การทดลองที่ 5 ปริมาณสัมพันธ์ : ปฏิกิริยาระหว่างโลหะเหล็กกับสารละลายทองแดง(II) ซัลเฟต

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด: 23 พฤษภาคม 2563
[Lab Menu]

1. เพื่อฝึกทักษะการทำปฏิกิริยาเคมี
2. เพื่อฝึกทักษะการทดลองปฏิกิริยาเคมีตามปริมาณสัมพันธ์

• บทปฏิบัติการ [pdf]
• รายงานการทดลอง [pdf]

ในการเขียนสมการเคมีให้ถูกต้องจําเป็นจะต้องทราบถึงชนิดของสารตั้งต้นและอัตราส่วนเหล่านั้นที่เข้าทําปฏิกิริยากันพอดีและชนิดปริมาณของสารผลิตภัณฑ์ที่ได้ด้วย เพื่อเป็นศึกษาการเตรียมสารประสอบเคมีในห้องปฏิบัติการ จึงจำเป็นที่จะต้องทราบความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องกับสารที่เข้าทำปฏิกิริยาในปริมาณต่าง ๆ ที่เรียกว่า ปริมาณสัมพันธ์ (stoichiometry) ปริมาณของผลิตภัณฑ์จะถูกกำหนดโดยสารเข้าทำปฏิกิริยาที่หมดไปก่อน เรียกว่าสารกำหนดปริมาณ (limiting agent) เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นปริมาณผลิตภัณฑ์ที่กำหนดให้ชนิดหนึ่งจะมีค่ามากที่สุดตามค่าที่คำนวณได้จากปริมาณสัมพันธ์ตามสมการเคมี เรียกปริมาณผลิตภัณฑ์นี้ว่าเป็น ผลผลิตตามทฤษฎี (theoretical yield) แต่ในทางปฏิบัติ ปริมาณที่ได้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มักมีค่าน้อยกว่าที่ได้จากทฤษฎี อาจเนื่องมาจากเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงอื่น ๆ หรือปฏิกิริยายังดำเนินไปไม่สมบูรณ์  จึงมีค่าที่ใช้วัดประสิทธิภาพของปฏิกิริยา คือผลผลิตร้อยละ (percentage yield) ซึ่งมีความสัมพันธ์ตามสมการ

ในการทดลองนี้จะใช้หลักปริมาณสัมพันธ์เพื่อให้ได้สมการที่เหมาะสมระหว่างปฏิกิริยาของโลหะเหล็กและสารละลายทองแดง(II)ซัลเฟต เมื่อปฏิกิริยาเริ่มต้นการก่อตัวของโลหะทองแดงซึ่งตกตะกอนเป็นผงสีแดงส้มอย่างชัดเจน ปฏิกิริยานี้เป็นหนึ่งในตัวอย่างของปฏิกิริยาการแทนที่ครั้งเดียว (single substitution) กล่าวคือองค์ประกอบหนึ่ง แทนที่ด้วยองค์ประกอบอื่น ด้วยรูปแบบของ Fe มีสองรูปแบบคือ Fe²⁺ (ferrous) และ Fe³⁺ (feric) โดยหลักปริมาณสัมพันธ์จะเกี่ยวข้องกับจำนวนโมลของสารที่ทำปฏิกิริยากันคือ โลหะเหล็กกับ CuSO₄ ดังนั้น ถ้าในปฏิกิริยาเกิด Fe²⁺ ปฏิกิริยาจะสอดคล้องกับสมการ (1) แต่ถ้าเป็น Fe³⁺ ปฏิกิริยาจะสอดคล้องกับสมการ (2)

Eq (1)     Fe(s) + CuSO₄(aq) → FeSO₄(aq)+ Cu(s)

หรือ         Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

Eq (2)   2Fe(s) + 3CuSO₄(aq) → Fe₂(SO₄)₃(aq)+ 3Cu(s)

หรือ        2Fe(s) + 3Cu²⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq)+ 3Cu(s)

การคำนวณปริมาณเหล็กโดยอาศัยการเติมสารละลาย CuSO₄ ที่มากเกินพอ หลังจากเกิดปฏิกิริยาอย่างสมบูรณ์ ปริมาณทองแดงที่เกิดขึ้นจะสัมพันธ์เชิงโมลกับเหล็ก ตามสมการเคมี

อุปกรณ์

1. บีกเกอร์ 100 mL
2. เตาไฟฟ้า
3. กระบอกตวง 25 mL
4. เครื่องชั่งไฟฟ้า 4 ตำแหน่ง

สารเคมี

1. ผงเหล็ก
2. สารละลาย CuSO₄ 1.0 mol/L
3. แอซีโตน

ขั้นตอนการทดลอง

1. ชั่งบีกเกอร์ 100 mL จดน้ำหนักบีกเกอร์เปล่า (ควรใช้เครื่องชั่งเดี่ยวกันตลอดการทดลอง)
2. ชั่งผงเหล็ก (iron powder) 1.00 g (ห้ามเกิน 1.01 g) ใส่ลงในบีกเกอร์ที่ชั่งน้ำหนัก (ข้อ 1)
3. ตวงสารละลาย CuSO₄ 1.00 mol/L ปริมาตร 30 mL (ใช้กระบอกตวง) รินลงในบีกเกอร์อีกใบหนึ่ง นำไปให้ความร้อนด้วยเตาไฟฟ้าจนสารละลายเกือบเดือด
4. ค่อยๆ เทสารละลาย CuSO₄ ที่ร้อนลงในบีกเกอร์ที่มีผงเหล็ก (ข้อ 2) กวนสารละลาย 2-3 นาที ปล่อยให้สารละลายเย็นตัวลง
5. ค่อยๆ รินสารละลายทิ้ง โดยระวังอย่าให้ผงทองแดงหลุดออกมาด้วย*
6. เติมน้ำกลั่น 10 mL กวนสารละลาย เพื่อกำจัดสารปนเปื้อนที่ติดกับผงทองแดง แล้วค่อยๆ รินสารละลายทิ้ง*  (ทำขั้นตอนนี้ 2 รอบ)
7.  เติมแอซีโตน 5 mL กวนสารละลายและตั้งทิ้งไว้ 2-3 นาที ค่อยๆ รินแอซีโตนทิ้ง*
8. ให้ความร้อนอ่อนๆ เพื่อระเหยของเหลว (ใช้ช้อนตักสารช่วยกระจายผงทองแดงใหหความร้อนทั่วถึง) จนกระทั่งผงทองแดงแห้ง
9. รอให้บีกเกอร์เย็น นำไปชั่งน้ำหนัก น้ำหนักที่ได้เป็นน้ำหนักบีกเกอร์เปล่ารวมกับผงทองแดง
10. คำนวณจำนวนโมลของเหล็กที่ใช้และโมลของทองแดงที่เกิดขึ้น