1

บทท�� 6

ของเหลวและของแข�ง

(Liquids and

Solids)

gas โมเลกุ�ลอยู่��ห�างกุ�น (gaseous state)

liquid โมเลกุ�ลชิ�ดกุ�น (condensed state)

solid เพราะม�แรงด�งด�ดระหว�างโมเลกุ�ล (intermolecular forces)

2

Intermolecular forces (IMF) : แรงด�งด�ดระหว�างโมเลกุ�ลท��เป็!นของแข�งหร"อของเหลว : เป็!นแรงท��อ�อนกุว�า แรงภายู่ในโมเลกุ�ล (intramolecular forces)

(หร"อ พ�นธะเคม� ) 1. Dipole-dipole force 2 . Dipole-induced dipole force รวมเร�ยู่กุว�า Van der Waals

force 3 . Dispersion force 4 . Ion-dipole force 5 . Ion-induced dipole force

หมายู่เหตุ� Hydrogen bond เป็!น dipole-dipole force ชิน�ดพ�เศษ

3

1. แรงข�*วค�� - ข�*วค�� (dipole–dipole forces) - เกุ�ดระหว�าง polar molecules- เร�ยู่กุ permanent dipole bond กุ�ได-- ท.าให-โมเลกุ�ลจั�ดตุ�วเพ"�อม�แรงด�งด�ดสู�งสู�ด- polar molecule ท��ม� dipole moment สู�ง

(แรง d-d มากุ ) เชิ�น HCl HBr HI H2 S NH3

4

2. แรงข�*วค��-ข�*วค��เหน��ยู่วน.า (dipole- induced dipole forces)- เกุ�ดระหว�าง polar molecule กุ�บ non-polar molecule เชิ�น H2 O กุ�บ I

2

3. แรงแผ่�กุระจัายู่ (dispersion forces)- เกุ�ดระหว�างโมเลกุ�ล ท��เป็!น non-polar molecules เชิ�น H

2 กุ�บ I

2

- ถ้-าม�ขนาดของโมเลกุ�ลใหญ่� (จั.านวนอ�เล�กุตุรอนมากุ ) กุ�จัะยู่��งม�แรงชิน�ดน�*มากุข�*นด-วยู่ เชิ�น CH3 F ม�จั�ดหลอมเหลว – 1418

oC แตุ� CCl

4 กุล�บม�จั�ดหลอมเหลว – 23

oC ท�*งๆ ท�� CCl4

เป็!นโมเลกุ�ล ท��ไม�ม�ข�*ว แตุ� CH3 F เป็!นโมเลกุ�ลท��ม�ข�*ว

5

4. แรงไอออน–ข�*วค�� (ion-dipole forces)- เกุ�ดระหว�างไอออนกุ�บ polar molecule- ความแรง (strength) ของแรงน�* ข�*นกุ�บ

* ป็ระจั� ขนาดของไอออน * ขนาด dipole moment * ขนาดโมเลกุ�ล

6

5. แรงไอออน–ข�*วค��เหน��ยู่วน.า (ion–induced dipole forces)

- เกุ�ดระหว�างไอออนกุ�บ nonpolar molecule ซึ่��งถ้�กุแรงด�งด�ดจัากุ

ไอออนเหน��ยู่วน.าอ�เล�กุตุรอนให-เคล"�อนท��ไป็ข-างใดข-างหน��ง เกุ�ด dipole ข�*นได- เร�ยู่กุว�า induced dipole

- ความแรงข�*นอยู่��กุ�บ 1. ป็ระจั�ไอออน 2. polarizability

- เกุ�ดชิ��วคราว

7

พ�นธะไฮโดรเจัน (Hydrogen bond)- เป็!นพ�นธะแบบพ�เศษของ dipole-dipole forces- เกุ�ดระหว�างอะตุอม H ใน polar bond กุ�บอะตุอมลบ

(ค�า EN > H) เชิ�น N-H O-H F-H- เป็!นพ�นธะท��แข�งแรง (4 0 kJ/mol)

- เชิ�น H2O กุ�บ NH3

8

สูถ้านะของเหลว (liquid state)- สูภาวะโมเลกุ�ลชิ�ดกุ�น (condensed)- ศ�กุษาสูมบ�ตุ�ของของเหลว ค"อ ความตุ�งผ่�ว และความหน"ด

ความตุ�งผ่�ว (surface tension) : พล�งงานท��ใชิ-ท.าให-ของเหลวขยู่ายู่พ"*นท��ผ่�ว

(ให-โมเลกุ�ลออกุห�างกุ�น)- เกุ�ดจัากุโมเลกุ�ลของเหลวม�แรง IMF กุ�บ

โมเลกุ�ลรอบ ๆ ท�กุท�ศทาง- สู.าหร�บโมเลกุ�ลท��ผ่�วเหล"อแตุ�แรงด-านข-าง

กุ�บข-างใตุ-- สู�งผ่ลให-เหม"อนชิ�*นโมเลกุ�ล เป็!นแผ่�นฟิ8ล9ม

ท��ด�งกุ�นไว-ท��ผ่�ว

9

ถ้-า intermolecular force สู�ง สู�งผ่ลให- surface tension สู�ง- intermolecular attraction ระหว�างโมเลกุ�ลเหม"อนกุ�น = Cohesion- intermolecular attraction ระหว�างโมเลกุ�ลตุ�างกุ�น = Adhesion ตุ�วอยู่�างผ่ลของ

surface tension, cohesion / adhesion ในหลอด capillary ด�งร�ป็(a) adhesion >cohesion(b) adhesion <cohesion

(a) (b)

10

ความหน"ด (Viscosity) : ความตุ-านทานกุารไหล (flow) ของของไหล (fluid)

- ถ้-าหน"ดมากุ ไหลชิ-าลง- โมเลกุ�ลม� IMF มากุ ความหน"ดสู�ง- ความหน"ดจัะลดลงเม"�ออ�ณหภ�ม�สู�งข�*น

11

ของเหลว viscosity (N.s/m2) glycerol 149

H2 O 101 10-3

C2 H5 OH 120. 10-3Blood 400. 10-3

เกุ�ด H-bond มากุ

ด�งน�*น viscosity สู�งมากุ

Glycerin

12

สูถ้านะของแข�ง (solid state)ของแข�ง แบ�งออกุเป็!น 2 ป็ระเภท

CRYSTALLINE SOLIDS

AMORPHOUS SOLIDS

- ร�ป็ร�างแน�นอน - อะตุอม , โมเลกุ�ลจั�ดตุ�วเป็!นระเบ�ยู่บ - เพ"�อให-แรงด�งด�ดระหว�างกุ�นสู�งสู�ด เชิ�น เพชิร

- อสู�ณฐาน - ไม�ม�ร�ป็ร�างแน�นอน - ถ้�าน กุราไฟิท9

13

หน�วยู่เซึ่ลล9 (Unit cell) : หน�วยู่เล�กุท��สู�ดของผ่ล�กุ (crystal )ท��แสูดงล�กุษณะกุารเร�ยู่งตุ�ว

ของอน�ภาคได-อยู่�างสูมบ�รณ9 : แสูดงตุ.าแหน�งของไอออน โมเลกุ�ล

: จั�ด อน�ภาค อะตุอม ไอออน หร"อโมเลกุ�ล เร�ยู่กุว�า จั�ดแลตุท�ซึ่ หร"อ จั�ดโครงผ่ล�กุ (lattice point)

Lattice Point

14

ชิน�ดของ Unit cell ม� 7 ชิน�ด แบ�งยู่�อยู่รวมได- 14 แบบ ค"อCubic 1. Simple cubic (SC)

2. Body - centered cubic (BCC) 3. Face - centered cubic (FCC)

Tetragonal 4. Simple 5. Body - centered

Orthorhombic 6 . Simple 7. Body - centered 8. End - centered 9. Face - centered

15

Rhombohedral 10. RhombohedralMonoclinic 11. Simple

12. End - centeredTriclinic 13. TriclinicHexagonal 14. Hexagonal

ชิน�ดของ Unit cell (ตุ�อ)

16

ชิน�ดของ Unit cell (ตุ�อ)

17

Cubic แบ�งเป็!น 3 ป็ระเภท

SC BCC FCC

18

เลขโคออร9ด�เนชิ�น (Coordination number) : จั.านวนอะตุอมท��ห-อมล-อมอะตุอมใดอะตุอมหน��ง

โดยู่ SC, BCC, และ FCC ม� coordination number เท�ากุ�บ 6 8, และ 12 ตุามล.าด�บ

Simple CubicBody Center CubicFace Center Cubic

19

ความสู�มพ�นธ9ระหว�างร�ศม�อะตุอมกุ�บความยู่าวตุามขอบของหน�วยู่เซึ่ลล9

จั.านวนอะตุอมท��บรรจั�อยู่��ในหน�วยู่เซึ่ลล9แบบ SC = 1 อะตุอม BCC = 2 อะตุอม FCC = 4 อะตุอม

20

ป็ระสู�ทธ�ภาพกุารเร�ยู่งตุ�ว (Packing efficiency)

: แสูดงเป็อร9เซึ่�นตุ9ของ unit cell ท��ม�อะตุอมอยู่��ภายู่ใน

Packing efficiency =

ป็ร�มาตุรอะตุอมท�*งหมด X 100ป็ร�มาตุร unit cell

ตุ�วอยู่�างท�� 1 ถ้-า unit cell ค"อ SC จังค.านวณ packing efficiency กุ ) หาป็ร�มาตุร unit cell ด-าน a = 2r r = a / 2

ป็ร�มาตุร unit cell = a3

21

ข ) หาป็ร�มาตุร atom 1 atom = 4 /3 r3 = 4 /3 (a/2)3 แบบ SC 1 unit cell ม�อะตุอมภายู่ในรวม = 1 atom [(1 /8 ) 8

ด�งน�*น สู.าหร�บ SC จัะม� Packing efficiency =34/3 ( /2)

3aa

100

= ( ) 6 100

= 5 2 %

ด�งน�*น SC = 5 2 % BCC = 68% FCC = 74%

22

ตุ�วอยู่�างท�� 2 ทองค.า (Au ) ม�ผ่ล�กุแบบ FCC ม� r = 144 pm จังค.านวณความหนาแน�น (density) ของผ่ล�กุน�*

(กุ.าหนด Au = 197 และ 1 pm =1 0 -10 cm)

จัากุ ความหนาแน�น = 3 ( )มวล ( )ป็ร�มาตุรgcm

ด�ร�ป็ FCC ; a = r = (144 pm) 88

=4 0 7 pm =4 0 7 10- 10cmunit cell ม�ป็ร�มาตุร = a3 = (4 0 7 10-10 cm)3 = 6 .7 4 10-23 cm3

ป็ร�มาตุร unit cell

23

ใน 1 unit cell น�บจั.านวนอะตุอมได- (FCC) = 4 อะตุอมจัะได-ว�าใน 1 โมล ม� 602. 1023 อะตุอม =1 9 7 กุร�ม (มวล

อะตุอม) ถ้-าม� 4 อะตุอม = = 1 31. - 1021 กุร�ม

4 19723602 10

.

ความหนาแน�น =21131 1023674 10

-.-.

= 1 9 .4 g/cm3 (จัากุกุารทดลองว�ด d = 1 9 .3 g/cm3)

D = mv

24

ชิน�ดของผ่ล�กุ- แรงตุ�าง ๆ ยู่�ดอน�ภาคให-เป็!นผ่ล�กุแบบตุ�าง ๆ- ม�ผ่ลตุ�อค�ณสูมบ�ตุ�

* ความแข�งแกุร�ง * จั�ดเด"อด * จั�ดหลอมเหลว

Quartz Crystal

25

ชิน�ด แรงยู่�ดเหน��ยู่ว สูมบ�ตุ�ท��วไป็ ตุ�วอยู่�างไอออน�กุ แรงไฟิฟิ=าสูถ้�ตุ แข�งเป็ราะ m.p. สู�ง ไม�

น.าไฟิฟิ=าและความร-อนNaCl MgO

โคเวเลนตุ9

พ�นธะโคเวเลนตุ9

แข�ง m.p. สู�ง ไม�น.าไฟิฟิ=าและความร-อน

เพชิร SiO

2

โมเลกุ�ล

แรงข�*วค�� พ�นธะไฮโดรเจัน

อ�อน m.p. ตุ.�าH2 O CO

2

โลหะพ�นธะโลหะ ม�ท�*งอ�อนและแข�ง m.p.

อาจัสู�ง / ตุ.�าน.าความร-อนและไฟิฟิ=าได-ด�

Na Mg Fe

ชิน�ดของผ่ล�กุตุ�างๆ

26

ของแข�งอสู�ณฐาน (Amorphous solids)- อสู�ณฐาน (ไม�เป็!นผ่ล�กุ)- แกุ-ว (glass) 3 ป็ระเภทใหญ่� ๆ ค"อ

Quartz Pyrex Soda - lime

- 100 %SiO

2

- SiO2 , B2 O3 , Al2 O

3

- SiO2 , Na2 O, CaO

- แสูงผ่�านท�กุ - แสูงผ่�าน visible

- แสูงผ่�าน visible

- ขยู่ายู่ตุ�วน-อยู่

- ขยู่ายู่ตุ�วน-อยู่

- ไม�ทนสูาร ความร-อน

- ใชิ-ในงานเกุ��ยู่วกุ�บแสูง (optical)

- ใชิ-ในเคร"�องคร�ว

- แกุ-วท��วไป็

27

กุารเป็ล��ยู่นแป็ลงว�ฏภาค (phase changes)ค"อ กุารท��สูารเป็ล��ยู่นจัากุว�ฏภาคหน��งไป็ยู่�งอ�กุว�ฏภาค

หน��ง 1. Solid - liquid

equilibrium 2. Liquid - vapor

equilibrium

3. Solid - vapor equilibrium

28

จั�ดเด"อด (Boiling point, b.p.) ค"อ อ�ณหภ�ม�ท��ของเหลวม�ความด�นไอ เท�ากุ�บ ความด�นบรรยู่ากุาศ (1 atm)จั�ดหลอมเหลว (Melting point, m.p.) ค"อ อ�ณหภ�ม�ท�� solid และ liquid อยู่��ในสูภาพสูมด�ลไดนาม�กุ ท�� 1 atm

29

แผ่นภาพว�ฏภาค (Phase diagram) - แสูดงความสู�มพ�นธ9ระหว�าง อ�ณหภ�ม� ความด�น และ phase ตุ�าง ๆ-จั�ดตุ�ดของ 3 phase เร�ยู่กุจั�ดร�วมสูาม (triple point) ค"อ ท�*ง 3 phase อยู่��ในภาวะสูมด�ลกุ�น- ตุ�วอยู่�าง H2 O ท�� P 1= atm จั�ดเด"อด 100

oC ถ้-า P 1< atm จั�ดเด"อด 100

oC