.0100 mol
• มวล Na₂CO₃ = 0.0150 × 106.0 = 1.59 g คิดเป็น (1.59 ÷ 2.43) × 100 ≈ 65.4%

ลำดับคิด 4 ขั้นที่ใช้ได้กับทุกโจทย์

1. เขียนและดุลสมการให้ถูกก่อน
2. แปลงทุกอย่างที่โจทย์ให้เป็นโมล
3. หาสารกำหนดปริมาณ (ถ้าโจทย์ให้สารตั้งต้นมากกว่าหนึ่งตัว) แล้วใช้อัตราส่วนโมลจากสัมประสิทธิ์
4. แปลงโมลกลับเป็นหน่วยที่โจทย์ถาม และเช็กเลขนัยสำคัญ

จุดที่น้อง ๆ มักพลาด

• ใช้อัตราส่วนมวลแทนอัตราส่วนโมล
• ใช้ 22.4 L/mol กับแก๊สที่ไม่ได้อยู่ที่ STP
• ลืมแปลง cm³ เป็น dm³ เวลาใช้ C × V
• หาออกซิเจนในสารอินทรีย์จาก CO₂ และ H₂O แทนที่จะหาจากผลต่างของมวล
• คิดผลได้ตามทฤษฎีจากสารที่มากเกินพอ
• ปัดเศษระหว่างทางมากเกินไปจนคำตอบสุดท้ายคลาดเคลื่อน ควรเก็บตัวเลขเกินไว้หนึ่งหลักแล้วค่อยปัดตอนจบ

พี่ปีโป้แนะนำวิธีฝึกให้คล่อง

1. ฝึกแปลงหน่วยในตารางด้านบนจนทำได้โดยไม่ต้องคิด เพราะเป็นขั้นที่ใช้ในทุกข้อ
2. ทำโจทย์สารกำหนดปริมาณและผลได้ร้อยละให้ครบทุกรูปแบบ ทั้งแบบให้มวล ปริมาตรแก๊ส และสารละลาย
3. ขยับไปโจทย์ของผสม ปฏิกิริยาหลายขั้น และไทเทรตย้อนกลับ ซึ่งเป็นแนวที่แยกคนเก่งออกจากคนทั่วไป
4. ทุกครั้งที่ทำผิด ให้จดว่าผิดขั้นไหนใน 4 ขั้นด้านบน ทำแบบนี้สักพักจะเห็นจุดอ่อนของตัวเองชัดมาก

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับปริมาณสารสัมพันธ์ สอวน. เคมี

ปริมาณสารสัมพันธ์ออกสอบ สอวน. เคมี ไหม

ออกแน่นอน และไม่ได้ออกแค่เป็นบทเดี่ยว ๆ แต่เป็นพื้นฐานของโจทย์คำนวณแทบทุกบท เช่น แก๊ส สารละลาย กรดเบส สมดุล และเคมีไฟฟ้า ถ้าบทนี้ไม่คล่อง บทอื่นจะช้าตามไปหมด

หลักการสำคัญที่สุดของปริมาณสารสัมพันธ์คืออะไร

คือการคิดผ่านโมล แปลงสิ่งที่โจทย์ให้เป็นโมล ใช้อัตราส่วนโมลจากสัมประสิทธิ์ในสมการที่ดุลแล้ว จากนั้นแปลงโมลกลับเป็นหน่วยที่โจทย์ต้องการ

หาสารกำหนดปริมาณอย่างไรให้เร็ว

นำโมลของสารตั้งต้นแต่ละตัวหารด้วยเลขสัมประสิทธิ์ของสารนั้นในสมการ ตัวที่ได้ค่าน้อยที่สุดคือสารกำหนดปริมาณ แล้วใช้สารตัวนี้คำนวณปริมาณผลิตภัณฑ์

ปริมาตรแก๊ส 1 โมลที่ STP เท่ากับ 22.4 หรือ 22.7 ลิตร

ถ้า STP หมายถึง 0 °C และ 1 atm ซึ่งตำราไทยส่วนใหญ่ใช้ จะเท่ากับ 22.4 ลิตร แต่ถ้าใช้นิยามของ IUPAC ปัจจุบันคือ 0 °C และ 1 bar จะได้ประมาณ 22.7 ลิตร ในการสอบให้ใช้ค่าที่โจทย์กำหนดเสมอ

ควรเริ่มฝึกปริมาณสารสัมพันธ์สำหรับ สอวน. ตอนไหน

ควรเริ่มตั้งแต่ ม.3 ถึงต้น ม.4 ก่อนสอบคัดเลือกเข้าค่าย 1 เพราะเป็นพื้นฐานที่บทอื่นต้องใช้ต่อ ยิ่งคล่องเร็ว ยิ่งมีเวลาไปลงลึกบทที่ยากกว่า

สรุป

ปริมาณสารสัมพันธ์ สอวน. เคมี ไม่ได้ยากที่สูตร แต่ยากที่ความแม่นและความเร็ว หัวใจมีแค่คิดผ่านโมล ใช้อัตราส่วนจากสมการที่ดุลแล้ว และเช็กสารกำหนดปริมาณทุกครั้งที่มีสารตั้งต้นมากกว่าหนึ่งตัว ถ้าน้องฝึกตามลำดับคิด 4 ขั้นจนเป็นอัตโนมัติ โจทย์ของผสมหรือปฏิกิริยาหลายขั้นในสนาม สอวน. ก็จะกลายเป็นแค่การต่อขั้นตอนเดิมให้ยาวขึ้นเท่านั้น

พี่ปีโป้แนะนำให้ลองปิดเฉลยตัวอย่างทั้ง 3 ข้อด้านบน แล้วทำเองใหม่จับเวลา ถ้าทำได้ถูกภายในข้อละไม่เกิน 3 นาที แปลว่าพื้นฐานบทนี้พร้อมลุยค่ายแล้ว

แหล่งอ้างอิงสำหรับอ่านเพิ่ม

• BIPM, The International System of Units (SI Brochure, 9th edition, 2019) นิยามของโมลและค่าคงที่อาโวกาโดร
• IUPAC Compendium of Chemical Terminology (Gold Book) หัวข้อ amount of substance และ standard conditions for gases
• หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมเคมี ม.4 ของ สสวท. บทปริมาณสารสัมพันธ์