gas

บทท่ี 7 เร่ืองแกส๊ และสมบตั ิของแก๊ส  แก๊ส ในภาวะทอี่ ณุ หภูมิห้อง สารหลายชนิดมีสถานะเป็นแก๊ส เช่น ไฮโดรเจน ฟลูออรีน คลอรีน ออกซิเจน ไนโตรเจน และแก๊สเฉื่อย รวมท้ังสารประกอบโคเวเลนซ์ที่มีมวลโมเลกุลต่าบางสาร เช่น CO , CO2 , NH3 , H2S และ SO2 เปน็ ตน้ โดย แก๊ส (gas) หมายถงึ สารท่ีมสี ถานะแกส๊ ณ อุณภมู ิและความดนั ปกติ สว่ น ไอ (vapour) หมายถึง แก๊สท่ีระเหยจากของเหลวหรือระเหดิ จากของแข็ง 5.6 สมบัติของแก๊ส สารในสถานะแกส๊ มีสมบัติแตกต่างจากของแขง็ และของเหลว ดงั นี้ 1. แก๊สมีแรงยึดเหน่ียวระหว่างอนุภาคน้อยมาก ดังน้ัน อนุภาคของแก๊สจะอยู่ห่างกันมากเม่ือ เปรยี บเทียบกบั ของแขง็ และของเหลว 2. เมอ่ื บรรจแุ ก๊สไวใ้ นภาชนะ แกส๊ จะแพร่กระจายเต็มภาชนะท่ีบรรจุ ท่าให้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตาม ขนาดและรูปร่างของภาชนะ 3. แกส๊ มคี วามหนาแนน่ ตา่ กวา่ ของเหลวและของแขง็ มาก 4. แก๊สสามารถบีบอดั ได้มากทสี่ ดุ เพราะมชี อ่ งวา่ งระหว่างโมเลกลุ มาก 5. แก๊สหรือไอมสี ภาวะเป็นของไหลเช่นเดียวกับของเหลว การศึกษาเก่ียวกับพฤติกรรมระดับอนุภาคของแก๊ส พบว่า แก๊สเกือบทุกชนิดมีสมบัติบางประการ คล้ายกัน สรุปเป็นทฤษฎีท่ีสามารถน่าไปใช้อธิบายสมบัติต่าง ๆ ของแก๊สได้ เรียกว่า ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแกส๊ เป็นทฤษฎีท่ีนักวิทยาศาสตร์ใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของแก๊สโดยท่ัวไป ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส สอดคลอ้ งกับสมบตั แิ ละการเคลือ่ นทข่ี องโมเลกลุ แก๊ส มีสาระส่าคญั ดังนี้ 1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคจ่านวนมากท่ีมีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าอนุภาคของแก๊สไม่มีปริมาตร เมอ่ื เทียบกับขนาดภาชนะทบี่ รรจุ 2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมาก ท่าให้แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่า ไม่มีแรงกระท่าตอ่ กนั ครสู รุ ชั นี ภทั รเบญจพล 1

3. โมเลกุลของแก๊สเคล่ือนที่อย่างรวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็นอิสระด้วยอัตราเร็วคงท่ี และไม่เป็น ระเบยี บ จนกระทงั่ ชนกบั โมเลกุลอน่ื หรอื ชนกับผนังภาชนะจงึ จะเปลี่ยนทศิ ทางและอัตราเร็ว 4. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะ จะเกิดการถ่ายเทพลังงานให้แก่กันได้ แต่พลงั งานรวมของระบบคงที่ 5. ณ อุณหภูมิเดียวกนั โมเลกลุ ของแก๊สแต่ละโมเลกลุ เคลอ่ื นทดี่ ว้ ยอัตราเร็วไมเ่ ทา่ กัน แต่จะมีพลังงาน จลน์เฉลี่ยเท่ากัน โดยท่ีพลังงานจลน์เฉล่ียของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน โดยเม่ืออุณหภูมิเพ่ิมขึ้น พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะเพม่ิ ข้ึน แก๊สท่ีมีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทุกประการ ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ไม่มี ขนาดของโมเลกลุ เรียกว่า แก๊สอดุ มคติ หรอื แกส๊ สมบรู ณ์ (Ideal gas) ส่วน แก๊สจริง (real gas) หมายถึง แก๊สท่ีปรากฏในธรรมชาติท่ัว ๆ ไป เช่น O2 , N2 , CO2 , He , Ar จะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติ แก๊สจริงที่มีอนุภาคขนาดเล็ก เม่ือควบคุมให้อยู่ในภาวะท่ีมีปริมาตรมาก ความดันต่า และอุณหภูมิสูง จะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมากข้ึน โดยเฉพาะแก๊สเฉ่ือยจะมีสมบัติ ใกล้เคยี งกบั แก๊สอดุ มคติมากจนอาจจัดเปน็ แกส๊ อุดมคติได ความสมั พันธ์ระหวา่ งปริมาตร ความดนั และอณุ หภูมขิ องแก๊ส การศกึ ษาเกย่ี วกับแกส๊ จ่าเป็นตอ้ งทราบข้อมูลต่อไปนี้เพ่อื สะดวกต่อการน่าไปใชต้ ่อไป 1) ความดัน (pressure) หมายถึง แรงต่อหน่วยพ้ืนที่ ความดันของแก๊สเกิดจากโมเลกุลของแก๊ส เคลื่อนท่ีชนผนังภาชนะ ท่าให้เกิดแรงกระท่าต่อภาชนะ ความดันของแก๊สที่เกิดขึ้นมีค่าเท่ากันไม่ว่าจะวัดที่ ตา่ แหน่งใดของภาชนะ ความดัน = แรงดัน พน้ื ท่ี หน่วยที่ใช้บอกความดัน คือ นิวตันต่อตารางเมตร (Nm-2) ในระบบ SI คือ หน่วยพาสคาล (Pa) แต่โดยทวั่ ไปนยิ มใช้หน่วยบรรยากาศ (atm) และ มิลลิเมตรปรอท (mmHg) ซง่ึ เขียนความสัมพนั ธ์ไดด้ ังนี้ 1 Pa = 1 Nm-2 1 atm = 1.013 x 105 Pa = 760 mmHg = 76 cmHg 2) อุณหภูมิ (temperature) เป็นมาตราส่วนที่บอกระดับของความร้อน เครื่องมือท่ีใช้วัด อุณหภูมิ คือ เทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) หน่วยวัดอุณหภูมิโดยท่ัวไป คือ องศาเซลเซียส (ºC) ครสู รุ ชั นี ภทั รเบญจพล 2

องศาฟาเรนไฮต์ (ºF) สา่ หรบั การคา่ นวณเกยี่ วกับแก๊สตามกฎหรอื ทฤษฎตี า่ ง ๆ นิยมใชห้ นว่ ยเคลวิน (K) ซึ่งเป็น หน่วยอณุ หภูมิของแกส๊ ในระบบ SI โดยใช้ความสมั พนั ธ์ ดังน้ี สตู รเปลี่ยนองศาเซลเซียสเปน็ อุณหภมู ิเคลวนิ คอื K = 273 + C สูตรเปล่ยี นองศาฟาเรนไฮต์เป็นอุณหภมู ิองศาเซลเซียส คือ C = F - 32 x 5 9 3) ปริมาตร (volume) คือ ปริมาณความจุ ปริมาตรของแก๊สโดยท่ัวไป หมายถึง ปริมาตรของ ภาชนะที่บรรจุแก๊ส เน่ืองจากแก๊สเป็นสารท่ีมีอนุภาคเคลื่อนที่กระจายเต็มเนื้อท่ีว่างในภาชนะท่ีบรรจุ การใช้ สญั ลักษณ์แทนปริมาตรของแก๊สในการค่านวณ คอื V หน่วยวัดปริมาตรท่ีนิยมใช้ คือ ลิตร (L) มิลลิลิตร (mL) ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) และ ลกู บาศกเ์ ซนตเิ มตร (cm3) สามารถเขยี นความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งหน่วยวัดปริมาตรหนว่ ยต่าง ๆ ไดด้ ังน้ี 1 dm3 = 1,000 cm3 1 L = 1,000 mL 1 dm3 = 1 L 1 cm3 = 1 mL จากการทฤษฎจี ลนข์ องแก๊สท่าให้ทราบว่า แก๊สประกอบด้วยโมเลกุลจ่านวนมากที่อยู่ห่างกันจนถือได้ ว่าไม่มีแรงกระท่าต่อกัน ซึ่งเป็นผลให้แก๊สฟุ้งกระจายได้ง่าย แก๊สจึงมีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอนข้ึนอยู่กับ ภาชนะท่ีบรรจุ ซึ่งเป็นสมบัติประการหนึ่งท่ีแตกต่างจากของแข็งและของเหลว ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อการ เปล่ยี นแปลงปริมาตรของแกส๊ ศกึ ษาไดจ้ ากการทดลองตอ่ ไปนี้ การทดลอง 7.1 เรอื่ ง ผลของความดันและอุณหภูมติ ่อปริมาตรของแกส๊ จุดประสงคก์ ารทดลอง 1. ท่าการทดลองเพอ่ื ศึกษาผลของความดนั และอุณหภูมิทม่ี ีต่อปรมิ าตรของแกส๊ ได้ 2. อธบิ ายผลของความดนั ทมี่ ตี อ่ ปริมาตรของแกส๊ เม่ืออุณหภมู ิและมวลของแกส๊ คงที่ได้ 1. อธิบายผลของอุณหภูมิทมี่ ีตอ่ ปรมิ าตรของแก๊สเม่ือความดันและมวลของแก๊สคงทไ่ี ด้ วสั ดอุ ุปกรณ์ 2 ใบ 1 อนั 1. น่้าและน้่าแขง็ 2. บีกเกอร์ ขนาด 100 cm3 3. หลอดฉีดยา ขนาด 10 cm3 ครูสรุ ชั นี ภัทรเบญจพล 3

4. เทอรโ์ มมิเตอร์ 0 – 100 ºC 1 อัน วธิ ีการทดลอง ตอนที่ 1 ผลของความดันตอ่ ปรมิ าตรของแกส๊ 1. ดงึ ก้านหลอดฉีดยาขึ้นมาอยู่ประมาณก่ึงกลางของกระบอกฉีดยา ใช้ปลายนิ้วอุดปลายกระบอกฉีดยาไว้ กดก้านหลอดฉดี ยาชา้ ๆ จนกระทั่งกดไมล่ ง ปลอ่ ยมอื ท่ีกดและสังเกตการเปล่ยี นแปลง 2. ดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้นมาอยู่ประมาณกึ่งกลางของกระบอกฉีดยา ใช้ปลายน้ิวอุดปลายกระบอกฉีดยา แล้วดึงกา้ นหลอดฉดี ยาข้ึนอยา่ งช้าๆ จนเกือบสุด ปลอ่ ยมอื และสังเกตการเปลีย่ นแปลง ตอนที่ 2 ผลของอุณหภมู ิตอ่ ปริมาตรของแกส๊ 1. ดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้นมาให้มีอากาศอยู่ภายในประมาณครึ่งกระบอกฉีดยา แล้วน่าไปดูดน้่าให้มี ปรมิ าตร 2 cm3 2. จุ่มกระบอกฉีดยาจากข้อ 1 ลงในน่้าร้อนท่ีมีอุณหภูมิประมาณ 60 -70 ºC สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง เมอื่ การเปลีย่ นแปลงสิน้ สุดแลว้ ตัง้ กระบอกฉีดยาให้ตรงและเล่ือนกระบอกฉีดยาขึ้นหรือลงจนระดับน่้าภายใน กระบอกฉีดยาเท่ากบั ระดบั น่า้ ภายนอก อา่ นปริมาตรของอากาศในกระบอกฉีดยา 3. ท่าการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 2 แต่เปล่ียนเป็นจุ่มกระบอกฉีดยาในน่้าเย็นท่ีมีอุณหภูมิประมาณ 10 – 20 ºC ตารางบันทกึ ผลการทดลอง การทดลอง การเปลยี่ นแปลงของแก๊สในกระบอกฉดี ยา อณุ หภมู ิ ความดนั ปรมิ าตร ตอนท่ี 1 - ขณะกดกา้ นหลอดฉีดยา - ขณะดงึ กา้ นหลอดฉีดยา ตอนท่ี 2 - เมือ่ จุ่มกระบอกฉีดยาในน่้าร้อน - เม่ือจุ่มกระบอกฉดี ยาในน่า้ เย็น คาถาม : 1. เม่ืออุณหภูมิและมวลของแก๊สคงท่ี ขณะกดก้านหลอดฉีดยา ปริมาตรและความดันของแก๊ส เปล่ยี นแปลงอย่างไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ครูสรุ ัชนี ภทั รเบญจพล 4

2. เม่อื อุณหภมู ิและมวลของแก๊สคงที่ ขณะดึงก้านหลอดฉีดยา ปรมิ าตรและความดนั ของแก๊สเปล่ียนแปลง อยา่ งไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3. เหตใุ ดเม่ือน่ากระบอกฉีดยาไปจมุ่ ในนา่้ ร้อน 60 -70 ºC กอ่ นอา่ นปริมาตรของแกส๊ จงึ ต้องปรับระดับน้่า ภายในกระบอกฉีดยาให้เทา่ กับระดบั น้่าภายนอก ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4. เมื่อความดันและมวลของแก๊สคงท่ี ขณะจุ่มกระบอกฉีดยาในน้่าร้อน ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลง อย่างไร ทราบได้อย่างไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 5. เมื่อความดันและมวลของแก๊สคงท่ี ขณะจุ่มกระบอกฉีดยาในน้่าเย็น ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลง อย่างไร ทราบไดอ้ ย่างไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 6. ปจั จยั ใดท่มี ีผลตอ่ การเปลย่ี นแปลงปรมิ าตรของแกส๊ เม่อื มวลของแกส๊ คงที่ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. สรุปผลการทดลอง : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ครสู รุ ชั นี ภัทรเบญจพล 5

กฎของบอยล์ (Boyle’s law) รอเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง ปรมิ าตรกบั ความดันของแก๊ส พบวา่ เมอื่ ท่าการทดลองที่อณุ หภมู ิคงท่ี ทุกคร้งั ท่ีเปลย่ี นแปลงความดัน ปริมาตร ของแก๊สจะเปลยี่ นไป ดังตวั อยา่ งผลการทดลองในตารางท่ี 7.1 ตารางที่ 7.1 ความสมั พันธ์ระหวา่ งความดัน (P) และปริมาตร (V) ของแก๊ส เมือ่ อุณหภมู ิคงท่ี การทดลองครงั้ ท่ี P (atm) V (cm3) PV (atm•cm3) 1 0.5 800 400 2 1.0 400 400 3 1.5 267 400.5 4 2.0 200 400 5 2.5 160 400 6 3.0 133 399 7 3.5 114 399 8 4.0 100 400 จากข้อมลู ในตาราง เม่ือความดันเพ่ิมข้ึน ปริมาตรของแก๊สจะลดลง และพบว่าผลคูณของความดันกับ ปริมาตรของแก๊ส (PV) ในการทดลองแต่ละคร้ังมีค่าค่อนข้างคงท่ี และเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความดนั กบั ปรมิ าตรจากขอ้ มลู ในตารางไดก้ ราฟดงั นี้ ความดัน (atm) 4.5 4 atm 4 100 cm3 3.5 2 atm atm 3 1 atm 200 cm3 2.5 atm 2 200 400 600 800 1000 400 cm3 1.5 ปริมาตร (cm3) atm 1 0.5 0 0 กราฟท่ี 7.1 แสดงความสัมพันธร์ ะหว่างความดันกับปรมิ าตรของแกส๊ เมื่ออุณหภมู ิคงที่ จากกราฟ พบว่า ขณะที่อุณหภูมิคงท่ี ถ้าปริมาตรของแก๊สเพ่ิมขึ้นจะท่าให้ความดันของแก๊สลดลง และในทางกลบั กนั เม่อื ปรมิ าตรของแกส๊ ลดลงจะท่าให้ความดนั ของแก๊สจะเพ่ิมขน้ึ ครสู รุ ชั นี ภทั รเบญจพล 6

ข้อมลู จากการทดลองและกราฟ บอยล์ได้สรุปสาระสา่ คญั วา่ “เมือ่ อณุ หภมู ิและมวลของแก๊สคงท่ี ปรมิ าตรของแก๊สจะแปรผกผันกบั ความดัน” ถา้ ก่าหนดให้ P แทนความดันของแก๊ส และ V แทนปรมิ าตรของแก๊ส ความสมั พันธ์ตามกฎของบอยล์ เขยี นแสดงได้ดงั น้ี V (เม่ืออุณหภูมแิ ละมวลคงที่) PV = k1 โดย k1 เป็นคา่ คงท่ี ถ้าพิจารณาข้อมูลในตารางที่ 5.4 ขณะเริ่มต้นหรือการทดลอง ครั้งท่ี 1 ก่าหนดให้ความดันและ ปริมาตรของแก๊ส เป็น P1 และ V1 ตามล่าดับ ส่าหรับการทดลองครั้งที่ 2 3 และ 4 ความดันของแก๊ส เปลี่ยนเป็น P2 P3 และ P4 และปริมาตรของแก๊สก็จะเปลี่ยนเป็น V2 V3 และ V4 ตามล่าดับ พบว่า เมื่ออุณหภูมิและมวลคงที่ ผลคูณระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊สในแต่ละสภาวะจะมีค่าเท่ากัน ซึ่งเขียน ความสัมพันธไ์ ดด้ งั นี้ P1V1 = P2V2 = P3V3 = P4V4 = … = PnVn = k1 จากความสมั พันธ์ระหวา่ งความดันกับปริมาตรของแก๊สตามกฎของบอยล์ สามารถน่าไปใช้ค่านวณหา ความดันหรอื ปรมิ าตรของแกส๊ ได้ เม่ือเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง P ในแกนตั้ง และ ในแกนนอน หรือ กราฟแสดง ความสัมพนั ธร์ ะหวา่ ง V ในแกนต้ัง และ ในแกนนอน จะได้กราฟเส้นตรงท่ีมีจุดตัดเป็น 0 และมีค่าความชัน เท่ากับค่าคงท่ี (k) V P 11 ������ ������ ครสู รุ ชั นี ภทั รเบญจพล 7

กราฟที่ไดจ้ ากกฎของบอยล์ มี 3 ลักษณะ ดงั น้ี แบบที่ 1 ถา้ T2 > T1 แสดงวา่ ทีอ่ ณุ หภมู ิคงท่ี ที่ T1 และ T2 ผลคณู ระหวา่ งปรมิ าตรกบั ความดนั มี คา่ คงที่เสมอ ทุกความดนั (P) หรือ ปริมาตร (V) แสดงวา่ ค่า k หรือ PV ท่ี T2 > T1 PV T2 T1 P หรือ V กราฟที่ 7.2 แสดงอุณหภมู คิ งที่ T2 > T1 แบบท่ี 2 ที่อณุ หภมู ิ T1 และ T2 เมื่อความดนั ต่า แก๊สจะมีปริมาตรมาก เมื่อความดนั สูงขนึ้ ปริมาตร ของแก๊สจะลดลง ท่ีอณุ หภมู ิ T2 ท่ีความดันเดยี วกนั จะมีปริมาตรมากกว่าท่ีอุณหภูมิ T1 P (atm) T2 > T1 T2 T1 V (cm3) กราฟท่ี 7.3 แสดง T2 > T1 ทีค่ วามดันเดียวกนั ปริมาตรตา่ งกนั แบบท่ี 3 ถ้า T2 > T1 ค่า k หรือ PV ท่ี T2 > T1 ดงั นน้ั ค่า k T P T2 T1 1 หรอื 1 ������ ������ กราฟท่ี 7.4 แสดง T2 > T1 ค่า k แปรผนั ตามอุณหภูมิ ครูสรุ ชั นี ภัทรเบญจพล 8

กฎของชารล์ (Charle’s law) ชาก–อาแลกซองดร์–เซซา ชาร์ล (Jacques-Alexandre-Ce′sar Charlts) นักวิทยาศาสตร์ชาว ฝร่ังเศสได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับอุณหภูมิของแก๊ส พบว่า ถ้าควบคุมความดันให้คงที่ เม่ือ อุณหภูมิสูงขึ้น แก๊สจะขยายตัวมีปริมาตรเพิ่มขึ้น และจะหดตัวหรือปริมาตรลดลง เม่ืออุณหภูมิลดลง ดัง ตัวอยา่ งผลการทดลองในตารางที่ 7.2 ตารางท่ี 7.2 ความสมั พนั ธ์ระหวา่ งอณุ หภูมิ (t) และปรมิ าตร (V) ของแก๊ส เม่ือความดนั คงที่ การทดลองครัง้ ท่ี t (ºC) V (cm3) V/t (cm3/ ºC) 10.0 1 10 100 2.3 1.3 2 50 114 0.8 3 100 132 4 200 167 จากข้อมูลในตาราง พบว่า เม่ืออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มข้ึนด้วยเสมอและป ิรมาตร (cm3) อัตราส่วนระหว่างปริมาตรของแก๊ส กับอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสมีค่าไม่คงท่ี เมื่อน่าข้อมูลจากตารางท่ี 7.2 มาเขียนกราฟแสดงความสัมพนั ธร์ ะหว่างอุณหภูมกิ บั ปริมาตรของแกส๊ จะได้กราฟเส้นตรงดังนี้ 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -300 -200 -100 0 100 200 300 อณุ หภมู ิ (ºC) กราฟที่ 7.5 แสดงความสัมพันธร์ ะหว่างอณุ หภูมกิ ับปริมาตรของแก๊ส ณ ความดนั คงที่ ครสู รุ ชั นี ภัทรเบญจพล 9

จากกราฟที่ 7.5 พบว่า เส้นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรของแก๊ส เม่ือความ ดนั คงทจ่ี ะมีลักษณะเป็นกราฟเสน้ ตรง และถา้ ลากเสน้ ตอ่ ลงไปตัดเสน้ แกนนอนจะพบว่า แก๊สจะมีปริมาตรเป็น 0 ท่ีอุณหภูมิ -273 องศาเซลเซียส นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปริมาตรของแก๊ส ณ อุณหภูมิต่าง ๆ ณ ค่าความ ดันต่าง ๆ (P1 P2 และ P3) แล้วน่ามาเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรของแก๊สกับอุณหภูมิจะได้ ดังน้ี จากกราฟที่ 7.6 พบว่า ที่ความดัน ลักษณะกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาตรกับอุณหภูมิ มีลักษณะเป็นกราฟ เส้นตรง และถ้าต่อเส้นกราฟลงไปถึงแกนนอน จะพบว่า แก๊สจะมีปริมาตรเป็น 0 ที่อุณหภูมิ กราฟท่ี 7.6 แสดงความสัมพันธร์ ะหว่างปรมิ าตรกับอณุ หภูมิ ประมาณ -237 ºC ณ ความดันต่าง ๆ จากกราฟที่ 7.5 และ 7.6 ท่าให้คาดคะเนได้ว่า ถ้าลดอุณหภูมิของแก๊สลดลงไปจนถึง -273.15 องศา เซลเซยี ส แกส๊ จะมีปรมิ าตรเปน็ ศูนย์ หรือเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว แต่ในทางปฏิบัติสามารถวัดปริมาตรของ แก๊สได้ในช่วงอุณหภูมิหน่ึงเท่าน้ัน เนื่องจากแก๊สทุกชนิดควบแน่นเป็นของเหลวก่อนถึงอุณหภูมิดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงได้ก่าหนดให้อุณหภูมิ -273.15 องศาเซลเซียส เป็นอุณหภูมิที่ต่าท่ีสุดทางทฤษฎี เรียก อุณหภูมิน้ีว่า ศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zone) และเท่ากับ 0 เคลวิน (K) ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซยี สกับเคลวิน ซงึ่ ใชค้ ่าโดยประมาณ 273 เป็นดงั นี้ T(K) = 273 + t (ºC) ถ้าเปลี่ยนหน่วยอุณหภูมิจากองศาเซลเซียส (ºC) เป็นเคลวิน (K) และศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภมู ิในหน่วยเคลวินกบั ปรมิ าตรของแก๊ส เมื่อความดันคงท่ี ดังข้อมลู ในตารางท่ี 7.3 ตารางที่ 7.3 ความสมั พันธร์ ะหว่างอุณหภมู ิในหน่วยองศาเซลเซียส (ºC) และเคลวนิ (K) กับปรมิ าตรของแก๊ส การทดลองคร้ังที่ t (ºC) T (K) V (cm3) V/t (cm3/ K) 0.35 1 10 283 100 0.35 0.35 2 50 323 114 0.35 3 100 373 132 4 200 473 167 ครูสรุ ชั นี ภทั รเบญจพล 10

จากข้อมูลในตารางที่ 7.3 เมื่อเปล่ียนอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสเป็นเคลวิน อัตราส่วนระหว่าง ปริมาตรกับอุณหภูมิเคลวิน (T) จะมีค่าคงที่ และเม่ือน่ามาเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ เคลวินกบั ปริมาตรของแกส๊ จะได้ความสมั พันธ์ดงั กราฟท่ี 7.7 200 150 ป ิรมาตร (cm3) 100 50 0 0 100 200 300 400 500 อุณหภูมิ (K) กราฟที่ 7.7 แสดงความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งอณุ หภูมิเคลวินกับปรมิ าตรของแก๊ส เมื่อความดนั คงท่ี จึงสรุปเป็นกฎที่เก่ียวกับอุณหภูมิและปริมาตรของแก๊ส เรียกว่า กฎของชาร์ล มีสาระส่าคัญว่า “เม่ือ มวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน” เขียนความสัมพันธ์เป็น สัญลกั ษณ์ได้ดังน้ี เมือ่ ความดนั และมวลคงที่ VT หรือ  V= k2 เม่ือ V = ปริมาตร T T = อุณหภมู ิในหนว่ ยเคลวนิ k2 = คา่ คงท่ี จากข้อมูลในตารางท่ี 7.3 ก่าหนดให้อุณหภูมิของแก๊สเร่ิมต้นเป็น T1 ปริมาตรของแก๊สเป็น V1 ถ้า อุณหภูมิของแก๊สเปลี่ยนเป็น T2 T3 และ T4 ปริมาตรของแก๊สจะเปล่ียนเป็น V2 V3 และ V4 ตามล่าดับ ซ่ึง พบว่าเม่ือความดันและมวลคงที่ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรกับอุณหภูมิเคลวินมีค่าคงที่เสมอ เขียนแสดง ความสัมพันธ์ได้ดังนี้ ครสู รุ ัชนี ภัทรเบญจพล 11

V1 = V2 = V =3 V=4 … = V=n k2 T1 T2 T3 T4 Tn T1 = 283 K T2 = 323 K T3 = 373 K V1 = 100 cm3 V2 = 114 cm3 V3 = 132 cm3 V = 0.35 cm3/ K V = 0.35 cm3/ K V = 0.35 cm3/ K T T T จากกฎของชารล์ สามารถน่ามาค่านวณหาปรมิ าตรหรืออุณหภมู ขิ องแกส๊ ได้ กฎรวมแกส๊ (Combined gas law) จากการศกึ ษาผลของความดันและอุณหภูมิที่มีต่อปริมาตรของแก๊ส โดยควบคุมมวลของแก๊สให้ คงท่ี ตามกฎของบอยล์และกฎของชาร์ล เมื่อพิจารณากฎของแก๊สทั้งสองรวมกันจะได้ความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาตร ความดนั และอุณหภูมขิ องแกส๊ ในระบบท่ีมวลคงท่ี เรยี กวา่ กฎรวมแกส๊ เขยี นความสัมพันธ์ไดด้ งั น้ี จากกฎของบอยล์ V  1 (เมอ่ื มวลและอณุ หภูมิคงท)่ี P จากกฎของชารล์ V  T (เมอื่ มวลและความดนั คงที่) ถา้ รวมกฎของบอยลแ์ ละกฎของชาร์ล จะได้ความสัมพนั ธ์ดังน้ี V  T (เมอื่ มวลคงท่ี) P (เมอ่ื มวลคงที่) PV = k3t PV = k3 T จงึ กล่าวได้วา่ P1V1 = =P2V2 P3V3 = … = =PnVn k3 (เมื่อมวลคงท่ี) T1 T2 T3 Tn กฎรวมแก๊สสามารถน่าไปใช้ในการคา่ นวณหาความดัน ปริมาตร และอณุ หภมู ิของแก๊สได้ ครูสรุ ชั นี ภทั รเบญจพล 12

5.6.3 การแพรข่ องแกส๊ การแพร่ของแก๊ส หมายถึง การท่ีโมเลกุลของแก๊สเคล่ือนท่ีผ่านตัวกลางจากท่ีหนึ่งไปสู่อีกท่ีหน่ึง เช่น การเคลือ่ นท่ีของโมเลกุลน่า้ หอมผา่ นไปในอากาศ ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊ส การแพร่ของแก๊สเกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลของแก๊สเคล่ือนท่ีตลอดเวลา เกิด การชนกันระหว่างโมเลกุลของแกส๊ และโมเลกุลของอากาศหรือแก๊สอื่น ๆ แล้วเกิดการถ่ายเทพลังงานให้แก่กัน โมเลกุลของแก๊สจึงเคล่ือนที่ได้อย่างต่อเนื่อง เป็นผลให้ทิศทางการเคล่ือนที่ของโมเลกุลของแก๊สเปลี่ยนแปลง ตลอดเวลา โดยการแพรจ่ ะเกิดขนึ้ ได้เมอ่ื มีความแตกตา่ งของความเข้มข้นของอนุภาคบนตัวกลาง และการแพร่ จะหยุดลงเมื่อความเข้มข้นของอนุภาคเท่ากันทั่วตัวกลาง ท้ังน้ีกระบวนการแพร่ของแก๊สเกิดขึ้นได้อย่างช้า ๆ แตกตา่ งจากอตั ราเรว็ ในการเคล่ือนทีข่ องแต่ละโมเลกุลของแก๊ส แต่การแพร่ของแก๊สเกิดขึ้นได้ง่ายและรวดเร็ว กวา่ ของเหลวและของแข็ง โดยอัตราเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊ส และอัตราเร็วในการแพร่ของแก๊สมีความสัมพันธ์กับ “มวลโมเลกุล” ซง่ึ แกส๊ ท่มี ีมวลโมเลกุลมากหรอื แก๊สหนกั จะแพร่ไดช้ า้ กว่าแก๊สทม่ี ีมวลโมเลกลุ น้อยหรือเบา การแพร่ของแก๊สแบง่ เปน็ 2 ลักษณะ ดังน้ี 1. การแพร่ (diffusion) เปน็ การเคล่อื นท่ขี องโมเลกุลแก๊สชนิดหน่ึงผ่านเข้าปะปนกับโมเลกุลของแก๊ส อกี ชนิดหน่ึงอย่างช้าๆ เกดิ การชนกนั ระหวา่ งโมเลกุลของแกส๊ ทุกชนิดทป่ี ะปนกนั เช่น การแพร่ของสารทุกชนิด ในอากาศ 2. การแพร่ผ่าน (effusion) เป็นการเคล่ือนท่ีของโมเลกุลแก๊สผ่านแผ่นกั้นรูพรุนเล็กๆ ไปสู่อีกภาชนะ หน่ึงโดยโมเลกุลไมช่ นกนั เชน่ การแพรผ่ ่านของแกส๊ เข้าสู่ทอ่ สุญญากาศ กฎการแพรข่ องเกรแฮม (Graham’s law of diffusion) ทอมัส เกรแฮม (Thomas Graham) ศึกษาเกี่ยวกับการแพร่ของแก๊ส พบว่า ท่ีอุณหภูมิและ ความดันเดียวกนั อัตราการแพร่ของแกส๊ จะเปน็ สดั สว่ นผกผันกับรากท่สี องของความหนาแน่นของแกส๊ r 1 D หรือ r = k D เมอ่ื r = อัตราการแพร่ผ่านของแกส๊ D = ความหนาแนน่ ครูสรุ ัชนี ภัทรเบญจพล 13

และเนอ่ื งจากอัตราการแพร่ผ่านของแก๊สเป็นสัดส่วนระหว่างจ่านวนโมลหรือโมเลกุลของแก๊ส ที่แพร่ผ่านออกไปต่อหน่วยเวลา ความหนาแน่นจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลต่อโมลหรือมวลโมเลกุลด้วย ดังนนั้ ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน อัตราการแพร่ผ่านของแก๊สเป็นสัดส่วนผกผันกับรากท่ีสองของมวลต่อ โมเลกุลของแก๊ส เรยี กวา่ กฎการแพร่ผา่ นของเกรแฮม เขยี นแสดงความสมั พนั ธไ์ ดด้ ังนี้ r 1 M หรอื r = k M เมือ่ r = อตั ราการแพรผ่ ่านของแก๊ส M = มวลต่อโมล หรอื มวลโมเลกลุ เม่ือเปรียบเทียบเป็นอัตราการแพร่ของแก๊ส 2 ชนิด ท่ีอุณหภูมิและความดันเดียวกัน จะได้ ดงั น้ี r M D1 2 2 r2 = M1= D1 เม่อื r1 = อัตราการแพรผ่ า่ นของแกส๊ ชนิดท่ี 1 r2 = อัตราการแพรผ่ ่านของแกส๊ ชนิดที่ 2 M1 = มวลโมเลกลุ ของแก๊สชนดิ ที่ 1 M2 = มวลโมเลกุลของแก๊สชนดิ ที่ 2 D1 = ความหนาแนน่ ของแก๊สชนิดที่ 1 D2 = ความหนาแนน่ ของแก๊สชนดิ ที่ 2 การแพรผ่ ่านของแก๊สเป็นไปเช่นเดียวกับการแพร่ของแก๊ส กล่าวคือ แก๊สที่เบาจะแพร่ผ่านได้ เร็วกว่าแก๊สท่ีหนักท่ีอุณหภูมิและความดันเดียวกัน แต่กฎการแพร่ผ่านของเกรแฮมก็สามารถใช้อธิบายหรือ ศึกษาการแพร่ของแก๊สไดใ้ นกรณีท่มี ีระยะทางการแพร่ช่วงส้นั ๆ และทคี่ วามดนั คงท่ี แมวเหมยี ว นายว่า แกส๊ ตา่ งชนิด กนั จะแพรไ่ ด้เร็วเทา่ กนั มยั๊ เสอื นายว่าไง แกส๊ ตา่ งชนดิ กัน เราวา่ แกส๊ ตา่ งชนดิ กันจะแพร่ จะแพรไ่ ดเ้ ร็วเทา่ กนั มย๊ั ไดเ้ รว็ เท่ากันนะ หมีพูห์ เด๋ียวเราจะพาพวกนายไปพิสจู น์จาก เราว่าแก๊สตา่ งชนิดกนั จะแพร่ การทดลอง 5.4 เอง จะไดไ้ ม่ต้องเดาตอ่ ไดเ้ รว็ ไมเ่ ทา่ กันนะ หมพี ูห์ นะ 14 ครูสรุ ัชนี ภทั รเบญจพล

การทดลอง 7.2 เรื่อง การแพร่ของแก๊สแอมโมเนียและแกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรด์ จดุ ประสงค์การทดลอง 1. ท่าการทดลองเพ่อื ศกึ ษาการแพรข่ องแกส๊ แอมโมเนยี และแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ได้ 2. เปรยี บเทียบอัตราการแพรข่ องแก๊สแอมโมเนียและแกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรด์ได้ 5. บอกความสมั พันธ์ระหว่างอตั ราการแพรข่ องแกส๊ กบั มวลโมเลกุลของแก๊สได้ สารเคมี 1. สารละลายกรดไฮโดรคลอริกเข้มขน้ 1 cm3 2. สารละลายแอมโมเนียเขม้ ข้น หรือ สารละลายแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เขม้ ขน้ 1 cm3 วสั ดอุ ุปกรณ์ 2 ใบ 1. บกี เกอร์ ขนาด 50 cm3 1 หลอด 2. หลอดแกว้ ขนาดเส้นผา่ นศูนยก์ ลาง 0.5 cm ยาวประมาณ 30 cm 2 อนั 3. ไม้ที่มีสา่ ลพี นั อย่ทู ป่ี ลาย 2 อัน 4. กระจกนาฬิกา 2 อนั 5. หลอดหยด 1 ชุด 6. ท่ียึดหลอดหรอื ขาตั้งพรอ้ มที่จับหลอด วิธกี ารทดลอง 1. น่าหลอดแก้วที่แห้งและสะอาด ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.5 cm และยาวประมาณ 30 cm ติดกับขาตั้งให้อยใู่ นแนวระดบั 2. ใช้ส่าลีพันปลายไม้ 2 อัน อันหน่ึงชุบสารละลายแอมโมเนียเข้มข้น และอีกอันหนึ่งชุบสารละลายกรด ไฮโดรคลอริกเขม้ ขน้ นา่ ไม้พันสา่ ลที ี่ชุบสารละลายท้ังสองอันมาใกลก้ นั สังเกตการเปลย่ี นแปลง 3. น่าไม้พันส่าลีจากข้อ 2 สอดเข้าไปในปลายหลอดแก้วพร้อม ๆ กันท้ังสองด้าน ด้านละอัน บันทึกเวลา เร่ิมต้น 4. สงั เกตและทา่ เคร่ืองหมายตรงตา่ แหน่งทมี่ ีการเปลย่ี นแปลงเกิดข้นึ 5. วดั ระยะทางจากปลายหลอดท้ังสองถึงต่าแหน่งทส่ี ังเกตเหน็ การเปลี่ยนแปลง ครูสรุ ัชนี ภทั รเบญจพล 15

ตารางบนั ทึกผลการทดลอง การสังเกตระดับของเหลวในหลอดนาแกส๊ ท่ี การสังเกต เมอ่ื นา่ ส่าลชี ุบ NH3 เขา้ ใกลส้ ่าลีชุบ HCl ………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………. การเปลีย่ นแปลงทีเ่ กดิ ขึน้ ในหลอดแก้วท่ี ………………………………………………………………………………. ปลายท้ังสองข้างมี NH3 และ HCl ………………………………………………………………………………. ระยะทางจากปลายหลอดแก้วทงั้ สองขา้ งถงึ ………………………………………………………………………………. ตา่ แหนง่ ที่เกิดการเปลีย่ นแปลง ………………………………………………………………………………. คาถาม : 1. สารละลายแอมโมเนียทา่ ปฏิกิริยากบั สารละลายกรดไฮโดรคลอริกหรอื ไม่ สังเกตได้จากสิ่งใด ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. จงเขียนสมการแสดงปฏิกิรยิ าเคมีท่เี กิดจากแอมโมเนียท่าปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3. เม่ือน่าส่าลีชุบแอมโมเนียและกรดไฮโดรคลอริกใส่ไว้ท่ีปลายหลอดแก้วทั้งสองด้าน จะเกิดการ เปล่ียนแปลงอยา่ งไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4. แอมโมเนยี และกรดไฮโดรคลอรกิ สารใดแพรไ่ ด้เร็วกว่ากนั สังเกตได้จากสง่ิ ใด ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 5. มวลโมเลกุลของแอมโมเนยี และกรดไฮโดรคลอรกิ มีคา่ เท่าไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 6. มวลโมเลกุลของแอมโมเนียและกรดไฮโดรคลอริกมีความสัมพันธ์กับระยะทางในการแพร่ของแก๊สทั้ง สองหรือไม่ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ครูสรุ ชั นี ภัทรเบญจพล 16

สรุปผลการทดลอง : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ครสู รุ ชั นี ภทั รเบญจพล 17