ครูอรรคชัย วิจิตร
ครอรรคชย วจตร
พลงงานกบการเปลยนแปลงของสาร
สถานะของสาร สารตางๆอาจอยในสถานะ กาซ ของเหลวหรอของแขงก
ไดขนอยกบชนดของสาร การพจารณาสถานะของสาร 1. ถาสารนนมจดหลอมเหลวและจดเดอดต ากวาอณหภมหอง (25
องศาเซลเซยส) สารนนจะมสถานะเปนกาซ 2. ถาสารนนมจดหลอมเหลวต ากวาอณหภมหอง แตมจดเดอดสง
กวาอณหภมหอง สารนนจะมสถานะเปนของเหลว 3. ถาสารนนมจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาอณหภมหอง สาร
นนจะมสถานะเปนของแขง
พลงงานกบการเปลยนสถานะ • สถานะของแขง เปนสถานะทมรปรางและปรมาตรทแนนอน
และตานตอแรงทมากระท า • สถานะของเหลว เปนสถานะซงไหลได ปรมาตรคงท
เปลยนแปลงรปรางไปตามภาชนะทบรรจ • สถานะกาซ เปนสถานะทขยายตวไดจนเตมภาชนะทบรรจ
ปรมาตรและรปรางไมคงทและมความหนาแนนต า
การเปลยนแปลงพลงงานของระบบ
• ระบบ หมายถง สงทก าลงศกษาอย ซงอาจจะเปนระบบของสถานะ การละลายและปฏกรยาเคม
• สวนสงทอยรอบๆระบบรวมทงอปกรณทชวยใหระบบท างานไดสมบรณ เรยกวา สงแวดลอม
การเปลยนแปลงพลงงานของระบบ จ าแนกได 2 ประเภท คอ
การเปลยนแปลงประเภทดดความรอน
คอ การทระบบดดพลงงานความรอนจากสงแวดลอม ท าใหอณหภมของสงแวดลอมลดลง เชน การหลอมเหลวของน าแขง
การเปลยนแปลงประเภทคายความรอน
คอ การทระบบคายพลงงานใหกบสงแวดลอม ท าใหอณหภมของสงแวดลอมสงขน เชน การลกไหมของเทยนไข
ความจความรอนจ าเพาะ
ความจความรอนจ าเพาะเปนคาของพลงงานความรอนทไดรบหรอคายออกมาเมอสารนน 1 กรม มอณหภมเปลยนไป 1 องศาเซลเซยส ซงคาของความจความรอนจ าเพาะนนจะเปนคาเฉพาะตวของสารนน
สตรทใชค านวณ คอ Q = mct
เมอ
Q คอ ปรมาณความรอน มหนวยเปน จล m คอ มวลของสาร มหนวยเปน กรม c คอ ความจความรอนจ าเพาะ มหนวยเปน จลตอกรม
องศาเซลเซยส
t คอ อณหภมทเปลยนไป(t2-t1) มหนวยเปน องศาเซลเซยส
ความรอนแฝง
หมายถง คาพลงงานคามรอนทสารใชในการเปลยนสถานะ ซงขณะทเปลยนสถานะอณหภมของสารจะคงท ดงกราฟ
จากรปกราฟ จะไดวา
ชวง A หมายถง สารจะมสถานะของแขงในชวงเวลา (o-a ) ขณะนอณหภมเปลยนแปลง สงขนเรอยๆ จนถง T
ชวง B หมายถง สารก าลงเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลวในชวงเวลา (a-b) ขณะนอณหภมคงทเทากบ T1 เรยกจดหลอมเหลว ความรอนทใชในชวงนเรยกวา ความรอนแฝงของการหลอมเหลวของสาร
ชวง C หมายถง สารจะมสถานะของเหลวในชวงเวลา (b-c) ขณะนอณหภมเปลยนแปลง เรอยๆ จาก T1 ไป T2
ชวง D หมายถง สารก าลงเปลยนสถานะจากของเหลวเปนกาซ (ไอ) ในชวงเวลา (c-d) ขณะนอณหภมคงทเทากบ T2 เรยกวา จดเดอด ความรอนทใชในชวงนเรยกวา ความรอนแฝงของการเกดไอของสาร
ชวง E หมายถง สารจะมสถานะไอ (กาซ) ในชวงเวลา d เปนตนไป ขณะนอณหภม เปลยนไปเรอยจาก T2
จากความหมายขางตนสรปไดดงน
สตรทใชค านวณหาคาปรมาณความรอน คอ
เมอ Q คอ ปรมาณความรอน มหนวยเปน จล หรอ กโลจล
M คอ มวลของสาร มหนวยเปน กรม หรอ กโลกรม L คอ ความรอนแฝงจ าเพาะของสาร มหนวยเปน จลตอกรม
หรอ กโลจลตอกโลกรม
Q = mL
การเปลยนสถานะของน า
โครงสรางและสมบตของน าแขงทแตกตางจากของแขงชนดอนๆ
น ามสมบตทโดดเดนเฉพาะตวเกยวกบการเปลยนสถานะ เนองจากน าในของแขงมความหนาแนนต ากวาน าในของเหลว ดงนน น าแขงจงลอยน าได ซงแตกตางจากสารอนทเปนของแขง เชน เบนซนจมลงในเบนซนเหลว เปนตน
ของแขง เปนสถานะของสารทมความคงตว และเปนรปผลก
แตกตางกนไปขนอยกบการเรยงตวของอนภาคภายในของสารนนๆ สารบางอยางอาจมผลกไดหลายรปแบบ จงท าใหสมบตแตกตางกนไป
ของแขง
สมบตของของแขง เมอลดอณหภมลงถงจดหนง ของเหลวและแกสจะเปลยน
สถานะเปนของแขง อนภาคของสารจะหยดนง ไมมการเคลอนท แตอาจสนได ของและจงมพลงงานจลนนอยมาก เมอเทยบกบของเหลวและแกส ของแขงมสมบตและลกษณะทวไปดงน
1.มรปรางทแนนอน เนองจากโมเลกลอยชดกน มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวาของเหลว และมพลงงานจลนนอยมากจงไมสามารถเคลอนทได
2.มความหนาแนนมากกวาของเหลว ยกเวนน า น าแขงมความหนาแนนนอยกวาน า
3.มปรมาตรแนนอน 4.บบหรออดใหเลกลงไดยาก เพราะไมมทวางระหวางอนภาค 5.ของแขงมทงพวกทน าไฟฟาและความรอน พวกกงตวน าและพวกท
เปนฉนวนไฟฟา 6.ม 2 รปแบบคอ รปผลกและไมเปนรปผลก
7.มจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาของเหลวและแกส
สมบตของของแขง
เมอของแขงไดรบพลงงานความรอน อนภาคของของแขงจะมพลงงานจลนเพมขน เกดการสนสะเทอนของอนภาค และเกดการถายเทพลงงานใหกบอนภาคใกลเคยง และมพลงงานสงขนจนถงขนมากกวาแรงยดเหนยวระหวางอนภาคของสาร อนภาคของของแขงจงเรมเคลอนทได และไมอยในต าแหนงทแนนอน ท าใหของแขงเปลยนสถานะเปนของเหลว
การเปลยนสถานะของของแขง
อณหภมขณะทของแขงเปลยนสถานะเปนของเหลวเรยกวา จดหลอมเหลว (melting point) ซงสามารถเขยนเปนแผนผงแสดงการเปลยนแปลงไดดงน
ของแขง
ของเหลว
จดหลอมเหลว
อณหภมคงท
การระเหด การระเหด (sublimation) เปนปรากฏการณทสารบาง
ชนดเปลยนสถานะจากของแขงเปนแกส โดยไมเปลยนสถานะเปนของเหลวกอน การสนสะเทอนของอนภาคในสถานะของแขงทมพลงงานสงมากกวาแรงดงดดระหวางอนภาคดวยกน ท าใหอนภาคหลดออกจากสถานะของแขงไปออยในสถานะแกส เรยกวา การกลายเปนไอของของแขง หรอ การระเหด ซงจะเกดขนทผวหนารอบกอนของแขง ซงสามารถเขยนเปนแผนผงไดดงน
การระเหดเกดขนกบของแขงทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยและมคาความดนไอสง โดยอณหภมยงต ากวาจดหลอมเหลว ดงนนของแขงจงเปลยนเปนแกสได เชน การบร ไอโอดน แนฟทาลน พมเสน คารบอนไดออกไซดแขง(น าแขงแหง) เปนตน
ของแขง การระเหด
แกส
การระเหดของการบร
การจดเรยงอนภาคของของแขง ของแขงมรปรางลกษณะเดนชดในรปผลก ซงเกดจากอนภาค
ของแขงเรยงกนอยางมระเบยบแบบแผนตามรปทรงเรขาคณตทแนนอน คอ มผวหนาเรยบและตดกนเปนเหลยม เปนมมมดานทแนนอนและมลกษณะเฉพาะตว สารชนดเดยวกนจะมการจดเรยงตวของอนภาคเปนแบบเดยวกน
ผลกมทงธาตและสารประกอบ การจดเรยงตวของอนภาคภายในผลกอาจเปนอะตอม โมเลกลหรอไอออนทมประจบวกหรอประจลบ สารบางอยางมผลกไดหลายรปแบบ ท าใหรปรางและสมบตบางประการของสารแตกตางกน ซงจะไดศกษาจากการท ากจกรรมตอไปน
การทสารมรปผลกแตกตางกนมสาเหตมาจากการจดเรยงอะตอมหรอการจดเรยงโมเลกลของสารตางกนดงน
1. การจดเรยงโมเลกลของสารตางกน ท าใหสารมรปผลกตางกน เชน ก ามะถน ฟอสฟอรส เปนตน
2. การจดเรยงอะตอมของสารมโครงสรางตางกน ท าใหมรปผลกตางกน เชน เพชร แกรไฟต ฟลเลอรน
ของแขงในชวตประจ าวน ของแขงทเปนรปผลก
ของแขงทเปนผลกแบงออกเปน 4 ประเภทตามชนดของอนภาค ซงอาจเปนไอออน อะตอมหรอโมเลกลของของแขง ดงน
ผลกไอออนก ประกอบดวยไอออนบวกและไอออนลบ มแรงดงดดระหวางประจ
มาก มจดเดอดและจดหลอมเหลวสงแขงและเปราะ ไมน าไฟฟา
ตวอยาง เกลอแกง (NaCl) แมกนเซยมออกไซด (MgO) ซลเวอรคลอไรด (AgCl)แคลเซยมฟลออไรด (CaF2)
ผลกโมเลกล ประกอบดวยโมเลกลของของแขง แรงดงดดเปนแรงออนๆทยด
เหนยวกนดวยแรงแวนเดอรวาลส ประกอบไปดวยโมเลกลมขวและโมเลกลไมมขว จดหลอมเหลวต า ไมน าความรอนและไมน าไฟฟา ความแขงปานกลางเปราะไมมาก
ตวอยาง โมเลกลมขว น าแขง (H2O) แอมโมเนย (NH3) โมเลกลไมมขว ไอโอดน (I2) ก ามะถน (S8) แนฟทาลน (C10H8) น าแขงแหง (CO2)
โครงสรางแบบ NaCl
โครงสราง NaCl แสดงใหเหนวา Na+ ( ) อยในชองออกทะฮดรลของ Cl- ( )
เลขโคออรดเนชน = 6:6
โครงสรางแบบ NaCl (ตอ)
Cl-
Na+
โครงสรางแบบNaCl (ตอ)
การบรรจ Na+ และ Cl- ในเซลลหนวย NaCl
สวนหนงของผลกNaCl การบรรจของไอออน ในเซลลหนวย NaCl
ผลกโคเวเลนตรางตาขาย
ประกอบดวยอะตอม อะตอมยดเหนยวดวยพนธะโคเวเลนตโครงผลกรางตาขายทแขงแรงมาก ไมละลายในตวท าละลายใดๆสวนใหญไมน าความรอนและไมน าไฟฟา
ตวอยาง เพชร (C) แกรไฟต (C) ซลคอนคารไบต (SiC) ควอตซ (SiO2)
ผลกโลหะ
ประกอบดวยไอออนบวก มเวเลนซอเลกตรอน 1 – 2 อเลกตรอนเคลอนทเปนอสระ น าไฟฟาไดด เนองจากมเวเลนซอเลกตรอนอสระ สามารถเปลยนรปทบเปนแผนและท าเปนเสนได
ตวอยาง
เหลก(Fe) อะลมเนยม(Al) ทองแดง(Cu) สงกะส(Zn) ตะกว(Pb) เงน(Ag) นกเกล(Ni) โครเมยม(Cr) แมกนเซยม(Mg)
ชนดของของแขง แบงของแขงได 4 ประเภท ตามชนดของอนภาคในเซลลหนวย(จด
แลตทซ) ดงน
1. ของแขงโมเลกล 2. ของแขงไอออน
3. ของแขงโคเวเลนต 4. โลหะ
แรงดงดดระหวางโมเลกลหรออะตอม อาจเปนแรงดงดดระหวางอนภาคมขว (dipole - dipole attraction) แรงดงดดระหวางอนภาคไมมขว (แรงแวนเดอรวาลล) หรอพนธะไฮโดรเจน (hydrogen bonding) (แรงเหลานมความแขงแรงนอยกวาพนธะโคเวเลนต)
1.ของแขงโมเลกล (molecular solid) มอนภาคในจดแลตทซเปนโมเลกลหรออะตอม
ของแขงโมเลกล (ตอ)
แรงแวนเดอรวาลล (ชนดแรงกระจายลอนดอน) ไดแก Ar, O2,แนฟทาลน (ลกเหมน) น าแขงแหง (CO2 แขง)
แรงไดโพล - ไดโพล ไดแก SO2, น าแขง, HCl พนธะไฮโดรเจนไดแกในน าแขง, NH3, HF ของแขงบางชนด เชน น าแขง มแรงระหวางโมเลกลหลายแบบรวมกน แรงระหวางโมเลกลในของแขงโมเลกลมคานอย ของแขงโมเลกลจงมกมพลงงานโครงผลก (lattice energy) ต า เปลยน
รปงาย (easily deformed) มความออน (soft) มจดหลอมเหลวต า และน าไฟฟาไดนอย
2.ของแขงไอออน (ionic solid)
มอนภาคในจดแลตทซเปนไอออน เชนผลก NaCl ม Na+ และ Cl- อยตามจดแลตทซ และดงดดกนดวยแรงดงดดแบบไฟฟาสถตย (electrostatic attraction) ( ขนาดของแรงขนกบขนาดและประจของไอออน)
แรงดงดดแบบไฟฟาสถตยมคามาก ของแขงไอออนจงมพลงงานโครงผลกสง มจดหลอมเหลวสง มความแขง แตเปราะ และแตกหกงาย
การแตกของของแขงไอออน
3.ของแขงโคเวเลนต (covalent solid) มพนธะโคเวเลนตระหวางอะตอม ยดกนเปนตาขายทวผลก เชน เพชร ทกๆ อะตอมของคารบอนยดกบอะตอมอน 4 อะตอม ท า
ใหเกดพนธะโคเวเลนตทแขงแรงมาก ของแขงโคเวเลนตอนๆ เชน กราไฟต คารโบรนดม (ซลกอนคาร
ไบด, SiC) และควอซต (ซลกอนไดออกไซด, SiO2)
ของแขงโคเวเลนต(ตอ) SiC มโครงสรางคลายเพชร (แตม อะตอม Si แทน C ครงหนง
ของทงหมด) SiC ใชท าวตถขดส เชน กระดาษทราย ของแขงโคเวเลนตมการน าไฟฟาต า เพราะอเลกตรอนในผลก อย
ประจ าท ไมสามารถเคลอนทไดอยางอสระ
4.ของแขงโลหะ (metallic crystals)
อนภาคทอยตามจดแลตทซของโลหะคอไอออนบวก และม เวเลนตอเลกตรอนทเปนของผลกทงหมด ลอมรอบไอออนบวก (ไมใชของอะตอมใดอะตอมหนง) บางครงเรยกวามไอออนบวกอยใน “ทะเล” อเลกตรอน
ผลกโลหะสวนใหญมการจดเรยงอนภาคแบบบรรจชดทสด (ทง fcc และ hcp)
ของแขงโลหะ(ตอ)
โลหะเปนชนอยไดเพราะมแรงดงดดทางไฟฟาสถตยระหวางไอออนบวกกบทะเลอเลกตรอน
อเลกตรอนในผลกโลหะเคลอนทไดอยางอสระ โลหะสวนใหญจงน าไฟฟาไดด จดหลอมเหลวและความแขง ของโลหะหลายชนดมคาแตกตางกนมาก
เพราะโลหะบางชนดมพนธะโคเวเลนตปนอยดวย
โครงสรางผลกโลหะ
Li
Na
K
Rb
Cs Ba
V
Nb
Ta W
Mo
Cr Fe Ca
Sr
Ni
Rh
Ir Pt
Pd
Cu
Ag
Be
Au Pb
Mg
Sc
Y
La
Ti
Zr
Hf
Tc Ru
Os Rc
Co Zn
Cd
Tl
Mn Ga Ge
Sn In
Hg
Fe ลกบาศก กลางตว
ลกบาศก กลางหนา Pb เฮกซะโกนล Tl
โลหะทไมไดบอกโครงสรางไวในตาราง มโครงสรางผลกดงน Mn = ลกบาศกกลางตว Ga = ออรโทรอมบก Ge = ลกบาศกกลางหนา (บรรจชดทสด) In, Sn = เททระโกนล (Sn มหลายอญรป) Hg = รอมโบฮดรล
โครงสรางผลกโลหะ
สมบตของของเหลว ของเหลว(liquid) เปนสารทอนภาคเคลอนทชาๆ อยางไมเปน
ระเบยบอยใกลๆ กน มลกษณะทวไปและสมบตบางประการดงน - มแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยกวาของแขงท าใหมชองวาง
ระหวางอนภาค และ มพลงงานจลน - มรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามรปรางของภาชนะ และ
ในกรณทบรรจของเหลวไมเตมภาชนะนน ของเหลวนนจะมรปรางเหมอนกบสวนลางของภาชนะ
- มปรมาตรคงท แมจะเปลยนไปใสภาชนะรปรางอนและขนาดไมเทาเดม ของเหลวนนกยงคงจะมปรมาตรเทาเดม
- มความหนาแนนนอยลงเมอเปลยนสถานะเปนของแขง - ไมสามารถบบอดใหเลกลงได แตอาจขยายหรอหดตว เมอ
อณหภมเปลยนแปลง เนองจากยงคงมชองวางระหวางโมเลกล - มการแพรกระจายเหมอนกาซ แตชากวา เนองจากมแรงดงดด
จากโมเลกลใกลเคยง และบรเวณทใชในการเคลอนทมจ ากด - สมบตการระเหยและมความดนไอทมคาเฉพาะตว
- เมอไดรบความรอน อนภาคจะมพลงงานจลนสงขน เคลอนทไดเรวและแรงขน จนเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางกน อนภาคจงแยกออกจากกน ของเหลวเปลยนสถานะเปนแกส อณหภมทของเหลวไดรบจนเปลยนสถานะเปนแกสนนเรยกวา จดเดอด
การระเหย การระเหย(evaporation) เปนกระบวนการทของเหลว
เปลยนสภานะเปนกาซหรอไอ ซงเกดขนไดเนองจากการเคลอนทตลอดเวลาของของเหลว ทเกดการชนกนและถายเทพลงงานซงกนและกนโมเลกลหนงมพลงงานจลนเพมขน อกโมเลกลหนงจะมพลงงานจลนลดลง เมออนภาคหรอโมเลกลทอยผวหนาของของเหลวมพลงงานจลนมากกวาแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทอยรอบขาง จะท าใหหลดออกจากผวหนาของของเหลว ไปเปนไอหรอแกส ท าใหปรมาตรของของเหลวลดลง และโมเลกลทระเหยไปเปนไอจะมพลงงานจลนสงกวาโมเลกลทอยในสถานะของเหลว
โมเลกลทมพลงงานจลนลดลงจะดดพลงงานความรอนจากโมเลกลใกลเขามา ท าใหอณหภมของของเหลวลดลง เปนการเปลยนแปลงประเภทดดพลงงาน
ปจจยทมผลตอการระเหย - อณหภม ของเหลวทอยในอณหภมสง จะเกดการระเหยได
ดกวาของเหลวทอยในอณหภมต า - พนทผว ในอณหภมและ เวลาทเทากน ของเหลวทอยใน
ภาชนะทมพนทหนาตดมากกวาจะเกดการระเหยไดมากกวาของเหลวทอยในภาชนะทมพนทหนาตดนอยกวา
- การถายเทของอากาศ ของเหลวทอยในททอากาศถายเทไดด จะเกดการระเหยไดดกวาของเหลวทอยในททอากาศถายเทไมสะดวก
ของเหลวตางชนดกนจะมอตราการระเหยไมเทากน เพราะโมเลกลของของเหลวแตละชนด มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลตางกน(แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะระเหยไดไมด)
หลกการระเหยของของเหลวน ามาใชในชวตประจ าวนได เมอดนมความชน กแสดงวาดนมน าอย
เมอไดรบความรอนและอณหภมความดนบรรยากาศพอเหมาะ กจะเกดการระเหยกลายเปนไอน าขนสบรรยากาศ ซงไอน าจากทงจากการคายระเหยของพชและการระเหยของน าจากดนกจะเขาสกระบวนการ การเกดฝนตอไป
ความดนไอของของเหลว ความดนไอของของเหลว( vapour
pressure)คอความดนของไอเหนอของเหลว ขณะทมคาคงท ซงเกดจากการทชองเหลวระเหยอยตลอดเวลา ขณะทของเหลวกลายเปนไอ ปรมาตรของของเหลวจะลดลง และปรมาณไอจะเพมขน ไอของของเหลวบางสวนจะเปลยนสภานะกลบมาเปนของเหลวไดอก ในระบบปดโมเลกลของของเหลวระเหยกลายเปนไออยเหนอระดบของเหลว โมเลกลของไอเหลานนจะชนฝาภาชนะ ซงผลรวมของแรงชนตอหนวยพนท
เรยกวา ความดนไอ เมอโมเลกลของของเหลวทเปนไอจ านวนมากกจะเกดการชนกนเองและกลบมาเปนของเหลวอก เรยกวาการควบแนน(condensation) และถาอตราการกลายเปนไอเทากบอตราการควบแนนจะไดวาของเหลวอยใสภาวะสมดล ซงเปนสมดลไดนามก(dynamic equilibrium) และความดนไอทเกดตอนนเรยกวา ความดนไอสมดลของของเหลว
Pบรรยากาศ = Pไอ + Pปรอท
Pไอ = Pบรรยากาศ – Pปรอท
= Pบรรยากาศ -
เมอ = ความหนาแนนของปรอท (g/cm3)
g = แรงโนมถวงของโลก (10 m/s2)
h = ความสงของระดบปรอท (m)
ทอณหภมสง ความดนไอของของเหลวจะมคามากกวาทอณหภมต า เพราะโมเลกลขอของเหลวจะมพลงงานสงขน ท าใหกลายเปนไดมากขน หรอกลาวไดวา อณหภมของของเหลวมผลตอความดนไอของสาร สารชนดเดยวกน เมอมอณหภมสงจะมความดนไอมากกวาทมอณหภมต า เนองจาก เมออณหภมสง จ านวนโมเลกลของของเหลวจะมพลงงานจลนมากกวาแรงยดเหนยว จงเกดการหลดหนออกไปกลายเปนไอไดมากขน มอตราการระเหยมากขน ความดนไอของของเหลวจงเพมขน
ปจจยทมผลตอความดนไอ -อณหภม ถาอณหภมสง ของเหลวจะกลายเปนไอไดงาย ความ
ดนไอกจะเพมขนดวย -ชนดของของเหลว ถาของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล
มาก กกลายเปนไดยาก ความดนไอกจะต า -พนทผวของของเหลว ถามพนทผวมากกจะกลายเปนไอไดงาย
ความดนจะสง
จดเดอดของของเหลว
- การเดอด(boiling) หมายถงการเกดฟองของไอขนภายในของเหลว เมอไดรบความรอน
- จดเดอด(boiling point) คออณหภมทของเหลวเปลยนสถานะกลายเปนไอ ขณะนนความดนไอของของเหลวจะเทากบความดนภายนอก ในอณหภมของความรอนทของเหลวไดรบจะท าใหโมเลกลของของเหลวระเหยเพมมากขน แตจะไมท าใหของเหลวมอณหภมเพมขนอก ดงนนจดเดอดของของเหลวจงคงท
การเดอดตางจากการระเหยตรงท การระเหยเปนการกลายเปนไอของโมเลกลทอยบรเวณผวหนาของของเหลว แตการเดอดเปนการกลายเปนไอของโมเลกลทกสวนในของเหลว เนองจากไดรบความรอนจงเกดฟองของไอขนภายในของเหลว ซงชวยเพมพนทผวหนาของของเหลว เสมอนวาเกดการระเหยขนทวไปภายในของของเหลว
ความดนไอกบชวตประจ าวน ในการประกอบอาหาร เพอใหอาหารเปอยเรวขน ควรใชหมอ
อดความดน เพอเพมความดนของอากาศภายในหมออดความดน จะท าใหของเหลวมความดนไอสงเทากบความดนของอากาศภายในหมอ จงจะเกดการเดอด จดเดอดจงสงกวาปกต ท าใหอาหารเดอดเรวขน
ความตงผว
ของเหลวจะประกอบดวยอนภาคจ านวนมากทมายดกนในลกษณะทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ซงโมเลกลทอยตรงกลางจะมแรงยดเหนยวจากโมเลกลทอยโดยรอบในทกทศทาง โดยเฉพาะโมเลกลทอยผวหนาจะมแรงยดดานขางและดานลางของโมเลกล ท าใหผลรวมของแรงดงมทศทางลงสดานลาง เรยกแรงดงพวกนวา แรงตงผว
ซงเปนแรงทดงผวของของเหลวเขามาภายใน เพอใหพนทผวของของเหลวเหลอนอยทสด(โดยทวไปจะเปนรปทรงกลม)
กรณการเพมพนทผวของของเหลว ตองมการใชพลงงานเพอเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทอยโดยรอบ การทโมเลกลมการขยายพนทผวของของเหลว 1 หนวยเรยกวา ความตงผว(มหนวยเปน นวตนตอตารางเมตร) ความตงผวของของเหลวจะมากหรอนอยขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลในของเหลว กลาวคอ ถาของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะท าใหเกดความตงผวมาก
นอกจากนคาความตงผวของสารแตละชนดจะมคาไมเทากน และเมออณหภมเปลยนแปลง คาความตงผวกเปลยนไปดวย
การใสของเหลวลงภาชนะ จะพบวาโมเลกลของของเหลวและโมเลกลของสารทท าตอภาชนะ กอใหเกดแรงยดเหนยว 2 ชนดคอ
แรงเชอมแนน เปนแรงยดเหนยวระหวางอนภาค หรอโมเลกลของสารประเภทเดยวกน เชน น ากบน า ปรอทกบปรอท
แรงยดตด เปนแรงยดเหนยวระหวางอนภาคหรอโมเลกลของสารตางชนดกน เชน น ากบแกว ปรอทกบแกว ทใชท าภาชนะ
แรงทงสอง จะมผลตอรปทรงทปรากฏใหเหน เมอใสของเหลวในภาชนะ เชน เมอใสน าในหลอดแกว จะเหนเปนรอยเวาลง หรอเมอใสปรอทลงในหลอดแกว จะเหนเปนรอยนนขน
ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก จะมแรงดงผวมาก และจะมความตงมาก นอกจากแรงยดเหนยวระหวางอนภาคจะมผลตอความตงของสารแลว อณหภมของสารยงเปนอกปจจยหนงทมผลตอความตงผวของสาร
ความตงผว
ภาพตวอยางแรงตงผว
การเกดหยดน า
ผลกของเหลว (Liquid crystals)
สารบางชนดมสมบตทเปนทงของแขงและของเหลว โดยเฉพาะ ในชวงอณหภมเหนอจดหลอมเหลวของสารนน สารประเภทนเรยกวา ผลกของเหลว ซงมลกษณะเปน ของไหล (fluid) แตโมเลกลมการจดเรยงอยางเปนระเบยบคลายของแขงดงน
ของเหลว ของแขง ผลกเหลว
ผลกของเหลว
ม 3 ชนด ประกอบดวยโมเลกลทมลกษณะเปนแทงกลม (rodlike molecle) แตตางกนทการจดเรยง ดงน
ผลกของเหลวแบบเนมาตก โมเลกลมการจดเรยง คลายหลอดกาแฟทเรยงกนอยางหลวมๆ
ผลกของเหลวแบบสเมกตก โมเลกลมการจดเรยง อยางมระเบยบมากกวาแบบ เนมาตก โดยโมเลกล เรยงกนเปนแถวขนานกนและตอกนเปนชนๆ
ผลกของเหลว (ตอ)
ผลกของเหลวแบบโคเลสเทอรก โมเลกลมการจด เรยงเปนชนๆ ในแตละชนมการ จดคลาย ๆ แบบเนมาตก แตล าดบการเรยงในแตละชนไมเหมอนกน
ผลกของเหลว (ตอ)
ลกษณะการจดโมเลกลในผลกของเหลว
(a) แบบเนมาตก
(b) แบบสเมกตก
(c) แบบโคเลสเทอรก
ของเหลวในชวตประจ าวน ของเหลวทพบในชวตประจ าวนมหลายชนด ทงทเปน
สารละลายและสารบรสทธ ซงมลกษณะเปนสารเนอเดยว กอนทจะน ามาใชควรจะศกษาสมบตของของเหลวแตชนด เพอไมใหเกดอนตราย
ผลกของเหลวมความส าคญและใชประโยชนได เพราะมคณสมบตพเศษตางๆ เชน แบบโคเลสเทอรกสะทอนแสงใหสตางๆ ไดตามอณหภม จงมการน ามาใชเปนแถบวดไข แบบเนมาตก ใชเปนแบตเตอรในเครองคดเลขขนาดเลกและนาฬกาขอมอทแสดงเปนตวเลข (digital) เพราะสมบตเชงแสงเปลยนแปลงไดตามสนามไฟฟาทเปลยนไป แบตเตอรประเภทนมกใชไดนาน เพราะพลงงานทใชในการท าใหเกดการเปลยนสมบตเชงแสงนนมคานอยมาก
ตารางแสดงชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตไดและประโยชนหรอโทษของสาร
ชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตได ประโยชน/โทษ สารบรสทธ
น ากลน กรดแอซตก เบนซน
ใส ไมมส ไมมกลน ใส ไมมส มกลนฉน แสบจมก ใส ไมมส มกลนเฉพาะตว
เปนตวท าละลาย และใชดม เปนสวนผสมของน าสมสายช ใชในอตสาหกรรมปโตรเคม และเปนตวท าละลาย
ชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตได ประโยชน/โทษ
สารละลาย/คอลลอยด
น ามนเบนซน น าอดลม น าหวาน
ใส ไมมส สวนใหญเตมสแดงเพอเปนทสงเกต ใส มสตามทผผลตผสม ใส มสตามทผผลตผสม
เปนเชอเพลงในรถยนต และเปนตวท าละลาย เปนเครองดม
เปนเครองดม
สมบตของกาซ
กาซ (gas) คอ สารทอยในสถานะของกาซ ณ อณหภมและความดนปกต เชน กาซไฮโดรเจน (H2) กาซออกซเจน (O2) กาซเฉอย เปนตน
ไอ (vapour) คอ สารทอยในสถานะของแขง และของเหลวแลวมการเปลยนสถานะไปเมออณหภมและความดนเปลยน เชน ไอน า ไอของไอโอดน ไอลกเหมน เปนตน
คณสมบตของกาซ คอ 1.กาซมลกษณะฟ งกระจายไปทวภาชนะ เนองจากมแรงยด
เหนยวระหวางโมเลกลนอย 2.กาซมปรมาตรและรปรางไมแนนอน ขนอยกบขนาดของ
ภาชนะ 3.โดยทวไปกาซจะมลกษณะโปรงใส สวนใหญไมมส เชน กาซ
O2 , กาซ N2 ฯลฯ ยกเวน กาซ Cl2 (สเขยวออน) , กาซ NO2
สน าตาลแดง) , กาซ F2 (สเหลอง) เปนตน
4. เมอน ากาซมารวมกน 4.1ไมมปฏกรยาตอกน จ านวนโมเลกลของกาซกอนและหลงจะ
เทากน เชน
NO + NO2 NO + NO2
2 โมเลกล 2 โมเลกล 4.2 มปฏกรยาตอกน จ านวนโมเลกลของกาซกอนและหลง
อาจจะเทากนหรอไมเทากนกได ขนอยกบชนดของปฏกรยาเคม เชน
H2 + Cl2 2HCl
2 โมเลกล 2 โมเลกล
2H2 + O2 2H2O
3 โมเลกล 2 โมเลกล
2A + B C + 3D
3 โมเลกล 4 โมเลกล
5. กาซมความหนาแนนนอยกวาของเหลว และของแขง 6. ปรมาตรของกาซเปลยนแปลงไดขนอยกบอณหภมและความ
ดนซงในการบอกปรมาตร ของกาซจะตองบอกอณหภมและความดน และจ านวนโมลดวย
เชน กาซโฮโดรเจน 1 โมล จะมปรมาตร 22.4 ลตร (L) หรอลกบาศกเดซเมตร(dm3) ทอณหภม 0 องศาเซลเซยส (273 K ) และความดน 1 บรรยากาศ ซงเรยกวา STP
(Standard Temperature and Pressure)
ชนดของกาซ
นกวทยาศาสตรไดศกษาสมบตของกาซตางๆ และแบงกาซออกเปน 2 ประเภท คอ
1.กาซอดมคต (Ideal gas ) หรอกาซสมบรณ ( Absolute gas ) เปนกาซทนกวทยาศาสตรสมมตขนมาเพออธบายพฤตกรรมบางอยางของกาซ ซงกาซนไมมอยจรงในธรรมชาตและจะมพฤตกรรมตางๆ เปนไปตามกฎตางๆของกาซ เชน กฎขอบอยล กฎของชารล เปนตน
2.กาซจรง (Real gas) เปนกาซทมอยในธรรมชาตจรงๆ จะมพฤตกรรมตางๆ ไมเปนไปตามกฎตางๆ ของกาซ ซงพบวา กาซจรงจะมพฤตกรรมหรอสมบตคลายกาซอดมคต ตองอยทอณหภมสงและความดนต า ซงจะท าใหโมเลกลของกาซอยหางกน จนไมมแรงยดเหนยวระหวางกาซโมเลกลจนกลายเปนกาซอดมคต
อณหภมปรมาตรและความดน
อณหภม (Temperature) เปนมาตรทใชบอกระดบความรอน-เยนของสาร แตอณหภมไมไดบอกใหทราบถงปรมาณความรอนของสาร กลาวคอ สารทมอณหภมเทากนแสดงวามระดบความรอนเทากน แตอาจมปรมาณความรอนเทากนหรอไมเทากนกได เครองมอทใชวดอณหภมคอ เทอรโมมเตอร และเทอรโมคพเปล แตทใชกนอยางแพรหลายไดแก เทอรโมมเตอร
การวดอณหภมมหนวยทใชกนหลายหนวย เชน เซลเซยส (ºC) ฟาเรนไฮต (ºR) เคลวน หรอ องศาสมบรณ (K หรอ A)
จากขอมลจะไดวา
ผลตางอณหภมใดๆกบจดหลอมเหลว
ผลตางอณหภมจดเดอดกบจดหลอมเหลว
= คาคงท
ดงนน
MB
MXKRFC
MB
MXKRFC
100
273
80180
32
100
273373
273
080
0
32212
32
0100
0
ดงนนจะไดสตรแสดงความสมพนธของอณหภมองศาตางๆ
MB
MXKRFC
)(20
5
273
49
32
5
เมอ X คอ องศาใดๆ M คอ จดหลอมเหลว B คอ จดเดอด โดยทวไปกาซมกจะวดเปนเคลวนและองศาเซลเซยส ซงมความสมพนธกนดงน อณหภมเคลวน = 273 + องศาเซลเซยส
ปรมาตร (volume) คอ ปรมารความจ ปรมาตรของกาซโดยทวไปหมายถงปรมาตรของภาชนะทบรรจกาซ เนองจากกาซเปนสารทมอนภาคเคลอนทกระจายเมเนอทวางในภาชนะทบรรจ การใชสญลกษณแทนปรมาตรของกาซในการค านวณคอ V
หนวยวดปรมาตรทนยมใชคอ ลตร (L) มลลลตร (mL)
ลกบาศกเดซเมตร (dm3) และลกบาศกเซนตเมตร (cm3)
รปแสดงปรมาตรของกาซเทากบปรมาตรของภาชนะสเหลยมสแดง
สามารถเขยนความสมพนธระหวางหนวยวดปรมาตรหนวยตางๆ ไดดงน
1 dm3 = 1000 cm3
1 L = 1000 mL
1 dm3 = 1 L
1 cm3 = 1 mL
ความดน (pressure) หมายถงแรงตอหนวยพนท ความดนของกาซเกดจากโมเลกลของกาซเคลอนทชนผนงภาชนะ ท าใหเกดแรงกระท าตอภาชนะ ความดนของกาซทเกดขนมคาเทากนไมวาทจะวดทต าแหนงใดของภาชนะนน
การวความดนของกาซ หนวยทใชวดความดนไดแก บรรยากาศ มลลเมตรปรอท นวตนตอตารางเมตร ปอนดตอตารางนว บาร ทอร ส าหรบหนวยเอสไอ ใชปาสคาล (Pascal) สญลกษณ Pa และหนวยตางๆมความสมพนธกนดงน
1 บรรยากาศ(atm) = 760 มลเมตรปรอท(mmHg) = 760 ทอร (Torr)
= 1.01325 × 105 ปาสคาล (Pa) = 1.01325 บาร (Bar)
เครองมอทใชวดความดนของบรรยากาศ เรยกวา บารอมเตอร (Barometer) ดงรป
รป h = ความดนของบรรยากาศ ซงเทากบความสงของปรอท
เครองมอทใชวดความดนของกาซ เรยกวา มาโนมเตอร (Manometer) ซงม 2 แบบ ดงรป
แบบปลายปด จากรป ความดนของกาซ = h (ความสงของปรอท)
แบบปลายเปด จากรป ความดนของกาซ = h + ความดนบรรยากาศ
กฎตางๆของกาซ
กฎของบอยล(Boyle’s law) รอเบรต บอยล (Robert Boyle)
นกวทยาศาสตรชาวองกฤษไดศกษาความสมพนธระหวางปรมาตรกบความดนของกาซในป ค.ศ. 1662 พบวาเมออณหภมและมวลของกาซคงทปรมาตรของกาซจะแปรผกผนกบความดน
เขยนแสดงความสมพนธเปนสญลกษณไดดงน
• เมอ T และ m คงทจะได V α
PV = k
ก าหนดให V = ปรมาตรของกาซ P = ความดนของกาซ T = อณหภมเคลวน m = มวล k = คาคงท
P1
เขยนความสมพนธของผลคณระหวางความดนและปรมาตรของกาซเมออณหภมคงทไดดงน
P1V1= P2V2 = P3V3 =..........= k
สตรทใชในการค านวณคอ P1V1 = P2V2
ถากาซแสดงสมบตตามกฏของบอยล เราจะไดวา พนท A = พนท B
ตวอยางการค านวณเรองกฎของบอยล
ตวอยางท 1 แกสฮเลยมบรรจในลกโปงปรมาตร 4 ลตรทความดน 1 บรรยากาศ อณหภม 30 องศา เซลเซยส ถาตองการใหลกโปงขยายปรมาตรเปน 2 เทา จะตองอยในภาวะทมความดนเทาไหร
วธท า P1 = 1 atm V2 = 4 L
P2 = ? V2 = =8L 42
จากสตร P1V1 = P2V2
1(atm)× 4(L) = P2 (atm) ×8 (L)
P2 =
= 0.5 atm
จะตองท าใหมความดน 0.5 บรรยากาศ
)(8
)(4)(1
L
Latm
ตวอยางท 2 กาซไนโตรเจนมปรมาตร 15.00 ลตร ทความดน 2.00 บรรยากาศ (atm) เมอตองการให กาซไนโตรเจนมปรมาตร 2.50 ลตร จะตองใชความดนเทาไหร สมมตวาอณหภมคงทและกาซไนโตรเจนมพฤตกรรมแบบกาซในอดมคต
วธท า จากสตร P1V1 = P2V2
2.00(atm) × 15.00(L)= P2 ×2.50(L)
P2 =
= 12 บรรยากาศ เพราะฉะนน จะตองใชความดน 12 บรรยากาศ
)(5.2
)(15)(2
L
Latm
กฎของชารล (Chales’Law) ชาก-อาแลกซองดร-เซซา
(Jacques A. Charles) นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส ไดศกษาความสมพนธระหวางอณหภมกบปรมาตรของกาซ พบวา เมอความดนคงทปรมาตรของกาซใดๆจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน
สามารถเขยนความสมพนธ ไดดงน
kT
V
TV
เมอ P และ M คงท จะได
ดงนน kT
V
T
V
T
V
T
V
n
n ...3
3
2
2
1
1
สตรทใชค านวณ คอ 2
2
1
1
T
V
T
V
เมอ V คอ ปรมาตรของกาซ T คอ อณหภมของกาซม หนวยเปน เคลวน นอกจากน พบวาถาท าใหกาซรอนขนทความดนคงท กาซจะขยายตวมปรมาตรเพมขนไปตามเศษสวนของปรมาตรของกาซท 0 องศาเซลเซยสเทาๆกน ทกองศาเซลเซยสทเพมขน และเศษสวนนนมคา เทากบ
273
1
รปแสดงความสมพนธของปรมาตรและอณหภม ทความดนคงท
tV
VtVV
VVV
VVV
VV
Ct
C
C
C
o
o
o
o
273
11
273
1
2273
1
1273
1
0
00
002
001
00
จะไดวา Vt = V0( 1 + t )
เมอ Vt = ปรมาตรของกาซท °c
Vo = ปรมาตรของกาซท 0°c
= 273
1
จากสตร คอ 2
2
1
1
T
V
T
V จะเปนสตรเดยวกบ Vt = V0( 1 + t )
จากความสมพนธระหวางปรมาตรและอณหภม สามารถเขยนกราฟแสดงไดดงน
เราจะไดกราฟเสนตรง จดตดแกน y คอปรมาตรของกาซท อณหภม 0 องศาเซลเซยส ใหเทากบ V0 มลลลตรและเมอลากเสนประไปจนปรมาตรของกาซเทากบ 0 มลลลตรพบวาเสนกราฟตดแกนอณหภมทประมาณ -273 องศาเซลเซยส
ศนยสมบรณ : 0 K = -273.15°c จดเยอกแขงของน า : 273.15 K = 0°c จดเดอดของน า : 373.15 K = 100°c
กฎของเกยลสแซก (Gay-Lussac’s Lew)
จากความสมพนธระหวางความดน และอณหภมพบวา เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท ความดนของกาซจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน บางครงเรยกวากฎของ A monton
P α T (เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท)
2
2
1
1
T
P
kT P
T
P
T
P
k
และ สตรนใชค านวณเมอปรมาตรและมวลของกาซคงท
เมอ P คอ ความดนของกาซ T คอ อณหภมเคลวน
ถาน าความดนและอณหภมมาเขยนกราฟไดดงน
P
t(K)
V1
V2
V1>V2
จากกฎของความดนและอณหภมสามารถเขยนเปนแบบภาพไดดงน
Gay Lussac
Boyle
Charle
จากรปสรปไดดงน
กฎของ Boyle จะไดวา T คงท V α PV=คาคงท
กฎของ Charle จะไดวา P คงท V α T =คาคงท
กฎของ Gay Lussac จะไดวา V คงท P α T =คาคงท
P
1
T
V
T
P
ตวอยางการค านวณเกยวกบกฎของเกยลสแซก
ตวอยางท 1 อากาศในถงใบหนงมความดน 640 มลลเมตรปรอท ทอณหภม 23ºC เมอวางไวกลางแดดอณหภมเพมเปน 48 ºC ความดนของอากาศในถงจะเปนเทาใด วธท า จากสตร
mmHgP
K
KmmHgP
K
P
K
mmHg
T
V
T
V
694
)(300
)(321)(640
)(27348)(27323
)(640
2
2
2
2
2
1
1
แทนคา
ตวอยางท 2 กาซ X จ านวนหนงบรรจในถงซงมปรมาตร 2 ลตร วดความดนทอณหภม 27 ºC ไดเทากบ 800 มลลเมตรปรอท ถาตองการใหความดนกาซ X ภายในถงเพมขนอก 200 มลลเมตรปรอท จะตองเพมอณหภมอกก องศาเซลเซยส
CT
KT
mmHg
KmmHgT
T
mmHg
K
mmHg
T
V
T
V
o102273375
)(375
)(800
)(300)(1000
)(200800
)(27327
)(800
2
2
2
2
2
2
1
1
ดงนนจะตองเพมอณหภมอก 102-27 = 75 ºC
วธท า จากสตร
แทนคา
กฎของอโวกาโดร(Avogadro’
Law)
กลาวไดวา “เมออณหภมและความดนคงท ปรมาตรของกาซใดๆ จะแปรผนตรงกบจ านวนโมลของกาซนนๆ”
ก าหนดให V = ปรมาตรของกาซ n = จ านวนโมลของกาซ k = คาคงท
nV
knV
2
1
2
1
2
2
1
1
n
n
V
V
n
V
n
V
จะได
หรอ
สตรนใชเมอความดนและอณหภมคงท
ท สภาวะ STP กาซทกชนด 1 โมล มปรมาตรเทากบ 22.4 L
จากปรากฏการณน ถาเราน าคาไปแทนในสมการ 1 เราจะไดวา รป ก. V = 22.4 L,n = 1 mol
K = 22.4 L/1mol = 22.4 L/mol รป ข. V = 44.8 L, n = 2 mol
K = 44.8 L/2 mol = 22.4 L/mol เปนตน
กรณเชนเดยวกนกบแกสตางชนดกน เมอมจ านวนโมเลกลหรอจ านวนโมลเทากน ทสภาวะความดนและอณหภมเดยวกน ปรมาตรของกาซเหลานนจะมคาเทากนเสมอ
ดงตวอยางใน รป ง จ และ ฉ แสดงกระบอกสบซงบรรจกาซ A, B
และ C ตามล าดบ เมอกาซเหลานมปรมาณ 1 โมล ความดน 1 atm ทอณหภม 0 องศาเซลเซยส จะไดปรมาตรของกาซเทากบ 22.4 ลตร
จากกฎตางๆรวมเปนกฎของกาซได คอ T
PV
2
22
1
11
T
VP
T
VP
nT
PV
= คาคงท
จะได
เมอน ากฎอโวกาโดรมาสรปจะไดวา = คาคงท = R
เมอกาซตางๆ 1 mol ท STP สามารหาคา R ได
08205.02731
4.221
R
จะได nRTPV
P = บรรยากาศ(atm) V = ปรมาตร(L) n = จ านวนโมล T = อณหภม(K)
R = คาคงทของกาซ (Universal gas Constant) = 11
08205.0
KmolLatm
จาก
DRTPm
RTV
gPm
RTm
gPV
nRTPV
จะได
m = มวลโมเลกล D = ความหนาแนน(g/L)
22
22
11
11
tg
VP
tg
VP
m
R
gt
PV
RTm
gPV
nRTPV
จาก
= คาคงท
จะได
22
2
11
1
TD
P
TD
P
V
gD
จาก แทนในสตร
จะได
ตวอยาง กาซชนดหนงมความหนาแนน 7.2 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร ท 25 องศาเซลเซยส ความดน 700 มลลลตรปรอท จะมความหนาแนนเทาใดท STP
วธท า จาก
3
2
2
3
22
2
11
1
/53.8
273
760
)25273(/2.7
700
cmgD
KD
mmHg
Kcmg
mmHg
TD
P
TD
P
จะมความหนาแนน 8.53 g/cm3 ท STP
กฎความดนยอยของดอลตน กฎของกาซทกลาวมาเปนการศกษาพฤตกรรม
ของกาซบรสทธ(ระบบทมกาซชนดเดยว) แตในทางปฏบตมกจะพบกาซทอยรวมกนหรอผสมกนมากกวาหนงชนด เชน อากาศประกอบดวยกาซหลายชนด ในการพจารณาระบบกาซผสมตงแต 2 ชนดทไมท าปฏกรยาเคมตอกน กาซแตละชนดจะมความดนเหมอนวาเปนกาซทอยโดยล าพง ไมมกาซอนๆ อยดวย ความดน ของกาซแตละชดในกาซผสมเรยกวา ความดนยอย ( partial pressure ) ในป ค.ศ.1801 pressure ) ดอลตนไดเสนอกฎเรยกวา กฎความดนยอยของดอลตน ( Dalton’s law of artial )
กลาววา “ความดนของกาซผสมทไมมปฏกรยาเคมตอกนจะเทากบผลบวกของความดนยอยของกาซตางๆทเปนองคประกอบของกาซผสมนนๆ”
ก าหนดให PT คอ ความดนรวมของกาซ P1, P2, P3 …,Pn คอ ความดนยอยของกาซชนดท
1,2,3,...,n
จากกฎความดนยอยของดอลตนสามารถเขยนสมการไดดงน
PT = P1 + P2 + P3 + Pn
จากความสมพนธ จะแสดงเปนภาพไดดงน
ตวอยางเชน ถาเราม กาซไฮโดรเจน 0.5 โมล ปรมาตร 5 ลตร ทอณหภม 20 องศาเซลเซยส ความดนเทากบ 2.4 บรรยากาศ ดงรป ก และ ในรป ข มกาซฮเลยม 1.25 โมล ปรมาตร 5 ลตร ทอณหภม เดยวกน ความดนของกาซฮเลยม 6 บรรยากาศ
เมอน ากาซไฮโดรเจนและกาซฮเลยมจากรป ก และรป ข มารวมกนในถงปรมาตร 5 ลตร และอณหภมเทาเดม 20 องศาเซลเซยส จะไดกาซผสมในรป ค. ดานลาง ซงความดนรวมจะเทากบความดนของกาซท งสองรวมกน นนคอ 8.4 atm
กาซผสมนจะมจ านวนโมลและความดนเพมขน ความดนใหมทเกดขนกเปนผลรวมของกาซทงสองนนเอง ดงนนถาพดถงความดนของกาซผสมจะมค าศพท สองค าทควรร คอ ความดนรวม และ ความดนยอย ความดนรวม คอความดนทงหมดทเราท าการวดไดหลงจากทกาซสองชนดหรอมากกวาผสมเขาเปนเนอเดยวกนเรยบรอย สวนความดนยอยกหมายถงความดนของกาซแตละชนดทเปนองคประกอบอยในกาซผสมนนๆ
ในความเปนจรง เราจะสามารถวดความดนของกาซไดนน กเปนความดนรวมของกาซทงหมดทอยในระบบ แตถาเราอยากจะรความดนยอยเราสามารถค านวณไดจากกฏของดอลตน มาพจารณาดความสมพนธของกฏความดนยอยตอไปอก
ในรป ง. แสดงภาชนะทบรรจกาซฮเลยม ชนดเดยว ปรมาณ 1.74 mol ในรป จ. แสดงภาชนะทบรรจ กาซไฮโดรเจน 0.75 mol กาซฮเลยม 0.25 mol และกาซนออน 0.25 mol จ านวนโมลรวมเทากบ 1.75 mol
ความดนของกาซในภาชนะเกดจากความดนยอยของกาซทง 3 ชนด รวมกน ซงเทากบ 8.4 atm ทอณหภม 20 oC และปรมาตรภาชนะเทากบ 5 L สวนในรป ฉ. แสดงภาชนะทบรรจกาซไนโตรเจน ออกซเจน และอารกอน อยางละ 1 ,0.5 และ 0.25 โมลตามล าดบ ทสภาวะเดยวกนกบ รป ง และ จ เราจะไดความดนของกาซทง 3 ชนดเทากบ 8.4 atm เมอพจารณาจาก รป ง จ และ ฉ แลวจะพบวา เมอกาซทงหมดมปรมาณเทากน(จ านวนโมลเทากน) ในปรมาตรทเทากน ความดนของกาซจะเทากนเสมอแมวาองคประกอบของกาซจะแตกตางกนไปกตาม
การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยของกาซโดยใชกฎของบอยล
จากกฎของบอยล P1V1 = P2V2
ถาแกส A ผสมกบกาซ B จะค านวณหาความดนยอยไดดงน
PA =
PB =
AV
VP
2
11
BV
VP
2
11
PT = PA + PB =
BAV
VP
V
VP
2
11
2
11
การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยโดยใชสมการสถานะของกาซสมบรณ สมการสถานะของกาซสมบรณ PV = nRT
ถากาซ A ผสมกบกาซ B จะค านวณหาความดนยอยไดดงน
PA = PB = V
RTnA
V
RTnB
BAT P P P
V
RTn
V
RTn BA
V
RTnn BA
V
nRTเมอ n = nA+nB
การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยโดยใชเศษสวนโมลของกาซ
คาวมสมพนธระหวางความดนยอยกบความดนรวมหาไดโดยพจารณาระบบของกาซผสม A และ B ดงน
PT = V
RTnn BA
ถา PA หารดวย PT จะไดเศษสวนโมลของกาซ A (XA) ดงน
T
A
P
P=
V
RTnnV
RTn
BA
A
TBB
TAA
A
T
A
BA
A
T
A
PXP
PXP
XP
P
nn
n
P
P
และ
ถาระบบประกอบดวยกาซผสมมากกวา 2 ชนด ความดนยอยของกาซแตละชนดเขยนความสมพนธไดดงน
Pi = XiPT
Pi คอ กาซแตละชนด Xi คอ เศษสวนโมลของกาซแตละชนด
เศษสวนโมล (mol fraction) เปนปรมาณไมมหนวยทแสดงอตราสวนระหวางจ านวนโมลขององคประกอบชนดใดชนดหนงกบจ านวนโมลรวมขององคประกอบทกชนด
BA
B
BA
ABA
BA
BB
BA
AA
nn
n
nn
nXX
nn
nX
nn
nX
กฎรวมของกาซ (Combinded gas law) จากการศกษาผลของความดนและอณหภมทมตอปรมาตรกาซ โดยควบคมมวลของกาซใหคงท ตามกฎของบอยลและกฎของชารล เมอพจารณากฏของกาซทงสองรวมกนจะไดความสมพนธระหวางปรมาตร ความดน และอณหภมของกาซในระบบทมวลคงทเรยกวา กฎรวมของกาซ เขยนความสมพนธไดดงน
กฎของบอยล P
V1
เมอ T และ m คงท
กฎของชารล TV เมอ Pและ m คงท
กฎรวมของกาซ P
TV เมอ m คงท
kTPV
kT
PV
kT
VP
T
VP ...
2
22
1
11จะได
ให P เปนความดนในหนวยเดยวกน V เปนปรมาตรในหนวยเดยวกน T เปนอณหภมมในหนวยเคลวน (K)
ทฤษฎจลนของกาซ
ทฤษฎจลนของกาซอธบายสมบตหรอพฤตกรรมตางๆ ของกาซ มสาระส าคญดงน
1.กาซประกอบดวยอนภาคทมขนาดเลกมาก จนถอไดวาอนภาคของกาซไมมปรมาตรเมอเทยบกบภาชนะทบรรจ
2.โมเลกลของกาซอยหางกนมาก ท าใหแรงดงดดนอยมาก จงถอไดวา ไมมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล
3.โมเลกลของกาซเคลอนทตลอดเวลาในแนวเสนตรง ชนกนเองบาง ชนฝาผนงบาง จงเปลยนทศทางและอตราเรว และการชนกนนไมสญเสยพลงงาน
4.ณ อณหภมเดยวกน โมเลกลของกาซมพลงงานจลนเฉลยเทากน สามารถหาพลงงานจลนเฉลยไดดงน
เมอ Ek พลงงานจลน M มวลโมเลกล v อตราเรว
2
2
1MvEk
เมอ T เดยวกน
2
1
2
2
1
2
22
2
112
1
2
1
21
v
v
M
M
vMvM
EE kk
จะได
5.พลงงานจลนเฉลยของกาซทกชนดแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน
6.ทอณหภมเดยวกน อตราเรวเฉลยเทากน
ทฤษฎจลนของกาซกบสมบตของกาซ
1.กาซมปรมาตรและรปรางไมแนนอนเปลยนแปลงตามภาชนะทบรรจ เนองจากโมเลกลของกาซมขนาดเลก อยหางกนมาก จงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยมากและสามารถเคลอนทไดอสระทกทศทาง
2.กาซมความดนอธบายไดวา โมเลกลของกาซเคลอนทตลอดเวลา ท าใหเกดการชนกนเอง ซงจะมการถายเทพลงงาน ท าใหเกดแรงดนขน และผลรวมของแรงดนตอหนวยพนทคอ ความดนนนเอง
3.ปรมาตรแปรผกผนกบความดน คอ เมอปรมาตรเพมขนความดนกาซจะลดลง แตถาปรมาณลดลงความดนกาซจะเพมขน
4.กาซมความหนาแนนนอย เพราะโมเลกลอยหางกน มมวลนอย แตม ปรมาตรมาก
5.กาซถกบบอดใหมปรมาตรลดลงไดมาก เพราะมชองวางระหวางโมเลกลมาก
6.แพรไดเรว เพรามพลงงานจลนมาก เมออณหภมสง และเมอพลงงานจลนเพมขน กาซจะแพรไดเรวขน
7.ปรมาตรเปลยนแปลงเมออณหภมและความดนเปลยนแปลง
เมออณหภมเพมขน โมเลกลของกาซมพลงงานจลนเฉลยเพมขน จงเคลอนทหางจากนมากขน ปรมาตรจงเพมขน
มชองวางระหวางโมเลกลมาก เมอความดนเคลอนทเพมขนโมเลกลของ กาซจะเคลอนทเขาใกลกนมากขนโดยมปรมาตรลดลง
ตวอยางทศทางการเดนทางของกาซสแดง จากจด A ไป B เปนดงรปขางลาง ระหวางการเดนทางโมเลกลสแดงชนกบโมเลกลกาซสน าเงนมากมาย การชนของกาซสแดงท าใหทศทางของโมเลกลสแดงเปลยนแปลงไปมาตลอดเวลา การเคลอนทของกาซสแดงในลกษณะน เรยกวา การเคลอนทแบบสะเปะสะปะ (random walk)
พจารณาลกบอลทกระทบพน กเปนการชนอยางหนง ซงจะมการชนใน สองลกษณะคอ การชนแบบยดหยน และการชนแบบไมยดหยน การชนแบบยดหยนและไมยดหยนเปนอยางไร ตวอยางการชนแบบยดหยน ดงรป
เ มอลกบอลกระทบพนแลวกระดอนสงขนมาเทาเดมตลอดแมเวลาจะผานไปนานเทาไหรกตามนเปนลกษณะการชนทมการอนรกษพลงงานคอพจารณาพลงงานจลนของลกบอลกอนทลกบอลจะกระทบพนจะเทากบพลงงานจลนทลกบอลกระดอนขนมา ณ ต าแหนงความสงนน
แตถาเปนการชนแบบไมยดหยน ลกบอลกจะกระดอนไดไมกครงกจะหยดไปดงรป เนองจากลกบอลถายเทพลงงานใหกบพน ท าใหพลงงานจลนของลกบอลลดลงเรอยๆ และหยดไปในทสด
ตวอยางของโมเลกลกาซสองโมเลกลทมการชนกนดงรปดานลาง
บางครงโมเลกลของกาซอาจชนกนดวยท ามมทแตกตางกน ดงรป
แมวาโมเลกลจะชนผนงกไมสญเสยพลงงานใหแกผนงดงรป ความเรวยงคงเทาเดมกอนชนและหลงชนผนง
กาซอดมคตหรอกาซสมบรณ หมายถง กาซทมสมบตเปนไปตามทฤษฎจลนของกาซทก
ประการ
กาซจรง(real gas) หมายถง กาซทปรากฎในธรรมชาตทวๆไป เชน O2 , N2 , CO2 ซงมสมบตใกลเคยงกบกาซอดมคต ในธรรมชาตกาซเฉอยเปนกาซจรงทมสมบตใกลเคยงกบกาซอดมคตมากทสด เนองจากมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคต ามาก
จากทฤษฎจลนของกาซ พบวากาซหรอไอของสารมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยมาก อนภาคจงอยหางกนและเคลอนไหวตลอดเวลา มรปรางไมแนนอน เมอบรรจในภาชนะ จะมรปรางตามภาชนะทบรรจ ปรมาตรของกาซจะเปลยนไปเมออณหภมและความดนเปลยนแปลง และกาซมความหนาแนนนอยมาก
กฎของกาซในอดมคต(Ideal gas Law)
PV = nRT
เมอ P คอความดนมหนวยเปนบรรยากาศ(atm) V คอปรมาตร(dm3) n คอจ านวนโมล T คออณหภม มหนวยเปนเคลวน(K) R คอคาคงทของกาซตอโมล 0.08205 11
molKatmL
ประโยชนของกฎของกาซในอดมคต เชน 1. ใชค านวณหาปรมาตรของกาซ
PV = nRT P
nRTV
2. ใชค านวณหาจ านวนโมลและจ านวนโมเลกล
PV = nRT RT
PVn
3. ใชค านวณหาโมลโมเลกลของกาซ
PV = nRT RTM
gPV
PV
gRTM
4. ใชค านวณหามวลเปนกรมของกาซ
PV = nRT M
gRTPV
RT
MPVg
5. ใชค านวณหาความหนาแนนของกาซ
PV = nRT RTv
gPMRT
m
gPV
PM = dRT RT
PMd
การแพรของกาซ
การแพรของกาซแบงออกไดเปน 2 ประเภท ดงน
1. การแพร (Diffusion) หมายถง ปรากฏการณทโมเลกลของกาซใดๆ สามารถเคลอนทไปทามกลางโมเลกลของอากาศ หรอกาซอนๆ จากบรเวณหนงไปอกบรเวณหนง การแพรลกษณะนเกดเนองจากความเขมขนของโมเลกลของกาซในบรเวณตาง ๆ ไมเทากน จงท าใหกาซ แพรจากบรเวณทมความเขมขนมากไปยงบรเวณทเขมขนนอยกวา
โมเลกลของอากาศ โมเลกลของกาซทก าลงแพร ทศทางการเคลอนทของโมเลกลของกาซทแพร
ปรากฏการณทเกยวกบการแพรแบบนสามารถพบไดในชวตประจ าวน เชน การไดกลนน าหอม กลนดอกไม กลนเหมนจากน าเนา ซงเกดจากโมเลกลของสารมกลนหอมในน าหอม หรอ ดอกไม และโมเลกลของสารมกลนเหมน แพรมากระทบจมกเราจงท าใหไดกลนนนๆ
2. การแพรผาน (Effusion) หมายถงกระบวนการทกาซเคลอนทจากบรเวณหนงผานชองเลกๆ ออกสอกบรเวณหนง และในระหวางทเคลอนทผานชองเลกๆ นไมใชการชนกนเองระหวางโมเลกลเลย (กาซในอดมคต กรณกาซจรงเกดขนทอณหภมสงและความดนต า)
Thomas Graham ชาวสกอตแลนด ไดศกษาเกยวกบการแพรของกาซชนดตางๆ พบวา มสวนสมพนธกบมวลโมเลกลและความหนาแนนของกาซ จงไดน ามาสรปเปน
กฎการแพรของเกรแฮม (Graham’s
Law of Effusion)
“เมออณหภมและความดนคงท อตราการแพรของกาซจะเปนสดสวนผกผนกบรากท 2 ของมวลโมเลกลหรอความหนาแนนของกาซ”
เมอ T, P คงท
DRR
1
M
1
1
2
1
2
2
1
D
D
M
M
R
R หรอ
หรอ จะได
R = อตราการแพรของกาซ M = มวลโมเลกลของกาซ D = ความหนาแนนของกาซ
t
D
t
S หรอ
1
2
1
2
2
2
1
1
D
D
M
M
t
S
t
S
t
SR
หรอ
แทนคา
รปดานลางแสดงการแพรเขาหากนของกาซสองชนด กาซชนดสแดงกบกาซสน าเงน สมมตใหกาซสแดงมมวลมากกวากาซสน าเงน แกสสองชนดนมอตราการแพรทแตกตางกน อตราการไหลของกาซทงสองชนดทแตกตางกนนเปนเพราะอะไร
ก า ซ ท ม น า ห น กมากกวาจะเคลอนไหวไดชากวาแกสทเบากวา เหมอนกาซสแดงจากรปดานบนมขนาดใหญมน าหนกมากจะเคลอนทผานรไดชากว า ก าซสน า เ งน ซง มน าหนกนอยกวา
การค านวณหามวลโมเลกล ระยะทาง หรอเวลาทกาซใชเคลอนท อาจใชหลกการของทฤษฎจลนของกาซในการค านวณได
หลกการ ทอณหภมและความดนเดยวกน กาซทกชนดมพลงงานจลนเทากน ดงน
22
2
1
2
1YYXX vMvM
เมอ MX = มวลโมเลกลกาซ X
MY = มวลโมเลกลกาซ Y
vX = ความเรวของกาซ X vY = ความเรวของกาซ Y
เราจะมาดวาในวถการเดนทางของกาซสแดง จากจด A ไปจด B นน กาซสแดงจะใชเวลาเดนทางเทาไหร ค าวาอตราการแพร (r) กคอดกาซเดนทางจาก จด A ไป B ดวยอตราเรวเทาไหรในหนงหนวยเวลา เชนเดยวกบการถามวา รถเมลสายนวงเรวเทาไหร แตในกรณของกาซระหวางทางจะเกดการชนกบโมเลกลอนๆไปดวย พรอมกบเคลอนทไปพรอมกบการชนกบโมเลกลอนพรอมๆ กนลกษณะนจงเรยกวาการแพร (diffusion
แสดงเสนทางเดนของอนภาคกาซชนดหนง จาก A ไป B
พฤตกรรมของกาซลกษณะน สามารถน าไปใชหาอตราการแพรของกาซ 2 ชนดทมมวลแตกตางกนได แมแตมวลทตางกนนอยมาก เชน น าไปใชแยกไอโซโทปของยเรเนยมในสารประกอบยเรเนยมเฮกซะฟลออไรด (UF6) ของ U-235 ออกจาก U-238 โดยการใชหลกการแพรน
รปแสดงการแพรผานของกาซในภาชนะ
เทคโนโลยทเกยวของกบสมบตของของแขง ของเหลว และกาซ
การท าน าแขงแหง
น าแขงแหง คอ คารบอนไดออกไซดแขงผลตไดโดยการใชเทคโนโลยการเพมความดนและลดอณหภม กาซคารบอนไดออกไซด (CO2) ทไดจากการเผาไหมกาซธรรมชาตมกระบวนการผลตตามขนตอนดงแผนผงตอไปน
กาซคารบอนไดออกไซด CO2(g)
คารบอนไดออกไซดเหลว CO2 (l)
คารบอนไดออกไซดเหลวแหงและบรสทธ
คารบอนไดออกไซดเหลว CO2 (l)
คารบอนไดออกไซดแหงหรอน าแขงแหง
ลดอณหภม เพมความดน
ท าใหแหงและบรสทธ ลดอณหภมเปน -25
องศาเซลเซยส เพมความดนเปน 18 บรรยากาศ
อดผานรพรน
การสกดโดยใชคารบอนในรปของไหล
คารบอนไดออกไซด เมออยในภาวะวกฤตยงยวด คออณหภม 31 องศาเซลเซยส ความดน 73 บรรยากาศ จะมสภาพเปนของไหล ซงมสมบตเหมอนกาซคอขยายตวไดงาย โมเลกลมการเคลอนท มปรมาตรเทากบภาชนะทบรรจ และมสมบตเหมอนของเหลว คอ สามารถละลายสารอนทเปนของเหลวของของแขงไดด ดงนนจงใชสมบตดงกลาวในการสกดสารโดยใชคารบอนไดออกไซดทอยในรปของไหลซงเปนเทคโนโลยชนสง โดยใชกาซคารบอนไดออกไซดในรปของไหลแทนตวท าละลาย
อนทรยอนๆ เชน แอซโตน เฮกเซน หรอเมทลนคลอไรด เปนตน ตวอยางเชน ในปจจบนใชคารบอนไดออกไซดในรปของไหลสกดคารเฟอนออกจากเมลดกาแฟดบแทนตวท าละลายทใช คอเมทลนคลอไรด โดยไมไดท าใหรสหรอกลนของกาแฟเปลยนไป เนองจากคารบอนไดออกไซดไมท าปฏกรยากบองคประกอบอนและไมมสารตกคาง นอกจากนยงมการประยกตใชเทคนคนในการสกดสารอนๆและอตสาหกรรมอนๆอก
การท าไนโตรเจนเหลว การท าไนโตรเจนเหลว ใชในอตสาหกรรมแชแขงอาหาร
ประเภทตางๆหรอใชในการแพทย เชน การแชแขงเลอด เซลลไขกระดก ซงการท าไนโตรเจนเหลว มกรรมวธ ดงน
อากาศม O2 , N2,CO2 และความชน
อากาศทไมม CO2
อากาศแหง
กาซไนโตรเจน N2 (g)
ไนโตรเจนเหลวN2 (l)
NaOH
เครองกรองน ามน
O2(l)
สารดดความชน
-183oC
-196oC
กาซเฉอย
ไนโตรเจนเหลวสามารถน าไปใชประโยชนในอตสาหกรรมทตองการความเยน เชน การแชแขงอาหารประเภทตางๆ ใชในทางการแพทย ส าหรบแชเนอเยอตางๆ เซลลไขกระดก การแชแขงเลอดหรอสวนตางๆของรางกาย เพอชวยยดอายการเกบรกษา นอกจากนทางการเกษตรใชไนโตรเจนเหลวเพอชวยในการเกบน าเชอในการผสมเทยม การถายฝากตวออนของสตว เปนตน
ประโยชนของในโตรเจน