แก๊ส (1)

บทนำ สสารทั้งหลาย มี สถานะสำคัญอยู่ 3 สถานะคือของแข็ง (solid) ของเหลว (liquid) หรือแก๊ส(gas) หรือบางทีอาจจะนับ พลาสมา (แก๊สในสภาพที่มีประจุ) ผลึกเหลว (liquid crystal) และเกลือ หลอมเหลว (molten salt state) เป็น สถานะเพิ่มเติมด้วยในบทนี้เราจะกล่าวถึง เฉพาะสสารที่อยู่ในสถานะแก๊ส แก๊สมีสมบัติ ทางกายภาพที่สำคัญอะไรบ้าง เพื่อที่จะ เข้าใจ ปรากฏการณ์บางอย่างที่เกิดขึ้นใน ชีวิตประจำวัน รวมถึงการนำเอาความรู้เรื่อง แก๊สไปใช้ประโยชน์ต่อไป

ถ้ากล่าวถึง ความแตกต่างระหว่าง ของแข็ง ของเหลวและแก๊ส ก็พอจะจำแนกได้ง่ายๆ ดังนี้สารที่อยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียง ตัวของอนุภาคองค์ประกอบใกล้ชิดกัน และ อนุภาคของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่ก็สั่นไปมา ได้เล็กน้อยเนื่องจากมีช่องว่างระหว่าง โมเลกุลน้อยมากส่วนของเหลวสามารถ เคลื่อนไหวได้ แต่ก็เคลื่อนที่ได้น้อยกว่าสาร ที่อยู่ในสถานะแก๊สซึ่งเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แก๊สเป็นสสารที่มีความหนาแน่นน้อยมาก ซึ่งไม่มีรูปร่างที่แน่นอนเหมือนของแข็ง ไม่มี ปริมาตรที่แน่นอนเหมือนของเหลวและ ของแข็ง แต่แก๊สจะบรรจุอยู่เต็มภาชนะที่ บรรจุ คือโมเลกุลของแก๊สเมื่อเข้าไปอยู่ใน ภาชนะใดๆ แม้จะมีหนึ่งอะตอม สองอะตอม หนึ่งโมเลกุล สองโมเลกุล หรือหลายๆ โมเลกุล แก๊สก็จะเคลื่อนที่ไปมาตลอด

บริเวณที่แก๊สเคลื่อนที่ได้ก็คือปริมาตรของ ภาชนะที่บรรจุอยู่ เพราะว่าแก๊สมีการ เคลื่อนที่ตลอดเวลา ภายใต้การเคลื่อนที่ไป มาย่อมเกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลและ ชนกับผนังภาชนะ การชนกันเหล่านี้ทำให้ แก๊สเกิดมีความดันเมื่อเราต้องการจะเข้าใจ ธรรมชาติของแก๊สที่มีอยู่ เพื่อจะสามารถ ค้นหาอะไรบางอย่างจากธรรมชาติของแก๊ส ต่างๆ เราจะต้องเข้าใจธรรมชาติของแก๊ส เหล่านั้น เมื่อเป็นความพยายามที่อยากจะ เข้าใจธรรมชาติ ก็ต้องหาหนทางมาอธิบาย รวมทั้งหลักฐานต่างๆ มายืนยันสิ่งที่เกิดขึ้น นั้น ใครทำนายได้ถูกต้องแม่นยำที่สุดด้วย หลักการและหลักฐานอะไรก็แล้วแต่ ก็จะได้ รับการยอมรับจากคนอื่นๆ ในที่สุด

สมบัติของสาร สมบัติของ ของแข็ง ของเหลว และ แก๊ส

สมบัติของของแข็ง 1. ปริมาตรคงที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดภาชนะที่บรรจุ 2. มีรูปร่างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามรูปร่างของภาชนะ 3. มีอนุภาคอยู่ชิดติดกันอย่างมีระเบียบ 4. สามารถระเหิดได้ โมเลกุลของสารในสถานะของแข็งจะอยู่ชิดกัน มาก ของแข็งจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล สูงกว่าในสถานะของเหลว ทำให้ของแข็งมีรูปร่าง และปริมาตรแน่นอน ไม่เปลี่ยนไปตามภาชนะที่ บรรจุ โมเลกุลของของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แตก็มี การสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง 1. การหลอมเหลว (MELTING) คือ กระบวนการที่ ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิหนึ่ง ขณะที่ของแข็งหลอมเหลวอุณหภูมิจะคงที่เรียกว่า จุดหลอมเหลวของแข็งบริสุทธิ์ต่างชนิดกันมี จุดหลอมเหลวต่างกันเพราะของแข็งแต่ละชนิดมี แรงยึดเหนี่ยวแตกต่างกันและจุดหลอมเหลวเป็น สมบัติเฉพาะตัวของสารที่เป็นของแข็ง 2.การระเหิด (SUBLIMATION) คือ กระบวนการที่ ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นไอโดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็น ของเหลวก่อนส่วนมากของแข็งที่ระเหิดได้เป็น ของแข็งที่อนุภาคมีแรงยึดเหนี่ยวกันน้อยเช่นลูก เหม็น (แนพทาลีน) การบูร ไอโอดีน น้ำแข็งแห้ง(CO2(S))

ชนิดของผลึก ผลึกของของแข็ง แบ่งเป็น 4 ชนิด คือ 1. ผลึกไอออนิก (IONIC CRYSTAL) อนุภาคของ ผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกและไอออนลบ เรียงตัวสลับกันไปในลักษณะสามมิติแข็งแต่เปราะ มีจุดหลอมเหลวแลจุดเดือดสูง ขณะเป็นของแข็งไม่ นำไฟฟ้าแต่เมื่อหลอมเหลวหรืออยู่ในรูปสารละลาย จะสามารถนำไฟฟ้าได้ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ ได้แก่ สารประกอบออกไซด์ของโลหะหมู่ 1 และหมู่ 2 เก ลือเฮไลด์ของโลหะ

2. ผลึกโมเลกุล (MOLECULAR CRYSTAL) อนุภาคของผลึกประเภทนี้อาจเป็นอะตอมหรือ โมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคอาจเป็น แรงดึงดูดระหว่างขั้วของโมเลกุล หรือเป็นแรงแวน เดอร์วาลส์ ผลึกประเภทนี้ค่อนข้างอ่อนหรือนิ่ม เช่น ผลึกของไอโอดีน

3. ผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย (COVALENT CRYSTAL) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็น อะตอม มีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร อะตอมองค์ประกอบแต่ละอะตอมจะยึด เหนี่ยวกับอะตอมข้างเคียงสีอะตอมด้วยพันธะโคเว เลนต์ที่แข็งแรง ผลึกประเภทนี้มีจุดหลอมเหลวและ จุดเดือดที่สูงมาก มีความดันไอต่ำ และไม่ละลาย ตัวในสารละลายใดๆ ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ คือ เพชร และแกรไฟต์

4. ผลึกโลหะ(METALLIC CRYSTAL) อนุภาคของ ผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกที่อยู่ท่ามกลางเว เลนต์อิเล็กตรอนแต่ละอิเล็กตตรอนเคื่อนที่ได้อย่าง อิสระทั่วทั้งก้อนของโลหะผลึกประเภทนี้มีจุดเดือด และจุดหลอมเหลวสูง ดึงให้เป็นแผ่นและตีเป็นเส้น ได้ง่าย ตตัวอย่าง โลหะโดยทั่วไป เช่น เหล็ก เงิน และทองคำ เป็นต้น

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง ธาตุต่างๆ บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัดเรียง ตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลายรูปแบบ เราเรียกว่าอัญรูป (ALLOTROPE) ของธาตุเช่น กำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอบิก(RHOMBIC) และมอนอคลินิก(MONOCLINIC)การที่สาร สามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบหนึ่งไปอีกแบบ หนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุดแทรนซิชัน (TRANSITION POINT)

การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน กำมะถันมีหลายอัญรูป ได้แก่ รอมบิก (ออร์โทร อมบิก มอนอคลินิก พลาสติก) กำมะถันรอมบิก (S) มีสูตรโมเลกุลเป็น S8 ประกอบด้วยกำมะถัน 8 อะตอมต่อกันด้วยพันธะโควเวเลนต์ เป็นวง 8 เหลี่ยมรูปมงกุฎ ไม่ละลายน้ำแต่ละลายใน คาร์บอนไดซัลไฟต์ หรือ โทลูอีน เมื่อนำมาให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะหลอมเหลว ที่อุณหภูมิ 113 C แต่ถ้าให้ความร้อนอย่างช้าๆจะ เกิด การเปลี่ยนแปลงเป็นกำมะถันมอ นอคลินิก ที่อุณหภูมิ 96 C ซึ่งมีจุดหลอมเหลว 119 C มีสูตรโมเลกุล S เหมือนกำมะถันรอมบิก มื่อหลอมเหลวจะกลายเป็นของเหลวสีเหลืองแต่ ไหล ได้ดี ถ้าให้ความร้อนต่อไป จนอุณหภูมิสูงถึง 160 C วงS จะแตกออกเป็นสายยาวมีลักษณะข้นเหนียว และมีสีเข้มข้นมีสูตรโครงสร้าง เมื่ออุณหภูมิ 2000 C วงกำมะถัน จะแตกออกหมดต่อกันเป็นสา ยาวหรืออาจม้วนพันกันไปมากกลายไปมากลาย เป็นของเหลวสีเข้มข้นและเหนียว

ถ้าเทลงน้ำเย็นทันทีเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจะ ได้กำมะถันพลาสติกซึ่งประกอบด้วยสายโซ่ กำมะถันขดเป็นเกลียวแบบก้นหอยแต่ไม่เสถียร มี ลักษณะเป็นก้อนแข็งเหนียวไม่ละลายในตัวทำ ละลายในตัวทำละลายทุกชนิด หลังจากนั้น กำมะถันพลาสติกจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกำมะถัน รอมบิกที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าไม่เทกำมะถันลงใน น้ำเย็นโดยให้ความร้อนต่อไปกำมะถันเหลวจะมี ความเหนียวลดลงเพราะสายกำมะถันมีขนาดสั้นลง จนถึงอุณหภูมิ 444.6 C จึงเดือดกลายเป็นไอสี น้ำตาลไปของกำมะถันจะประกอบด้วยโมเลกุลของ S8 ,S4 , S2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ลักษณะผลึกของ กำมะถัน กำมะถันรอมบิกจะเป็นผลึกรูปเหลี่ยมสี เหลือง ส่วนกำมะถันมอนอคลินิกมีลักษณะเป็นผลึกรูป เข็ม

สมบัติของของเหลว ถ้าลดอุณหภูมิและเพิ่มความดันให้กับก๊าซ ก๊าซ จะกลายเป็นของเหลว เนื่องจากมีช่องว่างอยู่ทั่วไป และ มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลว และ แรงดึงดูด ของโลกที่กระทำต่อของเหลว ของเหลว จึงไหลได้และรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนไปตาม ภาชนะที่บรรจุ การระเหยจะเกิดขึ้นที่ผิวของเหลว ระหว่างที่ของเหลวระเหย พลังงานจลน์เฉลี่ยของ ของเหลวที่เหลือจดลดลง ของเหลวจึงดูดพลังงาน จากสิ่งแวดล้อมเข้ามาแทนพลังงานส่วนที่เสียไป และหลักการระเหยนี้ใช้อธิบาย เมื่อเหงื่อระเหยไปจากร่างกายเราจึงรู้สึกเย็นและ การทำความเย็นในตู้เย็นหรือเครื่องทำความเย็น ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว

ความดันไอ (VAPOUR PRESSURE)

ถ้าเอาของเหลวใส่ในภาชนะที่ไม่มีฝาปิด เมื่อตั้ง ทิ้งไว้นานๆ ของเหลวจะมีปริมาตรลดลง และใน ที่สุดจะหมดไป ทั้งนี้เพราะว่าของเหลวนั้นได้ระเหย กลายเป็นไอไปสู่อากาศ แต่ถ้าเอาของเหลวชนิด เดียวกันนี้ใส่ในภาชนะปิด ไม่ว่าตั้งทิ้งไว้นานเท่าใด ของเหลวนั้นจะมีปริมาตรลดลงเพียงเล็กน้อย เท่านั้น ทั้งนี้เพราะว่า เมื่อของเหลวกลายเป็นไอ โมเลกุลที่ระเหยเป็นไอหนีไปสู่อากาศไมได้ยังคง อยู่ในภาชนะบริเวณที่ว่างเหนือของเหลวนั้น โมเลกุลของไอเหล่านี้จะเคลื่อนที่ชนกันเอง ชนผิว ของของเหลว และชนกับผนังภาชนะ โมเลกุลที่เค ลื่นที่ชนผิวหน้าของของเหลวส่วนใหญ่จะถูก ของเหลวดูดกลับลงไปเป็นของเหลวอีก ซึ่งเรียกว่า “ไอควบแน่นของของเหลว” เมื่อเวลา ผ่านไปปริมาณไอมากขึ้นทำให้อัตราการควบแน่น เพิ่มขึ้น โมเลกุลที่ยังคงอยู่ในสภาพไอทำให้เกิด

แรงกระทำต่อภาชนะ หรือมีความดันเกิดขึ้นใน ภาชนะ ซึ่งเรียกว่า “ ความดันไอ” และความดันนี้ จะมีค่ามากขึ้นเมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ ทั้งนี้เพราะ โมเลกุลที่ไอมีมากขึ้น เนื่องจากอันตราการระเหย มากกว่าอัตราการที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว จน ในที่สุดความดันไอจะมีค่าคงที่ค่าหนึ่ง เพราะมี จำนวนโมเลกุลที่เป็นไอคงที่ เนื่องจากอัตราการ ระเหยกลายเป็นไอมีค่าเท่ากับอัตราที่ไอควบแน่น เป็นของเหลว เราเรียกภาวะนี้ว่า “ภาวะสมดุล” แต่ เนื่องจากที่ภาวะสมดุลนี้ระบบมิได้หยุดนิ่ง ยังคงมี ทั้งการระเหยกลายเป็นไอและไอควบแน่นเป็น ของเหลว แต่เกิดในอัตราที่เท่ากัน จึงเรียกภาวะ สมดุลลักษณะเช่นนี้ว่า “สมดุไดนามิก (DYNAMIC EQUILIBRIUM)” ส่วนความดันไอในขณะนี้ซึ่งเป็น ความดันไอที่มีค่าสูงสุดเรียกว่า “ความดันไอสมดุล” หรือเรียกสั้นๆว่า ความดันไอ

สรุปความหมายสมดุลไดนามิก เป็นสมดุลของระบบที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและ ปฏิกิริยาย้อนกลับ เกิดขึ้นตลอดเวลา ด้วยอัตราเร็ว เท่ากัน ดังนั้น ถึงแม้ว่าเราจะไม่สามารถสังเกตเห็น การเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในภาวะสมดุล ก็ตาม ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงไปและกลับอยู่ ตลอดเวลา

ปัจจัยที่มีผลต่อความดันไอของของเหลว 1.) อุณหภูมิ - ที่อุณหภูมิสูง ของเหลวจะกลายเป็นไอได้มาก จึงมีความดันไอสูง - ที่อุณหภูมิต่ำ ของเหลวจะกลายเป็นไอได้น้อย จึงมีความดันไอต่ำ 2) ชนิดของของเหลว - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล มาก จะระเหยได้ยาก จึงมีความดันไอต่ำ มีจุดเดือดสูง - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล น้อยจะระเหยได้ง่าย จึงมีความดันไอสูง มีจุดเดือดต่ำ

สมบัติของแก๊ส สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่ น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถ เคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ 2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตร ได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะ ต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 DM3 ที่ อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP) 3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อย กว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 G/CM3แต่ น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 G/CM3 ที่100 C

4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมี แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลว และของแข็ง 5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ใน ภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่าง สมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสาร เดียว หรือเป็นสารละลาย (SOLUTION) 6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊ส ออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊ส คาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(CL2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น