แก๊ส ของแข็ง...

หนวยท 5 แกส ของแขง ของเหลวและสารละลาย

(Gas, solid, liquid and aqueous solutions) โดยทวไปสสารแบงได 3 สถานะคอ ของแขง ของเหลว และแกส อนภาคของสสารอาจจะเปน

อะตอม ไอออนหรอโมเลกลได ความหนาแนนของอนภาคของทง 3 สถานะ (รป 5.1) การศกษาเกยวกบเรองของสารตางๆ ในสถานะแกสจะสามารถใหขอมลและตวอยางของวธการทางวทยาศาสตรไดเปนอยางด

รปท 5.1 ความหนาแนนของอนภาคของของแขง ของเหลวและแกส

สสารในสถานะแกสเปนสารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยมาก แกสจงฟงกระจายจนเตมภาชนะทบรรจ แกสมปรมาตรและรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามลกษณะรปรางของภาชนะทบรรจ สสารในสถานะของเหลวเปนสารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมากกวาสสารในสถานะแกส แตนอยกวาของแขง จงมปรมาตรทแนนอน แตมรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามลกษณะรปรางของภาชนะทบรรจ สสารในสถานะของแขงเปนสารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก ท าใหอนภาคอยใกลชดกน ดงนนจงมรปรางและปรมาตรทแนนอน ไมเปลยนไปตามลกษณะรปรางของภาชนะทบรรจ

5.1 สมบตของแกส

สารทอยในสถานะแกส จะเกดมาจากของเหลว หรอของแขงของสารนน ทเปลยนสถานะโดยไม มการสลายตว ซงอนภาคของแกสจะอยหางกนมากกวาของแขงและของเหลว หรอมความหนาแนนต ากวาโดยอนภาคมการเคลอนทอยตลอดเวลาอยางไรระเบยบ แรงดงดดระหวางอนภาคมคานอยมาก ท าใหรปรางและปรมาตรของแกสเปลยนแปลงไปตามภาชนะทบรรจ นอกจากน ความดน และอณหภม จะมผลตอสมบตของแกสมากกวาของแขงและของเหลว

แกสมอนภาคอยหางกนมากกวาของแขง ของเหลวและฟงกระจายเคลอนทตลอดเวลาในทกทศทางอยางไมเปนระเบยบและมแรงดงดดระหวางอนภาคนอยเพราะฉะนน แกสจงรปรางและปรมาตรไมแนนนอน ขนอยกบรปรางภาชนะทบรรจ ความดนและอณหภมมความส าคญตอสมบตของแกสมากกวาของเหลวและของแขง นอกจากน แกสตางๆ ยงสามารถผสมกนไดทกอตราสวน แตของเหลวจะไม เปนเชนนน นกวทยาศาสตรไดแบงประเภทของแกสเปน 2 ประเภท คอ

1) แกสอดมคต (ideal gas) หรอแกสสมบรณ (perfect gas) เปนแกสทสมมตขนมา เพออธบายพฤตกรรมของแกส แกสอดมคตจะมพฤตกรรมตางๆ เปนไปตามกฎของแกส นนคอแกสอดมคตไมมอยจรงใน

128 | เคมส าหรบวศวกร (Chemistry for Engineers)

อ.ดร.วรวทย จนทรสวรรณ

ธรรมชาต แกสอดมคตไมมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ไมมปรมาตรโมเลกล (ถอวาเปนเพยงจดทอยในภาชนะทบรรจแกสเทานน ซงมคานอยมากเมอเปรยบเทยบกบขนาดของภาชนะท าใหสามารถตดทงไดและถอวาไมมปรมาตร)

2) แกสจรง (real gas) เปนแกสทมอยในธรรมชาต มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล มปรมาตรโมเลกล สวนใหญมพฤตกรรมทไมเปนไปตามกฎของแกสอดมคต แตแกสจรงจะมพฤตกรรมคลายกบแกสอดมคตเมออณหภมสงๆ และความดนต า ซงจะท าใหโมเลกลของแกสอยหางกนมาก ท าใหมจ านวนโมเลกลนอย ซงแกสจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยจนถอวาไมมและจดไดวาเปนแกสอดมคต

สมบตทางกายภาพของแกส ขนอยกบปรมาตร อณหภม ความดนและจ านวนโมลของแกสนน ในบทนเราจะศกษาเกยวกบกฎของแกส ทฤษฎจลนโมเลกลของแกสและพฤตกรรมของแกสจรง

5.1.1 ปรมาตร อณหภมและความดน

อนภาคของแกสมการเคลอนทฟงกระจายและเคลอนทตลอดเวลา จงพบวาปรมาตรของแกสจะขนกบภาชนะทบรรจหรออาจกลาวไดวา ปรมาตรของแกส หมายถงปรมาตรของภาชนะของแกสทบรรจแกสนนๆ หนวยวดปรมาตรของแกสทใชกนทวไปคอลตร (L) ลกบาศกเดซเมตร (dm3) มลลลตร (mL) ลกบาศกเซนตเมตร (cm3) และลกบาศกเมตร (m3) อณหภมเปนคาทใชบอกปรมาณความรอนวามากนอยเพยงใด หนวยทใชวดอณหภมมหลายหนวยเชน องศาเซลเซยส (C ) องศาฟาเรนไฮต (F) เคลวน (K) องศาแรงกนและองศาโรเมอร (R) เครองมอทใชวดอณหภมทใชกนอยางแพรหลายคอเทอรโมมเตอรซงมหลายชนด บางชนดใชสารบรรจในเทอรโมมเตอรเปนของเหลว เชนปรอท น า แอลกอฮอล บางชนดใชแกสบรรจในเทอรโมมเตอรเรยกวาเทอรโมมเตอรแกส เชน ใช H2 และอากาศ ในการเลอกสารใสในเทอรโมมเตอรอาศยการขยายตวของสาร ซงเปนสมบตเฉพาะตวของสารแตละชนด การก าหนดมาตราสวนของอณหภมในเทอรโมมเตอรมกจะใชจดเยอกแขงและจดเดอดของของเหลว คอน าเปนหลก โดยการวดจดเยอกแขงและจดเดอดของน าทความดน 1 บรรยากาศ แลวแบงชวงระยะระหวางจดเดอดกบจดเยอกแขงออกเปนชองเทาๆ กนตามความตองการ ไดเปนมาตราสวนอณหภม เชน องศาเซลเซยส แบงชวงระยะระหวางจดเดอดกบจดเยอกแขงออกเปน 100 ชอง แตละชองเรยกวา 1 องศา เปนตนหนวยวดอณหภมมดงน

1) องศาเซลเซยส (celsius) หรอเดมเรยกวาเซนตเกรด (centigrade) ใชสญลกษณ C เปนมาตรวดอณหภมในหนวย SI ทนยามโดยนกอวกาศ ชาวสวเดนชอ A. Celsius (ค.ศ. 1701–1744) โดยแบงมาตรสวนระหวางจดเยอกแขงและจดเดอดของน าเปน 100 ชอง เทาๆ กน แตละชองเรยกวา 1 C

2) องศาฟาเรนไฮต (fahrenheit) ใชสญลกษณ F เปนมาตรวดอณหภมในหนวยองกฤษทนยามโดยนกสรางเครองมอวดชาวเยอรมนชอ G. Fahrenheit (ค.ศ. 1686–1736) โดยแบงมาตรสวนระหวางจดเยอกแขงและจดเดอดของน าเปน 180 ชองๆ ละเทาๆกน (จดเยอกแขงของน าท 32 F และจดการกลายเปนไอน าท 212F) แตละชองเรยกวา 1 F

3) หนวยเคลวน (Kelvin) ใชสญลกษณ K หรอหนวยอณหภมสมบรณ (absolute temperature) เปนหนวย SI นยามโดย Lord Kelvin (ค.ศ. 1824–1907) โดยแบงมาตราสวนระหวางจดเยอกแขงและจด

แกส ของแขง ของเหลวและสารละลาย | 129

เดอดของน าเปน 100 ชองๆ ละเทาๆกน แตละชองเรยกวา 1 K (จดเยอกแขงของน าท 273.15 K และจดการกลายเปนไอน าท 373.15 K สวนอณหภมต าทสดคอ 0 K)

4) หนวยแรงคน (Rankine) ใชสญลกษณ R เปนมาตรวดอณหภมทางเทอรโมไดนามกสในหนวยองกฤษ ทนยามโดย William Rankine (ค.ศ. 1820–1872) มจดเยอกแขงของน าท 491.67 R และจดการกลายเปนไอน าท 671.67 R สวนอณหภมต าทสดคอ 0 R

จะเหนไดวามาตรสวนของอณหภมเซลเซยสและเคลวนมคาเทากน แตละชองเปน 1 องศาทมขนาดเทากน

รปท 5.2 แสดงการเปรยบเทยบมาตราสวนระหวางองศาฟาเรนไฮต องศาเซลเซยส และเคลวน

การศกษาสมบตของแกสหรอการค านวณเกยวกบแกส จะใชมาตราสวนของอณหภมเปนเคลวน การเปลยนหนวยมาตราสวนเซลเซยสหรอฟาเรนไฮต ใหเปนมาตราสวนเคลวน สามารถหาไดดงน K = 273.15 + C หรอ K = 273 + C หรอ K = 273+ 5/9 (32)

ในการศกษาสมบตของแกส จะตองระบคาความดนเสมอ

เนองจากความดนเปนสมบตอยางหนงของแกสทสามารถบอกทศทางการเคลอนทได จากการทดลองวดคาความดนโดยใชอปกรณการวดความดนในบรรยากาศทเรยกวาบารอมเตอร (barometer) ซงประกอบดวยหลอดแกวยาว 80-100 เซนตเมตรปลายขางหนงบรรจปรอทใหเตมแลวคว าลงในอางปรอทในหลอดแกว เรยกวาสญญากาศเทอรเซลเลยน (torricellion vacuum)

รปท 5.3 บารอมเตอร



เมอระดบปรอทในหลอดแกวคงทแสดงวา ความดน (P ของอากาศทกดบนผวปรอทในอางเทากบความดนปรอททอยในหลอดทดลองกดลงมา ซงความดนแรงปรอทคอแรงกดจากน าหนกของปรอททอยในหลอดทดลองทกระท าตอพนทหนาตดของหลอดทดลองและเมอกลาวถงน าหนกของวตถใดๆ จะหมายแรงดงดดของโลกทกระท าตอวตถนน ดงนนแรงกดทเกดจากล าปรอทในหลอดแกวสามารถค านวณไดดงน แรงกดของปรอท (F) = มวลของปรอท (m) × ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก

แต m = V ดงนน แรงกดของปรอท (F) = Vg

= [(r2h)] g เมอ V = ปรมาตรของปรอทในหลอดแกว

= ความหนาแนนของปรอท r = รศมของหลอดแกว h = ความสงของปรอทของหลอดแกว

จากสตร A

FP

ดงนน g

A

hrP

2

หรอ g

r

hrP

2

2

P = hg ……(5.1)

เนองจาก P และ g เปนคาคงตว ดงนน Ph จงอาจระบความดนดวยความสงของล าปรอท (ในหนวย mmHg) ความดน 1 บรรยากาศ (atmosphere, atm) คอความดนทดนปรอทไดสงเทากบ 760 มลลเมตร หรอเทากบ 76 เซนตเมตรและเมอความหนาแนนของปรอท เทากบ 13.469 g/cm3 ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก เทากบ 980.7 cm/s2 ค านวณความดนไดดงน p = hpg

p = (76 cm)(13.496 g/cm3) (980.7cm/s2) p = 1.013×10 g/cm•s2

p = 1.013×10 kg/cm•s2

นนคอ 1 atm = 1.013 × 10 kg/cm•s2

หรอ = 1.013 ×10 dyne/cm•s2

= 1.013 ×10 N/m2

= 760 mmHg หนวยของความดนแกสทนยมใชคอบรรยากาศ (atm), มลลเมตรปรอท (mmHg), ทอร (torr) (ซงทอร

มาจากชอ Torricellui) นกวทยาศาสตรทศกษาเรองน โดย 1 ทอร = 1 mmHg), นวตนตอตารางเมตร(N/m2), ปาสคาล (Pa, มาจากชอนกวทยาศาสตร โดย 1 Pa = 1 N/m2), บาร (bar,1 บาร = 10 N/m2), dyne/cm2, และ lb/in2


อณหภมและความดนมาตรฐาน (standard temperature and pressure, STP) หมายถง “อณหภมท 273.15 เคลวนและความดน 1 บรรยากาศซงความดนอากาศเฉอย โดยทแกสใดๆ กตามจ านวน 1 โมล ทอยในสภาวะอณหภมและความดนมาตรฐานจะมปรมาตร 22.4 ลตร”

5.1.2 กฎของแกส

กฎของแกส (gas law) เปนกฎทอธบายเกยวกบพฤตกรรมของแกส ซงไดแกกฎของบอยล (Boyle’s law) กฎของชารลส (Charles’ law) กฎเกยลสแซก (Gay-Lussac’s law) สมมตฐานของอโวกาโดร (Avagadro’s hypothesis) สมการแกสอดมคต และความดนยอยของดาลตน โดยมรายละเอยดดงน

1) กฎของบอยล ในป ค.ศ.1662 โรเบตรต บอยล (Robert Boyle) นกเคมชาวองกฤษไดศกษาถงความสมพนธระหวางความดนและปรมาตรของแกส โดยการใชหลอดแกวตวเจ (J-shape) ทมปลายดานหนงปด โดยบอยลไดตงเปนกฎทเรยกวากฎของบอยล ซงกลาววา “ทอณหภมคงท แกสจ านวนหนง ปรมาตรของแกส จะแปรผกผนกบความดน” ซงก าหนดให n, T, V และ P แทนจ านวนโมล, อณหภม, ปรมาตรและความดน ตามล าดบ เขยนความสมพนธไดวา

P 1/V (เมอ n และ T คงท) PV = k (คาคงตว) P1V1 = P2V2 ……(5.2)

จากกฎของบอยลนเมอเราน าไปเขยนเปนกราฟแสดงความสมพนธระหวางปรมาตรและความดนจะไดลกษณะของกราฟซงม 3 แบบดงน

แบบท 1 เขยนกราฟระหวาง P กบ V จะไดกราฟไฮเปอรโบลาร (hyperbolar) จาก V = k/P เมอ V = 0 ได P =

P = 0 ได V = ดงนนลกษณะของกราฟไฮเปอรโบลารจะไมตดแกน P หรอแกน V ลกษณะของกราฟจะแตกตางกนเมออณหภมไมเทากน กราฟแตละเสนทแสดงความสมพนธระหวาง P กบ V เมออณหภมคงทเรยกวา เสนกราฟไอโซเทอม (isotherm) กระบวนการทดลองทอณหภมคงทเรยกวากระบวนการไอโซเทอรมล

รปท 5.4 แสดงความสมพนธระหวาง P กบ V เมอ T และ n คงท



แบบท 2 กราฟระหวาง P กบ 1/V จะไดกราฟเสนตรงทผานจดก าเนด (Origin)

จาก V = k/P = k P1 + 0

หรอ P = k V1 + 0

จากสมการเสนตรง y = ax + b เมอเขยนกราฟระหวาง P กบ 1/V หรอ V กบ 1/P จะไดกราฟเสนตรงทมความชน = k และมจดตด = 0 นนคอกราฟผานจดก าเนด

ถาแกสนนเปนแกสอดมคตซงเปนไปตามกฎของบอยล เมอเขยนกราฟจะไดเสนตรง ในแตละอณหภมจะไดเสนตรงทมความชนไมเทากน เสนกราฟไอโซเทอม ทอณหภมสงจะมความชนมากกวาทอณหภมต า แตอยางไรกตามถาตอเสนกราฟออกไปทกๆ เสนจะไปพบกนทจดก าเนด

รปท 5.5 แสดงความสมพนธระหวาง P กบ V

1 (หรอ V กบ P1 )

แบบท 3 กราฟระหวาง PV กบ P หรอ PV กบ V จะไดกราฟเสนตรงทขนานกบแกน P (หรอ V ตามล าดบ) หรอเปนกราฟทมความชน = 0 นนเอง ทงนพจารณาไดจาก

PV = k ซงผลคณของ P กบ V จะมคาคงท ถงแมวาคาของ P และ V จะเปลยนแปลงกตาม

รปท 5.6 แสดงความสมพนธระหวาง PV กบ P (หรอ PV กบ V)

ตวอยาง 5.1 แกสออกซเจนจ านวนหนงมปรมาตร 5.00 ลตร ภายใตความดน 740 mmHg จงหาปรมาตรของแกสจ านวนนโดยความดนมาตรฐานอณหภมคงท วธท า ความดนมาตรฐานคอ 760 mmHg จากกฎของบอยล P1V1 = P2V2

740 mmHg × 5.00 L = 760 mmHg x V2

760

00.57402

V = 4.87 ลตร


2) กฎของชารลส ในป ค.ศ 1787 ชารลส (Jacques Charles) นกฟสกสชาวฝรงเศส ซงเปนคนแรกท

สามารถเดนทางโดยใชบอลลนทเตมแกสไฮโดรเจน ชารลสไดเสนอแนวคดความสมพนธระหวางปรมาตรของแกสกบอณหภม โดยการศกษาผลของอณหภมตอปรมาตรของแกสพบวา ทความดนคงทในทกๆ 1 องศาเซลเซยสของอณหภมทเปลยนแปลง จะท าใหปรมาตรแกสเปลยนแปลงเทากบ 1/273 ของปรมาตรของแกสท0 C ซงภายหลงไดน ามาสรปเปนกฎทเรยกวา กฎของชารลส กลาววา “เมอความดนและปรมาตรของแกสทคงท ปรมาตรของแกสจะแปรผนตรงกบอณหภม” ดงนนแกสจะขยายตวเมอไดรบความรอนหรออณหภมทเพมขน และจะหดตวเมอเยนลงหรออณหภมลดลง โดยถาอณหภมเพมขน จาก 0 เปน 1 C ปรมาตรของแกสจะเพมขน 1/273 เทาของปรมาตรเดม สามารถเขยนความสมพนธไดวา

V T (เมอ p และ n คงท) V = kT

2

2

1

1

T

V

T

V ……(5.3)

รปท 5.7 ความสมพนธระหวางปรมาตรกบอณหภม

จากรปท 5.7 จะเหนวาความสมพนธระหวางปรมาตรกบอณหภมของแกส เปนสดสวนโดยตรงกน เมอลากเสนตรงมาตดกบเสนแกนอณหภม จะพบวาทกเสนจะตดตรงจดเดยวกนทอณหภม -273 C แสดงวาทจดนแกสทกชนดจะมปรมาตรเปนศนย เรยกอณหภมต าสดนวาเรยกวา ศนยสมบรณ (absolute zero) และเรยกหนวยอณหภมใหมนวา อณหภมสมบรณ (absolute) หรอ เคลวน (K) โดยทอณหภม -273

C หรอ 0 K ปรมาตร

ของแกสทกชนดจะเปนศนย ซงสามารถเขยนความสมพนธระหวางอณหภมเคลวน และเซลเซยส ได K = C + 273 จากกฎของชารลส สามารถแสดงดวยกราฟได 2 แบบ

แบบท 1 เขยนกราฟระหวาง V กบ T จะไดกราฟเสนตรงทผานจดก าเนด จากสมการ V = kT ซงเปนสมการเสนตรง มคาความชน = k ลกษณะของกราฟจะมความ

ชนแตกตางกน เมอใชความดนไมเทากน แกสชนดเดยวกน แตความดนไมเทากน สภาวะทความดนต ากราฟจะมความชนมากกวา สภาวะทมความดนสง แกสตางชนดกน แตความดนเทากน ความชนของกราฟจะแตกตางกนขนอยกบชนดของแกส กราฟแตละเสนทท าการทดลองทความดนคงทเรยกวา “เสนกราฟไอโซบาร (isobar)” ซงทกๆ จดบนเสนกราฟจะมความดนเทากน



ก. แกสชนดเดยวกน (P ไมเทากน) ข. แกสตางชนดกน (P เทากน) รปท 5.8 แสดงความสมพนธระหวางปรมาตรของแกสกบอณหภมเคลวน

แบบท 2 กราฟระหวาง V กบ t (C)จะไดกราฟเสนตรงซงมจดตดอยบนแกน V และมคาความชน

ตางกนตามชนดของแกสและความดน

ก. แกสชนดเดยวกน (P ไมเทากน) ข. แกสตางชนดกน (P เทากน) รปท 5.9 แสดงความสมพนธระหวางปรมาตรของแกสกบอณหภมเซลเซยส

ถาเขยนกราฟระหวาง V กบ T และ V กบ t ในรปเดยวกนจะไดดงน

รปท 5.10 แสดงความสมพนธระหวางปรมาตรของแกสกบอณหภม


ทอณหภม 0 เคลวน หรอ -273.15 C แกสทกชนดจะมปรมาตรเปนศนย นนคอถาลดอณหภมของแกสใหต าลงจนถง 0 เคลวน จะไมมปรมาตรของแกสเหลออย อยางไรกตามในทางปฏบตพบวาแกสจะเปลยนสถานะเปนของเหลวจนหมดกอนทอณหภมจะลดลงถง 0 เคลวน ดงนนปรากฏการณทแกสจะมปรมาตรเปนศนยท 0 เคลวนจงเปนเพยงการคาดคะเนตามทฤษฎเทานน เราอาจเปรยบเทยบสภาวะของแกสใดๆ ภายใตความดนคงท 2 สภาวะไดเชนเดยวกนกบในการศกษาความสมพนธระหวางความดนกบปรมาตรทอณหภมคงท ดงนจากสมการ (5.4) จะเขยนไดวา

1

1 2

2

2

หรอ 1

1

2

2

เมอ V1 และ V2 เปนปรมาตรของแกสทอณหภม T1 และ T2 (ในหนวยเคลวน) ตวอยาง 5.2 ปรมาตรของลกบอลลนทบรรจดวยแกสไฮโดรเจนเปน 1.00 ลตร ท 25 ºC จงค านวณปรมาตรบอลลนทเยนลงส -78 ºC ในอางทบรรจน าแขงแหงและอะชโตน

วธค านวณ จากกฎของชารลส 2

2

1

1

T

V

T

V

เมอ V1 = 1.00 ลตร V2 = ? T1 = 273+25 ºC = 298 K T2 = 273+(-78 ºC) = 195 K

195

29800.1

2

V

V2 = 0.654 ลตร

3) กฎเกย-ลสแซก(Gay-Lussac’s law) ในป ค.ศ 1778-1850 เกย-ลสแซก (Jacques Gay-Lussac’s law) ไดศกษาการ

เปลยนแปลงปรมาตร เมอน าแกส 2 ชนดขนไป มาท าปฏกรยากนแลวไดผลผลตเปนแกส ทความดนและอณหภมคงทพบวา อตราสวนระหวางปรมาตรของตวท าปฏกรยาและผลตภณฑ จะเปนอตราสวนมเลขจ านวนเตมคานอยๆ เสมอ

เกย-ลสแซก ไดเรยกกฎนวา กฎการรวมของปรมาตร (law of combining volumes) ซงกลาวโดยสรปวา “อตราสวนของปรมาตรของแกสทเขารวมตวกนหรอทถกผลตออกมาจากปฏกรยาเคมจะเทากบอตราสวนของตวเลขจ านวนเตมอยางงายเสมอ เมอความดนของแกสและปรมาณคงทปรมาตรของแกสจะแปรผนโดยตรงกบอณหภม” ดงสมการ P T (เมอ V และ n คงตว) เมอ k เปนคาคงตว จะไดวา P = kT



เพราะฉะนน kT

p

ดงนนเมอแกสใดทมความดน P1 อณหภม T1 เมอความดนเพมเปน P2 อณหภมจะลดลงเปน T2 ทปรมาตร และจ านวนโมลของแกสคงท สามารถเขยนความสมพนธไดวา

kT

p

1

1 และ kT

p

2

2

เพราะฉะนน 2

2

1

1

T

p

T

p ……5.4

จะเหนไดวาผลการศกษาของเกย-ลสแซกจะสอดคลองกบกฎของชารลส แตใหผลการทดลองทละเอยดขน กฎความสมพนธระหวางปรมาตรของแกสและอณหภมเมอความดนและปรมาตรของแกสทคงท อาจเรยกวา กฎของชารลสและเกย-ลสแซก กราฟระหวาง P กบ T และ P กบ t จะไดดงน

รปท 5.11 แสดงความสมพนธระหวาง P กบ T และ P กบ t

4) สมมตฐานของอโวกาโดร

ค.ศ. 1811 อโวกาโดร (Avogadro) ไดศกษาพฤตกรรมของแกสโดยหาจ านวนโมเลกลของแกสทปรมาตรหนงพบวา แกสทปรมาตรเทากน ภายใตอณหภมและความดนเดยวกนจะมจ านวนโมเลกลเทากน ซงเรยกวาสมมตฐานของอโวกาโดร ดงผลการทดลองทแสดงไวในตารางท 5.1 ตาราง 5.1 ผลการทดลองของอโวกาโดร ทแสดงจ านวนโมเลกลทเทากนของแกสชนดตางๆ จ านวน 50 cm3

แกส มวล มวลโมเลกล จ านวนโมเลกล

H2

N2

O2

CO2

C4H10

CCl2F2

0.005 0.055 0.061 0.088 0.111 0.228

2.000 28.01 32.00 44.01 58.12 120.91

1×1021

1.2 ×1021

1.1 ×1021 1.2 ×1021 1.15×1021

1.14×1021


อโวกาโดรไดชงน าหนกเพอหามวลของแกสตางชนดกน มปรมาตร 50 มลลลตรเทากน ไดน าหนกดงแสดงในตารางท 5.1 และเมอค านวณโมเลกลของแกสพบวามจ านวนโมเลกลทเทากน จงสรปเปนกฎวา “เมอความดนและอณหภมคงทปรมาตรของแกสจะเปนปฎภาคโดยตรงกบจ านวนโมเลกลหรอจ านวนโมลของแกส” ดงสมการ V n (เมอ P และ T คงท)

kn

V

2

2

1

1

n

V

n

V ……(5.5)

ตามกฎของอโวกาโดร เมอความดนและอณหภมคงท แกสทมปรมาตรเทากนจะมจ านวนโมลเทากนนนท สภาวะมาตรฐาน (STP) 1 โมลของแกสใดๆ จะมปรมาตรเทากนหมดคอเทากบ 22.414 ลตรและเรยกปรมาตรของสาร 1 โมลวาปรมาตรโมลาร (molar) ของสารนน

5.1.3 กฎการรวมแกส

กฎของแกส (gas law) เปนสมการรวมกฎของบอยส และกฎของชารลส-เกยลสแซก เขาดวยกนเปนสมการรวมกฎของแกส (combined gas law equation) ดงน

ตามกฎของบอยส PV = คาคงตว (T และ n คงท)

ตามกฎของชารลส T

V = คาคงตว (P และ n คงท)

จะไดกฎรวมของแกสคอ T

PV = k (คาคงตว) ……5.6

2

22

1

11

T

VP

T

VP ……5.7

กฎของแกสนใชไดเมอปรมาณหรอจ านวนโมเลกลของแกสคงทไมเปลยนแปลง ซงมประโยชนมากในการหาความดน ปรมาตรและอณหภมของแกสเมอเปลยนจากสภาวะหนงไปอกสภาวะหนง จากสมการ 5.7 จะเหนไดวา หากปรมาตรและปรมาณสารคงท ความของแกสจะแปรผนโดยตรงกบอณหภมสมบรณดวย ดงสมการ P T (เมอ V และ n คงท) P = kT (k = คาคงตว)

kT

P

2

2

1

1

T

P

T

P ……5.8

จากสมการท (5.5) ตามกฎของอโวกาโดร V n (เมอ P และ T คงท) จะเหนไดวาหาก n ไมใชคาคงท สมการท (5.6) จะถกเขยนใหมเปน

T

PV n

T

PV = nk



ให R เปนคาคงตวของสมการนเรยกวาคาคงตวของแกส (gas constant, R = 0.082057 L atm mol-1 K-1) เมอเขยนใหมจะไดสมการสถานะของแกสอดมคต (equation of state for an ideal gas) หรอเรยกวากฎของแกสอดมคตดงน

PV = nRT ……5.9

5.1.3 แกสผสมและความดนยอย ในการศกษาสมบตของแกสผสมตงแต 2 ชนดขนไป ดาลตนพบวาความดนรวมของแกสผสมม

คาเทากบผลรวมของความดนของแกสแตละชนดเมออยแยกกนในภาชนะเดยวกน ภายใตอณหภมเดยวกนความดนของแกสแตละชนดทอยในแกสผสมเรยกวา ความดนยอย (partial pressure) ของแกสนน กฎผลรวมนเรยกวากฎความดนยอยของดาลตน (Dalton’s law of partial pressure) เขยนเปนสมการไดดงน Pt = P1 + P2 + P3 + … ……5.10 เมอ P1 คอความดนรวมและ P1, P2, P3 คอความดนยอยของแกสแตชนดถาแกสแตละชนดมพฤตกรรมแบบแกสอดมคตจะไดวา (เมอ T และ V คงท) P1 = n1(RT/V) P2 = n2(RT/V) P3 = n3(RT/V) Pt = (n1 + n2 + n3 + …)(R / ) ……5.11 ตวอยาง 5.3 น าเอาแกสออกซเจน (O2) 100 cm3 ซงมความดน 360 mmHg และแกสคารบอนไดออกไซด (CO2) 150 cm3 ซงมความดน 300 mmHg มาใสไวรวมกนในขวดจ 200 cm3 อณหภมเทากนโดยตลอด จงหาความดนรวมของแกสออกซเจนและแกสคารบอนไดออกไซดในขวดใบน

วธท า ตามกฎของบอยล 2OP = 360 x

200

100 = 180 mmHg

2COP = 300 x

200

150 = 225 mmHg

Pt = 2OP +

2COP

ความดนรวม = 180 + 225 = 405 mmHg

5.1.4 กฎการแพร (diffusion law) การแพร (diffusion) เปนกระบวนการทโมเลกลแกสภายใตความดนในภาชนะใบหนงหลดผานรเลกๆ ไปยงอกภาชนะหนงใน ค.ศ.1846 โทมส แกรแฮม (Thomas Graham) นกวทยาศาสตรชาวสกอตแลนด พบวาอตราการแพรผานของแกสตางชนดกน แกสทเบากวา (มความหนาแนนโมเลกลนอยกวา) จะแพรผานไดเรวกวาแกสทหนกกวา (มความหนาแนนโมเลกลมากกวา) เมอเปรยบเทยบการแพรผานของแกสองชนด ภายใตความดนและอณหภมเดยวกน อตราการแพรผานของแกสหนงๆ แปรผกผนกบรากทสองของความหนาแนนโมเลกลของแกสนนเรยก กฎการแพรของแกรแฮม (Graham’s law of diffusion) เขยนเปนสมการไดดงน


อตราการแพรของแกส A

อตราการแพรของแกส √

d

dA

เมอ dA และ dB เปนความหนาแนนของโมเลกล A และ B ตามล าดบ ซงความหนาแนนของโมเลกลเปนสดสวนโดยตรงกบน าหนกโมเลกลของแกส ตามสมการ PV = nRT PV = g/MRT M = (g/V)RT/P นนคอ M d (R, T และ P คงท) ในเมอ M = น าหนกโมเลกลของแกส d = ความหนาแนนของโมเลกล ดงนนเขยนสมการในรปของน าหนกโมเลกลของแกส ไดวา

อตราการแพรของแกส A

อตราการแพรของแกส √

d

dA √

A

5.1.5 ทฤษฎจลนของแกส (kinetic theory of gas)

พฤตกรรมของแกสอดมคตหรอแกสสมบรณไดจากการรวมผลของการทดลองมาตงเปนกฎตางๆ กฎเหลานแสดงความสมพนธระหวางตวแปรตางๆ ไดแกความดน ปรมาตร อณหภมและจ านวนโมเลกลของแกส ดงกลาวมาแลว ตอไปจะพจารณาถงพฤตกรรมของแกสในระดบโมเลกลเพอทจะอธบายความหมายของกฎและตวแปรตางๆ ทฤษฎนเรยกวาทฤษฎจลนของแกสทอาศยสมมตฐาน 5 ขอ ซงไดจากสมบตและธรรมชาตของแกส ดงตอไปน

1. แกสถกอดตว (compressed) ไดงายมากเมอเทยบกบของเหลวและของแขง แสดงวาภายในภาชนะทบรรจอยนน สวนใหญเปนทวางสมมตฐานขอนจงพจารณาวาแกสประกอบดวยโมเลกลทมขนาดเลกมากจนตดปรมาตรของโมเลกลออกไดและโมเลกลของแกสอยหางกนมาก

2. จากการทโมเลกลอยหางกนมากท าใหถอไดวา โมเลกลของแกสไมมแรงกระท าตอกน การเคลอนไหวของแตละโมเลกลจงเปนไปอยางอสระ

3. โมเลกลทเปนอสระ ยอมเคลอนทเปนแนวเสนตรงยกเวนเมอเขาชนกบโมเลกลของแกสอนหรอกบผนง การชนนเกดขนบอยครงจนท าใหการเคลอนทของแกสไมเปนระเบยบ นอกจากนถอวาเปนการชนแบบยดหยน (elastic) นนคอพลงงานรวมของแกสทงสองโมเลกลทเขาชนกนไมเปลยนแปลงโมเลกลหนงสญเสยพลงงานจลนไปเทาใด อกโมเลกลกจะรบพลงงานจลนเพมขนเทานน แกสเคลอนทตลอดเวลา (ในแกส 1 โมลท STP จะมการชน 1030 ครงตอวนาท) สมมตวาการชนไมเปนแบบยดหยนหมายความวาพลงงานจลนรวมลดลง โมเลกลทงสองทชนกนจะสญเสยพลงงานจลนไปเปนพลงงานรปอน ซงถาเปนดงน โมเลกลของแกส



ยอมจะเคลอนทชาลงจนกระทงหยดนง แตในความจรงไมเปนเชนนน แสดงวาการชนระหวางโมเลกลจะตองเปนแบบยดหยน

4. ความดนของแกสเปนผลจากการชนกนระหวางโมเลกลของแกสกบผนงของภาชนะ เมอโมเลกลของแกสชนผนงของภาชนะจะมแรงกระท าตอผนง แรงรวมเกยวของโดยตรงกบแรงกระท าแตละครงและความถของการชน

5. แกสแตละโมเลกลมพลงงานจลนตางกนแตพลงงานจลนเฉลยของโมเลกลทงหมดเปนสดสวนโดยตรงกบอณหภมสมบรณของแกส (KET) และพลงงานจลนเฉลยของแกสใดๆ จะเทากนทอณหภมเดยวกน

เมอให m แทน มวลซงมคาไมเปลยนแปลงแมอณหภมจะเปลยนไปและในสภาวะทความดนต าและอณหภมสง แรงดงดดระหวางโมเลกลมนอยมากจนไมตองค านงถง การเคลอนทของโมเลกลเปนไปอยางอสระ ความเรวในการเคลอนททท าใหโมเลกลมพลงงานจลนเปนคาเฉลย คอเปนความเรวทมคาเปนรากทสองของก าลงสองเฉลย (root mean square speed, Vrms หรอ 2V หรอ u) ความเรวนหาไดจากสมการ

N

VVVV

...2

3

2

2

2

12

เมอ V1, V2, V3 = ความเรวแกสโมเลกลท 1, 2, 3 ตามล าดบ N = จ านวนโมเลกลของแกสทงหมด 2V = ความเรวก าลงสองเฉลย ดงนนพลงงานจลนเฉลย (KE) มคาตามสมการ คอ KE = ½ m 2V rms หรอ KE = ½ m 2V rms และพลงงานจลนเฉลยของแกสใดๆ จะเทากนทอณหภมเดยวกน ดงนน KEA = KEB

½ mA 2

AV rms = ½ mB 2

BV rms ดงนนเขยนสมการในรปของน าหนกโมเลกลของแกส ไดวา

A

B

B

A

m

m

V

V

rms

rms 2

2

m หรอมวลของแกสแปรผนโดยตรงกบน าหนกโมเลกลแกส (M) ดงนน

A

B

B

A

M

M

V

V

rms

rms 2

2

ซงเปนไปตามกฎการแพรของแกรแฮมคออตราการแพรของโมเลกลของแกสเปนสดสวนโดยตรงกบความเรวของโมเลกลทแปรผกผนกบน าหนกโมเลกลของแกสดวย

A

B

A

B

rmsB

rmsA

M

M

m

m

V

V

ความเรวรากทสองก าลงเฉลยรากทสอง (Vrms) หรอ u เปนความเรวทไมเหมอนกบอตราเรวเฉลย V แตความแตกตางระหวางสองความเรวนนอยมาก


5.1.6 พฤตกรรมของแกสจรง (behavior of real gas) จากสมการของแกสอดมคต PV = nRT จะไดวาแกสอดมคตจ านวน 1 โมล นนจะมปรมาณ

RT

PV เทากบ 1 เสมอในทกๆ ความดน สวนแกสจรงชนดตางๆ จ านวน 1 โมลเทากนเมอมความดนสงขนจะมคา

RT

PV ไมเทากบ 1 แตกตางกนไปแลวแตชนดของแกส แกสจรงจะมคา RT

PV เทากบ 1 หรอใกลเคยง 1 ในกรณท

มความดนต ามากๆ และอณหภมสง พฤตกรรมทเบยงเบนไปจากแกสอดมคตนเกดจากแรงดงดดระหวางโมเลกลทเรยกวาแรงแวนเดอรวาลสและแกสมปรมาตรโดยปรมาตรของโมเลกลเมอรวมกนแลวมคามากจนไมสามารถตดปรมาตรของโมเลกลออกจากสตรทใชค านวณได แวนเดอรวาลส (J.D. Van der Waals) ไดเสนอสมการทใชค านวณสถานะของแกสจรงเรยกสมการแวนเดอรวาลส (van der waals equation) ดงน

nRTnbVV

anp

2

2

P, V และ T เปนความดน ปรมาตรและอณหภมของแกสตามทวดไดจรงในขณะปฏบต n เปนจ านวนโมเลกลของแกส a และ b เปนคาคงตวทชวยแกเกยวกบแรงดงดดระหวางโมเลกลและปรมาตรของโมเลกลแกสซงเปนคาคงตวเฉพาะส าหรบแกสแตละชนด กจกรรม 1. อารกอน (Ar) เปนแกสเฉอยทบรรจในหลอดไฟฟาเพอยดอายของไสหลอด ถาหลอดไฟหลอดหนงบรรจ

อารกอนความดน 1.20 atm ท 18 oC หลอดไฟนเมอใชงานแลวรอนขนเปน 85 oC จะมความดนเปนก atm

2. แกสธรรมชาตถงหนงประกอบดวย CH4 8.24 โมล C2H6 0.421 โมล และ C3H8 0.116 โมล ถาความดนรวมของแกส คอ 1.37 atm ความดนของ C3H8 เปนเทาไร

3. ค านวณหามวลของแกส O2 128 mL ทเตรยมจากปฏกรยาการสลายตวของโพแทสเซยมคลอเรตโดยใชอปกรณเกบแกสเหนอน าท ความดน 762 mmHg และ อณหภม 24 oC ซงมความดนไอน า 22.4 mmHg



5.2 สมบตของของแขง 5.2.1 ลกษณะทวไปของของแขง ของแขงหมายถงอะตอม ไอออนหรอโมเลกลทประกอบกนขนเปนของแขงมการจดเรยงอะตอม ไอออนหรอโมเลกลอยในต าแหนงทแนนอนและใกลชดกนมาก จงมแรงดงดดระหวางอนภาคสง ท าใหของแขงมความแขงมรปรางทแนนอนไมขนกบภาชนะทบรรจ เมอความดนเปลยนปรมาตรจะเปลยนไปนอยมาก อนภาคของของแขงไมมการเคลอนทแตมการสนได จงท าใหของแขงมพลงงานจลนนอยมากเมอเทยบกบแกส ของแขงเมอไดรบความรอนจะมการขยายตวเนองจากการสนของอนภาค แตอตราการขยายตวนอยมากเมอเทยบกบแกสของแขงบางชนดเปนตวน าความรอน น าไฟฟา บางชนดเปนสารกงตวน าและบางชนดเปนฉนวน ของแขงสามารถแบงได 2 ประเภทดงน 1. ของแขงรปผลก (crystalline solids) หมายถงของแขงทประกอบดวยอนภาค ซงอาจเปนอะตอม ไอออนหรอโมเลกลทจดเรยงตวกนอยางมระเบยบและมรปรางผลกเปนทรงเรขาคณต จงท าใหของแขงประเภทนมสมบตทเดนชดเชนมผวหนาเรยบ มมมทแนนอน จดหลอมเหลวอยในชวงแคบ นอกจากนการน าไฟฟาและดชนหกเหของผลกไมเทากนทกทศทาง เนองจากการจดเรยงอนภาคในผลกเรยกวา anisotropy substances ตวอยางของแขงประเภททมรปผลกเชน น าแขง เกลอ น าตาลและก ามะถน เปนตน 2. ของแขงอสณฐาน (amorphous solids) หมายถงของแขงทประกอบขนดวยอนภาคทจดเรยงตวกนอยางไมเปนระเบยบจงไมมรปทรงเรขาคณตมมมทไมแนนอน จดหลอดเหลวอยในชวงกวางท าใหจดหลอมเหลวไมเดนชดและมลกษณะดชนหกเหของผลกทไมขนกบทศทางเรยกวา isotropy substance เชนแกว ยาง พลาสตก เปนตน 5.2.2 ชนดของผลกของแขง

ในการอธบายของแขงผลกใชแนวคดทเรยกวา แลตทซ (lattice) โดยก าหนดวาผลกเกดจากจดเลกๆ ทเรยกวา จดแลตทซ (lattice point) ทอยในสามมตเรยกวา แลตทซสเปส (lattice space) ในระนาบทขนานกนขนานกนเปนระยะเทากน เรยกระนาบวา ระนาบแลตทซ ( lattice plane) การเรยงตวแบบสามมตของอนภาคภายในผลกท าใหเกดแบบของจดแลตทซ เรยกวา แลตทซผลก (crystal lattice)

1) ผลกโมเลกล (molecular crystal) ประกอบขนจากอนภาคทจดแลตทชอาจเปนอะตอมหรอโมเลกล แรงยดเหนยวระหวางอนภาคจงเปนแรงแวนเดอรวาลสประเภทแรงลอนดอน แรงไดโพล- ไดโพล หรอพนธะไฮโดรเจน ขนอยกบขวของโมเลกล ผลกชนดนจงมจดหลอมเหลวต า ระเหยงาย ความดนไอสง ไมน าไฟฟา เชน ผลกก ามะถน แนฟทาลน ไอโอดน น าตาลทราย เปนตน

2) ผลกไอออนก (ionic crystal) อนภาคของผลกประเภทนจะเปนไอออนบวกและไอออนลบเรยงตวสลบกนไปในลกษณะสามมตท าใหผลกประเภทนมแรงยดเหนยวระหวางประจแขงแรงมาก ซงเรยกแรงยดเหนยวระหวางไอออนบวกกบไอออนลบนวา แรงคลอมบ (coulomb force) ผลกไอออนกแขงแตเปราะ มจดหลอมเหลวแลจดเดอดสง ขณะเปนของแขงไมน าไฟฟาแตเมอหลอมเหลวหรออยในรปสารละลายจะสามารถน าไฟฟาได ไดแกสารประกอบออกไซดของโลหะหม 1 และหม 2 เกลอเฮไลดของโลหะตวอยางเชน NaCl, KCl, CaF, CsCl, ZnS และ CaF2 เปนตน


รปท 5.12 แสดงหนวยเซลลโครงผลกของ NaCl 3) ผลกโคเวเลนต (covalent crystal) เปนผลกทอะตอมยดเหนยวกนดวยพนธะโคเวเลนต เรยกวา

ผลกโคเวเลนต หรอของแขงโคเวเลนต โดยการใชอเลกตรอนวงนอกสดรวมกนเกดแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ผลกนจงมจดหลอมเหลวและจดเดอดสงเชน เพชร อะตอมองคประกอบแตละอะตอมจะยดเหนยวกบอะตอมขางเคยงสอะตอมดวยพนธะโคเวเลนตทแขงแรง ผลกประเภทนมจดหลอมเหลวและจดเดอดทสงมาก มความดนไอต า และไมละลายตวในสารละลายใดๆ ตวอยางอน แกรไฟต แรควอตซ ซลกอนคารไบด โบรอนไนไตรด เพชร และแกรไฟต

รปท 5.13 แสดง (ก) โครงสรางของเพชร และ (ข) แกรไฟต

4) ผลกโลหะ (metallic crystal) เปนผลกทอนภาคทจดแลตทช

เปนไอออนบวกของโลหะอยทามกลาง เวเลนตอเลกตรอนแตละอเลกตรอนเคลอนทไดอยางอสระทวทงกอนของโลหะซงลกษณะทอเลกตรอนทปกคลมดวยไอออนบวกของโลหะนมลกษณะทเรยกวา กลมหมอกอเลกตรอน (electron cloud) หรอทะเลอเลกตรอน และเรยกแรงยดเหนยวระหวางไอออนบวกกบอเลกตรอนของโลหะวา พนธะโลหะ (metallic bond) ผลกประเภทนมความแขงแรง จดเดอดและจดหลอมเหลวสง ดงใหเปนแผนและตเปนเสนไดงาย น าไฟฟา น าความรอนไดด เชน เหลก เงน และทองค า เปนตน

รปท 5.14 แสดงหนวยเซลลโครงผลกของทองค า (Au)



5.2.2 ระบบของผลก 1) แลตทชผลกและหนวยเซลล (crystal lattice and unit cell) ผลกของแขงประกอบดวยหนวยโครงสรางพนฐานทเรยกวาหนวยเซลลแบบซ าๆ กน แตละทรงกลมทมมของหนวยเซลลจะแทนดวยอะตอม ไอออนหรอโมเลกล แลตทชผลก (lattice crystal) ซงเกดจากอะตอมหรอไอออนทมาเรยงตอกนอยางเปนระเบยบทางเรขาคณต มมมทแนนอนท าใหมรปรางของผลกทแตกตางกน ในการศกษาเรองผลกจะตองมการสรางแบบจ าลองโครงผลกใหอยใน 3 มต โครงสรางผลกในรปสามมตเรยกวาแลตทชผลกหรอสเปซแลตทช (space lattice) โดยการใชจดแทนอนภาค ซงอาจหมายถงอะตอม ไอออนหรอโมเลกลภายในผลก จดศนยกลางของอนภาคทอยในแบบจ าลองโครงผลกเรยกวาจดแลตทช (lattice point) โดยทแตละจดแลตทชจะมสงแวดลอมในทกทศทางเหมอนกนและสวนทเลกทสดของแลตทชทแสดงใหเหนลกษณะการจดเรยงอนภาคภายในผลกวามรปทรงเรขาคณตของโครงผลกเรยกวาหนวยเซลล (unit cell) แลตทชผลกจงเกดจากการน าหนวยเซลลมาตอกน โดยถอวาจดทอยตรงหนามมหรอขอบของหนวยเซลลหนงเปนสวนของหนวยเซลลอกหนวยเซลลหนงทอยตดกนดวยขนาดและรปรางของหนวยเซลลก าหนดดวยแลตทชพารามเตอร (lattice parameter) โดยแลตทชพารามเตอรจะบอกทงความยาวของดานและมมระหวางดานของหนวยเซลล ความยาวดานก าหนดตามความยาวของเวกเตอรตามแนวแกนทงสามก าหนดดวยตวอกษร a, b และ c สวนมมระหวางเวกเตอรของความยาวดานก าหนดดวยตวอกษร , และ โดยทมม เปนมมระหวาง b กบ c มม เปนมมระหวาง a กบ c และมม เปนมมระหวาง a กบ b ความยาวดานก าหนดในหนวยนาโนเมตร (nm) หรอองสตรอม (Å) ผลกหนงๆ จะมรปทรงเรขาคณตทแนนอนเฉพาะตว จงไดมการก าหนดรปทรงเรขาคณต การก าหนดรปทรงเรขาคณตนจะใชแกนครสแทลโลกราฟก (crystallographic axes) เขาชวย ดงรปท 5.15

รปท 5.15 แกนครสแทลโลกราฟกของผลกรปลกบาศก

อะตอมสามารถจดเรยงลงในสเปชแลตทชไดถง 14 แบบ เรยกวา แลตทชบราเวส (bravias lattice) ซงรวมอยในระบบผลก 7 ระบบ โดยจะมจดแลคทชอยทมม (corner) ทหนา (face) และทกงกลาง (center) ของหนวยเซลล ดงแสดงในตารางท 5.2 และรปท 5.16


ตารางท 5.2 ลกษณะของระบบผลก 7 ระบบ ระบบ ความยาวดานและมม แลคทชบราเวส

ลกบาศก (cubic) a=b=c; ===90o ธรรมดา (simple) กลางตว (body-centered) กลางหนา (face-centered) ออรโทรอมบก a≠b≠c; ===90o ธรรมดา (simple) (orthorhombic) กลางตว (body-centered) กลางหนา (face-centered) กลางปลาย (base-centered) เททระโกนล (tetragonal) a b≠c; ===90o ธรรมดา (simple) กลางตว (body-centered) มอนอคลนก (monoclinic) a≠b≠c; ==90o≠ ธรรมดา (simple) กลางปลาย (base-centered) รอมโบฮดรล (rhombohedral) a=b=c; ==≠90o ธรรมดา (simple) ไทรคลนก (Triclinic) a≠b≠c; ≠≠≠90o ธรรมดา (simple) แฮกซะโกนล (hexaganal) a b≠c; ==90o, =120o ธรรมดา (simple)

รปท 5.16 หนวยเซลล 14 แบบ



ในทนจะแสดงตวอยางหนวยเซลลเฉพาะโครงสรางผลกระบบลกบาศก (cubic) ซงม 3 แบบคอ 1. แบบลกบาศกอยางงาย (simple cubic cell, SCC) มอนภาคเฉพาะตรงมมของหนวยเซลลรวม 8 มมโดยแตละมมของหนวยเซลลมลกบาศก 8 ลกมาจดตดกน ดงนนหนวยเซลลแตละหนวยจะไดเนอทรงกลมไปเพยง 1/8 ของทรงกลม จ านวนเนออนภาคทงหมดใน 1 หนวยเซลลจงเทากบ 1/8x8 = 1 ทรงกลม 2. แบบลกบาศกกลางตว (body-centered cubic cell, BCC) มอนภาคอยทมมของหนวยเซลลและมอกหนงอนภาคอยทตรงกลางของหนวยเซลล โดยแตละมมของหนวยเซลลมลกบาศก 8 ลกมาจดตดกนเชนกน ดงนนจ านวนเนออนภาคทงหมดใน 8 มมของหนวยเซลลเทากบ 1/8x8 = 1 ทรงกลม รวมอก 1 อนภาคอยตรงกลางของหนวยเซลลท าใหจ านวนเนออนภาคทงหมดใน 1 หนวยเซลลจงเทากบ 1+1 = 2 ทรงกลม

3. แบบลกบาศกกลางหนา (face-centered cubic cell, FCC) มอนภาคอยทมมของหนวยเซลลและมอนภาคอยตรงกลางทกดานของหนวยเซลลแตละมมของหนวยเซลลมลกบาศก 8 ลกมาจดตดกนเชนกน ดงนนจ านวนเนออนภาคทงหมดใน 8 มมของหนวยเซลลเทากบ 1/8x8 = 1 ทรงกลมทตรงกลางหนาของหนวยเซลลในแตละหนารวม 6 หนามจ านวนเนออนภาคเทากบ ½ x 6 = 3 ทรงลม ท าใหจ านวนเนออนภาคทงหมดใน 1 หนวยเซลลจงเทากบ 1+3 = 4 ทรงกลม

2) การจดตวชดของทรงกลม โครงสรางของของแขงผลกจะเปนแบบใดนนขนกบอนภาคทอยใกลกนวาสามารถจดตวใหมแรงดงดดระหวางอะตอมใหไดมากทสดไดอยางไร สมมตวาอนภาคมรปทรงเปนทรงกลมการจดตวของทรงกลมทมขนาดเทากนจะมประสทธภาพมากทสดเมอมการจดตวกนอยางชดทสด (closest packing) และการจดตวกนอยางชด โดยเหลอชองวานอยทสดจะเปนดงรปท 5.17 (ก) ทรงกลมแตละลกมทรงกลมอนอก 6 ลกลอมรอบโดยอยในชนเดยวกน ชนทสองของทรงกลมสามารถวางซอนบนรองของชนทรงกลมแรกได แตการวางทรงกลมชนทสามสามารถซอนไดสองแบบ ท าใหไดโครงสรางตางกน ดงรปท 5.17 (ข) ซงทรงกลมชนทสามวาง


ในแนวเดยวกบชนแรก เปนแบบ ABAB เรยกการจดตวชดกนแบบเฮกซะโกนล (hexagonal closest packing) สวนในรปท 5.17 (ค) ทรงกลมชนทสามวางในต าแหนงทไมไดอยในแนวเดยวกบชนแรกเปนแบบ ABCA เรยกการจดตวชดกนแบบลกบาศก (cubic closest packing) หนวยเซลลของโครงสรางนเปนแบบลกบาศกกลางหนา (face-centered cubic)

(ก) การจดอยางชดในชนแรก (ข) การจดแบบ ABAB (ค) การจดแบบ ABCA

รปท 5.17 การจดตวกนอยางชดทสดของทรงกลม

3) การศกษาโครงสรางของผลกของของแขง การศกษาโครงสรางของผลกในปจจบนนไดมาจากการศกษาเกยวกบการเลยวเบนของรงสเอกซ (x-ray diffraction) ซงเปนกระบวนการทอนภาคในผลกเกดการกระเจง (scatter) เมอรงสเอกซตกกระทบ ขอมลการกระเจงนถกน ามาศกษาหาการจดเรยงตวของอนภาคในผลก โดยมหลกการคอรงสเอกซเปนแสงทมความยาวคลนในชวง 50-200 pm ใกลเคยงกบระยะระหวางระนาบผลกเปนรงสซงพลงงานสง เมอผานผลกจะกระทบอบอนภาคเกดการเลยวเบนแบบตางๆ ขนกบโครงสรางของอะตอมหรอไอออนเมอไปตกบนฟลม และปรากฏภาพแสดงการเลยงเบนเรยกวารปแบบการเลยวเบน การศกษานเรมในป ค.ศ.1931 ไดใชความยาวคลนทเหมาะสมเพยงคาเดยวของรงสเอกซ ไปกระทบผลกเดยวทวางบนแทนทสามารถท าใหผลกหมนและเอยงท ามมตางๆ ไดตามตองการ รงสเอกซเปนรงสแมเหลกไฟฟา (electromagnetic radiation) ชนดหนง ซงมพลงงานและมก าลงแทรกซมสง (ความยาวคลนของรงสเอกซประมาณ 0.001 – 50 A) รงสเอกซเกดขนจากการทอเลกตรอนพงเขาชนเปาโลหะ เชน ทองแดง หรอโมลบดนม (Mo) เปลยนอเลกตรอนของโลหะจากสภาวะปกต (ground state) ไปส ปกต (ground state) พลงงานจะถกปลอยออกมาในรปของรงส ในทนกคอรงสเอกซ

ความสมพนธระหวางพลงงานรงสแมเหลกไฟฟากบความถ (frequency) แสดงดงสมการตอไปน E = hv

ซง E = พลงงานแมเหลกไฟฟา h = คาคงทของพลางค v = ความถ (frequency)

และความถกบความยาวคลนมความสมพนธดงน v = c/ ซง c = ความเรวของแสง = 3.0 x 1010cm/sec = ความยาวคลน มหนวยเปน cm



เนองจากความเรวของแสง c มคาคงท ดงนนในบางกรณอาจระบความถโดยใชเศษสวนของความยาวคลน ดงน v = 1/ ซง v เรยกวาเลขความยาวคลน (wave number) และมหนวยเปน cm-1 รงสแมเหลกไฟฟามอยหลายชนด เชนล าแสงมองเหนได (visible) อนฟราเรด (infrared) อสตราไวโอเลต (ultraviolet) คลนวทย (radio wave) พลงงานของแตละรงสไมเทากนและขนกบความถ เชนล าแสงมองเหนได มความถ 7.5 x 1014 ถง 4.3 x 1014sec-1 เปนตน 5.2.3 โครงสรางผลกสามญบางชนด

โครงสรางผลกสามญบางชนด ประกอบดวนโครงสรางผลกของสารดงตอไปน 1) โครงสรางโซเดยมคลอไรด (rock-salt structure) ไดแก สารประกอบของเฮไลดของโลหะอล

คาไล ออกไซดและซลไฟดของอลคาไลนเอรท เชน KCl, KBr, KI, LiI, CaO, CaS, AgCl, AgBr, NH4I, MnS, MnO และ PbS เปนตน

รปท 5.18 โครงสรางผลกโซเดยมคลอไรด (NaCl)

2) โครงสรางซเซยมคลอไรด (cesium chloride structure) ไดแก สารประกอบของ CsBr, CsI, RbCl, RbBr, NH4Cl และ NH4Br เปนตน

รปท 5.19 โครงสรางผลกซเซยมคลอไรด (CsCl)

3) โครงสรางฟลออไรด (fluoride structure) ไดแกสารประกอบของ SrF2, SrCl2, BaF2, CdF2, PbF2, ZrO2, HfO2, NpO2, ThO2, PuO2 และ AmO2 เปนตน

รปท 5.20 โครงสรางผลก CaF


4) โครงสรางซงคซลไฟด (zinc blende and wurtzite structure) ม 2 แบบ แบบซงคเบลนด เชน CuF, CuCl, BeS, CuBr, CuI, CaS, AgI, HgS, SiC เปนตนและแบบเวรตไซด เชน BeO, MnSe, MnTe, AlN, GaN, InN, NH4F เปนตน

รปท 5.21 โครงสรางผลก ZnS

Semiconductor ซมคอนดกเตอร คอสารทมสมบตการน าไฟฟาเพมขนหรอดขน เมออณหภมเพมขน (สมบตนตรงขาม

กบของโลหะซงสมบตการน าไฟฟาลดลงเมอเพมอณหภม ท งนเปนเพราะเมอเพมอณหภม อะตอมของโลหะสนสะเทอนมากขน เปนการรบกาวนการเคลอนทอยางอสระของอเลกตรอนทไมอยประจ าทในกอนโลหะ ท าใหความสามารถในการน าไฟฟาลดลง) ทอณหภมต า อเลกตรอนในซมคอนดกเตอรอยประจ าทในลกษณะพนธะโควาเลนต แตเมออณหภม ท าใหอเลกตรอนบางสวนทยดเหนยวไมแนนนกสามารถเคลอนทหรอ ไมอยประจ าทเกดสมบตการน าไฟฟาขน

ตวอยางซมคอนดกเตอรทดคอซลคอน (Si) ทอณหภมหอง Si มความสามารถน าไฟฟาต ามาก เพราะวาเลนซอเลกตรอนทง 4 ของแตละ Si อะตอมตางเกดพนธะโควาเลนตกบ Si อะตอมทอยขางเดยวโดย sp3

ไฮบรดออรบตอล จงไมมอเลกตรอนเหลอทจะเคลอนทได แตถาโดป Si ดวยธาตในหมอนเชน ธาตในหม V ซงไดแก P, As ,Sb หรอ Bi บาง โครงสรางของซลคอนยงคงเหมอนเดม แตจะมอะตอมทม 5 วาเลนซอเลกตรอน(เชน P) แทนทต าแหนงของ Si เดม พนธะโควาเลนตระหวาง Si และ P ยงคงเปน 4 พนธะเหมอนเดม จงมอเลกตรอนเหลออย 1 อเลกตรอนทสามารถเคลอนทไดหรอไมอยประจ าท เกดสมบตการน าไฟฟาขน ซลคอนทโดปดวยธาตหม V เรยกวาซมคอนดกเตอรชนด n (n-type semiconductor) ซง n แทน negative หรอลบเพราะอเลกตรอนทท าหนาทน าไฟฟามประจเปนลบ ซลคอนทโดปดวยธาตในหม III เชน B, Al ,Ga หรอ In ซงมเพยง 3 วาเลนซอเลกตรอน ท าใหต าแหนงทมธาตหมน เชน B อะตอมอยแทนท Si อะตอมมเพยง 3 พนธะโควาเลนตเทานน จงเกดชองวางเรยกวารขนในโครงสราง Si เมอผานกระแสไฟฟาเขาไป อเลกตรอนอาจตกเขาไปในรทวางเปลา รนจะหมดสภาพไป แตเกดรใหมขนตรงต าแหนงทอเลกตรอนนนเคยอย การเคลอนทของอเลกตรอนในลกษณะน จงดเหมอนวารทวางเปลาเคลอนทไปในทศทางตรงกนขามกบการเคลอนทของอเลกตรอน รทวางเปลานจงเปรยบเหมอนหนงเปนอนภาคทมประจบวกเคลอนทผานโครงสรางซลคอนภายใตสนามไฟฟา เรยกซลคอนทโดปดวยธาตหม III วาซมคอนตกเตอรชนด p(p-type conductor) ซง p แทน positive หรอประจบวก ซมคอนดกเตอรมประโยชนมากในทางปฏบต เชน ใชท าไดโอด (deode) ทรานซสเตอร (transistor) โฟโตไดโอด (photodiode) และโซลารเซลล (solar cell) เปนตน



5.3 ของเหลวและสารลาย 5.3.1 สมบตทวไปของของเหลว

ของเหลวเปนสถานะหนงของสสารซงมสมบตคลายแกสและของแขง สมบตทคลายแกสกคอไหลได แพรได มรปรางไมแนนอนเปลยนแปลงไปตามภาชนะทใสและมสมบตทไมขนกบทศทาง ( isotropic) สวนสมบตทคลายของแขงคอมปรมาตรคงท ของเหลวมความหนาแนนมากกวาแกสประมาณ 106 เทา แตถาเปรยบเทยบกบของแขง จะพบวาความหนาแนนของของเหลวมคาใกลเคยงกบของแขงดงแสดงในตารางท 5.2 ตารางท 5.2 ความหนาแนนของของแขงและของเหลวบางชนด ทอณหภม 20 C

ของแขง ความหนาแนน (103 kg m-3)

ของเหลว ความหนาแนน (103 kg m-3)

คอรก ทราย

ควอรตซ แกว

0.18 1.6 2.2 2.5

แอซโตน เบนซน

กรดซลฟวรก โบรมน

0.792 0.881 1.85 3.14

ของเหลวประกอบดวยโมเลกลทมการเคลอนทอยางไมคอยเปนระเบยบอยตลอดเวลาของเหลวมแรงดงดดระหวางโมเลกลมากกวาแกส แตนอยกวาของแขง โมเลกลจงชดกนท าใหของเหลวมปรมาตรทแนนนอน โมเลกลของของเหลว ไมอยชดมากเหมอนของแขง จงมแรงดงดดไมมากพอท จะท าใหโมเลกลเหลานนอยในต าแหนงทคงทไดของเหลวจงไหลได มรปรางขนกบภาชนะทบรรจของเหลวนนและถาน าของเหลวสองชนดมาผสมกน นอกจากสมบตทวไปของของเหลวทกลาวมาแลวยงมสมบตอนๆ อก ซงจะไดอธบายดงตอไปน

1. ปรมาตรและรปราง (volume and shape) แรงดงดดระหวางโมเลกลของของเหลวมมากเพยงพอทจะท าใหโมเลกลเคลอนทอยภายในปรมาตรทแนนอน แตแรงดงดดนไมมากพอทจะยดเหนยวใหโมเลกลของของเหลวอยประจ าท โมเลกลของของเหลวจงเคลอนทได โดยทโมเลกลหนงสามารถเคลอนทผานโมเลกลอนๆ ได เปนเหตใหเกดปรากฏการณทเรยกวาของเหลวไหล ดงนนของเหลวจงมปรมาตรทแนนอน แตไหลได และมรปรางขนกบรปรางของภาชนะทบรรจของเหลวนน

2. การถกอดและการขยายตว (compression and expansion) แรงดงดดระหวางโมเลกลของของเหลวท าใหโมเลกลของของ เหลวอยใกลกน ท าใหมทวางระหวางโมเลกลนอยมาก การเพมความดนจงมผลนอยมากตอปรมาตรของของเหลว ของเหลวถกอดตวใหเลกลงไมได (incompressible) การอดตวจะถกตอตานดวยแรงผลกระหวางกลมหมอกอเลกตรอน (electron cloud) ของโมเลกลทอยตดกน

ในท านองเดยวกนการเปลยนแปลงอณหภมมผลใหปรมาตรของของเหลวเปลยนแปลง ไดเพยงเลกนอยเทานน เชน เมออณหภมเพมขน โมเลกลมพลงงานโดยเฉลยเพมขน เปนเหตใหระยะหางระหวางโมเลกลเพมขน แตกเพมไดไมมากนก เพราะแรงดงดดระหวางโมเลกลท าหนาทคอยตอตานอย 3. การแพร (diffusion) ท านองเดยวกบแกส โมเลกลของของเหลวแพรได ถาน าของเหลวสองชนดทสามารถละลายในกนและกนมาผสมกนโมเลกลตางๆ ของของเหลวชนดหนงจะแพรกระจายไปทวระหวางโมเลกลตางๆ ของของเหลวอกชนดหนง แตอตราของการแพรของของเหลวชากวามากเมอเปรยบเทยบกบอตราการแพรของโมเลกลของแกส แตจะเรวกวามากเมอเปรยบเทยบกบของแขง การแพรของโมเลกลของของเหลวเหนไดชด


โดยหยดหมกสน าเงนสก 2-3 หยดลงไปในน าจะพบวาหมกทหยดลงไปในน าคอยๆ แพรกระจายออก จนในทสดน าในบกเกอรเปนสน าเงนและเขมขนเทากนโดยตลอดทงบกเกอร แสดงวาโมเลกลของสไดแพรกระจายไปทวโมเลกลของน า อยางไรกตาม เนองจากโมเลกลของของเหลวอยใกลกนมาก เปรยบเทยบกบกรณของโมเลกลของแกส โมเลกลของของเหลวจงชนกนบอยครงกวามาก เปนเหตใหของเหลวแพรชากวาเมอเปรยบเทยบกบการแพรของแกส

4. แรงตงผว (surface tension) การทอนภาคของของเหลวอยชนดกนมแรงดงดดซงกนและกนท า

ใหเกดสมบตทเรยกวาแรงตงผว หรอความตงผว แรงตงผวเปนแรงระหวางพนทผวทตดกน (interface) ของของเหลว ส าหรบของเหลวทบรรจในภาชนะจะมแรงดงดดระหวางโมเลกล (intermolecular force) เกดขน การเคลอนทของโมเลกลของของเหลวจะมผลเนองจากโมเลกลขางเคยง โดยเหตทแรงตงผวเปนสมบตเนองมาจากแรงดงดดระหวางโมเลกลของเหลวทมแรงดงดดระหวางโมเลกลมาก ยอมมแรงตงผวมาก สงใดทท าใหแรงดงดดระหวางโมเลกลลดลยอมมผลใหแรงตงผวลดลงดวยเชนการเพมอณหภมเปนตน

นยามแรงตงผวหมายถงอตราสวนของแรงทกระท าไปตามผวของของเหลวตอหนงหนวยความยาวของผวทถกแรงกระท า ซงความยาวนตองตงฉากกบแรงดวย หรอแรงตงผว หมายถง อตราสวนของงานทตองท าในการเพมผวของของเหลว (W) กบพนทผวทเพมขน (A) หนวยของแรงตงผวมหนวยเปนไดนตอเซนตเมตร (dyne/cm) หรอ จลตอตารางเมตร (J/m หรอมหนวยเปนนวตนตอเมตร (N/m) ในการพจารณาเกยวกบแรงตงผวของของเหลว จะแบงออกเปน 3 กรณ คอ

1) แรงตงผวของของเหลวทมลกษณะเปนแผนฟลม 2) แรงตงผวของของเหลวทมลกษณะเปนหยดน าหรอมผวโคง 3) ของเหลวในหลอดแกวหรอการซมตามรเลก (capillarity)

ปจจยทมผลตอความตงผว - แรงดงดดระหวางโมเลกล ความตงผวจะมากหรอนอยขนอยกบแรงดงดดระหวางโมเลกล ถาแรง

ดงดดระหวางโมเลกลมาก โมเลกลทผวหนาจะถกดงเขาภายในอยางแรงงานทใชในการขยายพนทผวของของเหลวจะมากตาม ความตงผวกมาก

- อณหภม ถาอณหภมเพมขนพลงงานจลนของแตละโมเลกลเพมขน แตแรงดงดดระหวางโมเลกลลดลง ท าใหความตงผวลดลง

5. การกลายเปนไอ (vaporization) หมายถง การทของเหลวเปลยนสถานะกลายเปนไอ เมอของเหลวไดรกพลงงานความรอนพอทจะท าใหโมเลกลมพลงงานจลนสงพอจน เอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลได โมเลกลกอจะหลดออกจากของเหลวกลายเปนไอ ในทางตรงกนขามถาไอคายพลงงานความรอนออกมา โมเลกลกจะมพลงงานจลนนอยลง ท าใหโมเลกลเคลอนทชาลง ท าใหเกดแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากขน



และในทสดจะสามารถท าใหโมเลกลรวมกนเปนสารในสถานะของเหลว การทสารเปลยนสถานะจากไอหรอแกสเปนของเหลว เรยกวา การควบแนน หรอการกลนตว (condensation)

6. การระเหย (evaporation) เปนปรากฏการณซงโมเลกลหลดออกมาจากผวของของเหลวกลายเปนไอเมอโมเลกลนนมพลงงานสงพอทจะเอาชนะแรงดงดดของโมเลกลอนๆ ทอยใกลเคยงโมเลกลของของเหลวเคลอนทและชนกน (collision) อยตลอดเวลามการถายทอดพลงงานจากการชนกน ท าใหบางโมเลกลเคลอนทดวยความเรวสง บางโมเลกลเคลอนทดวยความเรวต ามพลงงานต า การระเหยขนกบอณหภมและพลงงานจลนของของเหลว เมอการระเหยเกดขนจะท าใหพลงงานจลนเฉลยของโมเลกลสวนทเหลอลดลงเนองจากโมเลกลทมพลงงานสงระเหยออกไป อณหภมของของเหลวทเหลอจงลดลง เชน หลงการระเหยของเหงอ เราจะรสกเยน เพราะน าระเหยอออกจากตวเราโดยถงความรอนจากรางกายไปชวยในการระเหย อตราการระเหยจะเรวหรอชานอกจากจะขนอยกบอณหภมแลวยงขนอยกบผวหนาของของเหลว

ปจจยในการระเหย 1. อณหภม การเพมอณหภมท าใหโมเลกลมพลงงานจลนสงขน โอกาสทจะชนะแรงดงดดระหวาง

โมเลกลยอมมมากขน ทอณหภมสงของเหลวจะระเหยไดมาก ทอณหภมต า ของเหลวจะระเหยไดนอย 2. พนทผวของของเหลว ท าใหโมเลกลทมพลงงานจลนสงอยทผวมากขนมโอกาสหลดออกจากแรง

ดงดดระหวางโมเลกลไดมากขน ของเหลวทมพนทผวสมผสมากจะระเหยไดมาก ของเหลวทมพนทผวสมผสนอย จะระเหยไดนอย

3. ระบบ การทของเหลวอยในระบบเปด เปนการปองกนมใหมโอกาสกลบมาควบแนนไดอกและไมใหมความดนไอตอตานโมเลกลทจะระเหยออกไปอก

4. ความดนของบรรยากาศเหนอของเหลว ถามความดนของบรรยากาศต าของเหลวยอมระเหยไดดขน ทความดนบรรยากาศสงของเหลวจะระเหยไดยากจงระเหยไดนอย ทความดนบรรยากาศต า ของเหลวจะระเหยไดงาย จงระเหยไดมาก

5. การถายเทของอากาศเหนอของเหลวและการคน กวนของเหลวนน ยอมมผลใหการระเหยดขน บรเวณทมอากาศถายเทหรอมลมพดตลอดเวลา ของเหลวจะระเหยไดมาก บรเวณทไมมอากาศถายเทหรอไมมลมพดตลอดเวลา ของเหลวจะระเหยไดนอย

6. ธรรมชาตของของเหลว ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะระเหยไดยาก จงระเหยไดนอย ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอย จะระเหยไดงาย จงระเหยไดมาก

สรปขอความส าคญๆทเกยวกบการระเหย 1. การระเหยคอการทของเหลวเปลยนสถานะเปนไออยางชาๆ 2. การระเหยเกดขนเฉพาะบรเวณผวหนาของของเหลวเทานน 3. การระเหยเกดขนไดทกๆ อณหภมทยงมของเหลวนนอย 4. เมอเกดการระเหยพลงงานและอณหภมของของเหลวทเหลอจะลดลง เพราะโมเลกลทกลายเปนไอ

เปนโมเลกลทมพลงงานสง สวนโมเลกลทเหลอในของเหลว สวนใหญมพลงงานต ากวา 5. ระหวางทเกดการระเหยเมอพลงงานและอณหภมของของเหลวลดลง กจะมการถายเทพลงงานจาก

สงแวดลอมเขาสของเหลวนน (ระบบดดความรอน)


7. ความดนไอ (vapor pressure) ถาของเหลวอยในภาชนะเปด ของเหลวจะระเหยไปในอากาศจนในทสดไมมของเหลวเหลออยเลย แตถาอยในภาชนะปด โมเลกลทระเหยเปนไอจะอยในทวางเหนอของเหลวภายในภาชนะปด โมเลกลทอยสภาพไอ ท าใหเกดความดนทเรยกวา “ความดนไอ” นอกจากนความดนไอยงขนอยกบแรงดงดดระหวางโมเลกล คอ ถาแรงดงดดระหวางโมเลกลนอย ความดนไอจะสง ถาแรงดงดดระหวางโมเลกลมาก ความดนไอจะต า ความดนไอของของเหลว แสดงวาเปนของเหลวในสถานะแกส ซงจะตางจากแกสทวๆ ไปเชน N2, O2, H2, CO2, Ne เปนตน เพราะโมเลกลของแกสเหลานเปนโมเลกลของของเหลว เชน H2O(g), C2H5OH(g), CHCl3(g)

ดงนนจงเรยกของเหลวในสถานะแกสวาไอ ซงความดนไอของของเหลวกคอความดนไอสมดลระหวางไอของของเหลวทอยเหนอของเหลวกบของเหลวและเปนความดนไอสงสดท ไอมอย เหนอของเหลว ณ อณหภมนน ดงน นเมออณหภมคงทปรมาณของของเหลวหรอปรมาณของไอกไมมผลตอความดนไอ แตเมออณหภมสงขนโมเลกลมพลงงานจลนเพมขนท าใหโมเลกลกลายเปนไอไดมากขน ความดนไอกจะเขาสสมดลใหม ทสมดลใหมนความดนไอจะมคามากกวาความดนไอเดมความดนไอจงสมพนธกบอณหภมดงรปท 5.22

รปท 5.22 ความสมพนธระหวางความดนไอกบอณหภม กระบวนการท าของเหลวใหกลายเปนไอ (vaporization) ท าได 2 วธคอการระเหย (evaporation) กบการเดอด (boiling) การระเหยเปนกระบวนการทเกดขนไดเองเกดไดทกอณหภมและเกดกบโมเลกลทผวหนาของของเหลวเทานน ในขณะทโมเลกลของของเหลวเคลอนทกมการถายเทพลงงานใหแกกนและกนท าใหบางโมเลกลมพลงงานจลนสงขน บางโมเลกลกมพลงงานจลนลดลงและเมอโมเลกลทผวหนาของของเหลวมพลงงานจลนสง สามารถเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลวนนได กจะหลดออกจากผวหนาของของเหลวกลายเปนไอไปอยในอากาศ สวนการเดอดเปนกระบวนการทเกดขนเองไมได ตองมการใหความรอนกบของเหลว ขณะทใหความรอนจะท าใหอากาศทแทรกอยในของเหลวหนออกจากของเหลวเกดเปนฟองอากาศ ฟองทเกดขนนจะชวยเพมพนทผวหนาของของเหลว ขณะเดยวกนโมเลกลของเหลวทไดรบความรอนกมพลงงานจลนสงสามารถเอาชนะแรงดงดดระหวางโมเลกลหนออกจากของเหลว เกดเปนฟองของไอหลดเขาไปในฟองอากาศหรอฟองไอ ท าใหฟองโตขนอยางรวดเรวและผดขนสผวหนาของของเหลว จากนนกหลดออกจากของเหลว เมอของเหลวเกดฟองพลานไปทวของเหลว แสดงวาโมเลกลของของเหลวก าลงเดอดและหนออกจากของเหลวอยางรวดเรวเปนจ านวนมาก พรอมทงผลกอากาศเหนอของเหลวออกไปแลวแทรกเขาไปแทนทอากาศ เกดเปนความดนไอของของเหลว ซงอณหภมทของเหลวเดอด ความดนไอของของเหลวจะเทากบความดนบรรยากาศ และเทากบความดนภายในฟองไอท าใหฟองคงสภาพอยได อณหภมทภาวะนเรยกวาจดเดอดถาความดนบรรยากาศทจดเดอดมคาเทากบ 1 บรรยากาศ จดเดอดน นจะเปนจดเดอดปกตและเมอกลาวถงจดเดอดของของเหลวโดยไมกลาวถงความดนแสดงวาจดเดอดนนเปนจดเดอดปกต



ความดนไอของของเหลวสมพนธกบจดเดอดนนคอของเหลวทมความดนไอสงจะมจดเดอดต าและของเหลวทมความดนไอต าจะมจดเดอดสง ดงตวอยางทอณหภม 35 C เอทลอเทอรมความดนไอเทากบ 760 mmHg ขณะทน ามความดนไอเทากบ 42.2 mmHg และเมอพจารณาจดเดอดจะพบวาจดเดอดของเอทลอเทอรและน ามคาเทากบ 35 C และ 100

C ตามล าดบ จงเหนไดวาเอทลมความดนไอสงกวาน าจงมจดเดอดต ากวาน า ส าหรบความสมพนธระหวางความดนไอของของเหลวชนดตางๆ กบอณหภม ไดแสดงไวในรปท 5.23

รปท 5.23 ความดนไอของเอทลอเทอร เอทลแอลกอฮอลและน าทอณหภมตางๆ

จากรปท 5.23 จะเหนวาทความดนไอของเอทลอเทอร เอทลแอลกอฮอลและน าเทากบ 760 mmHg จดเดอดของเอทลอเทอร เอทลแอลกอฮอลและน า มคาเทากบ 35

C 78 C และ 100 C ตามล าดบ การทน ามจด

เดอดสงกวาทงนเพราะน ามแรงดดระหวางโมเลกลมากกวาเอทลอเทอรและแอลกอฮอล ปจจยทมผลตอความดนไอ

1. แรงดงดดระหวางโมเลกลของของเหลว ถาสารทมแรงดงดดระหวางโมเลกลมากความดนไอจะต า เพราะโอกาสทโมเลกลจะชนะแรงดงดดกลายเปนไอนนยาก

2. อณหภม ถาอณหภมของระบบสง ยอมท าใหโมเลกลของสารมพลงงานจลนสงขนโอกาสทจะระเหยกลายเปนไอมมากขนความดนไอกจะเพมขน ทอณหภมสง ของเหลวจะกลายเปนไอไดมาก จงมความดนไอสง ทอณหภมต า ของเหลวจะกลายเปนไอไดนอย จงมความดนไอต า

3. สารชนดเดยวกนทอณหภมเทากนยอมมความดนไอเทากนเสมอไมวาสารนนจะมปรมาณมากหรอนอยกวากน นนคอ ความดนไอไมขนอยกบปรมาตรของสาร

4. ความดนไอจะเกดขนทภาวะสมดลเทานน ดงนนตองพจารณาในระบบปดเสมอ 5. สารทมจดเดอดต าจะมความดนไอสง เพราะสารนนระเหยงายสวนสารทมจดเดอดสงความดนไอจะ

ต าเพราะสารนนระเหยยาก


5.3.2 จดเดอดและจดเยอกแขงของของเหลว โดยทวไปความดนไอของของเหลวสงขนถาอณหภมสงขน และทอณหภมหนงทความดนไอเทากบความดนบรรยากาศ ของเหลวทงหมดจะกลายเปนไอ เรยกวาเดอด อณหภมขณะนนเรยกวาจดเดอด (boiling point) และถาความดนบรรยากาศภายนอกมคาเทากบความดนมาตรฐาน คอ 1 บรรยากาศ หรอ 760 mmHg จดเดอดนนเรยกวาจดเดอดปกตของของเหลวนน (normal boiling point) ในขณะเดอดฟองไอภายในของเหลวจะปดขนสผวหนา และระหวางปดฟองมขนาดใหญขนทกทจนในทสดฟองไอหลดออกจากผวหนาของเหลว การเดอดจงตางจากการระเหยตรงทการระเหยเกดขนเฉพาะผวหนาของของเหลว ของเหลวทมอณหภมถงจดเดอดอาจไมเกดการเดอดได มอณหภมสงกวาจดเดอดคอท าใหของเหลวเกดความรอนยวดยงเพราะวาความดนไอในฟองสงกวาความดนบรรยากาศมาก การทของเหลวระเหยไดตองใชพลงงานความรอนท าลายแรงดงดดระหวางอนภาคในของเหลว เพอใหเปนโมเลกลระเหยเปนไอออกไป ปรมาณความรอนทของเหลว 1 โมล น าไปเปลยนสถานะเปนไอ 1 โมล ณ อณหภมคงท เรยกวา ความรอนของการกลายเปนไอตอโมล (molar heat of vaporization, Hv) ขณะทไอสาร 1 โมล ควบแนนเปนของเหลวตองคายความรอนในจ านวนเดยวกน เรยกวาความรอนของการควบแนนตอโมล ดงสมการ

log P =

+ C (5.31)

เมอ Hv = ความรอนของการกลายเปนไอตอโมล (kacl/rnol หรอ kJ/mol) R = คาคงตวของแกส (1.987 cal / Kmol or 8.314 J/Kmol) C = คาคงตวของของเหลวแตละชนด ในกรณตองการความดนไอของของเหลวทเปลยนไปคอความดนไอ P1 ทอณหภม T1 เปลยนไปเปน ความดนไอ P1 ทอณหภม T2 จะไดวา

log

=

[

] (5.32)

สมการนเรยกวาสมการคลอเซยส-คลาเปยรอง (Clausius-Claperon equation) ซงใชในการค านวณหาความรอนของการกลายเปนไอ เมอทราบความดนและอณหภม จะค านวณจดเดอดความดนไอ ทความดนตางๆ ตวอยางท 5.5 ความดนไอของน าทอณหภม 25 oC เทากบ 23.8 mmHg และทอณหภม 30 oC เทากบ 31.8 mmHg จงค านวณหาความรอนของการกลายเปนไอตอโมลของน าในชวงอณหภม 25 ถง 30 oC วธท า ความสมการคลอเซยส-คลาเปยรอง

log 2

1 =

[

]

เมอ T1 = 273 + 25 = 298 k T1 = 273 + 30 = 303 k P2 = 23.8 mmHg P2 = 31.8 mmHg



R = 8.314 J/Kmol

แทนคาจะได log

=

[

]

Hv = 44.425 kJ / mol 5.3.3 แผนผงวฏภาค (Phase diagram) แผนผงทแสดงความสมพนธระหวางสถานะทงสามของสาร ทอณหภมและความดนตางๆ เรยกวา แผนผงวฏภาค แผนผงวฏภาคเปนกราฟทสรปสภาวะสมดลระหวางวฏภาคทงสามชนดของสสาร มประโยชนใชในการท านายการเปลยนสถานะของสารทอณหภมและความดนคาหนงๆ ดงแสดงในรป

รปท 5.24 แผนผงวฏภาค

จากรปแผนผงแบงออกไดเปน 3 สวนแตละสวนจะมอยเพยงวฏภาค (phase) เดยวคอของแขง ของเหลวหรอแกส เสน AB เปนเสนสมดลวฏภาคระหวางของแขงกบแกส และเปนเสนแบงสวนทเปนของแขงกบแกส เสน BC เปนเสนสมดลวฎภาคระหวางของแขงกบของเหลว และเปนเสนแบงสวนทเปนของแขงกบของเหลว โดยทวไปแลว แนวโนมของเสน BC สวนใหญจะเบนไปทางขวามอ (ดงกราฟ) ยกเวน น า เพราะวา น าทเปนของแขงจะมปรมาตรมากกวาน าทเปนของเหลว จงท าใหความหนาแนนของน าทเปนของแขงจะมคานอยกวาความหนาแนนของน าทเปนของเหลวและเสน BD เปนเสนสมดลวฏภาคระหวางของเหลวกบแกส และเปนเสนแบงสวนทเปนของเหลวกบแกส จดทเสนสมดลทง 3 เสนมาตดกนทจด B ซงเปนจดทแสดงถง อณหภมและความดนทท าให ของแขง ของเหลว และแกส อยรวมในภาวะสมดลกนทจดเดยวกน เรยกวา จดรวมสาม (triple point) จด D เรยกวา จดวกฤต (critical point) เปนจดสดทายทสามารถแบงและเหนขอบเขตสมดลระหวางของเหลวกบแกสได เมอเราพจารณาจดทอยเหนอขอบเขตจดนขนไป สสารจะมพฤตกรรมแตกตางไปจากของเหลวและแกส กลาวงายๆ คอ เราจะไมสามารถพจารณา และแบงแยกระหวางของเหลวและแกสไดเลย


รปท 5.25 แผนผงวฏภาคของน า

จากกราฟแผนผงวฏภาคของน าทความดน 1 บรรยากาศ สามารถพจารณาสงทเกดขนไดดงน จดหลอมเหลว (melting point) คอจดทท าใหน าเปลยนจากสถานะของแขงกลายเปนของเหลว ซงจะปรากฏทอณหภม 0 องศาเซลเซยส เราสามารถเปลยนน าจากสถานะของแขงเปนแกส โดยทน าไมผานสถานะของเหลว (จากพนทสวนทเปนสฟาไปสเหลองโดยไมผานสเขยว) โดยการลดความดนลงเรอยๆ จนความดนต ากวา 6 x10-3 บรรยากาศ ซงในทสด เราจะไดไอน า โดยไมผานของเหลวเลย

จดเดอด (boiling point) คอ จดทท าใหน าเปลยนจากสถานะของเหลวกลายเปนแกส จะเกดขนทอณหภม 100 องศาเซลเซยส

จดรวมสาม (triple point) ของน า จะอยทความดน 6x10-3 บรรยากาศ อณหภม 0.0098 องศาเซลเซยส

จดวกฤต (critical point) ของน า จะอยทความดน 217.7 บรรยากาศ อณหภม 374.4 องศาเซลเซยส



5.4 สารละลาย สารละลายจดเปนสานผสมของสวนประกอบมากกวาหนงชนดทมเนอเดยวกนโดยตลอดหรออาจกลาววา สารละลายเปนสารผสมเอกพนธ (homogeneous substance) และวฏภาคเดยวสารละลายอาจมสถานะเปนของแขง ของเหลว หรอแกสอยางใดอยางหนง 5.4.1 ชนดของสารละลาย

สารละลายคอของผสมเอกพนธขององคประกอบสองชนดหรอมากกวาสองชนด ซงปรมาณขององคประกอบเปลยนแปลงได องคประกอบทมปรมาณมากกวาเรยกวาตวท าละลาย (solvent) และองคประกอบอนๆ ทมปรมาณนอยกวาเรยกวาตวถกละลาย (solute) สารละลายทมน าเปนตวท าละลายเรยกกวา aqueous solutionสารละลายมสถานะไดทง 3 สถานะ คอ สารละลายแกส สารละลายของเหลว และสารละลายของแขง ดงในตารางท 5.3

ตารางท 5.3 ชนดของสารละลาย

ชนดของสารละลาย ชนดของสารละลายใน แตละสถานะ

ตวอยาง

สารละลายแกส แกสในแกส ของเหลวในแกส ของแขงในแกส

อากาศ (O2 ใน N2) อากาศชน (น าในอากาศ) ไอของ I2 (แขง) ในอากาศ

สารละลายของเหลว แกสในของเหลว ของเหลวในของเหลว ของแขงในของเหลว

น าโซดา (CO2 ในน า) แอลกอฮอลในน า เกลอแกง (NaCl) ในน า

สารละลายของแขง แกสในของแขง ของเหลวในของแขง ของแขงในของแขง

H2 ใน Pd Hg ใน Ag โลหะเจอ เชน Cu ใน Zn

5.4.2 ขบวนการของการเกดสารละลาย สารละลายซงกนและกนเกดเปนสารละลายนนอนภาคของตวถกละลายตองสามารถกระจายเขาไปอยระหวางอนภาคของตวท าละลายไดอยางทวถงคออนภาคของตวถกละลายตองสามารถเขาไปแทนทอนภาคของตวท าละลายได แตอนภาคของตวถกท าละลายจะเขาไปแทนทอนภาคของตว ท าละลายไดหรอไมนน ขนกบแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกท าละลายกบตวถกละลาย ตวท าละลายกบตวท าละลายและตวถกละลายกบตวท าละลาย ถาตวถกละลายและตวท าละลายเปนโมเลกลแบบไมมขวดวยกนจะละลายซงกนและกนได เพราะโมเลกลแบบไมมขว มแรงดงดดระหวางโมเลกลเปนแรง van der Waals เหมอนกน แรงดงดดระหวางโมเลกลของตวท าละลายจงใกลเคยงกบแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกละลายกบตวท าละลาย จงท าใหโมเลกล


ของตวถกละลายเขาไปแทนทโมเลกลของตวท าละลายไดเชนเบนซนกบคารบอนเดตระคลอไรด เปนสารไมมขวทงคจงละลายซงกนและกนไดทกอตราสวน ในท านองเดยวกน ถาตวถกท าละลายและตวท าละลายเปนโมเลกลแบบมขวดวยกนกจะละลายซงกนและกนเชนเดยวกน กจะละลายซงกนและกนเชนเดยวกนเพราะแรงดงดดระหวางโมเลกลแบบมขวเปนแรง dipole–dipole แรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกละลายจงมความแรงพอๆ กน แรงดงดดระหวางโมเลกลของตวท าละลายและแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกละลายกบตวท าละลายกแรงเชนเดยวกน จงท าใหโมเลกลของตวถกละลายเขาไปแทนทโมเลกลของตวท าละลายไดเชนน ากบเอทานอลเปนโมเลกลมขวทงคละลายซงกนและกนไดทกอตราสวน โดยทวไป ถาสารหนงเปนโมเลกลไมมขวและอกสารหนงเปนโมเลกลมขวจะไมละลายซงกนและกนเพราะแรงดงดดระหวางโมเลกลมขวมากกวาแรงดงดดระหวางโมเลกลไมมขวมากและแรงดงดดระหวางโมเลกลไมมขวกบโมเลกลมขวกนอยกวาแรงดงดดระหวางโมเลกลมขวดวยกนเอง โมเลกลของสารมขวจงดดกนเองและไมดงดดกบโมเลกลของสารไมมขวเชน CCl4 (สารไมมขว) ไมละลายในน า (สารมขว) ถาสารหนงมขวนอยกวาอกสารหนงมากจะละลายไดเพยงบางสวนเทานน

ตารางท 5.4 การละลายของแอลกอฮอลบางชนดในน า ชอ สตร คาการละลาย

(โมลตวถกท าลาย/100 กรมของน า) Methanol Ethamol Propanol Butanol Pentanol Hexanol Heptanol

CH3OH C2H5OH C3H7OH C4H9OH C5H11OH C6H13OH C7H15OH

0.12 0.031 0.0059 0.0015

จากตาราง 5.4 การละลายของแอลกอฮอลเปนจ านวนโมลตอ 100 กรมของน าเมอมวลโมเลกลของแอลกอฮอลเพมขน กลม OH ซงเปนสวนแสดงการมขวจะเปนสดสวนนอยลง ดงนนความมขวจะนอยลงเมอขนาดของโมเลกลใหญขนและการละลายในน าจะลดลง ทกลาวมาแลวเปนตวอยางของการละลายของของเหลงในของเหลว ถาเปนการละลายของของแขงในของเหลวบางจะอธบายไดในท านองเดยวกนเชน I2 ซงเปนสารไมมขวละลายไดดใน CCl4 ซงเปนสารไมมขวเหมอนกน แตไมละลายในน าซงเปนสารมขวมาก ถาตวถกละลายมขวมากหรอเปนสารไอออนกจะไมละลายในตวท าลายไมมขว เพราะแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกท าลายและตวท าลาย ออนกวาแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกละลายมาก ตวท าละลายจงไมสามารถดงดดโมเลกลของตวถกละลายใหหลดออกจากโครงรางผลกได ดงนนสารประกอบไอออนกจงละลายไดในตวท าละลายทมขวมากๆ เชน NaCl ละลายไดดในน าแตไมละลายในสารประกอบไฮโดรคารบอน



เมอสารประกอบไอออนกบางชนดเชน NaCl อยในน าแรงดงดดระหวางขวของน ากบไอออนบวกและไอออนลบของสารประกอบไอออนกสงพอทจะหกลางแรงดงดดระหวางไอออนบวกและไอออนลบในโครงรางผลก ท าใหไอออนเหลานนหลดออกจากโครงรางผลกแลวโมเลกลของน าจะเขาไปหอมลอมไอออนทงสองชนด เนองจากเกดแรงดงดดระหวางไอออนบวกและปลายขวลบของน าหรอระหวางไอออนลบกบปลายขวบวกของน า ดงแสดงในรป 5.25 การทไอออนถกหอมลอมดวยโมเลกลของน าเรยกวาไอออนถกไฮเดรต ถาอนภาคของตวถกละลาย ถกหอมลอมดวยโมเลกลของตวท าละลายอนๆ เรยกวาไอออนถกโซลเวต

NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq) รปท 5.25 แสดงการละลายของสารไอออนกและ การถกไฮเดรตของไอออนในน า สรปการละลายของสารขนกบแรงดงดดระหวางโมเลกลถาแรงดงดดคลายคลงกน (มความแรงใกลเคยงกน) จะละลายซงกนและกน อาจกลาวไดวา “like dissolves like” สารไมมขวจะละลายในตวท าละลายชนดไมมขวและสารมขวหรอสารประกอบไอออนกจะละลายในตวท าละลายชนดมขว 5.4.3 หนวยความเขมขนของสารละลาย

1) เศษสวนโมล (mole fraction) จ านวนโมลของสวนประกอบตวใดตวหนงในสารละลายหารดวยจ านวนโมลของสารทงหมดใน

ของผสม ...

BA

A

Ann

nX

เชน สารละลายประกอบดวยน า 2.0 โมล กบเอทานอล (C2H5OH) 3.0 โมล เศษสวนโมลของน า =

OHHmolCOmolH

OmolHX OH

522

2

0.30.2

0.22

= 0.5

0.2 = 0.40

เศษสวนโมลของเอทานอล =OHHmolCOmolH

OHHmolCX OHHC

522

52

0.30.2

0.352

= 3.0/5.0 = 0.60 ผลรวมของเศษสวนโมล = 1 เสมอ โมลเปอรเซนต = 00 x เศษสวนโมล ในของผสมขางตนจะมน า = 40 mol % C2H5OH = 60 mol %


ตวอยาง จงหาเศษสวนโมลของแมกนเซยมซลเฟตและน าในสารละลายน าของแมกนเซยมซลเฟตซงมมวล 20.0% วธท า เนองจากใน 100 กรมของสารละลายจะประกอบดวย 20.0 กรมของ MgSO4 และ 80.0 กรมของน า ในการทจะหาเศษสวนโมลของ MgSO4 เราจ าเปนจะตองหาจ านวนโมลของ MgSO4 และ H2O ซงท าไดดงน

4

44

4.120

10.20

gMgSO

molMgSOxgMgSO 0.166 mol MgSO4

OGH

OMolHOxgH

2

22

0.18

10.80 4.44 mol H2O

เศษสวนโมลของ MgSO4 หาไดโดยการหารจ านวนโมลของ MgSO4 ดวยจ านวนทงหมดของตวท าละลายและตวถกท าลาย

mol 0.166 mol 4.44

mol 166.04 MgSOX = 0.0360

เพราะฉะนน เศษสวนโมลของน าจะเปน XH2O = 1.0000 – 0.0360 = 0.9640 2) เศษสวนมวล (mass fraction) อตราสวนของน าหนกของสารตวใดตวหนงตอน าหนกทงหมดของของผสมเชนของผสมของน า 25.0 กรมกบเอธานอล 75.0 กรม เศษสวนมวลของน า =

OHHgCOgH

OgHW OH

522

2

0.750.25

0.252

= 25.0/100.0 = 0.250 ท านองเดยวกนเศษสวนมวลของเอทานอล

OHHmolCOmolH

OHHmolCW OHHC

522

52

0.750.25

0.7552

= 75.0/100.0 = 0.750 มวลเปอรเซนต = 100xเศษสวนมวล ของผสมขางตนจะประกอบดวยน า = 25.0% โดย นน. และของ C2H5OH = 75.0% โดย นน. 5.5 สมบตคอลลเกทฟและคอลลอยด

1) สมบตคอลลเกทฟ เมอเตมตวถกละลายลงในตวท าละลายบรสทธจนไดเปนสารละลายขนจะพบวาสมบตหลาย

ประการของตวท าละลายเปลยนไป กลาวคอความดนไอลดลง จดเยอกแขงลดลง จดเดอดเพมขนมความดนออสโมตก จากสาเหตรวมกนนจงเรยกสมบตทง 4 วาเปนสมบตคอลลเกทฟ (colligative properties) ของตวท าละลาย ซงหมายถง สมบตทขนอยกบเศษสวนโมลและสมบตทางกายภาพของตวถกละลายแตไมขนอยกบสมบตทางเคมของสารนนเลย

1. ความดนไอลดลง (vapor pressure lowering)



โดยปกตแลว สารละลายทตวท าละลายระเหยได แตตวถกละลายไมระเหย ความดนไอของสารละลายจะต ากวาความดนไอของตวท าละลายบรสทธ ทงนไมวาจะเปนทอณหภมใดๆ ความแตกตางนจะมากขนเมออณหภม และความดนไอสงขน จากกฎของราอลต : P1 = X1P1

0 ถาให P เปนความดนไอทลดลงของสารละลาย P = P1

0 - P1 = P1

0 - X1P10 (แทนคา P1 ตามกฎของราอลต)

= P10 (1 - X1)

แตในสารละลายมเพยง 2 องคประกอบ ซงผลบวกของเศษสวนโมลเทากบ 1 X1 + X2 = 1 : X2 = 1 - X1 2. จดเยอกแขงทลดลงของสารละลาย (freezing point depression of solution) เมอน าสารละลายอดมคตทประกอบดวยตวท าละลายทระเหยได และตวถกละลายทไมระเหยมาทดลองหาความดนไอของสารละลาย และความดนไอของตวท าละลายทบรสทธทอณหภมตาง ๆ แลวเขยนกราฟระหวางความดนไอกบอณหภม

รปท 5.26 สมบตคอลลเคทฟของสารละลายเมอน าตวถกละลายทไมละเหยมาละลายในน า จากกราฟแสดงสมบตคอลลเคทฟของสารละลายเมอน าตวถกละลายทไมละเหยมาละลายในน าคอ ความดนไอลดลง จดเดอดเพมขนและจดเยอกแขงลดลงจากการทดลองสรปไดวา

จดเยอกแขงของสารละลาย จะต ากวาของตวท าละลายบรสทธ จดเดอดของสารละลาย จะสงกวาของตวท าละลายบรสทธ ความดนไอของสารละลาย จะต ากวาของตวท าละลายบรสทธ


3. การเพมขนของจดเดอด (boiling point elevation) จะเหนวาจดเดอดของสารละลาย (Tb) สงกวาจดเดอดของตวท าละลายบรสทธ (Tb) ทงน

เนองมาจากผลความดนไอของสารละลายลดลงนนเอง ถาให Tb แทนจดเดอดทสงขนของสารละลาย Tb = Tb - Tb ถาสารละลายเจอจาง Tb จะมคานอยและเสนกราฟชวง BH ถอวาเปนเสนตรง

ความชน (slope, k) = bΔT

ΔP

คา Kb เรยกวาคาคงตวจดเดอดสงขนโมแลล (molal boiling point elevation constant) ซงมความหมายวาเปนจดเดอดทสงขนตอ 1 โมล ของตวถกละลาย ในตวท าละลาย 1 กโลกรม คา Kb เปนคาคงตวเฉพาะสารทเปนตวท าละลายแตละชนด แตไมขนกบชนดของตวถกละลาย มหนวยเปน C kg mol-1 หรอ องศาตอมแลล (C m-1) คา Kb ของตวท าละลายบางชนด คาเหลานไดจากการวดจดเดอดของสารละลายททราบความเขมขน จาก Tb = Kb m 4. ความดนออสโมตก (osmotic pressure) ในกรณของสารละลายทตวถกละลายไมระเหยจะท าใหความดนไอของตวท าละลายลดลง แลวมผลใหจดเยอกแขงของตวท าละลายลดลงและจดเดอดสงขน เราสามารถน าคาจดเยอกแขงทลดลงและจดเดอดทสงขน มาใชค านวณหาน าหนกโมเลกลของตวถกท าละลายได ปรากฏการณทเรยกวาความดนออสโมตก(osmotic pressure) กมความสมพนธกบการลดคาความดนไอของตวท าละลายและสามารถน าไปใชหาน าหนกโมเลกลของตวถกท าละลายไดเชนเดยวกน นอกจากนนกระบวนการออสโมซส (osmosis) ยงมความส าคญอยางยงในการท างานของระบบสงมชวตตางๆ ดวย ออสโมซส (osmosis) คอปรากฏการณตามธรรมชาต ทเกดจากอนภ าคของน า ห ร อต วท าละลายซ มผ าน เย อ ก ง ซ ม ได (semipermeable membrane) (อนภาคของตวถกละลายซมผานไมได) จากสารละลายทมความเขมขนนอยไปสสารละลายทมความเขมขนมากกวา ท าใหสารละลายทมความเขมขนมากนนมความดนเพมขน ความดนทเพมขนน เรยกวาความดนออสโมตก (ใชสญลกษณแทนดวย ) สามารถท าไดงายๆ ดงรปท 5.27 รปท 5.27 แสดงความดนออสโมซส สมมตวาบรรจสารละลายน าตาล (หรอสารละลายทตวถกละลายไมระเหยอนๆ ในภาชนะทมเยอกงซมได (semipermeable membrane) แลวน าไปจมไวในภาชนะทบรรจตวท าละลายบรสทธ (เชนเดยวกบทใช



เตรยมสารละลาย) เมอเวลาผานไป จะสงเกตเหนวาระดบสารละลายจะสงขนเรอยๆ ทงน เพราะตวท าละลายซมผานเขาไปในสารละลายได จนในทสดระดบสารละลายจะคงท แสดงวาระบบอยในสมดล สารละลายจะเจอจางลงและมความดนเพมขน

ประโยชนของกระบวนการออสโมซสผนกลบ ตวอยางการผลตน าจดจากน าทะเล (desalination) การบ าบดน าเสย (polluted water) ซงมสารตางๆ แขวนลอยหรอละลายอย ใหเปนน าทสะอาดขน การท าอาหารบางชนด เชนน าเชอมหรอน าผลไมใหเขมขน เพอความสะดวกในการบรรจกระปอง ใชในอตสาหกรรมท ายารกษาโรค ปญหาของออสโมซสผนกลบคอการสงเคราะห (หรอเลอกหาจากธรรมชาต) เยอกงซมได (semipermeable membrane) เพอใชประโยชนใหตรงกบวตถประสงคเฉพาะอยาง

2) คอลลอยด คอลลอยด (colloids) เปนของผสมทมลกษณะอยกงกลางระหวางสารละลาย (solution) กบ

สารแขวนลอย (suspension) คออนภาคของคอลลอยดมขนาดใหญกวาอนภาคตวถกละลายในสารละลาย แตเลกกวาอนภาคทแขวนลอยในสารแขวนลอย อนภาคคอลลอยดเรยกวาวฏภาคทแขวนลอย (dispersing phase) สวนตวกลางในคอลลอยดเรยกวาวฏภาคทแพรกระจายหรอวฏภาคตอเนอง (dispersing phase หรอ continuous phase)

เนองจากสารละลายประกอบดวยอนภาคของตวละลายทมขนาดเลกมากประมาณ 0.1 -1.0 nm (1 nm = 10-7cm) ซงตาเปลามองไมเหนตวละลายและเมอทงไว จะไมแยกตวออกจากสารละลาย แตถาละลายแปงในน า หลงจากคนใหทวและตงทงไว จะเหนวาแปงบางสวนลอยอยในน าแมตงทงไวเปนเวลานานกไมตกตะกอนปรากฏการณรเรยกวาระบบคอลลอยดซงอนภาคทลอยอยในระบบนมขนาดประมาณ 1-100 nm และอาจอยในรปของกลมไอออน กลมอะตอม กลมโมเลกลเลกๆ หรออาจเปนโมเลกลขนาดใหญกได การทคอลลอยด ไมตกตะกอนนน เปนเพราะอนภาคคอลลอยดมประจทเหมอนกนจงมแรงผลกทางไฟฟาสถต (electrostatic repulsion) จนไมสามารถรวมตวเปนตะกอนได

อนภาคของคอลลอยดอาจเปนไดทงของแขง ของเหลว และแกส ทมการกระจายตวอยในตวกลางทอาจเปนของแขง ของเหลว หรอแกสกได ดงนน คอลลอยดจงสามารถแบงไดเปน 4 ประเภทตามสถานะของตวกลางและอนภาค ไดดงน

1. โซล (sols) เปนคอลลอยดทเกดจากอนภาคของแขงฟงกระจายในตวกลางทเปนของเหลว ซงเมอตงทงไวนาน ๆ อนภาคและตวกลางจะแยกออกจากกน ตวอยางคอลลอยดประเภทนไดแก แมกนเซยมไฮดรอกไซด (Mg(OH)

2) ในน า (milk of magnesia) เปนตน

2. อมลชน (emulsion) เปนคอลลอยดทเกดจากอนภาคทเปนของเหลวฟงกระจายในตวกลางทเปนของเหลว เชน นมสด ครมนวดผม เปนตน

3. เจล (gel) เปนคอลลอยดทเกดจากอนภาคทเปนของแขงฟงกระจายในตวกลางทเปนของเหลว โดยอนภาคทฟงกระจายนน จะสานกนเปนตาขายอยางตอเนองกบตวกลาง เชน วน เจลล หรอ เจลลาตน เปนตน

4. ละอองลอย (aerosol) เปนคอลลอยดทเกดจากอนภาคทเปนของแขงหรอของเหลวฟงกระจายอยในตวกลางทเปนแกส เชน หมอก ควน เปนตน


สมบตของคอลลอยด 1. การเคลอนทแบบบราวน (Brownian Motion) อนภาคคอลลอยดเกดจากการเคลอนทแบบสม

ฟงกระจายทวไปในตวกลางมทศทางการเคลอนทไมแนนอน เมออนภาคของคอลลอยดเคลอนทมากระทบกนกจะกระจดกระจายไปทวตวกลาง จงมผลท าใหคอลลอยดไมตกตะกอน ลกษณะการเคลอนทแบบนเรยกวา การเคลอนทแบบบราวเนยน (Brownian movement) ซงโรเบรต บราวนคนพบปรากฏการณนในการสองควนโดยกลองจลทรรศน

2. ปรากฏการณทนดอลล (Tyndall effect) คอลลอยดมสมบตส าคญอยางหนงคอ การกระเจงของแสง (scattering of light) เมอสองแสงผานคอลลอยด จะมองเหนล าแสงในคอลลอยด ทงนเพราะอนภาคคอลลอยดมขนาดใหญพอทล าแสงสามารถตกกระทบแลวเกดการกระเจงของแสงได ส าหรบสารละลายขนาดของตวถกละลายจะเลกมาก จนแสงสามารถรอดผานไปได เชนการทอแสงของอากาศทมละอองฝนอย เชน หมอก ฝน บรเวณทมฝนมากในตอนกลางคน ปรากฏการณนคนพบโดย จอหน ทนดอลล

3. อนภาคคอลลอยดบางชนดมประจไฟฟาชนดหนงทผวของอนภาค เมอน าไปละลายในตวท าละลายในตวกลางทมอนภาคไฟฟาตรงกนขามจงเกดแรงดงดดตอกน มผลท าใหอนภาคฟงกระจายอยในตวกลางได

ตารางท 5.4 คอลลอยดประเภทตาง ๆ

วฏภาคของ คอลลอยด

อนภาค คอลลอยด

ตวอยาง ท ากระจาย

ชนด คอลลอยด

ตวอยาง

แกส

ของเหลว

ของแขง

แกส ของเหลว

ของแขง

แกส

ของเหลว ของแขง

แกส

ของเหลว ของแขง

แกส แกส

แกส

ของเหลว ของเหลว ของเหลว

ของแขง ของแขง ของแขง

ไมม ละอองลอย

ละอองลอย

ฟอง

อมลชน โซล

ฟองของแขง

อมลชนของแขง โซลของแขง

- หมอก, เมฆ, มลพษบางชนดในอากาศ

ควน

ฟองสบ นม, ครม

สทา, น าแปง

หนพมมซ เนย

โอพอล



แบบฝกหดทายบท 1. แกสออกซเจนมปรมาตร 5.00 ลตร ทความดน 740 mmHg จงหาปรมาตรของแกสจ านวนน ท

ความดนมาตรฐาน เมออณหภมคงท 2. บอลลนลกหนงมปรมาตร 0.55 L ทระดบน าทะเล (1.0 atm) เมอลอยขนสง 6.5 km ซงมความดน

0.40 atm จะมปรมาตรเทาใด สมมตวาอณหภมคงท 3. แกสคลอรนมปรมาตร 946 mL ทความดน 726 mmHg จงค านวณความดนของแกสน (ในหนวย

mmHg) ถาปรมาตรลดลงเปน 154 mL ทอณหภมคงท 4. ปรมาตรของบอลลนทบรรจดวยแกสไฮโดรเจน เปน 1.00 ลตร ท 25 C จงค านวณปรมาตรของ

บอลลนเมอเยนลงส -78 C ในอางทบรรจน าแขงแหงและอะซโตน 5. แกสฟลออรน 452 mL มอณหภมเพมขนจาก 22 C เปน 187 C ทความดนคงท จะมปรมาตร

สดทายเปนเทาใด 6. แกสคารบอนมอนอกไซดมปรมาตร 3.20 L ท 125 C จงค านวณอณหภมทแกสนจะมปรมาตร

1.54 L ถาความดนคงท

แก๊ส ของแข็ง...

Documents

Transcript of แก๊ส ของแข็ง...