เคมฟสกส (Physical Chemistry)SC1121 ปการศกษา 2562 ภาคเรยนท 2

โดย

อาจารย ดร.ภก. กตตพงศ สทธสนธPhD (Pharmaceutical Science Research)

MSc (Analytical Chemistry)เภสชศาสตรบณฑต

เนอหากระบวนวชาเคมฟสกส (SC1121)

2

3

4

5

6

เนอหากระบวนวชา1. ความหมายและแนวคดและทฤษฎของเคมฟสกส (Meaning, concept and theory of

physical chemistry)2. สถานะของสสาร (State of matter)3. สมดลวฏภาค (Phase equilibria)4. เคมอณหพลศาสตร (Chemical Thermodynamics)5. จลนศาสตรเคม (Chemical kinetics)6. เคมควอนตม (Quantum chemistry)7. ไฟฟาเคม (Electrochemistry)8. สารละลายนอนอเลคโทรไลตส (Solution of nonelectrolytes)9. สมดลไอออนและสารละลายอเลคโทรไลต (Ionic equilibria and electrolyte solutions)10. เคมพนผว (Surface chemistry)11. สมบตทางเคมฟสกสของสารละลายโมเลกลขนาดใหญ (Physicochemical properties of

macromolecular solutions)12. การหานาหนกโมเลกลและสมบตทางจลนะ (Molecular weight analysis and kinetic

properties of matter)13. กฏการกระจายตวของแมกสเวลและโบสแมน (The law of distribution of Maxwell and

Boltzmann) 7

ความหมายและแนวคดและทฤษฎของเคมฟสกส (Meaning, concept and theory of physical chemistry)

เคมเชงฟสกส (physical chemistry แตเดมเรยกเคมกายภาพ) คอศาสตรสาขาหนงของวชาเคมทมเนอหาเชอมโยงและคาบเกยวกบวชาการสาขาอนๆดงน

ฟสกส (physics) เคม (chemistry) อณหพลศาสตร (thermodynamics) กลศาสตรควอนตม (quantum mechanics) การศกษาทดลองในสาขาวชานจะท าในระดบโมเลกล แตการสงเกตและประเมนผลจะปฏบตกนในระดบท

สามารถสงเกตไดในชวตประจ าวน เชนการเปลยนแปลงของอณหภม ความดน ปรมาตร ความรอนและงาน ของวสดในสภาวะทเปนของแขง ของเหลว หรอแกส แลวเอาไปเปรยบเทยบกบการเปลยนแปลงระดบโมเลกลทเรามองไมเหน อาจกลาวไดวาวชาเคมฟสกสกอก าเนดขนเมอป 1876 โดยวลลารด กบส (WillardGibbs) เสนอผลงานการเขยนของเขาชอเรอง "ดลยภาพของสสารตางชนดกน" (On the Equilibrium ofHeterogeneous Substances) ท าใหเกดกฎและทฤษฎดงน

พลงงานอสระหรอ พลงงานเสร (free energy) ศกยทางเคม (chemical potential) กฎกบสเฟส (Gibbs phase rule) 8

Physical chemistry for Pharmacy เนอหากระบวนวชานมงหวงใหนสตไดทบทวนความร ทฤษฎและแนวคดทางเคมฟสกสเพอ

น าไปใชประโยชนกบวชาชพเภสชศาสตร ทงในแงของหลกการพนฐานของคณสมบตทางเคมกายภาพของสารเคม เพอน าไปใชในทางเภสชกรรมในดานตางๆดงตอไปน เชน สถานะของสสาร คณสมบตพนฐานของสารเคม เพอใชในการตงต ารบยา และศกษาความคงตวของสารเคมการเปลยนแปลงของสารเคมและผลของปจจยตางๆในการเปลยนแปลง ระบบทมองคประกอบเดยวและหลายองคประกอบ การเกดปฏกรยาเคมของสาร สารละลาย สมดลของสารละลายและวฏภาค การเขากนไดและไมไดของสารผสม ปฏกรยาเคมของกรดและดาง สมบตของสารละลายอเลคโทรไลตและนอนอเลคโทรไลต ปฏกรยาไฮโดรไลซส เคมควอนตมกบความส าคญทางเภสชศาสตร การค านวณหาน าหนกโมเลกลของสารและกฏการกระจายตวของแมกสเวลและโบสแมน

ในรายละเอยดของแตละสวนในการบรรยายเหลานจะน าไปประยกตใชตอไปในรายวชาทเกยวกบการตงต ารบยา การควบคมคณภาพวตถดบยาและเภสชภณฑไดในทกรปแบบของยาตอไป เชนรปแบบของยาผง ยาเมด ยาน าใส ยาน าแขวนตะกอน ครม เจล ขผ ง ยาฉด ยาพน และอนๆ

9

สสาร (Matter)

10

11

12

สถานะของสสาร (States of matter) แบงสสารออกไดเปน 3 กลม คอ

13

การจดเรยงตวของอนภาคของสารสารโดยทวไปในธรรมชาต ม 3 สถานะ ดงน1. ของแขงและผลก (Solid and crystalline state) อนภาคจะอยชดกน อนภาคไมสามารถเคลอนทไดท าใหแรงยดเหนยวอนภาคสงกวาในสถานะอนของสารชนดเดยวกน มรปรางและปรมาตรทคงทแนนอน ไมขนกบภาชนะทบรรจ ตวอยางสารสถานะของแขง เชน Iron, Aluminium, Copper, Silver เปนตน2. ของเหลว (Liquid state) อนภาคอยหางกนเลกนอย ท าใหอนภาคสามารถเคลอนทได รปรางไมแนนอน เปลยนตามภาชนะทบรรจ แตปรมาตรไมขนกบภาชนะ ตวอยางของสารทมสถานะเปนของเหลวเชน water, ethyl alcohol, bromine, toluene เปนตน3. กาซ (Gaseous state) อนภาคจะอยหางกน แรงยดเหนยวมคานอย ท าใหเคลอนทไดมาก มปรมาตรและรปรางตามภาชนะทบรรจ ตวอยางของสารทมสถานะเปนกาซ เชน oxygen gas, helium gas,carbon dioxide, nitrogen gas เปนตน

การเปลยนสถานะของสารการเปลยนสถานะของระบบ จะแบงออกเปน 2 ประเภท คอ1. คายความรอน (Exothermic reaction) เปนการถายเทพลงงานจากระบบสสงแวดลอม

ท าใหสงแวดลอมมอณหภมสงขน2. ดดความรอน (Endothermic reaction) เปนการถายเทพลงงานจากสงแวดลอมสระบบ

ท าใหสงแวดลอมมอณหภมลดลง 14

15

16

ขอสงเกตระบบ (system) คอ สงทเราตองการศกษาสงแวดลอม (surrounding) คอ สงทนอกเหนอจากระบบตวอยางการเปลยนแปลง เชน การทดลองเตมโซดาไฟ (baking soda, NaHCO3) ในน าโดยมบกเกอรเปนภาชนะ จบบกเกอรแลวรสกรอนระบบ คอ น าและโซดาไฟ (baking soda) สงแวดลอม คอ บกเกอรเปนการเปลยนแปลงชนดคายความรอน เนองจากบกเกอร (สงแวดลอม) อณหภมสงขน # จบภาชนะ-รสกรอน ; เปนการเปลยนแปลงแบบคายความรอน ปฏกรยาคายความรอน(Exothermic reaction) เปนปฏกรยาทดดพลงงานเขาไปสลายพนธะนอยกวาทคายออกมาเพอสรางพนธะ โดยในปฏกรยาคายความรอนนสารตงตนจะมพลงงานสงกวาผลตภณฑจงใหพลงงานความรอนออกมาสสงแวดลอม ท าใหอณหภมสงขนเมอเอามอสมผสภาชนะจะรสกรอน

# จบภาชนะ-รสกเยน ; เปนการเปลยนแปลงแบบดดความรอน ปฏกรยาดดความรอน(Endothermic reaction) คอ ปฏกรยาทเกดขนแลว ดดความรอนจากสงแวดลอมเขาไป ท าใหอณหภมของระบบสงขน แตสงแวดลอมอณหภมลดลง มอสมผสภาชนะจงรสกเยน เชน การสงเคราะหดวยแสงของพช การละลายเกลอแกงดวยน า เปนตน

แบบฝกหดท 1.1การเปลยนแปลงสถานะของสารจะมพลงงานเขามาเกยวของ ดงน(สมรหส ใหนสตตอบเปนรายบคคล)

ระบบดดความรอน ไดแก .............................

ระบบคายความรอนไดแก .............................

17

# การหลอมเหลว (melting) สารเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลว โดยตองใหความรอน ท าใหอนภาคเอาชนะแรงยดเหนยวได ณ อณหภมทเรยกวา จดหลอมเหลว (melting point) เปนคาคงทของสารหนงๆ เทานน# การกลายเปนไอ (evaporation) สารเปลยนสถานะจากของ เหลวไปเปนกาซ เมออนภาคของของเหลวมพลงงานมาก จนท าใหอนภาคแยกออกจากกน เรยกอณหภมทท าใหอนภาคชนะแรงยดเหนยวของของเหลวไดวา จดเดอด (boiling point) # การแขงตว (freezing) สารเปลยนสถานะจากของเหลวเปนของแขง หรอกาซเปนของแขง โดยจะมการคายพลงงานออกมา ท าใหอนภาคมพลงงานในการสนนอย อนภาคจงเรยงตวแบบชดกนมากขน# การควบแนน (condensation) สารเปลยนสถานะจากกาซเปนของเหลว เชน กระบวนการเกดฝน (ไอน า ระบบความเยน จะกลนตวเปนน า) # การระเหด (sublimation) สารเปลยนสถานะจากของแขงเปนกาซเชน การระเหดของลกเหมนการเปลยนแปลงสถานะของน า# ความรอนแฝง (latent heat) เปนพลงงานความรอนทใชเพอเปลยนสถานะ (ดดพลงงาน) โดยอณหภมไมเปลยนแปลง

18

ความรอนแฝง (latent heat) ม 2 ประเภท คอ1. ความรอนแฝงของการหลอมเหลว (latent heat of fusion) เปนพลงงานความรอนทดดเขาไป เพอเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลว โดยอณหภมคงท2. ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (latent heat of vaporization) เปนพลงงานความรอนทดดเขาไปเพอเปลยนสถานะจากของเหลวเปนกาซ

สสารทเราพบเหนไดในชวตประจ าวนนนมทงสารทอยในสถานะของแขง ของเหลว และกาซ โดยสารสามารถเปลยนจากสถานะหนงไปเปนอกสถานะหนงได ซงเกดจากการเปลยนแปลงพลงงานประเภทดดหรอคายพลงงาน และสามารถท าใหสารเปลยนกลบมาอยในสถานะเดมไดอกดวย เชน น าแขงเมอไดรบความรอนจะหลอมเหลวกลายเปนน า และเมอน าไดรบความรอนสงๆ จนถงจดเดอดจะกลายเปนไอน า ซงไอน านสามารถควบแนนกลบมาเปนน าได และเมอน าไดรบความเยนจนถงจดเยอกแขงจะกลบมาอยในรปของน าแขง เปนตน

การเปลยนสถานะของสารจากของแขงไปเปนของเหลว และจากของเหลวไปเปนกาซ จะตองใหความรอนแกสาร เพอใหแรงยดเหนยวระหวางอนภาคของสารลดลง ท าใหอนภาคของสารเกดการจบตวกนนอยลง และเกดชองวางระหวางอนภาคมากขน

การเปลยนสถานะของสารจากกาซกลบมาเปนของเหลว และจากของเหลวกลบมาเปนของแขง จะตองลดอณหภมของสาร เพอใหแรงยดเหนยวระหวางอนภาคของสารเพมขน ท าใหอนภาคของสารเกดการจบตวกนมากขน และเกดชองวางระหวางอนภาคนอยลง 19

คณสมบตของของแขง (Solid) ของแขง (Solid) เปน สถานะ ของ สสาร ซงมลกษณะเฉพาะ ทสามารถทนและตานทานตอการเสยรปทรง และการ

เปลยนแปลงในปรมาตรของ ตวมนเอง มการจดเรยงตวของอนภาคองคประกอบใกลชดกน แรงยดเหนยวระหวางอนภาคมคามาก อนภาคของแขงจงเคลอนทไมได แตจะสนไปมาไดเลกนอย เนองจากมชองวางระหวางโมเลกลนอยมาก ของแขงจงไหลไมไดเหมอนของเหลว และอดไมไดเหมอนกาซ ของแขงสวนใหญมลกษณะเปนผลก (crystalline) มการจดเรยง มรปทรงเรขาคณตทแนนอน หลายแบบทระดบจลภาค (microscopic scale)

คณสมบตของของเหลว (Liquid) ของเหลว (Liquid) เปน สถานะ ของ ของไหล ซง ปรมาตร จะถกจ ากดภายใตสภาวะคงทของ อณหภม และ ความดน และ

รปรางของมนจะถกก าหนดโดยภาชนะทบรรจมนอย ยงไปกวานนของเหลวยงออกแรงกดดนตอภาชนะดานขางและบางสงบางอยางใน ตวของของเหลวเอง ความกดดนนจะถกสงผานไปทกทศทาง

คณสมบตของกาซ (Gas) ในภาวะทอณหภมและความดนเหมาะสม สารหลายชนดสามารถเปลยนสถานะเปนของแขง ของเหลว หรอกาซได ธาตทเปน

อโลหะ เชน ไฮโดรเจน ฟลออรน ออกซเจน ไนโตรเจน กาซเฉอย และสารประกอบโคเวเลนตทมมวลโมเลกลต าบางชนด เชนCO, CO2 , NH3 มสถานะเปนกาซทอณหภมหอง

• โดยปกตกาซมกจะหมายถงสารทมสภานะเปนกาซทอณหภมหอง สวนสารทเปนของเหลวทภาวะปกต แตถกเปลยนกาซจะเรยกวา ไอ (Vapour) ซงมแรงยดเหนยวระหวางอนภาคนอยมาก อนภาคจะอยหางกนมากเมอเปรยบเทยบกบของเหลวและของแขง ดงนน เมอบรรจกาซไวในภาชนะ กาซจงแพรกระจายเตมภาชนะทบรรจ ท าใหมรปรางเปลยนแปลงตามขนาดและรปรางของภาชนะ กาซมความหนาแนนต ากวาของแขงและของเหลวมาก สามารถบบอดใหมปรมาตรลดลงได 20

ของแขง ของเหลว กาซ

21

Some Characteristics of Solids, Liquids and Gases and the Microscopic Explanation for the Behavior

Solid Liquid GasRetains a fixed volume and shape

Rigid - particles locked into place

Assumes the shape of the part of the container which it occupiesParticles can move/slide past one another

Assumes the shape and volume of its container

Particles can move past one another

Not easily compressibleLittle free space between particles

Not easily compressibleLittle free space between particles

CompressibleLots of free space between particles

Does not flow easilyRigid - Particles cannot move/slide past one another

Flows easilyParticles can move/slide past one another

Flows easilyParticles can move past one another

22

แบบฝกหดท 1.2 สสารมทงหมดกสถานะ ใหอธบายความแตกตางของสถานะของสสารทมอย (แบงนสตโดยสมเลขทเปนกลมๆละ 3 คน แลวอภปรายหนาชนเรยน 10 นาท สรปการอภปราย 3 นาท) ค าตอบ

กลม 1

กลม 2

กลม 3

23

สถานะของสสาร (States of matter)1. Solid and crystalline state; ของแขงและผลก แรงยดเหนยวและแรงดงดดระหวางอนภาคในของแขงจะมมากทสดใน

สามสถานะของสสาร (strong bonds) ความหนาแนนจงมมากทสด (High density)

(ยกเวนนาแขง เหตผล ....................) มรปรางทแนนอน (regular shape) มปรมาตรคงท (fixed volume) มความอดทนสงตอการบบอด (uncompressible) โลหะสามารถตออกเปนแผนบางๆหรอเปนเสนยาวๆได นาความรอนและนาไฟฟาได แตสสารบางชนดไมนาไฟฟา

24

สามารถแบงออกเปน 2 กลมโดยพจารณาการจดเรยงอนภาคในของแขงดงน1. ของแขงผลก (Crystalline solid)• มการจดเรยงตวของอนภาคอยางมระเบยบ• จดหลอมเหลวคงท (sharp melting point)• ตวอยาง NaCl, sucrose, sulphur2. ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)• ไมมรปผลก อนภาคปะปนอยางไมมระเบยบ• เปลยนสถานะเปนของเหลวทจดหลอมเหลวไมเดนชด คอยๆออนตวแลวจะเรมไหลได• มความหนดสง• ตวอยาง แกว (silica), ขผง พลาสตก

นอกจากนยงพบของแขงบางชนดเปนผงหรอเปนกอน ภายนอกดเหมอนจะเปนชนดท 2 แตเมอใชกลองจลทรรศนตรวจจะพบวาเปนชนดท 1 ชนเลกๆมารวมกนเรยกวาpolycrystalline solid เชน โลหะตางๆ

25

ลกษณะทางเคมฟสกสทส าคญของของแขง1.1 โครงผลก (Crystal lattice)❖ เกดจากการจดเรยงตวของอนภาคหรออะตอม โมเลกล หรอไอออนอยางเปน

ระเบยบตามแบบเรขาคณตและเปนสามมต❖ มดานตดกนเปนเหลยม มมมทแนนอนเฉพาะตว ท าใหมรปผลกแตกตางกน

ออกไป❖ ตวอยาง NaCl, KCl มรปโครงสรางผลกดงน

26

❖ ถาแบงโครงผลกยอยลงไปเรอยๆจนกระทงไดเลกทสด โดยผลกนนยงคงรกษารปรางลกษณะ ตลอดจนแบบแผนของการจดเรยงตวของอนภาคทางเรขาคณตไวไดเหมอนผลกเดมทกประการ สวนทเลกทสดนน เราเรยกวาหนวยเซลล (unit cell)❖ แบบจ าลองโครงสรางผลกของสาร ต าแหนงหรอจดทอนภาคอยคอ

จดแลตทช (lattice point) อนภาคทอยตามจดแลตทชเรยกวาหนวยอนภาค (unit particle)❖ เมอหนวยอนภาคถกจดเรยงตวในต าแหนงสามมตแลว แบบจ าลองท

ไดเรยกวาโครงผลก (crystal lattice หรอ space lattice)❖ โครงผลกนเตมไปดวยจดหรอหนวยอนภาคภายในผลก❖ การจดเรยงตวของอนภาคจะเปนแบบทซ ากนเรอยไปทวทงโครงผลก

27

1.2 ระบบผลก (Crystal systems)• ของแขงมรปผลกไดหลายแบบ ขนกบการจดเรยงตวของอนภาคทมอยในผลก• การจดเรยงตวของอนภาคสามารถแบงรปผลกออกเปน 7 ระบบโดยอาศยการแบงทแตกตางกน

2 ประการคอ1.1 มมระหวางแกน (ก าหนดให (alpha), (beta) และ (gamma) เปนมมระหวางแกน)1.2 ความยาวของแกนหรอดาน (ก าหนดความยาวแกนหรอดานเปน a, b และ c)

28

ระบบผลก 7 แบบ

29

❖ ผลกอาจมรปรางภายนอกแตกตางกนแตจดอยในระบบเดยวกน เชน Octahedron และ Tetrahedron แตจะอยในระบบเดยวกนคอ Cubic system

❖ การจดระบบผลกดงกลาว อาศยเพยงความยาวแกนและมมเปนหลกในการจดแบบกวางๆตามโครงสรางภายนอกเทานน พบวายงมระบบผลกบางระบบยงมอนภาคทอยต าแหนงอนๆไดอกนอกเหนอไปจากจดทงแปดของหนวยเซล เชน อนภาคอาจอยกงกลางของหนาทงหก หรออนภาคอยทจดกลางของหนวยเซลกได 30

Simple (primitive) cubic เปนระบบผลกทมอนภาคอยทมมของหนวยเซลเทานน

Face-centred cubic เปนระบบผลกทมอนภาคอยทมมของหนวยเซลและจดกงกลางดานทงหกของหนวยเซล

Body-centred cubic เปนระบบผลกทมอนภาคอยทมมทงแปดของของหนวยเซล และมอกหนงอนภาคอยทจดกงกลางของหนวยเซล

Base-centred cubic เปนระบบผลกทมอนภาคอยทมมทงแปดของของหนวยเซล และยงมอกหนงอนภาคอยทจดกงกลางของดานเพยงสองดานทอยตรงขามคใดคหนง หรอเรยกผลกนอกชอหนงวา End-centred cubic 31

ในการศกษาโครงสรางผลก (crystallography) จะศกษาถงมมระหวางผวหนา ความยาวของดานและสมมาตร (symmetry)สมมาตร (symmetry) หมายถงสารใดๆ กตาม เมอถกแบงออกเปนสองสวนแลวทงสองสวนนนจะมรปรางลกษณะเหมอนกนทกประการ พบได 3 แบบดงน1. ระนาบสมมาตร (Plane of symmetry)

เปนระนาบจนตนาการ (imaginary plane) ทสมมตใหแบงสารใดๆออกเปนสองสวนไดเทากนและสองสวนนนสมมาตรกน

2. แกนสมมาตร (Axis of symmetry) คอแกนของผลกเมอหมนผลกรอบแกนนนไปครบหนงรอบ จะเหนรปรางผลกท

เหมอนกนมากกวาหนงครง

3. จดศนยกลางสมมาตร (Centre of symmetry) หมายถงจดศนยกลางของผลก ถาลากเสนจากดานใดดานหนงทตงฉากไปยงดาน

ตรงขามใหผานจดนแลว ระยะทางระหวางจดนกบดานทงสองจะเทากน 32

33

34

1. ระบบผลกแบบใด (Bravais lattice system) ทม Axial Distances (edge lengths เทากนคอม a = b = c)1.1 ……………………………………………......… ตวอยางคอ ..........................................1.2 ……………………………………………......… ตวอยางคอ ..........................................2. ระบบผลกแบบใด (Bravais lattice system) ท Axial Distances (edge lengths มคาไมเทากนเลย a ≠ b ≠ c)2.1 ……………………………………………......… ตวอยางคอ ..........................................2.2 ……………………………………………......… ตวอยางคอ ..........................................3. ระบบผลกทมอนภาคอยทมมทงแปดของของหนวยเซล และมอกหนงอนภาคอยทจดกงกลางของหนวยเซลเรยกวา ............................................................................

แบบฝกหดท 1.3 จงตอบคาถามตอไปน

1.3 โครงสรางของผลก (Crystal structure)❖ กรณเมอวดมมและดานของผลกแลวแตกยงไมสามารถทราบโครงสรางของผลกได Bragg และ

Lawrence จงไดศกษาโครงสรางผลกโดยผานล าแสงของรงสเอกซ (X-ray) ทมความยาวคลนเดยว (monochromatic light) เขาไปในผลก พบวาสามารถใหล าแสงผานออกมาไดและมบางสวนสะทอนกลบออกไป

35

❖ จากรป เมอผลกเรยงขนานกนมระยะหางเทากบ d (lattice spacing) ❖ รงสเอกซ (X-ray) มความยาวคลนเทากบ ❖ ถามมตกกระทบระนาบเทากบ (Bragg’s angle) จะท าใหคลนแสงทสะทอนออกไปจาก

ระนาบตางๆในผลกเปนคลนแบบเสรมกน (constructive interference)❖ เมอพจารณาคลนสองคลนทมาตกกระทบระนาบ 2 แลวสะทอนออกไปนน จะตองเดน

ทางไกลกวาคลน 1 คลนทมาตกกระทบระนาบ 1 เปนระยะทางเทากบ CB + BD❖ และเพอทจะใหคลนของแสงทสะทอนออกไปเปนคลนเสรมกน (in phase) แลว

ระยะ CB + BD ตองมคาเทากบความยาวคลนหรอ n เทาของความยาวคลนของรงสเอกซเมอ n เปนเลขจ านวนเตม ซงอาจมคา 1, 2, 3, …….ดงนน CB + BD = n ………………… (1)

ระยะ AB = dระยะ CB = ระยะ BD

= d sin ……………….. (2) 36

แทนคาสมการ (1) ดวย (2)ดงนน 2d sin = n

หรอ n = 2d sin ……………. (3) สมการ (3) คอสมการของแบรก (Bragg’s equation)

❖ Diffraction จะเกดขนไดกตอเมอเปนไปตามสมการของแบรกเทานน❖ n คออนดบของ diffraction (order of diffraction) ซงเปนเลขทลงตว

เนองจากความยาวคลนของรงสเอกซ () และระยะหางระหวางระนาบของผลก (d) จะมคาแนนอนส าหรบผลกใดๆ

❖ จากสมการ (3) คา n จะมากหรอนอยขนอยกบคา sin หรอคามม ทแสงตกกระทบระนาบ และคา sin จะมคาสงสดไมเกนหนง ( = 90 )

37

แบบฝกหดท 1.4 เมอผานรงสเอกซทมความยาวคลน 1.900 x 10-10 เมตร กระทบระนาบของผลกโลหะชนดหนงเปนมม 28 จะพบวารงสเอกซจะสะทอนออกมาและมอนดบของ diffraction เปนหนง (sin 28 = 0.4695) จงค านวณก. ระยะหางระหวางชนของผลกข. การสะทอนอนดบทสองจะเกดขนไดเมอใดวธทาก. คานวณระยะหางระหวางชนของผลกจากสตรสมการของแบรก n = 2d sin แทนคาตางๆทโจทยใหลงในสมการจะได

(1) (1.900 x 10-10 m) = 2d sin 28= 2d (0.4695)

d = 2.023 x 10-10 m 38

ตอบ ผลกโลหะดงกลาวมระยะหางระหวางชนของผลก 2.023 x 10-10 เมตร หรอ 202.3 x 10-12 เมตรหรอ 202.3 pm (picometre)ข. คานวณมมตกกระทบของรงสเอกซทให order of diffraction = 2- จากการค านวณในขอ ก. ท าใหทราบระยะหางระหวางชนของผลกเมอ n = 1

ซงมคาเทากบ 2.023 x 10-10 เมตร และมคาคงท- ทราบความยาวคลนของรงสเอกซ ดงนนค านวณมมตกกระทบของรงสเอกซไดจากสมการของแบรก

โดยแทนคา n = 2 (โจทยใหค านวณหาคา เมอ n = 2) จากสตรสมการของแบรก n = 2d sin แทนคาตางๆทโจทยใหลงในสมการจะได

(2) (1.900 x 10-10 m) = 2 (2.023 x 10-10 m) sin sin = 0.9391

= 69.90[หมายเหต คา sin 69 = 0.9336, sin 70 = 0.9397 นนคอ (0.9397-0.9336)/1 => 0.0061 ตอ 1 องศาถา (0.9391-0.9336) = 0.0055 มคาเทากบ 0.0055/0.0061 = 0.90 องศา => 69 + 0.90 = 69.90 องศา]ตอบ รงสเอกซจะตองตกกระทบระนาบของผลกโลหะเปนมม 69.90 องศาเพอใหการสะทอนมอนดบของdiffraction เทากบสอง 39

1.4 ชนดของของแขงผลก (Types of crystal solid)❖ ของแขงผลกมคณสมบตส าคญคอ เปน anisotropic มรปทรงทางเรขาคณตทแนนอน❖ จากการศกษาแรงดงดดระหวางโครงผลก (crystal lattice) ท าใหแบงของแขงผลกออกได

4 ชนดตามชนดของหนวยอนภาคทอยตามจด lattice ของโครงผลก โดยหนวยอนภาคนนอาจเปนไอออน อะตอม หรอโมเลกลกได ดงตอไปน

1.4.1 ผลกไอออนก (Ionic crystal) ❖ ประกอบดวยไอออนบวกและไอออนลบเรยงตวกน เชน ผลกของเกลอแกง NaCl: Na+

และ Cl- เปนหนวยอนภาค และแรงดงดดระหวางอนภาคในของแขงประเภทนคอ แรงไฟฟาสถตย (electrostatic force) หรอแรงดงดดคลอมบก (coulombic force) ซงเปนแรงดงดดทแรงมาก ท าใหของแขงประเภทนมจดหลอมเหลวและจดเดอดสง

❖ ผลกชนดนมกจะแขงและเปราะ ทอณหภมปกตไอออนทกตวจะอยตามจด lattice ทแนนอนและเปนระเบยบ ท าใหไอออนเคลอนทไดยาก

❖ ถาใหความรอนตอของแขงผลกนจนหลอมเหลว จะพบวาไอออนเหลานจะเคลอนทอยางกระจดกระจายและสามารถน าไฟฟาไดดวย เชนผลกของ NaCl, CaF2, AgCl เปนตน 40

1.4.2 ผลกโมเลกล (Molecular crystal) ❖ ประกอบดวยอะตอมหรอโมเลกลทไมมประจ แตชดกนอยดวยแรงวนเดอวาลล (vander

Waal force) หรอแรงดงดดไดโพล-ไดโพล (dipole-dipole interaction) ซงเปนแรงดงดดทออนกวาแรงดงดดทเรยกวา coulombic force ท าใหผลกของสสารพวกนมจดหลอมเหลวและจดเดอดต า

❖ ผลกชนดนไมสามารถน าไฟฟาไดเพราะโมเลกลหรออะตอมไมมประจ❖ ตวอยางผลกกลมน เชน Ar, Xe, Cl2 (chlorine), l2 (iodine), C6H8 (cyclohexyne) เปนตน1.4.3 ผลกโควาเลนท (Covalent crystal) ❖ ประกอบดวยอะตอมทยดเหนยวกนดวยพนธะโควาเลนท (covalent bond) ซงเปนแรง

ดงดดทแขงแรงมาก ท าใหผลกพวกนมจดหลอมเหลวและจดเดอดสงมาก เพราะการท าลายพนธะโควาเลนทท าไดยาก และไมละลายในตวท าละลายใดๆ

❖ ผลกของสสารชนดนไมสามารถน าไฟฟาได เพราะอเลคตรอนจะอยประจ าต าแหนงภายในพนธะโควาเลนท ไมสามารถเคลอนทได จงไมน าไฟฟา

❖ ตวอยางผลกกลมน เชน เพชร (diamond), ซลคอนคารไบด (SiC) ซลคอน (Si) เปนตน 41

1.4.4 ผลกโลหะ (Metallic crystal) ❖ ประกอบดวยหนวยอนภาคเปนไอออนบวกของโลหะ ทมวาเลนซอเลคตรอนเคลอนทไปมา

ไดโดยรอบ (delocalised electron) นนคออเลคตรอนจะเคลอนทไปยงอะตอมอนๆไดโดยไมอยประจ ากบอะตอมใดอะตอมหนง และเปนสมบตสวนรวมของทกอะตอมทวทงผลกดงนนแรงยดเหนยวในผลกพวกนคอ พนธะโลหะ (metallic bond) ซงเปนแรงระหวางอเลคตรอนกบไอออนบวก โดยทอเลคตรอนจะยดเอาไอออนบวกทงหมดมารวมกน

❖ โดยทวไปแรง metallic bond นจะแขงแรงกวาแรงยดเหนยวของผลกในโมเลกล (vanderWaal force) แตออนกวาแรงยดเหนยวในผลกไอออนก (coulomic force) และผลกโควาเลนท (covalent bond) ซงเปนแรงดงดดทออนกวาแรงดงดด coulombic forceท าใหผลกกลมนมจดหลอมเหลวและจดเดอดคอนขางสง

❖ ผลกชนดนสามารถน าไฟฟาไดด เปลยนรปได สามารถทบใหเปนแผนบางหรอดงเปนเสนไดเพราะพนธะโลหะไมมทศทางเฉพาะเหมอนพนธะโควาเลนท

❖ มประกายแวววาว❖ ตวอยางผลกกลมน เชน เงน (Ag), ทองค า (Au), ทองแดง (Cu) เปนตน 42