ครอรรคชย วจตร

พลงงานกบการเปลยนแปลงของสาร

สถานะของสาร สารตางๆอาจอยในสถานะ กาซ ของเหลวหรอของแขงก

ไดขนอยกบชนดของสาร การพจารณาสถานะของสาร 1. ถาสารนนมจดหลอมเหลวและจดเดอดต ากวาอณหภมหอง (25

องศาเซลเซยส) สารนนจะมสถานะเปนกาซ 2. ถาสารนนมจดหลอมเหลวต ากวาอณหภมหอง แตมจดเดอดสง

กวาอณหภมหอง สารนนจะมสถานะเปนของเหลว 3. ถาสารนนมจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาอณหภมหอง สาร

นนจะมสถานะเปนของแขง

พลงงานกบการเปลยนสถานะ • สถานะของแขง เปนสถานะทมรปรางและปรมาตรทแนนอน

และตานตอแรงทมากระท า • สถานะของเหลว เปนสถานะซงไหลได ปรมาตรคงท

เปลยนแปลงรปรางไปตามภาชนะทบรรจ • สถานะกาซ เปนสถานะทขยายตวไดจนเตมภาชนะทบรรจ

ปรมาตรและรปรางไมคงทและมความหนาแนนต า

การเปลยนแปลงพลงงานของระบบ

• ระบบ หมายถง สงทก าลงศกษาอย ซงอาจจะเปนระบบของสถานะ การละลายและปฏกรยาเคม

• สวนสงทอยรอบๆระบบรวมทงอปกรณทชวยใหระบบท างานไดสมบรณ เรยกวา สงแวดลอม

การเปลยนแปลงพลงงานของระบบ จ าแนกได 2 ประเภท คอ

การเปลยนแปลงประเภทดดความรอน

คอ การทระบบดดพลงงานความรอนจากสงแวดลอม ท าใหอณหภมของสงแวดลอมลดลง เชน การหลอมเหลวของน าแขง

การเปลยนแปลงประเภทคายความรอน

คอ การทระบบคายพลงงานใหกบสงแวดลอม ท าใหอณหภมของสงแวดลอมสงขน เชน การลกไหมของเทยนไข

ความจความรอนจ าเพาะ

ความจความรอนจ าเพาะเปนคาของพลงงานความรอนทไดรบหรอคายออกมาเมอสารนน 1 กรม มอณหภมเปลยนไป 1 องศาเซลเซยส ซงคาของความจความรอนจ าเพาะนนจะเปนคาเฉพาะตวของสารนน

สตรทใชค านวณ คอ Q = mct

เมอ

Q คอ ปรมาณความรอน มหนวยเปน จล m คอ มวลของสาร มหนวยเปน กรม c คอ ความจความรอนจ าเพาะ มหนวยเปน จลตอกรม

องศาเซลเซยส

t คอ อณหภมทเปลยนไป(t2-t1) มหนวยเปน องศาเซลเซยส

ความรอนแฝง

หมายถง คาพลงงานคามรอนทสารใชในการเปลยนสถานะ ซงขณะทเปลยนสถานะอณหภมของสารจะคงท ดงกราฟ

จากรปกราฟ จะไดวา

ชวง A หมายถง สารจะมสถานะของแขงในชวงเวลา (o-a ) ขณะนอณหภมเปลยนแปลง สงขนเรอยๆ จนถง T

ชวง B หมายถง สารก าลงเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลวในชวงเวลา (a-b) ขณะนอณหภมคงทเทากบ T1 เรยกจดหลอมเหลว ความรอนทใชในชวงนเรยกวา ความรอนแฝงของการหลอมเหลวของสาร

ชวง C หมายถง สารจะมสถานะของเหลวในชวงเวลา (b-c) ขณะนอณหภมเปลยนแปลง เรอยๆ จาก T1 ไป T2

ชวง D หมายถง สารก าลงเปลยนสถานะจากของเหลวเปนกาซ (ไอ) ในชวงเวลา (c-d) ขณะนอณหภมคงทเทากบ T2 เรยกวา จดเดอด ความรอนทใชในชวงนเรยกวา ความรอนแฝงของการเกดไอของสาร

ชวง E หมายถง สารจะมสถานะไอ (กาซ) ในชวงเวลา d เปนตนไป ขณะนอณหภม เปลยนไปเรอยจาก T2

จากความหมายขางตนสรปไดดงน

สตรทใชค านวณหาคาปรมาณความรอน คอ

เมอ Q คอ ปรมาณความรอน มหนวยเปน จล หรอ กโลจล

M คอ มวลของสาร มหนวยเปน กรม หรอ กโลกรม L คอ ความรอนแฝงจ าเพาะของสาร มหนวยเปน จลตอกรม

หรอ กโลจลตอกโลกรม

Q = mL

การเปลยนสถานะของน า

โครงสรางและสมบตของน าแขงทแตกตางจากของแขงชนดอนๆ

น ามสมบตทโดดเดนเฉพาะตวเกยวกบการเปลยนสถานะ เนองจากน าในของแขงมความหนาแนนต ากวาน าในของเหลว ดงนน น าแขงจงลอยน าได ซงแตกตางจากสารอนทเปนของแขง เชน เบนซนจมลงในเบนซนเหลว เปนตน

ของแขง เปนสถานะของสารทมความคงตว และเปนรปผลก

แตกตางกนไปขนอยกบการเรยงตวของอนภาคภายในของสารนนๆ สารบางอยางอาจมผลกไดหลายรปแบบ จงท าใหสมบตแตกตางกนไป

ของแขง

สมบตของของแขง เมอลดอณหภมลงถงจดหนง ของเหลวและแกสจะเปลยน

สถานะเปนของแขง อนภาคของสารจะหยดนง ไมมการเคลอนท แตอาจสนได ของและจงมพลงงานจลนนอยมาก เมอเทยบกบของเหลวและแกส ของแขงมสมบตและลกษณะทวไปดงน

1.มรปรางทแนนอน เนองจากโมเลกลอยชดกน มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากกวาของเหลว และมพลงงานจลนนอยมากจงไมสามารถเคลอนทได

2.มความหนาแนนมากกวาของเหลว ยกเวนน า น าแขงมความหนาแนนนอยกวาน า

3.มปรมาตรแนนอน 4.บบหรออดใหเลกลงไดยาก เพราะไมมทวางระหวางอนภาค 5.ของแขงมทงพวกทน าไฟฟาและความรอน พวกกงตวน าและพวกท

เปนฉนวนไฟฟา 6.ม 2 รปแบบคอ รปผลกและไมเปนรปผลก

7.มจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาของเหลวและแกส

สมบตของของแขง

เมอของแขงไดรบพลงงานความรอน อนภาคของของแขงจะมพลงงานจลนเพมขน เกดการสนสะเทอนของอนภาค และเกดการถายเทพลงงานใหกบอนภาคใกลเคยง และมพลงงานสงขนจนถงขนมากกวาแรงยดเหนยวระหวางอนภาคของสาร อนภาคของของแขงจงเรมเคลอนทได และไมอยในต าแหนงทแนนอน ท าใหของแขงเปลยนสถานะเปนของเหลว

การเปลยนสถานะของของแขง

อณหภมขณะทของแขงเปลยนสถานะเปนของเหลวเรยกวา จดหลอมเหลว (melting point) ซงสามารถเขยนเปนแผนผงแสดงการเปลยนแปลงไดดงน

ของแขง

ของเหลว

จดหลอมเหลว

อณหภมคงท

การระเหด การระเหด (sublimation) เปนปรากฏการณทสารบาง

ชนดเปลยนสถานะจากของแขงเปนแกส โดยไมเปลยนสถานะเปนของเหลวกอน การสนสะเทอนของอนภาคในสถานะของแขงทมพลงงานสงมากกวาแรงดงดดระหวางอนภาคดวยกน ท าใหอนภาคหลดออกจากสถานะของแขงไปออยในสถานะแกส เรยกวา การกลายเปนไอของของแขง หรอ การระเหด ซงจะเกดขนทผวหนารอบกอนของแขง ซงสามารถเขยนเปนแผนผงไดดงน

การระเหดเกดขนกบของแขงทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยและมคาความดนไอสง โดยอณหภมยงต ากวาจดหลอมเหลว ดงนนของแขงจงเปลยนเปนแกสได เชน การบร ไอโอดน แนฟทาลน พมเสน คารบอนไดออกไซดแขง(น าแขงแหง) เปนตน

ของแขง การระเหด

แกส

การระเหดของการบร

การจดเรยงอนภาคของของแขง ของแขงมรปรางลกษณะเดนชดในรปผลก ซงเกดจากอนภาค

ของแขงเรยงกนอยางมระเบยบแบบแผนตามรปทรงเรขาคณตทแนนอน คอ มผวหนาเรยบและตดกนเปนเหลยม เปนมมมดานทแนนอนและมลกษณะเฉพาะตว สารชนดเดยวกนจะมการจดเรยงตวของอนภาคเปนแบบเดยวกน

ผลกมทงธาตและสารประกอบ การจดเรยงตวของอนภาคภายในผลกอาจเปนอะตอม โมเลกลหรอไอออนทมประจบวกหรอประจลบ สารบางอยางมผลกไดหลายรปแบบ ท าใหรปรางและสมบตบางประการของสารแตกตางกน ซงจะไดศกษาจากการท ากจกรรมตอไปน

การทสารมรปผลกแตกตางกนมสาเหตมาจากการจดเรยงอะตอมหรอการจดเรยงโมเลกลของสารตางกนดงน

1. การจดเรยงโมเลกลของสารตางกน ท าใหสารมรปผลกตางกน เชน ก ามะถน ฟอสฟอรส เปนตน

2. การจดเรยงอะตอมของสารมโครงสรางตางกน ท าใหมรปผลกตางกน เชน เพชร แกรไฟต ฟลเลอรน

ของแขงในชวตประจ าวน ของแขงทเปนรปผลก

ของแขงทเปนผลกแบงออกเปน 4 ประเภทตามชนดของอนภาค ซงอาจเปนไอออน อะตอมหรอโมเลกลของของแขง ดงน

ผลกไอออนก ประกอบดวยไอออนบวกและไอออนลบ มแรงดงดดระหวางประจ

มาก มจดเดอดและจดหลอมเหลวสงแขงและเปราะ ไมน าไฟฟา

ตวอยาง เกลอแกง (NaCl) แมกนเซยมออกไซด (MgO) ซลเวอรคลอไรด (AgCl)แคลเซยมฟลออไรด (CaF2)

ผลกโมเลกล ประกอบดวยโมเลกลของของแขง แรงดงดดเปนแรงออนๆทยด

เหนยวกนดวยแรงแวนเดอรวาลส ประกอบไปดวยโมเลกลมขวและโมเลกลไมมขว จดหลอมเหลวต า ไมน าความรอนและไมน าไฟฟา ความแขงปานกลางเปราะไมมาก

ตวอยาง โมเลกลมขว น าแขง (H2O) แอมโมเนย (NH3) โมเลกลไมมขว ไอโอดน (I2) ก ามะถน (S8) แนฟทาลน (C10H8) น าแขงแหง (CO2)

โครงสรางแบบ NaCl

โครงสราง NaCl แสดงใหเหนวา Na+ ( ) อยในชองออกทะฮดรลของ Cl- ( )

เลขโคออรดเนชน = 6:6

โครงสรางแบบ NaCl (ตอ)

Cl-

Na+

โครงสรางแบบNaCl (ตอ)

การบรรจ Na+ และ Cl- ในเซลลหนวย NaCl

สวนหนงของผลกNaCl การบรรจของไอออน ในเซลลหนวย NaCl

ผลกโคเวเลนตรางตาขาย

ประกอบดวยอะตอม อะตอมยดเหนยวดวยพนธะโคเวเลนตโครงผลกรางตาขายทแขงแรงมาก ไมละลายในตวท าละลายใดๆสวนใหญไมน าความรอนและไมน าไฟฟา

ตวอยาง เพชร (C) แกรไฟต (C) ซลคอนคารไบต (SiC) ควอตซ (SiO2)

ผลกโลหะ

ประกอบดวยไอออนบวก มเวเลนซอเลกตรอน 1 – 2 อเลกตรอนเคลอนทเปนอสระ น าไฟฟาไดด เนองจากมเวเลนซอเลกตรอนอสระ สามารถเปลยนรปทบเปนแผนและท าเปนเสนได

ตวอยาง

เหลก(Fe) อะลมเนยม(Al) ทองแดง(Cu) สงกะส(Zn) ตะกว(Pb) เงน(Ag) นกเกล(Ni) โครเมยม(Cr) แมกนเซยม(Mg)

ชนดของของแขง แบงของแขงได 4 ประเภท ตามชนดของอนภาคในเซลลหนวย(จด

แลตทซ) ดงน

1. ของแขงโมเลกล 2. ของแขงไอออน

3. ของแขงโคเวเลนต 4. โลหะ

แรงดงดดระหวางโมเลกลหรออะตอม อาจเปนแรงดงดดระหวางอนภาคมขว (dipole - dipole attraction) แรงดงดดระหวางอนภาคไมมขว (แรงแวนเดอรวาลล) หรอพนธะไฮโดรเจน (hydrogen bonding) (แรงเหลานมความแขงแรงนอยกวาพนธะโคเวเลนต)

1.ของแขงโมเลกล (molecular solid) มอนภาคในจดแลตทซเปนโมเลกลหรออะตอม

ของแขงโมเลกล (ตอ)

แรงแวนเดอรวาลล (ชนดแรงกระจายลอนดอน) ไดแก Ar, O2,แนฟทาลน (ลกเหมน) น าแขงแหง (CO2 แขง)

แรงไดโพล - ไดโพล ไดแก SO2, น าแขง, HCl พนธะไฮโดรเจนไดแกในน าแขง, NH3, HF ของแขงบางชนด เชน น าแขง มแรงระหวางโมเลกลหลายแบบรวมกน แรงระหวางโมเลกลในของแขงโมเลกลมคานอย ของแขงโมเลกลจงมกมพลงงานโครงผลก (lattice energy) ต า เปลยน

รปงาย (easily deformed) มความออน (soft) มจดหลอมเหลวต า และน าไฟฟาไดนอย

2.ของแขงไอออน (ionic solid)

มอนภาคในจดแลตทซเปนไอออน เชนผลก NaCl ม Na+ และ Cl- อยตามจดแลตทซ และดงดดกนดวยแรงดงดดแบบไฟฟาสถตย (electrostatic attraction) ( ขนาดของแรงขนกบขนาดและประจของไอออน)

แรงดงดดแบบไฟฟาสถตยมคามาก ของแขงไอออนจงมพลงงานโครงผลกสง มจดหลอมเหลวสง มความแขง แตเปราะ และแตกหกงาย

การแตกของของแขงไอออน

3.ของแขงโคเวเลนต (covalent solid) มพนธะโคเวเลนตระหวางอะตอม ยดกนเปนตาขายทวผลก เชน เพชร ทกๆ อะตอมของคารบอนยดกบอะตอมอน 4 อะตอม ท า

ใหเกดพนธะโคเวเลนตทแขงแรงมาก ของแขงโคเวเลนตอนๆ เชน กราไฟต คารโบรนดม (ซลกอนคาร

ไบด, SiC) และควอซต (ซลกอนไดออกไซด, SiO2)

ของแขงโคเวเลนต(ตอ) SiC มโครงสรางคลายเพชร (แตม อะตอม Si แทน C ครงหนง

ของทงหมด) SiC ใชท าวตถขดส เชน กระดาษทราย ของแขงโคเวเลนตมการน าไฟฟาต า เพราะอเลกตรอนในผลก อย

ประจ าท ไมสามารถเคลอนทไดอยางอสระ

4.ของแขงโลหะ (metallic crystals)

อนภาคทอยตามจดแลตทซของโลหะคอไอออนบวก และม เวเลนตอเลกตรอนทเปนของผลกทงหมด ลอมรอบไอออนบวก (ไมใชของอะตอมใดอะตอมหนง) บางครงเรยกวามไอออนบวกอยใน “ทะเล” อเลกตรอน

ผลกโลหะสวนใหญมการจดเรยงอนภาคแบบบรรจชดทสด (ทง fcc และ hcp)

ของแขงโลหะ(ตอ)

โลหะเปนชนอยไดเพราะมแรงดงดดทางไฟฟาสถตยระหวางไอออนบวกกบทะเลอเลกตรอน

อเลกตรอนในผลกโลหะเคลอนทไดอยางอสระ โลหะสวนใหญจงน าไฟฟาไดด จดหลอมเหลวและความแขง ของโลหะหลายชนดมคาแตกตางกนมาก

เพราะโลหะบางชนดมพนธะโคเวเลนตปนอยดวย

โครงสรางผลกโลหะ

Li

Na

K

Rb

Cs Ba

V

Nb

Ta W

Mo

Cr Fe Ca

Sr

Ni

Rh

Ir Pt

Pd

Cu

Ag

Be

Au Pb

Mg

Sc

Y

La

Ti

Zr

Hf

Tc Ru

Os Rc

Co Zn

Cd

Tl

Mn Ga Ge

Sn In

Hg

Fe ลกบาศก กลางตว

ลกบาศก กลางหนา Pb เฮกซะโกนล Tl

โลหะทไมไดบอกโครงสรางไวในตาราง มโครงสรางผลกดงน Mn = ลกบาศกกลางตว Ga = ออรโทรอมบก Ge = ลกบาศกกลางหนา (บรรจชดทสด) In, Sn = เททระโกนล (Sn มหลายอญรป) Hg = รอมโบฮดรล

โครงสรางผลกโลหะ

สมบตของของเหลว ของเหลว(liquid) เปนสารทอนภาคเคลอนทชาๆ อยางไมเปน

ระเบยบอยใกลๆ กน มลกษณะทวไปและสมบตบางประการดงน - มแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยกวาของแขงท าใหมชองวาง

ระหวางอนภาค และ มพลงงานจลน - มรปรางไมแนนอน เปลยนแปลงไปตามรปรางของภาชนะ และ

ในกรณทบรรจของเหลวไมเตมภาชนะนน ของเหลวนนจะมรปรางเหมอนกบสวนลางของภาชนะ

- มปรมาตรคงท แมจะเปลยนไปใสภาชนะรปรางอนและขนาดไมเทาเดม ของเหลวนนกยงคงจะมปรมาตรเทาเดม

- มความหนาแนนนอยลงเมอเปลยนสถานะเปนของแขง - ไมสามารถบบอดใหเลกลงได แตอาจขยายหรอหดตว เมอ

อณหภมเปลยนแปลง เนองจากยงคงมชองวางระหวางโมเลกล - มการแพรกระจายเหมอนกาซ แตชากวา เนองจากมแรงดงดด

จากโมเลกลใกลเคยง และบรเวณทใชในการเคลอนทมจ ากด - สมบตการระเหยและมความดนไอทมคาเฉพาะตว

- เมอไดรบความรอน อนภาคจะมพลงงานจลนสงขน เคลอนทไดเรวและแรงขน จนเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางกน อนภาคจงแยกออกจากกน ของเหลวเปลยนสถานะเปนแกส อณหภมทของเหลวไดรบจนเปลยนสถานะเปนแกสนนเรยกวา จดเดอด

การระเหย การระเหย(evaporation) เปนกระบวนการทของเหลว

เปลยนสภานะเปนกาซหรอไอ ซงเกดขนไดเนองจากการเคลอนทตลอดเวลาของของเหลว ทเกดการชนกนและถายเทพลงงานซงกนและกนโมเลกลหนงมพลงงานจลนเพมขน อกโมเลกลหนงจะมพลงงานจลนลดลง เมออนภาคหรอโมเลกลทอยผวหนาของของเหลวมพลงงานจลนมากกวาแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทอยรอบขาง จะท าใหหลดออกจากผวหนาของของเหลว ไปเปนไอหรอแกส ท าใหปรมาตรของของเหลวลดลง และโมเลกลทระเหยไปเปนไอจะมพลงงานจลนสงกวาโมเลกลทอยในสถานะของเหลว

โมเลกลทมพลงงานจลนลดลงจะดดพลงงานความรอนจากโมเลกลใกลเขามา ท าใหอณหภมของของเหลวลดลง เปนการเปลยนแปลงประเภทดดพลงงาน

ปจจยทมผลตอการระเหย - อณหภม ของเหลวทอยในอณหภมสง จะเกดการระเหยได

ดกวาของเหลวทอยในอณหภมต า - พนทผว ในอณหภมและ เวลาทเทากน ของเหลวทอยใน

ภาชนะทมพนทหนาตดมากกวาจะเกดการระเหยไดมากกวาของเหลวทอยในภาชนะทมพนทหนาตดนอยกวา

- การถายเทของอากาศ ของเหลวทอยในททอากาศถายเทไดด จะเกดการระเหยไดดกวาของเหลวทอยในททอากาศถายเทไมสะดวก

ของเหลวตางชนดกนจะมอตราการระเหยไมเทากน เพราะโมเลกลของของเหลวแตละชนด มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลตางกน(แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะระเหยไดไมด)

หลกการระเหยของของเหลวน ามาใชในชวตประจ าวนได เมอดนมความชน กแสดงวาดนมน าอย

เมอไดรบความรอนและอณหภมความดนบรรยากาศพอเหมาะ กจะเกดการระเหยกลายเปนไอน าขนสบรรยากาศ ซงไอน าจากทงจากการคายระเหยของพชและการระเหยของน าจากดนกจะเขาสกระบวนการ การเกดฝนตอไป

ความดนไอของของเหลว ความดนไอของของเหลว( vapour

pressure)คอความดนของไอเหนอของเหลว ขณะทมคาคงท ซงเกดจากการทชองเหลวระเหยอยตลอดเวลา ขณะทของเหลวกลายเปนไอ ปรมาตรของของเหลวจะลดลง และปรมาณไอจะเพมขน ไอของของเหลวบางสวนจะเปลยนสภานะกลบมาเปนของเหลวไดอก ในระบบปดโมเลกลของของเหลวระเหยกลายเปนไออยเหนอระดบของเหลว โมเลกลของไอเหลานนจะชนฝาภาชนะ ซงผลรวมของแรงชนตอหนวยพนท

เรยกวา ความดนไอ เมอโมเลกลของของเหลวทเปนไอจ านวนมากกจะเกดการชนกนเองและกลบมาเปนของเหลวอก เรยกวาการควบแนน(condensation) และถาอตราการกลายเปนไอเทากบอตราการควบแนนจะไดวาของเหลวอยใสภาวะสมดล ซงเปนสมดลไดนามก(dynamic equilibrium) และความดนไอทเกดตอนนเรยกวา ความดนไอสมดลของของเหลว

Pบรรยากาศ = Pไอ + Pปรอท

Pไอ = Pบรรยากาศ – Pปรอท

= Pบรรยากาศ -

เมอ = ความหนาแนนของปรอท (g/cm3)

g = แรงโนมถวงของโลก (10 m/s2)

h = ความสงของระดบปรอท (m)

ทอณหภมสง ความดนไอของของเหลวจะมคามากกวาทอณหภมต า เพราะโมเลกลขอของเหลวจะมพลงงานสงขน ท าใหกลายเปนไดมากขน หรอกลาวไดวา อณหภมของของเหลวมผลตอความดนไอของสาร สารชนดเดยวกน เมอมอณหภมสงจะมความดนไอมากกวาทมอณหภมต า เนองจาก เมออณหภมสง จ านวนโมเลกลของของเหลวจะมพลงงานจลนมากกวาแรงยดเหนยว จงเกดการหลดหนออกไปกลายเปนไอไดมากขน มอตราการระเหยมากขน ความดนไอของของเหลวจงเพมขน

ปจจยทมผลตอความดนไอ -อณหภม ถาอณหภมสง ของเหลวจะกลายเปนไอไดงาย ความ

ดนไอกจะเพมขนดวย -ชนดของของเหลว ถาของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

มาก กกลายเปนไดยาก ความดนไอกจะต า -พนทผวของของเหลว ถามพนทผวมากกจะกลายเปนไอไดงาย

ความดนจะสง

จดเดอดของของเหลว

- การเดอด(boiling) หมายถงการเกดฟองของไอขนภายในของเหลว เมอไดรบความรอน

- จดเดอด(boiling point) คออณหภมทของเหลวเปลยนสถานะกลายเปนไอ ขณะนนความดนไอของของเหลวจะเทากบความดนภายนอก ในอณหภมของความรอนทของเหลวไดรบจะท าใหโมเลกลของของเหลวระเหยเพมมากขน แตจะไมท าใหของเหลวมอณหภมเพมขนอก ดงนนจดเดอดของของเหลวจงคงท

การเดอดตางจากการระเหยตรงท การระเหยเปนการกลายเปนไอของโมเลกลทอยบรเวณผวหนาของของเหลว แตการเดอดเปนการกลายเปนไอของโมเลกลทกสวนในของเหลว เนองจากไดรบความรอนจงเกดฟองของไอขนภายในของเหลว ซงชวยเพมพนทผวหนาของของเหลว เสมอนวาเกดการระเหยขนทวไปภายในของของเหลว

ความดนไอกบชวตประจ าวน ในการประกอบอาหาร เพอใหอาหารเปอยเรวขน ควรใชหมอ

อดความดน เพอเพมความดนของอากาศภายในหมออดความดน จะท าใหของเหลวมความดนไอสงเทากบความดนของอากาศภายในหมอ จงจะเกดการเดอด จดเดอดจงสงกวาปกต ท าใหอาหารเดอดเรวขน

ความตงผว

ของเหลวจะประกอบดวยอนภาคจ านวนมากทมายดกนในลกษณะทมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ซงโมเลกลทอยตรงกลางจะมแรงยดเหนยวจากโมเลกลทอยโดยรอบในทกทศทาง โดยเฉพาะโมเลกลทอยผวหนาจะมแรงยดดานขางและดานลางของโมเลกล ท าใหผลรวมของแรงดงมทศทางลงสดานลาง เรยกแรงดงพวกนวา แรงตงผว

ซงเปนแรงทดงผวของของเหลวเขามาภายใน เพอใหพนทผวของของเหลวเหลอนอยทสด(โดยทวไปจะเปนรปทรงกลม)

กรณการเพมพนทผวของของเหลว ตองมการใชพลงงานเพอเอาชนะแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทอยโดยรอบ การทโมเลกลมการขยายพนทผวของของเหลว 1 หนวยเรยกวา ความตงผว(มหนวยเปน นวตนตอตารางเมตร) ความตงผวของของเหลวจะมากหรอนอยขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลในของเหลว กลาวคอ ถาของเหลวมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมาก จะท าใหเกดความตงผวมาก

นอกจากนคาความตงผวของสารแตละชนดจะมคาไมเทากน และเมออณหภมเปลยนแปลง คาความตงผวกเปลยนไปดวย

การใสของเหลวลงภาชนะ จะพบวาโมเลกลของของเหลวและโมเลกลของสารทท าตอภาชนะ กอใหเกดแรงยดเหนยว 2 ชนดคอ

แรงเชอมแนน เปนแรงยดเหนยวระหวางอนภาค หรอโมเลกลของสารประเภทเดยวกน เชน น ากบน า ปรอทกบปรอท

แรงยดตด เปนแรงยดเหนยวระหวางอนภาคหรอโมเลกลของสารตางชนดกน เชน น ากบแกว ปรอทกบแกว ทใชท าภาชนะ

แรงทงสอง จะมผลตอรปทรงทปรากฏใหเหน เมอใสของเหลวในภาชนะ เชน เมอใสน าในหลอดแกว จะเหนเปนรอยเวาลง หรอเมอใสปรอทลงในหลอดแกว จะเหนเปนรอยนนขน

ของเหลวทมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคมาก จะมแรงดงผวมาก และจะมความตงมาก นอกจากแรงยดเหนยวระหวางอนภาคจะมผลตอความตงของสารแลว อณหภมของสารยงเปนอกปจจยหนงทมผลตอความตงผวของสาร

ความตงผว

ภาพตวอยางแรงตงผว

การเกดหยดน า

ผลกของเหลว (Liquid crystals)

สารบางชนดมสมบตทเปนทงของแขงและของเหลว โดยเฉพาะ ในชวงอณหภมเหนอจดหลอมเหลวของสารนน สารประเภทนเรยกวา ผลกของเหลว ซงมลกษณะเปน ของไหล (fluid) แตโมเลกลมการจดเรยงอยางเปนระเบยบคลายของแขงดงน

ของเหลว ของแขง ผลกเหลว

ผลกของเหลว

ม 3 ชนด ประกอบดวยโมเลกลทมลกษณะเปนแทงกลม (rodlike molecle) แตตางกนทการจดเรยง ดงน

ผลกของเหลวแบบเนมาตก โมเลกลมการจดเรยง คลายหลอดกาแฟทเรยงกนอยางหลวมๆ

ผลกของเหลวแบบสเมกตก โมเลกลมการจดเรยง อยางมระเบยบมากกวาแบบ เนมาตก โดยโมเลกล เรยงกนเปนแถวขนานกนและตอกนเปนชนๆ

ผลกของเหลว (ตอ)

ผลกของเหลวแบบโคเลสเทอรก โมเลกลมการจด เรยงเปนชนๆ ในแตละชนมการ จดคลาย ๆ แบบเนมาตก แตล าดบการเรยงในแตละชนไมเหมอนกน

ผลกของเหลว (ตอ)

ลกษณะการจดโมเลกลในผลกของเหลว

(a) แบบเนมาตก

(b) แบบสเมกตก

(c) แบบโคเลสเทอรก

ของเหลวในชวตประจ าวน ของเหลวทพบในชวตประจ าวนมหลายชนด ทงทเปน

สารละลายและสารบรสทธ ซงมลกษณะเปนสารเนอเดยว กอนทจะน ามาใชควรจะศกษาสมบตของของเหลวแตชนด เพอไมใหเกดอนตราย

ผลกของเหลวมความส าคญและใชประโยชนได เพราะมคณสมบตพเศษตางๆ เชน แบบโคเลสเทอรกสะทอนแสงใหสตางๆ ไดตามอณหภม จงมการน ามาใชเปนแถบวดไข แบบเนมาตก ใชเปนแบตเตอรในเครองคดเลขขนาดเลกและนาฬกาขอมอทแสดงเปนตวเลข (digital) เพราะสมบตเชงแสงเปลยนแปลงไดตามสนามไฟฟาทเปลยนไป แบตเตอรประเภทนมกใชไดนาน เพราะพลงงานทใชในการท าใหเกดการเปลยนสมบตเชงแสงนนมคานอยมาก

ตารางแสดงชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตไดและประโยชนหรอโทษของสาร

ชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตได ประโยชน/โทษ สารบรสทธ

น ากลน กรดแอซตก เบนซน

ใส ไมมส ไมมกลน ใส ไมมส มกลนฉน แสบจมก ใส ไมมส มกลนเฉพาะตว

เปนตวท าละลาย และใชดม เปนสวนผสมของน าสมสายช ใชในอตสาหกรรมปโตรเคม และเปนตวท าละลาย

ชนดของของเหลว ลกษณะทสงเกตได ประโยชน/โทษ

สารละลาย/คอลลอยด

น ามนเบนซน น าอดลม น าหวาน

ใส ไมมส สวนใหญเตมสแดงเพอเปนทสงเกต ใส มสตามทผผลตผสม ใส มสตามทผผลตผสม

เปนเชอเพลงในรถยนต และเปนตวท าละลาย เปนเครองดม

เปนเครองดม

สมบตของกาซ

กาซ (gas) คอ สารทอยในสถานะของกาซ ณ อณหภมและความดนปกต เชน กาซไฮโดรเจน (H2) กาซออกซเจน (O2) กาซเฉอย เปนตน

ไอ (vapour) คอ สารทอยในสถานะของแขง และของเหลวแลวมการเปลยนสถานะไปเมออณหภมและความดนเปลยน เชน ไอน า ไอของไอโอดน ไอลกเหมน เปนตน

คณสมบตของกาซ คอ 1.กาซมลกษณะฟ งกระจายไปทวภาชนะ เนองจากมแรงยด

เหนยวระหวางโมเลกลนอย 2.กาซมปรมาตรและรปรางไมแนนอน ขนอยกบขนาดของ

ภาชนะ 3.โดยทวไปกาซจะมลกษณะโปรงใส สวนใหญไมมส เชน กาซ

O2 , กาซ N2 ฯลฯ ยกเวน กาซ Cl2 (สเขยวออน) , กาซ NO2

สน าตาลแดง) , กาซ F2 (สเหลอง) เปนตน

4. เมอน ากาซมารวมกน 4.1ไมมปฏกรยาตอกน จ านวนโมเลกลของกาซกอนและหลงจะ

เทากน เชน

NO + NO2 NO + NO2

2 โมเลกล 2 โมเลกล 4.2 มปฏกรยาตอกน จ านวนโมเลกลของกาซกอนและหลง

อาจจะเทากนหรอไมเทากนกได ขนอยกบชนดของปฏกรยาเคม เชน

H2 + Cl2 2HCl

2 โมเลกล 2 โมเลกล

2H2 + O2 2H2O

3 โมเลกล 2 โมเลกล

2A + B C + 3D

3 โมเลกล 4 โมเลกล

5. กาซมความหนาแนนนอยกวาของเหลว และของแขง 6. ปรมาตรของกาซเปลยนแปลงไดขนอยกบอณหภมและความ

ดนซงในการบอกปรมาตร ของกาซจะตองบอกอณหภมและความดน และจ านวนโมลดวย

เชน กาซโฮโดรเจน 1 โมล จะมปรมาตร 22.4 ลตร (L) หรอลกบาศกเดซเมตร(dm3) ทอณหภม 0 องศาเซลเซยส (273 K ) และความดน 1 บรรยากาศ ซงเรยกวา STP

(Standard Temperature and Pressure)

ชนดของกาซ

นกวทยาศาสตรไดศกษาสมบตของกาซตางๆ และแบงกาซออกเปน 2 ประเภท คอ

1.กาซอดมคต (Ideal gas ) หรอกาซสมบรณ ( Absolute gas ) เปนกาซทนกวทยาศาสตรสมมตขนมาเพออธบายพฤตกรรมบางอยางของกาซ ซงกาซนไมมอยจรงในธรรมชาตและจะมพฤตกรรมตางๆ เปนไปตามกฎตางๆของกาซ เชน กฎขอบอยล กฎของชารล เปนตน

2.กาซจรง (Real gas) เปนกาซทมอยในธรรมชาตจรงๆ จะมพฤตกรรมตางๆ ไมเปนไปตามกฎตางๆ ของกาซ ซงพบวา กาซจรงจะมพฤตกรรมหรอสมบตคลายกาซอดมคต ตองอยทอณหภมสงและความดนต า ซงจะท าใหโมเลกลของกาซอยหางกน จนไมมแรงยดเหนยวระหวางกาซโมเลกลจนกลายเปนกาซอดมคต

อณหภมปรมาตรและความดน

อณหภม (Temperature) เปนมาตรทใชบอกระดบความรอน-เยนของสาร แตอณหภมไมไดบอกใหทราบถงปรมาณความรอนของสาร กลาวคอ สารทมอณหภมเทากนแสดงวามระดบความรอนเทากน แตอาจมปรมาณความรอนเทากนหรอไมเทากนกได เครองมอทใชวดอณหภมคอ เทอรโมมเตอร และเทอรโมคพเปล แตทใชกนอยางแพรหลายไดแก เทอรโมมเตอร

การวดอณหภมมหนวยทใชกนหลายหนวย เชน เซลเซยส (ºC) ฟาเรนไฮต (ºR) เคลวน หรอ องศาสมบรณ (K หรอ A)

จากขอมลจะไดวา

ผลตางอณหภมใดๆกบจดหลอมเหลว

ผลตางอณหภมจดเดอดกบจดหลอมเหลว

= คาคงท

ดงนน

MB

MXKRFC

MB

MXKRFC

100

273

80180

32

100

273373

273

080

0

32212

32

0100

0

ดงนนจะไดสตรแสดงความสมพนธของอณหภมองศาตางๆ

MB

MXKRFC

)(20

5

273

49

32

5

เมอ X คอ องศาใดๆ M คอ จดหลอมเหลว B คอ จดเดอด โดยทวไปกาซมกจะวดเปนเคลวนและองศาเซลเซยส ซงมความสมพนธกนดงน อณหภมเคลวน = 273 + องศาเซลเซยส

ปรมาตร (volume) คอ ปรมารความจ ปรมาตรของกาซโดยทวไปหมายถงปรมาตรของภาชนะทบรรจกาซ เนองจากกาซเปนสารทมอนภาคเคลอนทกระจายเมเนอทวางในภาชนะทบรรจ การใชสญลกษณแทนปรมาตรของกาซในการค านวณคอ V

หนวยวดปรมาตรทนยมใชคอ ลตร (L) มลลลตร (mL)

ลกบาศกเดซเมตร (dm3) และลกบาศกเซนตเมตร (cm3)

รปแสดงปรมาตรของกาซเทากบปรมาตรของภาชนะสเหลยมสแดง

สามารถเขยนความสมพนธระหวางหนวยวดปรมาตรหนวยตางๆ ไดดงน

1 dm3 = 1000 cm3

1 L = 1000 mL

1 dm3 = 1 L

1 cm3 = 1 mL

ความดน (pressure) หมายถงแรงตอหนวยพนท ความดนของกาซเกดจากโมเลกลของกาซเคลอนทชนผนงภาชนะ ท าใหเกดแรงกระท าตอภาชนะ ความดนของกาซทเกดขนมคาเทากนไมวาทจะวดทต าแหนงใดของภาชนะนน

การวความดนของกาซ หนวยทใชวดความดนไดแก บรรยากาศ มลลเมตรปรอท นวตนตอตารางเมตร ปอนดตอตารางนว บาร ทอร ส าหรบหนวยเอสไอ ใชปาสคาล (Pascal) สญลกษณ Pa และหนวยตางๆมความสมพนธกนดงน

1 บรรยากาศ(atm) = 760 มลเมตรปรอท(mmHg) = 760 ทอร (Torr)

= 1.01325 × 105 ปาสคาล (Pa) = 1.01325 บาร (Bar)

เครองมอทใชวดความดนของบรรยากาศ เรยกวา บารอมเตอร (Barometer) ดงรป

รป h = ความดนของบรรยากาศ ซงเทากบความสงของปรอท

เครองมอทใชวดความดนของกาซ เรยกวา มาโนมเตอร (Manometer) ซงม 2 แบบ ดงรป

แบบปลายปด จากรป ความดนของกาซ = h (ความสงของปรอท)

แบบปลายเปด จากรป ความดนของกาซ = h + ความดนบรรยากาศ

กฎตางๆของกาซ

กฎของบอยล(Boyle’s law) รอเบรต บอยล (Robert Boyle)

นกวทยาศาสตรชาวองกฤษไดศกษาความสมพนธระหวางปรมาตรกบความดนของกาซในป ค.ศ. 1662 พบวาเมออณหภมและมวลของกาซคงทปรมาตรของกาซจะแปรผกผนกบความดน

เขยนแสดงความสมพนธเปนสญลกษณไดดงน

• เมอ T และ m คงทจะได V α

PV = k

ก าหนดให V = ปรมาตรของกาซ P = ความดนของกาซ T = อณหภมเคลวน m = มวล k = คาคงท

P1

เขยนความสมพนธของผลคณระหวางความดนและปรมาตรของกาซเมออณหภมคงทไดดงน

P1V1= P2V2 = P3V3 =..........= k

สตรทใชในการค านวณคอ P1V1 = P2V2

ถากาซแสดงสมบตตามกฏของบอยล เราจะไดวา พนท A = พนท B

ตวอยางการค านวณเรองกฎของบอยล

ตวอยางท 1 แกสฮเลยมบรรจในลกโปงปรมาตร 4 ลตรทความดน 1 บรรยากาศ อณหภม 30 องศา เซลเซยส ถาตองการใหลกโปงขยายปรมาตรเปน 2 เทา จะตองอยในภาวะทมความดนเทาไหร

วธท า P1 = 1 atm V2 = 4 L

P2 = ? V2 = =8L 42

จากสตร P1V1 = P2V2

1(atm)× 4(L) = P2 (atm) ×8 (L)

P2 =

= 0.5 atm

จะตองท าใหมความดน 0.5 บรรยากาศ

)(8

)(4)(1

L

Latm

ตวอยางท 2 กาซไนโตรเจนมปรมาตร 15.00 ลตร ทความดน 2.00 บรรยากาศ (atm) เมอตองการให กาซไนโตรเจนมปรมาตร 2.50 ลตร จะตองใชความดนเทาไหร สมมตวาอณหภมคงทและกาซไนโตรเจนมพฤตกรรมแบบกาซในอดมคต

วธท า จากสตร P1V1 = P2V2

2.00(atm) × 15.00(L)= P2 ×2.50(L)

P2 =

= 12 บรรยากาศ เพราะฉะนน จะตองใชความดน 12 บรรยากาศ

)(5.2

)(15)(2

L

Latm

กฎของชารล (Chales’Law) ชาก-อาแลกซองดร-เซซา

(Jacques A. Charles) นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส ไดศกษาความสมพนธระหวางอณหภมกบปรมาตรของกาซ พบวา เมอความดนคงทปรมาตรของกาซใดๆจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน

สามารถเขยนความสมพนธ ไดดงน

kT

V

TV

เมอ P และ M คงท จะได

ดงนน kT

V

T

V

T

V

T

V

n

n ...3

3

2

2

1

1

สตรทใชค านวณ คอ 2

2

1

1

T

V

T

V

เมอ V คอ ปรมาตรของกาซ T คอ อณหภมของกาซม หนวยเปน เคลวน นอกจากน พบวาถาท าใหกาซรอนขนทความดนคงท กาซจะขยายตวมปรมาตรเพมขนไปตามเศษสวนของปรมาตรของกาซท 0 องศาเซลเซยสเทาๆกน ทกองศาเซลเซยสทเพมขน และเศษสวนนนมคา เทากบ

273

1

รปแสดงความสมพนธของปรมาตรและอณหภม ทความดนคงท

tV

VtVV

VVV

VVV

VV

Ct

C

C

C

o

o

o

o

273

11

273

1

2273

1

1273

1

0

00

002

001

00

จะไดวา Vt = V0( 1 + t )

เมอ Vt = ปรมาตรของกาซท °c

Vo = ปรมาตรของกาซท 0°c

= 273

1

จากสตร คอ 2

2

1

1

T

V

T

V จะเปนสตรเดยวกบ Vt = V0( 1 + t )

จากความสมพนธระหวางปรมาตรและอณหภม สามารถเขยนกราฟแสดงไดดงน

เราจะไดกราฟเสนตรง จดตดแกน y คอปรมาตรของกาซท อณหภม 0 องศาเซลเซยส ใหเทากบ V0 มลลลตรและเมอลากเสนประไปจนปรมาตรของกาซเทากบ 0 มลลลตรพบวาเสนกราฟตดแกนอณหภมทประมาณ -273 องศาเซลเซยส

ศนยสมบรณ : 0 K = -273.15°c จดเยอกแขงของน า : 273.15 K = 0°c จดเดอดของน า : 373.15 K = 100°c

กฎของเกยลสแซก (Gay-Lussac’s Lew)

จากความสมพนธระหวางความดน และอณหภมพบวา เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท ความดนของกาซจะแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน บางครงเรยกวากฎของ A monton

P α T (เมอปรมาตรและมวลของกาซคงท)

2

2

1

1

T

P

kT P

T

P

T

P

k

และ สตรนใชค านวณเมอปรมาตรและมวลของกาซคงท

เมอ P คอ ความดนของกาซ T คอ อณหภมเคลวน

ถาน าความดนและอณหภมมาเขยนกราฟไดดงน

P

t(K)

V1

V2

V1>V2

จากกฎของความดนและอณหภมสามารถเขยนเปนแบบภาพไดดงน

Gay Lussac

Boyle

Charle

จากรปสรปไดดงน

กฎของ Boyle จะไดวา T คงท V α PV=คาคงท

กฎของ Charle จะไดวา P คงท V α T =คาคงท

กฎของ Gay Lussac จะไดวา V คงท P α T =คาคงท

P

1

T

V

T

P

ตวอยางการค านวณเกยวกบกฎของเกยลสแซก

ตวอยางท 1 อากาศในถงใบหนงมความดน 640 มลลเมตรปรอท ทอณหภม 23ºC เมอวางไวกลางแดดอณหภมเพมเปน 48 ºC ความดนของอากาศในถงจะเปนเทาใด วธท า จากสตร

mmHgP

K

KmmHgP

K

P

K

mmHg

T

V

T

V

694

)(300

)(321)(640

)(27348)(27323

)(640

2

2

2

2

2

1

1

แทนคา

ตวอยางท 2 กาซ X จ านวนหนงบรรจในถงซงมปรมาตร 2 ลตร วดความดนทอณหภม 27 ºC ไดเทากบ 800 มลลเมตรปรอท ถาตองการใหความดนกาซ X ภายในถงเพมขนอก 200 มลลเมตรปรอท จะตองเพมอณหภมอกก องศาเซลเซยส

CT

KT

mmHg

KmmHgT

T

mmHg

K

mmHg

T

V

T

V

o102273375

)(375

)(800

)(300)(1000

)(200800

)(27327

)(800

2

2

2

2

2

2

1

1

ดงนนจะตองเพมอณหภมอก 102-27 = 75 ºC

วธท า จากสตร

แทนคา

กฎของอโวกาโดร(Avogadro’

Law)

กลาวไดวา “เมออณหภมและความดนคงท ปรมาตรของกาซใดๆ จะแปรผนตรงกบจ านวนโมลของกาซนนๆ”

ก าหนดให V = ปรมาตรของกาซ n = จ านวนโมลของกาซ k = คาคงท

nV

knV

2

1

2

1

2

2

1

1

n

n

V

V

n

V

n

V

จะได

หรอ

สตรนใชเมอความดนและอณหภมคงท

ท สภาวะ STP กาซทกชนด 1 โมล มปรมาตรเทากบ 22.4 L

จากปรากฏการณน ถาเราน าคาไปแทนในสมการ 1 เราจะไดวา รป ก. V = 22.4 L,n = 1 mol

K = 22.4 L/1mol = 22.4 L/mol รป ข. V = 44.8 L, n = 2 mol

K = 44.8 L/2 mol = 22.4 L/mol เปนตน

กรณเชนเดยวกนกบแกสตางชนดกน เมอมจ านวนโมเลกลหรอจ านวนโมลเทากน ทสภาวะความดนและอณหภมเดยวกน ปรมาตรของกาซเหลานนจะมคาเทากนเสมอ

ดงตวอยางใน รป ง จ และ ฉ แสดงกระบอกสบซงบรรจกาซ A, B

และ C ตามล าดบ เมอกาซเหลานมปรมาณ 1 โมล ความดน 1 atm ทอณหภม 0 องศาเซลเซยส จะไดปรมาตรของกาซเทากบ 22.4 ลตร

จากกฎตางๆรวมเปนกฎของกาซได คอ T

PV

2

22

1

11

T

VP

T

VP

nT

PV

= คาคงท

จะได

เมอน ากฎอโวกาโดรมาสรปจะไดวา = คาคงท = R

เมอกาซตางๆ 1 mol ท STP สามารหาคา R ได

08205.02731

4.221

R

จะได nRTPV

P = บรรยากาศ(atm) V = ปรมาตร(L) n = จ านวนโมล T = อณหภม(K)

R = คาคงทของกาซ (Universal gas Constant) = 11

08205.0

KmolLatm

จาก

DRTPm

RTV

gPm

RTm

gPV

nRTPV

จะได

m = มวลโมเลกล D = ความหนาแนน(g/L)

22

22

11

11

tg

VP

tg

VP

m

R

gt

PV

RTm

gPV

nRTPV

จาก

= คาคงท

จะได

22

2

11

1

TD

P

TD

P

V

gD

จาก แทนในสตร

จะได

ตวอยาง กาซชนดหนงมความหนาแนน 7.2 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร ท 25 องศาเซลเซยส ความดน 700 มลลลตรปรอท จะมความหนาแนนเทาใดท STP

วธท า จาก

3

2

2

3

22

2

11

1

/53.8

273

760

)25273(/2.7

700

cmgD

KD

mmHg

Kcmg

mmHg

TD

P

TD

P

จะมความหนาแนน 8.53 g/cm3 ท STP

กฎความดนยอยของดอลตน กฎของกาซทกลาวมาเปนการศกษาพฤตกรรม

ของกาซบรสทธ(ระบบทมกาซชนดเดยว) แตในทางปฏบตมกจะพบกาซทอยรวมกนหรอผสมกนมากกวาหนงชนด เชน อากาศประกอบดวยกาซหลายชนด ในการพจารณาระบบกาซผสมตงแต 2 ชนดทไมท าปฏกรยาเคมตอกน กาซแตละชนดจะมความดนเหมอนวาเปนกาซทอยโดยล าพง ไมมกาซอนๆ อยดวย ความดน ของกาซแตละชดในกาซผสมเรยกวา ความดนยอย ( partial pressure ) ในป ค.ศ.1801 pressure ) ดอลตนไดเสนอกฎเรยกวา กฎความดนยอยของดอลตน ( Dalton’s law of artial )

กลาววา “ความดนของกาซผสมทไมมปฏกรยาเคมตอกนจะเทากบผลบวกของความดนยอยของกาซตางๆทเปนองคประกอบของกาซผสมนนๆ”

ก าหนดให PT คอ ความดนรวมของกาซ P1, P2, P3 …,Pn คอ ความดนยอยของกาซชนดท

1,2,3,...,n

จากกฎความดนยอยของดอลตนสามารถเขยนสมการไดดงน

PT = P1 + P2 + P3 + Pn

จากความสมพนธ จะแสดงเปนภาพไดดงน

ตวอยางเชน ถาเราม กาซไฮโดรเจน 0.5 โมล ปรมาตร 5 ลตร ทอณหภม 20 องศาเซลเซยส ความดนเทากบ 2.4 บรรยากาศ ดงรป ก และ ในรป ข มกาซฮเลยม 1.25 โมล ปรมาตร 5 ลตร ทอณหภม เดยวกน ความดนของกาซฮเลยม 6 บรรยากาศ

เมอน ากาซไฮโดรเจนและกาซฮเลยมจากรป ก และรป ข มารวมกนในถงปรมาตร 5 ลตร และอณหภมเทาเดม 20 องศาเซลเซยส จะไดกาซผสมในรป ค. ดานลาง ซงความดนรวมจะเทากบความดนของกาซท งสองรวมกน นนคอ 8.4 atm

กาซผสมนจะมจ านวนโมลและความดนเพมขน ความดนใหมทเกดขนกเปนผลรวมของกาซทงสองนนเอง ดงนนถาพดถงความดนของกาซผสมจะมค าศพท สองค าทควรร คอ ความดนรวม และ ความดนยอย ความดนรวม คอความดนทงหมดทเราท าการวดไดหลงจากทกาซสองชนดหรอมากกวาผสมเขาเปนเนอเดยวกนเรยบรอย สวนความดนยอยกหมายถงความดนของกาซแตละชนดทเปนองคประกอบอยในกาซผสมนนๆ

ในความเปนจรง เราจะสามารถวดความดนของกาซไดนน กเปนความดนรวมของกาซทงหมดทอยในระบบ แตถาเราอยากจะรความดนยอยเราสามารถค านวณไดจากกฏของดอลตน มาพจารณาดความสมพนธของกฏความดนยอยตอไปอก

ในรป ง. แสดงภาชนะทบรรจกาซฮเลยม ชนดเดยว ปรมาณ 1.74 mol ในรป จ. แสดงภาชนะทบรรจ กาซไฮโดรเจน 0.75 mol กาซฮเลยม 0.25 mol และกาซนออน 0.25 mol จ านวนโมลรวมเทากบ 1.75 mol

ความดนของกาซในภาชนะเกดจากความดนยอยของกาซทง 3 ชนด รวมกน ซงเทากบ 8.4 atm ทอณหภม 20 oC และปรมาตรภาชนะเทากบ 5 L สวนในรป ฉ. แสดงภาชนะทบรรจกาซไนโตรเจน ออกซเจน และอารกอน อยางละ 1 ,0.5 และ 0.25 โมลตามล าดบ ทสภาวะเดยวกนกบ รป ง และ จ เราจะไดความดนของกาซทง 3 ชนดเทากบ 8.4 atm เมอพจารณาจาก รป ง จ และ ฉ แลวจะพบวา เมอกาซทงหมดมปรมาณเทากน(จ านวนโมลเทากน) ในปรมาตรทเทากน ความดนของกาซจะเทากนเสมอแมวาองคประกอบของกาซจะแตกตางกนไปกตาม

การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยของกาซโดยใชกฎของบอยล

จากกฎของบอยล P1V1 = P2V2

ถาแกส A ผสมกบกาซ B จะค านวณหาความดนยอยไดดงน

PA =

PB =

AV

VP

2

11

BV

VP

2

11

PT = PA + PB =

BAV

VP

V

VP

2

11

2

11

การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยโดยใชสมการสถานะของกาซสมบรณ สมการสถานะของกาซสมบรณ PV = nRT

ถากาซ A ผสมกบกาซ B จะค านวณหาความดนยอยไดดงน

PA = PB = V

RTnA

V

RTnB

BAT P P P

V

RTn

V

RTn BA

V

RTnn BA

V

nRTเมอ n = nA+nB

การค านวณหาความดนรวมและความดนยอยโดยใชเศษสวนโมลของกาซ

คาวมสมพนธระหวางความดนยอยกบความดนรวมหาไดโดยพจารณาระบบของกาซผสม A และ B ดงน

PT = V

RTnn BA

ถา PA หารดวย PT จะไดเศษสวนโมลของกาซ A (XA) ดงน

T

A

P

P=

V

RTnnV

RTn

BA

A

TBB

TAA

A

T

A

BA

A

T

A

PXP

PXP

XP

P

nn

n

P

P

และ

ถาระบบประกอบดวยกาซผสมมากกวา 2 ชนด ความดนยอยของกาซแตละชนดเขยนความสมพนธไดดงน

Pi = XiPT

Pi คอ กาซแตละชนด Xi คอ เศษสวนโมลของกาซแตละชนด

เศษสวนโมล (mol fraction) เปนปรมาณไมมหนวยทแสดงอตราสวนระหวางจ านวนโมลขององคประกอบชนดใดชนดหนงกบจ านวนโมลรวมขององคประกอบทกชนด

BA

B

BA

ABA

BA

BB

BA

AA

nn

n

nn

nXX

nn

nX

nn

nX

กฎรวมของกาซ (Combinded gas law) จากการศกษาผลของความดนและอณหภมทมตอปรมาตรกาซ โดยควบคมมวลของกาซใหคงท ตามกฎของบอยลและกฎของชารล เมอพจารณากฏของกาซทงสองรวมกนจะไดความสมพนธระหวางปรมาตร ความดน และอณหภมของกาซในระบบทมวลคงทเรยกวา กฎรวมของกาซ เขยนความสมพนธไดดงน

กฎของบอยล P

V1

เมอ T และ m คงท

กฎของชารล TV เมอ Pและ m คงท

กฎรวมของกาซ P

TV เมอ m คงท

kTPV

kT

PV

kT

VP

T

VP ...

2

22

1

11จะได

ให P เปนความดนในหนวยเดยวกน V เปนปรมาตรในหนวยเดยวกน T เปนอณหภมมในหนวยเคลวน (K)

ทฤษฎจลนของกาซ

ทฤษฎจลนของกาซอธบายสมบตหรอพฤตกรรมตางๆ ของกาซ มสาระส าคญดงน

1.กาซประกอบดวยอนภาคทมขนาดเลกมาก จนถอไดวาอนภาคของกาซไมมปรมาตรเมอเทยบกบภาชนะทบรรจ

2.โมเลกลของกาซอยหางกนมาก ท าใหแรงดงดดนอยมาก จงถอไดวา ไมมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

3.โมเลกลของกาซเคลอนทตลอดเวลาในแนวเสนตรง ชนกนเองบาง ชนฝาผนงบาง จงเปลยนทศทางและอตราเรว และการชนกนนไมสญเสยพลงงาน

4.ณ อณหภมเดยวกน โมเลกลของกาซมพลงงานจลนเฉลยเทากน สามารถหาพลงงานจลนเฉลยไดดงน

เมอ Ek พลงงานจลน M มวลโมเลกล v อตราเรว

2

2

1MvEk

เมอ T เดยวกน

2

1

2

2

1

2

22

2

112

1

2

1

21

v

v

M

M

vMvM

EE kk

จะได

5.พลงงานจลนเฉลยของกาซทกชนดแปรผนตรงกบอณหภมเคลวน

6.ทอณหภมเดยวกน อตราเรวเฉลยเทากน

ทฤษฎจลนของกาซกบสมบตของกาซ

1.กาซมปรมาตรและรปรางไมแนนอนเปลยนแปลงตามภาชนะทบรรจ เนองจากโมเลกลของกาซมขนาดเลก อยหางกนมาก จงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลนอยมากและสามารถเคลอนทไดอสระทกทศทาง

2.กาซมความดนอธบายไดวา โมเลกลของกาซเคลอนทตลอดเวลา ท าใหเกดการชนกนเอง ซงจะมการถายเทพลงงาน ท าใหเกดแรงดนขน และผลรวมของแรงดนตอหนวยพนทคอ ความดนนนเอง

3.ปรมาตรแปรผกผนกบความดน คอ เมอปรมาตรเพมขนความดนกาซจะลดลง แตถาปรมาณลดลงความดนกาซจะเพมขน

4.กาซมความหนาแนนนอย เพราะโมเลกลอยหางกน มมวลนอย แตม ปรมาตรมาก

5.กาซถกบบอดใหมปรมาตรลดลงไดมาก เพราะมชองวางระหวางโมเลกลมาก

6.แพรไดเรว เพรามพลงงานจลนมาก เมออณหภมสง และเมอพลงงานจลนเพมขน กาซจะแพรไดเรวขน

7.ปรมาตรเปลยนแปลงเมออณหภมและความดนเปลยนแปลง

เมออณหภมเพมขน โมเลกลของกาซมพลงงานจลนเฉลยเพมขน จงเคลอนทหางจากนมากขน ปรมาตรจงเพมขน

มชองวางระหวางโมเลกลมาก เมอความดนเคลอนทเพมขนโมเลกลของ กาซจะเคลอนทเขาใกลกนมากขนโดยมปรมาตรลดลง

ตวอยางทศทางการเดนทางของกาซสแดง จากจด A ไป B เปนดงรปขางลาง ระหวางการเดนทางโมเลกลสแดงชนกบโมเลกลกาซสน าเงนมากมาย การชนของกาซสแดงท าใหทศทางของโมเลกลสแดงเปลยนแปลงไปมาตลอดเวลา การเคลอนทของกาซสแดงในลกษณะน เรยกวา การเคลอนทแบบสะเปะสะปะ (random walk)

พจารณาลกบอลทกระทบพน กเปนการชนอยางหนง ซงจะมการชนใน สองลกษณะคอ การชนแบบยดหยน และการชนแบบไมยดหยน การชนแบบยดหยนและไมยดหยนเปนอยางไร ตวอยางการชนแบบยดหยน ดงรป

เ มอลกบอลกระทบพนแลวกระดอนสงขนมาเทาเดมตลอดแมเวลาจะผานไปนานเทาไหรกตามนเปนลกษณะการชนทมการอนรกษพลงงานคอพจารณาพลงงานจลนของลกบอลกอนทลกบอลจะกระทบพนจะเทากบพลงงานจลนทลกบอลกระดอนขนมา ณ ต าแหนงความสงนน

แตถาเปนการชนแบบไมยดหยน ลกบอลกจะกระดอนไดไมกครงกจะหยดไปดงรป เนองจากลกบอลถายเทพลงงานใหกบพน ท าใหพลงงานจลนของลกบอลลดลงเรอยๆ และหยดไปในทสด

ตวอยางของโมเลกลกาซสองโมเลกลทมการชนกนดงรปดานลาง

บางครงโมเลกลของกาซอาจชนกนดวยท ามมทแตกตางกน ดงรป

แมวาโมเลกลจะชนผนงกไมสญเสยพลงงานใหแกผนงดงรป ความเรวยงคงเทาเดมกอนชนและหลงชนผนง

กาซอดมคตหรอกาซสมบรณ หมายถง กาซทมสมบตเปนไปตามทฤษฎจลนของกาซทก

ประการ

กาซจรง(real gas) หมายถง กาซทปรากฎในธรรมชาตทวๆไป เชน O2 , N2 , CO2 ซงมสมบตใกลเคยงกบกาซอดมคต ในธรรมชาตกาซเฉอยเปนกาซจรงทมสมบตใกลเคยงกบกาซอดมคตมากทสด เนองจากมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคต ามาก

จากทฤษฎจลนของกาซ พบวากาซหรอไอของสารมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยมาก อนภาคจงอยหางกนและเคลอนไหวตลอดเวลา มรปรางไมแนนอน เมอบรรจในภาชนะ จะมรปรางตามภาชนะทบรรจ ปรมาตรของกาซจะเปลยนไปเมออณหภมและความดนเปลยนแปลง และกาซมความหนาแนนนอยมาก

กฎของกาซในอดมคต(Ideal gas Law)

PV = nRT

เมอ P คอความดนมหนวยเปนบรรยากาศ(atm) V คอปรมาตร(dm3) n คอจ านวนโมล T คออณหภม มหนวยเปนเคลวน(K) R คอคาคงทของกาซตอโมล 0.08205 11

molKatmL

ประโยชนของกฎของกาซในอดมคต เชน 1. ใชค านวณหาปรมาตรของกาซ

PV = nRT P

nRTV

2. ใชค านวณหาจ านวนโมลและจ านวนโมเลกล

PV = nRT RT

PVn

3. ใชค านวณหาโมลโมเลกลของกาซ

PV = nRT RTM

gPV

PV

gRTM

4. ใชค านวณหามวลเปนกรมของกาซ

PV = nRT M

gRTPV

RT

MPVg

5. ใชค านวณหาความหนาแนนของกาซ

PV = nRT RTv

gPMRT

m

gPV

PM = dRT RT

PMd

การแพรของกาซ

การแพรของกาซแบงออกไดเปน 2 ประเภท ดงน

1. การแพร (Diffusion) หมายถง ปรากฏการณทโมเลกลของกาซใดๆ สามารถเคลอนทไปทามกลางโมเลกลของอากาศ หรอกาซอนๆ จากบรเวณหนงไปอกบรเวณหนง การแพรลกษณะนเกดเนองจากความเขมขนของโมเลกลของกาซในบรเวณตาง ๆ ไมเทากน จงท าใหกาซ แพรจากบรเวณทมความเขมขนมากไปยงบรเวณทเขมขนนอยกวา

โมเลกลของอากาศ โมเลกลของกาซทก าลงแพร ทศทางการเคลอนทของโมเลกลของกาซทแพร

ปรากฏการณทเกยวกบการแพรแบบนสามารถพบไดในชวตประจ าวน เชน การไดกลนน าหอม กลนดอกไม กลนเหมนจากน าเนา ซงเกดจากโมเลกลของสารมกลนหอมในน าหอม หรอ ดอกไม และโมเลกลของสารมกลนเหมน แพรมากระทบจมกเราจงท าใหไดกลนนนๆ

2. การแพรผาน (Effusion) หมายถงกระบวนการทกาซเคลอนทจากบรเวณหนงผานชองเลกๆ ออกสอกบรเวณหนง และในระหวางทเคลอนทผานชองเลกๆ นไมใชการชนกนเองระหวางโมเลกลเลย (กาซในอดมคต กรณกาซจรงเกดขนทอณหภมสงและความดนต า)

Thomas Graham ชาวสกอตแลนด ไดศกษาเกยวกบการแพรของกาซชนดตางๆ พบวา มสวนสมพนธกบมวลโมเลกลและความหนาแนนของกาซ จงไดน ามาสรปเปน

กฎการแพรของเกรแฮม (Graham’s

Law of Effusion)

“เมออณหภมและความดนคงท อตราการแพรของกาซจะเปนสดสวนผกผนกบรากท 2 ของมวลโมเลกลหรอความหนาแนนของกาซ”

เมอ T, P คงท

DRR

1

M

1

1

2

1

2

2

1

D

D

M

M

R

R หรอ

หรอ จะได

R = อตราการแพรของกาซ M = มวลโมเลกลของกาซ D = ความหนาแนนของกาซ

t

D

t

S หรอ

1

2

1

2

2

2

1

1

D

D

M

M

t

S

t

S

t

SR

หรอ

แทนคา

รปดานลางแสดงการแพรเขาหากนของกาซสองชนด กาซชนดสแดงกบกาซสน าเงน สมมตใหกาซสแดงมมวลมากกวากาซสน าเงน แกสสองชนดนมอตราการแพรทแตกตางกน อตราการไหลของกาซทงสองชนดทแตกตางกนนเปนเพราะอะไร

ก า ซ ท ม น า ห น กมากกวาจะเคลอนไหวไดชากวาแกสทเบากวา เหมอนกาซสแดงจากรปดานบนมขนาดใหญมน าหนกมากจะเคลอนทผานรไดชากว า ก าซสน า เ งน ซง มน าหนกนอยกวา

การค านวณหามวลโมเลกล ระยะทาง หรอเวลาทกาซใชเคลอนท อาจใชหลกการของทฤษฎจลนของกาซในการค านวณได

หลกการ ทอณหภมและความดนเดยวกน กาซทกชนดมพลงงานจลนเทากน ดงน

22

2

1

2

1YYXX vMvM

เมอ MX = มวลโมเลกลกาซ X

MY = มวลโมเลกลกาซ Y

vX = ความเรวของกาซ X vY = ความเรวของกาซ Y

เราจะมาดวาในวถการเดนทางของกาซสแดง จากจด A ไปจด B นน กาซสแดงจะใชเวลาเดนทางเทาไหร ค าวาอตราการแพร (r) กคอดกาซเดนทางจาก จด A ไป B ดวยอตราเรวเทาไหรในหนงหนวยเวลา เชนเดยวกบการถามวา รถเมลสายนวงเรวเทาไหร แตในกรณของกาซระหวางทางจะเกดการชนกบโมเลกลอนๆไปดวย พรอมกบเคลอนทไปพรอมกบการชนกบโมเลกลอนพรอมๆ กนลกษณะนจงเรยกวาการแพร (diffusion

แสดงเสนทางเดนของอนภาคกาซชนดหนง จาก A ไป B

พฤตกรรมของกาซลกษณะน สามารถน าไปใชหาอตราการแพรของกาซ 2 ชนดทมมวลแตกตางกนได แมแตมวลทตางกนนอยมาก เชน น าไปใชแยกไอโซโทปของยเรเนยมในสารประกอบยเรเนยมเฮกซะฟลออไรด (UF6) ของ U-235 ออกจาก U-238 โดยการใชหลกการแพรน

รปแสดงการแพรผานของกาซในภาชนะ

เทคโนโลยทเกยวของกบสมบตของของแขง ของเหลว และกาซ

การท าน าแขงแหง

น าแขงแหง คอ คารบอนไดออกไซดแขงผลตไดโดยการใชเทคโนโลยการเพมความดนและลดอณหภม กาซคารบอนไดออกไซด (CO2) ทไดจากการเผาไหมกาซธรรมชาตมกระบวนการผลตตามขนตอนดงแผนผงตอไปน

กาซคารบอนไดออกไซด CO2(g)

คารบอนไดออกไซดเหลว CO2 (l)

คารบอนไดออกไซดเหลวแหงและบรสทธ

คารบอนไดออกไซดเหลว CO2 (l)

คารบอนไดออกไซดแหงหรอน าแขงแหง

ลดอณหภม เพมความดน

ท าใหแหงและบรสทธ ลดอณหภมเปน -25

องศาเซลเซยส เพมความดนเปน 18 บรรยากาศ

อดผานรพรน

การสกดโดยใชคารบอนในรปของไหล

คารบอนไดออกไซด เมออยในภาวะวกฤตยงยวด คออณหภม 31 องศาเซลเซยส ความดน 73 บรรยากาศ จะมสภาพเปนของไหล ซงมสมบตเหมอนกาซคอขยายตวไดงาย โมเลกลมการเคลอนท มปรมาตรเทากบภาชนะทบรรจ และมสมบตเหมอนของเหลว คอ สามารถละลายสารอนทเปนของเหลวของของแขงไดด ดงนนจงใชสมบตดงกลาวในการสกดสารโดยใชคารบอนไดออกไซดทอยในรปของไหลซงเปนเทคโนโลยชนสง โดยใชกาซคารบอนไดออกไซดในรปของไหลแทนตวท าละลาย

อนทรยอนๆ เชน แอซโตน เฮกเซน หรอเมทลนคลอไรด เปนตน ตวอยางเชน ในปจจบนใชคารบอนไดออกไซดในรปของไหลสกดคารเฟอนออกจากเมลดกาแฟดบแทนตวท าละลายทใช คอเมทลนคลอไรด โดยไมไดท าใหรสหรอกลนของกาแฟเปลยนไป เนองจากคารบอนไดออกไซดไมท าปฏกรยากบองคประกอบอนและไมมสารตกคาง นอกจากนยงมการประยกตใชเทคนคนในการสกดสารอนๆและอตสาหกรรมอนๆอก

การท าไนโตรเจนเหลว การท าไนโตรเจนเหลว ใชในอตสาหกรรมแชแขงอาหาร

ประเภทตางๆหรอใชในการแพทย เชน การแชแขงเลอด เซลลไขกระดก ซงการท าไนโตรเจนเหลว มกรรมวธ ดงน

อากาศม O2 , N2,CO2 และความชน

อากาศทไมม CO2

อากาศแหง

กาซไนโตรเจน N2 (g)

ไนโตรเจนเหลวN2 (l)

NaOH

เครองกรองน ามน

O2(l)

สารดดความชน

-183oC

-196oC

กาซเฉอย

ไนโตรเจนเหลวสามารถน าไปใชประโยชนในอตสาหกรรมทตองการความเยน เชน การแชแขงอาหารประเภทตางๆ ใชในทางการแพทย ส าหรบแชเนอเยอตางๆ เซลลไขกระดก การแชแขงเลอดหรอสวนตางๆของรางกาย เพอชวยยดอายการเกบรกษา นอกจากนทางการเกษตรใชไนโตรเจนเหลวเพอชวยในการเกบน าเชอในการผสมเทยม การถายฝากตวออนของสตว เปนตน

ประโยชนของในโตรเจน