Chemical Reactions & Stoichiometry: พื้นฐานที่แพทย์ต้องรู้

ส่วนที่ 1 — Reaction Scheme, Energy Profile และ Reversibility

องค์ประกอบของปฏิกิริยาเคมี

ก่อนจะคำนวณอะไรได้เลย ต้องรู้ก่อนว่า "สิ่งที่อยู่ในสมการ" แต่ละตัวคืออะไร

ตัวอย่าง cellular respiration: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP
→ Reactants: glucose + O2 · Products: ATP · By-products: CO2 + H2O · Catalyst: cellular enzymes

Coefficient vs Subscript — กับดักที่ออกสอบบ่อยมาก

ในสมการ C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

• เลข 6 หน้า O2 = Coefficient = จำนวนโมลในอัตราส่วน (ต่างกัน ได้ถ้าปรับ)
• เลข 2 ห้อย O ใน O2 = Subscript = จำนวนอะตอมในโมเลกุล (ห้ามแก้ เพราะเปลี่ยนสารไปเลย)

สรุป: การ balance สมการ ทำโดยการปรับ coefficient เท่านั้น ห้ามแตะ subscript เด็ดขาด

Energy Profile — อ่านกราฟให้ออก

กราฟ energy profile มีข้อมูล 3 อย่าง:

1. Ea (activation energy) = ความสูงของ "ภูเขา" จาก reactant ขึ้นไปถึงยอด → วัดอัตราเร็วของปฏิกิริยา
2. ΔH = H(products) − H(reactants) → วัดทิศทางการถ่ายเทความร้อน
   • Product อยู่ ต่ำกว่า reactant → ΔH < 0 → Exothermic (คายความร้อน) เช่น cellular respiration
   • Product อยู่ สูงกว่า reactant → ΔH > 0 → Endothermic (ดูดความร้อน) เช่น photosynthesis
3. ΔG = ΔH − TΔS → วัด spontaneity (ถ้า ΔG < 0 = exergonic = เกิดได้เอง)

หลักสำคัญของ Enzyme/Catalyst:

Reversible vs Irreversible

• สัญลักษณ์ ⇌ = reversible / equilibrium (อย่าสับสนกับ ↔ = resonance)
• ตัวอย่างทางคลินิกที่สำคัญ: Bicarbonate buffer system

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−

• ที่ปอด: เป่า CO2 ออก → สมดุลเลื่อนซ้าย → pH สูงขึ้น (respiratory alkalosis ถ้ามากเกิน)
• ที่ไต: ควบคุม HCO3− → metabolic control

ตัวอย่าง irreversible: Glycolysis step 1 (hexokinase) มี ΔG <<< 0 → ไม่กลับหลัง

ส่วนที่ 2 — Balancing, Mole และ Stoichiometric Calculations

Law of Conservation of Mass — พื้นฐานของการ balance

"สสารไม่ถูกสร้างขึ้นหรือทำลาย" → จำนวนอะตอมแต่ละธาตุ ซ้าย = ขวา เสมอ

วิธีดุลสมการ (Inspection Method) — ลำดับ C → H → O

ตัวอย่าง: เผาไหม้ ethanol C2H5OH + ?O2 → ?CO2 + ?H2O

1. ดุล C: ซ้ายมี C 2 ตัว → CO2 ต้องมี coefficient = 2
2. ดุล H: ซ้ายมี H 6 ตัว (5+1) → H2O ต้องมี coefficient = 3
3. ดุล O: ขวามี O = (2×2)+(3×1) = 7; ซ้ายมี O จาก OH = 1 → ขาดอีก 6 → O2 ต้องมี coefficient = 3

คำตอบ: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

ตรวจสอบ: C(2=2✓) H(6=6✓) O(1+6=7=4+3✓)

Molecular Mass และ Mole Conversion

จากสูตร MW ของ glucose (C6H12O6):

• C: 12.01 × 6 = 72.06
• H: 1.008 × 12 = 12.10
• O: 16.00 × 6 = 96.00
• MW = 180.16 g/mol

สูตรที่ต้องจำ:

n (mol) = mass (g) ÷ MW (g/mol)

ตัวอย่าง: glucose 90 g → n = 90 ÷ 180 = 0.5 mol → มี 0.5 × 6.022×10²³ = 3.01×10²³ โมเลกุล

Limiting Reagent และ Theoretical Yield

Limiting reagent = สารที่ "หมดก่อน" → จำกัดปริมาณผลิตภัณฑ์สูงสุดที่ได้

ขั้นตอน 3 steps:

1. แปลงสารตั้งต้น ทุกตัว เป็น mol
2. หาว่าตัวไหนหมดก่อนโดยเทียบกับ mole ratio ในสมการ
3. คำนวณ theoretical yield จาก limiting reagent เท่านั้น

ตัวอย่าง: NaHCO3 (MW 84) 8.4 g + HCl → NaCl + H2O + CO2

• n(NaHCO3) = 8.4 ÷ 84 = 0.10 mol
• Mole ratio 1:1 → n(HCl) ต้องใช้ = 0.10 mol
• หมายเหตุ: MW ของ HCl (36.5) เป็น ข้อมูลหลอก ถ้าโจทย์ถามเป็นโมล ไม่ต้องใช้!

Percentage Yield

% Yield = (actual yield ÷ theoretical yield) × 100

ตัวอย่าง: methanol 0.320 g (MW 32) ถูก metabolise → formaldehyde (MW 30)

• n(methanol) = 0.320 ÷ 32 = 0.010 mol
• Theoretical yield = 0.010 × 30 = 0.300 g
• Actual yield = 0.200 g
• % Yield = (0.200 ÷ 0.300) × 100 = 66.7%

กับดัก: อย่าเทียบมวลตรงๆ (0.200 ÷ 0.320 × 100 = 62.5% → ผิด!) เพราะ MW ของ methanol ≠ MW ของ formaldehyde → ต้องแปลงเป็นโมลก่อนเสมอ

ส่วนที่ 3 — Atom Economy, Green Chemistry และ Stoichiometry in Clinical Context

Atom Economy — ประสิทธิภาพเชิงการออกแบบ

% Atom Economy = (MW ของ desired product ÷ Σ MW ของสารตั้งต้นทั้งหมด) × 100

• ยิ่งสูง = waste น้อย = eco-friendly มากกว่า
• คำนวณ ก่อนทดลอง ได้เลย เพราะใช้แค่ MW จากสมการ (ไม่ใช่มวลจริงที่ชั่งได้)
• Catalyst ไม่นับ ในตัวส่วน เพราะไม่ถูกใช้หมด

ตัวอย่าง ibuprofen synthesis (BHC process):

• Reactants: isobutylbenzene (134.22) + acetic anhydride (102.09) + H2 (2.02) + CO (28.01)
• Σ MW = 134.22 + 102.09 + 2.02 + 28.01 = 266.34 g/mol
• Desired product ibuprofen MW = 206.29 g/mol
• % AE = (206.29 ÷ 266.34) × 100 = 77.5%

กับดักที่พลาดบ่อย: ลืมนับ H2 และ CO (ดูเล็กแต่ต้องนับ!) → ถ้าลืมจะได้ 87.3% ซึ่งผิด

Atom Economy vs Percentage Yield — ต่างกันอย่างไร?

12 Principles of Green Chemistry (ที่ออกสอบบ่อย)

• Atom Economy: Maximize atoms ที่ไปอยู่ใน desired product
• Catalysis: ใช้ catalyst ที่นำกลับมาใช้ซ้ำได้ → ไม่สร้าง waste → AE สูงขึ้น
• Energy Efficiency: ทำปฏิกิริยาที่ room temp/pressure

เหตุที่ enzymatic pathway ดีกว่า stoichiometric oxidant:

• Stoichiometric oxidant ใส่ 1.1 เท่า → ถูกใช้หมด → กลายเป็น waste ทั้งหมด → นับเข้าตัวส่วน AE → AE ต่ำ
• Enzyme: ใช้ปริมาณน้อย ไม่ถูกใช้หมด → ไม่นับใน AE → AE สูง + ทำงานที่ 37°C → ประหยัดพลังงาน

Stoichiometry ในบริบทคลินิก — ตัวอย่างที่สำคัญ

Case 1: Antacid (NaHCO3) neutralize HCl

NaHCO3(s) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)

ผู้ป่วยมีกรดในกระเพาะ 100 mL ของ 0.10 M HCl:

• n(HCl) = 0.100 L × 0.10 mol/L = 0.010 mol
• Ratio 1:1 → n(NaHCO3) = 0.010 mol → mass = 0.010 × 84.01 = 0.840 g = 840 mg
• ปริมาณ CO2 ที่เกิด (ใช้ Ideal Gas Law: V = nRT/P): V = (0.010 × 0.08206 × 310.15) / 1.0 = 0.2545 L = 254.5 mL

Case 2: Paracetamol overdose — NAC antidote

NAPQI + Glutathione → Non-toxic adduct (ratio 1:1) NAPQI (excess) + NAC → Non-toxic adduct (ratio 1:1)

ผู้ป่วยมี NAPQI 3.35 mmol แต่ glutathione เหลือ 2.00 mmol:

• Glutathione หมดก่อน → limiting reagent
• NAPQI ที่ยังเหลือ = 3.35 − 2.00 = 1.35 mmol
• NAC ที่ต้องให้ = 1.35 mmol × 163.19 g/mol = 220.3 mg

ความสำคัญทางคลินิก: ให้ NAC น้อยเกิน → NAPQI ยังทำลาย hepatocyte; ให้เกิน → ผลข้างเคียง → ต้องการ precision ทางเคมีทุกขั้นตอน

สรุปสูตรที่ต้องจำ