ใบความรู เรื่อง สมบัติของของแข็ง · 3. ของแข็งมีความหนาแน นมากกว าของเหลว

ใบความรู เรื่อง สมบัติของของแข็ง*****************************************************

สาร หรือ สสาร หมายถึง สิ่งที่มีมวล ตองการที่อยูและสัมผัสได เชน ทองคํา น้ํา และอากาศ

สมบัติของสาร หมายถึง สมบัติประจําตัวของสาร มีทั้งสมบัติทางกายภาพ ซึ่งเกี่ยวของกับลักษณะภายนอกที่สังเกตไดงาย เชน รูปราง สี กลิ่น สถานะ การละลาย จุดเดือด ฯลฯ และ สมบัติทางเคมี ซึ่งเกี่ยวของกับปฏิกิริยาเคมี เชน การเผาไหม ฯลฯ

ในหนังสือเคมีเลม 1 นักเรียนไดศึกษาการจําแนกสารตาง ๆ ออกเปนหมวดหมูเพื่อใหงายแกการศึกษาแลว ในบทนี้นักเรียนจะไดศึกษาเกี่ยวกับการจําแนกสารโดยใชสถานะเปนเกณฑ ซึ่งจําแนกสารเปน ของแข็ง ของเหลว และ กาซ นอกจากนี้จะไดศึกษาสมบัติตาง ๆ ของสารรวมทั้งการนําทฤษฎีที่เกี่ยวของมาอธิบายสมบัติเหลานั้น เชน กฎของบอยล กฎของชารล กฎรวมของกาซ กฎการแพรของกาซ ทฤษฎีจลนของกาซ การระเหยของของเหลว และการจัดเรียงอนุภาคในของแข็ง เปนตน

1. สถานะของสารโดยทั่วไป สารแบงออกเปน 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และกาซของแข็ง หมายถึง สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคมาก ทําใหอนุภาคอยูใกลชิดกัน

ดังนั้นจึงมีรูปรางและปริมาตรของมันเอง โดยไมเปลี่ยนไปตามรูปรางของภาชนะที่บรรจุ เชน เหล็ก เกลือแกง และดางทับทิม เปนตน

ของเหลว หมายถึง สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคนอยกวาของแข็ง ทําใหอนุภาคไมไดอยูชิดกันอยางของแข็ง จึงมีปริมาตรที่แนนอน แตมีรูปรางไมแนนอน เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะของภาชนะที่บรรจุ เชน น้ํา เบนซีน และปรอท เปนตน

กาซ หมายถึง สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคนอยมาก ทําใหอนุภาคฟุงกระจายจนเต็มภาชนะที่บรรจุตลอดเวลา ดังนั้นกาซจึงมีปริมาตรและรูปรางไมแนนอน เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะของภาชนะที่บรรจุ เชน กาซนีออน กาซออกซิเจน และกาซคลอรีน เปนตน

ที่อุณหภูมิหอง สารตาง ๆ อาจจะมีสถานะเปนของแข็ง ของเหลว หรือกาซก็ได ทั้งนี้ขึ้นอยูกับชนิดของสารนั้น ๆ สารตางชนิดกันอาจมีสถานะตางกันหรือเหมือนกันก็ได โดยทั่วไปสถานะของสารจะขึ้นอยูกับอุณหภูมิ และความดัน สามารถทําใหสารตาง ๆ มีสถานะเปนของแข็ง ของเหลว และกาซไดโดยใชอุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม เชน ถาใชอุณหภูมิสูง ๆ และความดันต่ํา ๆ สารมักจะอยูในสถานะกาซ แตถาใชอุณหภูมิต่ํา ๆ และความดันสูง ๆ สารมักจะอยูในสถานะของเหลว และของแข็ง

โดยทั่ว ๆ ไปสารตาง ที่อยูในธรรมชาติมักจะดํารงอยูในสถานะเดียวที่อุณหภูมิและความดันปกติ คือ อาจเปนของแข็ง ของเหลว หรือกาซเพียงอยางใดอยางหนึ่ง เชน เงิน ตะกั่ว จะอยูในสถานะของแข็ง ปรอท และ น้ํา อยูในสถานะของเหลว มีเธน และคารบอนไดออกไซด อยูในสถานะกาซ เปนตน สารบางอยางอาจดํารงอยูไดมากกวา 1 สถานะ พรอม ๆ กัน เมื่อเลือกใชอุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม เชน ในบางภาวะน้ํา สามารถอยูในสถานะของแข็ง (น้ําแข็ง) ของเหลว (น้ํา) และกาซ (ไอน้ํา) พรอม ๆ กันได แตอยางไรก็ตามสารสวนใหญจะไมสามารถดํารงอยูได หลาย ๆ สถานะพรอม ๆกัน แตสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงพลังงานความรอนดังนี้

ดูดความรอน

ของแข็ง ของเหลว กาซ

คายความรอนรูปที่ 1 การเปลี่ยนสถานะของสารโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

ในตารางที่ 1 แสดงใหเห็นถึงผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีตอสถานะของสารตารางที่ 1 จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารบางชนิดที่ 1 บรรยากาศ

ชื่อสาร สถานะของสาร (ที่ 250C)

จุดหลอมเหลว( 0C )

จุดเดือด( 0C )

โซเดียมแคลเซียมปรอทโบรมีนฮีเลียมไนโตรเจน

ของแข็งของแข็งของเหลวของเหลว

กาซกาซ

97.8838

-38.4-7.2

-269.7-210

892144035758

-268.9-195.8

จากตารางจะเห็นไดวา โซเดียมจุดหลอมเหลว 97.8 0C มีจุดเดือด 892 0C ถาโซเดียมมีอุณหภูมิต่ํากวา 97.8 0C จะเปนของแข็ง ถามีอุณหภูมิระหวาง 97.8 - 892 0C จะเปนของเหลว และถามีอุณหภูมิสูงกวา 892 0C จะเปนกาซ ดังนั้น จึงสามารถทําใหสถานะของโซเดียมเปลี่ยนแปลงไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

สําหรับสารอื่น ๆ ก็พิจารณาผลของอุณหภูมิที่มีตอการเปลี่ยนสถานะ ไดในทํานองเดียวกัน

ที่ 25 0C โซเดียมและแคลเซียมมีสถานะเปนของแข็ง เพราะ มีจุดหลอมเหลวสูงกวา 25 0C ปรอท และโบรมีนมีสถานะเปน ของเหลว เพราะวามีจุดหลอมเหลวต่ํากวา 25 0C แตมีจุดเดือดสูงกวา 250C ขณะที่ฮีเลียมและไนโตรเจนมีสถานะเปนกาซ เพราะมีจุดเดือดต่ํากวา 25 0C

จากขอมูลในตารางที่ 1 จะพบวาสารตาง ๆ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดตางกัน แสดงวาจุดหลอมเหลวและจุดเดือดเปนสมบัติเฉพาะตัวของสาร ดังนั้น จึงสามารถใชขอมูลเกี่ยวกับจุดหลอมเหลวและจุดเดือด ชวยในการบอกชนิดของสารได

สถานะตางๆของสาร นอกจากขึ้นกับอุณหภูมิแลวยังขึ้นอยูกับความดันดวย ตัวอยางเชน กรดอะซิติก หรือกรดน้ําสม (CH3COOH) ที่ความดัน 1 บรรยากาศ ถามีอุณหภูมิสูงกวา 117.9 0C จะมีสถานะเปนกาซ ถามีอุณหภูมิระหวาง 16.6 - 117.9 0C จะมีสถานะเปนของเหลว และถามีอุณหภูมิต่ํากวา 16.6 0C จะมีสถานะเปนของแข็ง แตถาใชความดัน 10 mmHg จะสามารถเดือดและมีสถานะเปนกาซไดที่อุณหภูมิต่ํากวา 50 0C เปนตน---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. สมบัติของของแข็งของเหลวทุกชนิดเมื่อเย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่งจะกลายเปนของแข็ง เนื่องจากของแข็งมี

อนุภาคอยูชิดกัน ทําใหมีชองวางระหวางโมเลกุลนอย ดังนั้นอนุภาคที่เคยเคลื่อนที่ไปมาไดอยางคอนขางอิสระจึงถูกจํากัด การที่อนุภาคของของแข็งเคลื่อนที่ไดนอยจึงทําใหมีพลังงานจลนนอย แตอยางไรก็ตามอนุภาคของของแข็งก็ยังคงสั่นได ในแงของแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล อนุภาคของของแข็งอยูชิดกันมากกวาของเหลวและกาซ ดังนั้นจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากกวา และเปนเหตุใหของแข็งมีรูปรางแนนอนไมเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ

รูปที่ 2 เปรียบเทียบการจัดเรียงอนุภาคในของแข็ง ของเหลว และกาซ

สมบัติทั่ว ๆ ไปของของแข็ง อาจจะสรุปไดดังนี้ 1. มีลักษณะแข็งแกรง มีรูปรางแนนอนไมเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ ทั้งนี้เพราะอนุภาคที่ประกอบกันเปนของแข็งจัดเรียงตัวอยูในตําแหนงตาง ๆ ที่แนนอนและชิดกัน

2. ปริมาตรของของแข็งคอนขางคงที่ การเปลี่ยนแปลงความดันเกือบจะไมมีผลตอการเปลี่ยนปริมาตรของของแข็ง สําหรับอุณหภูมิมีผลตอของแข็งนอยเชนเดียวกัน เมื่อของแข็งไดรับความรอน จะมีการขยายตัว เนื่องจากการสั่นสะเทือนของอนุภาคจะหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง แตการขยายตัวและหดตัวมีคานอยมากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและกาซ 3. ของแข็งมีความหนาแนนมากกวาของเหลว เพราะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคมาก ทําใหอยูชิดกันเปนระเบียบทางเรขาคณิต 4. ของแข็งมีการแพรชามาก เมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและกาซ 5. ของแข็งบางชนิดเปนตัวนําไฟฟาและความรอน บางชนิดเปนสารกึ่งตัวนําและสารบางชนิดเปนฉนวน 6. ของแข็งบางชนิดสามารถจัดเรียงตัวเปนรูปทรงทางเรขาคณิตที่แนนอนไดเรียกวา ผลึก บางชนิดอาจจะมีผลึกไดหลายแบบและบางชนิดไมสามารถมีผลึกไดเรียกวา ของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid)

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3. การเปลี่ยนสถานะของของแข็งอนุภาคของของแข็งแมจะอยูใกลกันมากและไมเคลื่อนที่ แตมีการสั่นอยูตลอดเวลา เมื่อ

เพิ่มอุณหภูมิใหแกของแข็ง จะทําใหโมเลกุลมีพลังงานจลนเพิ่มขึ้น เกิดการสั่นแรงขึ้นและมีการถายเทพลังงานจลนใหแกกันจนถึงภาวะหนึ่ง โมเลกุลมีพลังงานสูงพอทําใหเคลื่อนที่แยกออกจากกันมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอยลง ของแข็งจึงเปลี่ยนสถานะเปนของเหลว เรียกการเปลี่ยนแปลงนี้วา การหลอมเหลว

นอกเหนือจากการหลอมเหลวแลว ของแข็งยังสามารถเปลี่ยนสถานะใหกลายเปนไอไดโดยไมตองผานสถานะของเหลว เรียกวา การระเหิด (Sublimation) เชนการระเหิดของแนพธาลีน (ลูกเหม็น) ไอโอดีน , น้ําแข็งแหง (คารบอนไดออกไซดแข็ง) , การบรู และ พิมเสน เปนตน

การระเหิดสามารถอธิบายไดในทํานองเดียวกันกับการหลอมเหลวดังนี้เนื่องจากอนุภาคของของแข็งอยูใกลชิดกันมากไมเคลื่อนที่ แตมีการสั่นสะเทือน

ตลอดเวลา ทําใหอนุภาคเหลานั้นมีโอกาสกระทบกันและมีการถายเทพลังงานใหแกกันและกัน แตละอนุภาคจึงมีพลังงานไมเทากัน ถึงแมวาจะอยูที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน (เชนอุณหภูมิและความดันบรรยากาศหอง) ที่อุณหภูมิหนึ่ง ๆบางอนุภาคที่มีพลังงานสูงและอยูที่ผิวหนาของของแข็งจึงสามารถเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคในของแข็งและหลุดออกไปอยูในสถานะกาซเลย ซึ่งเรียกวาการระเหิดนั่นเอง

การระเหิดจะเกิดที่ผิวหนาของของแข็งเชนเดียวกับการระเหยของของเหลว ดังนั้นการระเหิดจึงขึ้นอยูกับพื้นที่ผิวหนาของของแข็ง นอกจากนี้ยังพบวาการระเหิดจะเปนสัดสวนโดยตรงกับอุณหภูมิ คือเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นการระเหิดจะเพิ่มขึ้นและเมื่ออุณหภูมิลดลงการระเหิดจะลดลง

เนื่องจากของแข็งสามารถระเหิดกลายเปนไอได ดังนั้น จึงมีความดันไอของของแข็ง กลาวคือ ถานําของแข็งจํานวนหนึ่งใสในภาชนะปด อนุภาคของของแข็งบางสวนจะเปลี่ยนสถานะกลายเปนไอ และอยูในที่วางเหนือของแข็งภายในภาชนะนั้น เมื่อเวลาผานไปจํานวนอนุภาคของไอจะมากขึ้นทําใหอนุภาคที่เปนไอบางสวนควบแนนกลับมาเปนของแข็ง และมีปริมาณของการควบแนนเพิ่มขึ้นเมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งอัตราการระเหิดจะเทากับอัตราการควบแนน ระบบของของแข็งนั้นจะอยูในภาวะสมดุลไดนามิก เรียกวา สมดุลของการระเหิด ความดันของไอในภาวะสมดุลนั้นเรียกวา ความดันไอของของแข็ง

ความดันไอของของแข็งมีสวนเกี่ยวของกับแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคของของแข็ง ของแข็งที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคนอยจะระเหิดไดงายทําใหมีความดันไอสูง และของแข็งที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคมาก จะระเหิดไดยาก จึงมีความดันไอต่ํา ของแข็งที่ระเหิดงายสามารถมีความดันไอถึง 1 atm กอนจะถึงจุดหลอมเหลว แตของแข็งที่ระเหิดยากจะมีความดันไอถึง 1 atm ก็ตอเมื่อหลอมเหลวและอยูที่จุดเดือด อุณหภูมิขณะที่ของแข็งมีความดันไอ 1 atm เรียกวา จุดระเหิดปกติ

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4. การจัดเรียงอนุภาคในของแข็งของแข็งที่เกิดจากการจัดเรียงอนุภาคอยางมีระเบียบ มีรูปรางเฉพาะตัวเรียกวาผลึก ผลึก

ของของแข็งแตละชนิดจะมีผิวหนาที่เรียบ ซึ่งทํามุมกันดวยคาที่แนนอนและเปนลักษณะเฉพาะตัว ผลึกที่มีขนาดใหญ เมื่อทําใหเล็กลง เชน โดยการบด สวนเล็ก ๆ ที่เกิดขึ้นก็ยังคงรักษารูปผลึกแบบเดิมอยู โดยทั่วไปของแข็งชนิดเดียวกันจะมีการจัดเรียงตัวของอนุภาคเปนแบบเดียวกัน ไมวาของแข็งนั้นจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติ หรือสังเคราะหขึ้น ผลึกของแข็งจะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และมีชวงของการหลอมเหลวสั้น คือเมื่อใหความรอนแกผลึกจนถึงอุณหภูมิคาหนึ่ง (ที่จุดหลอมเหลว) ของแข็งจะเปลี่ยนสถานะเปนของเหลวทันทีทําใหอานจุดหลอมเหลวไดแนนอน ผลึกของแข็งชนิดเดียวกันอาจจะมีสมบัติบางอยางตางกัน เชน ดัชนีหักเห การนําไฟฟา อาจจะแตกตางกัน

การที่ของแข็งมีการจัดเรียงโมเลกุลที่ตางกัน ทําใหเกิดผลึกที่แตกตางกัน ซึ่งเปนผลใหสมบัติทางกายภาพ เชน จุดเดือด จุดหลอมเหลว และความหนาแนนแตกตางกัน

ในกรณีที่ของแข็งชนิดหนึ่งมีผลึกไดหลายแบบเรียกวามีรูป (Polymorphism) ในกรณีของธาตุชนิดเดียวกัน แตมีการจัดโครงสรางของโมเลกุล หรือโครงสรางผลึก

ตางกัน ก็เรียกวารูป (Allotrope) เชนเดียวกันตัวอยางเชน ผลึกกํามะถัน มี 2 รูป แตละรูปมีสมบัติทางกายภาพตางกัน คือ

ก. กํามะถันรอมบิก (Rhombic Sulfur) เปนผลึกเหลี่ยมโปรงใส สีเหลืองออน มีความถวงจําเพาะ 2.06 หลอมเหลวที่ 112.8 0C ประมาณ (113 0C) ละลายไดดีใน CS2 เบนซีน หรือน้ํามันสนที่รอน ๆ ไมละลายน้ํา มีความคงตัวที่อุณหภูมิปกติ (หรือต่ํากวา 95.5 0C) ดังนั้นจึงเปนรูปที่คงตัวที่สุดของกํามะถัน

กํามะถันรอมบิก เตรียมไดโดยนํากํามะถันมาบดใหเปนผงแลวนําไปละลายใน CS2 กรอง หลังจากปลอยให CS2 ระเหยไปจะไดผลึกกํามะถันรอมบิกแยกออกมา

ข. กํามะถันโมโนคลินิก (Monoclinic Sulfur) ลักษณะเปนผลึกโปรงใส มีสีเหลืองเขมกวากํามะถันรอมบิก เปนของแข็งผลึกรูปเข็ม มีความถวงจําเพาะ 1.96 หลอมเหลวที่ 119 0C ละลายไดดีใน CS2 แตไมละลายน้ํา กํามะถันโมโนคลินิกคงตัวที่อุณหภูมิสูงกวา 96 0C ถาอุณหภูมิต่ํากวานี้จะกลับไปเปนกํามะถันรอมบิก ดังนั้นจึงอาจเตรียมกํามะถันรอมบิกไดจากกํามะถันโมโนคลินิกโดยการลดอุณหภูมิลงใหต่ํากวา 96 0C

กํามะถันโมโนคลินิก เตรียมไดโดยนํากํามะถันผงไปละลายในโทลูอีนรอน ๆ จนไดสารละลายอิ่มตัว กรอง หลังจากทิ้งไวใหเย็นจะไดผลึกแยกออกมา

ทั้งกํามะถันรอมบิกและกํามะถันโมโนคลินิก ตางก็มีสูตรโมเลกุลเปน S8 เหมือนกัน แตมีการจัดเรียงโมเลกุลตางกัน

รูปที่ 3 การจัดเรียงตําแหนงอะตอมในกํามะถันโมโนคลินิกและกํามะถันรอมบิก

รูปที่ 4 รูปผลึกกํามะถันโมโนคลินิก และกํามะถันรอมบิก

นอกจากกํามะถันรูปผลึกทั้ง 2 แบบแลว ยังมีกํามะถันที่ไมมีรูปผลึกอีกหลายชนิด เชน กํามะถันพลาสติก (plastic sulfur) กํามะถันขาว (white amorphous sulfur) และกํามะถันคอลลอยด (collidal sulfur)

กํามะถันที่มีลักษณะตาง ๆ ทั้งที่มีรูปผลึกและไมมีรูปผลึกสามารถเปลี่ยนกลับไปกลับมาได จากรูปหนึ่งไปเปนอีกรูปหนึ่งโดยอาศัยอุณหภูมิ ดังในแผนภาพตอไปนี้

นอกจากกํามะถันแลว ธาตุอื่น ๆ ก็มีรูปรางและสมบัติตางกันไดเชน คารบอน ฟอสฟอรัส ออกซิเจน ดีบุก เปนตน

ตารางที่ 2 สมบัติบางประการของรูปตาง ๆ ของธาตุบางชนิดชื่อธาตุ รูป ลักษณะภายนอก จุดหลอมเหลว

(0C)จุดเดือด

(0C)ความหนาแนน

(g/cm3)การนําไฟฟา

คารบอน แกรไฟตเพชร

ของแข็งสีดําของแข็งไมมีสี

3652สูงกวา 3500

4827-

2.253.51

นํา

ฟอสฟอรัส ฟอสฟอรัส(ขาวหรือเหลือง)

ของแข็งสีขาว(หรือเหลือง)(เปนพิษ)

44 280 1.82 ไมนํา

ฟอสฟอรัสแดง

ของแข็งสีแดง(ไมเปนพิษ)

590 445 2.34 ไมนํา

กํามะถัน รอมบิกโมโนคลินิก

ผลึกรูปเหลี่ยมผลึกรูปเข็ม

113119

445 2.072.07

ไมนําไมนํา

ออกซิเจน กาซ O2

กาซ O3

กาซไมมีสีกาซไมมีสีแตมีกลิ่นเฉพาะ

-219-193

-183-111

1.51*1.61 *

ไมนําไมนํา

ดีบุก ดีบุกเทา

ดีบุกขาว

ผลึกแบบเพชร

ของแข็ง

ความถวงจําเพราะ 5.77 คงตัวที่อุณหภูมิต่ํากวา 13.2 0C นําไฟฟาไดเล็กนอยแบบกึ่งโลหะความถวงจําเพาะ 7.28 คงตัวระหวาง 13.2 - 161 0Cนําไฟฟาได

* หมายถึง ความหนาแนนในขณะที่เปนของเหลว

ในกรณีที่เปนของแข็งตางชนิดกันแตมีรูปผลึกเหมือนกันเรียกวา ไอโซมอรฟซึม (Isomorphism) เชน NaCl , NaF , KCl , CaS , MgO ตางก็มีรูปผลึกเหมือนกัน ในทํานองเดียวกัน CaF2 , SrCl2 , CdF2 , และ PbF2 ตางก็มีรูปผลึกเหมือนกัน

ในกรณีของแข็งนั้นไมมีรูปผลึกเรียกวา ของแข็งอสัณฐาน เชน พลาสติก แกว ยาง สารดังกลาวนี้จะมีสมบัติเหมือนของแข็งทั่ว ๆ ไป คือมีความแข็งแกรง มีปริมาตรแนนอน รูปรางไมขึ้นกับภาชนะบรรจุ เพียงแตขาดลักษณะของการจัดเรียงอนุภาคตามรูปทรงเรขาคณิตเทานั้น พวกของแข็งอสัณฐานจะมีสมบัติเกี่ยวกับดัชนีหักเห การนําไฟฟาและสมบัติอื่น ๆ เหมือนกันหมด ในทุกทิศทางและอาจจะมีจุดหลอมเหลวที่ไมเดนชัด คือจะคอย ๆออนตัวลงและกลายเปนของเหลวที่ไหลได ซึ่งทําใหสังเกตจุดหลอมเหลวไดยาก

การศึกษาเกี่ยวกับโครงสรางของผลึกนอกจากจะดูภายนอกแลว ยังมีการศึกษาโครงสรางของการจัดเรียงอนุภาคในผลึกดวย สวนใหญจะใชเครื่องมือเรียกวา X-ray diffraction

****************************************************************************

ใบความรู เรื่อง สมบัติของของเหลว*****************************************************

1. สมบัติของของเหลวของเหลว หมายถึง สารที่มีรูปรางไมแนนอน เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะของภาชนะที่

บรรจุ ของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากกวากาซแตนอยกวาของแข็ง โดยทั่ว ๆ ไปของเหลวมีสมบัติดังนี้

ก. มีรูปรางไมแนนนอน เพราะขณะที่เปนของเหลวถึงแมวาโมเลกุลจะอยูชิดกันมากกวากาซ แตก็อยูชิดกันเปนกลุม ๆ อยางไมเปนระเบียบ ระหวางกลุมที่วางอยูทั่วไป ทําใหโมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่ไปมาไดในระยะทางใกล ๆ ดังในรูป และเนื่องจากของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลรวมทั้งแรงดึงดูดของโลกที่กระทําตอของเหลว จึงทําใหของเหลวไหลได ซึ่งทําใหรูปรางไมแนนอน เปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ

ข. ปริมาตรของของเหลวมีคาคงที ่ แมวาจะเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุแตไมจําเปนตองมีปริมาตรเทาภาชนะ เพราะโมเลกุลไมอาจจะเคลื่อนที่ไดอิสระเหมือนกาซ ปริมาตรของของเหลวขึ้นอยูกับอุณหภูมิแตไมขึ้นกับความดัน ถาอุณหภูมิคงที่ของเหลวจะมีปริมาตรคงที่ ไมวาจะอยูในภาชนะขนาดเทาใดก็ตาม และมีรูปรางอยางไร แตถาอุณหภูมิเปลี่ยนปริมาตรของของเหลวจะเปลี่ยนไปดวย แตเปลี่ยนคอนขางนอย ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงความดันจะไมมีผลตอปริมาตรของของเหลว กลาวคือปริมาตรของชองเหลวจะมีคาคงที่เมื่อความดันเปลี่ยนไป

ค. ของเหลวมีการแพรไดเชนเดียวกับกาซ แตอัตราการแพรจะชากวา เมื่อนําของเหลว 2 ชนิดผสมกัน โมเลกุลของของเหลวทั้งสองจะแพรเขาหากันกลายเปนสารละลาย

สารที่อยูในสถานะกาซสามารถเปลี่ยนใหเปนของเหลวไดโดยอาศัยหลักการดังนี้ คือ เมื่อลดอุณหภูมิและเพิ่มความดันใหกับกาซ จะทําใหโมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ชาลง และอยูใกลกันมากขึ้นเปนผลทําใหมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลเพิ่มขึ้น เมื่อลดอุณหภูมิและเพิ่มความดันจนถึงระยะหนึ่ง แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลจะมากพอจนทําใหกาซกลายเปนของเหลวได

2. การระเหยการระเหย หมายถึง การที่โมเลกุลของของเหลวหลุดออกไปจากของของเหลวกลายเปน

โมเลกุลในภาวะไอ การระเหยจะเกิดขึ้นบริเวณผิวหนาของของเหลวเมื่อนําของเหลวใสในภาชนะที่ไมมีฝาปด และปลอยทิ้งไวของเหลวจะคอย ๆ ระเหยไป

ทําใหมีปริมาตรลดลงและหมดในที่สุด ยิ่งมีพื้นที่ของผิวหนามากเทาใด ก็ยิ่งระเหยไดเร็วเทานั้น

การระเหยสามารถอธิบายโดยใชทฤษฎีจลนไดดังนี้ในขณะที่สารอยูในสถานะของเหลว โมเลกุลจะอยูใกลกัน เนื่องจากมีพลังงานจลนจึง

เคลื่อนที่ตลอดเวลา ทําใหเกิดการชนกันและถายเทพลังงานใหแกกัน โมเลกุลบางสวนจะมีพลังงานจลนมากขึ้น จนกระทั่งมากกวาแรงดึงดูดระหวางโมเลกุล ถาโมเลกุลเหลานั้นอยูที่ผิวของของเหลว ก็จะหลุดออกไปจากผิวหนาของของเหลว ซึ่งเรียกวา เกิดการระเหย

การที่ของเหลวระเหยกลายเปนไอจะตองใชพลังงานจํานวนหนึ่งซึ่งไดมาจากการชนกันของโมเลกุลของของเหลว ในระหวางที่ของเหลวเกิดการระเหย พลังงานจลนเฉลี่ยของของเหลวที่เหลือจะลดลง ของเหลวจะดูดพลังงานจากสิ่งแวดลอมเขามาแทนที่พลังงานสวนที่เสียไปทําใหระบบเย็นลงในทํานองเดียวกัน การระเหยของเหงื่อจากผิวหนัง โมเลกุลของน้ํา (เหงื่อ) จะดูดพลังงานจากผิวหนังเพื่อใชในการระเหย ทําใหอุณหภูมิของรางกายลดลง จึงรูสึกเย็นในขณะที่มรการระเหยของเหงื่อ

นอกจากนี้ยังสามารถนําหลักการระเหยมาอธิบายเกี่ยวกับการทําความเย็นในตูเย็น หรือในเครื่องทําความเย็นได โดยมีหลักทั่ว ๆ ไปวา ของเหลวที่จะใชในเครื่องทําความเย็นจะตองระเหยงาย และไอของของเหลวที่ระเหยไปแลวจะตองควบแนนกลับมาเปนของเหลวไดงายดวย เชน ไอของฟรีออน (CCl2F2) เปนของเหลวสําหรับทําความเย็นในตูเย็น ภายในตูเย็นจะมีทอทําใหฟรีออนไหลผาน ขณะที่ไหลผานนั้นฟรีออนจะดูดความรอนไปและเกิดการระเหยกลายเปนไออยางรวดเร็ว ทําใหภายในตูเย็นมีอุณหภูมิต่ําลง ไอของฟรีออนที่เกิดจากการระเหยจะไหลผานไปตามทอออกนอกตูเย็น ภายนอกคูเย็นจะมีเครื่องอัดความดันทําหนาที่อัดไอของฟรีออนใหกลับเปนของเหลวอีก ซึ่งจะมีการคายความรอนออกมาทําใหบริเวณดานหลังของตูเย็นมีอุณหภูมิสูง จากนั้นฟรีออนที่เปนของเหลวก็จะถูกสงผานเขาไปในตูเย็นอีก วนเวียนอยูเชนนี้เรื่อยไป

3. ความดันไอกับจุดเดือดความดันไอ หมายถึง ความดันของไอเหนือของเหลวซึ่งอยูในภาวะสมดุลกับของเหลวนั้นของเหลวมีสมบัติทั่ว ๆ ไปอยางหนึ่งคือระเหยได เมื่อนําของเหลวใสในภาชนะเปดและ

ตั้งทิ้งไว ของเหลวจะเริ่มระเหยกลายเปนไอ ซึ่งถาทิ้งไวนาน ๆ จะกลายเปนไอจนหมด แตถาใสของเหลวในภาชนะปด ถึงแมของเหลวจะกลายเปนไอแตยังคงอยูในภาชนะ หนีออกไปนอกภาชนะไมได กลาวคือ ไอของของเหลวจะยังคงเคลื่อนที่อยูเหนือของเหลวนั้นนั่นเอง บางครั้งโมเลกุลของไอจะชนกันเองบาง ชนกับผนังภาชนะบาง และชนกับผิวของของเหลวบาง ซึ่งถาชนกับผิวของของเหลว โมเลกุลของไอเหลานั้นสวนใหญจะถูกดูดใหกลับลงไปในของเหลวเปลี่ยนสภาพไปเปนของเหลวใหม

หลังจากที่ของเหลวกลายเปนไอในภาชนะปด จะทําใหเกิดความดันขึ้นคาหนึ่ง เมื่อตั้งของเหลวทิ้งไวนาน ๆ โมเลกุลสวนที่เปนไอจะมีมากขึ้น เปนผลทําใหมีความดันสูงขึ้น ซึ่งในที่สุดความดันของไอเหนือของเหลวนั้นจะมีคาคงที่ หรือจํานวนโมเลกุลที่อยูในภาวะไอจะมีคาคงที่

เรียกภาวะที่ความดันไอเหนือของเหลวมีคาคงที่วา ภาวะสมดุล และเรียกความดันของไอเหนือของเหลว ณ ภาวะสมดุลวา ความดันไอของของเหลว

ในขณะที่ของเหลวระเหยกลายเปนไอ จะมีการควบแนนของไอกลายเปนของเหลวเกิดขึ้นดวย ในตอนแรกอัตราการระเหยกลายเปนไอจะมากกวาอัตราการควบแนนกลายเปนของเหลว แตเมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งอัตราการระเหยจะเทากับอัตราการควบแนน ทําใหความดันไอเหนือของเหลวหรือจํานวนโมเลกุลในภาวะไอเหนือของเหลวมีคาคงที่ ภาวะดังกลาวนี้เองเรียกวา ภาวะสมดุล

ในขณะที่ระบบอยูในภาวะสมดุล ถึงแมจํานวนโมเลกุลของไอและจํานวนโมเลกุลของของเหลวจะมีคาคงที่กตามไมไดหมายความวาระบบจะไมมีการเปลี่ยนแปลงอีก ที่ภาวะสมดุลนี้การเปลี่ยนแปลงจะยังคงเกิดขึ้นตลอดเวลา ทั้งการระเหยขากของเหลวกลายเปนไอและการควบแนนจากไอกลายเปนของเหลว เพียงแตอัตราการระเหยและอัตราการควบแนนเทากัน มองดูจากภายนอกจึงคลายกับไมมีการเปลี่ยนแปลง เรียกภาวะ สมดุลที่ยังมีการเปลี่ยนแปลงเชนนี้วา สมดุลไดนามิก ดังในรูป

รูปที่ 1 สมดุลไดนามิกของของเหลว - ไอ

4. ปจจัยที่มีผลตอความดันไอของเหลวชนิดหนึ่ง ๆ จะมีความดันไอสูงหรือต่ําขึ้นอยูกับปจจัยหลายชนิด เชนก. อุณหภูม ิ จะมีผลโดยตรงตอความดันไอของของเหลว ถาอุณหภูมิเพิ่มขึ้นความดันไอ

จะเพิ่มขึ้น ถาอุณหภูมิลดลงความดันไอจะลดลง และถาอุณหภูมิคงที่ ความดันไอจะมีคาคงที่ดวย โดยไมขึ้นกับปริมาณของของเหลว

จากการศึกษาพบวาอุณหภูมิมีผลตอความดันไออยางมาก แมวาเพิ่มอุณหภูมิเพียงเล็กนอยความดันไอจะเพิ่มขึ้นอยางมากได การที่เปนเชนนี้อธิบายไดโดยใชทฤษฎีจลน กลาวคือ การเพิ่มอุณหภูมิ จะทําใหโมเลกุลของของเหลวมีพลังงานจลนเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะโมเลกุลที่อยูบริเวณ

ผิวหนาของของเหลว จะไดรับพลังงานเพิ่มมากขึ้น จนเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลของของเหลวนั้น ทําใหหลุดออกจากของของเหลวกลายเปนไอ เปนผลใหมีความดันไอเพิ่มขึ้น

ตารางที่ 1 ความสัมพันธระหวางอุณหภูมิกับความดันไอของของเหลวบางชนิดอุณหภูมิ ความดันไอของของเหลว (atm)

(0 C) H2O CCl4 อะซิโตน เอธิลอีเธอร เอธานอล ออกเทน0

102030405060708090

100

0.006030.012120.023080.041860.072780.12770.19650.30750.46720.69181.0000

0.0430.0740.1200.1880.2840.4170.5930.8181.1091.4761.925

-0.1530.2430.3720.5540.8061.1401.579

---

0.2430.3840.5810.8511.2121.680

-----

0.0160.0320.0580.1040.1780.2920.4640.7131.0701.562

-

0.0040.0080.0130.0240.0410.0640.1030.1550.2300.3330.466

จากตารางจะเห็นไดวาความดันไอของของเหลวขึ้นอยูกับอุณหภูมิโดยที่ความดันไอจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิมากขึ้น

เมื่อนําขอมูลดังกลาวมาเขียนกราฟระหวางอุณหภูมิกับความดันไอจะไดดังนี้

รูปที่ 2 กราฟแสดงความสัมพันธระหวางความดันไอกับอุณหภูมิของของเหลวบางชนิด

จะเห็นวาความดันไอของของเหลวชนิดตาง ๆ ขึ้นอยูกับอุณหภูมิ ดังนั้นเมื่อกลาวถึงความดันไอของของเหลว จึงตองระบุอุณหภูมิดวยทุกครั้งมิฉะนั้นจะใหความหมายที่ไมสมบูรณ เชน

- น้ํามีความดันไอ 0.04186 atm (หรือ 31.81 mmHg ) ที่ 30 0C- เอธานอล มีความดันไอ 0.058 atm (หรือ 44.08 mmHg) ที่ 20 0C เปนตนข. แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล เนื่องจากของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล การ

ที่จะทําใหของเหลวกลายเปนไอจึงตองใชพลังงานจํานวนหนึ่ง เพื่อสลายแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลของของเหลวนั้น ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากจะกลายเปนไอไดยากและมีความดันไอนอยกวาของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอย

แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลของของเหลวขึ้นอยูกับปจจัยหลายอยาง เชน1. มวลโมเลกุล ของเหลวที่มวลโมเลกุลสูง จะมีแรงวันเดอรวาลสมากกวาของเหลวที่มี

มวลโมเลกุลต่ําทําใหความดันไอต่ํากวา2. สภาพขั้วของโมเลกุล (polarity) ของเหลวที่มีโมเลกุลมีขั้ว จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวาง

โมเลกุลมากกวาพวกที่ไมมีขั้ว โดยเฉพาะพวกโมเลกุลมีขั้วที่มีพันธะไฮโดรเจนจะยิ่งมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมาก ดังนั้น ความดันไอจะต่ํา

3. โครงสรางของโมเลกุล สารอินทรียบางชนิดมีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน แตมีสูตรโครงสรางตางกันซึ่งเรียกวาไอโซเมอร ไอโซเมอรจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลไมเทากัน พวกที่เปนโมเลกุลสายตรงจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากกวาพวกไอโซเมอรเปนกิ่ง ดังนั้นพวกสายตรงจึงมีจุดเดือดสูงกวาพวกที่เปนกิ่ง แตมีความดันไอต่ํากวาพวกเปนกิ่ง

ตัวอยางเชน ที่ 0 0C CH3COCH3 มีความดันไอ 0.243 atm แต CH3COOH มีความดันไอ 0.016 atm CH3COCH3 มีความดันไอมากกวา เพราะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอยกวา กลาวคือ CH3COCH3 มีแรงระหวางขั้ว แต CH3COOH มีพันธะไฮโดรเจน

ปริมาณและพื้นที่ผิวหนาของของเหลว ไมมีผลตอความดันไอของของเหลว ถาอุณหภูมิคงที่ แมวาของเหลวที่มีพื้นที่ผิวหนามากจะระเหยไดมากกวาก็ตาม แตเมื่อถึงภาวะสมดุล จะไดความดันไอเทากัน

5. จุดเดือดของของเหลวจุดเดือดซึ่งใชทดสอบความบริสุทธิ์ของของเหลวได ของเหลวเดือดได และในขณะเดือด

จะมีฟองพลานเต็มไปหมด ซึ่งจะอธิบายปรากฏการณดังกลาวไดดังนี้เมื่อใหความรอนแกของเหลว ทําใหโมเลกุลของของเหลวมีพลังงานจลนสูงขึ้นจนเอาชนะ

แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลและหลุดออกไปจากของเหลวกลายเปนไอได ถาใหพลังงานมาก ๆ โมเลกุลที่มีพลังงานจลนสูงถึงภาวะไอจะมีมากจนหลุดออกจากของเหลวไมทัน จึงเกิดฟองของไอภายในของเหลวและปุดขึ้นสูผิว ทําใหมีฟองของไอพลานทั่วของเหลวและหลุดไปจากของเหลวใน

ที่สุด ขณะที่ของเหลวเต็มไปดวยฟองพลานนั้น เรียกวาของเหลวเดือด อุณหภูมิขณะที่ของเหลวเดือดเรียกวา จุดเดือด ความดันไอของของเหลวที่จุดเดือดจะเทากับความดันบรรยากาศขณะนั้น

รูปที่ 3 แสดงการเดือดของของเหลว

6. ปจจัยที่มีผลตอจุดเดือดของของเหลวก. ความดันบรรยากาศ มีผลตอจุดเดือดของของเหลวโดยตรง เนื่องจากความดันไอของ

ของเหลวที่จุดเดือดจะเทากับความดันบรรยากาศ ดังนั้น ถาความดันบรรยากาศเปลี่ยนไป จุดเดือดของของเหลวจะเปลี่ยนไปดวย ถาความดันบรรยากาศสูงจุดเดือดจะสูง ถาความดันบรรยากาศต่ําจุดเดือดจะต่ํา ซึ่งนําไปใชเปนหลักในการกลั่นของเหลวโดยการลดความดัน

ตัวอยางที่แสดงผลของความดันบรรยากาศตอจุดเดือดเมื่อตมน้ําที่ความดัน 1 บรรยากาศ น้ําจะเดือดที่ 100 0C แตเมื่อตมน้ําทีความดันต่ํากวา 1

บรรยากาศ น้ําจะเดือดที่อุณหภูมิต่ํากวา 100 0C เชนตมน้ําบนภูเขาหรือในที่ซึ่งสูงกวาระดับน้ําทะเล 1100 เมตร น้ําจะเดือดที่ 96 0C เปนตน (ยิ่งสูงขึ้นไป ความดันบรรยากาศจะยิ่งลดลง)

เนื่องจากจุดเดือดของของเหลวขึ้นอยูกับความดันของบรรยากาศ ดังนั้นในการบอกจุดเดือดของของเหลวชนิดหนึ่ง ๆ จึงตองระบุความดันดวย

เชน น้ํามีจุดเดือด 100 0C ที่ความดัน 1 บรรยากาศ เอธานอลมีจุดเดือด 78 0C ที่ความดัน 1 บรรยากาศ เปนตนถาไมระบุความดันบรรยากาศจะใหความหมายไมสมบูรณอยางไรก็ตามเมื่อกลาวถึงจุดเดือดโดยไมระบุความดัน โดยทั่ว ๆ ไป จะหมายถึง จุดเดือด

ที่ความดัน 1 บรรยากาศ ซึ่งเรียกวา จุดเดือดปกติ (normal boiling point)ข. แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลเนื่องจากการทําใหของเหลวเดือดตองใชพลังงาน ทั้งนี้เพราะ ของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยว

ระหวางโมเลกุล ยิ่งมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากจุดเดือดก็จะยิ่งสูงมาก ของเหลวที่โมเลกุลมีขั้วจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมากกวาพวกที่ไมมีขั้ว ทําใหมีจุดเดือดสูงกวา และถาพวกที่

โมเลกุลมีขั้วมีพันธะไฮโดรเจนดวยจุดเดือดก็จะยิ่งสูงขึ้น สําหรับของเหลวประเภทโมเลกุลไมมีขั้ว แรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล คือ แรงวันเดอรวาลสซึ่งขึ้นอยูกับมวลโมเลกุล พวกที่มีมวลโมเลกุลสูงจะมีแรงวันเดอรวาลสมากกวาและมีจุดเดือดสูงกวาพวกที่มีมวลโมเลกุลต่ํา ซึ่งมีแรงวันเดอรวาลสนอย สําหรับของเหลวพวกสารอินทรียซึ่งมีไอโซเมอรตางกันไดหลายชนิด ไอโซเมอรที่มีโครงสรางโมเลกุลเปนสายตรงจะมีจุดเดือดสูงกวาไอโซเมอรที่มีโครงสรางเปนกิ่งหรือมีสาขามากจะยิ่งมีจุดเดือดต่ํา

ตารางที่ 2 ตัวอยางแสดงผลของแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลที่มีตอจุดเดือดก. ผลของสภาพขั้วของโมเลกุล

ของเหลว จุดเดือด ( 0C) สภาพขั้วC5H12

CH3COOCH3

C3H7OHCH3COOH

36.157.597.2

118.5

โมเลกุลไมมีขั้วโมเลกุลมีขั้วโมเลกุลมีขั้วและมีพันธะไฮโดรเจนโมเลกุลมีขั้วและมีพันธะไฮโดรเจน

ข. ผลของแรงวันเดอรวาลส (หรือมวลโมเลกุล)

ของเหลว มวลโมเลกุล จุดเดือด ( 0C)อัลเคนC6H14

C7H16

C8H18

อัลกอฮอลCH3OHC2H5OHC3H7OH

86100114

324660

68.798.4

125.7

64.578.397.2

ค. ผลของโครงสรางโมเลกุลของเหลว มวลโมเลกุล จุดเดือด ( 0C)

CH3 - CH2 - CH2 - OHCH3 - CH - CH2 - OH CH3

CH3 - CH2 - CH - OH CH3

7474

74

118108

99.5

74 83

7. ขอแตกตางระหวางการเดือดและการระเหยการระเหยกลายเปนไอจะเกิดขึ้นเฉพาะที่ผิวหนาของของเหลว แตการเดือดจะเกิดขึ้นไป

ทั่วของเหลวมีฟองของไอพลานไปหมดทั่วทั้งของเหลวนั้น ฟองเหลานั้นจะชวยเพิ่มผิวหนาของของเหลวทําใหคลายกับวามีการระเหยเกิดขึ้นทั่วไปในของเหลว โมเลกุลของของเหลวบางสวนจะเขาไปในฟองไอทําใหฟองของไอใหญขึ้นอยางรวดเร็วในขณะที่ปุกขึ้นสูผิวของของเหลวและออกไปจากของเหลว นอกจากนี้โมเลกุลของของเหลวที่กําลังเดือดจะหลุดออกไปจากของเหลวอยางรวดเร็วจํานวนมาก ทําใหมีการผลักดันบรรยากาศเหนือของเหลวออกไป แลวโมเลกุลของไอจึงเขาไปแทนที่ซึ่งตางจากการระเหยที่โมเลกุลของไอคอย ๆแพรปะปนไปกับโมเลกุลของอากาศ

8. ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (Heat of vaporization)ในขณะที่ของเหลวกําลังเดือด ของเหลวจะกลายเปนไอออจนหมด โดยที่อุณหภูมิไม

เปลี่ยนแปลง ทั้ง ๆที่มีการใหความรอนแกของเหลวตลอดเวลา ที่เปนเชนนี้เนื่องจากปริมาณความรอนที่ของเหลวไดรับในขณะที่กําลังเดือดนั้นถูกนําไปใชในการเปลี่ยนสถานะทําใหโมเลกุลของของเหลวกลายเปนโมเลกุลของไอ ความรอนที่ใหแกของเหลวจึงไมไดใชในการเพิ่มอุณหภูมิ แตจะทําใหของเหลวเกิดฟองมากยิ่งขึ้นไปเพิ่มจํานวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูง และทําใหอัตราการกลายเปนไอสูงขึ้น

ปริมาณความรอนที่ใชสําหรับทําใหของเหลวจํานวนหนึ่งกลายเปนไอที่อุณหภูมิคงที่ เรียกวาความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ( HV )

เชน H2O มี HV = 40.67 kJ/mol ที่ 1 atm 100 0C หมายความวา ถาตองการทําใหน้ํา 1 โมล เปลี่ยนไปเปนไอน้ําหมดที่ 1 atm 100 0C จะตองใชพลังงาน 40.67 kJ

C2H5OH มี HV = 39.71 kJ/mol ที่ 1 atm 78.4 0C หมายความวา ถาตองการทําให C2H5OH 1 โมล เปลี่ยนไปเปนไอหมดที่ 1 atm 78.4 0C จะตองใชพลังงาน 39.71 kJ

ของเหลวตางชนิดกันจะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอตางกัน จุดเดือดและความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะขึ้นอยูกับปจจัยชนิดเดียวกัน ของเหลวที่มีจุดเดือดสูงจะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอสูงดวย ทั้งจุดเดือดและความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ตางก็ขึ้นอยูกับแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมาก จะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอสูง ดังนั้น ของเหลวพวกโมเลกุลไมมีขั้ว จะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอต่ํากวา พวกโมเลกุลมีขั้ว พวกที่มีพันธะไฮโดรเจนจะมีความรอนแฝงของการ

กลายเปนไอสูงกวาพวกที่ไมมีพันธะไฮโดรเจน และ พวกไอโซเมอรที่มีโครงสรางเปนสายตรง จะมีความรอนแฝงสูงกวาพวกที่มีกิ่งหรือสาขา

ตารางที่ 3 ความรอนแฝงของการกลายเปนไอที่จุดเดือดปกติของของเหลวบางชนิดของเหลว HV (kJ/mol ) จุดเดือดปกติ ( K )

แอมโมเนียเอธิลอีเธอรอะซิโตนเมธิลอะซิเตตคลอโรฟอรมเฮกเซนคารบอนเตตระคลอไรดเบนซีนไนโตรเบนซีนปรอทกรดแอซิติกน้ําโพรพานอลเอธานอล

23.3126.0330.2530.4229.4628.6629.8730.7540.4259.4124.3140.6739.3739.71

239.8307.8329.4330.5334.4341.9350.0353.3484.1629.8391.3373.2370.4351.6

นอกจากความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะขึ้นอยูกับแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลแลว ยังขึ้นอยูกับอุณหภูมิที่เกิดไอดวย โดยเปลี่ยนแปลงไปในทางกลับกัน ถาอุณหภูมิสูงความรอนแฝงของการกลายเปนไอต่ํา เนื่องจากในขณะที่อุณหภูมิสูงพลังงานจลนของของเหลวยอมสูงดวย ทําใหแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลในของเหลวออนลง เมื่อใชพลังงานอีกไมมากนักก็จะทําใหโมเลกุลกลายเปนไอได ในทํานองเดียวกันถาอุณหภูมิต่ําความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะสูง

ตารางที่ 4 ความรอนแฝงของการกลายเปนไอของน้ําที่อุณหภูมิตาง ๆจุดเดือด ( 0C) HV (kJ/mol )

04080

44.8143.1841.59

120160200

39.7137.4034.85

9. ความสัมพันธระหวางจุดเดือด ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ และความดันไอปกติของเหลวที่มีจุดเดือดต่ํา จะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอต่ํา ดังนั้นจะระเหย

งาย ซึ่งจะทําใหมีความดันไอสูง ในทางตรงขามของเหลวที่มีจุดเดือดสูง จะมีความรอนแฝงของการกลายเปนไอสูงและระเหยไดยาก ดังนั้นความดันไอจึงต่ํา

ที่อุณหภูมิเดียวกันของของเหลวที่มีจุดเดือดสูง จะมีคาความดันไอนอยกวาของเหลวที่มีที่มีจุดเดือดต่ํากวา

ในทํานองเดียวกัน สามารถใชความดันไอเปนเครื่องชี้บงแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล และจุดเดือด เชน ของเหลวที่มีความดันไอสูง จะมีจุดเดือดต่ํา และมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอย แตของเหลวที่มีความดันไอต่ําจะมีจุดเดือด และแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลมาก

***************************************************************************

ใบความรู เรื่อง สมบัติของกาซ*****************************************************

1. สมบัติของกาซกาซ มีสมบัติโดยทั่ว ๆ ไปดังนี้1. กาซมีรูปรางและปริมาตรไมแนนอน ขึ้นอยูกับลักษณะของภาชนะที่บรรจุ ถาภาชนะมี

รูปรางและ ปริมาตรอยางไร กาซจะมีรูปรางและปริมาตรเปนอยางนั้น เชน เมื่อบรรจุกาซจํานวนหนึ่งลงในถังรูปลูกบาศกที่มีปริมาตร 10 ลิตร จะไดกาซที่มีปริมาตร 10 ลิตร และมีรูปรางเปนรูปลูกบาศกตามถังนั้น การที่เปนเชนนี้เพราะกาซมีการแพรหรือฟุงกระจายไดอยางอิสระจนเต็มภาชนะเสมอ

2. กาซมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาโดยมีทิศทางการเคลื่อนที่ไมแนนอน (Random Motion) กลาวคือ กาซจะเคลื่อนที่ออกจากจุด ๆ หนึ่งอยางไมเปนระเบียบหรืออยางอิสระทุกทิศทางซึ่งตางจากของแข็ง ที่อนุภาคเกือบจะเคลื่อนที่ไมไดเลย หรือของเหลวที่อนุภาคเคลื่อนที่ไดบาง แตมีขอบเขตของการเคลื่อนที่คอนขางจํากัด การที่กาซเคลื่อนที่ไดงายกวาหรือไดเร็วกวา แสดงวามีพลังงานจลนมากกวา

3. กาซแพรไดเร็วกวาเพราะแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคนอยกวาของเหลวและของแข็งซึ่งเปนเหตุใหโมเลกุลของกาซแยกจากกันไดงาย ถานํากาซหลาย ๆ ชนิดที่ไมทําปฏิกิริยากันมาผสมกันในภาชนะใบเดียวกัน กาซทุกชนิดจะแพรจนเต็มภาชนะไดเปนสารละลายกาซ

4. ที่อุณหภูมิและความดันหนึ่ง ๆกาซมีความหนาแนนนอยกวาของเหลวและของแข็ง5. โดยทั่วไปกาซจะมีลักษณะโปรงใสซึ่งมนุษยสามารถมองทะลุผานไปได อาจจะมีสมบัติ

เฉพาะตัว เชน มีกลิ่น หรือสีที่ตางจากกาซ เชน กาซ F2 (สีเหลืองออน) , Cl2 (สีเขียวตองออน) , Br2 (สีแดง) , I2 (สีมวงแดง) , NO2 (สีน้ําตาลแดง) , SO2 (มีกลิ่นฉุนแสบจมูก) และ H2S (มีกลิ่นกาซไขเนา) เปนตน

6. ปริมาตรของกาซขึ้นอยูกับอุณหภูมิและความดัน ถาอุณหภูมิและความดันเปลี่ยนไปจะทําใหปริมาตรเปลี่ยนไปดวย แสดงวาอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรเปนสมบัติของกาซซึ่งมีสวนสัมพันธซึ่งกันและกัน อุณหภูมิและความดันจะมีผลตอการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของกาซมากกวาของเหลวและของแข็ง กลาวคือ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น กาซจะขยายตัวมีปริมาตรเพิ่มขึ้นและเมื่ออุณหภูมิลดลง กาซจะหดตัวลงทําใหปริมาตรลดลง แตการเปลี่ยนอุณหภูมิอาจไมมีผลตอการเปลี่ยนปริมาตรของของเหลว และของแข็งเลยก็ได

เนื่องจากสมบัติของกาซขึ้นอยูกับอุณหภูมิและความดัน ดังนั้นในการกลาวถึงปริมาตรของกาซ จึงตองระบุอุณหภูมิและความดันควบคูกันไปทุกครั้ง ถาไมระบุอาจจะถือวาใหความหมายไมสมบูรณ เชน กาซ H2 มีปริมาตร 22.4 ลิตร ที่ 0 0C , 1 atm จัดวามีขอมูลที่สมบูรณ

อุณหภูมิ สัญญลักษณเปน T (เคลวิน) และ t (เซลเซียส) ใชบอกระดับความรอนของสาร แตไมไดบอกใหทราบวาสารนั้นมีปริมาณความรอนเทาใด กลาวคือ สารที่รอนเทากัน จะมีอุณหภูมิเทากัน แตอาจจะมีปริมาณความรอนเทากัน หรือไมเทากันก็ได ขึ้นอยูกับ มวล และ คาความจุความรอนของสาร

เครื่องมือที่ใชวัดอุณหภูมิเรียกวา เทอรโมมิเตอร ซึ่งมีหลายชนิด บางชนิดอาจจะใชสารที่บรรจุในเทอรโมมิเตอรเปนของเหลว เชน ปรอท น้ํา แอลกอฮอล บางชนิดอาจจะใชกาซบรรจุในเทอรโมมิเตอรเรียกวา เทอรโมมิเตอรกาซ เชน ใช H2 และอากาศ การเลือกใชสารใสในเทอรโมมิเตอรตองอาศัยการขยายตัวของสารนั้น ซึ่งเปนสมบัติเฉพาะตัวของสารแตละชนิด

การกําหนดมาตราสวนของอุณหภูมิในเทอรโมมิเตอรมักจะใชจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของของเหลว เชน น้ําเปนหลัก โดยการวัดจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ําที่ความดัน 1 บรรยากาศ แลวแบงชวงระยะระหวางจุดเดือดกับจุดเยือกแข็งออกเปนชองเทา ๆ กันตามความตองการ กลายเปนมาตราสวนอุณหภูมิ เชน แบงออกเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกัน แตละชองเรียกวา 1 องศา เปนตน

มาตราสวนหรือหนวยที่ใชวัดอุณหภูมิมีหลายชนิด เชน1. หนวยเซลเซียสหรือเดิมเรียกวา เซนติเกรด (0C) แบงมาตรสวนระหวางจุดเยือกแข็ง

และจุดเดือดของน้ําเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกัน แตละชองเรียกวา 1 0C 2.หนวยฟารเรนไฮด (0F) แบงมาตรสวนระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ําเปน 180

ชอง ๆ เทา ๆกัน แตละชองเรียกวา 1 0F 3.หนวยเคลวิน (K) หรือหนวยอุณหภูมิสัมบูรณ (Absolute Temperature) เปนหนวย SI

แบงมาตราสวนระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ําเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกัน แตละชองเรียกวา 1 K

จะเห็นไดวามาตรสวนของอุณหภูมิเซลเซียสและเคลวินมีคาเทากัน แตละชองเปน 1 องศาที่มีขนาดเทากัน สําหรับจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ําซึ่งใชเปนตัวกําหนดมาตราสวนของอุณหภูมิทั้ง 3 แบบมีคาดังนี้

จุดเยือกแข็งของน้ํา = 0 0C = 273.15K = 32 0Fจุดเดือดของน้ํา = 100 0C = 373.15 K = 212 0F

375.15

273.15

0(K)

100

0

-273.15

212

-32

-459.7(0C) (0F)

เคลวิน เซลเซียส ฟารเรนไฮด

รูปที่ 1 เปรียบเทียบมาตราสวนระหวางอุณหภูมิเคลวิน เซลเซียสและฟาเรนไฮด

อุณหภูมิทั้ง 3 ชนิด เขียนเปนความสัมพันธทางคณิตศาสตรไดดังนี้T = 273.15 + tT = 273.15 + 9

5 ( F - 32 )

t = 95 ( F - 32 )

เมื่อ T = อุณหภูมิเคลวิน t = อุณหภูมิเซลเซียส F = อุณหภูมิฟาหเรนไฮดหรืออาจจะใชคาประมาณไดดังนี้

T = 273.15 + tT = 273.15 + 9

5 ( F - 32 )

t = 95 ( F - 32 )

ความดัน ใชสัญลักษณเปน P หมายถึงแรงที่กระทําตอหนึ่งหนวยพื้นที่ ความดันเปนสมบัติอยางหนึ่งของของไหล (เรียกของเหลวและไอหรือกาซรวมกันวา ของไหล) ความดันสามารถใชบอกทิศทางการเคลื่อนที่ของอของเหลวและกาซได คือ ทั้งของเหลวและกาซจะเคลื่อนที่จากสวนที่มีความดันสูงไปสูสวนที่มีความดันต่ํากวาเสมอ

เครื่องมือที่ใชวัดความดันเรียกวา บารอมิเตอร (Barometer) ซึ่งมีลักษณะตาง ๆ กัน บารอมิเตอรมักจะทําดวยปรอทซึ่งเปนของเหลวที่มีความหนาแนนมาก โดยใชหลอดแกวยาวและตรงมีพื้นที่หนาตัดเทากันตลอดขนาด 1 cm2 ยาวประมาณ 100 cm ปลายดานหนึ่งปด บรรจุปรอทจนเต็มหลอดแลวคว่ําปลายดานเปดลงบนอางปรอท ระดับปรอทจะลดลงเล็กนอยและทําใหมีที่วางตอนบนของหลอดแกวเปนสูญญากาศ (ดูในรูป) การที่ปรอทสวนหนึ่งยังคางอยูภายในหลอดแกวก็เนื่องจากแรงกดดันของบรรยากาศที่มีตอผิวหนาของปรอทในอางปรอท ซึ่งแสดงวามวลของบรรยากาศหรือความกดดันของบรรยากาศที่มีตอผิวปรอทในอางจะตองเทากับความกดดันที่เกิดจากมวลของปรอทในหลอดแกว ซึ่งกดลงมายังอางปรอท จึงทําใหระดับความสูงของปรอท

มีคาคงที่ ดังนั้นความสูงขอลปรอทในหลอดแกวจึงเทากับความดันของบรรยากาศนั่นเอง ถาใชพื้นที่หนาตัดของหลอดแกวเทากับ 1 cm3 ปกติจะไดลําปรอทสูงประมาณ 76 cm หรือ 760 mm ซึ่งเรียกวา 1 บรรยากาศ (atm)

รูปที่ 2 เครื่องมือวัดความดัน (บารอมิเตอร)กรณีที่จะวัดความดันของกาซอาจจะใชเครื่องมืออีกชนิดหนึ่งเรียกวา นาโนมิเตอร

(Nanometer) ซึ่งเปนหลอดแกวรูปตัวยู อาจจะเปนชนิดปลายเปดทั้งสองดาน หรือปลายปดดานใดดานหนึ่งก็ได ดังรูป

รูปที่ 3 เครื่องมือวัดความดันของกาซ (มาโนมิเตอร)สําหรับชนิดปลายเปด (รูป ก. ) กาซจะดันปรอทใหขึ้นไปทางดานปด ความดันของกาซ

จะเทากับความแตกตางระหวางความสูงของระดับปรอททั้งสอง ดาน (h) (เนื่องจากชองวางเปนสูญากาศจึงไมตองนําความดันบรรยากาศมาคิด)

สําหรับชนิดปลายเปดทั้ง 2 ดาน (รูป ข. ) กาซจะดันปรอทขึ้นไปทางดานปลายเปดอีกดานหนึ่งดังในรูป ความดันของกาซจะเทากับความแตกตางระหวางความสูงของระดับปรอททั้ง 2 ดาน (h) บวกกับความดันของบรรยากาศ

2. การคํานวณความดันจากบารอมิเตอร

เมื่อใชหลอดแกวยาวที่มีพื้นที่หนาตัด (เทากันตลอด) ขนาด 1 ตารางเซนติเมตร บรรจุปรอทจนเต็มแลวคว่ําลงบนอางปรอท จะไดลําปรอทสูง h เซนติเมตร (ดูรูป 5.3 ประกอบ)

จาก แรง (F) = มวลปรอท (m) x แรงดึงดูดของโลก (g)มวลของปรอท = ปริมาตรปรอท (V) x ความหนาแนนปรอท (d)เพราะฉะนั้น F = mg = Vdg

= (Ah)dg เมื่อ A = พื้นที่หนาตัดของปรอทเนื่องจาก

ความดัน(P) = (A)พื้นที่(F) แรง

เพราะฉะนั้น P = dgAAh

= hdgดังนั้นถาทราบความสูงของปรอทและความหนาแนนของปรอท จะสามารถคํานวณความ

ดันของบรรยากาศในขณะนั้นได เชน ที่ 25 0C ระดับปรอทสูง 76.1 เซนติเมตร จะคํานวณความดันไดดังนี้

P = hdg = (76.1 cm) x (13.596 g/cm3) x (980.7 cm/s2) = 1.015 x 106 g/cm.s2

= 1.015 x 106 dyne/cm2

ความดันมาตรฐาน คือ ความดันเฉลี่ยของบรรยากาศที่ระดับน้ําทะเลซึ่งทําใหปรอทสูง 76 เซนติเมตรที่ 0 0C และใหเทากับ 1 บรรยากาศ ( 1 atm)

ความดันมาตรฐาน ( 1 atm) ในเทอมของ dyne/cm2 จะเปนดังนี้ P (1 atm) = hdg

= (76.0 cm) x (13.596 g/cm3) x (980.7 cm/s2) = 1.013 x 106 dyne cm-2

หนวยของความดันที่ใชนอกจากจะใช atm หรือ dyne cm-2 แลว ยังมีหนวยอื่น ๆ อีก เชน นิวตันตอตารางเซนติเมตร( N/cm2) , นิวตันตอตารางเมตร (N/m2) หรือ ปาสคาล ซึ่งเปนหนวย S.I. (1 Pa = 1 kg/m. s2 ),ปอนดตอตารางนิ้ว (pound per square inches) หรือ p.s.i , mm Hg หรือ torr เปนตน

หนวยของความดันที่ใชมากคือ atm และ mm Hg และ Pa ซึ่งมีความสัมพันธกันดังนี้1 atm = 760 mm Hg = 76 cm Hg

= 760 torr = 17.7 p.s.i= 1.013 x 105 Pa = 1.013 x 105 N/m2

= 1.013 x 106 dyne cm-2

อุณหภูมิและความดันมาตรฐานใชสัญลักษณ เปน STP ซึ่งยอมาจาก Standard Temperature and Pressure หรือ NTP

ซึ่งยอมาจาก Normal Temperature and Pressure เนื่องจากปริมาตรของกาซเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและความดัน การระบุปริมาตรจึงตองระบุอุณหภูมิและความดันควบคูกันเสมอ เพื่อความสะดวกสําหรับการเปรียบเทียบปริมาตรของกาซจึงไดกําหนดสภาวะอางอิงซึ่งเปนสภาวะมาตรฐานของกาซขึ้นมาดังนี้

อุณหภูมิมาตรฐานของกาซ คือ 00C หรือ 273.15 K (273 K โดยประมาณ)ความดันมาตรฐานของกาซ คือ 1 atm หรือ 760 mm Hg

ปริมาตรของกาซใชสัญลักษณเปน V หมายถึง ปริมาตรของภาชนะที่บรรจุกาซ ทั้งนี้ เพราะถือวากาซไม

มีปริมาตรโมเลกุล (ขนาดของกาซเล็กมากจนตองตัดทิ้งไดเมื่อเทียบกับขนาดของภาชนะที่บรรจุ ดูรายละเอียดในหัวขอทฤษฎีจลน) และกาซสามารถแพรกระจายจนเต็มภาชนะที่บรรจุเสมอ ในกรณีของเหลว และของแข็ง การหาปริมาณอาจจะใชวิธีชั่งมวล เพราะทั้งของแข็งและของเหลวมีมวลมาก หรืออาจจะใชวัดปริมาตรก็ได แตในกรณีของกาซ ซึ่งมีความหนาแนนนอยกวาของเหลวและของแข็งมาก มวลจึงมีคานอย การหาปริมาณของกาซโดยการชั่งมวลจึงไมสะดวก ในทางปฏิบัติจึงใชปริมาตรแทนโดยระบุอุณหภูมิและความดันดังที่กลาวมาแลว กลาวไดวาปริมาตรของกาซ (V) เปนฟงกชันของอุณหภูมิและความดันรวมทั้งปริมาณ ( โมล) ของกาซดวย

หนวยของปริมาตรที่ใชกันทั่วไปคือ dm3 และ cm3 ซึ่งเปนหนวย S.I และลิตร กับ มิลลิลิตร ซึ่งเปนหนวยเมตริก โดยกําหนดให

1 ลิตร = 1000.027 cm3 = 1 dm3 (โดยประมาณ)1 มิลลิลิตร = 1.000027 cm3 = 1 cm3 (โดยประมาณ)

เพราะฉะนั้น 1 dm3 = 103 cm3 = 1 ลิตร = 103 มิลลิลิตรปริมาตรของกาซผสมที่อยูรวมกันในภาชนะใบหนึ่ง จะมีลักษณะที่แตกตางจากของผสมที่

เกิดจากของเหลว หรือของแข็งผสมกัน ถานําของเหลว หรือของแข็งมาผสมกันปริมาตรจะตองเพิ่มขึ้นเสมอ ไมวาสารเหลานั้นจะรวมเปนเนื้อเดียวกันหรือไม แตถานํากาซมาผสมกันจะรวมเปนเนื้อเดียวกันเสมอ และกาซแตละชนิดจะยังคงมีปริมาตรเทากันกับภาชนะที่บรรจุอยูโดยถือวา กาซทุกตัวในกาซผสมจะแพรจนเต็มภาชนะซึ่งปริมาตรของกาซผสมจะไมเปลี่ยนแปลง

ประเภทของกาซนักวิทยาศาสตรแบงกาซออกเปน 2 ประเภทดังนี้ก. กาซอุดมคติ ( ideal gas) หรือ กาซสมบูรณ (perfect gas) เปนกาซสมมติที่

นักวิทยาศาสตรกําหนดขึ้น เพื่ออธิบายพฤติกรรมบางอยางของกาซ กาซอุดมคติไมมีอยูในธรรมชาติ หมายถึง กาซซึ้งไมมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล ไมมีปริมาตรโมเลกุล (ถือวาเปนเพียงจุดที่อยุในภาชนะที่บรรจุกาซเทานั้น ซึ่งมีคานอยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับขนากของภาชนะ ทําใหสามารถตัดทิ้งไดและถือวาไมมีปริมาตร) กาซอุดมคติจะมัพฤติกรรมตาง ๆเปนไปตามกฎของกาซอุดมคติ เชน กฎของบอยล แลกฎของชารลส

ข. กาซจริง (real gas) หมายถึง กาซที่มีอยูในธรรมชาติจริง ๆ เชน H2 , O2 CO2 , ฯลฯ มีแรงยึดเหนียวระหวางโมเลกุล มีปริมาตรโมเลกุล มีพฤติกรรมที่ไมเปนไปตามกฎของกาซอุดมคติ

กาซจริงจะมีพฤติกรรมเปนกาซอุดมคติ หรือคลายกับกาซอุดมคติเมื่ออุณหภูมิสูง ๆ และเมื่อความดันต่ํา ๆ ซึ่งอาจจะทําใหโมเลกุลของกาซอยูหางกันมาก ทําใหมีจํานวนโมเลกุลนอย ซึ่งกาซจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอยจนถือวาไมมีและจัดไดวาเปนกาซอุดมคติ

3. ปริมาตรของกาซปริมาตรของกาซเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดของภาชนะที่บรรจุ และขึ้นอยูกับอุณหภูมิและ

ความดัน เมื่ออุณหภูมิ หรือความดันเปลี่ยนแปลงไปจะมีผลทําใหปริมาตรของกาซเปลี่ยนแปลงไปดวย ดังเชนการศึกษาปริมาตรของกาซจากกฎของบอยล กฎของชารลส และกฎรวมของกาซ เปนตน

ก. กฎของบอยล (Boyle , s Law) เปนกฎที่ใชแสดงความสัมพันธระหวางปริมาตรกับความดันของกาซเมื่ออุณหภูมิและมวล

ของกาซคงที่ ในป ค.ศ. 1662 (พ.ศ. 2205) นักวิทยาศาสตรชื่อ โรเบิรต บอยล (Robert Boyle) ไดศึกษาสมบัติของกาซในแงของความดันและปริมาตรโดยใชอากาศเปนตัวอยางและพบวา “เมื่อใชอุณหภูมิและมวลของกาซคงที่ ปริมาตรของกาซจะแปรผกผันกับความดัน” ตอมาเรียกขอความดังกลาววา กฎของบอยล เมื่อเขียนเปนความสัมพันธในทางคณิตศาสตรจะไดดังนี้

V P1 เมื่ออุณหภูมิและมวลคงที่

ได V = Pk หรือ PV = k

เมื่อ V = ปริมาตรของกาซ P = ความดันของกาซ k = คาคงที่

เมื่อศึกษาสมบัติของกาซจํานวนหนึ่ง ที่อุณหภูมิคงที่ จะไดความสัมพันธระหวาง P กับ V ที่ภาวะตาง ๆ ดังนี้

P1V1 = P2V2 = P3V3 = ……..คา k ขึ้นอยูกับชนิดของกาซ อุณหภูมิ มวลหรือปริมาณที่ใช หนวยของ P และ V

หมายความวา กาซตางชนิดกันจะมีคา k ไมเทากัน หรือกาซชนิดเดียวกันแตใชอุณหภูมิตางกัน หรือใชหนวยของ P และ V ตางกัน คา k ก็จะไมเทากัน ดังนั้น k จะคงที่สําหรับกาซชนิดหนึ่ง เมื่อทดลองที่อุณหภูมิเดียวกันใชมวลเทากัน และใชหนวยของ P , V เหมือนกัน

จากสมการ PV = k จะเห็นไดวาเมื่อุณหภูมิและมวลของกาซคงที่ “ผลคูณของปริมาตรและความดันของกาซจะคงที่ แมวาปริมาตรและความดันจะเปลี่ยนแปลงไป” ซึ่งสามารถนําไปคํานวณเกี่ยวกับ P และ V ของกาซที่ภาวะตาง ได

รูปที่ 4 การทดลองตามกฎของบอยลจากกฎของบอยลนอกจากจะแสดงโดยอาศัยสมการทางคณิตศาสตรแลว ยัง

สามารถพิจารณาไดจากลักษณะของกราฟซึ่งมี 3 แบบดังนี้แบบที่ 1 เมื่อเขียนกราฟระหวาง P กับ V ถาเปนไปตามกฎของบอยลจะไดกราฟ

ไฮเปอรโบลาร (Hyperbolar)

จาก V = Pk

เมื่อ P = 0 ได V = V = 0 ได P = ดังนั้นลักษณะของกราฟไฮเปอรโบลารจะไมตัดแกน P หรือแกน V

ลักษณะของกราฟจะแตกตางกันเมื่อใชอุณหภูมิไมเทากัน กราฟแตละเสนที่แสดงความสัมพันธระหวาง P กับ V เมื่ออุณหภูมิคงที่เรียกวา เสนกราฟไอโซเทอม (Isotherm) กระบวนการทดลองที่อุณหภูมิคงที่เรียกวากระบวนการไอโซเทอรมอล (Isothermal Process)

รูปที่ 5 ความสัมพันธระหวาง P กับ V เมื่อ T และ n คงที่แบบที่ 2 เมื่อเขียนกราฟระหวาง P กับ V

1 จะไดกราฟเสนตรงที่ผานจุดกําเนิด (Origin) ทั้งนี้พิจารณาจาก

V = Pk = k P

1 + 0 หรือ P = k V1 + 0

ซึ่งสอดคลองกับสมการเสนตรง y = ax + b ดังนั้นเมื่อเขียนกราฟระหวาง P กับ V1

หรือ V กับ P1 จะไดกราฟเสนตรงที่มีความชัน (Slope = k และมีจุดตัด (Intercept) = 0 หรือ

กราฟผานจุดกําเนิดนั่นเอง ) ถากาซนั้นเปนกาซอุดมคติซึ่งเปนไปตามกฎของบอยล เมื่อเขียนกราฟจะไดเสนตรง ใน

แตละอุณหภูมิจะไดเสนตรงที่มีความชันไมเทากัน เสนกราฟไอโซเทอม (อุณหภูมิเทากัน) ที่อุณหภูมิสูงจะมีความชันมากกวาที่อุณหภูมิต่ํา แตอยางไรก็ตามถาตอเสนกราฟออกไปทุก ๆ เสนจะไปพบกันที่จุดกําเนิดดังในรูป

รูปที่ 6 ความสัมพันธระหวาง P กับ V1 (หรือ V กับ P

1 )แบบที่ 3 เมื่อเขียนกราฟระหวาง PV กับ P หรือ PV กับ V จะไดกราฟเสนตรงที่

ขนานกับแกน P (หรือ V ตามลําดับ) หรือเปนกราฟที่มีความชัน = 0 นั่นเอง ทั้งนี้พิจารณาไดจาก PV = k

ซึ่งผลคูณของ P กับ V จะมีคาคงที่ ถึงแมวาคาของ P และ V จะเปลี่ยนแปลงก็ตาม

รูปที่ 7 ความสัมพันธระหวาง PV กับ P (หรือ PV กับ V)การพิจารณาวากาซชนิดหนึ่ง ๆ ไปตามกฎของกาซอุดมคติ เชน กฎของบอยล หรือไม

ยังสามารถพิจารณาไดจากลักษณะของกราฟ ถาเปนกาซอุดมคติเมื่อเขียนกราฟจะไดรูปกราฟที่สอดคลองกับแบบทั้ง 3 กรณีที่เปนกาซจริงจะมีพฤติกรรมเบี่ยงเบนไปจากกฎของกาซอุดมคติ ไมเปนไปตามกฎของบอยล (P1V1 P2V2 ) ลักษณะของกราฟจะเบี่ยงเบนไปจากกราฟของกาซอุดมคติ เชน กรณีของกาซ H2 , He , N2 , CH4 และ CO2 ที่ 40 0 C ในชวงความดันบรรยากาศ 0 - 800 atm เมื่อเขียนกราฟ PV กับ P จะไดดังนี้

รูปที่ 8 ความสัมพันธระหวาง PV กับ P ของกาซจริงตารางที่ 1 ตัวอยางแสดงความสัมพันธระหวาง P กับ V ของกาซ 1 โมล ที่อุณหภูมิตาง ๆ กัน

กาซ HeP (atm) V (dm3) PV (dm3 atm)

-100 0C 0 0C 100 0C -100 0C 0 0C 100 0C5

255075

100

2.8510.5790.2960.2010.154

4.4890.9070.4590.3100.236

6.1241.2340.6230.4190.317

14.23514.49314.79715.10615.420

22.44722.68422.98023.27623.573

30.62130.84831.13331.41731.702

กาซ H2

5255075

100

2.8480.5770.2940.1990.153

4.4910.9100.4620.3130.238

6.1321.2390.6270.4230.321

14.24014.43414.70114.99215.309

22.45722.73923.09723.46123.830

30.66230.97331.36331.75232.141

ข. กฎของชารลส (Charles , law)ใชแสดงความสัมพันธระหวางปริมาตรกับอุณหภูมิของกาซ เมื่อความดันและมวลของกาซ

คงที่ในป ค.ศ. 1787 (พ.ศ. 2330) จาคส ชารลส (Jacques Charles) นักวิทยาศาสตรชาว

ฝรั่งเศส ไดทดลองหาความสัมพันธระหวางปริมาตรกับอุณหภูมิของกาซตาง ๆ หลายชนิด เชน H2 , อากาศ , O2 , และ CO2 ในชวงอุณหภูมิ 0 - 80 0 C และพบวาปริมาตรของกาซจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของกาซเพิ่มขึ้น โดยกาซแตละชนิดจะขยายตัวไดเทากัน

ตอมาเกยลูสแซก (Joseph Gay - Lussac) นักวิทยาศาสตรชาวฝรั่งเศสเชนเดียวกัน ไดทําการทดลองในทํานองเดียวกับชารลสแตทําอยางละเอียดมากกวา และพบวาถาความดันของกาซคงที่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 0C จะทําใหปริมาตรของกาซเพิ่มขึ้น 273.15

1 เทาของปริมาตรที่ 0 0C

ถาให V0 = ปริมาตรที่ 0 0C V = ปริมาตรที่ t 0Cเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น t 0C จะไดปริมาตรตามความสัมพันธดังนี้

V = V0 + 273.151 V0T = V0( 1 + 273.15

t )

= V0 273.15 t) (273.15

ถาให T = 273.15 + t T0 = 273.15

จะได V = V0(0T

T ) หรือ TV =

00

TV

เนื่องจากกาซแตละชนิดจะมี 00

TV

คงที่ ดังนั้น TV จึงมีคาคงที่ หรือ T

V = k

แสดงวา V จะแปรผันตาม T คือเมื่อ T เพิ่มขึ้น V จะเพิ่มขึ้น T ลด V จะลดลงดวย ตอมาจึงไดมีผูนําผลการทดลองของนักวิทยาศาสตรทั้งสองมาสรุปเปนกฎ เรียกวากฎของชารลสและเกยลุสแซค หรือเรียกสั้น ๆ วา กฎของชารลส มีใจความสําคัญดังนี้ “เมื่อความดัน

และมวลของกาซคงที่ ปริมาตรของกาซจะแปรผันโดยตรง กับอุณหภูมิเคลวิน” เขียนเปนความสัมพันธทางคณิตศาสตรไดดังนี้

V T (เมื่อความดันและมวลของกาซคงที่)

เพราะฉะนั้น V = kT หรือ TV = k

หรือ 11

TV

= 22

TV

= nn

TV

= …….

เมื่อ k เปนคาคงที่ซึ่งขึ้นอยูกับชนิดของกาซ ความดัน มวล และหนวยของ V และ T

T เปนอุณหภูมิเคลวินในทํานองเดียวกันกับกฎของบอยล กฎของชารลสก็สามารถแสดงพฤติกรรมของกาซดวย

กราฟไดเชนเดียวกัน ซึ่งสามารถเขียนกราฟได 2 แบบดังนี้แบบที่ 1 เมื่อเขียนกราฟ V กับ T จะไดกราฟเสนตรงที่ผานจุดกําเนิด ทั้งนี้พิจารณา

จากสมการ V = kT ซึ่งเปนสมการเสนตรง มีคาความชัน = kลักษณะของกราฟจะมีความชันแตกตางกัน เมื่อใชความดันไมเทากัน กรณีที่ใชกาซชนิด

เดียวกัน แตความดันไมเทากัน กราฟที่ความดันต่ําจะมีความชันมากกวากราฟที่ความดันสูง กรณีที่ใชกาซตางชนิดกันแตใชความดันเทากัน จะไดความชันของกราฟ แตกตางกันเชนเดียวกัน ทั้งนี้ขึ้นอยูกับชนิดของกาซ

กราฟแตละเสนที่ทําการทดลองที่ความดันคงที่เรียกวา “เสนกราฟไอโซบาร (Isobar)” ซึ่งทุก ๆ จุดบนเสนกราฟจะมีความดันเทากัน

ก. กาซชนิดเดียวกัน ( P ไมเทากัน) ข. กาซตางชนิดกัน (P เทากัน)รูปที่ 9 ความสัมพันธระหวางปริมาตรของกาซกับอุณหภูมิเคลวิน

แบบที่ 2 เมื่อเขียนกราฟระหวาง V กับ t (0C) จะไดกราฟเสนตรงซึ่งมีจุดตัดอยูบนแกน V และมีคาความชันตาง ๆ กันตามชนิดของกาซและความดันที่ใช

ก. กาซชนิดเดียวกัน ( P ไมเทากัน) ข. กาซตางชนิดกัน (P เทากัน)รูปที่ 10 ความสัมพันธระหวางปริมาตรของกาซกับอุณหภูมิเซลเซียส

จะเห็นไดวาถึงแมจะใชกาซชนิดเดียวกันและเลือกความดันไมเทากัน คาความชันและจุดตัดของเสนกราฟไอโซบารแตละเสนจะไมเทากัน ในกรณีที่เปนกาซตางชนิดกันคาความชันและจุดตัดก็ไมเทากันเชนเดียวกัน เมื่อตอเสนกราฟทั้ง 2 แบบไปตัดแกนอุณหภูมิจะพบวากาซทุกชนิดและทุกความดันจะไปตัดแกนอุณหภูมิที่เดียวกัน คือ -273.15 0C ซึ่งเปนจุดที่กาซอุดมคติมีปริมาตร เทากับ 0

จากลักษณะของกราฟดังกลาว นักวิทยาศาสตรไดกําหนดใหอุณหภูมิ -273.15 0C เทากับอุณหภูมิ 0 เคลวิน และสรางความสัมพันธระหวางอุณหภูมิเซลเซียสและเคลวินดังนี้

อุณหภูมิเคลวิน = 273.15 + อุณหภูมิเซลเซียส T = 273.15 + t หรือ T = 273 + tเมื่อแทน T = 273 + t ลงในกฎของชารลส V = kT จะได

V = kT = k(273 + t )เพราะฉะนั้น V = kt + 273kซึ่งเปนลักษณะของสมการเสนตรง (y = ax + b) เมื่อเขียนกราฟระหวาง V กับ t จึงได

จุดตัด = 273k และความชัน = k ดังกลาวแลว) ถาเขียนกราฟระหวาง V กับ T และ V กับ t ในรูปเดียวกันจะไดดังนี้

รูปที่ 11 ความสัมพันธระหวางปริมาตรของกาซกับอุณหภูมิ

ที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน หรือ -273.15 0C กาซทุกชนิดจะมีปริมาตรเปนศูนย นั่นคือถาลดอุณหภูมิของกาซใหต่ําลงจนถึง 0 เคลวิน จะไมมีปริมาตรของกาซเหลืออยู อยางไรก็ตามในทางปฏิบัติพบวากาซจะเปลี่ยนสถานะเปนของเหลวจนหมดกอนที่อุณหภูมิจะลดลงถึง 0 เคลวิน ดังนั้นปรากฏการณที่กาซจะมีปริมาตรเปนศูนยที่ 0 เคลวินจึงเปนเพียงการคาดคะเนตามทฤษฎีเทานั้น

รูปที่ 12 การทดลองตามกฎของชารลส

ค. กฎของเกยลุสแซก (Gay - Lussac, s Law)กฎของเกยลุสแซค หรือกฎของอามันตัน (Amanton s law) ใชแสดงความสัมพันธ

ระหวางความดัน (P) กับอุณหภูมิ (T) มีใจความดังนี้“เมื่อปริมาตรและมวลของกาซคงที่ ความดันของกาซจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิเคล

วิน”กลาวคือเมื่อปริมาตรและมวลของกาซคงที่ ถาความดันของกาซเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของกาซ

จะเพิ่มขึ้นดวย และถาความดันลดลงอุณหภูมิของกาซจะลดลง เขียนแสดงความสัมพันธในเชิงคณิตศาสตรไดดังนี้

P T เมื่อปริมาตรและมวลของกาซคงที่เพราะฉะนั้น P = kT หรือ T

P = k

และ 1T

P1 = 2T2P

หรือ 2P1P =

2T1T

ตารางที่ 2 ตัวอยางความสัมพันธระหวาง P กับ T เมื่อใชกาซ He 1 โมล ใสในภาชนะ 22.4 ลิตร

P (atm) 0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5T(K) 136.5 163.8 218.4 173.0 327.6 409.5

เมื่อนําขอมูลที่ไดมาเขียนกราฟระหวาง P กับ T และ P กับ t จะไดดังนี้

รูปที่ 13 ความสัมพันธระหวาง P กับ T และ P กับ t

ง. กฎของอาโวกาโดร (Avogadro, s law)ใชแสดงความสัมพันธระหวางปริมาตรกับจํานวนโมลของกาซ มีใจความดังนี้“เมื่ออุณหภูมิและความดันคงที่ ปริมาตรของกาซจะแปรผันโดยตรงกับปริมาณ (จํานวน

โมล) ของกาซนั้น” ในขณะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ถาจํานวนโมลของกาซเพิ่มขึ้น ปริมาตรของกาซจะเพิ่มขึ้นดวยและถาจํานวนโมลของกาซลดลงปริมาตรของกาซจะลดลงดวย เขียนเปนความสัมพันธทางคณิตศาสตรดังนี้

V n เมื่อความดันและอุณหภูมิคงที่เพราะฉะนั้น V = kn หรือ n

V = kและ

1n1V

= 2n2V

หรือ 2V1V

= 2n1n

ตารางที่ 3 ตัวอยางความสัมพันธระหวาง V กับ n ของ N2 ที่ 1 atm 273 Kn (โมล) 0.1 0.2 0.5 0.8 1.0 2.0V (dm3) 2.24 4.48 11.2 17.92 22.4 44.8

ถานําขอมูลดังกลาวมาเขียนกราฟระหวาง V กับ n จะไดดังนี้

รูปที่ 14 ความสัมพันธระหวาง V กับ n

จ. กฎรวมของกาซ และ สมการภาวะของกาซอุดมคติกฎรวมกาซ เปนการนํากฎของบอยลและกฎของชารลสมารวมกัน เพื่อแสดง

ความสัมพันธระหวาง P , V และ T ของกาซดังนี้จากกฎของบอยล V P

1 เมื่ออุณหภูมิและมวลคงที่จากกฎของชารลส V T เมื่อความดันและมวลคงที่เมื่อรวมกัน V P

T เมื่อมวลคงที่

เพราะฉะนั้น V = k PT หรือ T

PV = k

เมื่อตองการคํานวณเกี่ยวกับการเปลี่ยนภาวะของกาซ จากอุณหภูมิและความดันหนึ่งไปเปนอุณหภูมิและความดันอื่น ๆ ใชความสัมพันธดังนี้

1T1V1P =

2T2V2P

= ……

สมการดังกลาวเรียกวา กฎรวมของกาซในกรณีที่อุณหภูมิคงที่ ใชกฎของบอยลได ในกรณีที่ความดันคงที่ใชกฎของชารลสได

แตถาอุณหภูมิและความดันไมคงที่จะใชกฎของบอยลและกฎของชารลสไมได จะตองใชกฎรวมกาซแทน ดังนั้นกฎรวมกาซจึงสามารถใชคํานวณเกี่ยวกับ P , T และ V ของกาซตาง ๆ ไดโดยไมตองมี P , V หรือ T คงที่ แตตองมีมวล หรือ โมล (n) ของกาซคงที่

ฉ. สมการภาวะของกาซอุดมคติเปนการนํากฎของบอยล กฎของชารลสและกฎของอาโวกาโดรมารวมกัน เพื่อใชหา

ความสัมพันธระหวาง P , V , T และ n ของกาซ

ในกรณีที่ปริมาณของกาซไมคงที่ จะใชกฎรวมของกาซ 1T

1V1P = 2T

2V2P ไมได ตอง

เปลี่ยนมาใชสมการภาวะของกาซอุดมคติซึ่งเขียนเปนความสัมพันธทางคณิตศาสตรไดดังนี้

จากกฎของบอยลและชารลส V PT

จากกฎของอาโวกาโดร V nเมื่อรวมกัน จะได V P

nT

หรือ V = PRnT

หรือ PV = nRTเรียกสมการ PV = nRT นี้วา “สมการภาวะของกาซอุดมคติ” หรือเรียกวากฎของ

กาซอุดมคติ หรือกฎของกาซสมบูรณ ใชคํานวณเกี่ยวกับ P , V , T และ n ของกาซตาง ๆ ทุกชนิด ทุกสภาวะโดยไมตองมีตัวแปรตัวใดตัวหนึ่งคงที่

R เรียกวา คาคงที่สากลของกาซ (Universal constant) หรือเรียกสั้น ๆ วา คาคงที่ของกาซ

R เปนคาคงที่สากลที่ไมไดขึ้นอยูกับชนิดของกาซ ไมขึ้นอยูกับอุณหภูมิ ความดัน หรือปริมาตรและปริมาณของกาซที่ใช แตขึ้นอยูกับหนวยของ P , V , T และ n หมายความวา ไมวาจะใชกาซใดก็ตาม ถาใชหนวยของ P , V , T และ n เหมือนกันจะตองมีคา R เทากัน ในทุก ๆ สภาวะของ P , V , T และ n ที่ใช แตถาใชหนวยของ P , V , T และ n ตางกัน ถึงแมวาจะเปนกาซชนิดเดียวกันที่สภาวะเดียวกันคา R จะแตกตางกัน

เชน R = 0.082 atm . l . K-1. Mol-1 หมายความวา กาซทุกชนิดเชน O2 , H2 , CO2 , ถาใชหนวยของ V เปน l (ลิตร) , P เปน atm , T เปน K , และ n เปน mol จะตองมีคา R = 0.082 เทากัน

การหาคา Rคา R ของกาซใด ๆ คํานวณไดจากความสัมพันธ R = nT

PV

โดยพิจารณาจากกาซ 1 โมล ซึ่งมีปริมาตร 22.414 ลิตรที่ STP ( 00C , 1 atm)เมื่อแทนคา P , V , T และ n ลงในสมการจะไดคา R ดังนี้

R = nTPV = K)(273.15)mol. 1(

l.)22.414 ()atm 1(

= 0.08205 atm . l . K-1. Mol-1

(หรือ R = 0.082 atm . l . K-1. Mol-1 ซึ่งเปนคาโดยประมาณที่นิยมใชกัน)แตถาใชหนวยของ P , V , T และ n เปลี่ยนไป คา R จะเปลี่ยนไป เชน

R = nTPV = K)(273.15)mol. 1(

.)cm22414 ()atm 1( 3

= 82.05 atm . cm3 . K-1. Mol-1

คา R นอกจากจะพิจารณาในเทอมของ P , V , T และ n แลว ยังสามารถพิจารณาในหนวยอื่น ๆ เชน หนวยพลังงานและงาน เปนตน ดังในตารางตอไปนี้

ตารางที่ 4 คาคงที่ของกาซในหนวยตาง ๆ ( T เปนเคลวิน , n เปนโมล)P V R

atmatm

mm.Hg

lcm3

cm3

0.082 l. atm . K-1. Mol-1

82.05 cm3 atm . K-1. Mol-1

62360 cm3 mm.Hg. K-1. Mol-1

R ในหนวย ergs = 8.314 x 107 ergs K-1mol-1

R ในหนวย Joule = 8.314 JK-1mol-1

R ในหนวย calory = 1.987 cal K-1mol-1

หมายเหตุ 1 J = 107 ergs 1 cal = 4.184 J.การคํานวณเกี่ยวกับกฎของกาซอุดมคติสําหรับวิชาเคมีในระดับนี้สวนใหญใชคา R =

0.082 l. atm . K-1. Mol-1

สมการของกาซอุดมคติกับมวลโมเลกุลและความหนาแนนจากการคํานวณเกี่ยวกับโมล

n = MW = 2310x 6.02

N

เมื่อ N = จํานวนโมเลกุล W = มวล M = มวลโมเลกุล n = โมลเมื่อนํามาประยุกตเขากับสมการของกาซอุดมคติ PV = nRT จะสามารถคํานวณเกี่ยวกับ

มวลโมเลกุลและความหนาแนนของกาซ (d) ไดPV = nRT = M

W RT

เพราะฉะนั้น M = PRT

VW . = P

RTd

หรือ d = RTPM

เมื่อ d = VW = ความหนาแนนของกาซ(หนวยเปน g/dm3)

จะเห็นไดวาสมการของกาซอุดมคติ นอกจากจะใชคํานวณเกี่ยวกับ P , V, T และ n ของกาซที่ภาวะตาง ๆ แลว ยังสามารถนํามาคํานวณเกี่ยวกับมวลโมเลกุลและความหนาแนนของกาซได

ถามีขอมูลของ P , V, T และ w (หรือ d) จะหา M ได ในทํานองกลับกันถาทราบ M ก็คํานวณ d ไดเชนเดียวกัน

สําหรับความหนาแนนของกาซ ซึ่งขึ้นอยูกับอุณหภูมิและความดัน ถาเปนกาซชนิดเดียวกัน อาจจะคํานวณความหนาแนนที่ภาวะหนึ่งจากภาวะอื่น ๆ ได โดยพิจารณาในเชิงเปรียบเทียบดังนี้

จาก d = RTPM สําหรับกาซชนิดเดียวกัน M จะเทากัน

ที่ T และ P ตางกัน

จะได d1 = 1RT

1PM และ d2 = 2RT

2PM

1T2P2T1P

2d1d หรือ

2P2T2d

1P1T1d

แตถาเปนกาซตางชนิดที่มี T และ P เทากัน จะได

PRT1d 1M และ

PRT2d 2M

จะได2d1d

1M1M

ดังนั้น เมื่อทราบความหนาแนนของกาซชนิดหนึ่ง จะสามารถหาความหนาแนนของกาซอีกชนิดหนึ่งที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน (ถาอุณหภูมิและความดันตางกันใชสูตรนี้ไมได)

สําหรับการคํานวณเกี่ยวกับจํานวนโมเลกุล (N) ของกาซ เมื่อทราบ P , V , และ T จะทําไดดังนี้

PV = nRT = 2310x 6.02NRT หรือ

N = 2310x 6.02RTPV

ตัวอยางการคํานวณกฎของบอยลตัวอยางที่ 1 กาซ N2 จํานวน 10.0 dm3 ที่ 25 0 C อานคาความดันได 0.40 atm

ก. ถาเพิ่มความดันเปน 2.0 atm จะมีปริมาตรเปนเทาใด ? (สมมติกาซขยายตัวโดยอุณหภูมิไมเปลี่ยนแปลง)

ข. ถาลดปริมาตรของภาชนะใหเหลือ 5.0 dm3 ที่อุณหภูมิ 25 0C เทาเดิมจะวัดความดันไดเทาใด?วิธีทํา เนื่องจากเปนการทดลองที่อุณหภูมิและมวลของกาซคงที่ จึงเปนไปตามกฎของบอยล

ก. จาก P1V1 = P2V2

P1 = 0.40 atm V1 = 10.0 dm3

P2 = 2.0 atm V2 = ?แทนคาในสูตร จะได 0.40 x 10.0 = 2.0 x V2

V2 = 2.0 dm3 ตอบข. ในทํานองเดียวกันกับขอ ก.

P1 = 0.40 atm V1 = 10.0 dm3

P2 = ? atm V2 = 5.0 dm3

แทนคาในสูตร จะได 0.40 x 10.0 = 5.0 x P2

P2 = 0.8 atm ตอบตัวอยางที่ 2 กาซออกซิเจน จํานวนหนึ่งบรรจุในถังปดที่ปรับขนาดได จากการทดลองพบวาที่ 30 0C วัดความดันได 380 mm.Hg ในปริมาตร 500 cm3

ก. ถาตองการใหความดันเพิ่มขึ้นอีกเทาตัว จะตองลดปริมาตรลงกี่ cm3

ข. ถาขยายปริมาตรใหเพิ่มขึ้น 100 cm3 ความดันจะลดลงกี่ mm.Hg

วิธีทํา โจทยไมกําหนดวาอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ดังนั้นถือวาอุณหภูมิคงที่ ใชกฎของบอยลคํานวณสิ่งที่ตองการได ก. จาก P1V1 = P2V2

P1 = 380 mm.Hg V1 = 500 cm3

P2 = 380 + 380 = 760 mm.Hg V2 = ? cm3

แทนคาในสูตร จะได 380 x 500 = 760 x V2

V2 = 250 cm3

ปริมาตรจะลดลง = 500 - 250 = 250 cm3 ตอบข. ปริมาตรเพิ่ม 100 cm3

P1 = 380 mm.Hg V1 = 500 cm3

P2 = ? mm.Hg V2 = 500 + 100 cm3

แทนคาในสูตร จะได 380 x 500 = P2 x 600 P2 = 316.7 mm.Hg

ความดันจะลดลง = 380 - 316.7 = 63.3 mm.Hg ตอบตัวอยางที่ 3 กาซ He จํานวนหนึ่งอยูในถังปดที่ 20 0C วัดความดันได 400 mmHg. ถานํากาซ He ทั้งหมดมาใสในถังอีกใบหนึ่งขนาด 20 dm3ปรากฏวาเหลือ 150 mmHg. ถังที่บรรจุกาซในตอนแรกมีปริมาตรเทาใด วิธีทํา จากกฎของบอยล P1V1 = P2V2

P1 = 400 mm.Hg V1 = ? dm3

P2 = 150 mm.Hg V2 = 20 dm3

แทนคาในสูตร จะได 400 x V1 = 150 x 20 V1 = 7.5 dm3

ปริมาตรในตอนแรกเทากับ 7.5 ลิตร ตอบ

ตัวอยางกฎของชารลสและเกยลุสแซกตัวอยางที่ 4. กาซออกซิเจนจํานวนหนึ่งวัดปริมาตรได 200 cm3

ที่ 27 0C ความดัน 700 mmHg ก. ถาทําใหอุณหภูมิเปน 40 0C จะมีปริมาตรเทาใด (ความดันคงที่)ข. ถาตองการใหเหลือปริมาตรเพียง 120 cm3 ที่ 700 mmHg จะตองทําที่อุณหภูมิเทาใด ?

วิธีทํา เนื่องจากความดันคงที่จึง เปนไปตามกฎของชารลส 11

TV

= 22

TV

ก. V1 = 200 cm3 V2 = ? cm3

T1 = 273 + 27 = 300 K T2 = 273 + 40 = 313 Kแทนคาในสูตร จะได

300200 = 313

V2

V2 = 208.7 cm3 ตอบข. V1 = 200 cm3 V2 = 120 cm3

T1 = 273 + 27 = 300 K T2 = ? K

แทนคาในสูตร จะได

300200 =

2T120

T2 = 180 Kตองทําที่อุณหภูมิ 180 K หรือ -93 0C ตอบ

ตัวอยางที่ 5 กาซไนโตรเจน 2.5 ลิตรที่ 1 atm 30 0Cก. ถาเพิ่มอุณหภูมิ 10 0C ปริมาตรจะเพิ่มกี่ลิตรข. ถาตองการใหปริมาตรลดลง 300 cm3 จะตองลดอุณหภูมิกี่ 0C (กําหนดใหการทดลอง

ทั้ง 2 กรณี ทําที่ความดันคงที่ )

วิธีทํา เพราะวาความดันคงที่ จึงเปนไปตามกฎของชารลส 11

TV

= 22

TV

ก. เพิ่มอุณหภูมิ 10 0C V1 = 2.5 dm3 V2 = ? dm3

T1 = 273 + 30 = 303 K T2 = 273 + (30 + 10 ) = 313 Kแทนคาในสูตร จะได

3032.5 = 313

2V

V2 = 2.583 dm3 ตอบ

ข. ปริมาตรลดลง 300 cm3 = 0.300 dm3

V1 = 2.5 dm3 V2 = 2.5 - 0.300 dm3

T1 = 273 + 30 = 303 K T2 = ? Kแทนคาในสูตร จะได

3032.5 =

2T2.200

T2 = 266.6 Kตองทําที่อุณหภูมิ 266.6 K หรือเทากับ 266.6 - 273 = -6.4 0Cเพราะฉะนั้นตองลดอุณหภูมิลง 30 - (-6.4) = 36.4 0C ตอบ

ตัวอยางที่ 6 เมื่อนําของเหลว A 5 กรัมมาทําใหเปนไอทั้งหมดที่ 40 0C ความดัน 380 mmHg ในถังพลาสติกซึ่งไมมีการขยายตัวขนาด 10 dm3 ถาตองการใหความดันลดลง 100 mmHg จะตองทําที่อุณหภูมิเทาใด ?

วิธีทํา เนื่องจากปริมาตรคงที่ จึงใชสมการ 1T

P1 = 2T2P

P1 = 380 mmHg T1 = 273 + 40 = 313 KP2 = 380 - 100 = 280 mmHg T2 = ? K

แทนคาลงในสมการ จะได

313380 =

2T280

T2 = 230.6 Kตองทําที่อุณหภูมิ 230.6 เคลวิน หรือ -42.4 องศาเซลเซียส ตอบ

ตัวอยางกฎรวมของกาซตัวอยางที่ 7.กาซออกซิเจนจํานวนหนึ่งที่ 27 องศาเซลเซียส บรรจุอยูในถังขนาด 1.5 ลิตร วัดความดันได 0.8 atm ถานําออกซิเจนทั้งหมดนี้ใสในถังอีกใบหนึ่งขนาด 2.5 ลิตร ที่ 0 0C จะอานความดันไดเทาใด ?

วิธีทํา จากกฎรวมกาซ 1T

1V1P = 2T

2V2P

P1 = 0.8 atm V1 = 1.5 dm3 T1 = 273 + 27 = 300 KP2 = ? atm V2 = 2.5 dm3 T2 = 273 K

แทนคาในสมการจะไดวา 2732.5x 2P

3001.5x 0.8 P2 = 0.427 atm ตอบ

ตัวอยางที่ 8 กาซเฉื่อย Ne 800 cm3 ที่ STPก. มีปริมาตรกี่ลิตรที่ 30 0C 152 mmHgข. ถานําทั้งหมดไปบรรจุในถังขนาด 500 cm3 ความดัน 2 atm จะอานอุณหภูมิไดกี่องศา

เซลเซียสวิธีทํา ที่ STP คือ 0 องศาเซลเซียส 1 atm

ใชกฎของกาซ คือ 1T

1V1P = 2T

2V2P

ก. P1 = 760 mmHg V1 = 800 cm3 T1 = 273 KP2 = 152 mmHg V2 = ? dm3 T2 = 273 +30 = 303 K

แทนคาในสมการจะไดวา 3032x V 152

2730.8x 760

V2 = 4.44 dm3

เพราะฉะนั้น จะมีปริมาตร 4.44 ลิตร ที่ 30 0C 152 mmHgตอบข. P1 = 1 atm V1 = 800 cm3 T1 = 273 K

P2 = 2 atm V2 = 500 cm3 T2 = ? Kแทนคาในสมการจะไดวา

2T500x 2 273

800x 1

T2 = 341.3 Kเพราะฉะนั้นอานอุณหภูมิได 341.3 Kตอบ

ตัวอยางที่ 9 กาซ CO2 จํานวนหนึ่งที่ 30 องศาเซลเซียส 0.5 atm วัดปริมาตรได 10.0 ลิตรก. กาซ CO2 จํานวนนี้หนักกี่กรัมข. กาซ CO2 จํานวนนี้มีกี่โมเลกุล

วิธีทํา เนื่องจากโจทยถามเกี่ยวกับปริมาณของกาซ จึงเลือกใชสูตร PV = nRTก. จาก PV = nRT = M

W RTP = 0.5 atm V = 10.0 dm3

w = ? g M = มวลโมเลกุล = 44R = 0.082 dm3 atm K-1 mol-1 T = 273 +30 303 K

แทนคาในสมการจะได 0.5 x 10.0 = 44W x 0.082 x 303

w = 8.85 gเพราะฉะนั้นจะมีกาซ CO2 8.85 กรัม ตอบ

ข. จาก PV = 2310x 6.02NRT

N = จํานวนโมเลกุล 0.5x 10.0 = 2310x 6.02

303x 0.082x N

N = 1.21 x 1023 โมเลกุลเพราะฉะนั้นจะมีกาซ CO2 1.21 x 1023 โมเลกุล ตอบ

4. การแพรของกาซจากการศึกษาสมบัติตางๆ ของกาซที่ผานมาจะพบวาเกี่ยวของกับอุณหภูมิ ความดันและ

ปริมาตร แตไมเกี่ยวของกับมวลของกาซ ในที่นี้จะไดศึกษาสมบัติอีกอยางหนึ่งของกาซคือการแพร เนื่องจากโมเลกุลของกาซมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาดวยอัตราเร็วเฉลี่ยคงที่ ขณะที่เคลื่อนที่อาจจะชนกันเองบางชนกับโมเลกุลของอากาศที่กาซนั้นเคลื่อนที่ผานหรือชนกับผนังภาชนะบางจึงทําใหทิศทางการเคลื่อนที่ไมแนนอน ลักษณะของการเคลื่อนที่ดังกลาวของกาซที่เกิดขึ้นในทุกทิศทางก็คือการแพรนั่นเอง

การแพรของกาซแบงออกเปน 2 ประเภทตามลักษณะของการเคลื่อนที่ก. การแพร (diffusion) เปนกระบวนการที่กาซ แพรจากสวนที่มีความดันสูง ไปสูที่มี

ความดันต่ํา โดยที่โมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่อยางเปนกลุมกอนผานชองเล็ก ๆ ในขณะที่เคลื่อนที่อาจจะมีการชนกันเองบาง ชนกับผนังภาชนะบาง ลักษณะการแพรดังกลาวนี้จัดวาเปนการแพรที่เกิดขึ้นตามความเปนจริง

ข. การแพรผาน (effusion) เปนกระบวนการที่กาซแพรจากสวนที่มีความดันสูง ไปสูสวนที่มีความดันต่ํา โดยที่โมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่ผานชองเล็ก ๆ ทีละโมเลกุลไมมีการชนกันเองระหวางโมเลกุลที่กําลังเคลื่อนที่ และไมมีการชนกับผนังภาชนะ ลักษณะการแพรดังกลาวนี้จึงเปนเพียงการแพรตามทฤษฎี (ideal flow) ไมไดเกิดขึ้นจริง

เนื่องจากการแพรและการแพรผานมีความหมายใกลเคียงกัน ดังนั้นจะใชการแพรแทนทั้งการแพรผานและการแพร เครื่องมือที่ใชวัดอัตราการแพรของกาซเรียกวา effusionmeter

การแพรเปนปรากฏการณตามธรรมชาติของกาซหรือไอที่แพรกระจายออกไปจากภาชนะที่บรรจุซึ่งจะพบไดเสมอ ๆ ในชีวิตประจําวัน ตัวอยางเชน การแพรของสารที่มีกลิ่นหอม เชน น้ําหอม อาหาร หรือกลิ่นบูด เนาของอาหาร ของของเสียตาง ๆ เปนตน โมเลกุลของสารตาง ๆ เหลานั้น จะแพรผานอากาศมากระทบกับจมูก ในบางกรณีจะตองอยูใกล ๆ กับสารเหลานั้นจึงจะไดกลิ่น แตบางกรณีถึงแมจะอยูไกลออกไปยังคงไดกลิ่นของสารนั้น ๆ บางครั้งเมื่อเปดขวดน้ําหอมจะไดกลิ่นน้ําหอมภายในเวลาไมกี่วินาที แตบางครั้งก็อาจจะใชเวลานาน ๆ จึงจะไดกลิ่น การที่เปน

เชนนั้น เนื่องจากสารที่มีกลิ่นเหลานั้น มีมวลโมเลกุลหรือความหนาแนนไมเทากัน ทําใหความสามารถในการแพรไมเทากัน

กฎการแพรของเกรแฮม (Graham , s law of diffusion)นักวิทยาศาสตรชาวสกอต ชื่อโทมัส เกรแฮม (Thomas Graham) ไดเสนอผลงานที่ไดจาก

การศึกษาเกี่ยวกับอัตราการแพรของกาซชนิดตาง ๆ และพบวาการแพรเปนสมบัติประจําตัวของกาซ กาซชนิดตางกันสวนใหญจะมีอัตราการแพรไมเทากัน โดยที่อัตราการแพรของกาซมีสวนสัมพันธกับมวลโมเลกุล กาซที่มีมวลโมเลกุลมากจะแพรไดชากวากาซที่มีมวลโมเลกุลนอย และเนื่องจากมวลโมเลกุลของกาซแปรผันโดยตรงกับความหนาแนน ดังนั้นการแพรของกาซจึงมีสวนสัมพันธกับความหนาแนนดวย คือกาซที่มีความหนาแนนมากกวาจะแพรไดชากวากาซที่มีความหนาแนนนอย ภายหลังไดนํามาสรุปเปนกฎเรียกวากฎการแพรของเกรแฮม ดังนี้

“ ภายใตอุณหภูมิและความดันเดียวกัน อัตราการแพรของกาซใด ๆ จะเปนสัดสวนผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุล หรือความหนาแนนของกาซ”

ถาให V = อัตราการแพรของกาซ d = ความหนาแนนของกาซM = มวลโมเลกุลของกาซ

จะสามารถเขียนกฎของเกรแฮมไดดังนี้

M1 V และ d

1 V

หรือ Mk V และ d

k V/

เมื่อ k , k/ เปนคาคงที่โดยทั่ว ๆ ไปไมนิยมหาอัตราการแพรสัมบูรณ (absolute) ของกาซเพราะมีความยุงยากมาก

ในทางปฏิบัติทําในลักษณะของการเปรียบเทียบระหวางกาซชนิดตาง ๆ 2 ชนิด

จาก Mk V

จะได, กาซชนิดที่ 1 1M

k 1V

กาซชนิดที่ 2 2M

k 2V

ดังนั้น 1M2M

2V1V

เมื่อทราบอัตราการแพรของกาซชนิดหนึ่งจะสามารถหาอัตราการแพรของกาซอีกชนิดหนึ่งได ในเทอมของความหนาแนน จะพิจารณาอัตราการแพรในเชิงการเปรียบเทียบไดในทํานองเดียวกัน

1d2d

2V1V

เมื่อนํามารวมกันจะได

1M2M

2V1V

1d2d

รวมทั้งไดความสัมพันธระหวางมวลโมเลกุลและความหนาแนนของกาซ คือ d M (ภายใตอุณหภูมิและความดันเดียวกัน มวลโมเลกุลของกาซจะแปรผันโดยตรงกับความหนาแนนของกาซ กาซที่มีมวลโมเลกุลมาก จะมีความหนาแนนมาก)

ในกรณีที่ตองการพิจารณาอัตราการแพรของกาซในเทอมของระยะและเวลาใหแทนอัตราการแพร

(t)เวลา(s)ระยะทาง V ลงในสูตรดังกลาวซึ่งจะไดความสัมพันธทั่ว ๆ ไป

ดังนี้

1M2M

2s2t .

1t1s

2V1V

1d2d

ในกรณีที่การแพรของกาซมีระยะทางเทากัน ( s1 = s2 ) จะได

1M2M

1t2t

2V1V

1d2d

ในกรณีที่การแพรของกาซมีระยะทางเทากัน ( s1 = s2 ) จะได

1M2M

2s1s

2V1V

1d2d

กฎการแพรของกาซนอกจากจะใชคํานวณเกี่ยวกับอัตราการแพรของกาซแลว ยังสามารถใชคํานวณมวลโมเลกุลหรือความหนาแนนของกาซไดดวย โดยการคํานวณเปรียบเทียบกับกาซที่ทราบมวลโมเลกุลหรือความหนาแนน นอกจากนี้ยังสามารถใชหลักการแพรของกาซผสมที่มีมวลโมเลกุลตางกันมาก ๆ ออกจากกันไดดวย เชนเมื่อ ตองการแยกกาซผสมระหวาง CH4 กับ CO2 จะทําไดโดยนํากาซผสมไหแพรผานผนังที่มีรูพรุนไปสูสูญญากาศ กาซ CH4 มีมวลโมเลกุลนอยกวา CO2 จะมีอัตราการแพรเร็วกวาดังนั้นในการแพรในชวงแรก ๆ จะไดกาซสวนใหญเปน CH4

ตัวอยางการคํานวณเกี่ยวกับกฎการแพรของกาซตัวอยางที่ 1 จงเรียงลําดับอัตราการแพรของกาซใดตอไปนี้จากเร็วไปหาชาตามลําดับ

Ne, N2 , NO , O2 , Ar

วิธีทํา จากกฎการแพรของเกรแฮม “อัตราการแพรของกาซจะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุลแสดงวากาซยิ่งมีมวลโมเลกุลมากจะยิ่งมีอัตราการแพรชาลง

มวลโมเลกุลของ Ne = 20 , N2 = 28 , NO = 30, O2 = 32 , Ar = 39เรียงลําดับมวลโมเลกุลไดดังนี้ Ne < N2 < NO < O2 < Arเพราะฉะนั้นอัตราการแพรจะชาลงดังนี้ Ne > N2 > NO > O2 > Ar

ตัวอยางที่ 2 ถากาซ X มีมวลโมเลกุลเทากับ 81 เคลื่อนที่ในภาชนะหนึ่งไดระยะทาง 30 เซนติเมตรในเวลา 2 วินาที กาซ Y มีมวลโมเลกุลเทากับ 25 จะเคลื่อนที่ไดในระยะทางกี่เซนติเมตรในเวลา 4 วินาทีวิธีทํา เนื่องจากโจทยกําหนดเกี่ยวกับระยะทางและมวลโมเลกุลจึงเลือกใชสูตร

1M2M

2s2t .

1t1s

2V1V

s1 = ระยะทางที่ X เคลื่อนที่ 30 cm s2 = ระยะทางที่ Y เคลื่อนที่ ? cmt1 = เวลาที่ X เคลื่อนที่ 2 วินาที t2 = เวลาที่ Y เคลื่อนที่ 4 วินาทีM1 = มวลโมเลกุลของ X = 81 M2 = มวลโมเลกุลของ Y = 25

เพราะฉะนั้นจะได 8125

2s4x 2

30

s2 = 108 cmเพราะฉะนั้นกาซ Y เคลื่อนที่ได 108 เซนติเมตร

ตัวอยางที่ 3 ที่ 25 องศาเซลเซียส 1 atm กาซ A มีความหนาแนนเปน 3 เทาของกาซ B ถากาซ A แพรได 50 cm ในเวลา 20 วินาที

ก. กาซ B จะแพรไดเร็วกี่ cm/วินาทีข. ถาตองการใหกาซ B แพรไดเร็ว 80 cm จะตองใชเวลากี่วินาที

วิธีทํา ก. จาก AdBd

BVAV

วินาที 20cm 50

AtAS

AV = 2.5 cm/วินาที

13

AdBd

หรือ 31

BdAd

เพราะฉะนั้นแทนคาในสูตรจะได

31

BV2.5

VB = 4.33 cm/วินาที

ข. จาก 1d2d

BsBt .

AtAs

BVAV

SA = 50 cm SB = 80 cmtA = 20 วินาที tB = ?

เพราะฉะนั้นแทนคาในสูตรจะได

31 80

Btx 2050

tB = 18.5 วินาที

5. ทฤษฎีจลนของกาซ (The kinetic theory of gases)ทฤษฎีจลนของกาซ ใชอธิบายเกี่ยวกับลักษณะและพฤติกรรมของกาซ มีใจความสําคัญ

ดังนี้1. กาซประกอบดวยอนุภาคเล็ก ๆ เรียกวา “โมเลกุล"2. โมเลกุลของกาซเปนโมเลกุลอิสระมีขนาดเล็กมาก อยูหางกันและไมมีแรงกระทําตอกัน3. โมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่อยางเปนอิสระเปนเสนตรงตลอดเวลา และเคลื่อนที่อยางไม

เปนระเบียบในทุกทิศทาง (random movement) ดวยความเร็วเฉลี่ยคงที่ (แตละโมเลกุลจะมีความเร็วไมเทากัน) จนกวาจะชนกันเองหรือภาชนะที่บรรจุ จึงจะเปลี่ยนทิศทางและอาจเปลี่ยนความเร็วดวย

4. โมเลกุลของกาซชนกันเองหรือชนกับภาชนะแบบยืดหยุนสมบูรณ (perfect elastic) คือเมื่อชนกันแลวไมมีการสูญเสียพลังงานจลนรวม ไมมีการเปลี่ยนแปลงเปนพลังงานรูปอื่น แตมีการถายเทพลังงานจลนระหวางโมเลกุลได

5. เมื่ออุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของกาซชนิดหนึ่ง ๆ จะคงที่6. ที่ความดันต่ํา ๆ และที่อุณหภูมิสูง ๆ ปริมาตรของกาซมีคานอยมากจัดไดวากาซไมมี

ปริมาตรโมเลกุล7. ความดันของกาซเกิดจากการที่โมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ไปชนกับภาชนะที่บรรจุกาซนั้น

ถาความถี่ของการชนสูงกาซจะมีความดันมาก

8. โมเลกุลของกาซจะมีพลังงานจลนคาหนึ่งซึ่งเทากับ 2

1 mv2 เมื่อ m คือมวลของกาซ

แตละโมเลกุล v คือความเร็วของงการเคลื่อนที่9. ที่อุณหภูมิเดียวกัน กาซทุกชนิดจะมีพลังงานจลนเฉลี่ยเทากัน พลังงานจลนเฉลี่ยของ

กาซจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิเคลวิน คือเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลนเฉลี่ยของกาซจะเพิ่มขึ้น และเมื่ออุณหภูมิลดลงพลังงานจลนเฉลี่ยของกาซจะลดลง

เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิคงที่ พลังงานจลนเฉลี่ยจะคงที่ ดังนั้น ความเร็วเฉลี่ยของงกาซจะคงที่ดวย

พลังงานจลนเฉลี่ย อุณหภูมิเคลวิน E T

E = kTถา T1 = T2 และ E1 = E2

2

1 m1v12 =

2

1 m2v22

จะได 2M1M

2m1m

2V1V

เมื่อ k = คาคงที่ v = ความเร็วเฉลี่ย M = มวลโมเลกุล

กาซที่มีสมบัติครบถวนตามทฤษฎีจลนเรียกวา กาซสมบูรณ หรือกาซอุดมคติ ในธรรมชาติจะไมมีกาซดังกลาวนี้ เพราะกาซทุกชนิดจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุล มีปริมาตรโมเลกุล เรียกกาซที่ไมเปนไปตามทฤษฎีจลนวากาซจริง แตกาซจริงอาจจะมีสมบัติใกลเคียงกับกาซสมบูรณหรืออาจจะพิจารณาวาเปนกาซสมบูรณไดบางสภาวะ คือที่อุณหภูมิสูง ๆ และความดันต่ํา ๆ โดยเฉพาะพวกกาซเฉื่อย เชน He Ne Ar เปนตน แมวาจะใชอุณหภูมิหอง ความดัน 1 บรรยากาศ ก็มีสมบัติใกลเคียงกับกาซสมบูรณ

ทฤษฎีจลนกับสมบัติตาง ๆ ของกาซทฤษฎีจลนของกาซใชอธิบายสมบัติตาง ๆ ของกาซเกี่ยวกับอุณหภูมิ ความดันและปริมาตร

ไดดังนี้ก. ปริมาตรของกาซ เนื่องจากทฤษฎีจลนกลาวไววา กาซไมมีปริมาตรโมเลกุล ดังนั้น

ปริมาตรของกาซ ก็คือปริมาตรของภาชนะที่บรรจุกาซนั่นเอง ทําใหกาซมีปริมาตรไมแนนอน เปลี่ยนแปลงไปตามขนาดของภาชนะ

เนื่องจากโมเลกุลของกาซมีขนาดเล็กมาก อยูหางกันและมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอยมากจนถือไดวาไมมีเลย ดังนั้นเมื่อบรรจุกาซไวในภาชนะใดก็ตามโมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งภาชนะไดอยางอิสระจนถือไดวาโมเลกุลของกาซอยูเต็มภาชนะเสมอ กาซจึงมีปริมาตรไมแนนอนขึ้นอยูกับปริมาตรของภาชนะ

ข. ความดันของกาซ ทฤษฎีจลนกลาววา ความดันของกาซเกิดจากโมเลกุลของกาซชนกับผนังภาชนะ ทําใหทราบวาความดันของกาซเกิดขึ้นไดอยางไร

เนื่องจากโมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ตลอดเวลาอางอิสระโดยมีทิศทางไมแนนอน จึงอาจจะชนกันเองบาง ชนกับผนังภาชนะบาง การชนกันเองของโมเลกุลของกาซจะไมเกิดความดัน แตการที่โมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ชนผนังของภาชนะทําใหเกิดแรงดัน ผลรวมของแรงดันทั้งหมด ที่มีตอหนึ่งหนวยพื้นที่ ก็คือความดันของกาซนั่นเอง

โดยอาศัยทฤษฎีจลน จะหาความดันของกาซที่เกิดจากการชนกับผนังของภาชนะไดดังนี้

2Nmv

31 P V หรือ

2Nmv31 PV

เมื่อ P = ความดันของกาซ N = จํานวนโมเลกุลm = มวลของกาซ 1 โมเลกุล v = ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลV = ปริมาตรของภาชนะ

ความสัมพันธระหวางพลังงานจลนกับอุณหภูมิ

จากทฤษฎีจลน 2Nmv

31 PV )2mv2

1(N32

NE32

จากกฎรวมของกาซ PV = nRT = 2310x 6.02NRT

เพราะฉะนั้น NE3

2 2310x 6.02NRT

2310x 6.02RTx 2

3 E

kT23 J. molecule-1

2310x 6.02R = k เรียกวา Boltmann, s constant

ถาพิจาณากาซ 1 โมล E RT23

จะเห็นไดวาพลังงานจลนแปรผันตามอุณหภูมิเคลวิน

ทฤษฎีจลนกับกฏของบอยลจากกฎของบอยลที่วาเมื่ออุณหภูมิคงที่ ความดันของกาซจะแปรผกผันกับปริมาตรของ

กาซ คือถาเพิ่มปริมาตรของกาซจะทําใหความดันลดลงและ ถาเพิ่มปริมาตรของกาซจะทําใหความดันเพิ่มขึ้น อธิบายไดโดยใชทฤษฎีจลนของกาซดังนี้

ในขณะที่อุณหภูมิคงที่ โมเลกุลของกาซชนิดเดียวกันจะเคลื่อนที่ดวยความเร็วเฉลี่ยคงที่ เมื่อทําใหปริมาตรของกาซลดลงโดยที่จํานวนโมเลกุลเทาเดิม โมเลกุลที่อยูในภาชนะจะอัดกันแนน

มากขึ้น และมีโอกาสชนกับผนังบอยครั้งขึ้น หรือมีความดันเพิ่มขึ้นนั่นเอง และเมื่อทําใหปริมาตรเพิ่มขึ้นจะกอใหเกิดที่วางมากขึ้น เปนผลทําใหโมเลกุลชนกับผนังภาชนะนอยลง ซึ่งความดันจะลดลง

ทฤษฎีจลนกับกฎของชารลสจากกฎของชารลสที่วาเมื่ออุณหภูมิคงที่ ปริมาตรของกาซจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

คือกาซจะมีปริมาตรเพิ่มมากขึ้นเมื่อไดรับความรอน และมีปริมาตรลดลงเมื่อไดรับความเย็น อธิบายโดยใชทฤษฎีจลนดังนี้

เมื่ออุณหภูมิของกาซเพิ่มขึ้นจะทําใหความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของกาซเพิ่มขึ้น โมเลกุลจึงชนกับผนังของภาชนะไดบอยและแรงขึ้น ทําใหความดันภายในภาชนะเพิ่มขึ้น เมื่อความดันเพิ่มจนมากกวาความดันภายนอก กาซในระบบจะขยายตัวออกเพื่อรักษาความดันใหคงที่ (ความดันภายในเทากับความดันภายนอก) ปริมาตรของกาซจึงพิ่มขึ้น ในทํานองเดียวกันเมื่อลดอุณหภูมิ โมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่ชาลงทําใหอัตราการชนผนังภาชนะลดลง ความดันของระบบจึงลดลง ดังนั้นกาซในระบบจึงหดตัวลงเพื่อจะทําใหความดันคงที่ ปริมาตรของกาซจึงลดลง

***********************************************************************************

ใบความรู เรื่อง เทคโนโลยีเกี่ยวกับของแข็ง ของเหลว และกาซ *****************************************************

จากการศึกษาสมบัติของกาซ ของเหลวและของแข็ง จะพบวาสมบัติตาง ๆ หลายประการที่สามารถนํามาประยุกตใชประโยชนไดในชีวิติประจําวันหรือในกระบวนการอุตสาหกรรม เชน การทําน้ําแข็งแหง ซึ่งใชประโยชนเกี่ยวกับอุตสาหกรรมที่เกี่ยวของกับความเย็น เชน การแชแข็งปลา การทําไนโตรเจนเหลว ซึ่งใชประโยชนในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวของกับความเย็นเชนเดียวกัน เชน การแชแข็งอาหาร เปนตน

1. การทําน้ําแข็งแหงน้ําแข็งแหง (dry ice) คือ คารบอนไดออกไซด (CO2) ที่อยูในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิ

ประมาณ -79 0C กระบวนการทําน้ําแข็งแหงพิจารณาไดจากแผนภาพตอไปนี้

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงกระบวนการทําน้ําแข็งแหงเริ่มตนนํากาซคารบอนไดออกไซดมาทําใหเปนของเหลวกอน โดยกระบวนการ

Liquefaction คือนํากาซดังกลาวมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ หลังจากไดคารบอนไดออกไซดเหลวแลว จึงนํามาทําใหแหงและทําใหบริสุทธิ์ดวยวิธีการที่เหมาะสม จากนั้นจึงนํามาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิอีกครั้ง จนไดความดันประมาณ 18 atm และอุณหภูมิประมาณ -25 0C จึงอัดคารบอนไดออกไซดเหลวนั้นผานรูพรุน จะไดคารบอนไดออกไซดแข็ง หรือน้ําแข็งแหงที่มีลักษณะคลายเกล็ดน้ําแข็งซึ่งสามารถนําไปอัดเปนกอนได

นําแข็งแหงมีอุณหภูมิต่ํามาก สามารถระเหิดกลายเปนไอไดโดยตรง จึงนํามาใชประโยชนในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวของกับความเย็น หรือที่ตองการอุณหภูมิต่ํา ๆ เชน การแชแข็งสัตวน้ํา การทําไอศครีม การรักษาผักและผลไมใหสด เปนตน

2.การทําไนโตรเจนเหลวไนโตรเจนเปนกาซที่ไมมีสี ไมมีกลิ่นและไมมีรส ไมวองไวตอการเกิดปฏิกิริยา มีจุดเดือด

ประมาณ -196 0C มีจุดหลอมเหลวประมาณ -210 0C ละลายน้ําไดเล็กนอย เบากวาอากาศการทําไนโตรเจนเหลว ใชวิธีเตรียมจากอากาศ (อากาศมีกาซไนโตรเจนประมาณ 79 %

และกาซออกซิเจนประมาณ 20 % โดยปริมาตร) ผานกระบวนการ Liquefaction โดยการเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิจากนั้นจึงแยกออกซิเจนออก จะไดไนโตรเจนเหลว

กระบวนการทําไนโตรเจน พิจารณาไดจากแผนภาพตอไปนี้

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงกระบวนการทําไนโตรเจนเหลวเริ่มตนดูดอากาศเขาเครื่องอัดอากาศผานลงในสารละลาย NaOH เพื่อกําจัด CO2 (g)

CO2 (g) + 2 NaOH Na2CO3 + H2Oจากนั้นจึงผานอากาศที่กําจัด CO2 (g) แลว เขาไปในเครื่องกรองน้ํามันเพื่อแยกน้ํามันออก

พรอมกับทําใหแหงดวยสารดุดความชื้น คือ อะลูมินา (AL2O3) จะไดอากาศแหงซึ่งมีกาซไนโตรเจน และออกซิเจน เปนสวนใหญ เมื่อลดอุณหภูมิลงจนถึงประมาณ -183 0C กาซ ออกซิเจน จะกลายเปนของเหลวออกมากอน แลเมื่อลดอุณหภูมิตอไปอีกจนถึงประมาณ -1960C กาซไนโตรเจนจะกลายเปนของเหลวแยกตัวออกมา โดยมีกาซไฮโดรเจนและกาซเฉื่อยเหลืออยู ซึ่งสามารถนําไปใชประโยชนไดเชนเดียวกัน

ไนโตรเจนเปนธาตุอาหารของพืช จึงนําไปใชในการทําปุย เชน ปุยยูเรีย (H2NCONH2) และปุย (NH4)2SO4 เปนตน สําหรับไนโตรเจนเหลวมีอุณหภูมิต่ํามากจึงนําไปใชประโยชนในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวของกับการทําความเย็น เชนการแชแข็งแาหารตาง ๆ ในโรงงานหรือใน

รถบรรทุกขณะขนสง รวมทั้งใชมากในทางการแพทย เชน การแชแข็งเลือด แชแข็งเซลลไขกระดูก หรือสวนตาง ๆ ของรางกาย เพื่อใหเก็บรักษาไดนาน