แก๊สและสมบัติของแก๊ส

ตรวจสอบความเขา้ ใจ 1. การเติมแก๊สไนโตรเจนในยางรถยนต์ที่มีความจุ 12 ลติ รให้มีความดัน 29.4 ปอนด์ตอ่ ตารางนว้ิ (psi) ที่อุณหภูมิ 27 องศาเซลเซียส ตอ้ งใช้แก๊ส ไนโตรเจนกกี่ รัม 101

ตรวจสอบความเข้าใจ 2. ยางรถยนต์เสน้ หนึง่ มีปรมิ าตร 10 ลติ ร อัดอากาศจนมีความดัน 32 psi ที่ อุณหภูมิ 25 Cเมื่อใช้งานไประยะหนึง่ พบวา่ ความดันลดลงเหลือ 28 psi ที่ อุณหภูมิเดียวกัน จานวนโมลของอากาศทีร่ ั่วออกจากยางรถยนต์เปน็ เท่าใด เมือ่ กาหนดใหย้ างรถยนต์มปี รมิ าตรคงท่ี 102

ตรวจสอบความเขา้ ใจ 3. ภาชนะใบหนึ่งมีขนาด 5.0 ลติ ร บรรจุแก๊สชนดิ หน่งึ 3.25 กรัม ทีค่ วามดัน 1.0 บรรยากาศ อุณหภูมิ 27 องศาเซลเซียส มวลต่อโมล ของแก๊สชนดิ นีเ้ ป็นเทา่ ใด 103

7.2.2 ความดันย่อยของแกส๊ 104

อากาศ ประกอบด้วยอะไรบา้ ง (แก๊สไนโตรเจนและแกส๊ ออกซเิ จนเปน็ หลัก) ความดันของแกส๊ ไนโตรเจนและแก๊สออกซเิ จนเท่ากับ ความดันบรรยากาศหรือไม่ อย่างไร

จอหน์ ดอลตัน ไดศ้ ึกษาความสัมพันธเ์ กี่ยวกับความดันของแก๊สแต่ละชนดิ ในแก๊สผสม โดยทดลองเตมิ ไอนา้ เขา้ ไปในอากาศแห้งในภาชนะปดิ ที่มีปริมาตรคงที่ พบว่า ความดันภายในภาชนะเทา่ กับผลรวมของ ความดันของอากาศและความดันของไอน้าที่เตมิ เขา้ ไป 106

กฎความดันยอ่ ยของดอลตัน (Dalton's law of partial pressures) “ความดันของแกส๊ ผสมทีไ่ ม่ทาปฏกิ ิริยาเคมีต่อกัน จะเทา่ กับผลบวกของความดันยอ่ ยตา่ งๆ ทีเ่ ปน็ องค์ประกอบของแกส๊ ผสมนั้น” 107

รูปความดันของแก๊สผสมที่เป็นไปตามกฎความดันยอ่ ยของดอลตัน ความดันของแกส๊ ผสมเทา่ กับผลรวมของความดันยอ่ ยของแก๊ส ที่เป็นองค์ประกอบตามกฎความดันยอ่ ยของดอลตัน พร้อมแสดง สมการกฎความดันย่อยของแกส๊ 108

ความดันรวมของแก๊สผสมมีความสัมพันธก์ ับ จานวนโมลของแกส๊ ทีเ่ ปน็ องคป์ ระกอบอย่างไร

ความสัมพันธ์ระหวา่ งความดันรวมของแกส๊ ผสม (Ptotal) และความดันของแกส๊ แตล่ ะชนดิ ซึ่งเรียกว่า ความ ดันย่อย ตามกฎความดันย่อยของดอลตัน เขียนสมการได้ ดังนี้ Ptotal = P1 + P2 + …. + Pi จากความสัมพันธ์ตามกฎแก๊สอุดมคติ จะได้ความดันรวมของ แกส๊ ผสมกับจานวนโมลของแกส๊ ดังสมการ 110

Ptotal = n1RT/v + n2RT/v + … + niRT/v = (n1+ n2+ … + ni)RT/v Ptotal = ntotalRT v 111

ในการวัดความดันของแกส๊ ผสมคา่ ที่วัดไดเ้ ปน็ 112 ความดันรวม ในขณะทีค่ วามดันของแก๊สแตล่ ะชนิดไม่ สามารถวัดไดโ้ ดยตรง แตส่ ามารถคานวณได้โดยอาศัย สมการ ดังต่อไปนี้ จาก Pi = niRT/v Ptotal = ntotalRT/v 112

ไดอ้ ัตราสว่ นความดันยอ่ ยตอ่ ความดันรวมดังนี้ Pi = niRT/v Ptotal ntotalRT/v = ni/ntotal Pi = (ni/ntotal)Ptotal Pi = Xi Ptotal เมือ่ Xi คือ เศษสว่ นโมล (mole fraction) ของแกส๊ แตล่ ะชนดิ มีค่าตัง้ แต่ 0 ถงึ 1 และ ผลรวมของเศษส่วนโมลของแก๊สทุกชนดิ ที่เปน็ องคป์ ระกอบมีคา่ เทา่ กับ 1 113

Ex.15 ถา้ ผสมแกส๊ ฮีเลยี ม 4.00 กรัม และแกส๊ อาร์กอน 7.99 กรัมใน ภาชนะขนาด 10.0 ลติ ร ทอี่ ุณหภูมิ 25.0 C ความดันของแก๊สผสม เป็นกีบ่ รรยากาศ 114

ถา้ ทราบความดันบรรยากาศจะสามารถหาความดัน ยอ่ ยของแก๊ส ไนโตรเจนและแก๊สออกซเิ จนที่เป็น องค์ประกอบในอากาศไดอ้ ย่างไร

Ex.16 ถ้าแก๊สผสมทป่ี ระกอบด้วยแกส๊ ไฮโดรเจน 2.02 กรัม และ แก๊สฮีเลยี ม 12.00 กรัม ที่อุณหภูมิ 25.0 C มคี วามดันรวม 8.00 บรรยากาศ ความดันของแก๊สแต่ละชนดิ เป็นเทา่ ใด 116

Ex.17 แก๊สผสมชนดิ หนึง่ ประกอบด้วยแกส๊ Y และแก๊ส Z โดยความ ดันของแก๊ส Y เทา่ กับ 0.5 บรรยากาศ และความดันของแกส๊ Z เทา่ กับ 1.0บรรยากาศ ถา้ มีแกส๊ Y อย่3ู โมล จะมีแก๊ส Z อยกู่ โี่ มล 117

ตรวจสอบความเข้าใจ 1. ถา้ ผสมแก๊สไฮโดรเจน (H2) 1.00 กรัม แกส๊ ฮีเลียม (He) 2.60 กรัม และแก๊สอารก์ อน (Ar) 11.19 กรัม ในภาชนะขนาด 10.0 ลติ ร ที่อณุ หภูมิ 25 องศาเซลเซียส จงคานวณความดันรวมของแก๊สผสม 118

ตรวจสอบความเขา้ ใจ 2. ในถังอากาศดาน้าจะอัดอากาศผสมทีเ่ รียกวา่ Enriched Air Nitrox (EANx) ซง่ึ ประกอบด้วยแก๊สออกซเิ จนและแกส๊ ไนโตรเจนจนมคี วามดัน 200 บรรยากาศ ทีอ่ ุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ถา้ Enriched Air Nitrox ถังหนึ่งมี ขนาด 11.5 ลติ รและมีแกส๊ ออกซิเจนร้อยละ 32 โดยปริมาตร ความดันยอ่ ยของ แก๊สแตล่ ะชนดิ มีคา่ เทา่ ใด 119

แบบฝกึ หัด 7.2 หนา้ 37 120

7.3 ทฤษฎีจลนแ์ ละการแพร่ของแก๊ส 7.3.1 ทฤษฎจี ลนข์ องแก๊ส ปรมิ าตรและความดันของแกส๊ เก่ยี วขอ้ งกับ อนุภาค ระยะห่างระหวา่ งอนุภาค และการเคลื่อนที่ ของแกส๊ อยา่ งไร 121

1. ขนาดของแก๊สเปน็ อย่างไร 2. ระยะหา่ งระหว่างอนภุ าคของแกส๊ มีลักษณะอย่างไร 3. ระยะหา่ งระหวา่ งอนภุ าคมีผลตอ่ แรงยดึ เหนี่ยวระหว่างอนุภาคแกส๊ อย่างไร 4. อนุภาคแก๊สมีทศิ ทางเคลื่อนทอ่ี ยา่ งไร 5. แกส๊ แตล่ ะอนุภาคมีพลังงานจลนเ์ ท่ากันหรือไม่ อยา่ งไร 6. เมื่ออนุภาคแก๊สเกิดการชนจะมีการเปลี่ยนแปลงพลงั งานอย่างไร 7. พลงั งานจลน์เฉลีย่ ของแก๊สข้ึนกับส่ิงใด 8. พลงั งานจลน์เฉลี่ยสัมพันธก์ บั อุณหภูมอิ ย่างไร 122

- ขนาดของแกส๊ เปน็ อยา่ งไร (อนุภาคแก๊สมีขนาดเลก็ มาก เมื่อเทียบกับภาชนะที่บรรจุ) ดังนัน้ ผลรวมปริมาตรของอนุภาคแกส๊ มีคา่ นอ้ ย มากเมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะทีบ่ รรจุ ภาพจาลองของอนภุ าคแกส๊ ในภาชนะทีบ่ รรจุ 123

- ระยะหา่ งระหวา่ งอนภุ าคของแก๊สมลี ักษณะอยา่ งไร (อนุภาคแกส๊ อยูห่ า่ งกันมากเมอื่ เทียบกับภาชนะที่บรรจุ) - ระยะห่างระหวา่ งอนภุ าคมผี ลต่อแรงยึดเหนยี่ วระหว่างอนุภาคแกส๊ อย่างไร (อนุภาคแก๊สอยูห่ า่ งกันมากทาใหแ้ รงยึดเหนีย่ วระหวา่ งอนภุ าคน้อยมาก จน ถือว่าไมม่ ีแรงกระทาตอ่ กนั ) 124

- อนุภาคแกส๊ มีทศิ ทางเคลื่อนที่อยา่ งไร (แก๊สแตล่ ะอนุภาคเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในทศิ ทางทีไ่ มแ่ น่นอนด้วยอัตราเรว็ คงที่ที่แตกตา่ งกนั ) - แกส๊ แต่ละอนุภาคมีพลังงานจลน์เทา่ กนั หรือไม่ อยา่ งไร (มีพลงั งานจลน์ไม่เท่ากัน เนือ่ งจากมีอตั ราเร็วในการเคลื่อนทีไ่ ม่เทา่ กนั ) - เมื่ออนุภาคแก๊สเกิดการชนจะมีการเปลี่ยนแปลงพลงั งานอย่างไร (เมือ่ อนุภาคแกส๊ เกดิ การชนจะมีการถ่ายเทพลงั งานให้แก่กัน โดยไม่มีการ สูญเสยี พลังงานจลน์รวม ดังน้นั พลงั งานจลนเ์ ฉลี่ยของแก๊สจงึ มีคา่ คงที่ ณ อุณหภูมิหน่ึงๆ) 125

126

- พลังงานจลนเ์ ฉลี่ยของแก๊สขน้ึ กับส่ิงใด (อุณหภมู ิเท่านั้น ไมข่ ้นึ กับชนดิ ของแกส๊ แกส๊ ตา่ งชนิดกันที่ อุณหภูมิเดียวกันมีพลังงานจลนเ์ ฉลี่ยเท่ากัน) - พลังงานจลนเ์ ฉลย่ี สัมพันธก์ ับอุณหภมู ิอย่างไร (ถา้ เพ่มิ อุณหภมู จิ ะทาให้อนุภาคแก๊สเคลื่อนทีเ่ รว็ ขึ้น พลังงาน จลน์เฉลีย่ ของแกส๊ จึงเพิ่มขน้ึ ) 127

ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊ 1. แก๊สประกอบด้วยอนภุ าคขนาดเลก็ จานวนมากมาก โดยปริมาตรของอนุภาคเหลา่ นั้นมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบ กับปริมาตรของภาชนะทีบ่ รรจุ 128

ทฤษฎจี ลน์ของแกส๊ 2. อนุภาคของแก๊สอย่หู า่ งกันมาก และแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง อนุภาคน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทาต่อกัน 129

ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊ 3. แกส๊ แตล่ ะอนุภาคเคลื่อนที่เปน็ เส้นตรงในทิศทางที่ไมแ่ น่นอนด้วย อัตราเร็วคงทีท่ ี่แตกตา่ งกัน จงึ มี พลังงานจลน์ไมเ่ ท่ากัน เมื่อเกิดการ ชนกันจะมีการถ่ายเทพลังงานให้กัน โดยไมม่ ีการสญู เสียพลังงานจลนร์ วม ทาให้พลังงานจลน์เฉลี่ยมีคา่ คงที่ 130

ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊ 4. พลังงานจลนเ์ ฉลีย่ ของแก๊สขนึ้ อยูก่ ับอุณหภูมิเท่านัน้ โดยไมข่ น้ึ กับชนดิ ของแกส๊ ที่อุณหภูมิเดียวกัน แก๊สทุกชนิดมี พลังงานจลนเ์ ฉลี่ยเท่ากัน เมื่อเพ่ิมอุณหภมู ิจะทาใหอ้ นุภาคแกส๊ เคลือ่ นทีเ่ ร็วข้ึน จงึ ทาใหพ้ ลังงานจลน์เฉลี่ยเพ่มิ ข้ึน โดยที่ พลังงานจลน์เฉลีย่ ของแกส๊ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน 131

พฤติกรรมของแกส๊ จรงิ แกส๊ จรงิ (Real gas) มีพฤตกิ รรมใกลเ้ คยี งแกส๊ ในอุดมคตหิ รือแกส๊ สมบูรณ์ เมื่อ ความดันตา่ มากๆ และอุณหภมู สิ งู มากๆ (อุณหภมู หิ อ้ งและความ ดัน 1 บรรยากาศ) 132

ทฤษฎีจลน์ของแกส๊ อธบิ ายกฎตา่ งๆ ของแก๊สอย่างไร 133

กฎของบอยล(์ V 1/P) อนุภาคแก๊สมีขนาดเล็กมากและมีระยะห่างระหวา่ งอนุภาค มากเมือ่ ลดปรมิ าตรภาชนะ เชน่ การกดก้านกระบอกฉีดยา ใน กิจกรรม 7.1 ทาให้ระยะห่างระหว่างอนภุ าคแกส๊ กับผนังภาชนะลดลง ความถี่ท่อี นุภาคแก๊สชนกับผนังภาชนะจึงมากขึ้น ทาใหค้ วามดันของ แก๊สเพ่มิ ขึ้น ดังรูป ในทางตรงกันขา้ มการเพิ่มปริมาตรของภาชนะซ่ึง ทาให้ความดันของแก๊สลดลงสามารถอธิบายไดใ้ นทานองเดียวกัน 134

รูปความดันของแกส๊ เมือ่ เปลีย่ นแปลงปรมิ าตร 135

กฎของเกย์-ลสู แซก (P  T) และกฎของชาร์ล (V  T) เมื่ออุณภูมิเพิม่ ขนึ้ อนุภาคแก๊สเคลื่อนทีเ่ ร็วขึ้นและมพี ลังงานจลน์ เฉลีย่ เพมิ่ ขน้ึ ดังนั้นควานถีท่ ีอ่ นุภาคแก๊สชนกับผนังภาชนะจึงมากข้นึ ทาให้ความดันของแกส๊ เพมิ่ ข้นึ (กฎของเกย์-ลูสแซก) ดังรูป (ก) แต่หากผนังภาชนะมีความยดึ หย่นุ ความดันที่เกดิ ข้นึ จะทาให้ ปรมิ าตรของภาชนะเพมิ่ ข้นึ เพื่อให้ความดันของแก๊สเทา่ กับความดัน เริม่ ตน้ (กฎของชาร์ล) ดังรูป (ข) 136

กฎของเกย์-ลูสแซก (P  T) และกฎของชาร์ล (V  T) รูปความดันและปริมาตรของแก๊สเมื่อเปลย่ี นแปลงอณุ หภูมิ 137

กฎของอาโวคาโดร (Vn) เมื่อจานวนอนุภาคแกส๊ ในภาชนะเพมิ่ ขึ้น ความถี่ทอ่ี นุภาค แก๊สชนกับผนังภาชนะจะเพิม่ ขนึ้ ส่งผลให้ความดันของแก๊สเพม่ิ ขนึ้ หากผนังภาชนะมีความยืดหยุ่น ความดันที่เกิดขึ้นจะทาให้ปรมิ าตร ของภาชนะเพ่มิ ข้นึ เพือ่ ใหค้ วามดันของแกส๊ เทา่ กับความดันเร่มิ ตัน ดังรูป 138

รูปความดันและปริมาตรของแก๊สเมื่อเปลี่ยนแปลงจานวนโมล 139

7.3.2 การแพร่ของแก๊ส - การสง่ กลน่ิ หอมของดอกไมห้ รือน้าหอมเกดิ ขึน้ ไดอ้ ย่างไร (สารมีกล่นิ ที่อยูใ่ นสถานะแก๊ส เคลื่อนที่หรือแพรอ่ อกมาจากดอกไมห้ รือ น้าหอม) - การแพร่ของแกส๊ เกิดข้นึ ไดอ้ ย่างไร (การแพรข่ องแกส๊ จากบรเิ วณหน่ึงไปยังอีกบริเวณหนึ่งเกิดข้ึนได้เนือ่ งจาก โมเลกุลของแก๊สมีพลังงานจลนแ์ ละเคลื่อนที่ไดอ้ ย่างอสิ ระในทุกทศิ ทางตาม ทฤษฎีจลนข์ องแก๊ส) 140

แกส๊ แตล่ ะชนิดจะแพร่ดว้ ยอัตราเร็วแตกต่างกันหรือไม่

กิจกรรม 7.5 การทดลองการแพร่ของแก๊สแอมโมเนยี และ แกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรด์ 1. ปัญหา : 1. แก๊สแต่ละชนดิ จะแพรด่ ้วยอัตราเรว็ แตกตา่ งกันหรือไม่ อยา่ งไร 2. อัตราการแพรข่ องแกส๊ กับมวลต่อโมลของแก๊สสัมพันธก์ ัน อย่างไร 142

2. จุดประสงค์การทดลอง : 1. ทดลองเพื่อศึกษาการแพร่ของแกส๊ แอมโมเนียกับแก๊ส ไฮโดรเจนคลอไรด์ 2. เปรียบเทียบอัตราการแพร่ของแก๊สแอมโมเนียกับแก๊ส ไฮโดรเจนคลอไรด์ 3. บอกความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการแพรข่ องแก๊สกับมวลต่อ โมลของแก๊ส 143

3. สมมุตฐิ าน : ถา้ มวลโมเลกุลมผี ลต่อการแพรข่ องแก๊ส ดังนั้นแกส๊ แอมโมเนียทีม่ ีมวล โมเลกุลนอ้ ยกว่าจะแพรเ่ ร็วกวา่ และแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ 4. ตัวแปรที่ใชใ้ นการทดลอง : - ตัวแปรตน้ คือ ชนิดของแก๊ส , มวลโมเลกุลของแก๊ส 144 - ตัวแปรตาม คือ การเคลื่อนที่ของแก๊ส - ตัวแปรควบคุม คือ ปรมิ าตรแก๊สทีใ่ ช้ ขนาดหลอดแกส๊ ความเขม้ ข้นของแก๊ส , อุณหภูมิ

5. วิธีการทดลอง : 145

6. ผลการทดลอง : ปลายหลอดแก้วทางดา้ นแก๊ส ความยาวจากปลายหลอดแก้วถงึ ตาแหนง่ ทีเ่ กดิ วงแหวนสีขาว แก๊สแอมโมเนยี 19.90 cm แกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรด์ 10.10 cm 146

7. ตอบคาถามท้ายการทดลอง 1. เขียนสมการเคมีอธบิ ายการเปลี่ยนแปลงทีเ่ กิดขน้ึ ในหลอดแกว้ ( HCl(g) + NH3(g)  NH4Cl(s) ) 2. แก๊สใดแพรไ่ ดเ้ รว็ กว่าและมีความสัมพันธ์กับมวลตอ่ โมลของแก๊ส อยา่ งไร (แกส๊ แอมโมเนียแพร่ได้เรว็ กว่า และเมือ่ พิจารณามวลตอ่ โมล พบวา่ มวลตอ่ โมลของแกส๊ แอมโมเนียนอ้ ยกวา่ แกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรด์ แสดงวา่ แก๊สที่มีมวลตอ่ โมลนอ้ ยกว่าจะแพรเ่ รว็ กว่า) 147

8. วเิ คราะห์ผลการทดลอง : แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์และแกส๊ แอมโมเนียเปน็ แก๊สไมม่ สี ี เมื่อมีวงแหวน สีขาวเกดิ ขึน้ ภายในหลอดแสดงวา่ สารทั้ง 2 ชนดิ ทาปฏกิ ริ ยิ ากันได้สารใหม่ที่มี สขี าว ดังสมการเคมี HCl(g) + NH3(g)  NH4Cl(s) เนือ่ งจากวงแหวนสีขาวที่เกิดข้ึนอยู่ใกลก้ ับสาลที ี่ชุบสารละลายกรดไฮโดรคลอริก แสดงว่าในเวลาที่เท่ากันแกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรดแ์ พรไ่ ด้ระยะทางที่น้อยกวา่ แกส๊ แอมโมเนียและเมื่อพิจารณามวลต่อโมล พบว่า มวลต่อโมลของแก๊สไฮโดรเจน คลอไรด์มากกวา่ แก๊สแอมโมเนียแสดงว่าแก๊สทีม่ ีมวลต่อโมลมากกว่าจะแพร่ช้ากว่า 148

9. สรุปผลการทดลอง อัตราการแพรข่ องแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์มีค่าน้อยกว่าอัตรา การแพร่ของแกส๊ แอมโมเนียเน่อื งจากแกส๊ ไฮโดรเจนคลอไรดม์ ีมวล ต่อโมลมากกว่า ดังนั้น แก๊สทีม่ ีมวลต่อโมลมากกว่าจะแพรไ่ ดช้ า้ กวา่ แกส๊ ทีม่ ีมวลตอ่ โมลน้อยกวา่ 149

จากทฤษฎีจลน์ของแกส๊ ทกี่ ล่าวว่า ที่อณุ หภมู เิ ดียวกัน แก๊สทุกชนดิ มีพลังงาน จลน์เฉลี่ยเท่ากัน และสมการ Ek = 1/2mv2 อธิบายความสัมพันธ์ระหวา่ งอัตราเรว็ ในการเคลื่อนทีก่ ับ มวลของแก๊สไดอ้ ย่างไร (อนุภาคของแก๊สทีม่ ีมวลมาก จะมีอัตราเรว็ ในการแพร่นอ้ ย) 150