บทที่ 5 ของแข็ง ของเหลว แก๊ส
สมบัติของของแข็ง
1. ปริมาตรคงที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดภาชนะที่บรรจุ
2. มีรูปร่างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามรูปร่างของภาชนะ
3. มีอนุภาคอยู่ชิดติดกันอย่างมีระเบียบ
4. สามารถระเหิดได้
โมเลกุลของสารในสถานะของแข็งจะอยู่ชิดกันมาก
ของแข็งจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูงกว่าในสถานะของเหลว
ทำให้ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรแน่นอน ไม่เปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ
โมเลกุลของของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แตก็มีการสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา
1. การหลอมเหลว (melting) คือ
กระบวนการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิหนึ่งขณะที่ของแข็ง
หลอมเหลวอุณหภูมิจะคงที่เรียกว่า
จุดหลอมเหลวของแข็งบริสุทธิ์ต่างชนิดกันมีจุดหลอมเหลวต่างกันเพราะของแข็ง
แต่ละชนิดมีแรงยึดเหนี่ยวแตกต่างกันและจุดหลอมเหลวเป็นสมบัติเฉพาะตัวของสาร
ที่เป็นของแข็ง
2. การระเหิด (sublimation) คือ กระบวนการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นไอ
โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นของเหลวก่อน
ส่วนมากของแข็งที่ระเหิดได้เป็นของแข็งที่อนุภาคมีแรงยึดเหนี่ยวกันน้อยเช่นลูกเหม็น
(แนพทาลีน) การบูร ไอโอดีน น้ำแข็งแห้ง(co2(s))
ชนิดของผลึก
ผลึกของของแข็ง แบ่งเป็น 4 ชนิด คือ
1. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกและไอออนลบเรียงตัวสลับกันไปในลักษณะสามมิติ
แข็งแต่เปราะ มีจุดหลอมเหลวแลจุดเดือดสูง
ขณะเป็นของแข็งไม่นำไฟฟ้าแต่เมื่อหลอมเหลวหรืออยู่ในรูปสารละลายจะสามารถนำไฟฟ้าได้
ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ ได้แก่ สารประกอบออกไซด์ของโลหะหมู่ 1 และหมู่ 2 เกลือเฮไลด์ของโลหะ
2. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้อาจเป็นอะตอมหรือโมเลกุล
แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคอาจเป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้วของโมเลกุล
หรือเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ ผลึกประเภทนี้ค่อนข้างอ่อนหรือนิ่ม เช่น ผลึกของไอโอดีน
3. ผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย (Covalent crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นอะตอม
มีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร
อะตอมองค์ประกอบแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวกับอะตอมข้างเคียงสีอะตอมด้วยพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง
ผลึกประเภทนี้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงมาก มีความดันไอต่ำ และไม่ละลายตัวในสารละลายใดๆ
ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ คือ เพชร และแกรไฟต์
4. ผลึกโลหะ(Metallic crystal) อนุภาค
ของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกที่อยู่ท่ามกลางเวเลนต์อิเล็กตรอนแต่ละ
อิเล็กตตรอนเคื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งก้อนของโลหะผลึกประเภทนี้มีจุด
เดือดและจุดหลอมเหลวสูง
ดึงให้เป็นแผ่นและตีเป็นเส้นได้ง่าย ตตัวอย่าง โลหะโดยทั่วไป เช่น เหล็ก
เงิน
และทองคำ เป็นต้น
การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง
ธาตุต่างๆ
บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลายรูปแบบ
เราเรียกว่าอัญรูป (allotrope) ของธาตุเช่นกำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอมบิก
(rhombic) และมอนอคลินิก(monoclinic)การที่สารสามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบหนึ่งไปอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ
และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุดแทรนซิชัน (transition point)
การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน
กำมะถันมีหลายอัญรูป ได้แก่ รอมบิก (ออร์โทรอมบิก มอนอคลินิก พลาสติก) กำมะถันรอมบิก (s) มีสูตรโมเลกุลเป็น s8 ประกอบด้วยกำมะถัน 8 อะตอมต่อกันด้วยพันธะโควเวเลนต์ เป็นวง 8 เหลี่ยมรูปมงกุฎ
ไม่ละลายน้ำแต่ละลายในคาร์บอนไดซัลไฟต์ หรือ โทลูอีน
เมื่อนำมาให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิ
113 c แต่ถ้าให้ความร้อนอย่างช้าๆจะเกิด
การเปลี่ยนแปลงเป็นกำมะถันมอ
นอคลินิก ที่อุณหภูมิ 96 c ซึ่งมีจุดหลอมเหลว
119 c มีสูตรโมเลกุล s เหมือนกำมะถันรอมบิก
เมื่อหลอมเหลวจะกลายเป็นของเหลวสีเหลืองแต่ไหล
ได้ดี ถ้าให้ความร้อนต่อไป
จนอุณหภูมิสูงถึง 160 c วงs จะแตกออกเป็นสายยาวมีลักษณะข้นเหนียวและมีสีเข้มข้นมีสูตรโครงสร้าง
เมื่ออุณหภูมิ
2000 c วงกำมะถัน
จะแตกออกหมดต่อกันเป็นสายาวหรืออาจม้วนพันกันไปมากกลายไปมากลายเป็นของเหลวสีเข้มข้นและเหนียว
ถ้าเทลงน้ำเย็นทันทีเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจะได้กำมะถันพลาสติกซึ่งประกอบด้วยสายโซ่กำมะถันขดเป็นเกลียวแบบก้นหอยแต่ไม่เสถียร
มีลักษณะเป็นก้อนแข็งเหนียวไม่ละลายในตัวทำละลายในตัวทำละลายทุกชนิด
หลังจากนั้นกำมะถันพลาสติกจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกำมะถันรอมบิกที่อุณหภูมิห้อง
แต่ถ้าไม่เทกำมะถันลงในน้ำเย็นโดยให้ความร้อนต่อไปกำมะถันเหลวจะมีความเหนียวลดลงเพราะสายกำมะถันมีขนาดสั้นลงจนถึงอุณหภูมิ
444.6 c จึงเดือดกลายเป็นไอสีน้ำตาลไปของกำมะถันจะประกอบด้วยโมเลกุลของ
s8 ,s4 , s2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ลักษณะผลึกของกำมะถัน กำมะถันรอมบิกจะเป็นผลึกรูปเหลี่ยมสีเหลือง
ส่วนกำมะถันมอนอคลินิกมีลักษณะเป็นผลึกรูปเข็ม
สมบัติของของเหลว
เมื่อเหงื่อระเหยไปจากร่างกายเราจึงรู้สึกเย็นและ
การทำความเย็นในตู้เย็นหรือเครื่องทำความเย็น
ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว
ความดันไอ (Vapour Pressure)
ถ้าเอาของเหลวใส่ในภาชนะที่ไม่มีฝาปิด
เมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ ของเหลวจะมีปริมาตรลดลง และในที่สุดจะหมดไป ทั้งนี้เพราะว่าของเหลวนั้นได้ระเหยกลายเป็นไอไปสู่อากาศ
แต่ถ้าเอาของเหลวชนิดเดียวกันนี้ใส่ในภาชนะปิด
ไม่ว่าตั้งทิ้งไว้นานเท่าใดของเหลวนั้นจะมีปริมาตรลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
ทั้งนี้เพราะว่า เมื่อของเหลวกลายเป็นไอ
โมเลกุลที่ระเหยเป็นไอหนีไปสู่อากาศไมได้ยังคงอยู่ในภาชนะบริเวณที่ว่างเหนือของเหลวนั้น
โมเลกุลของไอเหล่านี้จะเคลื่อนที่ชนกันเอง ชนผิวของของเหลว และชนกับผนังภาชนะ
โมเลกุลที่เคลื่นที่ชนผิวหน้าของของเหลวส่วนใหญ่จะถูกของเหลวดูดกลับลงไปเป็นของเหลวอีก
ซึ่งเรียกว่า “ไอควบแน่นของของเหลว” เมื่อเวลาผ่านไปปริมาณไอมากขึ้นทำให้อัตราการควบแน่นเพิ่มขึ้น
โมเลกุลที่ยังคงอยู่ในสภาพไอทำให้เกิด
แรงกระทำต่อภาชนะ หรือมีความดันเกิดขึ้นในภาชนะ ซึ่งเรียกว่า “ ความดันไอ”
และความดันนี้จะมีค่ามากขึ้นเมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ
ทั้งนี้เพราะโมเลกุลที่ไอมีมากขึ้น เนื่องจากอันตราการระเหยมากกว่าอัตราการที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว
จนในที่สุดความดันไอจะมีค่าคงที่ค่าหนึ่ง เพราะมีจำนวนโมเลกุลที่เป็นไอคงที่
เนื่องจากอัตราการระเหยกลายเป็นไอมีค่าเท่ากับอัตราที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว
เราเรียกภาวะนี้ว่า “ภาวะสมดุล” แต่เนื่องจากที่ภาวะสมดุลนี้ระบบมิได้หยุดนิ่ง
ยังคงมีทั้งการระเหยกลายเป็นไอและไอควบแน่นเป็นของเหลว แต่เกิดในอัตราที่เท่ากัน
จึงเรียกภาวะสมดุลลักษณะเช่นนี้ว่า “สมดุไดนามิก (Dynamic equilibrium)” ส่วนความดันไอในขณะนี้ซึ่งเป็น
ความดันไอที่มีค่าสูงสุดเรียกว่า “ความดันไอสมดุล” หรือเรียกสั้นๆว่า
ความดันไอ
สรุปความหมายสมดุลไดนามิก
เป็นสมดุลของระบบที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ
เกิดขึ้นตลอดเวลา ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน ดังนั้น
ถึงแม้ว่าเราจะไม่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในภาวะสมดุลก็ตาม
ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงไปและกลับอยู่ตลอดเวลา
ปัจจัยที่มีผลต่อความดันไอของของเหลว
1.) อุณหภูมิ
- ที่อุณหภูมิสูง ของเหลวจะกลายเป็นไอได้มาก จึงมีความดันไอสูง
- ที่อุณหภูมิต่ำ ของเหลวจะกลายเป็นไอได้น้อย จึงมีความดันไอต่ำ
2) ชนิดของของเหลว
- ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมาก
จะระเหยได้ยาก จึงมีความดันไอต่ำ มีจุดเดือดสูง - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย
จะระเหยได้ง่าย จึงมีความดันไอสูงมีจุดเดือดต่ำ
สมบัติของแก๊ส
สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่
1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ
บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น
ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร
เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม)
น้อยมาก
จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ
2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้
ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ
ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm3 ที่อุณหภูมิ 0 C
ความดัน 1บรรยากาศ (STP)
3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก
เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm3แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm3 ที่100 C
4. แก๊สสามารถแพร่ได้
และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง
5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน
แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียว
หรือเป็นสารละลาย (Solution)
6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น
แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2)
มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น
การคำนวณเกี่ยวกับเรื่องก๊าซ
เมื่ออุณหภูมิและมวลของก๊าซคงที่
ปริมาตรของก๊าซจะแปรผกผันกับความดัน
กฎของชาร์ล
กฎของเกย์-ลูสแซก
ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ ใช้อธิบายสมบัติของก๊าซ
เสนอว่า
1.ก๊าซประกอบด้วยโมเลกุลที่มีขนาดเล็กมากอยู่ห่างกัน
และไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน
2. แต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอยู่ตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงที่ (แต่ไม่จำเป็นต้อง
เท่ากัน) จนกระทั่งชนกันเองหรือชนผนังภาชนะที่บรรจุ
จึงจะเปลี่ยนทิศทางและอาจเปลี่ยนอัตราเร็วด้วย
เมื่ออุณหภูมิคงที่อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของก๊าซชนิดหนึ่ง ๆ จะ คงที่
3.โมเลกุลของก๊าซมีพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง เท่ากับ 1/2 mV2 เมื่อ m คือ มวลของ
โมเลกุล และ V คือ อัตราเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุล
4.เมื่อโมเลกุลชนกันหรือชนผนังภาชนะ อาจจะมีการถ่ายพลังงาน
แต่ไม่มีการสูญเสีย พลังานรวม
5.ที่อุณหภูมิเดียวกัน ก๊าซทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน
พลังงานจลน์เฉลี่ยของก๊าซ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน ก๊าซที่มีสมบัติครบถ้วนตามทฤษฎีจลน์เรียกว่า
ก๊าซสมบูรณ์ ซึ่งไม่มีจริง ก๊าซจริงอาจมี สมบัติใกล้เคียงกับก๊าซสมบูรณ์ได้
ถ้าอยู่ในระบบที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ก๊าซ
ส่วนใหญ่โดยเฉพาะก๊าซเฉื่อยที่อุณหภูมิห้อง ความดัน 1 บรรยากาศ มีสมบัติใกล้เคียง
กับก๊าซสมบูรณ์
เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสมบัติของของแข็ง
ของเหลว และแก๊ส
น้ำแข็งแห้ง
ในอุณหภูมิห้องน้ำแข็งแห้งจะระเหิดกลายเป็นก๊าซ CO2 โดยไม่หลอมละลายเป็นของเหลวเหมือนน้ำแข็งทั่วไป จึงนิยมใช้ในอุตสาหกรรมห้องเย็น เช่น ใช้แช่แข็งอาหาร เพราะน้ำแข็งแห้งให้ความเย็นมากกว่าน้ำแข็งทั่วไปถึง 2-3 เท่าเมื่อเทียบโดยน้ำหนักหรือปริมาตรที่เท่ากัน การบรรจุน้ำแข็งแห้งในภาชนะปิดสนิทไม่มีช่องระบายอากาศจะทำให้เกิดการสะสมของก๊าซ CO2 ที่ระเหิดออกมา เมื่อถึงระดับหนึ่งจะเกิดแรงดันและระเบิดในที่สุด ดังนั้นในการขนส่งน้ำแข็งแห้งปริมาณมาก ๆ จะต้องเก็บในภาชนะบรรจุน้ำแข็ง โดยเฉพาะที่มีช่องระบายอากาศ ซึ่งนอกจากจะเป็นการป้องกันการระเบิดแล้วยังช่วยลดอัตราการระเหิดของน้ำแข็งได้
วิธีการทำน้ำแข็งแห้ง
1. ทำให้ก๊าชคาร์บอนไดออกไซด์กลายเป็นของเหลวโดยการเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ
2. ทำให้ก๊าชคาร์บอนไดออกไซด์เหลวที่ได้บริสุทธิ์และปราศจากความชื้นด้วยวิธีการที่เหมาะสม ก็จะได้ก๊าชคาร์บอนไดออกไซด์เหลวแห้งและบริสุทธิ์
3. นำก๊าซ CO2 เหลวที่แห้งและบริสุทธิ์มาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิจนมีความดันประมาณ 18 บรรยากาศ และอุณหภูมิประมาณ -25oc แล้วอัดผ่านรูพรุนจะได้ก๊าช CO2 ที่มีลักษณะคล้ายเกล็ดน้ำแข็ง
4. นำเกล็ดก๊าช CO2 มาอัดเป็นก้อนก็จะได้น้ำแข็งแห้ง
อันตรายของน้ำแข็งแห้ง
เราได้ทราบแล้วว่าน้ำแข้งแห้งมีประโยชน์มากมาย แต่ความอันตรายของน้ำแข็งแห้งก็มีมากมายเช่นกัน เช่นการหยิบจับ สัมผัส น้ำแข็งแห้งโดยตรง จะทำให้บริเวณที่สัมผัสไหม้จากความเย็นจัดได้ ดังนั้นจึงห้ามสัมผัสน้ำแข็งแห้งโดยตรง นอก
จากนี้อย่านำน้ำแข็งแห้งเก็บในตู้เย็นเพราะจะทำให้ระบบทำความเย็นหยุดการทำ
งานได้เนื่องจากน้ำแข็งแห้งมีความเย็นมากกว่าความเย็นในตู้เย็น
การสกัดสารโดยใช้ CO2 ในรูปของของไหล
การสกัดสารโดยใช้ CO2 ที่อยู่ในรูปของของไหล (CO2-Fluid) เป็นเทคโนโลยีชั้นสูง
เทคนิคการสกัดแบบนี้จะใช้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในรูปของของไหลแทนตัวทำละลายอินทรีย์ต่างๆ เช่น แอซีโตน เฮกเซน หรือเมทิลีนคลอไรด์ CO2 เมื่ออยู่ภายใต้ภาวะวิกฤติยิ่งยวด (supercritical state) คือที่อุณหภูมิ 31oc และความดัน 73 บรรยากาศ จะมีสภาพเป็นของไหล และมีสมบัติหลายประการที่เหมือนทั้งแก็สและของเหลว
สมบัติที่เหมือนแก๊สคือ ขยายตัวได้ง่ายจนเต็มภาชนะที่บรรจุ มีลักษณะไหลได้ส่วนสมบัติที่เหมือนของเหลว
คือมีความสามารถในการละลายของแข็งหรือของเหลวได้ดี ดังนั้นจึงสามารถใช้ในการสกัดสารประกอบที่ต้องการแยกออกจากของผสม
โดยการควบคุมอุณหภูมิและความดันให้เหมาะสม หรืออาจใช้เทคนิคนี้ในการทำสารให้บริสุทธิ์
เทคนิคนี้สามารถใช้สกัดสารได้หลายชนิดเนื่องจากเราสามารถทำให้ CO2 ในรูปของของไหลมีความหนาแน่นสูงหรือต่ำได้ตามต้องการ เป็นผลให้สามารถใช้ของไหลนี้เลือกละลายสารหรือองค์ประกอบที่ต้องการสกัดได้ตามสภาวะที่เหมาะสม
ปัจจุบันนี้นิยมใช้ CO2 ในรูปของของไหลสกัดคาเฟอีนออกจากเมล็ดกาแฟดิบแทนตัวทำละลายที่ใช้อยู่คือเมทิลีนคลอไรด์ โดยไม่ทำทำให้รสหรือกลิ่นของกาแฟเปลี่ยนไป เพราะว่า CO2 ที่ปะปนอยู่จะอยู่ในรูปแก๊สสามารถแพร่ออกจากเมล็ดกาแฟได้
นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้เทคนิคนี้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ อีก เช่น การสกัดน้ำมัน เรซิน และสารจากสมุนไพร เครื่องเทศ หรือพืช
ที่มา https://sites.google.com/site/wichakhemilem2m4/bth-thi-5-khxngkhaeng-khxnghelw-kaes
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น