1

สถานะของสาร (State of matter)

อ.ภก. กรพล แมนววฒนกล

เคาโครงเนอหา

1. แรงระหวางโมเลกล ก. Van der Waals force ข. Ion-dipole and ion-induced dipole forces ค. Hydrogen bone

2. สถานะของสาร ก. สถานะกาซ

- Ideal gas law - Van der Waals equation for real gas

ข. สถานะของเหลว - ความดนไอ - การเดอดของของเหลว - การควบแนนของกาซ - แรงตงผว

ค. สถานะของแขง - Crystalline - Amorphous - Hydrate and solvate - Polymeric

ง. Liquid crystalline - โครงสรางและคณสมบต - ความสาคญและการประยกตใช

จ. Supercritical fluid 3. Phase equilibria และ Phase rule

ก. ระบบทมสวนประกอบเดยว ข. ระบบทม 2 สวนประกอบ ค. ของผสมยเทคตก

2

แรงระหวางโมเลกล การทโมเลกลของสารสามารถรวมกนอยในสถานะของแขง ของเหลว หรอกาซไดนน จะตองมแรง

ระหวางโมเลกล (Intermolecular force) เกดขน ไดแก แรงดงดด (attractive force) และแรงผลก (repulsive force) เพราะฉะนนความรเกยวกบแรงระหวางโมเลกลนอกจากจะมประโยชนในการอธบายคณสมบตของสารสถานะตางๆแลว ยงสามารถใชอธบายปรากฏการณทเกยวของกบทางเภสชกรรมไดอกดวย เชน คณสมบตของยาเตรยมสถานะตางๆ การละลายของสาร ปรากฏการณทผวประจน การเกดยานาแขวนตะกอนและอมลชน การยดเกาะของผงยาในการผลตยาเมด การไหลของของสาร เปนตน คณสมบตทเกยวของกบแรงระหวางโมเลกลจะมผลตอการตงตารบ การผลต และการเกบรกษาผลตภณฑยา แรงผลกและแรงดงดด (Repulsive and attractive forces)

เมอสาร 2 โมเลกลอยใกลกนระดบหนงจะเกดแรงระหวางโมเลกลขน โดยมทงแรงดงดดและแรงผลกเกดขนพรอมกน กรณของแรงดงดด โมเลกลทมประจตรงกนขามจะมแรงดงดดกนมากกวาโมเลกลทมประจเดยวกน แรงดงดด (FA) จะเพมขนเมอระยะหางระหวางโมเลกลนอยลง หรอแปรผกผนกบระยะหางระหวางโมเลกลทงสอง (r) นนเอง ตามสมการ

nA r1F α (1)

คา n จะขนกบชนดของอะตอมในโมเลกลทเกดแรงระหวางกน กรณของแรงผลก แรงผลก (FR) จะเพมขนเรอยๆเมอโมเลกลทงสองเคลอนทเขาหากน และเมอ

โมเลกลใกลกนจนกระทงชนของหมอกอเลคตรอนของแตละโมเลกลเรมสมผสกน จะทาใหเกดแรงผลก เพมขนอยางมาก ตามสมการ

1/rR eαF (2)

จากสมการ (1) แรงดงดดจะคอยๆเพมขนเมอโมเลกลเขาใกลกน สวนสมการ (2) แสดงใหเหนวาแรงผลกจะเพมขนแบบ Exponential เมอโมเลกลเขาใกลกนมากขน และเมอโมเลกลทงสองอยหางกนทระยะ re ตามรปท 1 (3 ถง 4 x 10-8 cm) แรงผลกและแรงดงดดจะสมดลกน ณ ตาแหนงนพลงงานศกยระหวางโมเลกลทงสอง (net energy) จะมคานอยทสด ระบบจะอยในสภาวะสมดล แรงดงดดทเกดขนจะทาใหโมเลกลเขาใกลกน มโครงสรางทแนนอน ทาใหสารแสดงสถานะตางๆ ในขณะทแรงผลกจะปองกนมใหโมเลกลหลอมรวมกนจนเสยสภาพของโมเลกลดงเดม

หลกการนนอกจากจะใชอธบายแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลแลว ยงใชในกรณของอะตอมและอนภาคขนาดใหญไดดวย

รปท 1 ความสมพนธระหวางแรงดงดดและแรงผลกกบระยะหางระหวางโมเลกล

3

แรงดงดดระหวางโมเลกล (Attractive force) มหลายชนด ไดแก 1. van der Waals forces 2. Ion-dipole and ion-induced dipole forces 3. Hydrogen bond

van der Waals forces เปนแรงดงดดอยางออนทเกดขนระหวางโมเลกลทไมมประจ แตมขวไฟฟาในโมเลกล เชน การเกด

Peptide bond (รปท 2) ออกซเจนเปนธาตทมคา electronegativity สง จงดงอเลคตรอนจากไนโตรเจนผานทางคารบอน ทาใหออกซเจนเกดเปนขวลบ เพอใหอยในสภาวะสมดลไนโตรเจนจงดงอเลคตรอนจากไฮโดรเจน ไฮโดรเจนจงเกดเปนขวบวก ดวยเหตนจงทาใหมขวบวกและลบเกดขนในโมเลกล เมอโมเลกลทมขว 2 โมเลกลอยใกลกน จงเกดแรงดงดดระหวางโมเลกลทเรยกวาแรง van der Waals นนเอง แรงชนดนสามารถแบงออกไดเปน 3 ชนด คอ

1. Dipole-dipole forces (Keesom force) โมเลกลทมขวอยางถาวร (permanent dipole) โมเลกลจะเรยงตวโดยหนขวลบเขาหาขวบวกของโมเลกลขางเคยง ทาใหโมเลกลมแรงดงดดระหวางกน มแรงดงดดประมาณ 1-7 kcal/mole ตวอยางของโมเลกลมขวอยางถาวร เชน นา, hydrochloric acid, alcohol, acetone

2. Dipole-induced dipole (Debye force) โมเลกลทมขวสามารถเหนยวนาใหโมเลกลทไมมขวบางชนดมขวเกดขนได ทาใหทงสองโมเลกลมแรงดงดดตอกน มแรงดงดดประมาณ 1-3 kcal/mole ตวอยางของโมเลกลทไมมขวทสามารถถกเหนยวนาใหมขวได เชน ethyl acetate, methylene chloride, ether

3. Induced dipole-induced dipole (London force) โมเลกลทไมมขวบางชนดสามารถมขวเกดขนไดเองจากการสนของโมเลกลแลวไปเหนยวนาใหโมเลกลอนทไมมขวมขวเกดขน จากนนจงเกดแรงดงดดระหวางโมเลกลขน มแรงดงดดเพยง 0.5-1 kcal/mole โมเลกลไมมขวทสามารถเกดแรงดงดดชนดน เชน aliphatic hydrocarbon, carbon disulfide, carbon tetrachloride และ hexane แรงดงดดชนดนเกยวของกบการควบแนนของกาซเปนของเหลวอกดวย

รปท 2 การเกดแรง van der Waals

Ion-dipole and ion-induced dipole forces เปนแรงดงดดทเกดจากโมเลกลทมขวหรอไมมขวกบโมเลกลทมประจ ไดแก

1. Ion-dipole force โมเลกลทมขวสามารถเกดแรงดงดดไดทงกบโมเลกลทมประจบวกหรอลบ มแรงดงดด 1-7 kcal/mol เชน quaternary ammonium กบ tertiary amine

34 NR:NR −+ quaternary amine tertiary amine

4

2. Ion-induced dipole force แรงดงดดเกดจากการทโมเลกลทมประจไปเหนยวนาใหโมเลกลทไมมขวเกดมขวขน เชน ปฏกรยาการละลายของ iodine ในสารละลาย potassium iodide

−+−+ ⎯→⎯+ 32 IKIIK iodide anion iodine molecule iodide complex

แรงดงดดชนดนมเกยวกบการละลายของสารทสามารถแตกตวเปนประจ โดยสารทเปนประจบวก (cation) จะดงดดกบขวลบของออกซเจนในโมเลกลของนา สวนสารทเปนประจลบ (anion) จะดงดดกบขวบวกของไฮโดรเจนในโมเลกลของนา

Hydrogen bond เปนการเกดแรงยดเหนยวทเกดขนระหวางอะตอมไฮโดรเจนกบอะตอมทมคา electronegativity

สง เชน ฟลออรน ออกซเจน ไนโตรเจน พนธะชนดนเกดไดเนองจากวาอะตอมไฮโดรเจน มขนาดเลกและมสนามไฟฟา (electrostatic field) ทแขงแรง จงสามารถเคลอนทเขาไปใกลชดกบอะตอมอนแลวเกดแรงยดเหนยวทางไฟฟาขน พนธะชนดนเกดขนไดกบโมเลกลหลายชนด เชน alcohols, carboxylic acid, aldehydes, esters, polypeptides เปนตน พนธะไฮโดรเจนสามารถเกดภายในโมเลกลเดยวกน (intramolecular) หรอระหวางโมเลกล (intermolecular) กได (รปท 3) การเกดพนธะไฮโดรเจนทาใหสารบางชนดมคณสมบตบางประการไมเปนไปตามทคาดไว เชน กรณของสารประกอบไฮโดรเจนของธาตหม 6A ไดแก H2O, H2S และ H2Se เฉพาะ H2O เทานนทสามารถเกดพนธะไฮโดรเจนได จงมจดเดอดท 100°C ซงสงกวา H2S และ H2Se ทมจดเดอด -100°C และ -60.3°C ตามลาดบ นอกจากนแลวการเกดพนธะไฮโดรเจนยงทาใหคณสมบตบางอยางของสารละลายเปลยนไป เชน คา dielectric constant ความดนไอ และจดเดอด เปนตน

รปท 3 การเกดพนธะไฮโดรเจน

5

ตารางท 1 แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลและพนธะ Bond type Bond energy (kcal/mole)

van der Waals force and other intermolecular forces Dipole-dipole interaction (Keesom force) Dipole-induced dipole interaction (Debye force) Induced dipole-induced dipole interaction (London force) Ion-dipole interaction Hydrogen bonding

• O-H…O • C-H…O • O-H…N • N-H…O • F-H…F

1-7 1-3

0.5-1 1-7

6

2-3 4-7 2-3 7

Primary valence bond Ionic bond Covalent bond

100-200 50-150

สถานะของสาร (State of matter)

สารม 3 สถานะ คอ กาซ ของเหลว และของแขง เมอสารอยในรปของแขง โมเลกลของสารจะอยชดกนโดยมแรงยดเหนยวไวอยางแขงแรง โมเลกลจะเคลอนทไดอยางจากด ถาอณหภมของของแขงสงขน โมเลกลจะมพลงงานจลนสงขน สามารถเคลอนทไดมากขน และมการจดเรยงตวของโครงสรางใหม เปลยนสถานะเปนของเหลว เรยกวาการหลอมเหลว (melting) และถาเพมอณหภมใหกบของเหลวเรอยๆ โมเลกลจะมพลงงานจลนสงขน จนเปลยนไปเปนสถานะกาซ เรยกวาการเดอด (boiling) ของแขงบางชนดทมความดนไอสง เชน ไอโอดนหรอการบร สามารถเปลยนสถานะจากของแขงเปนกาซโดยไมตองผานขนตอนการหลอมเหลว เรยกวาการระเหด (sublimation) ในบางสภาวะโมเลกลบางชนดจะมสถานะทมคณสมบตอยระหวางของเหลวกบของแขง เรยกวา liquid crystalline หรอมสถานะทมคณสมบตอยระหวางของเหลวกบกาซ เรยกวา supercritical fluid

สถานะกาซ (Gaseous state)

โมเลกลของสารทอยในสถานะกาซจะมพลงงานจลนสงมาก มแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลตา โมเลกลมการเคลอนทอยางรวดเรว ทศทางการเคลอนทไมแนนอน จะชนกบโมเลกลอนๆและผนงภาชนะทบรรจกาซนนทาใหเกดเปนความดน ซงหมายถงแรงกระทาตอหนวยพนท มหนวยเปน Dynes/cm2 หรอมหนวยเปน mmHg เมอใช barometer ในการวดความดน กาซมรปรางไมแนนอน สามารถบรรจอยในชองวางไดอยางทวถง และถกบบอดใหมปรมาตรนอยลงได ปรมาตรของกาซนยมบอกในหนวยลตรหรอลกบาศกเซนตเมตร ในการอธบายคณสมบตตางๆของกาซจะใชอณหภมสมบรณ (absolute temperature) มหนวยเปนเคลวน (K)

6

Ideal gas law Boyle law อธบายความสมพนธระหวางปรมาตรและความดนของกาซ ถานากาซ 1 โมล เกบใน

สภาวะทควบคมอณหภมใหคงท เมอความดนของกาซ (P) เพมขน ปรมาตรของกาซ (P) จะลดลง หรอผลคณของคาความดนกบปรมาตรของกาซจะเปนคาคงทคาหนง (k) ดงสมการ หรอ kPV = (3)

Charles and Gay-Lussac Law กลาวไววาปรมาตรของกาซจะแปรผนตรงกบอณหภมของกาซ เมอกาหนดใหความดนคงท

TαV หรอ kTV = (4) จากสมการ (3) และ (4) สามารถอธบายความสมพนธระหวางความดน ปรมาตร และอณหภมของ

กาซไดดงน

2

22

1

11

TVP

TVP

= (5)

จากสมการ (5) จะพบวาคา PV/T ของสภาวะหนงจะเทากบคา PV/T ของอกสภาวะหนง นนหมายความวาอตราสวนของ PV/T จะเปนคาคงท แสดงไดดวยสมการ

RT

PV= หรอ RTPV = (6)

R คอ คาคงทสาหรบอตราสวนของ PV/T ในกรณของ ideal gas แตเนองจากสมการนจะถกตองสาหรบกาซ 1 โมลเทานน จงตองมจานวนโมล (n) เขามาเกยวของ nRTPV = (7) สมการ (7) เรยกวา General ideal gas law

คา Molar gas constant, R เปนคาทมความสาคญมากคาหนงทางวทยาศาสตร คา R จะมหลาย

คาขนอยกบหนวยของตวแปรตางๆในสมการ (5) ตวอยางเชนทสภาวะ standard condition of temperature and pressure, STP (0°C, 760 mmHg) กาซ 1 โมลจะมปรมาตร 22.414 ลตร

1 atm x 22.414 L = 1 mole x R x 273.16 K R = 0.08205 L atm/mole deg

ถาใชหนวยของความดนเปน dyn/cm2 (1 atm = 1.0133 x 10-6 dyn/cm2) และใชหนวยของปรมาตรเปน cm3 degerg/mole108.314

273.1622414)10(1.0133

TPVR 7

6

×=××

==o

เมอ 1 Joule = 107 erg R = 8.314 Joule/mole deg เมอ 1 cal = 4.184 Joule

R = 1.987 cal/mole deg มวลโมเลกล (Molecular weight, Mw) ของกาซสามารถคานวณไดจาก Ideal gas law โดยแทนทจานวนโมลของกาซ (n) ดวยนาหนกของกาซหารดวยมวลโมเลกล (g/Mw) RT

MwgPV = หรอ

PVgRTMw = (8)

การหามวลโมเลกลของสารทสามารถกลายเปนไอไดงาย เชน alcohol สามารถทาไดโดยนาสารททราบนาหนกทแนนอน (g) ใสเขาไปในกระเปาะแกวทมปรมาตรคงท (V) จากนนเพมอณหภมจนสาร

V1αP

7

กลายเปนกาซจนหมด (T) หลงจากนนวดความดนทเกดขนในกระเปาะแกว (P) กจะสามารถคานวณหามวลโมเลกล (Mw) ไดจากสมการท (8) วธการนเรยกวา Victor Meyer method Kinetic molecular theory สมการตางๆทเกยวของกบ Ideal gas law จะสามารถใชไดกบกาซทมคณสมบตใกลเคยงกบกาซในอดมคต จงไดมการสรางทฤษฎทใชอธบายพฤตกรรมของกาซทมคณสมบตใกลเคยงกบกาซในอดมคต เรยกวา kinetic molecular theory ดงน

1. กาซประกอบดวยอนภาคขนาดเลก นนคอโมเลกลของกาซนนเอง ปรมาตรของอนภาคเหลานจะถอวานอยมากเมอเทยบกบปรมาตรของภาชนะทบรรจ คณสมบตขอนจะเกดขนไดเมอกาซมความดนตาและอณหภมสง ซงทสภาวะนอะตอมหรอโมเลกลจะอยหางกนมาก

2. โมเลกลของกาซจะเปนอสระ ไมยดตดกน ซงจะเกดขนไดเมอกาซมความดนตา 3. โมเลกลของกาซจะเคลอนทอยางไมเปนระเบยบ (random motion) ดวยพลงงานจลนของ

โมเลกล โดยพลงงานจลนจะแปรผนกบอณหภมสมบรณของกาซ หรอ E = 3/2 RT 4. โมเลกลจะตองมความยดหยดสมบรณ (perfect elasticity) คอ เมอโมเลกลเกดการชนกน

หรอชนกบผนงของภาชนะบรรจจะตองไมมการสญเสยความเรวหรอพลงงานเลย จากทฤษฎดงกลาวทาใหได Fundamental kinetic equation คอ PV = 1/3 nmc2 (9)

เมอ P คอ ความดนของกาซ, V คอ ปรมาตรของกาซ, n คอ จานวนโมเลกลของกาซ, m คอ มวลของกาซ 1 โมเลกล และ c คอความเรวเฉลยของโมเลกล (average velocity) จาก Fundamental kinetic equation จะสามารถหาคา root mean square velocity, (c2)1/2 หรอ μ ของกาซอดมคตได จากสมการท (9) ทาใหเปนรากทสองทง 2 ขางของสมการ จะได

nm3PVμ = (10)

ในกรณทมกาซ 1 โมล จะทาให PV = RT ตามสมการท (5) จะทาให n = Avogadro’s number (NA) คา NA เมอคณกบมวลของกาซ 1 โมเลกล (m) จะเทากบมวลโมเลกล (Mw) จะได

M3RTμ = (11)

เนองจาก nm/V เทากบความหนาแนน จงเขยนสมการ (10) ไดเปน

D3Pμ = (12)

จากสมการ (12) ทาใหทราบวาอตราการแพรของกาซจะแปรผกผนกบรากทสองของความหนาแนน (d) ของกาซ

van der Waals equation for real gas

ในกรณของกาซจรง (Real gas) ปรมาตรของโมเลกลไมไดนอยมากจนสามารถตดออกไปได การชนกนระหวางโมเลกลกไมไดเปนแบบยดหยนสมบรณ โมเลกลมแนวโนมทจะจบกลมกน ปจจยตางๆเหลานมผลตอปรมาตรและความดนของกาซจรง เพราะฉะนนจาก ideal gas equation สมการท (7) จงนามาส van der Waals equation ดงน ( ) RTbV

VaP 2 =−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ + (13)

a/V2 คอ ความดนภายในของกาซ เปนผลมาจากแรงดงดดระหวางโมเลกลของกาซ สวน b คอincompressibility มคาประมาณ 4 เทาของปรมาตรโมเลกลกาซ

8

ในกรณทพบทวไป จะมกาซ n โมล บรรจอยในภาชนะทมปรมาตร V เพราะฉะนนสมการ (13) เขยนใหมไดดงน ( ) nRTnbV

VanP 2

2

=−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ (14)

ถาปรมาตรของกาซใหญมาก โมเลกลของกาซจะกระจายตวด คา a/V2 และ b จะนอยมากเมอเทยบกบ P และ V ในกรณน van der Waals equation ของกาซ 1 โมลจะเหมอนกบ ideal gas equation ตารางท 2 คา van der Waals constant ของกาซบางชนด

กาซ a (L2 atm/mol2) b (L/mol) H2 O2 CH4 H2O Cl2

CHCl3

0.244 1.360 2.253 5.464 6.439 15.17

0.0266 0.0318 0.0428 0.0305 0.0562 0.1022

กาซในกระแสเลอด (Blood gas)

กาซทอยในกระแสเลอด คอ กาซทละลายอยในพลาสมา (Plasma) ความเขมขนของกาซทอยในเลอดจะขนอยกบความดนของกาซในบรรยากาศ และกระบวนการเมตาบาลซมของรางกาย กาซสาคญทอยในกระแสเลอดคอออกซเจนและคารบอนไดออกไซด ปรมาณกาซทละลายอธบายไดดวย Henry’s law of gas solubility คอ ปรมาณกาซแตละชนดทละลายในเลอดจะแปรผนตามความดนยอย (partial pressure) ของกาซชนดนน และความดนรวมของกาซทกชนดจะเทากบผลรวมของความดนยอยของกาซแตละชนด (Ptotal = P1 + P2 + P3 + ….) กาซออกซเจนในอากาศเขาสรางกายผานทางปอด กาซทละลายในเลอดทาใหเกดความดน (PO2) ปรมาณออกซเจนทจะไปสเนอเยอตางของรางกายจะขนอยกบฮโมโกลบน และความสามารถของหวใจในการสบฉดเลอด ผสงอายจะมคา PO2 และปรมาณกาซทละลายในเลอดตากวาคนวยหนมสาว กาซคารบอนไดออกไซดทมอยในรางกาย มาจากกระบวนการออกซเดชนของธาตคารบอนทมาจากสวนประกอบของอาหาร และจะถกกาจดออกทางปอดดวยกระบวนการหายใจ กาซทละลายจะรวมกบนาเกดเปนกรด carbonic (H2CO3) แลวแตกตวเปน bicarbonate (HCO3

- ) และ H+ กาซทละลายในเลอดทาใหเกดความดน PCO2 คาความดนจะขนอยกบประสทธภาพการทางานของปอดดวย ถาปอดทาหนาทแลกเปลยนกาซไดไมด (hypoventilation) รางกายจะกาจดกาซคารบอนไดออกไซดออกไดชา คาความดน PCO2 จะสง ผปวยจะมภาวะ respiratory acidosis เนองจากปรมาณ H+ ในเลอดสง แตถาปอดทาหนาทมากเกนไป (hyperventilation) จะเกดผลตรงกนขาม คอ PCO2 จะมคาตา ปรมาณ H+ ในเลอดจะตากวาปรกต ผปวยจะมภาวะ respiratory alkalosis

ในรางกายมนษย กาซออกซเจนและคารบอนไดออกไซดทละลายอยในเลอดจะทาใหเกดความดน PO2 และ PCO2 ตามลาดบ คา PO2 มคาเฉลยประมาณ 80 mmHg สวนคา PCO2 จะมคาประมาณ 35-45 mmHg ปรมาณออกซเจนทละลายอยในเลอดจะมความสมพนธกบปรมาณออกซเจนทมอยในบรรยากาศขณะนนดวย

9

ตารางท 3 Arterial blood gas ระดบนาทะเล ทความสง 1 ไมล PO2 > 80 mmHg 70 mmHg O2 saturation of hemoglobin > 95% 93% PCO2 40 mmHg 38 mmHg

สถานะของเหลว (Liquid state) ของเหลวจะมปรมาตรทแนนอน รปทรงขนอยกบภาชนะทบรรจ มความหนาแนนมากกวากาซ สามารถถกบบอดไดเพยงเลกนอยเทานน และโมเลกลมพลงงานจลนนอยกวากาซ ของเหลวจะสามารถเกดการไหลได ความสามารถในการไหลจะขนกบแรงเสยดทาน ของเหลวสามารถเปลยนสถานะเปนของแขงได และสามารถเดอดแลวกลายเปนกาซได คณสมบตทางกายภาพของของเหลวทสาคญและเกยวของทางเภสชกรรมมดงน

1. ความดนไอของของเหลว 2. การเดอดของของเหลว 3. การควบแนนของกาซ 4. แรงตงผว 5. การไหลและความหนดของของเหลว

ความดนไอของของเหลว (Vapor pressure of liquid)

ความดนไอเปนคณสมบตทางกายภาพของของเหลว เมอของเหลวอยในภาชนะทอณหภมคงทคาหนง โมเลกลทมพลงงานจลนสงจะเคลอนทดวยความเรวทสงพอทหลดพนจากผวหนาของของเหลวกลายเปนกาซ เรยกวาการระเหย และขณะเดยวกนกจะมโมเลกลทเปนกาซเปลยนกลบมาเปนของเหลว เรยกวาการควบแนน เมอถงสภาวะสมดลอตราเรวการระเหยและการควบแนนจะเทากน ความดนทเกดขน ณ จดนนเรยกวา ความดนไอสมดล (Equilibrium vapor pressure) ถาเพมอณหภมใหกบของเหลวจะทาใหมโมเลกลมพลงงานจลนสงมจานวนเพมขน โมเลกลจะเคลอนทหลดพนผวหนาของของเหลวกลายเปนไอไดมากขน สงผลใหความดนไอของของเหลวเพมขนเมออณหภมสงขน

ความสมพนธระหวางความดนไอกบอณหภมเปนไปตาม Clausius-Clapeyron equation โดยทความดนไปจะแปรผนตรงกบอณหภมแบบ exponential แสดงไดดงสมการ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

12

V

1

2

TT1

2.3RΔH

VPVPlog (15)

เมอ P1 และ P2 คอ ความดนไอของของเหลวทอณหภม T1 และ T2 ตามลาดบ และ ΔHv คอ heat of evaporation หรอ พลงงานทใชทาใหของเหลว 1 โมล เปลยนสถานะเปนกาซ จากสมการทาใหสามารถคานวณความดนไอของของเหลวทอณหภมตางๆได

10

รปท 4 ความสมพนธระหวางความดนไอกบอณหภม

การเดอดของของเหลว เมอเพมอณหภมใหกบของเหลว ความดนไอของของเหลวจะเพมขนเรอยๆตามอณหภมทเพมขน

จนเมอความดนไอของเหลวเทากบความดนบรรยากาศ ไอของสารจะรวมตวกนเปนฟองอากาศเคลอนทออกจากของเหลวอยางรวดเรว อณหภมทความดนไอของของเหลวเทากบความดนบรรยากาศ เรยกวา จดเดอด (boiling point) จากจดนแมจะใหความรอนตอไปอกกไมทาใหอณหภมเพมขน เนองจากพลงงานความรอนทใหไปจะไปทาใหของเหลวเปลยนเปนกาซจนหมด หลงจากนนอณหภมจงจะเพมขน ความดนบรรยากาศทระดบนาทะเลมคาประมาณ 760 mmHg นาจะเดอดทอณหภม 100°C ถาความดนบรรยากาศลดลงจะทาใหจดเดอดลดลง เชน ทความดนบรรยากาศ 700 mmHg นาจะเดอดทอณหภม 97.7°C ความสมพนธระหวางจดเดอดและความดนบรรยากาศอธบายไดดวย Clausius-Clapeyron equation

พล งงานความรอนทของเหลวจานวนหนงตองใชเพอใหเกดการระเหยเปนไอจนหมด เรยกวา Heat of vaporization, ΔHv มความสมพนธกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลและนาหนกโมเลกล คอ สารทมนาหนกโมเลกลสง หรอมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากจะมคา ΔHv และจดเดอดสง และจะมความดนไอตา

ความรอนททาใหของเหลวเดอด คอ พลงงานทจะไปทาลายแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลว เพราะฉะนนจดเดอดของของเหลวจะเปนตวบอกถงความแขงแรงของแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลไดเชนเดยวกบคา ΔHv และความดนไอ จดเดอดของสาร n-hydrocarbon, simple alcohol และ carboxylic acid จะเพมขนเมอนาหนกโมเลกลสงขน เนองจากแรง van de Waals จะเพมขนเมอจานวนอะตอมในเพมขน โดยทวไปจดเดอดจะสงขนประมาณ 18°C เมอหม methylene (-CH2-) เพมขนหนงหม ถาโมเลกลมลกษณะเปนสายยาวหรอมสาขา (branch chain) จะทาใหแรงดงดดระหวางโมเลกลลดลง เปนผลใหจดเดอดลดลง สารจาพวก alcohol จะมจดเดอดสงกวา hydrocarbon ชนดอนทมนาหนกโมเลกลใกลเคยงกน เนองจาก alcohol สามารถเกดพนธะไฮโดรเจนระหวางโมเลกล กรณของโมเลกลทไมมขวมกจะยดเหนยวกนดวยแรง London force จงทาใหมจดเดอดตา ความสมพนธระหวางจดเดอดกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล แสดงในตารางท 4

11

ตารางท 4 จดเดอดและ Heat of vaporization, ΔHv ของสารบางชนด สาร Boiling point (°C) ΔHv (cal/g)

Helium Nitrogen Propane

Methylene chloride Isobutane Butane

Ethyl ether Carbon disulfide

Ethyl alcohol Water

-268.9 -195.8 -42.2 -24.2 -10.2 -0.4 34.6 46.3 78.3 100.0

6 47 102 102 88 92 90 85 204 593

การควบแนนของกาซ (Liquefaction of gases) เมอลดอณหภมของกาซลง พลงงานจลนของโมเลกลจะสญเสยไปในรปความรอน โมเลกลของกาซ

จะเคลอนทชาลง ถาเพมความดนจะทาใหโมเลกลของกาซอยใกลกนมากขน โมเลกลจะดงดดกนดวยแรง van der Waals เกดการเปลยนสถานะเปนของเหลว ปรากฏการณนแสดงใหเหนวาการเปลยนสถานะจากกาซเปนของเหลว นอกจากจะขนกบอณหภมแลว ยงขนอยกบความดนอกดวย

เมอสารมอณหภมสงกวาจดเดอด สารจะอยในสถานะกาซ ถาเพมความดนใหกบกาซจะทาใหกาซเกดการควบแนนกลบเปนของเหลวอกครงโดยทไมจาเปนตองลดอณหภมลงใหตากวาจดเดอด แตถาเพมอณหภมของกาซใหสงกวาคาหนง จะไมสามารถเปลยนกาซใหกลบเปนของเหลวไดแมจะเพมความดนมากขนเทาใดกตาม ทงนเนองจากทอณหภมสงกวาคานนพลงงานจลนของโมเลกลจะสงมาก โมเลกลจะเคลอนทดวยความเรวสง จนไมสามารถใชความดนบบอดใหเปนโมเลกลอยใกลกนจนเปนของเหลวได อณหภมคานเรยกวา อณหภมวกฤต (Critical temperature) สวนความดนททาใหกาซเปลยนเปนของเหลวทอณหภมวกฤตเรยกวา ความดนวกฤต (Critical pressure) ถาลดอณหภมของกาซใหตากวาอณหภมวกฤต จะใชความดนตากวาความดนวกฤตกสามารถเปลยนกาซใหเปนของเหลวได อณหภมวกฤตของนา คอ 374°C สวนความดนวกฤต คอ 218 atm ขณะทกาซฮเลยมจะมคาอยท -268°C และ 2.26 atm อณหภมวกฤตจะบอกถงแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของสารได นามคาอณหภมวกฤตสงเนองจากโมเลกลของนาดงดดกนดวยดวยแรง dipole force อยางแขงแรง และมพนธะไฮโดรเจนระหวางโมเลกลอกดวย เพราะฉะนนจะตองใชพลงงานความรอนสงจงจะทาใหนาเปลยนสถานะจากของเหลวเปนกาซได ในทางกลบกนโมเลกลของกาซฮเลยมดงดดกนดวยแรง London force ทาใหโมเลกลเคลอนทไดด โมเลกลมพลงงานจลนสง เพราะฉะนนถาตองการใหกาซฮเลยมเปลยนสถานะเปนของเหลวจะตองลดอณหภมลงใหตามากๆ เพอลดพลงงานจลนของโมเลกลลง จงจะทาใหโมเลกลมแรงยดเหนยวระหวางกนมากพอทจะควบแนนเปนของเหลวได แตถาอณหภมสงกวาอณหภมวกฤต ฮเลยมจะเปนกาซแมวาจะเพมความดนใหเทาใดกตาม

12

- OA : Vapor pressure curve - OC : Sublimation curve - OB : Melting curve - O : Triple point : 0.0098°C และ 4.58 mmHg (0.006 atm) - A : Critical point : 374°C และ 165680 mmHg (218 atm)

รปท 5 แผนภมวตภาคแสดงอณหภมและความดนวกฤตของนา ตารางท 5 อณหภมและความดนวกฤตของสารบางชนด

สาร อณหภมวกฤต (K) ความดนวกฤต (atm) Carbon dioxide

Water Methane Ethane Propane Ethylene Propylene Methanol Ethanol

304.1 647.3 190.4 305.3 369.8 282.4 364.9 512.6 513.5

72.8 218.3 45.4 48.1 41.9 49.7 45.4 79.8 60.6

แอโรซอล (Areosol) จากทไดกลาวมาแลววากาซสามารถเปลยนเปนของเหลวได โดยการเพมความดนใหกบกาซท

อณหภมตากวาอณหภมวกฤต และเมอลดความดนลงหรอเพมอณหภมขนจะทาใหของเหลวเปลยนกลบเปนกาซอกครง กระบวนการเปลยนสถานะนเปนหลกการพนฐานของยาเตรยมแบบแอโรซอล โดยตวยาจะละลายหรอแขวนตะกอนในสารผลกดน สารประเภทนเปนกาซทสามารถเปลยนเปนของเหลวไดเมออยภายใตความดนสง และจะเปลยนเปนกาซทความดนบรรยากาศปรกต เชน Chlorofluorocarbon (CFC), Hydrofluorocarbon (HFC), nitrogen, carbon dioxide เปนตน

การบรรจสารขบดนและตวยาลงในกระปอง ทาไดโดยการลดอณหภมสวนผสมของตวยากบสารขบดนจนเปลยนสถานะเปนของเหลวแลวบรรจลงในกระปองแลวปดใหสนท หรอบรรจเฉพาะตวยาทอณหภมหองแลวปดกระปองใหสนท แลวจงอดสารขบดนทถกเปลยนใหเปนของเหลวแลวเขาไปทางรของวาลว ในกระปองแอโรซอลสารขบดนทอยในกระปองจะมทงสวนทเปนของเหลวและกาซ สวนทเปน

13

ของเหลวจะทาหนาทเปนนากระสายยา สวนทเปนกาซจะทาใหเกดความดนในกระปอง เมอกดหวพนยาใหวาลวเปดออก สารขบดนและตวยาทผสมกนอยจะถกพนออกมาดวยแรงดน เมอสมผสกบบรรยากาศภายนอกสารขบดนจะเปลยนสถานะเปนกาซแลวระเหยออกไป สวนตวยาจะเปนละอองฝอยพงออกไปยงเปาหมาย

ในปจจบนยาทอยในรปแบบแอโรซอลมมากขน เนองจากมขอดหลายประการ เชน ในกรณของยาฆาเชอ ถาเปนยาเตรยมในรปแบบแอโรซอล เมอทาการพนยาลงบนแผลทผวหนงจะไมทาใหผปวยรสกเจบเหมอนการใชยาทา หรอกาซ ethyl chloride เมอพนลงบนผวหนงจะทาใหรสกเยนและชา จงใชเปนยาชาบรรเทาอาการเจบปวด นอกจากนยาในรปแบบแอโรซอลยงชวยใหนาสงยาเขาไปยงชองทางตางๆของรางกายไดงายขน เชน ปาก คอ จมก ห

แรงตงผว (Surface tension) เมอพจารณาพนผวของของเหลวเปน 2 ดาน คอ ดานทตดอยกบของเหลวเอง และดานทตดกบสาร

ชนดอน เชน อากาศ โมเลกลของของเหลวทถดจากโมเลกลทผวหนาจะยดกนดวยแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลจากโมเลกลอนๆรอบทศทาง (Cohesion force) ขณะทโมเลกลบรเวณพนผวจะมแรงยดเหนยวจากโมเลกลทอยดานลางและดานขางเทานน โดยดานบนทเปนอากาศจะมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลวกบอากาศ (Adhesion force) ซงมความแขงแรงนอยกวา ทาใหโมเลกลทผวหนามแนวโนมทจะถกดงลงดานลาง ระบบจงจาเปนตองปรบตวเพอใหคงตวอยได โดยการมแรงตานการดงดดของโมเลกล ทาใหโมเลกลทผวหนาของเหลวยงคงอยทผวหนาได แรงดงกลาวคอแรงตงผว (surface tension) ซงสามารถวดไดโดยการใชเครองมอ

รปท 6 การเกดแรงตงผว

สถานะของแขงและผลก (Solid and crystalline state) ของแขงมคณสมบตทเดนชด คอ มรปรางทแนนอน เนองจากแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลสงมาก

โมเลกลมพลงงานจลนตา ของแขงมคณสมบตทางกายภาพทสาคญหลายประการ เชน รปราง ขนาดอนภาค จดหลอมเหลว พนทผว ความแขง ความยดหยน การอดตว ความพรน เปนตน ของแขงแบงออกไดเปน 3 ชนด คอ

1. Crystalline solid 2. Amorphous solid 3. Polymeric solid ของแขงผลก (Crystalline solid)

14

ของแขงทเปนผลก เชน นาแขง, NaCl, Menthol โมเลกล อะตอม หรอไอออนของสารเหลานจะจดเรยงตวเปนโครงสรางทแนนอน เรยกวา Lattice มโครงสรางทงหมด 7 แบบ คอ

1. Cubic ทง 3 แกนยาวเทากน และทามม 90° ตอกน เชน Sodium chloride

2. Tetragonal ม 2 แกนทยาวเทากน ทกแกนแกนทามม 90° เชน Urea

3. Monoclinic ไมมแกนใดเลยทยาวเทากน ม 2 แกนททามม 90° ตอกน เชน Sucrose

4. Triclinic ไมมแกนใดเลยทมความยาวเทากน และไมมแกนใดเลยททามม 90° ตอกน เชน

Boric acid

5. Hexagonal ม 3 แกนททามม 60° ตอกน และมอก 1 แกนททามม 90° กบ 3 แกนแรก

เชน Iodoform

6. Rhombohedral ทง 3 แกนยาวเทากน มมทง 3 เทากนแตไมเทากบ 90°

15

7. Orthorhombic แกน a, b และ c ทามม 90° ตอกน แตไมมแกนใดเลยทยาวเทากน

ผลกของแขงอาจจะอยในรปอะตอม โมเลกล หรอไอออนกได ตวอยางเชนผลกของ NaCl (รปท 6) จะมโครงสรางเปนแบบ cubic ทประกอบดวยอะตอมของ sodium เรยงสลบกบอะตอมของ chloride โดยมแรงยดเหนยวเปนแรงทางไฟฟาทเกดขนระหวางประจตรงขามกน

รปท 6 โครงสรางผลกของ Sodium chloride (NaCl)

ผลกของแขงไดมาจากกระบวนการตกผลกของสารละลายอมตว เมอมการควบคมปจจยบางอยางระหวางการตกผลก เชน ชนดของตวทาละลาย ชนดของเกลอ อณหภม ความดน กจะทาใหไดผลกตางชนดกนไป ผลกของแขงทบรสทธจะมจดหลอมเหลวทจาเพาะสาหรบสารชนดนน และมชวงของอณหภมทสารหลอมเหลวทแคบเพยง 1-2°C เทานน ตารางท 6 พนธะชนดตางๆในโครงสรางของของแขงผลก

Unit Example Bonding Physical characteristic Atom Diamond,

graphite Strong covalent bond

Hard large crystal

Metallic Silver Strong metal bond Positive ion in a field of free moving electron

Molecular Menthol Van der Waals force Close packing, weakly held together, low melting point

Ionic NaCl Electrostatic ionic bond

Hard, close packing, strongly held together, high melting point

Polymorphism สารเคมหลายชนดรวมทงตวยาและสารทใชในทางเภสชกรรมมผลกมากกวา 1 รปแบบ เรยกปรากฏการณนวา Polymorphism ผลกแตละรปแบบเรยกวา Polymorph แตละรปแบบจะมคณสมบตทางเคมทเหมอนกน แตมคณสมบตทางกายภาพบางอยางทแตกตางกน เชน จดหลอมเหลว คาการละลาย

16

คณสมบตเหลานมความสาคญอยางมากตอการเตรยมยาและการละลายของยาในรางกาย ในสภาวะหนง polymorph ชนดหนงสามารถเปลยนเปน polymorph ชนดอนไดและสามารถเปลยนกลบได คณสมบตนเรยกวา enantropic เกดขนจากการเปลยนแปลงอณหภม ความดน หรอการตกผลกในตวทาละลายตางชนด แตถาเปนกรณทเปลยน polymorph แลวไมสามารถเปลยนกลบไดจะเรยกวา monotropic

ตวอยางของสาร polymorphic เชน คารบอนทอยในรปผลกเพชรและกราไฟท ถาใหอณหภมและความดนสงใหกบคารบอน จะทาใหคารบอนมรปผลกเปนเพชร ซงเปนรปผลกทมความคงตวตา เมอเกบเพชรไวทอณหภมและความดนตาเปนเวลานาน เพชรจะเปลยนไปอยในรปผลกกราไฟท Theobroma oil หรอ cocoa butter ทใชเปนยาพนของยาเหนบทวารหนก เปนไขมนทมหลายรปผลก แตละรปผลกจะมจดหลอมเหลวทแตกตางกนไดแก

- unstable gamma form มจดหลอมเหลว 18°C - alpha form มจดหลอมเหลว 22°C - beta prime form มจดหลอมเหลว 28°C - stable beta form มจดหลอมเหลว 34.5°C ในการเตรยมยาเหนบจะตองมการหลอม theobroma oil จนเหลว แลวผสมกบตวยาและสารอนๆ

กอนทจะเทลงในแมพมพยาเหนบ ในระหวางการหลอมถาใชอณหภมสงกวา 35°C เมอ theobroma oil แขงตวแมพมพจะเปลยนรปผลกจาก stable beta ไปเปน unstable gamma, alpha และ beta prime ทาใหไดยาเหนบทมจดหลอมเหลวประมาณ 23-24°C ยาเหนบทไดจะออนนมทอณหภมหอง ทาใหสอดยาไดลาบาก เพราะฉะนนในการผลตยาเหนบจงตองหลอม theobroma oil ทอณหภมตา ไมเกน 33°C เพอให theobroma oil ยงเปนแบบ stable beta ซงจะทาใหไดยาเหนบทมคณสมบตทด หลอมเหลวทอณหภมใกลเคยงกบอณหภมของรางกาย

ตารางท 7 ลกษณะบางประการของ Cortisone acetate polymorph

Form Melting point, (°C)

Appearance Crystal Density (g/cm3)

Hydration

I II III IV V

241-245 235-238 233-251 237-245 238-242

Opaque needle Flat plate Prism Column Transparent needle

Monoclinic Orthorhombic Orthorhombic Orthorhombic Monoclinic

1.25 1.21 1.25 1.26 1.25

Anhydrous Anhydrous Anhydrous

2H2O 2H2O

ตารางท 8 ตวอยางของยาทมหลายรปผลก

Drug Number of polymorphic form Acetaminophen Caffeine Chloramphenicol palmitate Cimetidine Nefedipine Phenobarbital sodium Progesterone

4 2 4 3 2 2 2

17

Theophyline 2

Polymorphism and bioavailability สารแตละรปผลกจะมคาการละลายทแตกตางกน ตวยาบางตวมหลายรปผลก รปผลกแตละชนดจะ

มอตราเรวในการละลายและปรมาณยาทละลายทแตกตางกน ซงจะสงผลถงปรมาณยาทถกดดซมเขาสรางกายดวย (bioavailability) ฉะนนยาตวเดยวกนแตตางรปผลกกอาจจะใหผลในการรกษาทแตกตางกน เชน ในตารบยานาแขวนตะกอน Chloramphenical palmitate ตวยาทเปนแบบ stable α-polymorph จะทาใหไดระดบยาในเลอดทตากวา metastable β- polymorph เมอรบประทานยาในปรมาณทเทากน (รปท 7)

รปท 7 ระดบยาในเลอดหลงจากรบประทานยานาแขวนตะกอน Chloramphenical palmitate ทใชอตราสวนของ α และ β-polymorph ตางๆกน ; M = 100% α; N = α 75% + β 25%; O α 50% + β 50%; P α 25% + β 75%; L = β 100%

ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid) เปนของแขงทไมไดมลกษณะเปนผลก อะตอมหรอโมเลกลอยรวมกนอยางไมเปนระเบยบ ไมม

รปรางทแนนอน การจดเรยงตวของโมเลกลสามารถเปลยนแปลงไดภายใตความดนสง เปนลกษณะคลายกบของเหลว บางครงจงเรยกวา Supercooled liquid ของแขงอสณฐานจะมจดหลอมเหลวไมแนนอน และมชวงของจดหลอมเหลวกวาง และจากการทโมเลกลมการจดเรยงตวไมแนนอน จงมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลตา ทาใหของแขงอสณฐานละลายในนาไดดกวาของแขงทเปนผลก แตอยางไรกตามเมอของแขงละลายในตวทาละลายแลว สารละลายทไดจะมคณสมบตเหมอนกนทกประการไมวาสารละลายนนจะไดจากของแขงผลกหรอของแขงอสณฐานกตาม

ในกรณของยารกษาโรค ไมวาจะเปนของแขงผลกหรอของแขงอสณฐานกมประสทธภาพในการรกษาเทาเทยมกน แตการทของแขงอสณฐานสามารถละลายนาไดดกวา ตวยาจงมโอกาสทจะละลายแลวถกดดซมจากทางเดนอาหารไดเรวกวาและ/หรอมากกวา เชน Novobiocin acid ซงเปนยาปฏชวนะ ถานาผงยาชนดของแขงผลกมาเตรยมเปนตารบ ยาจะเกดการละลายและดดซมไดนอยมาก แตถาใชผงยาทเปนของแขงอสณฐานตวยาจะเกดการละลายและดดซมไดอยางรวดเรว ในการผลตยาบางตารบจะมการใชผงยาชนดของแขงผลกและของแขงอสณฐานรวมกน เพอใหไดตารบทมคณสมบตตามทตองการ เชน ตารบ Insulin zinc suspension จะมการใชผงยาชนดของแขงผลก70% และของแขงอสณฐาน 30% จะทาใหไดตารบทออกฤทธไดเรวและนานถง 24 ชวโมง

18

Solvate and Hydrate ของแขงทเปนผลกจะสามารถจบโมเลกลของตวทาละลายไวในโครงสรางผลก เรยกวา solvate

เชน ถาจบโมเลกลของ ethanol จะเรยกวา ethanolate ตวทาละลายทถกจบอยในสารมกเหลอตกคางมาจากกระบวนการสงเคราะหสาร ในทางเภสชกรรมจะถอวาเปนสงทไมบรสทธทเจอปน เพราะตวทาละลายบางชนดมความเปนพษตอรางกาย ถาเปนการจบโมเลกลของนาในโครงสรางจะเรยกวา hydrate จานวนโมเลกลของนาทถกจบไวมกจะมสดสวนทแนนอน เชน monohydrate หมายถงมนาถกจบไว 1 โมเลกลใน 1 โมเลกลของสาร สารบางชนดสามารถจบโมเลกลของนาไวไดหลายระดบ เกดเปน monohydrate, dihydrate หรอ trihydrate

ผลกของแขงทเปน solvate แบบได 2 ประเภท 1. Polymeric solvate มความคงตวสง ไมสามารถกาจดโมเลกลของตวทาละลายออกจาก

โครงสรางผลกไดงาย เพราะโมเลกลของตวทาลายไดทาหนาทในการยดโครงสรางของโมเลกลใหเกดเปนผลก ถากาจดตวทาละลายออกจะทาใหโครงสรางผลกเปลยนแปลง

2. Pseudopolymeric solvate สามารถกาจดโมเลกลของตวทาละลายออกไดงาย โดยไมทาใหโครงสรางผลกเปลยนแปลง

สารทเปนแบบ hydrate จะมคณสมบตบางประการทแตกตางจาก anhydrous สารทเปน hydrate อาจจะมอตราการละลายทสงกวาหรอตากวา anhydrous กได ตวอยางของยาท anhydrous มอตราเรวการละลายสงกวา hydrate เชน Theophylline (รปท 8) โมเลกลของนาจะไปสรางพนธะไฮโดรเจนระหวางยา 2 โมเลกล ทาใหโครงสรางผลกมความแขงแรงมากยงขน อตราการละลายจงตาลง จะเหนวาความเขมขนของ anhydrous จะสงในชวงแรก และหลงจากนนจะคอยๆลดลงจนอยในระดบเดยวกบ hydrate

แมวายาทเปน anhydrous มกจะละลายไดเรวกวา hydrate แตบางกรณนาทถกจบไวในโครงสรางผลกจะผลกใหโมเลกลอยหางกนจนไมสามารถเกดแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทแขงแรง ทาใหโมเลกลของนาทเปนตวทาละลายสามารถผานเขาไปละลายยาไดดขน เชน ยา Erythromycin (รปท 9)

รปท 8 การละลายของ Theophylline ทอยในรปแบบ anhydrous และ hydrate

19

รปท 9 การละลายของ Erythromycin ทอยในรปแบบ anhydrous, monohydrate และ dehydrate

การหลอมเหลวของของแขง เมอใหพลงงานความรอนกบสารทเปนของแขง พลงงานความรอนทใหไปจะเปลยนเปนพลงงาน

จลนใหกบโมเลกลของของแขง โมเลกลจะเคลอนทไดเรวขน และเมออณหภมสงขนถงคาหนง โมเลกลจะเคลอนทไดมากจนกระทงสารเรมเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลว อณหภม ณ จดนเรยกวา จดหลอมเหลว (หรอจดเยอกแขง) และพลงงานความรอนททาใหของแขงเปลยนเปนของเหลว เรยกวา Heat of fusion, ΔHf จดหลอมเหลวและคา ΔHf ของสารบางตวแสดงในตารางท 9

คา ΔHf มความสมพนธกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลและนาหนกโมเลกลในลกษณะเดยวกบคา ΔHv คอ สารทมนาหนกโมเลกลสงหรอมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมากจะมคา ΔHf และจดหลอมเหลวสง ตารางท 9 จดหลอมเหลวและคา Heat of fusion, ΔHf ของสารบางชนด

สาร จดหลอมเหลว (K) Heat of fusion, ΔHf

(cal/mol) H2O H2S NH3 PH3 CH4 C2H6

n-C3H8 C6H6 C10H8

273.1 187.6 195.3 139.4 90.5 90.0 85.5 278.5 353.2

1440 568 1424 268 226 683 842 2348 4550

คณสมบตบางประการของสารทาใหจดหลอมเหลวของสารแตกตางกนไป เชน สารประกอบ

ไฮโดรคารบอนทมโครงสรางเปน branch chain จะมจดหลอมเหลวสงกวาพวกทเปนเสนตรง หรอพวกทมพนธะอมตวจะมจดหลอมเหลวสงกวาพวกทมพนธะไมอมตว สารทมจดหลอมเหลวสงมกจะละลายนาไดไมด เนองจากการทมจดหลอมเหลวสงแสดงวาของแขงนนมพนธะของโครงสรางผลกทแขงแรง

20

Polymeric solid Polymer คอ สารทมโมเลกลเปนสายโซยาว ประกอบดวยหนวยยอยทเหมอนๆกน (monomer) เรยงกนเปนสายตรงยาว หรอแตกเปนสาขา หรอเปนโครงรางตาขาย ในทางเภสชกรรม polymer สวนใหญจะมอะตอมของคารบอนเปนแกนของสายโซ

Liquid crystalline state โครงสรางของ Liquid crystalline ในสถานะของเหลว โมเลกลของสารจะเคลอนทไดอยางอสระทง 3 มต และสามารถหมนรอบแกน

ได จะตรงกนขามกบของแขง คอ โมเลกลไมสามารถเคลอนทและหมนรอบแกนได แตมบางสภาวะทสารมคณสมบตอยระหวางของแขงและของเหลว คอ โมเลกลสามารถเคลอนทไดบาง แตการเคลอนทไมเปนอสระเหมอนโมเลกลของของเหลว เรยกสารทอยในสถานะนวา mesophase หรอ liquid crystalline

21

สารในสถานะ Liquid crystalline แบงออกไดเปน 2 ชนด คอ smetic (grease-like) และ nematic (thread-like) ชนด smetic โมเลกลของสารจะสามารถเคลอนทไดใน 2 แกน และสามารถหมนรอบแกนได 1 แกน สวนชนด nematic โมเลกลจะสามารถเคลอนได 3 แกน และหมนรอบตวเองได 1 แกน (รปท 10) ชนด smetic เปนชนดทมบทบาทในทางเภสชกรรม จะพบในสวนผสมของนากบสารลดแรงตงผว

รปท 10 โครงสรางของ Liquid crystalline

การประยกตใช Liquid crystalline Liquid crystal ชนด Nematic มคณสมบตในการยอมใหแสงผานไดหรอไมไดเมอมการ

เปลยนแปลงสนามไฟฟา จงนาเอามาพฒนาเปนจอ Liquid crystal display (LCD) Liquid crystal ทมคณสมบต thermo-responsive สามารถนามาพฒนาเปนระบบนาสงยาชนดท

ควบคมการปลดปลอยยาโดยอณหภมของรางกาย หรอนามาสรางเปนเครองมอสาหรบตรวจสอบความรอนใตผวหนงซงอาจเกดจากโรคหรอความผดปรกตบางชนด

Supercritical fluid state Supercritical fluid คอ สารทมอณหภมสงกวาอณหภมวกฤต และมความดนสงกวาความดนวกฤต (รปท 11) สารทอยในสถานะนจะมความสามารถในการแพรผานของแขงไดคลายกบกาซ และมความสามารถในการละลายสารชนดอนไดคลายกบของเหลว Supercritical fluid CO2

คารบอนไดออกไซดเมออยทสภาวะ STP จะอยในสถานะกาซ และเมอลดอณหภมใหตากวาจดเยอกแขงท -78.5°C จะมสถานะเปนของแขง เรยกวา นาแขงแหง (Dry ice) เมอเพมความดนและอณหภมใหสงกวาคาวกฤต คอ 304.1 K และ 72.8 atm คารบอนไดออกไซดจะมคณสมบตทอยระหวางกาซกบของเหลว

22

รปท 11 แผนภมวตภาคแสดงการเกด Supercritical fluid

รปท 12 แผนภมวตภาคแสดงการเกด Supercritical fluid CO2

ไดมการนาเอา Supercritical fluid CO2 ไปประยกตใชในทางอตสาหกรรม โดยใชเปนตวทาละลายสาหรบสกดสารตางๆ เนองจากมคณสมบตทด คอ มความหนดตา โดยมความหนดเพยง 0.02-0.1 cP ในขณะทตวทาละลายชนดอนจะมความหนด 0.5-1 cP และมอตราการแพรสงกวาตวทาละลายชนดอนประมาณ 10 เทา ไดมการนาเอาไปใชสกด caffeine ออกจากเมลดกาแฟ สกด nicotine ออกจากบหร หรอสกดสารทมกลนหอมออกจากเครองเทศ ในอดตการสกด caffeine ออกจากเมลดกาแฟ จะใชตวทาละลายอนทรย คอ Dichloromethane (CH2Cl2) เปนตวทาละลายในการสกด โดยไมละลายเอากลนของกาแฟออกไปดวย แตเมอพบวาสารตวนมฤทธกอมะเรง จงเปลยนไปใช ethyl acetate ในการสกดแทน ตอมาจงไดเปลยนมาใช Supercritical fluid CO2 โดยแชเมลดกาแฟใน Supercritical fluid CO2 ทความดนสงกวา 73 atm คารบอนไดออกไซดจะแพรเขาไปในเมลดกาแฟแลวละลาย caffeine ออกมาไดมากถง 97-99% หลงจากนน Supercritical fluid CO2 ทม caffeine ละลายอยจะถกนาไปแยกเอา caffeine ออก โดยการกรองดวยผงถานกมมนต การตกผลก หรอการกลน เพอทจะนาไปใชในอตสาหกรรมอนๆตอไป

23

Phase equilibria and phase rule Phase rule Phase rule เปนเครองมอทใชบอกจานวนตวแปรอสระตางๆนอยทสดทจะตองควบคม เพอทจะ

อธบายคณสมบตของระบบทประกอบดวยสารสถานะตางๆ F = C – P + 2

F คอ Degree of freedom ของระบบ C คอ จานวนสวนประกอบ (component) ทมในระบบ P คอ จานวนวตภาค (phase) ทปรากฏในระบบ

วตภาค (Phase) คอ สารทเปนเนอเดยวกน มขอบเขตแยกจากวตภาคอนอยางชดเจน เชน นาแขงทลอยอยในนา เปนระบบทม 2 วตภาค คอ นาทเปนของแขง และนาทเปนของเหลว หรอถาระบบประกอบดวยนาแขง นาทเปนของเหลว และไอนาอยรวมกน เปนระบบทม 3 วตภาค สวนประกอบ (Component) หมายถง สวนประกอบทมโครงสรางทางเคมทตางกนทมอยในระบบนนๆ Degree of freedom คอ จานวนตวแปรนอยทสดทจะตองควบคมเพอทจะสามารถอธบายคณสมบตของระบบไดอยางสมบรณ ตวแปรดงกลาว เชน อณหภม ความดน ความเขมขน ความหนาแนน ความหนด เปนตน ตวอยางเชนในระบบซงประกอบดวยนาทเปนกาซจานวนหนง มปรมาตรคาหนง แตยงไมสามารถทจะอธบายคณสมบตของระบบนน หรอจาลองระบบทเหมอนกบนนขนมาอกได เนองจากยงไมทราบอณหภมหรอความดนของกาซในขณะนน เพราะถงแมวากาซจะปรมาตรเทากนกไมไดหมายความวาจะมอณหภมหรอความดนเทากน เพราะฉะนนจงตองมการควบคมตวแปรอกหนงตว ซงจะควบคมเปนอณหภมหรอความดนกได จงจะสามารถอธบายคณสมบตของระบบนาไดอยางถกตอง เปนไปตาม phase rule, F = C - P + 2 = 1 - 1 + 2 = 2 ระบบทประกอบดวย 2 วตภาค เชน นาทอยในภาชนะปดสนทและมทวางเหนอของนา สามารถอธบายคณสมบตของระบบไดดวยการควบคมอณหภมเพยงอยางเดยว เพราะเมอควบคมอณหภมกจะทาใหทราบความดนของระบบในขณะนนโดยอตโนมต ตาม phase rule, F = C - P + 2 = 1 - 2 + 2 = 1 ระบบทประกอบดวย 3 วตภาค เชน สวนผสมของนาแขง นาทเปนของเหลว และไอนา คา Degree of freedom, F = C - P + 2 = 1 - 3 + 2 = 0 หมายความวาถาเราจะเปลยนคาของตวแปรในระบบ เชน อณหภมหรอความดน แมเพยงตวแปรเดยวกจะทาใหระบบเปลยนไปจากเดม คอ สญเสยวตภาคใดวตภาคหนงไป เมอระบบมสวนประกอบมากขนจะม degree of freedom มากขนตามไปดวย เพราะระบบจะมความซบซอนมากยงขน จาเปนจะตองมการควบคมตวแปรหลายตวเพอทจะอธบายคณสมบตของระบบ แตระบบทมวตภาค (phase) มากขนจะม degree of freedom นอยลง ดงตวอยางตอไปน Liquid water + Vapor water

F = 1 – 2 + 2 = 1 Liquid water + Liquid ethyl alcohol + Vapor mixture F = 2 – 2 + 2 = 2 Liquid water + Liquid benzyl alcohol + Vapor mixture F = 2 – 3 + 2 = 1 Liquid water + Liquid phenol F = 2 – 1 + 2 = 3

24

ระบบทมสวนประกอบเดยว จากรปท 5 แสดงแผนภมวตภาค (phase diagram) ของนา เสน OA เรยกวา vapor pressure

curve ปลายสดของเสนนอยทอณหภม 374°C และ 0.0098 °C ตลอดแนวของเสนนนาทอยในสภาวะของเหลวและไอจะปรากฏอยพรอมกนในสภาวะสมดล ซงเสนนคอเสนเดยวกบในรปท 4 สวนเสน OC เรยกวา sublimation curve ตลอดแนวของเสนนนาทอยในสภาวะของแขงและไอจะปรากฏอยพรอมกนในสภาวะสมดล เสน OB คอ meting point curve ซงของแขงและของเหลวจะปรากฏอยางสมดล การทเสน OB มความชนเปนลบหมายความวาจดเยอกแขงของนาลดลงเมอเพมความดนจากภายนอก ซงจะตรงกนขามกบจดเดอด (เสน OA) จด O เรยกวา triple point ณ จดนนาทง 3 สถานะปรากฏอยพรอมกนทอณหภม 0.0098 °C และความดน 4.58 mmHg

ถาควบคมอณหภมไวท t1 (>374°C) นาจะอยในสถานะกาซ ไมวาจะเพมความดนใหกบระบบเทาใดกตาม นากไมสามารถเปลยนสถานะเปนของเหลวได ถาควบคมอณหภมไวท t2 (<374°C) เชน 100°C นาทเปนกาซสามารถถกเปลยนใหเปนของเหลวไดดวยการเพมความดน จะทาใหโมเลกลยดเหนยวกนดวยแรง van der Waals และถาควบคมอณหภมไวท t3 (<0.0098°C) เมอมการเพมความดนใหกบไอนาจะทาใหนากลายเปนของแขง และเมอความดนสงขนเรอยๆจะทาใหนาแขงกลายเปนนาทเปนของเหลว

จากแผนภมวตภาคของนา ณ จดทนามอยในสถานะใดสถานะหนง (P =1) เพราะฉะนน Phase rule, F = 1 – 1 + 2 = 2 หมายความวาจะตองมการควบคมตวแปร 2 ตวแปร คอ อณหภมและความดน จงจะสามารถอธบายลกษณะของระบบได

เมอพจารณาทเสน เสน OA, OB หรอ OC ในแผนภมวตภาคของนา ตามแนวเสนนจะมนาทงสองสถานะปรากฏอยพรอมกน เพราะฉะนน Phase rule, F = 1 – 2 + 2 = 1 หมายความวาตองควบคมตวแปรเพยงแค 1 ตวแปรกสามารถอธบายลกษณะของระบบได เชน ถาควบคมใหนามอณหภม 100°C นาในสถานะกาซและของแขงจะอยรวมกนอยางสมดล ณ จดนนาจะมความดนไอเทากบ 760 mmHg เสมอ

ทจด Triple point นาทง 3 สถานะจะปรากฏอยพรอมกน เพราะฉะนน Phase rule, F = 1 – 3 + 2 = 0 หมายความวาถาตองการใหมนาทง 3 สถานะอยพรอมกน จะตองควบคมอณหภมและความดนใหมคาเทากบ 0.0098 °C และ 4.58 mmHg เทานน

ระบบทม 2 สวนประกอบ และมวตภาคของแขงและของเหลว (Eutectic mixture) จากแผนภมวตภาคของระบบทประกอบดวย salol และ thymol ประกอบดวยพนท 4 สวน คอ i. salol + thymol อยรวมกนในรปของเหลว ii. ม salol ทเปนของแขง และของเหลวทประกอบดวย salol + menthol iii. ม thymol ทเปนของแขง และของเหลวทประกอบดวย salol + menthol iv. salol + thymol อยรวมกนในรปของแขง

รปท 13 แผนภมวตภาคของระบบทประกอบดวย salol และ thymol

25

อณหภมตาสดทยงมวตภาคทเปนของเหลวอยในระบบ คอ 13°C โดยระบบจะประกอบดวย thymol 34% ใน salol จดนเรยกวา eutectic point ณ จดนสารทง 3 วตภาค ไดแก ของเหลวผสม, thymol ทเปนของแขง และ salol ทเปนของแขงจะปรากฏอยพรอมกน

ตารางท 9 แสดงตวอยาง Eutectic mixture ทพบในทางเภสชกรรม ซง eutectic point ทเกดขนจะตากวาจดหลอมเหลวปรกตของสารแตละตวทนามาผสมกน หมายความวาถานาสารทเปน Eutectic mixture มาผสมกน สวนผสมจะเกดการหลอมเหลวทอณหภมตากวาจดหลอมเหลวสารตงตนทงสอง

การเกด Eutectic mixture ทาใหเกดปญหาบางอยางในการเตรยมยาผง การผสมผงยาทเปน Eutectic mixture เขาดวยกนจะทาใหสวนผสมเยมเหลวทอณหภมหอง สามารถแกปญหาไดโดยการเตมผงแปงลงไปในระหวางการผสม ผงแปงจะไปชวยแยกไมใหสารคทมปญหาสมผสกนโดยตรง แตการเกด Eutectic mixture กมประโยชนในการเตรยมระบบนาสงยาผานทางผวหนง ตวอยางเชนการเตม Menthol ลงไปผสมกบยา Testosterone ซงเปนตวยาทละลายนาไดยาก จะทาใหสวนผสมเกดการหลอมเหลวเมอนาระบบนาสงยาไปแปะทผวหนง เปนผลใหตวยาสามารถละลายและถกดดซมไดดขน หรอในกรณของ Lidocaine และ Prilocaine ซงเปนยาชาเฉพาะท มจดหลอมเหลว 69°C และ 38°C ตามลาดบ เมอนามาผสมกนจะทาใหหลอมเหลว แลวสามารถนาไปเตรยมเปนยาครมทตวยาสามารถออกฤทธไดอยางรวดเรว

ตารางท 9 ตวอยางของ Eutectic mixture ทพบในทางเภสชกรรม

Eutectic mixture Eutectic point (°C) Testosterone-Menthol Cholesterol-Menthol Lidocaine-Prilocaine Menthol, Camphor, Phenol, Thymol, Chloral hydrate

40 40 25 25