แกส

แกส

สมบตของแกส

1. มแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอย

2. แพรกระจายเตมภาชนะ รปรางขนอยกบภาชนะบรรจ

3. ไหลได

4. บบอดไดงาย

แกสแบงออกเปน 2 ประเภท คอ

แกสสมบรณ (Ideal gas) หรอแกสอดมคต หมายถง แกสทมสมบตเปนไปตามกฎตางๆ ของ

แกส ไมวาทภาวะใดๆ กตาม

แกสจรง (real gas) หมายถง แกสทมอยในธรรมชาตทวๆ ไป ซงจะไมเปนไปตามกฎตางๆ ของแกส

โดยเฉพาะทความดนสงอณหภมต า

ทฤษฎจลนของแกส

1. แกสประกอบดวยอนภาคทมขนาดเลกมาก จนถอวาอนภาคแกสไมมปรมาตรเมอเทยบ

กบขนาดภาชนะทบรรจ

2. โมเลกลของแกสอยหางกน ท าใหแรงดดและแรงผลกระหวางโมเลกลนอยมาก จนถอ

ไดวาไมมแรงกระท าตอกน

3. โมเลกลของแกสเคลอนอยางรวดเรวเปนแนวเสนตรง เปนอสระดวยอตราเรวคงทและ

เปนระเบยบจนกระทงชนกบโมเลกลอนหรอชนกบผนงภาชนะจงจะเปลยนทศทางและอตราเรว

4. โมเลกลของแกสทชนกนเองหรอชนกบผนงภาชนะ จะเกดการถายโอนพลงงานแกกน

ไดแตพลงงานรวมของระบบทมคาคงท

5. ณ อณหภมเดยวกน โมเลกลของแกสแตละโมเลกลเคลอนทดวยอตราเรวไมเทากน แต

จะมพลงงานจลนเฉลยเทากน โดยทพลงงานจลนเฉลยของแกสจะแปรผนตรงกบองศาเคลวน

แกสทมสมบตครบถวนตามทฤษฎจลนเรยกวา แกสสมบรณหรอแกสอดมคต ซงไมมจรง

แกสจรงอาจมสมบตใกลเคยงกบแกสสมบรณได ถาอยในระบบทมความดนต าอณหภมสง โดยเฉพาะแกสเฉอย

ทอณหภมหองความดน 1 บรรยากาศ มสมบตใกลเคยงกบแกสสมบรณ

โรเบรต บอยล นกวทยาศาสตรชาวองกฤษ ไดศกษาการเปลยนแปลงปรมาตรและความดนของแกส ใน

ป ค.ศ.1662(พ.ศ.2205)

กฎของบอยล กลาววา “เมอมวลและอณหภมของแกสคงท ปรมาตรของแกสจะแปรผกผนกบความ

ดน”

V α 1

P โดยทมวลและอณหภมคงท

PV = k1 โดยท k1 เปนคาคงท

เมอมวลและอณหภมคงท พบวา ผลคณระหวางความดนและ

ปรมาตรของแกสในแตละสภาวะจะมคาเทากน

P1V1 = P2V2 = P3V3 = … = PnVn = k1

ตวอยาง แกสชนดหนงบรรจอยในภาชนะขนาด 1 ลตร ทความดน 1 บรรยากาศ ณ อณหภม 25 ๐C ถาน าแกสน

ไปบรรจในภาชนะขนาด 2 ลตร ณ อณหภมเดม แกสนจะมความดนเทาไร(0.5 บรรยากาศ)

ตวอยาง แกสชนดหนงบรรจอยในภาชนะทรงกระบอกขนาด 2.0 ลตร ทความดน 1.5 บรรยากาศ เมอเพมความ

ดนเปน 1500 mmHg โดยควบคมอณหภมใหคงท ปรมาตรของแกสจะเปนเทาใด(1.52 ลตร)

Boyle’s Law

อาเลกซองดร เซซา ชารล นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส ไดศกษาความสมพนธระหวางอณหภมกบ

ปรมาตรของแกสในป ค.ศ.1778(พ.ศ.2321)

กฎของชารล เมอมวลและความดนของแกสคงท ปรมาตร

ของแกสจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน

V α T โดยทมวลและความดนคงท

V

T = k2 โดยท k2 เปนคาคงท

เมอมวลและความดนคงท อตราสวนระหวางปรมาตรและ

อณหภมเคลวนจะมคาคงทเสมอ

V1/T1 = V2/T2 = V3/T3 = … = Vn/Tn = k2

ตวอยาง แกสไนโตรเจนปรมาตร 20 ลตร ทอณหภม 100 ๐C เมอท าใหอณหภมลดลง เปน 0 ๐C โดยความดนของ

แกสไมเปลยนแปลง ปรมาตรสดทายของแกสเปนเทาใด(14.6 ลตร)

ตวอยาง แกสชนดหนงมความดน 1 บรรยากาศ อณหภม 0 ๐C บรรจไวในภาชนะทยดหยนได เมอน าภาชนะ

บรรจแกสนไปจมลงในของเหลวทก าลงเดอด ปรมาตรของแกสจะขยายตวจาก 70.00 cm3 เปน90.00 cm3 โดยท

ความดนคงทอณหภมสดทายเปนเทาใด(351 ๐K)

กฎรวมแกส โดยการรวมกฎของบอยลและกฎของชารลเขาดวยกนเมอมวลของแกสคงท

กฎของบอยล V α 1

P โดยทมวลและอณหภมคงท

กฎของชารล V α T โดยทมวลและความดนคงท

Charles’s Law

ถารวมรวมกฎของบอยลและกฎของชารล จะไดความสมพนธดงน

V α T

P

V = k3T/P โดยท k3 เปนคาคงท

PV = k3 T โดยทมวลคงท

PV/T = k3

P1V1/T1 = P2V2/T2 = P3V3/T3 = … = k3

ตวอยาง แกสชนดหนงมปรมาตร 10 ลตร ทความดน 1 บรรยากาศ อณหภม 0 ๐C ถาแกสชนดนม

ปรมาตรและความดนเปลยนเปน 11.5 ลตร และ 900 mmHg ตามล าดบ จงหาอณหภมทเปลยนแปลงไปใน

หนวย ๐C(99 ๐C)

กฎของเกย-ลสแซก เมอมวลและปรมาตรคงท ความดนของแกสจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน

P α T โดยทมวลและปรมาตรคงท

P/T = k4 โดยท k4 เปนคาคงท

เมอมวลและปรมาตรคงท พบวา อตราสวนระหวาง

ความดนกบอณหภมเคลวนมคาคงทเสมอ

P1/T1 = P2/T2 = P3/T3 = … = Pn/Tn = k4

ตวอยาง อากาศในถงใบหนงมความดน 640 mmHg ท

23 ๐C เมอวางไวกลางแดด อณหภมเพมเปน 48 ๐Cความดนของอากาศภายในถงจะเปนเทาใด (694 mmHg)

กฎของอาโวกาโดร เมออณหภมและความดนคงท แกส

ทมปรมาตรเทากนจะมจ านวนโมลเทากน หรอทอณหภมและ

ความดนคงท ปรมาตรของแกสใดๆ จะแปรผนตรงกบจ านวนโมลของแกสนน

V α n โดยทอณหภมและความดนคงท

V/n = k5 โดยท k5 เปนคาคงท

เมออณหภมและความดนคงท อตราสวนระหวางปรมาตรกบจ านวนโมลของแกสมคาคงทเสมอ

V1/n1 = V2/n2 = V3/n3 = … = Vn/nn = k5

ตวอยาง แกส He 8 กรม มปรมาตรเทากบ 44.8 ลตร ทอณหภม 273 ๐K และความดน 760 mmHg แกส

He 0.2 กรม มปรมาตรเทาใดทอณหภมและความดนเดม(มวลอะตอม He = 4 )(1.12 ลตร)

กฎแกสสมบรณหรอสมการสถานะของแกส

จาก กฎของบอยล V α 1

P โดยทมวลและอณหภมคงท

กฎของชารล V α T โดยทมวลและความดนคงท

กฎของอาโวกาโดร P α n โดยทอณหภมและความดนคงท

จะได V α nT/P

V = RnT/P โดยท R เปนคาคงทของแกส

P1V1/n1T1 = P2V2/n2T2 = P3V3/n3T3 = … = PnVn/nnTn = R

จดใหม เปน PV = nRT โดยท R เปนคาคงทของแกส

R มหลายคาขนอยกบหนวย คอ

R = 0.082058 L.atm/mol.K (P = atm)

R = 62.364 L.torr/mol.K (P = torr)

R = 8.314 J/mol.K (P = Pa, V = m3)

ตวอยาง บรรจแกสออกซเจนจ านวน 0.885 กโลกรม ไวในถงเหลกกลาซงมปรมาตร 438 ลตร

จงค านวณความดนของแกสออกซเจนในถงนทอณหภม 21 ๐C(1.53 บรรยากาศ)

ตวอยาง แกสธรรมชาตในแหลงแกสแหลงหนงประกอบดวยแกสมเทน 3.20 x 105 L ทความ

ดน 1500 atm อณหภม 45 ๐C แกสธรรมชาตในแหลงนมแกสมเทนอยกกโลกรม(2.94 x 105 กโลกรม)

ตวอยาง แกสออกซเจน 1 mol มอณหภม 62.4 ๐C ความดน 3.45 atm มความหนาแนนเทาใด

(4.01 กรมตอลตร)

ตวอยาง แกสชนดหนงมมวล 0.550 g บรรจอยในภาชนะ 0.200 L ทความดน 0.968 atm

อณหภม 289 K แกสชนดนมมวลตอโมลเทาใด(67.40 กรมตอโมล)

กฎความดนยอยของดอลตน(Dalton’s Law of partial pressure)

กลาววา “ความดนรวมของแกสผสมทไมท าปฏกรยาเคมตอกนจะเทากบผลรวมของความยอยของแกส

ตางๆ ทเปนองคประกอบของแกสผสมนนๆ”

จะไดวา

ความดนรวม = ผลรวมของความดนยอย

เมอผสมแกส A และแกส B ทไมท าปฏกรยาตอไวในภาชนะปรมาตร V ทอณหภมคงตวอนหนง แกส

ทงสองผสมเขากนดเปนสารผสมเอกพนธ ทงแกส A และแกส B ตางมความดนภายในภาชนะนนเหมอนวามน

อยตามล าพงโดยไมมอกแกสหนงอยดวย ความดนของแตละแกสในแกสผสมเชนนเรยกวา ความดนยอย

จะไดวา หรอเขยนวา PT = PA+PB โดยท PT แทน ความดนรวม

PA แทน ความดนยอยของแกส A

PB แทน ความดนยอยของแกส B

1. ค านวณโดยใชกฎของบอยล

P1V1 = P2V2 จะได PA = P1AV1A

V2A และ PB =

P1BV1B

V2B

PT = (P1AV1A

V2A) + (

P1BV1B

V2B)

ตวอยาง น าเอาแกสออกซเจน 100 cm3 ซงมความดน 360 mmHg และแกสคารบอนไดออกไซด 150 cm3 ซงมความดน 300 mmHg มาใสไวรวมกนในขวดความจ 200 cm3 อณหภมเทากนโดยตลอด จงหาความดนรวมของแกสออกซเจนและแกสคารบอนไดออกไซดในขวดใบนน(405 mmHg)

ตวอยางท ภาชนะ A จ 5 ลตร ภาชนะ B จ 3 ลตร เชอมตอถงกนโดยมลนปดเปดได ภาชนะ A บรรจแกส Ar มความดน 2 บรรยากาศ ภาชนะ B บรรจแกส N2 มความดน 1 บรรยากาศ ทอณหภมเดยวกน เมอเปดลนระหวาง A กบ B จงหาความดนยอยของแกสทง 2 ชนด และความดนรวม(1.25,0.375,1.625 atm)

2. ค านวณโดยใชกฎแกสสมบรณหรอสมการสถานะของแกส

จากกฎแกสสมบรณ PV= nRT หรอ P= nRT

V

จะไดวา PA= nART

V

PB= nBRT

V

ดงนน จาก PT = PA+ PB

= nART

V +

nBRT

V

= (nA+nB)RT

V

PT = nTRT

V โดยท nT แทน จ านวนโมลรวมของแกส

ตวอยาง ภาชนะใบหนงมปรมาตร 15 dm3 บรรจแกส A 1 โมล และแกส B 2 โมล และแกส C 1.5 โมล ท

อณหภม 25 ๐C ถา แกส A B C ไมท าปฏกรยากนจงหาความดนยอยของแกสแตละชนด และความดนรวม

(1.63,3.26,2.44,7.33 atm)

3. การค านวณโดยใชความสมพนธระหวางเศษสวนโมลกบความดน

ความดนยอยของแกส = เศษสวนโมลของแกสนน X ความดนรวม

จะไดวา PA = 𝑛𝐴

𝑛𝑇PT

เศษสวนโมลของแกส =จ านวนโมลของแกสนน

จ านวนโมลรวมของแกสผสม

ตวอยาง จงหาความดนยอยของแกสแตละชนดในแกสผสม ซงม He 40 กรม N2 56 กรม O2 16 กรม ถาความ

ดนรวมของแกสผสมเทากบ 5 บรรยากาศ มวลอะตอม He = 4,N = 14,O = 16(4 , 0.8 ,0.2 บรรยากาศ ตามล าดบ)

การแพรของแกส

การแพร(Diffusion of gasses) หมายถง การทโมเลกลของแกสชนดหนงเคลอนทเขาไปแทรก

ในโมเลกลของแกสอกชนดหนง ซงมความเขมขนตางกน จนแกสผสมมความเขมขนเทากนทวทงหมด

การแพรผานของแกส(Effusion of gasses) หมายถง การทโมเลกลของแกสเคลอนท จาก

บรเวณหนงผานชองเลกๆ ออกสอกบรเวณหนง และในระหวางทเคลอนทนโมเลกลไมมการชนกนเลย

กฎการแพรผานของเกรแฮม(Graham’s Law Of effusion)

โทมส เกรแฮม(Thomas Graham) นกวทยาศาสตรชาวสกอตแลนด

กฎการแพรผานของเกรแฮม กลาววา ทอณหภมและความดนคงท อตราการแพรของแกสจะ

แปรผกผนกบรากทสองของมวลโมเลกลของแกส

r α 1

√𝑀 โดยทอณหภมและความดนคงท

r = 𝑘

√𝑀 โดยท k เปนคาคงท

r1√𝑀 1= r2√𝑀2 = r3√𝑀 3 = … = rn√𝑀 n = k

จดรปใหม จะได

r1/ r2 = √𝑀2/√𝑀 1

Diffusion Effusion

เนองจากน าหนกโมเลกลของแกสแปรผนตรงกบความหนาแนน

r1/ r2 = √𝑑2/√𝑑 1

r = อตราการแพรของแกส

อตราการแพรของแกส คอ อตราสวนระหวางระยะทางหรอปรมาตรหรอความดนหรอจ านวน

โมลของแกสทตอหนงหนวยเวลา

M = มวลโมเลกล(มวลตอโมล) ของแกส

d = ความหนาแนน

ตวอยาง เตตระฟลออโรเอทลน(C2F4)แพรผานแผนรพรนชนดหนงดวยอตรา 4.6 x 10-6 โมลตอชวโมง

สวนแกสตวอยางอกชนดหนงประกอบดวยโบรอนกบไฮโดรเจนมอตราการแพรผาน 5.8 x 10-6 โมลตอชวโมง

ภายใตภาวะเดยวกน จงค านวณมวลตอโมลของแกสตวอยาง( 63 g/mol)

ตวอยาง จงเปรยบเทยบอตราการแพรผานของแกสไฮโดรเจนกบฮเลยมทอณหภมและความดนเดยวกน

(1.41)

ตวอยาง แกส A มมวลโมเลกล 36 แกส B มมวลโมเลกล 9 ในเวลา 3 วนาท แกส A เคลอนทได

ระยะทาง 24 เซนตเมตร แกส B จะเคลอนทไดระยะทางเทาใดในเวลา 5 วนาท(80 เซนตเมตร)

ตวอยาง แกส x แพรได 30 cm3 ในเวลา 2 วนาท ในขณะทแกส y มวลโมเลกล 25 แพรได 108 cm3 ใน

เวลา 4 วนาท จงค านวณหามวลโมเลกลของแกส x (81)

ตวอยาง แกส A แพรไดเรวกวา CO2 กวา 1.6 เทา แกส A ควรจะเปนแกส NO2 หรอ NH3 หรอ H2S หรอ

SO2(NH3)

ตวอยาง แกส A มอตราการแพรเปน 0.5 เทา ของแกส B ถาแกส A มความหนาแนน 0.49 กรม/ลตร

แกส B มความหนาแนนเทาไร(0.1225 กรม/ลตร)

กฎความดนยอยของดอลตน(Dalton’s Law of partial pressure)

กลาววา “ความดนรวมของแกสผสมทไมท าปฏกรยาเคมตอกนจะเทากบผลรวมของความยอยของ

แกสตางๆ ทเปนองคประกอบของแกสผสมนนๆ”

จะไดวา

ความดนรวม = ผลรวมของความดนยอย

เมอผสมแกส A และแกส B ทไมท าปฏกรยาตอไวในภาชนะปรมาตร V ทอณหภมคงตวอนหนง แกส

ทงสองผสมเขากนดเปนสารผสมเอกพนธ ทงแกส A และแกส B ตางมความดนภายในภาชนะนนเหมอนวามน

อยตามล าพงโดยไมมอกแกสหนงอยดวย ความดนของแตละแกสในแกสผสมเชนนเรยกวา ความดนยอย

จะไดวา หรอเขยนวา PT = PA+PB โดยท PT แทน ความดนรวม

PA แทน ความดนยอยของแกส A

PB แทน ความดนยอยของแกส B

ค านวณโดยใชกฎของบอยล

P1V1 = P2V2 จะได PA = P1AV1A

V2A และ PB =

P1BV1B

V2B

PT = (P1AV1A

V2A) + (

P1BV1B

V2B)

ตวอยาง น าเอาแกสออกซเจน 100 cm3 ซงมความดน 360 mmHg และแกสคารบอนไดออกไซด 150 cm3 ซงมความดน 300 mmHg มาใสไวรวมกนในขวดความจ 200 cm3 อณหภมเทากนโดยตลอด จงหาความดนรวมของแกสออกซเจนและแกสคารบอนไดออกไซดในขวดใบนน(405 mmHg)

ตวอยาง ภาชนะ A จ 5 ลตร ภาชนะ B จ 3 ลตร เชอมตอถงกนโดยมลนปดเปดได ภาชนะ A บรรจแกส Ar มความดน 2 บรรยากาศ ภาชนะ B บรรจแกส N2 มความดน 1 บรรยากาศ ทอณหภมเดยวกน เมอเปดลนระหวาง A กบ B จงหาความดนยอยของแกสทง 2 ชนด และความดนรวม(1.25,0.375,1.625 atm)

ค านวณโดยใชกฎแกสสมบรณหรอสมการสถานะของแกส

จากกฎแกสสมบรณ PV= nRT หรอ P= nRT

V

จะไดวา PA= nART

V

PB= nBRT

V

ดงนน จาก PT = PA+ PB

= nART

V +

nBRT

V

= (nA+nB)RT

V

PT = nTRT

V โดยท nT แทน จ านวนโมลรวมของแกส

ตวอยาง3 ภาชนะใบหนงมปรมาตร 15 dm3 บรรจแกส A 1 โมล และแกส B 2 โมล และแกส C 1.5 โมล ท

อณหภม 25 ๐C ถา แกส A B C ไมท าปฏกรยากนจงหาความดนยอยของแกสแตละชนด และความดนรวม

(1.63,3.26,2.44,7.33 atm)

การค านวณโดยใชความสมพนธระหวางเศษสวนโมลกบความดน

ความดนยอยของแกส = เศษสวนโมลของแกสนน X ความดนรวม

จะไดวา PA = 𝑛𝐴

𝑛𝑇PT

เศษสวนโมลของแกส =จ านวนโมลของแกสนน

จ านวนโมลรวมของแกสผสม

ตวอยาง4 จงหาความดนยอยของแกสแตละชนดในแกสผสม ซงม He 40 กรม N2 56 กรม O2 16 กรม ถา

ความดนรวมของแกสผสมเทากบ 5 บรรยากาศ มวลอะตอม He = 4,N = 14,O = 16(4 , 0.8 ,0.2 บรรยากาศ

ตามล าดบ)

เทคโนโลยทเกยวของกบสมบตของของแขง ของเหลว แกส

1. การท าน าแขงแหง

หลกการ คอ การน า CO2 มาเพมความดนและลดอณหภม

เรมจากการน ากาซคารบอนไดออกไซดมาท าใหเปนของเหลว โดยเพมความดนและลด

อณหภม จากนนท าใหคารบอนไดออกไซดบรสทธและปราศจากความชนดวยวธการทเหมาะสมแลวเพมความ

ดนและลดอณหภมจนกระทงมความดน 18 atm และอณหภมเทากบ -25 ๐C แลวอดคารบอนไดออกไซด

เหลวผานรพรน คารบอนไดออกไซดเหลวสวนหนงจะระเหยกลายเปนไอโดยดดความรอนจากโมเลกล

ขางเคยงท าใหโมเลกลของคารบอนไดออกไซดเหลวทถกดดความรอนมอณหภมตากวาจดแยอกแขง จง

กลายเปนของแขงทมลกษณะเปนเกลด เรยกวาน าแขงแหง เกรดของคารบอนไดออกไซดจะถกอดเปนกอนแลว

น าไปใชประโยชนตอไป น าแขงแหงมอณหภมประมาณ –79 ๐C

ประโยชนใชในการท าฝนเทยม ใชแชแขง อตสาหกรรมหองเยน 2. การท าไนโตรเจนเหลว

หลกการ คอ ลดอณหภม วตถดบทใช คอ อากาศ เรมจากการดดอากาศเขาเครองอดอากาศ ผานลงในสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซดเพอก าจด

คารบอนไดออกไซด แลวผานอากาศทไดเขาเครองกรองเพอแยกน ามนออกแลวท าใหแหงดวยสารดดความชน จากนนท าใหอากาศแหงมอณหภมลดลงจนถง -183 ๐C กาซออกซเจนจะกลายเปนของเหลวแยกตวออกมากอน และเมอลดอณหภมตอไปจนถง -196 ๐C ไนโตรเจนจะกลายเปนของเหลวแยกตวออกมา

ประโยชนของไนโตรเจนเหลว ใชในโรงงานอตสาหกรรมตาง ๆ เชน การแชแขงอาหาร ใชในทางการแพทย

3. การสกดสารโดยใชคารบอนไดออกไซดในรปของไหล

เมอคารบอนไดออกไซดอยภายใตภาวะวกฤตยงยวด(supercritical state) คอท อณหภม 31 ๐C ความ

ดน 73 บรรยากาศ จะมสภาพเปนของไหล( CO2-Fluid) และมสมบตเปนทงแกสและของเหลว คอ ขยายตวได

งายจนเตมภาชนะบรรจและไหลไดเหมอนแกส มความสามารถในการละลายไดเหมอนของเหลว ดงนนเราจง

สามารถใชคารบอนไดออกไซดในรปของไหลสกดหรอแยกสารหรอท าใหสารบรสทธขนดวยการควบคม

อณหภมและความดนใหเหมาะสม เชน การสกดคาเฟอนออกจากเมลดกาแฟดบแทนเมทลนคลอไรด โดยไมท า

ใหรสและกลนของกาแฟเปลยนไป