องค์ประกอบร้อยละ

ร้อยละโดยมวลบอกว่าสารหนึ่งชนิดมีมวลธาตุแต่ละชนิดเป็นสัดส่วนเท่าใด เป็นข้อมูลสำหรับตรวจสูตรหรือเริ่มหาสูตร ไม่ใช่สัดส่วนจำนวนอะตอมโดยตรง

หามวลโมลาร์และอ่านเลขห้อยจากสูตรได้; จำแนกมวลของธาตุที่สนใจออกจากมวลรวมของสาร

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. คำนวณร้อยละโดยมวลจากสูตรเคมี

ร้อยละโดยมวลของธาตุองค์ประกอบในสารประกอบแสดงสัดส่วนมวลของธาตุนั้นเทียบกับมวลทั้งหมดของสาร:

สูตรการคำนวณจากสูตรเคมี (ต่อสาร 1 โมล): $\% \text{ โดยมวลของธาตุ X} = \left(\frac{\text{มวลของธาตุ X ในสาร } 1\ \mathrm{mol}}{\text{มวลโมลาร์ของสารประกอบ}}\right) \times 100\%$
- ตัวเศษ: มวลอะตอม ( $A_r$ ) ของธาตุ $\mathrm{X}$ คูณด้วยเลขห้อยในสูตร (หน่วย $\mathrm{g/mol}$ )
- ตัวส่วน: มวลโมลาร์ของสารประกอบทั้งโมเลกุลหรือหน่วยสูตร (หน่วย $\mathrm{g/mol}$ )
- ผลรวมของร้อยละโดยมวลของทุกธาตุในสารประกอบบริสุทธิ์ต้องเท่ากับ $100\%$ พอดี (ผลรวมอาจเบี่ยงเบนเล็กน้อยในทศนิยมตำแหน่งสุดท้ายจากการปัดเศษ)

โครงสร้าง O=C=O พร้อมการคำนวณมวลโมลาร์ 44.01 g/mol และแท่งสัดส่วน C 27.29% ต่อ O 72.71%; O สองในสามอะตอมคิดเป็น 72.71% ของมวล — ภาพ CO₂ แสดง C หนึ่งอะตอมกับ O สองอะตอม แต่สัดส่วนมวลเป็น C 27.29% และ O 72.71% สังเกตว่าจำนวนอะตอมไม่ใช่สัดส่วนมวล

จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวม: ความแตกต่างระหว่างสัดส่วนจำนวนอะตอมกับสัดส่วนร้อยละโดยมวลในโมเลกุล $\mathrm{CO_2}$
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
  - โมเลกุล $\mathrm{CO_2}$ : มี $\mathrm{C}$ 1 อะตอม และ $\mathrm{O}$ 2 อะตอม มวลโมลาร์รวม $= 12.01 + (2 \times 16.00) = 44.01\ \mathrm{g/mol}$
  - สัดส่วนอะตอม: $\mathrm{O}$ มี 2 อะตอมจากทั้งหมด 3 อะตอม ( $66.7\%$ ของจำนวนอะตอม)
  - สัดส่วนร้อยละโดยมวล: ออกซิเจนมีมวล $32.00\ \mathrm{g}$ จาก $44.01\ \mathrm{g}$ คิดเป็น $72.71\%$ โดยมวล ส่วนคาร์บอนคิดเป็น $27.29\%$ โดยมวล
- ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงแท่งสัดส่วนมวลของโมเลกุลสมมติ อะตอมแต่ละชนิดมีมวลไม่เท่ากัน สัดส่วนมวลจึงไม่ตรงกับสัดส่วนจำนวนอะตอม

2. ร้อยละโดยมวลไม่ใช่ร้อยละของจำนวนอะตอม

ความแตกต่างสำคัญ:
- อะตอมของแต่ละธาตุมีมวลไม่เท่ากัน การนับจำนวนอะตอมจึงไม่สามารถบอกสัดส่วนมวลได้โดยตรง
การคำนวณจากผลการวิเคราะห์ตัวอย่างจริง: $\% \text{ โดยมวลของธาตุ X} = \left(\frac{\text{มวลของธาตุ X ที่ตรวจวัดได้ในตัวอย่าง}}{\text{มวลรวมของตัวอย่างทั้งหมด}}\right) \times 100\%$
- ทั้งสองกรณีเป็นร้อยละโดยมวล (Mass percent) เดียวกัน โดยวิธีแรกเริ่มจากสูตรเคมี ส่วนวิธีหลังเริ่มจากข้อมูลการทดลองชั่งน้ำหนักจริง

3. การประยุกต์ใช้ร้อยละเพื่อตรวจสอบและหาสูตรเคมี

การตรวจสอบความบริสุทธิ์:
- เปรียบเทียบร้อยละโดยมวลที่ได้จากการวิเคราะห์ตัวอย่างจริงกับร้อยละตามทฤษฎีจากสูตรเคมี หากค่าไม่ตรงกันอาจเกิดจากการมีสิ่งเจือปนหรือการระบุสารผิดชนิด
การนำไปหาสูตรเอมพิริคัล:
- เมื่อได้รับข้อมูลเป็นร้อยละโดยมวลของแต่ละธาตุ ให้สมมติฐานตัวอย่างปริมาณ $100\ \mathrm{g}$ ซึ่งจะทำให้ตัวเลขร้อยละเปลี่ยนเป็นมวลในหน่วยกรัมได้ทันที จากนั้นจึงแปลงมวลของแต่ละธาตุเป็นโมลเพื่อหาอัตราส่วนอย่างต่ำ

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

หาสัดส่วนมวลธาตุในสูตร

สังเกตจากโจทย์: ให้สูตร เช่น CH₄ หรือ CO₂ และถามว่าธาตุหนึ่งคิดเป็นกี่เปอร์เซ็นต์

เลือกวิธีคิด: หามวลโมลาร์รวมก่อน แล้วหารมวลของธาตุที่ถามด้วยมวลรวมและคูณ 100%

ตรวจข้อมูลวิเคราะห์กับสูตร

สังเกตจากโจทย์: มีร้อยละที่วัดได้และสูตรที่เสนอ

เลือกวิธีคิด: คำนวณ theoretical mass percent จากสูตรโดยใช้ฐานหนึ่งโมล แล้วเทียบความต่างโดยไม่สับสนกับร้อยละจำนวนอะตอม

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · ร้อยละมวลของ CH₄

ใช้ Ar(C)=12.01 และ Ar(H)=1.008 จงหาร้อยละโดยมวลของ C และ H ใน CH₄

มวลโมลาร์ CH₄ = 12.01 + 4(1.008) = 16.042 g/mol
มวล C ต่อโมลสารคือ 12.01 g; ร้อยละ C = 12.01/16.042×100 ≈ 74.87%
มวล H ต่อโมลสารคือ 4.032 g; ร้อยละ H = 4.032/16.042×100 ≈ 25.13%

คำตอบ: C ≈ 74.87% และ H ≈ 25.13% โดยมวล

ตรวจเหตุผล: สองเปอร์เซ็นต์รวมประมาณ 100.00%; H มี 4 อะตอมแต่มีมวลรวมต่ำกว่า C หนึ่งอะตอม

ตัวอย่าง 2 · สัดส่วนมวลของ O ใน CO₂

ใช้ Ar(C)=12.01 และ Ar(O)=16.00 จงหาร้อยละโดยมวลของ O ใน CO₂ แล้วเปรียบเทียบกับสัดส่วนจำนวนอะตอม O

M(CO₂)=12.01+2(16.00)=44.01 g/mol และ O รวม 32.00 g/mol
ร้อยละมวล O=32.00/44.01×100≈72.71%
สัดส่วนจำนวนอะตอม O คือ 2 ใน 3 อะตอม หรือ 66.7%; จึงไม่เท่ากับร้อยละมวล

คำตอบ: O ≈ 72.71% โดยมวล; แต่เป็น 66.7% ของจำนวนอะตอมในหนึ่งโมเลกุล

ตรวจเหตุผล: มวล O 32.00 g มากกว่ามวล C 12.01 g จึงมีสัดส่วนมวลสูงกว่าสัดส่วนจำนวนอะตอม