1 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

บทที่ 5

ของแข็ง ของเหลว และแกส 5.1 การถายเทพลังงานกับการเปลี่ยนแปลงของสาร ในการพิจารณาการถายเทพลังงานจะพิจารณาเฉพาะ ระบบกับสิ่งแวดลอมเทานั้น โดยมีหลักวาพลังงานจะมีการถายเทจากที่ที่มีระดับ

พลังงานสูงไปสูระดับที่มีพลังงานต่ํากวา เชนเดียวกับการไหลของน้ํา ถามีการถายเทพลังงานจาก ระบบไปยังสิ่งแวดลอม จะทําใหสิ่งแวดลอมมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น เรียกการเปลี่ยนแปลงแบบ คายความรอน

( Exothermic Change ) ถามีการถายเทพลังงานจาก สิ่งแวดลอม ไปยังระบบ จะทําใหสิ่งแวดลอมมีอุณหภูมิ เรียกการเปลี่ยนแปลงแบบ ดูดความรอน

( Endothermic Change ) พลังงานกับการเปลี่ยนสถานะ การเปลี่ยนสถานะ คือ การที่ของแข็งเปลี่ยนเปนของเหลว หรือของเหลวเปลี่ยนเปนไอ หรือการที่ไอเปลี่ยนเปนของเหลว หรือของเหลวเปลี่ยนเปนของแข็ง

น้ําแข็ง 0๐C

น้ําเย็น 0๐C

น้ําเดือด 100๐C

ไอน้ําที ่100๐C

ระบบดูดความรอน

ระบบคายความรอน

2 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

- อธิบายการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ําแข็งเปนไอน้ําและพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไป ดังนี้ เมื่อน้ําแข็งไดรับความรอนจนถึง 0๐C จะหลอมเหลวเปนน้ําทั้งหมดที่ 0๐C พลังงานจะ

ถูกดูดเขาสูระบบ เพื่อใชในการหลอมเหลว และเมื่อใหความรอนตอไป จนของเหลวเดือดเปนไอที่ 100๐C ระบบจะดูดพลังงานจากสิ่งแวดลอมไปใชในการเปลี่ยนสถานะของสาร โดยอุณหภูมิคงที่ เรียกวา ความรอนแฝง

ความรอนแฝง ( Latent heat ) หมายถึง ปริมาณความรอนที่ใชในการเปลี่ยนสถานะของ สาร ซึ่งมี 2 ประเภทคือความรอนแฝงของการหลอมเหลว และความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ความรอนแฝงของสารแตละชนิดมีคาเฉพาะตัว

1) ความรอนแฝงของการหลอมเหลว (Latent heat of fusion ) หมายถึง ปริมาณความรอนที่ตองใชในการเปลี่ยนสถานะของแข็งใหกลายเปนของเหลว ณ จุดหลอมเหลวของสาร

2) ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (Latent heat of vaporization ) ปริมาณความรอนที่ตองใชในการเปลี่ยนสถานะของเหลวใหกลายเปนไอ ณ จุดเดือดของของเหลวนั้น

รูปแสดงการเปลี่ยนสถานะของน้ํา ( ณ ความดัน 1 บรรยากาศ )

- จากรูป ของแข็งเมื่อไดรับพลังงานความรอน จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ที่ของแข็งเริ่มเปลี่ยนสถานะเปนของเหลว อุณหภูมิขณะนั้นคือจุดหลอมเหลวของสาร ขณะที่ของแข็งหลอมเหลวเปนของเหลวทั้งหมดใชพลังงานความรอนแฝง เรียกวา ความรอนแฝงของการหลอมเหลว อุณหภูมิจึงคงที่ เมื่อของเหลวไดรับพลังงานความรอนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิจะสูงขึ้นอีก จนถึงอุณหภูมิหนึ่งที่ของเหลวเริ่มเปลี่ยนสถานะเปนไอ อุณหภูมิขณะนั้นคือ จุดเดือดของสาร ขณะที่ของเหลวกลายเปนไอทั้งหมด จะ ใชพลังงานความรอนแฝง เรียกวา ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ดังนั้น ในการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเปนของเหลว และของเหลวเปนไอ เปนกระบวนการดูดพลังงานทุกขั้นตอน ในทางตรงกันขาม เมื่อไอควบแนนเปนของเหลว และของเหลวควบแนนเปนของแข็งเปนกระบวนการคายพลังงานทุกขั้นตอน

3 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

Phase diagram

5.2 สมบัติของของแข็ง สารที่อยูในสถานะของแข็งจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาคมากกวาของเหลวและกาซ จึงเปนเหตุผลหน่ึงที่ทําใหจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารในสถานะของแข็งสวนใหญมีคาสูงกวาของเหลวและกาซ นอกจากนี้ของแข็งยังมีสมบัติเฉพาะตัวที่สําคัญอีกหลายประการคือ มีรูปรางแนนอนไมขึ้นอยูกับภาชนะที่บรรจุ มีปริมาตรคงที่ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ไมสามารถไหลไดตามภาวะปกติ เนื่องจากอนุภาคของแข็งอยูชิดกันมาก การจัดเรียงอนุภาคอยูในตําแหนงที่แนนอน

รูปแสดงการจัดเรียงอนุภาคของสาร

4 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง การจัดเรียงอนุภาคในของแข็งแบงตามลักษณะการจัดเรียงอนุภาคของสารได 2 ชนิด คือ 1. ของแข็งผลึก(Crystalline solid) คือ ของแข็งที่มีโครงสรางประกอบดวยอนุภาคเรียงกันอยูอยางมีระเบียบแบบแผน

• อนุภาคเรียงตัวกันอยางมีระเบียบแบบแผนทางเรขาคณิตเปนสามมิติ เรียกวา Crystal lattice หรือ Space lattice

• ผิวหนาเรียบ มุมระหวางผิวหนามีคาแนนอน

• มีจุดหลอมเหลวแนนอน

• มีสมบัติไมเหมือนกันทุกทิศทาง (Anisotropic Substance)

Crystalline Solid

5 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

2. ของแข็งอสัณฐาน คือ ของแข็งที่อนุภาคอยูปะปนกันอยางไมเปนระเบียบ ไมมีรูปรางที่แนนอน

• อนุภาคเรียงตัวโดยไมมีระเบียบแบบแผน

• ผิวหนาไมเรียบ และมุมตางๆ กัน

• ชวงการหลอมเหลวกวาง

• มีสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง (Isotropic Substance)

ผลึกของกํามะถัน โมเลกุลของกํามะถันประกอบดวยกํามะถัน 8 อะตอม ตอกันเปนวง โดยอะตอม 1, 3, 5, 7 อยูในระนาบหนึ่งเหนืออะตอม 2, 4, 6, 8 ซึ่ง

อยูอีกระนาบหนึ่ง แบบจําลองโมเลกุลของ กํามะถันแสดงไดโดยใชลูกทรงกลม 8 ลูกตอกัน แบบจําลองบอกแตเพียงลักษณะและทิศทาง ท่ีแตละ

อะตอมจัดตัวเองเทานั้น แตไมไดบอกวา กํามะถันอะตอม อยูหางกันเทาไร การเปลี่ยนแปลงของกํามะถันเม่ือไดรับความรอน

เมื่อเทกํามะถันเดือดลงในน้ํา จะไดกํามะถันเหนียว มีลักษณะยืดหยุนได เพราะกํามะถันเหนียวมีโมเลกุลลักษณะเปนสาย ซึ่งมีความยาวไมเทากันปนกันอยู

6 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ผลึกของกํามะถันมีดังนี้

1. กํามะถันรอมบิก ( Rhombic Sulphur ) เปนกํามะถันที่อยูในธรรมชาติ และเสถียรที่อุณหภูมิปกติ เปนของแข็งสีเหลืองออนผลึก

เปนรูปสี่เหลี่ยม มีจุดหลอมเหลว 112.8๐C จุดเดือด 445 ๐C ความหนาแนน 2.07 g/cm3 สามารถละลายไดในตัวทําละลายที่ไมมีขั้ว เชน คารบอนไดซัลไฟล ( CS2) อีเทอร เบนซีนและโทลูอีน แตไมละลายน้ํา

การเตรียม โดยใชผงกํามะถันละลายใน CS2 หรือโทลูอีน แลวปลอยใหระเหย ก็จะไดผลึกของกํามะถันรอมบิกเปนรูปเหลี่ยม 2. กํามะถันมอนอคลินิก ( Monoclinic Sulphur ) มีสถานะเปนของแข็งรูปผลึกเปนรูปเข็ม ผลึกนี้จะอยูตัวที่อุณหภูมิสูงกวา 96 ๐C

ดังนั้นจึงไมอยูตัวที่ภาวะปกติ การเปลี่ยนรูปของผลึก กํามะถันสามารถเปลี่ยนกลับไปกลับไปกลับมาระหวางกํามะถันรอมบิก และกํามะถันโมโนคลินิก เมื่ออุณหภูมิสูงหรือตํ่ากวา 96 ๐C เรียกอุณหภูมินี้วา Transition Temperature

การเตรียม เอากํามะถันผงไปละลายในโทลูอีน ที่รอนจนไดสารละลายอิ่มตัว นํามาตั้งทิ้งไวใหเย็นจะไดผลึกของกํามะถันมอนอคลินิก

รูปผลึกกํามะถัน

7 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ตาราง แสดงชนิดและสมบัติบางประการของของแข็งที่อยูในรูปผลึก

ลักษณะเฉพาะและสมบัติ

ชนิดของผลึก

ชนิดของอนุภาคภายในผลึก

ชนิดของพันธะหรือแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาค

สมบัติท่ัวไป ตัวอยางของของแข็ง

ผลึกโมเลกุล โมเลกุล หรือ

อะตอม

โมเลกุลมีขั้ว - แรงดึงดูดระหวางขั้ว - พันธะไฮโดรเจน โมเลกุลไมมีขั้วหรืออะตอม - แรงลอนดอน

- ออนหรือแข็งปาน กลางเปราะไมมาก - จุดหลอมเหลวต่ํา - ไมนําความรอน และไฟฟา

โมเลกุลมีขั้ว - น้ําแข็ง - แอมโมเนีย โมเลกุลไมมีขั้ว - น้ําแข็งแหง - แนฟทาลีน - กํามะถัน - ไอโอดีน

ลักษณะเฉพาะและสมบัติ

ชนิดของผลึก

ชนิดของอนุภาคภายในผลึก

ชนิดของพันธะหรือแรงยึดเหนี่ยวระหวางอนุภาค

สมบัติท่ัวไป ตัวอยางของของแข็ง

ผลึกโคเวเลนต รางตาขาย

อะตอม พันธะโคเวเลนต - แข็ง - จุดหลอมเหลวสูง - สวนใหญไมนํา ความรอนและไฟฟา

- เพชร - แกรไฟต - ควอตซ

ผลึกโลหะ อะตอม พันธะโลหะ - แข็ง - จุดหลอมเหลวสูง - นําความรอนและ ไฟฟาไดดี

- แมกนีเซียม - เหล็ก - ทองแดง - โซเดียม

ผลึกไอออนิก ไอออน พันธะไอออนิก - แข็ง - จุดหลอมเหลวสูง - ไมนําความรอน และไฟฟา

- โพแทสเซียม ไนเตรต - ซิลเวอรคลอไรด

8 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง 1. การหลอมเหลว

เมื่อของแข็งไดรับความรอน อนุภาคจะมีพลังงานจลนของการสั่นมากขึ้น จนในที่สุดความสั่นสะเทือนรุนแรงถึงขีดที่อนุภาคหลุดออกจากที่ในแลตทิชผลึกและเคลื่อนที่ไปมาได ความเปนระเบียบของอนุภาคภายในของแข็งสิ้นสุดลง ของแข็งจึงเปลี่ยนเปนของเหลว อุณหภูมินั้นเปนจุดหลอมเหลวของของแข็ง และเปนอุณหภูมเิดียวกันกับอุณหภูมิที่ของเหลวเปลี่ยนเปนของแข็งหรือที่เรียกวา จุดเยือกแข็ง จุดหลอมเหลวปกติ หมายถึง จุดหลอมเหลวของของแข็งที่ความดัน 1 บรรยากาศ ในระหวางการหลอมเหลว ของแข็งอยูในสมดุลกับของเหลว จุดหลอมเหลวของของแข็ง เปนอุณหภูมิที่ของแข็งและของเหลวอยูรวมกันในสมดุล ที่อุณหภูมิ 0๐C 2. การระเหิด เนื่องจากอนุภาคของของแข็งอยูใกลกันมาก ทําใหมีโอกาสกระทบกันได จึงมีการถายเทพลังงานใหแกกันที่อุณหภูมิหนึ่งบางอนุภาคที่ผิวหนาของของแข็งมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดเปนไอได ปรากําการณที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเปนไอ โดยไมผานสถานะของเหลวกอน เรียกวา การระเหิด ( Sublimation ) จึงทําใหแนฟทาลีนมีขนาดเล็กลงและหมดไปในที่สุดไดสารที่ระเหิดได นอกจากแนฟทาลีนแลวยังมี การบูร พิมเสน ไอโอดีน เปนตน

5.3 สมบัติท่ัวไปของของเหลว 1. ความตึงผิว

เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน การเคลื่อนที่ของแตละโมเลกุลจึงอยูภายใตอิทธิพลของโมเลกุลอื่นที่อยูใกลเคียง โมเลกุลที่อยูตรงกลางไดรับแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นที่อยูลอมรอบเทากันทุกทิศทุกทาง สวนโมเลกุลที่ผิวหนาจะไดรับแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยูดานลางและดานขางเทานั้น โมเลกุลที่ผิวหนาจึงถูกดึงเขาภายในของเหลว ทําใหพ้ืนที่ผิวของของเหลวลดลงเหลอนอยที่สุด จะเห็นไดจากหยดน้ําที่เกาะบนพื้นผิวที่เรียบและสะอาดจะมีลักษณะเปนทรงกลมซึ่งมีพ้ืนที่ผิวนอยกวาน้ําที่อยูในลักษณะแผออกไป ของเหลวพยายามจัดตัวเองใหมีพ้ืนที่ผิวนอยที่สุด เนื่องจากโมเลกุลที่ผิวไมมีแรงดึงเขาทางดานบน จึงมีเสถียรภาพนอยกวาโมเลกุลที่อยูตรงกลาง การลดพ้ืนที่ผิวเทากับเปนการลดจํานวนโมเลกุลที่ผิวหนา จึงทําใหของเหลวเสถียรมากขึ้น ในบางกรณีของเหลวมีความจําเปนตองเพิ่มพื้นที่ผิว โดยที่โมเลกุลที่อยูดานในของของเหลวจะเคลื่อนมายังพื้นผิว ในการนี้โมเลกุลเหลานั้นตองเอาชนะแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลที่อยูรอบ ๆ หรือกลาววาตองทํางาน งานที่ใชในการขยายพื้นที่ผิวของของเหลว 1 หนวย เรียกวา ความตึงผิว ( Surface tension )

9 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ปจจัยท่ีมีผลตอความตึงผิว 1) แรงดึงดูดระหวางโมเลกุล ความตึงผิวจะมากหรือนอยขึ้นอยูกับแรงดึงดูดระหวางโมเลกุล ถาแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมาก

โมเลกุลที่ผิวหนาจะถูกดึงเขาภายในอยางแรงงานที่ใชในการขยายพื้นที่ผิวของของเหลวจะมากตาม ความตึงผิวก็มาก 2) อุณหภูมิ ถาอุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลนของแตละโมเลกุลเพิ่มขึ้น แตแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลลดลง ทําใหความตึงผิวลดลง

รูปแสดงลักษณะผิวหนา ระดับปรอท และระดับน้ําในหลอดคะปลลารี

จากรูปเนื่องจากองคประกอบของแกวสวนใหญเปน SiO2 โมเลกุลของน้ําจึงมีแรงยึดเหนี่ยวกับออกซิเจนที่ผนังดานในของหลอดแกวได แรงยึดติดระหวางโมเลกุลของแกวกับน้ําแข็งแรงมากกวาแรงเชื่อมแนนระหวางโมเลกุลของน้ํากับน้ํา โมเลกุลของน้ําจึงยึดติดกับผนังหลอดแกวในลักษณะแผนฟลมบางๆ ความตึงผิวของน้ําซึ่งมีคาสูงจะทําใหผิวน้ําหดตัวไดและดึงโมเลกุลอื่น ๆ ของน้ําตามขึ้นไปดวย เปนผลใหระดับน้ําในหลอดคะปลลารีสูงกวาระดับน้ําในบีกเกอร

ในกรณีของเหลวบางชนิด เชน ปรอท จะมีลักษณะตรงขามกับน้ํา เนื่องจากปรอทมีแรงเชื่อมแนนระหวางโมเลกุลของปรอทกับปรอทมากกวาแรงยึดติดระหวางโมเลกุลของปรอทกับแกว ดังนั้นโมเลกุลของปรอทที่อยูบริเวณผิวและที่ติดกับผนังหลอดคะปลลารีจะถูกดึงเขาสูภายในหรือใหหางจากผนัง จึงทําใหปรอทไมเปยกแกว รวมทั้งทําใหระดับปรอทในคะปลลารีตํ่ากวาระดับปรอทในบีกเกอรและผิวหนามีลักษณะโคงนูน

2. การระเหย เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่อยูตลอดเวลา ซึ่งแตละโมเลกุลเคลื่อนที่ดวยความเร็วไมเทากัน ดังนั้นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอาจมีการขนกันและมีการแลกเปลี่ยนพลังงานกันไดทําใหโมเลกุลหนึ่ง ๆ อาจไดรับพลังงานเพิ่มขึ้น และบางโมเลกุลสูญเสียพลังงานลงไป ถาโมเลกุลที่มีพลังงานจลนสูง ๆ อยูที่บริเวณผิวของของเหลว ก็สามารถชนะแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลไดก็จะหลุดออกไป โมเลกุลที่หลุดออกจากผิวหนาของของเหลวและอยูในสถานะกาซ เรียกกระบวนการดังกลาวนี้วา การระเหย ( Evaporation )

10 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ปจจัยในการระเหย

1) อุณหภูมิ การเพิ่มอุณหภูมิทําใหโมเลกุลมีพลังงานจลนสูงขึ้น โอกาสที่จะชนะแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลยอมมีมากขึ้น 2) พ้ืนที่ผิวของของเหลว ทําใหโมเลกุลที่มีพลังงานจลนสูงอยูที่ผิวมากขึ้นมีโอกาสหลุดออกจากแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลไดมาก

ขึ้น 3) การที่ของเหลวอยูในระบบเปด เปนการปองกันมิใหมีโอกาสกลับมาควบแนนไดอีกและไมใหมีความดันไอตอตานโมเลกุลที่จะ

ระเหยออกไปอีก 4) ความดันของบรรยากาศเหนือของเหลว ถามีความดันของบรรยากาศต่ําของเหลวยอมระเหยไดดีขึ้น 5) การถายเทของอากาศเหนือของเหลวและการคน กวนของเหลวนั้น ยอมมีผลใหการระเหยดีขึ้น

รูปแสดงการระเหยในระบบปดและระบบเปด

3. ความดันไอ

เมื่อใสของเหลวไวในระบบปด โมเลกุลของของเหลวที่มีพลังงานมากและชนะแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลดวยกัน ก็จะระเหยกลายเปนไอ อยูเหนือผิวของของเหลวนั้น โมเลกุลของไอที่อยูเหนือผิวของเหลวนั้นจะชนกันเอง ชนกับผิวของภาชนะบาง และควบแนนกลับมาเปนของเหลวบาง เมื่อของเหลวระเหยกลายเปนไอเพิ่มขึ้นจนถึงจํานวนหนึ่งจะทําใหไอนั้นมีความดันคาหนึ่งจนคงที่ ณ ความดันไอที่คงที่นี้จะมีจํานวนโมเลกุลของไอเหนือขงเหลวมีคาเทาเดิมอยูตลอดเวลา เรียกวาภาวะสมดุล ที่ภาวะสมดุล จํานวนโมเลกุลของของเหลวที่ระเหยไปเปนไอ และจํานวนโมเลกุลของไอที่ควบแนนกลับมาเปนของเหลวเทากันตลอดเวลา ที่ภาวะสมดุลใด ๆ ที่ยังมีการเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาไดตลอดเวลา ดวยอัตราเร็วเทากันและผลของการเปลี่ยนแปลง ระบบมีสมบัติคงที่ เรียกวา สมดุลไดนามิก ความดันไอที่อยูเหนือของเหลว ณ ภาวะสมดุลน้ีเรียกวา ความดันไอ ( Vapor pressure ) ปจจัยท่ีมีผลตอความดันไอ

1) แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลของของเหลว ถาสารที่มีแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมากความดันไอจะต่ํา เพราะโอกาสที่โมเลกุลจะชนะแรงดึงดูดกลายเปนไอนั้นยาก

2) อุณหภูมิ ถาอุณหภูมิของระบบสูง ยอมทําใหโมเลกุลของสารมีพลังงานจลนสูงขึ้นโอกาสที่จะระเหยกลายเปนไอมีมากขึ้นความดันไอก็จะเพิ่มขึ้น

11 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

3) สารชนิดเดียวกันที่อุณหภูมิเทากันยอมมีความดันไอเทากันเสมอไมวาสารนั้นจะมีปริมาณมากหรือนอยกวากัน นั่นคือ ความดันไอ

ไมขึ้นอยูกับปริมาตรของสาร 4) ความดันไอจะเกิดขึ้นที่ภาวะสมดุลเทานั้น ดังนั้นตองพิจารณาในระบบปดเสมอ 5) สารที่มีจุดเดือดต่ําจะมีความดันไอสูง เพราะสารนั้นระเหยงายสวนสารที่มีจุดเดือดสูงความดันไอจะต่ําเพราะสารนั้นระเหยยาก

4. จุดเดือด

การเดือด ( Boiling ) เปนขบวนการที่โมเลกุลของของเหลวไดรับพลังงานสูงมากจนกลายเปนไอไดอยางรวดเร็ว และโมเลกุลของ ของเหลวทั่วทุกบริเวณในภาชนะนั้นสามารถที่จะหลุดหนีแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลไดอยางรวดเร็ว การเดือดของของเหลวจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งจะคงที่สําหรับของเหลวแตละชนิด เรียกวา จุดเดือด ( Boiling point ) ความดันไอของของเหลวขณะเดือดจะมีคาเทากับความดันภายนอกหรือมากกวาซึ่งก็คือความดันบรรยากาศขณะนั้น ความดันของบรรยากาศจะมีผลตอจุดเดือดของของเหลว คือ ถาเปลี่ยนความดันจะทําใหจุดเดือดของของเหลวเปลี่ยนไปดวย ดังนั้นการบอกจุดเดือดของ ของเหลวชนิดหนึ่ง ๆ จะตองบอกความดันของบรรยากาศดวย เชน จุดเดือดของน้ําเทากับ 100 ๐C ที่ความดัน 1 บรรยากาศ แตโดยทั่วไปเมื่อกลาวถึงจุดเดือดโดยไมระบุความดันเราหมายถึงจุดเดือดที่ความดัน 1 บรรยากาศ และเรียกวา จุดเดือดปกติ

5.4 สมบัติของแกส แกสแบงออกได 2 ประเภท คือ 1) แกสสมบูรณ ( Ideal gas ) หรือกาซอุดมคติ หมายถึง กาซที่มีสมบัติเปนไปตามกฎตาง ๆ ของกาซ ไมวาที่ภาวะใด ๆ ก็ตาม ซึ่งตามความเปนจริงแลว กาซในธรรมชาตินั้นไมมีที่จะเปนไปตามกฎตาง ๆ ไดทุกประการ แตเปนเรื่องที่นักวิทยาศาสตรไดคิดสมมติขึ้นเพื่อจะใชอธิบายพฤติกรรมของกาซตาง ๆ ในธรรมชาติเทานั้น 2) แกสจริง ( Real gas ) หมายถึง กาซที่มีอยูในธรรมชาติทั่ว ๆ ไป ซึ่งจะไมเปนไปตามกฎตาง ๆ ตามกาซสมมติทุกประการ โดยเฉพาะที่อุณหภูมิตํ่าและความดันสูงมาก ๆ อยางไรก็ตามกาซจริงจะมีสมบัติใกลเคียงกับกาซสมบูรณไดเมื่ออุณหภูมิสูงและความดันตํ่า

ทฤษฎีจลนของแกส ใชอธิบายสมบัติของกาซ เสนอวา 1. แกสประกอบดวยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก จนถือวาอนุภาคแกสไมมีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่บรรจุ 2. โมเลกุลของแกสอยูหางกัน ทําใหแรงดึงดูดและแรงผลักระหวางโมเลกุลนอยมาก จนถือไดวาไมมีแรงกระทําตอกัน 3. โมเลกุลของแกสเคลื่อนที่อยางรวดเร็วในแนวเสนตรง เปนอิสระดวยอัตราเร็วคงที่และไมเปนระเบียบจนกระทั่งชนกับโมเลกุล

อื่นหรือชนกับผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและอัตราเร็ว 4. โมเลกุลของแกสที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะ จะเกิดการถายโอนพลังงานใหแกกันไดแตพลังงานรวมของระบบมีคาคงที่ 5. ณ อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแกสแตละโมเลกุลเคลื่อนที่ดวยอัตราเร็วไมเทากัน แตจะมีพลังงานจลนเฉลี่ยเทากัน โดยที่ลังงาน

จลนเฉลี่ยของแกสจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน กาซที่มีสมบัติครบถวนตามทฤษฎีจลนเรียกวา กาซสมบูรณ ซึ่งไมมีจริง กาซจริงอาจมี สมบัติใกลเคียงกับกาซสมบูรณได ถาอยูใน

ระบบที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ํา กาซ สวนใหญโดยเฉพาะกาซเฉื่อยที่อุณหภูมิหอง ความดัน 1 บรรยากาศ มีสมบัติใกลเคียง กับกาซสมบูรณ

12 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ทฤษฎีจลนอธิบายปริมาตรของกาซ

สาเหตุที่กาซมีปริมาตรไมแนนอนซึ่งขึ้นอยูกับปริมาตรของภาชนะ เนื่องจากโมเลกุลของกาซมีขนาดเล็ก อยูหางกัน และมีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลนอยมากจนถือวาไมมีเลย ดังนั้นเมื่อบรรจุกาซไวในภาชนะใดก็ตามโมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งภาชนะไดอยางอิสระ กาซจึงมีปริมาตรไมแนนอนขึ้นอยูกับปริมาตรของภาชนะ

ทฤษฎีจลนอธิบายความดันของกาซ

เนื่องจากโมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ตลอดเวลา ชนกันเองบาง ชนกับผนังภาชนะบาง การที่โมเลกุลของกาซเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะตลอดเวลาทําใหเกิดแรงดัน ผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีตอหนวยพ้ืนที่ก็คือความดัน

กฎของบอยล เมื่ออุณหภูมิและมวลของกาซคงที่ ปริมาตรของกาซจะแปรผกผันกับความดัน

V ∝ 1/P n และ T คงที่ โดย k เปนคาคงที่ PV = k1 1

เมื่อมวลและอุณหภูมิคงที่ ผลคูณระหวางความดันกับปริมาตรของแกสในแตละสภาวะจะมีคาเทากัน

P V = P

กฎของชารลส เมื่อความดันและมวลของกาซคงที่ ปริมาตรของกาซจะ แปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

1 1 2V = P V2 3 3 = …= P Vn n = k1

V ∝ T n และ P คงที่ V/T = k2 โดย k เปนคาคงที่ 2

เมื่อมวลและความดันของแกสคงที่ ปริมาตรของแกสจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

/TV1 1 = V /T = V /T = …= V /T = k2 2 3 3 n n 2

13 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

ก าซ โดยการรวมกฎของบอลยและชารลเขาด เมื่อมวลของกาซคงที่ ฎรวมก วยกัน

วามดันคงที่) ความสัมพันธดังนี้

งที่ เมื่อมวลคงที่)

จากกฎของบอยล V ∝ 1/P (เมื่อมวลและอุณหภูมิคงที่)

จากกฎของชารล V ∝ T (เมื่อมวลและค ถารวมกฎของบอยลและกฎของชารล จะได

V ∝ T/P V = k T/P โดย k3 3 เปนคาค PV = k T (3

PV/T = k3

P1V = P1 2V2 = P3V3 = … = PnVn = k3 (เมื่อมวลคงที่) T1 T2 T3 Tn

เมื่อปริมาตรคงที่ ความดันของกาซที่มีมวลคงที่จํานวนหนึ่ง จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

กฎของเกย-ลุสแซก

หลักของอาโวกาโดร ภายใตสภาวะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ กาซที่มีปริมาตรเทากันจะมีจํานวนอนุภาคเทากัน หรือที่อุณหภูมิและ

ดันคงที่ ปริมาตรของกาซใด ๆ จะแปรผันโดยตรงกับจํานวนโมลของกาซนั้น

P ∝ T n คงที่ และ V

าตรและมวลของแกสคงที่ ความดันของแกสจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิลวิน

P1/T1 = P2/T2 = P3/T3 = …= Pn/Tn = k4

1 1 2 2 3 3 n n 5

P/T = k โดย k4 4 เปนคาคงที่ เมื่อปริมเค

ความ

V ∝ n T คงที่ และ PV/n = k โดย k5 5 เปนคาคงที่

เมื่ออุณหภูมิและความดันของแกสคงที่ ปริมาตรของแกสจะแปรผันตรงกับานวนโมลของแกส จํ

V /n = V /n = V /n = …= V /n = k

14 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

กฎของกาซสมบูรณ กาซที่มีปริมาตรเทากันวัดที่อุณหภูมิและความดันเดียวกันจะมีจํานวนโมเลกุลเทากัน จากกฎของบอยล V = k1/P (เมื่อโมลและอุณหภูมิคงที่) จากกฎของชารล V = k2T ( ื่อโมลและความดันคงที่)

ดร V = k5n (เมื่ออุณหภูมิและความดันคงที่)

∝

เมกฎของอาโวกาโ

จะได V nT/P V = RnT P PV = nRT เมื่อ R คือคาคงที่ของแกส R = 0.082058 L. . -1.atm mol K-1

ทฤษฎีจลนอธิบายก ของกาซ

) เมื่ออ หภูมิคง ถาเราทํ องกาซลดลง ความดันของอากาศในภาชนะจะเพิ่มขึ้นเพราะ โมเลกุลของกาซจะชนผนังภาชนะม ึ้น ทําใหมีแรงดันเพิ่มขึ้น ขาม ถ ิ่มขึ้น ความดันก็จะลดลง ทั้งนี้เพราะโมเลกุลของอากาศจะ

ตุผลที่อากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น เมื่อไดรับความรอนเพราะ เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น อัตราเร็วเฉลี่ยของนังของภาชนะบอย และแรง ทําใหอากาศภายในภาชนะมีแรงดันมากกวาความดันภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) อากาศ

จึงดันน้ําใ

ฎ

1 ุณ ที่ าใหปริมาตรขากข ในทางตรงกัน าทําใหปริมาตรของอากาศเพชนภาชนะดวยความถี่นอยลง 2) เมื่อความดันคงที่ เห

อากาศจะเพิ่มขึ้น โมเลกุลจึงชนผนภาชนะออกใหอากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันขาม เมื่ออุณหภูมิของอากาศในภาชนะลดลง จึงมีผลให อัตราเร็วเฉลี่ยของ

โมเลกุลลดลงจากเดิมจึงชนไดชาและเบากวาเดิม ดังนั้นความดันของอากาศในภาชนะจึงต่ํากวาความดันของอากาศภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) เปนผลใหความดันภายนอกดันน้ําใหเขาไปในภาชนะทําใหอากาศในภาชนะมีปริมาตรลดลง

3) เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ทําใหโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นโอกาสที่จะชนกันเอง และชนภาชนะก็จะแรงและบอยขึ้น เปนผลใหความดันมากขึ้น ( เมื่อปริมาตรยังคงเดิม ) พฤติกรรมของแกสจริง

แกสจริงจะมีพฤติกรรมเปนแกสสมบูรณแบบเมื่อความดันต่ํามากและอุณหภูมิสูงมาก

สมการกฎของแกสสมบูรณ PV = nRT สมการแวนเดอรวาลส (P + an2 )(V - nb) = nRT V2

a และ b คือ คาคงที่แวนเดอรวาลส

15 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

การแพรของกาซ การแพรของกาซ ( Diffusion of gases ) เปนการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของกาซตั้งแต 2 ชนิด ขึ้นไป เขาไปในบริเวณหนึ่ง ๆ ที่มีความเขมขนตางกัน โดยที่โมเลกุลของกาซแตละชนิดสามารถสอดแทรกผสมกลมกลืนกัน หรืออาจชนกันระหวางโมเลกุลของกาซที่เคลื่อนที่ผานนั้นได ดังรูป (a)

รแพรผานของกาซ ( ases ) หมายถึงกระบวนการที่กาซเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผานรูที่เล็กมาก ๆ ออกสูบริเวณอื่นดยโมเลกุลไมชนกันเอง ดังรูป (b)

: ที่อุณหภูมิและความดันคาหนึ่ง อัตราการแพรของกาซจะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุลของกส

เนื่องจากน้ําหนักโมเลกุ

r1 และ r2 คือ อัตราการแพรผานของแกสชนิดหนึ่งที่ 1 และ 2 M1 และ M2 คือ มวลตอโมลของแกสชนิดที่ 1 และ 2

กา Effusion of gโ

อัตราการแพรผานของกาซ คือ อัตราสวนระหวางระยะทางของกาซที่เคลื่อนที่จากจุดเริ่มตน ไปยังจุดจุดหนึ่งในแนวเสนตรงตอเวลา

กฎการแพรผานของแกรหมแ ลของแกสแปรผันตรงกับความหนาแนน จะได

1

2

1

2

2

1

dd

MM

rr

==

d และ d คือ มวลตอโมลของแกสชนิดที่ 1 และ 2 1 2

16 เอกสารประกอบการสอนวิชาเคมี 2 ว 40122 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ

5.5 เทคโนโลยีท่ีเก่ี องกับสมบัติของของแข็ง ของเหลว และแกส

1. การทําน้ําแข็งแหง

หลักการท คือ เพิ่มความดัน และลดอุณหภูมิ วัตถุดิบที่ใชคือ กาซ CO2

เริ่มจากการนํากาซคารบอนไดออกไซดมาทําใหเปนของเหลว โดยเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ จากนั้นทําใหคารบอนไดออกไซดบริสุทธิ์และปราศจากความชื้นดวยวิธีการที่เหมาะสมแลวเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิจนกระทั่งมีความดัน 18 atm และอุณหภูมิเทากับ -25 ๐

C แลวอัดคารบอนไดออกไซดเหลวผานรูพรุน คารบอนไดออกไซดเหลวสวนหน่ึงจะระเหยกลายเปนไอโดยดูดความรอนจากโมเลกุลขางเคียงูมิตํ่ากวาจุดเเยือกแข็ง จึงกลายเปนของแข็งที่มีลักษณะเปนเกล็ด เรียกวา

น้ําแข็งแหง งแหง ใชเปนสวนผสมในการทําฝนเทียม และใชในอุตสาหกรรมหองเย็น

2.

หลั เริ่ แลวผานอากาศที่ไดเขาเคร ึง 183 ๐C กาซออกซเจนจะกลายเป ยกตัวออกมา

: ประโยชน

ยวข

ํา

ทําใหโมเลกุลของคารบอนไดออกไซดเหลวที่ถูกดูดความรอนมีอุณหภ

: ประโยชนของน้ําแข็

การทําไนโตรเจนเหลว กการทํา คือ ลดอุณหภูมิ วัตถุดิบที่ใชคือ อากาศ มจากการดูดอากาศเขาเครื่องอัดอากาศ ผานลงในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซดเพื่อกําจัดกาซคารบอนไดออกไซด

ื่องกรองเพื่อแยกน้ํามันออก แลวทําใหแหงดวยสารดูดความชื้น จากนั้นทําใหอากาศแหงมีอุณหภูมิลดลงจนถนของเหลวแยกตัวออกมากอน และเมื่อลดอุณหภูมิตอไปจนถึง -196 ๐C ไนโตรเจนจะกลายเปนของเหลวแของไนโตรเจนเหลว ใชในโรงงานอุตสาหกรรมตาง ๆ เชน การแชแข็งอาหาร และใชในทางการแพทย