กาซ ของแขง ของเหลว

สาร หรอ สสาร หมายถง สงทมมวล ตองการทอยและสมผสได เชน ทองค า น า และอากาศ สมบตของสาร หมายถง สมบตประจ าตวของสาร มทงสมบตทางกายภาพ ซงเกยวของกบลกษณะ

ภายนอกทสงเกตไดงาย เชน รปราง ส กลน สถานะ การละลาย จดเดอด ฯลฯ และ สมบตทางเคม ซงเกยวของกบปฏกรยาเคม เชน การเผาไหม ฯลฯ

สารตาง ๆ ทพบเหนกนอยทกวนน มจ านวนมากมาย สารตางชนดกนจะมสมบตสวนใหญแตกตางกน เชน มสถานะ รปราง ส กลน ฯลฯ แตกตางกน ในหนงสอเคมเลม 1 นกเรยนไดศกษาการจ าแนกสารตาง ๆ ออกเปนหมวดหมเพอใหงายแกการศกษาแลว ส าหรบในบทนนกเรยนจะไดศกษาเกยวกบการจ าแนกสารโดยใชสถานะเปนเกณฑ ซงจ าแนกสารออกเปนกาซ ของเหลว และของแขง นอกจากนจะไดศกษาสมบตตาง ๆ ของสารรวมทงการน าทฤษฎทเกยวของมาอธบายสมบตเหลานน เชน กฎของบอยล กฎของชารล กฎรวมของกาซ กฎการแพรของกาซ ทฤษฎจลนของกาซ การระเหยของของเหลว และการจดเรยงอนภาคในของแขง เปนตน

สถานะของสาร

โดยทวไป สารแบงออกเปน 3 สถานะ คอ ของแขง ของเหลว และกาซ ของแขง หมายถง สารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก ท าใหอนภาคอยใกลชดกน ดงนนจงมรปรางและปรมาตรของมนเอง โดยไมเปลยนไปตามรปรางของภาชนะทบรรจ เชน เหลก เกลอแกง และดางทบทม เปนตน ของเหลว หมายถง สารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยกวาของแขง ท าใหอนภาคไมไดอยชดกนอยางของแขง จงมปรมาตรทแนนอน แตมรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามลกษณะของภาชนะทบรรจ เชน น า เบนซน และปรอท เปนตน กาซ หมายถง สารทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยมาก ท าใหอนภาคฟงกระจายจนเตมภาชนะทบรรจตลอดเวลา ดงนนกาซจงมปรมาตรและรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามลกษณะของภาชนะทบรรจ เชน กาซนออน กาซออกซเจน และกาซคลอรน เปนตน ทอณหภมหอง สารตาง ๆ อาจจะมสถานะเปนของแขง ของเหลว หรอกาซกได ทงนขนอยกบชนดของสารนน ๆ สารตางชนดกนอาจมสถานะตางกนหรอเหมอนกนกได โดยทวไปสถานะของสารจะขนอยกบอณหภม และความดน สามารถท าใหสารตาง ๆ มสถานะเปนของแขง ของเหลว และกาซไดโดยใชอณหภมและความดนทเหมาะสม เชน ถาใชอณหภมสง ๆ และความดนต า ๆ สารมกจะอยในสถานะกาซ แตถาใชอณหภมต า ๆ และความดนสง ๆ สารมกจะอยในสถานะของเหลว และของแขง

2

โดยทว ๆ ไปสารตาง ทอยในธรรมชาตมกจะด ารงอยในสถานะเดยวทอณหภมและความดนปกต คอ อาจเปนของแขง ของเหลว หรอกาซเพยงอยางใดอยางหนง เชน เงน ตะกว จะอยในสถานะของแขง ปรอท และ น า อยในสถานะของเหลว มเธน และคารบอนไดออกไซด อยในสถานะกาซ เปนตน สารบางอยางอาจด ารงอยไดมากกวา 1 สถานะ พรอม ๆ กน เมอเลอกใชอณหภมและความดนทเหมาะสม เชน ในบางภาวะน า สามารถอยในสถานะของแขง (น าแขง) ของเหลว (น า) และกาซ (ไอน า) พรอม ๆ กนได แตอยางไรกตามสารสวนใหญจะไมสามารถด ารงอยได หลาย ๆ สถานะพรอม ๆกน แตสามารถเปลยนจากสถานะหนงไปยงอกสถานะหนงได โดยอาศยการเปลยนแปลงพลงงานความรอนดงน

ดดความรอน

ของแขง ของเหลว กาซ

คายความรอน รป การเปลยนสถานะของสารโดยอาศยการเปลยนแปลงพลงงาน

ตวอยางในตาราง ตอไปนแสดงใหเหนถงผลของการเปลยนแปลงอณหภมทมตอสถานะของสาร

ตาราง จดหลอมเหลวและจดเดอดของสารบางชนดท 1 บรรยากาศ

ชอสาร สถานะของสาร (ท 250C)

จดหลอมเหลว ( 0C )

จดเดอด ( 0C )

โซเดยม แคลเซยม ปรอท โบรมน ฮเลยม ไนโตรเจน

ของแขง ของแขง ของเหลว ของเหลว กาซ กาซ

97.8 838

-38.4 -7.2

-269.7 -210

892 1440 357 58

-268.9 -195.8

จากตารางจะเหนไดวา โซเดยมจดหลอมเหลว 97.8 0C มจดเดอด 892 0C ถาโซเดยมมอณหภมต ากวา 97.8 0C จะเปนของแขง ถามอณหภมระหวาง 97.8 - 892 0C จะเปนของเหลว และถามอณหภมสงกวา 892 0C จะเปนกาซ ดงนนจงสามารถท าใหสถานะของโซเดยมเปลยนแปลงไปเมออณหภมเปลยนแปลง

3

ส าหรบสารอน ๆ กพจารณาผลของอณหภมทมตอการเปลยนสถานะ ไดในท านองเดยวกน ท 25 0C โซเดยมและแคลเซยมมสถานะเปนของแขง เพราะทง 2 มจดหลอมเหลวสงกวา 25 0C ปรอท และโบรมนมสถานะเปน ของเหลว เพราะวามจดหลอมเหลวต ากวา 25 0C แตมจดเดอดสงกวา 250C ในขณะทฮเลยมแลไนโตรเจนมสถานะเปนกาซ เพราะมจดเดอดต ากวา 25 0C จากขอมลในตาราง จะพบวาสารตาง ๆ มจดหลอมเหลวและจดเดอดตางกน แสดงวาจดหลอมเหลวและจดเดอดเปนสมบตเฉพาะตวของสาร ดงนนจงสามารถใชขอมลเกยวกบจดหลอมเหลวและจดเดอด ชวยในการบอกชนดของสารได ดงทไดกลาวมาแลว สถานะตาง ๆของสารนอกจากจะขนอยกบอณหภมแลวยงขนอยกบความดนดวย ตวอยางเชน กรดอะซตก หรอกรดน าสม (CH3COOH) ทความดน 1 บรรยากาศ ถามอณหภมสงกวา 117.9 0C จะมสถานะเปนกาซ ถามอณหภมระหวาง 16.6 - 117.9 0C จะมสถานะเปนของเหลว และถามอณหภมต ากวา 16.6 0C จะมสถานะเปนของแขง แตถาใชความดน 10 mmHg จะสามารถเดอดและมสถานะเปนกาซไดทอณหภมต ากวา 50 0C เปนตน

สมบตของกาซ

กาซมสมบตโดยทว ๆ ไปดงน 1.กาซมรปรางและปรมาตรไมแนนอน ขนอยกบลกษณะของภาชนะทบรรจ ถาภาชนะมรปรางและ ปรมาตรอยางไร กาซจะมรปรางและปรมาตรเปนอยางนน เชน เมอบรรจกาซจ านวนหนงลงในถงรปลกบาศกทมปรมาตร 10 ลตร จะไดกาซทมปรมาตร 10 ลตร และมรปรางเปนรปลกบาศกตามถงนน การทเปนเชนนเพราะกาซมการแพรหรอฟงกระจายไดอยางอสระจนเตมภาชนะเสมอ 2.กาซมการเคลอนทตลอดเวลาโดยมทศทางการเคลอนทไมแนนอน (Random Motion) กลาวคอ กาซจะเคลอนทออกจากจด ๆ หนงอยางไมเปนระเบยบหรออยางอสระทกทศทางซงตางจากของแขง ทอนภาคเกอบจะเคลอนทไมไดเลย หรอของเหลวทอนภาคเคลอนทไดบาง แตมขอบเขตของการเคลอนทคอนขางจ ากด การทกาซเคลอนทไดงายกวาหรอไดเรวกวา แสดงวามพลงงานจลนมากกวา 3.กาซแพรไดเรวกวาเพราะแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยกวาของเหลวและของแขงซงเปนเหตใหโมเลกลของกาซแยกจากกนไดงาย ถาน ากาซหลาย ๆ ชนดทไมท าปฏกรยากนมาผสมกนในภาชนะใบเดยวกน กาซทกชนดจะแพรจนเตมภาชนะไดเปนสารละลายกาซ 4.ทอณหภมและความดนหนง ๆกาซมความหนาแนนนอยกวาของเหลวและของแขง 5.โดยทว ๆ ไปกาซจะมลกษณะโปรงใสซงมนษยสมารถมองทะลผานไปได กาซบางชนดอาจจะมสมบตเฉพาะตว เชน มกลน หรอสทแตกตางจากกาซอน ๆ เชน กาซ F2 (สเหลองออน) , Cl2 (สเขยวตอง

4

ออน) , Br2 (สแดง) , I2 (สมวงแดง) , NO2 (สน าตาลแดง) , SO2 (มกลนฉนแสบจมก) และ H2S (มกลนกาซไขเนา) เปนตน 6.ปรมาตรของกาซขนอยกบอณหภมและความดน ถาอณหภมและความดนเปลยนไปจะท าใหปรมาตรเปลยนไปดวย แสดงวาอณหภม ความดน และปรมาตรเปนสมบตของกาซซงมสวนสมพนธซงกนและกน อณหภมและความดนจะมผลตอการเปลยนแปลงปรมาตรของกาซมากกวาของเหลวและของแขง กลาวคอ เมออณหภมสงขน กาซจะขยายตวมปรมาตรเพมขนและเมออณหภมลดลง กาซจะหดตวลงท าใหปรมาตรลดลง แตการเปลยนอณหภมอาจจะไมมผลตอการเปลยนปรมาตรของของเหลว และของแขงเลยกได เนองจากสมบตของกาซขนอยกบอณหภมและความดน ดงนนในการกลาวถงปรมาตรของกาซ จงตองระบอณหภมและความดนควบคกนไปทกครง ถาไมระบอาจจะถอวาใหความหมายไมสมบรณ เชน กาซ H2 มปรมาตร 22.4 ลตร ท 0 0C , 1 atm จดวามขอมลทสมบรณ อณหภม ใชสญญลกษณเปน T (เคลวน) และ t (เซลเซยส) เปนมาตราสวนทใชบอกระดบความรอนของสาร แตไมไดบอกใหทราบวาสารนนมปรมาณความรอนเทาใด กลาวคอ สารทรอนเทากน จะมอณหภมเทากน แตอาจจะมปรมาณความรอนเทากน หรอไมเทากนกได ขนอยกบ มวล และ คาความจความรอนของสาร เครองมอทใชวดอณหภมเรยกวา เทอรโมมเตอร ซงมหลายชนด บางชนดอาจจะใชสารทบรรจในเทอรโมมเตอรเปนของเหลว เชน ปรอท น า แอลกอฮอล บางชนดอาจจะใชกาซบรรจในเทอรโมมเตอรเรยกวา เทอรโมมเตอรกาซ เชน ใช H2 และอากาศ การเลอกใชสารใสในเทอรโมมเตอรตองอาศยการขยายตวของสารนน ซงเปนสมบตเฉพาะตวของสารแตละชนด การก าหนดมาตราสวนของอณหภมในเทอรโมมเตอรมกจะใชจดเยอกแขงและจดเดอดของของเหลว เชน น าเปนหลก โดยการวดจดเยอกแขงและจดเดอดของน าทความดน 1 บรรยากาศ แลวแบงชวงระยะระหวางจดเดอดกบจดเยอกแขงออกเปนชองเทา ๆ กนตามความตองการ กลายเปนมาตราสวนอณหภม เชน แบงออกเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกน แตละชองเรยกวา 1 องศา เปนตน มาตราสวนหรอหนวยทใชวดอณหภมมหลายชนด เชน 1.หนวยเซลเซยสหรอเดมเรยกวา เซนตเกรด (0C) แบงมาตรสวนระหวางจดเยอกแขงและจดเดอดของน าเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกน แตละชองเรยกวา 1 0C 2.หนวยฟารเรนไฮด (0F) แบงมาตรสวนระหวางจดเยอกแขงและจดเดอดของน าเปน 180 ชอง ๆ เทา ๆกน แตละชองเรยกวา 1 0F 3.หนวยเคลวน (K) หรอหนวยอณหภมสมบรณ (Absolute Temperature) เปนหนวย SI แบงมาตราสวนระหวางจดเยอกแขงและจดเดอดของน าเปน 100 ชอง ๆ เทา ๆกน แตละชองเรยกวา 1 K จะเหนไดวามาตรสวนของอณหภมเซลเซยสและเคลวนมคาเทากน แตละชองเปน 1 องศาทมขนาดเทากน

5

ส าหรบจดเยอกแขงและจดเดอดของน าซงใชเปนตวก าหนดมาตราสวนของอณหภมทง 3 แบบมคาดงน จดเยอกแขงของน า = 0 0C = 273.15K = 32 0F จดเดอดของน า = 100 0C = 373.15 K = 212 0F

375.15

273.15

0(K)

100

0

-273.15

212

-32

-459.7(0C) (0F)

เคลวน เซลเซยส ฟารเรนไฮด

รปท 4.2 เปรยบเทยบมาตราสวนระหวางอณหภมเคลวน เซลเซยสและฟาเรนไฮด

อณหภมทง 3 ชนด เขยนเปนความสมพนธทางคณตศาสตรไดดงน

T = 273.15 + t T = 273.15 +

95 ( F - 32 )

t = 95 ( F - 32 )

เมอ T = อณหภมเคลวน t = อณหภมเซลเซยส F = อณหภมฟาหเรนไฮด หรออาจจะใชคาประมาณไดดงน T = 273.15 + t T = 273.15 +

95 ( F - 32 )

t = 95 ( F - 32 )

ความดน ใชสญลกษณเปน P หมายถงแรงทกระท าตอหนงหนวยพนท ความดนเปนสมบตอยางหนงของของไหล (เรยกของเหลวและไอหรอกาซรวมกนวา ของไหล) ความดนสามารถใชบอกทศทางการเคลอนทของอของเหลวและกาซได คอ ทงของเหลวและกาซจะเคลอนทจากสวนทมความดนสงไปสสวนทมความดนต ากวาเสมอ

6

เครองมอทใชวดความดนเรยกวา บารอมเตอร (Barometer) ซงมลกษณะตาง ๆ กน บารอมเตอรมกจะท าดวยปรอทซงเปนของเหลวทมความหนาแนนมาก โดยใชหลอดแกวยาวและตรงมพนทหนาตดเทากนตลอดขนาด 1 cm2 ยาวประมาณ 100 cm ปลายดานหนงปด บรรจปรอทจนเตมหลอดแลวคว าปลายดานเปดลงบนอางปรอท ระดบปรอทจะลดลงเลกนอยและท าใหมทวางตอนบนของหลอดแกวเปนสญญากาศ (ดในรป) การทปรอทสวนหนงยงคางอยภายในหลอดแกวกเนองจากแรงกดดนของบรรยากาศทมตอผวหนาของปรอทในอางปรอท ซงแสดงวามวลของบรรยากาศหรอความกดดนของบรรยากาศทมตอผวปรอทในอางจะตองเทากบความกดดนทเกดจากมวลของปรอทในหลอดแกว ซงกดลงมายงอางปรอท จงท าใหระดบความสงของปรอท มคาคงท ดงนนความสงขอลปรอทในหลอดแกวจงเทากบความดนของบรรยากาศนนเอง ถาใชพนทหนาตดของหลอดแกวเทากบ 1 cm3 ปกตจะไดล าปรอทสงประมาณ 76 cm หรอ 760 mm ซงเรยกวา 1 บรรยากาศ (atm)

รปท 4.3 เครองมอวดความดน (บารอมเตอร)

ในกรณทจะวดความดนของกาซอาจจะใชเครองมออกชนดหนงเรยกวา นาโนมเตอร (Nanometer)ซงเปนหลอดแกวรปตวย อาจจะเปนชนดปลายเปดทงสองดาน หรอปลายปดดานใดดานหนงกได ดงรป

รป เครองมอวดความดนของกาซ (มาโนมเตอร)

7

ส าหรบชนดปลายเปด (รป ก. ) กาซจะดนปรอทใหขนไปทางดานปด ความดนของกาซจะเทากบความแตกตางระหวางความสงของระดบปรอททงสอง ดาน (h) (เนองจากชองวางเปนสญากาศจงไมตองน าความดนบรรยากาศมาคด) ส าหรบชนดปลายเปดทง 2 ดาน (รป ข. ) กาซจะดนปรอทขนไปทางดานปลายเปดอกดานหนงดงในรป ความดนของกาซจะเทากบความแตกตางระหวางความสงของระดบปรอททง 2 ดาน (h) บวกกบความดนของบรรยากาศ

การค านวณความดนจากบารอมเตอร

เมอใชหลอดแกวยาวทมพนทหนาตด (เทากนตลอด) ขนาด 1 ตารางเซนตเมตร บรรจปรอทจนเตมแลวคว าลงบนอางปรอท จะไดล าปรอทสง h เซนตเมตร (ดรป 4.3 ประกอบ) จาก แรง (F) = มวลปรอท (m) x แรงดงดดของโลก (g) มวลของปรอท = ปรมาตรปรอท (V) x ความหนาแนนปรอท (d) เพราะฉะนน F = mg = Vdg = (Ah)dg เมอ A = พนทหนาตดของปรอท เนองจาก

ความดน(P) = (A) พนท(F) แรง

เพราะฉะนน P = dgAAh

= hdg ดงนนถาทราบความสงของปรอทและความหนาแนนของปรอท จะสามารถค านวณความดนของบรรยากาศในขณะนนได เชน ท 25 0C ระดบปรอทสง 76.1 เซนตเมตร จะค านวณความดนไดดงน 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 ความดนมาตรฐาน คอ ความดนเฉลยของบรรยากาศทระดบน าทะเลซงท าใหปรอทสง 76 เซนตเมตรท 0 0C และใหเทากบ 1 บรรยากาศ ( 1 atm) ความดนมาตรฐาน ( 1 atm) ในเทอมของ dyne/cm2 จะเปนดงน P (1 atm) = hdg

8

= (76.0 cm) x (13.596 g/cm3) x (980.7 cm/s2) = 1.013 x 106 dyne cm-2 หนวยของความดนทใชนอกจากจะใช atm หรอ dyne cm-2 แลว ยงมหนวยอน ๆ อก เชน นวตนตอตารางเซนตเมตร ( N/cm2) , นวตนตอตารางเมตร (N/m2) หรอ ปาสคาล ซงเปนหนวย S.I. ( 1 Pa = 1 kg/m. s2 ), ปอนดตอตารางนว (pound per square inches) หรอ p.s.i ) , mm Hg หรอ torr เปนตน หนวยของความดนทใชมากคอ atm และ mm Hg และ Pa ซงมความสมพนธกนดงน 1 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

อณหภมและความดนมาตรฐาน ใชสญลกษณ เปน STP ซงยอมาจาก Standard Temperature and Pressure หรอ NTP ซงยอมาจาก Normal Temperature and Pressure เนองจากปรมาตรของกาซเปลยนแปลงไปตามอณหภมและความดน การระบปรมาตรจงตองระบอณหภมและความดนควบคกนเสมอ เพอความสะดวกส าหรบการเปรยบเทยบปรมาตรของกาซจงไดก าหนดสภาวะอางองซงเปนสภาวะมาตรฐานของกาซขนมาดงน อณหภมมาตรฐานของกาซ คอ 00C หรอ 273.15 K (273 K โดยประมาณ) ความดนมาตรฐานของกาซ คอ 1 atm หรอ 760 mm Hg

ปรมาตรของกาซ ใชสญลกษณเปน V หมายถง ปรมาตรของภาชนะทบรรจกาซ ทงน เพราะถอวากาซไมมปรมาตรโมเลกล (ขนาดของกาซเลกมากจนตองตดทงไดเมอเทยบกบขนาดของภาชนะทบรรจ ดรายละเอยดในหวขอทฤษฎจลน) และกาซสามารถแพรกระจายจนเตมภาชนะทบรรจเสมอ ในกรณของเหลว และของแขง การหาปรมาณอาจจะใชวธชงมวล เพราะทงของแขงและของเหลวมมวลมาก หรออาจจะใชวดปรมาตรกได แตในกรณของกาซ ซงมความหนาแนนนอยกวาของเหลวและของแขงมาก มวลจงมคานอย การหาปรมาณของกาซโดยการชงมวลจงไมสะดวก ในทางปฏบตจงใชปรมาตรแทนโดยระบอณหภมและความดนดงทกลาวมาแลว กลาวไดวาปรมาตรของกาซ (V) เปนฟงกชนของอณหภมและความดนรวมทงปรมาณ ( โมล) ของกาซดวย

9

หนวยของปรมาตรทใชกนทวไปคอ dm3 และ cm3 ซงเปนหนวย S.I และลตร กบ มลลลตร ซงเปนหนวยเมตรก โดยก าหนดให

1 ลตร = 1000.027 cm3 = 1 dm3 (โดยประมาณ) 1 มลลลตร = 1.000027 cm3 = 1 cm3 (โดยประมาณ) เพราะฉะนน 1 dm3 = 103 cm3 = 1 ลตร = 103 มลลลตร ปรมาตรของกาซผสมทอยรวมกนในภาชนะใบหนง จะมลกษณะทแตกตางจากของผสมทเกดจากของเหลว หรอของแขงผสมกน ถาน าของเหลว หรอของแขงมาผสมกนปรมาตรจะตองเพมขนเสมอ ไมวาสารเหลานนจะรวมเปนเนอเดยวกนหรอไม แตถาน ากาซมาผสมกนจะรวมเปนเนอเดยวกนเสมอ และกาซแตละชนดจะยงคงมปรมาตรเทากนกบภาชนะทบรรจอยโดยถอวา กาซทกตวในกาซผสมจะแพรจนเตมภาชนะซงปรมาตรของกาซผสมจะไมเปลยนแปลง

ประเภทของกาซ นกวทยาศาสตรแบงกาซออกเปน 2 ประเภทดงน ก. กาซอดมคต ( ideal gas) หรอกาซสมบรณ (perfect gas) เปนกาซสมมตทนกวทยาศาสตรก าหนดขนมา เพออธบายพฤตกรรมบางอยางของกาซ กาซอดมคตไมมอยในธรรมชาต หมายถง กาซซงไมมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ไมมปรมาตรโมเลกล (ถอวาเปนเพยงจดทอยในภาชนะทบรรจกาซเทานน ซงมคานอยมาก เมอเปรยบเทยบกบขนากของภาชนะ ท าใหสามารถตดทงไดและถอวาไมมปรมาตร) กาซอดมคตจะมพฤตกรรมตาง ๆเปนไปตามกฎของกาซอดมคต เชน กฎของบอยล แลกฎของชารลส ข. กาซจรง (real gas) หมายถง กาซทมอยในธรรมชาตจรง ๆ เชน H2 , O2 CO2 , ฯลฯ มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล มปรมาตรโมเลกล มพฤตกรรมทไมเปนไปตามกฎของกาซอดมคต กาซจรงจะมพฤตกรรมเปนกาซอดมคต หรอคลายกบกาซอดมคตเมออณหภมสง ๆ และเมอความดนต า ๆ ซงอาจจะท าใหโมเลกลของกาซอยหางกนมาก ท าใหมจ านวนโมเลกลนอย ซงกาซจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยจนถอวาไมมและจดไดวาเปนกาซอดมคต

1ปรมาตรของกาซ

ดงทไดกลาวมาแลววาปรมาตรของกาซเปลยนแปลงไปตามขนาดของภาชนะทบรรจ และปรมาตรของกาซขนอยกบอณหภมและความดน เมออณหภม หรอความดนเปลยนแปลงไปจะมผลท าใหปรมาตรของกาซเปลยนแปลงไปดวย ดงเชนการศกษาปรมาตรของกาซจากกฎของบอยล กฎของชารลส และกฎรวมของกาซ เปนตน

10

ก. กฎของบอยล (Boyle , s Law)

เปนกฎทใชแสดงความสมพนธระหวางปรมาตรกบความดนของกาซเมออณหภมและมวลของกาซคงท ในป ค.ศ. 1662 (พ.ศ. 2205) นกวทยาศาสตรชอ โรเบรต บอยล (Robert Boyle) ไดศกษาสมบตของกาซในแงของความดนและปรมาตรโดยใชอากาศเปนตวอยางและพบวา “เมอใชอณหภมและมวลของกาซคงท ปรมาตรของกาซจะแปรผกผนกบความดน” ตอมาเรยกขอความดงกลาววา กฎของบอยล เมอเขยนเปนความสมพนธในทางคณตศาสตรจะไดดงน V P

1 เมออณหภมและมวลคงท

ได V = Pk หรอ PV = k

เมอ V = ปรมาตรของกาซ P = ความดนของกาซ k = คาคงท เมอศกษาสมบตของกาซจ านวนหนง ทอณหภมคงท จะไดความสมพนธระหวาง P กบ V ทภาวะตาง ๆ ดงน P1V1 = P2V2 = P3V3 = …….. คา k ขนอยกบชนดของกาซ อณหภม มวลหรอปรมาณทใช หนวยของ P และ V หมายความวา กาซตางชนดกนจะมคา k ไมเทากน หรอกาซชนดเดยวกนแตใชอณหภมตางกน หรอใชหนวยของ P และ V ตางกน คา k กจะไมเทากน ดงนน k จะคงทส าหรบกาซชนดหนง เมอทดลองทอณหภมเดยวกนใชมวลเทากน และใชหนวยของ P , V เหมอนกน จากสมการ PV = k จะเหนไดวาเมอณหภมและมวลของกาซคงท “ผลคณของปรมาตรและความดนของกาซจะคงท แมวาปรมาตรและความดนจะเปลยนแปลงไป” ซงสามารถน าไปค านวณเกยวกบ P และ V ของกาซทภาวะตาง ได

11

รป การทดลองตามกฎของบอยล

จากกฎของบอยลนอกจากจะแสดงโดยอาศยสมการทางคณตศาสตรแลว ยงสามารถพจารณาไดจากลกษณะของกราฟซงม 3 แบบดงน แบบท 1 เมอเขยนกราฟระหวาง P กบ V ถาเปนไปตามกฎของบอยลจะไดกราฟไฮเปอรโบลาร (Hyperbolar)

จาก V = Pk

เมอ P = 0 ได V = V = 0 ได P = ดงนนลกษณะของกราฟไฮเปอรโบลารจะไมตดแกน P หรอแกน V ลกษณะของกราฟจะแตกตางกนเมอใชอณหภมไมเทากน กราฟแตละเสนทแสดงความสมพนธระหวาง P กบ V เมออณหภมคงทเรยกวา เสนกราฟไอโซเทอม (Isotherm) กระบวนการทดลองทอณหภมคงทเรยกวากระบวนการไอโซเทอรมอล (Isothermal Process)

รปท 4.6 ความสมพนธระหวาง P กบ V เมอ T และ n คงท

แบบท 2 เมอเขยนกราฟระหวาง P กบ V

1 จะไดกราฟเสนตรงทผานจดก าเนด (Origin) ทงนพจารณาจาก

12

V = Pk = k P

1 + 0 หรอ P = k V1 + 0

ซงสอดคลองกบสมการเสนตรง y = ax + b ดงนนเมอเขยนกราฟระหวาง P กบ V

1 หรอ V

กบ P1 จะไดกราฟเสนตรงทมความชน (Slope = k และมจดตด (Intercept) = 0 หรอกราฟผานจด

ก าเนดนนเอง ) ถากาซนนเปนกาซอดมคตซงเปนไปตามกฎของบอยล เมอเขยนกราฟจะไดเสนตรง ในแตละอณหภมจะไดเสนตรงทมความชนไมเทากน เสนกราฟไอโซเทอม (อณหภมเทากน) ทอณหภมสงจะมความชนมากกวาทอณหภมต า แตอยางไรกตามถาตอเสนกราฟออกไปทก ๆ เสนจะไปพบกนทจดก าเนดดงในรป

รปท 4.7 ความสมพนธระหวาง P กบ V

1 (หรอ V กบ P1 )

แบบท 3 เมอเขยนกราฟระหวาง PV กบ P หรอ PV กบ V จะไดกราฟเสนตรงทขนานกบแกน P (หรอ V ตามล าดบ) หรอเปนกราฟทมความชน = 0 นนเอง ทงนพจารณาไดจาก PV = k ซงผลคณของ P กบ V จะมคาคงท ถงแมวาคาของ P และ V จะเปลยนแปลงกตาม

รป ความสมพนธระหวาง PV กบ P (หรอ PV กบ V)

13

การพจารณาวากาซชนดหนง ๆ มพฤตกรรมเปนไปตามกฎของกาซอดมคต เชน กฎของบอยล หรอไมนอกจากจะพจารณาจากสมการทางคณตศาสตรแลว ยงสามารถพจารณาไดจากลกษณะของกราฟ ซงถาเปนกาซอดมคตเมอเขยนกราฟจะไดรปกราฟทสอดคลองกบแบบทง 3 ในกรณทเปนกาซจรงจะมพฤตกรรมเบยงเบนไปจากกฎของกาซอดมคต คอไมเปนไปตามกฎของบอยล (P1V1 P2V2 ) ลกษณะของกราฟทไดกจะเบยงเบนไปจากกราฟของกาซอดมคต ดงเชน กรณของกาซ H2 , He , N2 , CH4 และ CO2 ท 40 0 C ในชวงความดนบรรยากาศ 0 - 800 atm เมอเขยนกราฟ PV กบ P จะไดดงน

รป ความสมพนธระหวาง PV กบ P ของกาซจรง

ตาราง ตวอยางแสดงความสมพนธระหวาง P กบ V ของกาซ 1 โมล ทอณหภมตาง ๆ กน กาซ He

P (atm) V (dm3) PV (dm3 atm) -100 0C 0 0C 100 0C -100 0C 0 0C 100 0C

5 25 50 75

100

2.851 0.579 0.296 0.201 0.154

4.489 0.907 0.459 0.310 0.236

6.124 1.234 0.623 0.419 0.317

14.235 14.493 14.797 15.106 15.420

22.447 22.684 22.980 23.276 23.573

30.621 30.848 31.133 31.417 31.702

14

กาซ H2 5

25 50 75

100

2.848 0.577 0.294 0.199 0.153

4.491 0.910 0.462 0.313 0.238

6.132 1.239 0.627 0.423 0.321

14.240 14.434 14.701 14.992 15.309

22.457 22.739 23.097 23.461 23.830

30.662 30.973 31.363 31.752 32.141

ข. กฎของชารลส (Charles , law)

หรอกฎของชารลสและเกยลสแซก ใชแสดงความสมพนธระหวางปรมาตรกบอณหภมของกาซ เมอความดนและมวลของกาซคงท ในป ค.ศ. 1787 (พ.ศ. 2330) จาคส ชารลส (Jacques Charles) นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส ไดทดลองหาความสมพนธระหวางปรมาตรกบอณหภมของกาซตาง ๆ หลายชนด เชน H2 , อากาศ , O2 , และ CO2 ในชวงอณหภม 0 - 80 0 C และพบวาปรมาตรของกาซจะเพมขนเมออณหภมของกาซเพมขน โดยกาซแตละชนดจะขยายตวไดเทากน ตอมาเกยลสแซก (Joseph Gay - Lussac) นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศสเชนเดยวกน ไดท าการทดลองในท านองเดยวกบชารลสแตท าอยางละเอยดมากกวา และพบวาถาความดนของกาซคงท เมออณหภมเพมขน 1 0C จะท าใหปรมาตรของกาซเพมขน 273.15

1 เทาของปรมาตรท 0 0C

ถาให V0 = ปรมาตรท 0 0C V = ปรมาตรท t 0C เมออณหภมเพมขน t 0C จะไดปรมาตรตามความสมพนธดงน V = V0 + 273.15

1 V0T = V0( 1 + 273.15t )

= V0 273.15 t) (273.15

ถาให T = 273.15 + t T0 = 273.15

จะได V = V0(0T

T ) หรอ TV =

00

TV

เนองจากกาซแตละชนดจะม 00

TV

คงท ดงนน TV จงมคาคงท หรอ T

V = k

แสดงวา V จะแปรผนตาม T คอเมอ T เพมขน V จะเพมขน T ลด V จะลดลงดวย ตอมาจงไดมผน าผลการทดลองของนกวทยาศาสตรทงสองมาสรปเปนกฎ เรยกวากฎของชารลสและเกยลสแซค หรอเรยกสน ๆ วา กฎของชารลส มใจความส าคญดงน “เมอความดนและมวลของกาซคงท ปรมาตรของกาซจะแปรผนโดยตรง กบอณหภมเคลวน”

15

เขยนเปนความสมพนธทางคณตศาสตรไดดงน V T (เมอความดนและมวลของกาซคงท) เพราะฉะนน V = kT หรอ T

V = k

หรอ 11

TV

= 22

TV

= nn

TV

= …….

เมอ k เปนคาคงทซงขนอยกบชนดของกาซ ความดน มวล และหนวยของ V และ T T เปนอณหภมเคลวน ในท านองเดยวกนกบกฎของบอยล กฎของชารลสกสามารถแสดงพฤตกรรมของกาซดวยกราฟไดเชนเดยวกน ซงสามารถเขยนกราฟได 2 แบบดงน แบบท 1 เมอเขยนกราฟ V กบ T จะไดกราฟเสนตรงทผานจดก าเนด ทงนพจารณาจากสมการ V = kT ซงเปนสมการเสนตรง มคาความชน = k ลกษณะของกราฟจะมความชนแตกตางกน เมอใชความดนไมเทากน ในกรณทใชกาซชนดเดยวกน แตความดนไมเทากน กราฟทความดนต าจะมความชนมากกวากราฟทความดนสง ในกรณทใชกาซตางชนดกนแตใชความดนเทากน จะไดความชนของกราฟ แตกตางกนเชนเดยวกน ทงนขนอยกบชนดของกาซ กราฟแตละเสนทท าการทดลองทความดนคงทเรยกวา “เสนกราฟไอโซบาร (Isobar)” ซงทก ๆ จดบนเสนกราฟจะมความดนเทากน

ก. กาซชนดเดยวกน ( P ไมเทากน) ข. กาซตางชนดกน (P เทากน)

รป ความสมพนธระหวางปรมาตรของกาซกบอณหภมเคลวน แบบท 2 เมอเขยนกราฟระหวาง V กบ t (0C) จะไดกราฟเสนตรงซงมจดตดอยบนแกน V และมคาความชนตาง ๆ กนตามชนดของกาซและความดนทใช

16

ก. กาซชนดเดยวกน ( P ไมเทากน) ข. กาซตางชนดกน (P เทากน)

รป ความสมพนธระหวางปรมาตรของกาซกบอณหภมเซลเซยส จะเหนไดวาถงแมจะใชกาซชนดเดยวกนและเลอกความดนไมเทากน คาความชนและจดตดของเสนกราฟไอโซบารแตละเสนจะไมเทากน ในกรณทเปนกาซตางชนดกนคาความชนและจดตดกไมเทากนเชนเดยวกน เมอตอเสนกราฟทง 2 แบบไปตดแกนอณหภมจะพบวากาซทกชนดและทกความดนจะไปตดแกนอณหภมทเดยวกน คอ -273.15 0C ซงเปนจดทกาซอดมคตมปรมาตร เทากบ 0 จากลกษณะของกราฟดงกลาว นกวทยาศาสตรไดก าหนดใหอณหภม -273.15 0C เทากบอณหภม 0 เคลวน และสรางความสมพนธระหวางอณหภมเซลเซยสและเคลวนดงน อณหภมเคลวน = 273.15 + อณหภมเซลเซยส T = 273.15 + t หรอ T = 273 + t เมอแทน T = 273 + t ลงในกฎของชารลส V = kT จะได V = kT = k(273 + t ) เพราะฉะนน V = kt + 273k ซงเปนลกษณะของสมการเสนตรง (y = ax + b) เมอเขยนกราฟระหวาง V กบ t จงไดจดตด = 273k และความชน = k ดงกลาวแลว) ถาเขยนกราฟระหวาง V กบ T และ V กบ t ในรปเดยวกนจะไดดงน

17

รปท 4.2 ความสมพนธระหวางปรมาตรของกาซกบอณหภม

ทอรหภม 0 เคลวน หรอ -273.15 0C กาซทกชนดจะมปรมาตรเปนศนย นนคอถาลดอณหภมของกาซใหต าลงจนถง 0 เคลวน จะไมมปรมาตรของกาซเหลออย อยางไรกตามในทางปฏบตพบวากาซจะเปลยนสถานะเปนของเหลวจนหมดกอนทอณหภมจะลดลงถง 0 เคลวน ดงนนปรากฏการณทกาซจะมปรมาตรเปนศนยท 0 เคลวนจงเปนเพยงการคาดคะเนตามทฤษฎเทานน

รป การทดลองตามกฎของชารลส

ค.กฎของเกยลสแซก (Gay - Lussac, s Law) กฎของเกยลสแซค หรอกฎของอามนตน (Amanton s law) ใชแสดงความสมพนธระหวางความดน (P) กบอณหภม (T) มใจความดงน “เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท ความดนของกาซจะแปรผนโดยตรงกบอณหภมเคลวน” กลาวคอเมอปรมาตรและมวลของกาซคงท ถาความดนของกาซเพมขน อณหภมของกาซจะเพมขนดวย และถาความดนลดลงอณหภมของกาซจะลดลง เขยนแสดงความสมพนธในเชงคณตศาสตรไดดงน P T เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท เพราะฉะนน P = kT หรอ T

P = k

และ 1T

P1 = 2T2P หรอ

2P1P =

2T1T

18

ตาราง ตวอยางความสมพนธระหวาง P กบ T เมอใชกาซ He 1 โมล ใสในภาชนะ 22.4 ลตร P (atm) 0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5 T(K) 136.5 163.8 218.4 173.0 327.6 409.5

เมอน าขอมลทไดมาเขยนกราฟระหวาง P กบ T และ P กบ t จะไดดงน

รป ความสมพนธระหวาง P กบ T และ P กบ t

ง. กฎของอาโวกาโดร (Avogadro, s law)

ใชแสดงความสมพนธระหวางปรมาตรกบจ านวนโมลของกาซ มใจความดงน “เมออณหภมและความดนคงท ปรมาตรของกาซจะแปรผนโดยตรงกบปรมาณ (จ านวนโมล) ของกาซนน ในขณะทอณหภมและความดนคงท ถาจ านวนโมลของกาซเพมขน ปรมาตรของกาซจะเพมขนดวยและถาจ านวนโมลของกาซลดลงปรมาตรของกาซจะลดลงดวย เขยนเปนความสมพนธทางคณตศาสตรดงน V n เมอความดนและอณหภมคงท เพราะฉะนน V = kn หรอ n

V = k และ

1n1V

= 2n2V หรอ

2V1V

= 2n1n

ตาราง ตวอยางความสมพนธระหวาง V กบ n ของ N2 ท 1 atm 273 K

n (โมล) 0.1 0.2 0.5 0.8 1.0 2.0 V (dm3) 2.24 4.48 11.2 17.92 22.4 44.8

19

ถาน าขอมลดงกลาวมาเขยนกราฟระหวาง V กบ n จะไดดงน

รป ความสมพนธระหวาง V กบ n

จ. กฎรวมของกาซ และ สมการภาวะของกาซอดมคต

(Combined gas law : equation state of ideal gas) กฎรวมกาซ เปนการน ากฎของบอยลและกฎของชารลสมารวมกน เพอแสดงความสมพนธระหวาง P , V และ T ของกาซดงน จากกฎของบอยล V P

1 เมออณหภมและมวลคงท จากกฎของชารลส V T เมอความดนและมวลคงท เมอรวมกน V P

T เมอมวลคงท

เพราะฉะนน V = k PT หรอ T

PV = k

เมอตองการค านวณเกยวกบการเปลยนภาวะของกาซ จากอณหภมและความดนหนงไปเปนอณหภมและความดนอน ๆ ใชความสมพนธดงน

1T1V1P =

2T2V2P

= ……

สมการดงกลาวเรยกวา กฎรวมของกาซ ในกรณทอณหภมคงท ใชกฎของบอยลได ในกรณทความดนคงทใชกฎของชารลสได แตถาอณหภมและความดนไมคงทจะใชกฎของบอยลและกฎของชารลสไมได จะตองใชกฎรวมกาซแทน ดงนนกฎรวมกาซจงสามารถใชค านวณเกยวกบ P , T และ V ของกาซตาง ๆ ไดโดยไมตองม P , V หรอ T คงท แตตองมมวล หรอ โมล (n) ของกาซคงท

20

สมการภาวะของกาซอดมคต เปนการน ากฎของบอยล กฎของชารลสและกฎของอาโวกาโดรมารวมกน เพอใชหาความสมพนธระหวาง P , V , T และ n ของกาซ

ในกรณทปรมาณของกาซไมคงท จะใชกฎรวมของกาซ 1T1V1P =

2T2V2P ไมได ตองเปลยนมา

ใชสมการภาวะของกาซอดมคตซงเขยนเปนความสมพนธทางคณตศาสตรไดดงน จากกฎของบอยลและชารลส V P

T จากกฎของอาโวกาโดร V n เมอรวมกน จะได V P

nT

หรอ V = PRnT

หรอ PV = nRT เรยกสมการ PV = nRT นวา “สมการภาวะของกาซอดมคต” หรอเรยกวากฎของกาซอดมคต หรอกฎของกาซสมบรณ ใชค านวณเกยวกบ P , V , T และ n ของกาซตาง ๆ ทกชนด ทกสภาวะโดยไมตองมตวแปรตวใดตวหนงคงท R เรยกวา คาคงทสากลของกาซ (Universal constant) หรอเรยกสน ๆ วา คาคงทของกาซ R เปนคาคงทสากลทไมไดขนอยกบชนดของกาซ ไมขนอยกบอณหภม ความดน หรอปรมาตรและปรมาณของกาซทใช แตขนอยกบหนวยของ P , V , T และ n หมายความวา ไมวาจะใชกาซใดกตาม ถาใชหนวยของ P , V , T และ n เหมอนกนจะตองมคา R เทากน ในทก ๆ สภาวะของ P , V , T และ n ทใช แตถาใชหนวยของ P , V , T และ n ตางกน ถงแมวาจะเปนกาซชนดเดยวกนทสภาวะเดยวกนคา R จะแตกตางกน เชน R = 0.082 atm . l . K-1. Mol-1 หมายความวา กาซทกชนดเชน O2 , H2 , CO2 , ถาใชหนวยของ V เปน l (ลตร) , P เปน atm , T เปน K , และ n เปน mol จะตองมคา R = 0.082 เทากน

การหาคา R คา R ของกาซใด ๆ ค านวณไดจากความสมพนธ

R = nTPV

โดยพจารณาจากกาซ 1 โมล ซงมปรมาตร 22.414 ลตรท STP ( 00C , 1 atm) เมอแทนคา P , V , T และ n ลงในสมการจะไดคา R ดงน

21

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

l.)22.414 ( )atm 1 (

= 0.08205 atm . l . K-1. Mol-1 (หรอ R = 0.082 atm . l . K-1. Mol-1 ซงเปนคาโดยประมาณทนยมใชกน) แตถาใชหนวยของ P , V , T และ n เปลยนไป คา R จะเปลยนไป เชน

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

.)cm22414 ( )atm 1 ( 3

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

คา R นอกจากจะพจารณาในเทอมของ P , V , T และ n แลว ยงสามารถพจารณาในหนวยอน ๆ เชน หนวยพลงงานและงาน เปนตน ดงในตารางตอไปน

ตารางท 4.6 คาคงทของกาซในหนวยตาง ๆ ( T เปนเคลวน , n เปนโมล) P V R

atm atm

mm.Hg

l cm3 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 หมายเหต 1 J = 107 ergs 1 cal = 4.184 J.

การค านวณเกยวกบกฎของกาซอดมคตส าหรบวชาเคมในระดบนสวนใหญใชคา R = 0.082 l. atm . K-1. Mol-1

สมการของกาซอดมคตกบมวลโมเลกลและความหนาแนน จากการค านวณเกยวกบโมล n = M

W = 2310x 6.02N

เมอ N = จ านวนโมเลกล M = มวลโมเลกล W = มวล n = โมล

22

เมอน ามาประยกตเขากบสมการของกาซอดมคต PV = nRT จะสามารถค านวณเกยวกบมวลโมเลกลและความหนาแนนของกาซ (d) ได PV = nRT = M

W RT

เพราะฉะนน M = PRT

VW . = P

RTd

หรอ d = RTPM

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

จะเหนไดวาสมการของกาซอดมคต นอกจากจะใชค านวณเกยวกบ P , V, T และ n ของกาซทภาวะตาง ๆ แลว ยงสามารถน ามาค านวณเกยวกบมวลโมเลกลและความหนาแนนของกาซได ถามขอมลของ P , V, T และ w (หรอ d) จะหา M ได ในท านองกลบกนถาทราบ M กค านวณ d ไดเชนเดยวกน ส าหรบความหนาแนนของกาซ ซงขนอยกบอณหภมและความดน ถาเปนกาซชนดเดยวกน อาจจะค านวณความหนาแนนทภาวะหนงจากภาวะอน ๆ ได โดยพจารณาในเชงเปรยบเทยบดงน จาก d = RT

PM ส าหรบกาซชนดเดยวกน M จะเทากน ท T และ P ตางกน

จะได d1 = 1RT

1PM และ d2 = 2RT

2PM

1T2P2T1P

2d1d

หรอ

2P

2T2d

1P1T1d

แตถาเปนกาซตางชนดทม T และ P เทากน จะได P

RT1d 1M และ

PRT

2d 2M

จะได 2d1d

1M1M

ดงนนเมอทราบความหนาแนนของกาซชนดหนง จะสามารถหาความหนาแนนของกาซอกชนดหนงทอณหภมและความดนเดยวกน (ถาอณหภมและความดนตางกนใชสตรนไมได) ส าหรบการค านวณเกยวกบจ านวนโมเลกล (N) ของกาซ เมอทราบ P , V , และ T จะท าไดดงน PV = nRT = 2310x 6.02

NRT หรอ

23

N = 2310x 6.02RTPV

ตวอยางการค านวณกฎของบอยล

ตวอยางท 1 กาซ N2 จ านวน 10.0 dm3 ท 25 0 C อานคาความดนได 0.40 atm ก. ถาเพมความดนเปน 2.0 atm จะมปรมาตรเปนเทาใด ? (สมมตกาซขยายตวโดยอณหภมไมเปลยนแปลง) ข. ถาลดปรมาตรของภาชนะใหเหลอ 5.0 dm3 ทอณหภม 25 0C เทาเดมจะวดความดนไดเทาใด? วธท า เนองจากเปนการทดลองทอณหภมและมวลของกาซคงท จงเปนไปตามกฎของบอยล ก. จาก P1V1 = P2V2 P1 = 0.40 atm P2 = 2.0 atm V1 = 10.0 dm3 V2 = ? แทนคาในสตร จะได 0.40 x 10.0 = 2.0 x V2 V2 = 2.0 dm3 ข. ในท านองเดยวกนกบขอ ก. P1 = 0.40 atm P2 = ? atm V1 = 10.0 dm3 V2 = 5.0 dm3 แทนคาในสตร จะได 0.40 x 10.0 = 5.0 x P2 P2 = 0.8 atm ตวอยางท 2 กาซออกซเจน จ านวนหนงบรรจในถงปดทปรบขนาดได จากการทดลองพบวาท 30 0C วดความดนได 380 mm.Hg ในปรมาตร 500 cm3 ก. ถาตองการใหความดนเพมขนอกเทาตว จะตองลดปรมาตรลงก cm3 ข. ถาขยายปรมาตรใหเพมขน 100 cm3

ความดนจะลดลงก mm.Hg วธท า โจทยไมก าหนดวาอณหภมเปลยนแปลง ดงนนถอวาอณหภมคงท ใชกฎของบอยลค านวณสงทตองการได

24

ก. จาก P1V1 = P2V2 P1 = 380 mm.Hg P2 = 380 + 380 = 760 mm.Hg V1 = 500 cm3 V2 = ? cm3 แทนคาในสตร จะได 380 x 500 = 760 x V2 V2 = 250 cm3 ปรมาตรจะลดลง = 500 - 250 = 250 cm3 ข. ปรมาตรเพม 100 cm3 P1 = 380 mm.Hg P2 = ? mm.Hg V1 = 500 cm3 V2 = 500 + 100 cm3 แทนคาในสตร จะได 380 x 500 = P2 x 600 P2 = 316.7 mm.Hg ความดนจะลดลง = 380 - 316.7 = 63.3 mm.Hg ตวอยางท 3 กาซ He จ านวนหนงอยในถงปดท 20 0C วดความดนได 400 mmHg. ถาน ากาซ He ทงหมดมาใสในถงอกใบหนงขนาด 20 dm3 ปรากฏวาเหลอ 150 mmHg. ถงทบรรจกาซในตอนแรกมปรมาตรเทาใด ? วธท า จากกฎของบอยล P1V1 = P2V2 P1 = 400 mm.Hg P2 = 150 mm.Hg V1 = ? dm3 V2 = 20 dm3 แทนคาในสตร จะได 400 x V1 = 150 x 20 V1 = 7.5 dm3 ปรมาตรในตอนแรกเทากบ 7.5 ลตร

25

ตวอยางกฎของชารลสและเกยลสแซก

ตวอยางท 4. กาซออกซเจนจ านวนหนงวดปรมาตรได 200 cm3 ท 27 0C ความดน 700 mmHg

ก. ถาท าใหอณหภมเปน 40 0C จะมปรมาตรเทาใด (ความดนคงท) ข. ถาตองการใหเหลอปรมาตรเพยง 120 cm3 ท 700 mmHg จะตองท าทอณหภมเทาใด ? วธท า

เนองจากความดนคงทจง เปนไปตามกฎของชารลส 11

TV

= 22

TV

ก. V1 = 200 cm3 T1 = 273 + 27 = 300 K V2 = ? cm3 T2 = 273 + 40 = 313 K แทนคาในสตร จะได

300200 = 313

V2

V2 = 208.7 cm3 ข. V1 = 200 cm3 T1 = 273 + 27 = 300 K V2 = 120 cm3 T2 = ? K แทนคาในสตร จะได 300

200 = 2T

120

T2 = 180 K ตองท าทอณหภม 180 K หรอ -93 0C ตวอยางท 5 กาซไนโตรเจน 2.5 ลตรท 1 atm 30 0C ก. ถาเพมอณหภม 10 0C ปรมาตรจะเพมกลตร ข. ถาตองการใหปรมาตรลดลง 300 cm3 จะตองลดอณหภมก 0C (ก าหนดใหการทดลองทง 2 กรณ ท าทความดนคงท )

วธท า เพราะวาความดนคงท จงเปนไปตามกฎของชารลส 11

TV

= 22

TV

26

ก. เพมอณหภม 10 0C V1 = 2.5 dm3 T1 = 273 + 30 = 303 K V2 = ? dm3 T2 = 273 + (30 + 10 ) = 313 K แทนคาในสตร จะได

3032.5 = 313

2V

V2 = 2.583 dm3 ข. ปรมาตรลดลง 300 cm3 = 0.300 dm3

V1 = 2.5 dm3 T1 = 273 + 30 = 303 K V2 = 2.5 - 0.300 dm3 T2 = ? K แทนคาในสตร จะได 303

2.5 = 2T

2.200

T2 = 266.6 K ตองท าทอณหภม 266.6 K หรอเทากบ 266.6 - 273 = -6.4 0C เพราะฉะนนตองลดอณหภมลง 30 - (-6.4) = 36.4 0C ตวอยางท 6 เมอน าของเหลว A 5 กรมมาท าใหเปนไอทงหมดท 40 0C ความดน 380 mmHg ในถงพลาสตกซงไมมการขยายตวขนาด 10 dm3 ถาตองการใหความดนลดลง 100 mmHg จะตองท าทอณหภมเทาใด ?

วธท า เนองจากปรมาตรคงท จงใชสมการ 1T

P1 = 2T2P

P1 = 380 mmHg P2 = 380 - 100 = 280 mmHg T1 = 273 + 40 = 313 K T2 = ? K แทนคาลงในสมการ จะได

27

313

380 = 2T

280

T2 = 230.6 K ตองท าทอณหภม 230.6 เคลวน หรอ -42.4 องศาเซลเซยส

ตวอยางกฎรวมของกาซ

ตวอยางท 7.กาซออกซเจนจ านวนหนงท 27 องศาเซลเซยส บรรจอยในถงขนาด 1.5 ลตร วดความดนได 0.8 atm ถาน าออกซเจนทงหมดนใสในถงอกใบหนงขนาด 2.5 ลตร ท 0 0C จะอานความดนไดเทาใด ? วธท า

จากกฎรวมกาซ 1T1V1P =

2T2V2P

P1 = 0.8 atm P2 = ? atm V1 = 1.5 dm3 V2 = 2.5 dm3 T1 = 273 + 27 = 300 K T2 = 273 K

แทนคาในสมการจะไดวา 2732.5x 2P

3001.5x 0.8

P2 = 0.427 atm ตวอยางท 8 กาซเฉอย Ne 800 cm3 ท STP ก. มปรมาตรกลตรท 30 0C 152 mmHg ข. ถาน าทงหมดไปบรรจในถงขนาด 500 cm3 ความดน 2 atm จะอานอณหภมไดกองศาเซลเซยส วธท า ท STP คอ 0 องศาเซลเซยส 1 atm

ใชกฎของกาซ คอ 1T1V1P =

2T2V2P

ก. P1 = 760 mmHg P2 = 152 mmHg V1 = 800 cm3 V2 = ? dm3 T1 = 273 K

28

T2 = 273 +30 = 303 K

แทนคาในสมการจะไดวา 303 2x V 152

273 0.8x 760

V2 = 4.44 dm3 เพราะฉะนน จะมปรมาตร 4.44 ลตร ท 30 0C 152 mmHg

ข. P1 = 1 atm P2 = 2 atm V1 = 800 cm3 V2 = 500 cm3 T1 = 273 K T2 = ? K

แทนคาในสมการจะไดวา 2T

500x 2 273 800x 1

T2 = 341.3 K เพราะฉะนนอานอณหภมได 341.3 K ตวอยางท 9 กาซ CO2 จ านวนหนงท 30 องศาเซลเซยส 0.5 atm วดปรมาตรได 10.0 ลตร ก. กาซ CO2 จ านวนนหนกกกรม ข. กาซ CO2 จ านวนนมกโมเลกล วธท า เนองจากโจทยถามเกยวกบปรมาณของกาซ จงเลอกใชสตร PV = nRT ก. จาก PV = nRT = M

W RT P = 0.5 atm w = ? g R = 0.082 dm3 atm K-1 mol-1

V = 10.0 dm3 M = มวลโมเลกล = 44 T = 273 +30 303 K แทนคาในสมการจะได 0.5 x 10.0 = 44

W x 0.082 x 303 w = 8.85 g เพราะฉะนนจะมกาซ CO2 8.85 กรม

29

ข. จาก PV = 2310x 6.02NRT

N = จ านวนโมเลกล 0.5x 10.0 = 2310x 6.02

303x 0.082x N

N = 1.21 x 1023 โมเลกล เพราะฉะนนจะมกาซ CO2 1.21 x 1023 โมเลกล

2การแพรของกาซ

จากการศกษาสมบตตางๆ ของกาซทผานมาจะพบวาเกยวของกบอณหภม ความดนและปรมาตร แตไมเกยวของกบมวลของกาซ ในทนจะไดศกษาสมบตอกอยางหนงของกาซคอการแพร เนองจากโมเลกลของกาซมการเคลอนทตลอดเวลาดวยอตราเรวเฉลยคงท ขณะทเคลอนทอาจจะชนกนเองบางชนกบโมเลกลของอากาศทกาซนนเคลอนทผานหรอชนกบผนงภาชนะบางจงท าใหทศทางการเคลอนทไมแนนอน ลกษณะของการเคลอนทดงกลาวของกาซทเกดขนในทกทศทางกคอการแพรนนเอง การแพรของกาซแบงออกเปน 2 ประเภทตามลกษณะของการเคลอนท ก. การแพร (diffusion) เปนกระบวนการทกาซ แพรจากสวนทมความดนสง ไปสทมความดนต า โดยทโมเลกลของกาซจะเคลอนทอยางเปนกลมกอนผานชองเลก ๆ ในขณะทเคลอนทอาจจะมการชนกนเองบาง ชนกบผนงภาชนะบาง ลกษณะการแพรดงกลาวนจดวาเปนการแพรทเกดขนตามความเปนจรง ข. การแพรผาน (effusion) เปนกระบวนการทกาซแพรจากสวนทมความดนสง ไปสสวนทมความดนต า โดยทโมเลกลของกาซจะเคลอนทผานชองเลก ๆ ทละโมเลกลไมมการชนกนเองระหวางโมเลกลทก าลงเคลอนท และไมมการชนกบผนงภาชนะ ลกษณะการแพรดงกลาวนจงเปนเพยงการแพรตามทฤษฎ (ideal flow) ไมไดเกดขนจรง เนองจากการแพรและการแพรผานมความหมายใกลเคยงกน ดงนนจะใชการแพรแทนทงการแพรผานและการแพร เครองมอทใชวดอตราการแพรของกาซเรยกวา effusionmeter การแพรเปนปรากฏการณตามธรรมชาตของกาซหรอไอทแพรกระจายออกไปจากภาชนะทบรรจซงจะพบไดเสมอ ๆ ในชวตประจ าวน ตวอยางเชน การแพรของสารทมกลนหอม เชน น าหอม อาหาร หรอกลนบด เนาของอาหาร ของของเสยตาง ๆ เปนตน โมเลกลของสารตาง ๆ เหลานน จะแพรผานอากาศมากระทบกบจมก ในบางกรณจะตองอยใกล ๆ กบสารเหลานนจงจะไดกลน แตบางกรณถงแมจะอยไกลออกไปยงคงไดกลนของสารนน ๆ บางครงเมอเปดขวดน าหอมจะไดกลนน าหอมภายในเวลาไมกวนาท แตบางครงกอาจจะใชเวลานาน ๆ จงจะไดกลน การทเปนเชนนน เนองจากสารทมกลนเหลานน มมวลโมเลกลหรอความหนาแนนไมเทากน ท าใหความสามารถในการแพรไมเทากน

30

กฎการแพรของเกรแฮม (Graham , s law of diffusion)

หรอกฎการแพรผานของเกรแฮม (Graham , s law of effusion) โดยนกวทยาศาสตรชาวสกอต ชอ โทมส เกรแฮม (Thomas Graham) เกรแฮมไดเสนอผลงานทไดจากการศกษาเกยวกบอตราการแพรของกาซชนดตาง ๆ และพบวาการแพรเปนสมบตประจ าตวของกาซ กาซชนดตางกนสวนใหญจะมอตราการแพรไมเทากน โดยทอตราการแพรของกาซมสวนสมพนธกบมวลโมเลกล กาซทมมวลโมเลกลมากจะแพรไดชากวากาซทมมวลโมเลกลนอย และเนองจากมวลโมเลกลของกาซแปรผนโดยตรงกบความหนาแนน ดงนนการแพรของกาซจงมสวนสมพนธกบความหนาแนนดวย คอกาซทมความหนาแนนมากกวาจะแพรไดชากวากาซทมความหนาแนนนอย ภายหลงไดน ามาสรปเปนกฎเรยกวากฎการแพรของเกรแฮม ดงน “ ภายใตอณหภมและความดนเดยวกน อตราการแพรของกาซใด ๆ จะเปนสดสวนผกผนกบรากทสองของมวลโมเลกล หรอความหนาแนนของกาซ” ถาให V = อตราการแพรของกาซ M = มวลโมเลกลของกาซ d = ความหนาแนนของกาซ จะสามารถเขยนกฎของเกรแฮมไดดงน M

1 V และ d1 V

หรอ Mk V และ d

k V/

เมอ k , k/ เปนคาคงท โดยทว ๆ ไปไมนยมหาอตราการแพรสมบรณ (absolute) ของกาซเพราะมความยงยากมาก ในทางปฏบตท าในลกษณะของการเปรยบเทยบระหวางกาซชนดตาง ๆ 2 ชนด

จาก Mk V

จะได, กาซชนดท 1 1M

k 1V

กาซชนดท 2 2M

k 2V

ดงนน 1M2M

2V1V

เมอทราบอตราการแพรของกาซชนดหนงจะสามารถหาอตราการแพรของกาซอกชนดหนงได ในเทอมของความหนาแนน จะพจารณาอตราการแพรในเชงการเปรยบเทยบไดในท านองเดยวกน

31

1d2d

2V1V

เมอน ามารวมกนจะได

1M2M

2V1V

1d2d

รวมทงไดความสมพนธระหวางมวลโมเลกลและความหนาแนนของกาซ คอ d M (ภายใตอณหภมและความดนเดยวกน มวลโมเลกลของกาซจะแปรผนโดยตรงกบความหนาแนนของกาซ กาซทมมวลโมเลกลมาก จะมความหนาแนนมาก) ในกรณทตองการพจารณาอตราการแพรของกาซในเทอมของระยะและเวลาใหแทนอตราการแพร

(t) เวลา(s) ระยะทาง V ลงในสตรดงกลาวซงจะไดความสมพนธทว ๆ ไปดงน

1M2M

2s2t .

1t1s

2V1V

1d2d

ในกรณทการแพรของกาซมระยะทางเทากน ( s1 = s2 ) จะได

1M2M

1t2t

2V1V

1d2d

ในกรณทการแพรของกาซมระยะทางเทากน ( s1 = s2 ) จะได

1M2M

2s1s

2V1V

1d2d

กฎการแพรของกาซนอกจากจะใชค านวณเกยวกบอตราการแพรของกาซแลว ยงสามารถใชค านวณมวลโมเลกลหรอความหนาแนนของกาซไดดวย โดยการค านวณเปรยบเทยบกบกาซททราบมวลโมเลกลหรอความหนาแนน นอกจากนยงสามารถใชหลกการแพรของกาซผสมทมมวลโมเลกลตางกนมาก ๆ ออกจากกนไดดวย เชนเมอ ตองการแยกกาซผสมระหวาง CH4 กบ CO2 จะท าไดโดยน ากาซผสมไหแพรผานผนงทมรพรนไปสสญญากาศ กาซ CH4 มมวลโมเลกลนอยกวา CO2 จะมอตราการแพรเรวกวาดงนนในการแพรในชวงแรก ๆ จะไดกาซสวนใหญเปน CH4

32

ตวอยางการค านวณเกยวกบกฎการแพรของกาซ

ตวอยางท 1 จงเรยงล าดบอตราการแพรของกาซใดตอไปนจากเรวไปหาชาตามล าดบ Ne, N2 , NO , O2 , Ar วธท า จากกฎการแพรของเกรแฮม “อตราการแพรของกาซจะแปรผกผนกบรากทสองของมวลโมเลกล แสดงวากาซยงมมวลโมเลกลมากจะยงมอตราการแพรชาลง มวลโมเลกลของ Ne = 20 , N2 = 28 , NO = 30, O2 = 32 , Ar = 39 เรยงล าดบมวลโมเลกลไดดงน Ne < N2 < NO < O2 < Ar เพราะฉะนนอตราการแพรจะชาลงดงน Ne > N2 > NO > O2 > Ar ตวอยางท 2 ถากาซ X มมวลโมเลกลเทากบ 81 เคลอนทในภาชนะหนงไดระยะทาง 30 เซนตเมตรในเวลา 2 วนาท กาซ Y มมวลโมเลกลเทากบ 25 จะเคลอนทไดในระยะทางกเซนตเมตรในเวลา 4 วนาท วธท า เนองจากโจทยก าหนดเกยวกบระยะทางและมวลโมเลกลจงเลอกใชสตร

1M2M

2s2t .

1t1s

2V1V

s1 = ระยะทางท X เคลอนท 30 cm s2 = ระยะทางท Y เคลอนท ? cm t1 = เวลาท X เคลอนท 2 วนาท t2 = เวลาท Y เคลอนท 4 วนาท M1 = มวลโมเลกลของ X = 81 M2 = มวลโมเลกลของ Y = 25

เพราะฉะนนจะได 8125

2s4x 2

30

s2 = 108 cm เพราะฉะนนกาซ Y เคลอนทได 108 เซนตเมตร ตวอยางท 3 ท 25 องศาเซลเซยส 1 atm กาซ A มความหนาแนนเปน 3 เทาของกาซ B ถากาซ A แพรได 50 cm ในเวลา 20 วนาท ก. กาซ B จะแพรไดเรวก cm/วนาท ข. ถาตองการใหกาซ B แพรไดเรว 80 cm จะตองใชเวลากวนาท วธท า

ก. จาก AdBd

BVAV

33

วนาท 20cm 50

AtAS

AV = 2.5 cm/วนาท

13

AdBd

หรอ 31

BdAd

เพราะฉะนนแทนคาในสตรจะได

31

BV2.5

VB = 4.33 cm/วนาท

ข. จาก 1d2d

BsBt .

AtAs

BVAV

SA = 50 cm SB = 80 cm tA = 20 วนาท tB = ? เพราะฉะนนแทนคาในสตรจะได

31 80

Btx 2050

tB = 18.5 วนาท

3ทฤษฎจลนของกาซ (The kinetic theory of gases)

ทฤษฎจลนของกาซ ใชอธบายเกยวกบลกษณะและพฤตกรรมของกาซ มใจความส าคญดงน 1.กาซประกอบดวยอนภาคเลก ๆ เรยกวา “โมเลกล" 2.โมเลกลของกาซเปนโมเลกลอสระมขนาดเลกมาก อยหางกนและไมมแรงกระท าตอกน 3.โมเลกลของกาซจะเคลอนทอยางเปนอสระเปนเสนตรงตลอดเวลา และเคลอนทอยางไมเปนระเบยบในทกทศทาง (random movement) ดวยความเรวเฉลยคงท (แตละโมเลกลจะมความเรวไมเทากน) จนกวาจะชนกนเองหรอภาชนะทบรรจ จงจะเปลยนทศทางและอาจเปลยนความเรวดวย 4.โมเลกลของกาซชนกนเองหรอชนกบภาชนะแบบยดหยนสมบรณ (perfect elastic) คอเมอชนกนแลวไมมการสญเสยพลงงานจลนรวม ไมมการเปลยนแปลงเปนพลงงานรปอน แตมการถายเทพลงงานจลนระหวางโมเลกลได 5. เมออณหภมคงท อตราเรวเฉลยของโมเลกลของกาซชนดหนง ๆ จะคงท 6.ทความดนต า ๆ และทอณหภมสง ๆ ปรมาตรของกาซมคานอยมากจดไดวากาซไมมปรมาตรโมเลกล 7.ความดนของกาซเกดจากการทโมเลกลของกาซเคลอนทไปชนกบภาชนะทบรรจกาซนน ถาความถของการชนสงกาซจะมความดนมาก

34

8.โมเลกลของกาซจะมพลงงานจลนคาหนงซงเทากบ 2

1 mv2 เมอ m คอมวลของกาซแตละ

โมเลกล v คอความเรวของงการเคลอนท 9.ทอณหภมเดยวกน กาซทกชนดจะมพลงงานจลนเฉลยเทากน พลงงานจลนเฉลยของกาซจะแปรผนโดยตรงกบอณหภมเคลวน คอเมออณหภมเพมขนพลงงานจลนเฉลยของกาซจะเพมขน และเมออณหภมลดลงพลงงานจลนเฉลยของกาซจะลดลง เนองจากเมออณหภมคงท พลงงานจลนเฉลยจะคงท ดงนน ความเรวเฉลยของงกาซจะคงทดวย พลงงานจลนเฉลย อณหภมเคลวน E T E = kT ถา T1 = T2 และ E1 = E2

2

1 m1v12 =

2

1 m2v22

จะได 2M1M

2m1m

2V1V

เมอ k = คาคงท v = ความเรวเฉลย M = มวลโมเลกล กาซทมสมบตครบถวนตามทฤษฎจลนเรยกวา กาซสมบรณ หรอกาซอดมคต ในธรรมชาตจะไมมกาซดงกลาวน เพราะกาซทกชนดจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล มปรมาตรโมเลกล เรยกกาซทไมเปนไปตามทฤษฎจลนวากาซจรง แตกาซจรงอาจจะมสมบตใกลเคยงกบกาซสมบรณหรออาจจะพจารณาวาเปนกาซสมบรณไดบางสภาวะ คอทอณหภมสง ๆ และความดนต า ๆ โดยเฉพาะพวกกาซเฉอย เชน He Ne Ar เปนตน แมวาจะใชอณหภมหอง ความดน 1 บรรยากาศ กมสมบตใกลเคยงกบกาซสมบรณ

ทฤษฎจลนกบสมบตตาง ๆ ของกาซ

ทฤษฎจลนของกาซใชอธบายสมบตตาง ๆ ของกาซเกยวกบอณหภม ความดนและปรมาตรของกาซไดดงน ก. ปรมาตรของกาซ เนองจากทฤษฎจลนกลาวไววา กาซไมมปรมาตรโมเลกล ดงนนปรมาตรของกาซ กคอปรมาตรของภาชนะทบรรจกาซนนเอง ท าใหกาซมปรมาตรไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามขนาดของภาชนะ เนองจากโมเลกลของกาซมขนาดเลกมาก อยหางกนและมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยมากจนถอไดวาไมมเลย ดงนนเมอบรรจกาซไวในภาชนะใดกตามโมเลกลของกาซจะเคลอนทไปทวทงภาชนะได

35

อยางอสระจนถอไดวาโมเลกลของกาซอยเตมภาชนะเสมอ กาซจงมปรมาตรไมแนนอนขนอยกบปรมาตรของภาชนะ ข. ความดของกาซ ทฤษฎจลนกลาววา ความดนของกาซเกดจากโมเลกลของกาซชนกบผนงภาชนะ ท าใหทราบวาความดนของกาซเกดขนไดอยางไร เนองจากโมเลกลของกาซเคลอนทตลอดเวลาอางอสระโดยมทศทางไมแนนอน จงอาจจะชนกนเองบาง ชนกบผนงภาชนะบาง การชนกนเองของโมเลกลของกาซจะไมเกดความดน แตการทโมเลกลของกาซเคลอนทชนผนงของภาชนะท าใหเกดแรงดน ผลรวมของแรงดนทงหมด ทมตอหนงหนวยพนท กคอความดนของกาซนนเอง โดยอาศยทฤษฎจลน จะหาความดนของกาซทเกดจากการชนกบผนงของภาชนะไดดงน

2Nmv 3

1 PV

หรอ 2Nmv 3

1 PV

เมอ P = ความดนของกาซ m = มวลของกาซ 1 โมเลกล V = ปรมาตรของภาชนะ N = จ านวนโมเลกล v = ความเรวเฉลยของโมเลกล

ความสมพนธระหวางพลงงานจลนกบอณหภม

จากทฤษฎจลน 2Nmv 3

1 PV )2mv21( N3

2

NE32

จากกฎรวมของกาซ PV = nRT = 2310x 6.02NRT

เพราะฉะนน NE3

2 2310x 6.02NRT

2310x 6.02RTx 2

3 E

kT23 J. molecule-1

2310x 6.02R = k เรยกวา Boltmann, s constant

ถาพจาณากาซ 1 โมล E RT 23

จะเหนไดวาพลงงานจลนแปรผนตามอณหภมเคลวน

36

ทฤษฎจลนกบกฏของบอยล

จากกฎของบอยลทวาเมออณหภมคงท ความดนของกาซจะแปรผกผนกบปรมาตรของกาซ คอถาเพมปรมาตรของกาซจะท าใหความดนลดลงและ ถาเพมปรมาตรของกาซจะท าใหความดนเพมขน อธบายไดโดยใชทฤษฎจลนของกาซดงน ในขณะทอณหภมคงท โมเลกลของกาซชนดเดยวกนจะเคลอนทดวยความเรวเฉลยคงท เมอท าใหปรมาตรของกาซลดลงโดยทจ านวนโมเลกลเทาเดม โมเลกลทอยในภาชนะจะอดกนแนนมากขน และมโอกาสชนกบผนงบอยครงขน หรอมความดนเพมขนนนเอง และเมอท าใหปรมาตรเพมขนจะกอใหเกดทวางมากขน เปนผลท าใหโมเลกลชนกบผนงภาชนะนอยลง ซงความดนจะลดลง

ทฤษฎจลนกบกฎของชารลส

จากกฎของชารลสทวาเมออณหภมคงท ปรมาตรของกาซจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน คอกาซจะมปรมาตรเพมมากขนเมอไดรบความรอน และมปรมาตรลดลงเมอไดรบความเยน อธบายโดยใชทฤษฎจลนดงน เมออณหภมของกาซเพมขนจะท าใหความเรวเฉลยของโมเลกลของกาซเพมขน โมเลกลจงชนกบผนงของภาชนะไดบอยและแรงขน ท าใหความดนภายในภาชนะเพมขน เมอความดนเพมจนมากกวาความดนภายนอก กาซในระบบจะขยายตวออกเพอรกษาความดนใหคงท (ความดนภายในเทากบความดนภายนอก) ปรมาตรของกาซจงพมขน ในท านองเดยวกนเมอลดอณหภม โมเลกลของกาซจะเคลอนทชาลงท าใหอตราการชนผนงภาชนะลดลง ความดนของระบบจงลดลง ดงนนกาซในระบบจงหดตวลงเพอจะท าใหความดนคงท ปรมาตรของกาซจงลดลง

สมบตของของเหลว

ของเหลว หมายถง สารทมรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามลกษณะของภาชนะทบรรจ ของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวากาซแตนอยกวาของแขง โดยทว ๆ ไปของเหลวมสมบตดงน ก. มรปรางไมแนนนอน เพราะขณะทเปนของเหลวถงแมวาโมเลกลจะอยชดกนมากกวากาซ แตกอยชดกนเปนกลม ๆ อยางไมเปนระเบยบ ระหวางกลมทวางอยท วไป ท าใหโมเลกลของของเหลวเคลอนทไปมาไดในระยะทางใกล ๆ ดงในรป และเนองจากของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลรวมทงแรงดงดดของโลกทกระท าตอของเหลว จงท าใหของเหลวไหลได ซงท าใหรปรางไมแนนอน เปลยนไปตามภาชนะทบรรจ

37

ข. ปรมาตรของของเหลวมคาคงท ถงแมวาจะเปลยนแปลงไปตามภาชนะทบรรจปตไมจ าเปนตองมปรมาตรเทาภาชนะ เพราะถาโมเลกลไมอาจจะเคลอนทไดอยางอสระเหมอนกาซ ปรมาตรของของเหลวขนอยกบอณหภมแตไมขนกบความดน ถาอณหภมคงทของเหลวจะมปรมาตรคงท ไมวาจะอยในภาชนะขนาดเทาใดกตาม และมรปรางอยางไร แตถาอณหภมเปลยนปรมาตรของของเหลวจะเปลยนไปดวย แตเปลยนคอนขางนอย ในขณะทการเปลยนแปลงความดนจะไมมผลตอปรมาตรของของเหลว กลาวคอปรมาตรของชองเหลวจะมคาคงทเมอความดนเปลยนไป ค. ของเหลวมการแพรไดเชนเดยวกบกาซ แตอตราการแพรจะชากวา เมอน าของเหลว 2 ชนดผสมกน โมเลกลของของเหลวทงสองจะแพรเขาหากนกลายเปนสารละลาย สารทอยในสถานะกาซสามารถเปลยนใหเปนของเหลวไดโดยอาศยหลกการดงน คอ เมอลดอณหภมและเพมความดนใหกบกาซ จะท าใหโมเลกลของกาซเคลอนทชาลง และอยใกลกนมากขนเปนผลท าใหมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลเพมขน เมอลดอณหภมและเพมความดนจนถงระยะหนง แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลจะมากพอจนท าใหกาซกลายเปนของเหลวได

การระเหย

การระเหย เปนกระบวนการทมการเปลยนสถานะของของเหลวใหกลายเปนไอ การระเหย หมายถง การทโมเลกลของของเหลวหลดออกไปจากของของเหลวกลายเปนโมเลกลในภาวะไอ การระเหยจะเกดขนบรเวณผวหนาของของเหลว เมอน าของเหลวใสในภาชนะทไมมฝาปด และปลอยทงไวของเหลวจะคอย ๆ ระเหยไป ท าใหมปรมาตรลดลงและหมดในทสด ยงมพนทของผวหนามากเทาใด กยงระเหยไดเรวเทานน การระเหยสามารถอธบายโดยใชทฤษฎจลนไดดงน ในขณะทสารอยในสถานะของเหลว โมเลกลจะอยใกลกน เนองจากมพลงงานจลนจงเคลอนทตลอดเวลา ท าใหเกดการชนกนและถายเทพลงงานใหแกกน โมเลกลบางสวนจะมพลงงานจลนมากขน จนกระทงมากกวาแรงดงดดระหวางโมเลกล ถาโมเลกลเหลานนอยทผวของของเหลว กจะหลดออกไปจากผวหนาของของเหลว ซงเรยกวา เกดการระเหย การทของเหลวระเหยกลายเปนไอจะตองใชพลงงานจ านวนหนงซงไดมาจากการชนกนของโมเลกลของของเหลว ในระหวางทของเหลวเกดการระเหย พลงงานจลนเฉลยของของเหลวทเหลอจะลดลง ของเหลวจะดดพลงงานจากสงแวดลอมเขามาแทนทพลงงานสวนทเสยไปท าใหระบบเยนลงในท านองเดยวกน การระเหยของเหงอจากผวหนง โมเลกลของน า (เหงอ) จะดดพลงงานจากผวหนงเพอใชในการระเหย ท าใหอณหภมของรางกายลดลง จงรสกเยนในขณะทมรการระเหยของเหงอ

38

นอกจากนยงสามารถน าหลกการระเหยมาอธบายเกยวกบการท าความเยนในตเยน หรอในเครองท าความเยนได โดยมหลกทว ๆ ไปวา ของเหลวทจะใชในเครองท าความเยนจะตองระเหยงาย และไอของของเหลวทระเหยไปแลวจะตองควบแนนกลบมาเปนของเหลวไดงายดวย เชน ไอของฟรออน (CCl2F2) เปนของเหลวส าหรบท าความเยนในตเยน ภายในตเยนจะมทอท าใหฟรออนไหลผาน ขณะทไหลผานนนฟรออนจะดดความรอนไปและเกดการระเหยกลายเปนไออยางรวดเรว ท าใหภายในตเยนมอณหภมต าลง ไอของฟรออนทเกดจากการระเหยจะไหลผานไปตามทอออกนอกตเยน ภายนอกคเยนจะมเครองอดความดนท าหนาทอดไอของฟรออนใหกลบเปนของเหลวอก ซงจะมการคายความรอนออกมาท าใหบรเวณดานหลงของตเยนมอณหภมสง จากนนฟรออนทเปนของเหลวกจะถกสงผานเขาไปในตเยนอก วนเวยนอยเชนนเรอยไป

ความดนไอกบจดเดอด

ความดนไอ หมายถง ความดนของไอเหนอของเหลวซงอยในภาวะสมดลกบของเหลวนน ของเหลวมสมบตทว ๆ ไปอยางหนงคอระเหยได เมอน าของเหลวใสในภาชนะเปดและตงทงไว ของเหลวจะเรมระเหยกลายเปนไอ ซงถาทงไวนาน ๆ จะกลายเปนไอจนหมด แตถาใสของเหลวในภาชนะปด ถงแมของเหลวจะกลายเปนไอแตยงคงอยในภาชนะ หนออกไปนอกภาชนะไมได กลาวคอ ไอของของเหลวจะยงคงเคลอนทอยเหนอของเหลวนนนนเอง บางครงโมเลกลของไอจะชนกนเองบาง ชนกบผนงภาชนะบาง และชนกบผวของของเหลวบาง ซงถาชนกบผวของของเหลว โมเลกลของไอเหลานนสวนใหญจะถกดดใหกลบลงไปในของเหลวเปลยนสภาพไปเปนของเหลวใหม หลงจากทของเหลวกลายเปนไอในภาชนะปด จะท าใหเกดความดนขนคาหนง เมอตงของเหลวทงไวนาน ๆ โมเลกลสวนทเปนไอจะมมากขน เปนผลท าใหมความดนสงขน ซงในทสดความดนของไอเหนอของเหลวนนจะมคาคงท หรอจ านวนโมเลกลทอยในภาวะไอจะมคาคงท เรยกภาวะทความดนไอเหนอของเหลวมคาคงทวา ภาวะสมดล และเรยกความดนของไอเหนอของเหลว ณ ภาวะสมดลวา ความดนไอของของเหลว ในขณะทของเหลวระเหยกลายเปนไอ จะมการควบแนนของไอกลายเปนของเหลวเกดขนดวย ในตอนแรกอตราการระเหยกลายเปนไอจะมากกวาอตราการควบแนนกลายเปนของเหลว แตเมอถงระยะเวลาหนงอตราการระเหยจะเทากบอตราการควบแนน ท าใหความดนไอเหนอของเหลวหรอจ านวนโมเลกลในภาวะไอเหนอของเหลวมคาคงท ภาวะดงกลาวนเองเรยกวา ภาวะสมดล ในขณะทระบบอยในภาวะสมดล ถงแมจ านวนโมเลกลของไอและจ านวนโมเลกลของของเหลวจะมคาคงทกตามไมไดหมายความวาระบบจะไมมการเปลยนแปลงอก ทภาวะสมดลนการเปลยนแปลงจะยงคงเกดขนตลอดเวลา ทงการระเหยขากของเหลวกลายเปนไอและการควบแนนจากไอกลายเปนของเหลว เพยงแตอตราการระเหยและอตราการควบแนนเทากน มองดจากภายนอกจงคลายกบไมมการเปลยนแปลง เรยกภาวะ สมดลทยงมการเปลยนแปลงเชนนวา สมดลไดนามก ดงในรป

39

รป สมดลไดนามกของของเหลว - ไอ

ปจจยทมผลตอความดนไอ

ของเหลวชนดหนง ๆ จะมความดนไอสงหรอต าขนอยกบปจจยหลายชนด เชน ก. อณหภม จะมผลโดยตรงตอความดนไอของของเหลว ถาอณหภมเพมขนความดนไอจะเพมขน ถาอณหภมลดลงความดนไอจะลดลง และถาอณหภมคงท ความดนไอจะมคาคงทดวย โดยไมขนกบปรมาณของของเหลว จากการศกษาพบวาอณหภมมผลตอความดนไออยางมาก แมวาเพมอณหภมเพยงเลกนอยความดนไอจะเพมขนอยางมากได การทเปนเชนนอธบายไดโดยใชทฤษฎจลน กลาวคอ การเพมอณหภม จะท าใหโมเลกลของของเหลวมพลงงานจลนเพมขน โดยเฉพาะโมเลกลทอยบรเวณผวหนาของของเหลว จะไดรบพลงงานเพมมากขน จนเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลวนน ท าใหหลดออกจากของของเหลวกลายเปนไอ เปนผลใหมความดนไอเพมขน

ตาราง ความสมพนธระหวางอณหภมกบความดนไอของของเหลวบางชนด อณหภม ความดนไอของของเหลว (atm)

(0 C) H2O CCl4 อะซโตน เอธลอเธอร เอธานอล ออกเทน 0

10 20 30 40 50 60 70 80

0.00603 0.01212 0.02308 0.04186 0.07278 0.1277 0.1965 0.3075 0.4672

0.043 0.074 0.120 0.188 0.284 0.417 0.593 0.818 1.109

- 0.153 0.243 0.372 0.554 0.806 1.140 1.579

-

0.243 0.384 0.581 0.851 1.212 1.680

- - -

0.016 0.032 0.058 0.104 0.178 0.292 0.464 0.713 1.070

0.004 0.008 0.013 0.024 0.041 0.064 0.103 0.155 0.230

40

90 100

0.6918 1.0000

1.476 1.925

- -

- -

1.562 -

0.333 0.466

จากตารางจะเหนไดวาความดนไอของของเหลวขนอยกบอณหภมโดยทความดนไอจะเพมขนเมออณหภมมากขน เมอน าขอมลดงกลาวมาเขยนกราฟระหวางอณหภมกบความดนไอจะไดดงน

รป กราฟแสดงความสมพนธระหวางความดนไอกบอณหภมของของเหลวบางชนด

จะเหนไดวาความดนไอของของเหลวชนดตาง ๆ ขนอยกบอณหภม ดงนนเมอกลาวถงความดนไอของของเหลว จงตองระบอณหภมดวยทกครงมฉะนนจะใหความหมายทไมสมบรณ เชน - น ามความดนไอ 0.04186 atm (หรอ 31.81 mmHg ) ท 30 0C - เอธานอล มความดนไอ 0.058 atm (หรอ 44.08 mmHg) ท 20 0C เปนตน

ข. แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล เนองจากของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล การทจะท าใหของเหลวกลายเปนไอจงตองใชพลงงานจ านวนหนง เพอสลายแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลวนน ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากจะกลายเปนไอไดยากและมความดนไอนอยกวาของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอย แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลวขนอยกบปจจยหลายอยาง เชน ก. มวลโมเลกล ของเหลวทมวลโมเลกลสง จะมแรงวนเดอรวาลสมากกวาของเหลวทมมวลโมเลกลต าท าใหความดนไอต ากวา

41

ข. สภาพขวของโมเลกล (polarity) ของเหลวทมโมเลกลมขว จะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวาพวกทไมมขว โดยเฉพาะพวกโมเลกลมขวทมพนธะไฮโดรเจนจะยงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก ดงนน ความดนไอจะต า ค. โครงสรางของโมเลกล สารอนทรยบางชนดมสตรโมเลกลเหมอนกน แตมสตรโครงสรางตางกนซงเรยกวาไอโซเมอร ไอโซเมอรจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลไมเทากน พวกทเปนโมเลกลสายตรงจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวาพวกไอโซเมอรเปนกง ดงนนพวกสายตรงจงมจดเดอดสงกวาพวกทเปนกง แตมความดนไอต ากวาพวกเปนกง ตวอยางเชน ท 0 0C CH3COCH3 มความดนไอ 0.243 atm แต CH3COOH มความดนไอ 0.016 atm CH3COCH3 มความดนไอมากกวา เพราะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยกวา กลาวคอ CH3COCH3 มแรงระหวางขว แต CH3COOH มพนธะไฮโดรเจน ส าหรบปรมาณของของเหลวและพนทผวหนาของของเหลว ไมมผลตอคาความดนไอของของเหลว ถาอณหภมคงท ถงแมวาของเหลวทมพนทผวหนามากจะระเหยไดมากกวากตาม แตเมอถงภาวะสมดล จะไดความดนไอเทากน ในท านองเดยวกนไมวาจะใชของของเหลวปรมาณมากหรอนอยเทาใด เมอถงภาวะสมดลความดนไอจะเทากน

จดเดอดของของเหลว

สมบตของของเหลวอกอยางหนงคอจดเดอดซงใชทดสอบความบรสทธของของเหลวได ของเหลวเดอดได และในขณะเดอดจะมฟองพลานเตมไปหมด ซงจะอธบายปรากฏการณดงกลาวไดดงน เมอใหความรอนแกของเหลวจะท าใหโมเลกลของของเหลวมพลงงานจลนสงขนจนในทสดเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลและหลดออกไปจากของเหลวกลายเปนไอได แตถาใหพลงงานมาก ๆ โมเลกลทมพลงงานจลนสงถงภาวะไอจะมมากจนหลดออกจากของเหลวไมทน จงเกดฟองของไอภายในของเหลวและปดขนสผวของของเหลวท าใหมฟองของไอพลานไปทวของเหลวและหลดไปจากของเหลวในทสด ขณะทของเหลวเตมไปดวยฟองพลานนน เรยกวาของเหลวเดอด อณหภมขณะทของเหลวเดอดเรยกวา จดเดอด ความดนไอของของเหลวทจดเดอดจะเทากบความดนบรรยากาศขณะนน

42

รป แสดงการเดอดของของเหลว

ปจจยทมผลตอจดเดอดของของเหลว

ก. ความดนบรรยากาศ ความดนบรรยากาศมผลตอจดเดอดของของเหลวโดยตรง เนองจากความดนไอของของเหลวทจด

เดอดจะเทากบความดนบรรยากาศ ดงนนถาความดนบรรยากาศเปลยนไป จดเดอดของของเหลวจะเปลยนไปดวย ถาความดนบรรยากาศสงจดเดอดของของเหลวจะสง ถาความดนบรรยากาศต าจดเดอดของของเหลวจะต า ซงน าไปใชเปนหลกในการกลนของเหลวโดยการลดความดน ตวอยางทแสดงผลของความดนบรรยากาศตอจดเดอด เมอตมน าทความดน 1 บรรยากาศ น าจะเดอดท 100 0C แตเมอตมน าทความดนต ากวา 1 บรรยากาศ น าจะเดอดทอณหภมต ากวา 100 0C เชนตมน าบนภเขาหรอในทซงสงกวาระดบน าทะเล 1100 เมตร น าจะเดอดท 96 0C เปนตน (ยงสงขนไป ความดนบรรยากาศจะยงลดลง) เนองจากจดเดอดของของเหลวขนอยกบความดนของบรรยากาศ ดงนนในการบอกจดเดอดของของเหลวชนดหนง ๆ จงตองระบความดนดวย เชน น ามจดเดอด 100 0C ทความดน 1 บรรยากาศ เอธานอลมจดเดอด 78 0C ทความดน 1 บรรยากาศ เปนตน ถาไมระบความดนบรรยากาศจะใหความหมายไมสมบรณ อยางไรกตามเมอกลาวถงจดเดอดโดยไมระบความดน โดยทว ๆ ไป จะหมายถง จดเดอดทความดน 1 บรรยากาศ ซงเรยกวา จดเดอดปกต (normal boiling point) ข. แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล เนองจากการท าใหของเหลวเดอดตองใชพลงงาน ทงนเพราะ ของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ยงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากจดเดอดกจะยงสงมาก ของเหลวทโมเลกลมขวจะมแรงยด

43

เหนยวระหวางโมเลกลมากกวาพวกทไมมขว ท าใหมจดเดอดสงกวา และถาพวกทโมเลกลมขวมพนธะไฮโดรเจนดวยจดเดอดกจะยงสงขน ส าหรบของเหลวประเภทโมเลกลไมมขว แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล คอ แรงวนเดอรวาลสซงขนอยกบมวลโมเลกล พวกทมมวลโมเลกลสงจะมแรงวนเดอรวาลสมากกวาและมจดเดอดสงกวาพวกทมมวลโมเลกลต า ซงมแรงวนเดอรวาลสนอย ส าหรบของเหลวพวกสารอนทรยซงมไอโซเมอรตางกนไดหลายชนด ไอโซเมอรทมโครงสรางโมเลกลเปนสายตรงจะมจดเดอดสงกวาไอโซเมอรทมโครงสรางเปนกงหรอมสาขามากจะยงมจดเดอดต า

ตาราง ตวอยางแสดงผลของแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทมตอจดเดอด ก. ผลของสภาพขวของโมเลกล

ของเหลว จดเดอด ( 0C) สภาพขว C5H12 CH3COOCH3 C3H7OH CH3COOH

36.1 57.5 97.2

118.5

โมเลกลไมมขว โมเลกลมขว โมเลกลมขวและมพนธะไฮโดรเจน โมเลกลมขวและมพนธะไฮโดรเจน

ข. ผลของแรงวนเดอรวาลส (หรอมวลโมเลกล)

ของเหลว มวลโมเลกล จดเดอด ( 0C) อลเคน C6H14 C7H16 C8H18 อลกอฮอล CH3OH C2H5OH C3H7OH

86

100 114

32 46 60

68.7 98.4

125.7

64.5 78.3 97.2

44

ค. ผลของโครงสรางโมเลกล ของเหลว มวลโมเลกล จดเดอด ( 0C)

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

74 74

74

74

118 108

99.5

83

ขอแตกตางระหวางการเดอดและการระเหย

การระเหยกลายเปนไอจะเกดขนเฉพาะทผวหนาของของเหลว แตการเดอดจะเกดขนไปทวของเหลวมฟองของไอพลานไปหมดทวทงของเหลวนน ฟองเหลานนจะชวยเพมผวหนาของของเหลวท าใหคลายกบวามการระเหยเกดขนทวไปในของเหลว โมเลกลของของเหลวบางสวนจะเขาไปในฟองไอท าใหฟองของไอใหญขนอยางรวดเรวในขณะทปกขนสผวของของเหลวและออกไปจากของเหลว นอกจากนโมเลกลของของเหลวทก าลงเดอดจะหลดออกไปจากของเหลวอยางรวดเรวจ านวนมาก ท าใหมการผลกดนบรรยากาศเหนอของเหลวออกไป แลวโมเลกลของไอจงเขาไปแทนทซงตางจากการระเหยทโมเลกลของไอคอย ๆแพรปะปนไปกบโมเลกลของอากาศ

ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (Heat of vaporization)

ในขณะทของเหลวก าลงเดอด ของเหลวจะกลายเปนไอออจนหมด โดยทอณหภมไมเปลยนแปลง ทง ๆทมการใหความรอนแกของเหลวตลอดเวลา ทเปนเชนนเนองจากปรมาณความรอนทของเหลวไดรบในขณะทก าลงเดอดนนถกน าไปใชในการเปลยนสถานะท าใหโมเลกลของของเหลวกลายเปนโมเลกลของไอ ความรอนทใหแกของเหลวจงไมไดใชในการเพมอณหภม แตจะท าใหของเหลวเกดฟองมากยงขนไปเพมจ านวนโมเลกลทมพลงงานสง และท าใหอตราการกลายเปนไอสงขน ปรมาณความรอนทใชส าหรบท าใหของเหลวจ านวนหนงกลายเปนไอทอณหภมคงท เรยกวาความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ( HV )

เชน H2O ม HV = 40.67 kJ/mol ท 1 atm 100 0C หมายความวา ถาตองการท าใหน า 1 โมล เปลยนไปเปนไอน าหมดท 1 atm 100 0C จะตองใชพลงงาน 40.67 kJ

45

C2H5OH ม HV = 39.71 kJ/mol ท 1 atm 78.4 0C หมายความวา ถาตองการท าให C2H5OH 1 โมล เปลยนไปเปนไอหมดท 1 atm 78.4 0C จะตองใชพลงงาน 39.71 kJ ของเหลวตางชนดกนจะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอตางกน จดเดอดและความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะขนอยกบปจจยชนดเดยวกน ของเหลวทมจดเดอดสงจะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอสงดวย ทงจดเดอดและความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ตางกขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอสง ดงนน ของเหลวพวกโมเลกลไมมขว จะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอต ากวา พวกโมเลกลมขว พวกทมพนธะไฮโดรเจนจะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอสงกวาพวกทไมมพนธะไฮโดรเจน และ พวกไอโซเมอรทมโครงสรางเปนสายตรง จะมความรอนแฝงสงกวาพวกทมกงหรอสาขา

ตาราง ความรอนแฝงของการกลายเปนไอทจดเดอดปกตของของเหลวบางชนด ของเหลว HV (kJ/mol ) จดเดอดปกต ( K )

แอมโมเนย เอธลอเธอร อะซโตน เมธลอะซเตต คลอโรฟอรม เฮกเซน คารบอนเตตระคลอไรด เบนซน ไนโตรเบนซน ปรอท กรดแอซตก น า โพรพานอล เอธานอล

23.31 26.03 30.25 30.42 29.46 28.66 29.87 30.75 40.42 59.41 24.31 40.67 39.37 39.71

239.8 307.8 329.4 330.5 334.4 341.9 350.0 353.3 484.1 629.8 391.3 373.2 370.4 351.6

นอกจากความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลแลว ยงขนอยกบอณหภมทเกดไอดวย โดยเปลยนแปลงไปในทางกลบกน ถาอณหภมสงความรอนแฝงของการกลายเปนไอต า เนองจากในขณะทอณหภมสงพลงงานจลนของของเหลวยอมสงดวย ท าใหแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลในของเหลวออนลง เมอใชพลงงานอกไมมากนกกจะท าใหโมเลกลกลายเปนไอได ในท านองเดยวกนถาอณหภมต าความรอนแฝงของการกลายเปนไอจะสง

46

ตาราง ความรอนแฝงของการกลายเปนไอของน าทอณหภมตาง ๆ

จดเดอด ( 0C) HV (kJ/mol ) 0

40 80

120 160 200

44.81 43.18 41.59 39.71 37.40 34.85

ความสมพนธระหวางจดเดอด ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ และความดนไอ

ปกตของเหลวทมจดเดอดต า จะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอต า ดงนนจะระเหยงาย ซงจะท าใหมความดนไอสง ในทางตรงขามของเหลวทมจดเดอดสง จะมความรอนแฝงของการกลายเปนไอสงและระเหยไดยาก ดงนนความดนไอจงต า ทอณหภมเดยวกนของของเหลวทมจดเดอดสง จะมคาความดนไอนอยกวาของเหลวทมทมจดเดอดต ากวา ในท านองเดยวกน สามารถใชความดนไอเปนเครองชบงแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล และจดเดอด เชน ของเหลวทมความดนไอสง จะมจดเดอดต า และมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอย แตของเหลวทมความดนไอต าจะมจดเดอด และแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก

สมบตของของแขง

ของเหลวทกชนดเมอเยนลงจนถงอณหภมหนงจะกลายเปนของแขง เนองจากของแขงมอนภาคอยชดกน ท าใหมชองวางระหวางโมเลกลนอย ดงนนอนภาคทเคยเคลอนทไปมาไดอยางคอนขางอสระจงถกจ ากด การทอนภาคของของแขงเคลอนทไดนอยจงท าใหมพลงงานจลนนอย แตอยางไรกตามอนภาคของของแขงกยงคงสนได ในแงของแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล อนภาคของของแขงอยชดกนมากกวาของเหลวและกาซ ดงนนจงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวา และเปนเหตใหของแขงมรปรางแนนอนไมเปลยนแปลงไปตามภาชนะทบรรจ

47

รป เปรยบเทยบการจดเรยงอนภาคในของแขง ของเหลว และกาซ

สมบตทว ๆ ไปของของแขง อาจจะสรปไดดงน 1. มลกษณะแขงแกรง มรปรางแนนอนไมเปลยนแปลงไปตามภาชนะทบรรจ ทงนเพราะอนภาคท

ประกอบกนเปนของแขงจดเรยงตวอยในต าแหนงตาง ๆ ทแนนอนและชดกน 2. ปรมาตรของของแขงคอนขางคงท การเปลยนแปลงความดนเกอบจะไมมผลตอการเปลยน

ปรมาตรของของแขง ส าหรบอณหภมมผลตอของแขงนอยเชนเดยวกน เมอของแขงไดรบความรอน จะมการขยายตว เนองจากการสนสะเทอนของอนภาคจะหดตวเมออณหภมลดลง แตการขยายตวและหดตวมคานอยมากเมอเปรยบเทยบกบของเหลวและกาซ

3. ของแขงมความหนาแนนมากกวาของเหลว เพราะมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก ท าใหอยชดกนเปนระเบยบทางเรขาคณต

4. ของแขงมการแพรชามาก เมอเปรยบเทยบกบของเหลวและกาซ 5. ของแขงบางชนดเปนตวน าไฟฟาและความรอน บางชนดเปนสารกงตวน าและสารบางชนดเปน

ฉนวน 6. ของแขงบางชนดสามารถจดเรยงตวเปนรปทรงทางเรขาคณตทแนนอนไดเรยกวา ผลก บาง

ชนดอาจจะมผลกไดหลายแบบและบางชนดไมสามารถมผลกไดเรยกวา ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)

การเปลยนสถานะของของแขง

อนภาคของของแขงแมจะอยใกลกนมากและไมเคลอนท แตมการสนอยตลอดเวลา เมอเพมอณหภมใหแกของแขง จะท าใหโมเลกลมพลงงานจลนเพมขน เกดการสนแรงขนและมการถายเทพลงงานจลนใหแกกนจนถงภาวะหนง โมเลกลมพลงงานสงพอท าใหเคลอนทแยกออกจากกนมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยลง ของแขงจงเปลยนสถานะเปนของเหลว เรยกการเปลยนแปลงนวา การหลอมเหลว

48

นอกเหนอจากการหลอมเหลวแลว ของแขงยงสามารถเปลยนสถานะใหกลายเปนไอไดโดยไมตองผานสถานะของเหลว เรยกวา การระเหด (Sublimation) เชนการระเหดของแนพธาลน (ลกเหมน) ไอโอดน , น าแขงแหง (คารบอนไดออกไซดแขง) , การบร และ พมเสน เปนตน การระเหดสามารถอธบายไดในท านองเดยวกนกบการหลอมเหลวดงน เนองจากอนภาคของของแขงอยใกลชดกนมากไมเคลอนท แตมการสนสะเทอนตลอดเวลา ท าใหอนภาคเหลานนมโอกาสกระทบกนและมการถายเทพลงงานใหแกกนและกน แตละอนภาคจงมพลงงานไมเทากน ถงแมวาจะอยทอณหภมและความดนเดยวกน (เชนอณหภมและความดนบรรยากาศหอง) ทอณหภมหนง ๆบางอนภาคทมพลงงานสงและอยทผวหนาของของแขงจงสามารถเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางอนภาคในของแขงและหลดออกไปอยในสถานะกาซเลย ซงเรยกวาการระเหดนนเอง การระเหดจะเกดทผวหนาของของแขงเชนเดยวกบการระเหยของของเหลว ดงนนการระเหดจงขนอยกบพนทผวหนาของของแขง นอกจากนยงพบวาการระเหดจะเปนสดสวนโดยตรงกบอณหภม คอเมออณหภมเพมขนการระเหดจะเพมขนและเมออณหภมลดลงการระเหดจะลดลง เนองจากของแขงสามารถระเหดกลายเปนไอได ดงนนจงมความดนไอของของแขง กลาวคอถาน าของแขงจ านวนหนงใสในภาชนะปด อนภาคของของแขงบางสวนจะเปลยนสถานะกลายเปนไอ และอยในทวางเหนอของแขงภายในภาชนะนน เมอเวลาผานไปจ านวนอนภาคของไอจะมมากขนท าใหอนภาคทเปนไอบางสวนควบแนนกลบมาเปนของแขง และมปรมาณของการควบแนนเพมขนเรอย ๆ เมอถงระยะเวลาหนงอตราการระเหดจะเทากบอตราการควบแนน ระบบของของแขงนนจะอยในภาวะสมดลไดนามก เรยกวา สมดลของการระเหด ความดนของไอในภาวะสมดลนนเรยกวา ความดนไอของของแขง ความดนไอของของแขงมสวนเกยวของโดยตรงกบแรงยดเหนยวระหวางอนภาคของของแขง ของแขงทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยจะระเหดไดงายท าใหมความดนไอสง และของแขงทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก จะระเหดไดยาก จงมความดนไอต า ของแขงทระเหดงายสามารถมความดนไอถง 1 atm กอนทจะถงจดหลอมเหลว แตของแขงทระเหดยากจะมความดนไอถง 1 atm กตอเมอหลอมเหลวและอยทจดเดอด อณหภมขณะทของแขงมความดนไอ 1 atm เรยกวา จดระเหดปกต

การจดเรยงอนภาคในของแขง

ของแขงทเกดจากการจดเรยงอนภาคอยางมระเบยบ มรปรางเฉพาะตวเรยกวาผลก ผลกของของแขงแตละชนดจะมผวหนาทเรยบ ซงท ามมกนดวยคาทแนนอนและเปนลกษณะเฉพาะตว ผลกทมขนาดใหญ เมอท าใหเลกลง เชน โดยการบด สวนเลก ๆ ทเกดขนกยงคงรกษารปผลกแบบเดมอย โดยทวๆ ไปของแขงชนดเดยวกนจะมการจดเรยงตวของอนภาคเปนแบบเดยวกน ไมวาของแขงนนจะเกดขนตามธรรมชาต หรอสงเคราะหขน ผลกของแขงจะมจดหลอมเหลวคงท และมชวงของการหลอมเหลวสน คอเมอใหความรอนแกผลกจนถงอณหภมคาหนง (ทจดหลอมเหลว) ของแขงจะเปลยนสถานะเปนของเหลวทนทท าใหอานจด

49

หลอมเหลวไดแนนอน ผลกของแขงชนดเดยวกนอาจจะมสมบตบางอยางตางกน เชน ดชนหกเห การน าไฟฟา อาจจะแตกตางกน การทของแขงมการจดเรยงโมเลกลทตางกน ท าใหเกดผลกทแตกตางกน ซงเปนผลใหสมบตทางกายภาพ เชน จดเดอด จดหลอมเหลว และความหนาแนนแตกตางกน ในกรณทของแขงชนดหนงมผลกไดหลายแบบเรยกวามรป (Polymorphism) ในกรณของธาตชนดเดยวกน แตมการจดโครงสรางของโมเลกล หรอโครงสรางผลกตางกน กเรยกวารป (Allotrope) เชนเดยวกน ตวอยางเชน ผลกก ามะถน ม 2 รป แตละรปมสมบตทางกายภาพตางกนคอ ก. ก ามะถนรอมบก (Rhombic Sulfur) เปนผลกเหลยมโปรงใส สเหลองออน มความถวงจ าเพาะ 2.06 หลอมเหลวท 112.8 0C ประมาณ (113 0C) ละลายไดดใน CS2 เบนซน หรอน ามนสนทรอน ๆ ไมละลายน า มความคงตวทอณหภมปกต (หรอต ากวา 95.5 0C) ดงนนจงเปนรปทคงตวทสดของก ามะถน ก ามะถนรอมบก เตรยมไดโดยน าก ามะถนมาบดใหเปนผงแลวน าไปละลายใน CS2 กรอง หลงจากปลอยให CS2 ระเหยไปจะไดผลกก ามะถนรอมบกแยกออกมา ข. ก ามะถนโมโนคลนก (Monoclinic Sulfur) ลกษณะเปนผลกโปรงใส มสเหลองเขมกวาก ามะถนรอมบก เปนของแขงผลกรปเขม มความถวงจ าเพาะ 1.96 หลอมเหลวท 119 0C ละลายไดดใน CS2 แตไมละลายน า ก ามะถนโมโนคลนกคงตวทอณหภมสงกวา 96 0C ถาอณหภมต ากวานจะกลบไปเปนก ามะถนรอมบก ดงนนจงอาจเตรยมก ามะถนรอมบกไดจากก ามะถนโมโนคลนกโดยการลดอณหภมลงใหต ากวา 96 0C ก ามะถนโมโนคลนก เตรยมไดโดยน าก ามะถนผงไปละลายในโทลอนรอน ๆ จนไดสารละลายอมตว กรอง หลงจากทงไวใหเยนจะไดผลกแยกออกมา ทงก ามะถนรอมบกและก ามะถนโมโนคลนก ตางกมสตรโมเลกลเปน S8 เหมอนกน แตมการจดเรยงโมเลกลตางกน

รป การจดเรยงต าแหนงอะตอมในก ามะถนโมโนคลนกและก ามะถนรอมบก

50

รปผลกก ามะถนโมโนคลนก และก ามะถนรอมบก

นอกจากก ามะถนรปผลกทง 2 แบบแลว ยงมก ามะถนทไมมรปผลกอกหลายชนด เชน ก ามะถนพลาสตก (plastic sulfur) ก ามะถนขาว (white amorphous sulfur) และก ามะถนคอลลอยด (collidal sulfur) ก ามะถนทมลกษณะตาง ๆ ทงทมรปผลกและไมมรปผลกสามารถเปลยนกลบไปกลบมาได จากรปหนงไปเปนอกรปหนงโดยอาศยอณหภม ดงในแผนภาพตอไปน

นอกจากก ามะถนแลว ธาตอน ๆ กมรปรางและสมบตตางกนไดเชน คารบอน ฟอสฟอรส ออกซเจน ดบก เปนตน

ตาราง สมบตบางประการของรปตาง ๆ ของธาตบางชนด ชอธาต รป ลกษณะภายนอก จดหลอมเหลว

(0C) จดเดอด

(0C) ความหนาแนน

(g/cm3) การน าไฟฟา

คารบอน แกรไฟต เพชร

ของแขงสด า ของแขงไมมส

3652 สงกวา 3500

4827 -

2.25 3.51

น า

ฟอสฟอรส ฟอสฟอรส (ขาวหรอเหลอง)

ของแขงสขาว (หรอเหลอง) (เปนพษ)

44

280 1.82

ไมน า

51

ฟอสฟอรสแดง

ของแขงสแดง (ไมเปนพษ)

590 445 2.34

ไมน า

ก ามะถน รอมบก โมโนคลนก

ผลกรปเหลยม ผลกรปเขม

113 119

445 2.07 2.07

ไมน า ไมน า

ออกซเจน กาซ O2 กาซ O3

กาซไมมส กาซไมมสแตมกลนเฉพาะ

-219 -193

-183 -111

1.51* 1.61 *

ไมน า ไมน า

ดบก ดบกเทา ดบกขาว

ผลกแบบเพชร ของแขง

ความถวงจ าเพราะ 5.77 คงตวทอณหภมต ากวา 13.2 0C น าไฟฟาไดเลกนอยแบบกงโลหะ ความถวงจ าเพาะ 7.28 คงตวระหวาง 13.2 - 161 0C น าไฟฟาได

* หมายถง ความหนาแนนในขณะทเปนของเหลว ในกรณทเปนของแขงตางชนดกนแตมรปผลกเหมอนกนเรยกวา ไอโซมอรฟซม (Isomorphism) เชน NaCl , NaF , KCl , CaS , MgO ตางกมรปผลกเหมอนกน ในท านองเดยวกน CaF2 , SrCl2 , CdF2 , และ PbF2 ตางกมรปผลกเหมอนกน ในกรณของแขงนนไมมรปผลกเรยกวา ของแขงอสณฐาน เชน พลาสตก แกว ยาง สารดงกลาวนจะมสมบตเหมอนของแขงทว ๆ ไป คอมความแขงแกรง มปรมาตรแนนอน รปรางไมขนกบภาชนะบรรจ เพยงแตขาดลกษณะของการจดเรยงอนภาคตามรปทรงเรขาคณตเทานน พวกของแขงอสณฐานจะมสมบตเกยวกบดชนหกเห การน าไฟฟาและสมบตอน ๆ เหมอนกนหมด ในทกทศทางและอาจจะมจดหลอมเหลวทไมเดนชด คอจะคอย ๆออนตวลงและกลายเปนของเหลวทไหลได ซงท าใหสงเกตจดหลอมเหลวไดยาก การศกษาเกยวกบโครงสรางของผลกนอกจากจะดภายนอกแลว ยงมการศกษาโครงสรางของการจดเรยงอนภาคในผลกดวย สวนใหญจะใชเครองมอเรยกวา X-ray diffraction

เทคโนโลยเกยวกบกาซ ของเหลว และ ของแขง

จากการศกษาสมบตของกาซ ของเหลวและของแขง จะพบวาสมบตตาง ๆ หลายประการทสามารถน ามาประยกตใชประโยชนได ในชวตประจ าวนหรอในกระบวนการอตสาหกรรมได เชน การท าน าแขงแหง ซงใชประโยชนเกยวกบอตสาหกรรมทเกยวของกบความเยน เชน การแชแขงปลา การท าไนโตรเจนเหลว ซงใชประโยชนในอตสาหกรรมทเกยวของกบความเยนเชนเดยวกน เชน การแชแขงอาหาร เปนตน

52

การท าน าแขงแหง

น าแขงแหง (dry ice) คอ คารบอนไดออกไซด (CO2) ทอยในสถานะของแขงทอณหภมประมาณ -79 0C กระบวนการท าน าแขงแหงพจารณาไดจากแผนภาพตอไปน

รป แผนภาพแสดงกระบวนการท าน าแขงแหง

เรมตนน ากาซคารบอนไดออกไซดมาท าใหเปนของเหลวกอน โดยกระบวนการ Liquefaction คอน ากาซดงกลาวมาเพมความดนและลดอณหภม หลงจากไดคารบอนไดออกไซดเหลวแลว จงน ามาท าใหแหงและท าใหบรสทธดวยวธการทเหมาะสม จากนนจงน ามาเพมความดนและลดอณหภมอกครง จนไดความดนประมาณ 18 atm และอณหภมประมาณ -25 0C จงอดคารบอนไดออกไซดเหลวนนผานรพรน จะไดคารบอนไดออกไซดแขง หรอน าแขงแหงทมลกษณะคลายเกลดน าแขงซงสามารถน าไปอดเปนกอนได น าแขงแหงมอณหภมต ามาก สามารถระเหดกลายเปนไอไดโดยตรง จงน ามาใชประโยชนในอตสาหกรรมทเกยวของกบความเยน หรอทตองการอณหภมต า ๆ เชน การแชแขงสตวน า การท าไอศครม การรกษาผกและผลไมใหสด เปนตน

การท าไนโตรเจนเหลว

ไนโตรเจนเปนกาซทไมมส ไมมกลนและไมมรส ไมวองไวตอการเกดปฏกรยา มจดเดอดประมาณ -196 0C มจดหลอมเหลวประมาณ -210 0C ละลายน าไดเลกนอย เบากวาอากาศ การท าไนโตรเจนเหลว ใชวธเตรยมจากอากาศ (อากาศมกาซไนโตรเจนประมาณ 79 % และกาซออกซเจนประมาณ 20 % โดยปรมาตร) ผานกระบวนการ Liquefaction โดยการเพมความดนและลดอณหภมจากนนจงแยกออกซเจนออก จะไดไนโตรเจนเหลว

53

กระบวนการท าไนโตรเจน พจารณาไดจากแผนภาพตอไปน

รป แผนภาพแสดงกระบวนการท าไนโตรเจนเหลว

เรมตนดดอากาศเขาเครองอดอากาศผานลงในสารละลาย NaOH เพอก าจด CO2 (g) CO2 (g) + 2 NaOH Na2CO3 + H2O จากนนจงผานอากาศทก าจด CO2 (g) แลว เขาไปในเครองกรองน ามนเพอแยกน ามนออก พรอมกบท าใหแหงดวยสารดดความชน คอ อะลมนา (AL2O3) จะไดอากาศแหงซงมกาซไนโตรเจน และออกซเจน เปนสวนใหญ เมอลดอณหภมลงจนถงประมาณ -183 0C กาซ ออกซเจน จะกลายเปนของเหลวออกมากอน แลเมอลดอณหภมตอไปอกจนถงประมาณ -1960C กาซไนโตรเจนจะกลายเปนของเหลวแยกตวออกมา โดยมกาซไฮโดรเจนและกาซเฉอยเหลออย ซงสามารถน าไปใชประโยชนไดเชนเดยวกน ไนโตรเจนเปนธาตอาหารของพช จงน าไปใชในการท าปย เชน ปยยเรย (H2NCONH2) และปย (NH4)2SO4 เปนตน ส าหรบไนโตรเจนเหลวมอณหภมต ามากจงน าไปใชประโยชนในอตสาหกรรมทเกยวของกบการท าความเยน เชนการแชแขงแาหารตาง ๆ ในโรงงานหรอในรถบรรทกขณะขนสง รวมทงใชมากในทางการแพทย เชน การแชแขงเลอด แชแขงเซลลไขกระดก หรอสวนตาง ๆ ของรางกาย เพอใหเกบรกษาไดนาน

datascience.com