เคมีเบื้องต้น

เคมเี บื้องต้น Add Your Company Slogan Logo

Chemical

เคมเี บื้องต้น • สารเคมจี ํานวนมากมายที่อย่รู อบตวั เราตลอดเวลา

เนื้อหากระบวนวชิ า • การจาํ แนกสาร สมบตั ขิ องธาตุ สารประกอบ ของผสม สารละลาย สารแขวนลอย • ระบบเปิ ด ระบบปิ ด กฎอนุรักษ์มวล กฎอนุรักษ์ พลงั งาน กฎ ส่วนประกอบจาํ กดั • อะตอม โครงสร้างอะตอม ตารางธาตุ โมเลกลุ • พนั ธะเคมี ปริมาณสารสัมพนั ธ์ • การเปลยี่ นแปลงของสาร ปฏิกริ ิยาเคมี • สมดุลเคมี • กรด เบส เกลือ อนิ ดเิ คเตอร์ • สมบตั แิ ละประโยชน์ของออกไซด์

ปฏบิ ตั ิการ • ปฏิบตั ิการที่ 1 เรื่อง การปฏิบตั ทิ างการเคมี เบื้องตน้ • ปฏิบัติการท่ี 2 เร่อื ง สมบัตขิ องสารและการแยกสาร • ปฏิบัติการท่ี 3 เรื่องสมดลุ เคมี • ปฏิบตั ิการท่ี 4 เรื่องทดสอบกรด-เบส

หนังสืออ่านประกอบ Brady, J. E., Senese, F., Chemistry : Matter and Its Changes, John Wiley & Sons, New York, 2004. Brown, T. L., Le May, Jr., H. E. and Burnsten, B. E., Chemistry : The Central Science, 8th ed., Prentice Hall, New Jersey, 2000. Chang, R. and Cruickshank, B., Chemistry, 8th ed., McGraw-Hill, New York, 2005. Drago, R.S., Principles of Chemistry with Practical Perspectives, 2nd ed., Allyn and Bacon, Boston, 1977 Hill, J. W., Petrucci, R. H., McCreary, T. W. and Perry, S. S., General Chemistry, 4th ed., Pearson/Prentice Hall, Upper Saddle River, 2005. Oxtoby, D. W., Gillis, H. P., and Nachtreib, N. H., Principles of Modern Chemistry, 5th ed., Thomson/Brooks/Coles, Belmont, 2002. Zumdahl, S.S., Chemistry, 4th ed., Houghton Mifflin, Boston, 1997.

ตวั อย่างหนังสืออ่านประกอบ

เคมี คืออะไร • เคมี (chemistry) เปน็ สาขาของวทิ ยาศาสตรธ์ รรมชาติ ศกึ ษา เกย่ี วกบั การเปลีย่ นแปลงของสาร (substance) • ศึกษาองคป์ ระกอบและโครงสร้างของสาร • ความสมั พันธ์ระหว่างสมบตั ขิ องสาร • องค์ประกอบและโครงสรา้ งสภาวะ (condition) • วิธีการเคมี (chemistry)

9 ทาํ ไมจงึ ต้องเรียนเคมี ? • เรียนรู้แบบจาํ ลองพืน้ ฐานทางกายภาพ • ทราบถงึ ภาพเชิงเทคนิคทชี่ ัดเจนเกยี่ วกบั เหตุการณ์ปัจจุบนั • มที กั ษะในการพฒั นาแก้ไขปัญหา • รู้ถงึ คุณค่าของความลกึ ลบั ของสิ่งมชี ีวติ จากการศึกษา ความเช่ือมโยงของโมเลกลุ กบั ปรากฏการณ์/เหตุการณ์ต่างๆ

สสาร : อะตอม โมเลกลุ ประกอบดว้ ยธาตุ 10

สถานะของสสาร ของเหลว (Liquid) แกส๊ (Gas) ของแขง็ (Solid) 11

พฒั นาการทางเคมี เป็ นไปตามหลกั วธิ ีทางวทิ ยาศาสตร์ (Scientific Method) สังเกต แบบจาํ ลอง ทฤษฎี Observation Model Theory สมมตฐิ าน ทดลอง Hypothesis Experiment

วทิ ยาศาสตรแ์ ละคณติ ศาสตร์ Measurements Numbers • วทิ ยาศาสตร์มพี ืน้ ฐานจากการวดั • คณติ ศาสตร์มพี ืน้ ฐานจากตวั เลข • ทุกๆค่าทว่ี ดั ได้ จะต้อง • ตวั เลขแน่นอน (exact - มขี นาด (magnitude) number) ได้จาก - มคี วามไม่แน่นอน - การนับ (counting) (uncertainty) - นิยาม (definition) - มหี น่วย (units)

SI Base Units • Le Systeme Internationale (SI) units Quantity Base Unit Symbol length meter mass kilogram m time second kg temperature Kelvin s K

Derived Units Quantity Definition Unit area velocity length x length m2 density force length/time m/s energy mass/volume kg/m3 mass x accelerator kg m/s2 (N) force x length Nm

Very Large Units G (Giga) = 109 (พนั ล้านของ) M (Mega) = 106 (หนึ่งล้านของ) k (kilo) = 103 (หนึ่งพนั ของ) แสงเดนิ ดว้ ยความเร็ว 3 x 108 m/s คดิ เป็ น ระยะทางกี Gm/s

Very small Units c (centi) = 10-2 (ร้อยส่วนของ) m (milli) = 10-3 (พนั ส่วนของ) u (micro) = 10-6 (ล้านส่วนของ) n (nano) = 10-9 (ร้อยล้านส่วนของ) p (pico) = 10-12 (พนั ล้านส่วนของ)

การทดลองทางเคมี • วางแผนการทดลอง วธิ กี าร การเลอื กใชอ้ ปุ กรณแ์ ละเครอื งมอื • การวเิ คราะหผ์ ลการทดลองทไี ด้ ความแมน่ ยาํ Precision ความถกู ตอ้ ง Accuracy ความผดิ ผลาด Error • วจิ ารณแ์ ละสรปุ ผลการทดลอง

การเลอื กใชอ้ ปุ กรณแ์ ละเครอื งมอื เครอื งแกว้ (Glasswares) 19

เคร่ืองช่ัง (Balance)

อปุ กรณท์ ใี ชว้ ดั ปรมิ าตร

ตวั อยา่ ง นศ.ชงั นําหนกั สารโดยใชเ้ ครอื งชงั 3 เครอื ง ไดผ้ ลดงั นี เครอื งชงั A เครอื งชงั B เครอื งชงั C 5.001 5.006 4.990 5.000 5.007 4.995 4.999 5.005 4.985 วเิ คราะหผ์ ล แมน่ ยาํ และถกู ตอ้ ง เครอื งชงั A แมน่ ยาํ แตไ่ มถ่ กู ตอ้ ง เครอื งชงั B ไมแ่ มน่ ยาํ และไมถ่ กู ตอ้ ง เครอื งชงั C

ความผดิ พลาด (error) • Systematic error ความผดิ พลาดจากระบบของการวดั เชน่ เครอื งมอื ไมเ่ ทยี งตรง แผนการทดลองไมถ่ กู ตอ้ ง • Random error ความผดิ พลาดทหี ลกี เลยี งไมไ่ ด้ เชน่ ความชํานาญ ของผทู้ ดลอง

คา่ เฉลยี (Average) คา่ เบยี งเบน (Deviation) นศ.วดั เสน้ ผา่ ศนู ยก์ ลางของแทง่ เหล็กกลา้ ดว้ ยไมโครมเิ ตอร์ ไดผ้ ลดงั นี นาย วทิ ยา (dev.) น.ส. ทราย (dev.) 28.246 mm (0.000) 27.9 mm (0.1) 28.244 (0.002) 28.0 (0.0) 28.246 (0.000) 27.8 (0.2) 28.248 (0.002) 28.1 (0.1) Average 28.246 (0.001) 28.0 (0.1) รายงานผล นาย วทิ ยา 28.246+0.001 น.ส. ทราย 28.0+0.1

การวดั Measurement ความแมน่ ยาํ Precision ความถกู ตอ้ งAccuracy • reproducibility • correctness • ตรวจสอบจากการวดั หลายคร้ัง • ตรวจสอบโดยทาํ การทดลองหลายวธิ ี • poor precision เป็ นผลมาจาก • poor accuracy เป็ นผลมา poor technique จากความผดิ ปกติของการทดลอง หรือ อปุ กรณ์ทใี่ ช้

เลขนัยสําคญั Significant Figures • เป็ นจาํ นวนตวั เลขทุกหลกั ทวี ดั ไดแ้ นน่ อน นบั รวมกบั หลกั ทไ่ี ม่แน่นอนหลกั แรก • ใชใ้ นการรายงานผลการทดลอง 1.15 หมายความว่า 1.15 + 0.01 มเี ลขนยั สาํ คญั = 3

หลกั การคดิ เลขนัยสําคญั • นบั เลขทกุ ตวั ทไี มใ่ ชเ่ ลขศนู ย์ 4.97 (SF = 3) 543.12 (SF = 5) • เลขศนู ย์ 107 (SF = 3) 4.000 (SF = 4) 0.0743 (SF = 3) • เลขศนู ยท์ ตี ามหลงั เลขอนื 2000+1000 = 2x103 (SF = 1) 2000+100 = 2.0x103 (SF = 2) 2000+1 = 2.000x103 (SF = 4)

เลขนยั สําคญั ในการคาํ นวณ • คาํ นวณตอ่ เนอื งจนไดผ้ ลลพั ธ์ • การปัดตวั เลข >5 ปดั ขนึ ; <5 ปดั ทงิ = 5 (เลขหนา้ คใู่ หป้ ดั ทงิ เลขหนา้ คใี หป้ ดั ขนึ ) • ผลลพั ธ์จากการบวก-ลบ ใหเ้ หลอื ทศนยิ มเทา่ กบั ตวั เลขทมี ที ศนยิ มนอ้ ยสดุ 43.76+3.450-2.3435 = 44.87 • ผลลพั ธจ์ าการคณู -หาร ใหเ้ หลอื เทา่ ตวั เลขทมี เี ลขนยั สาํ คญั นอ้ ยสดุ (3.14x2.751)/0.64 = 13

ตวั อยา่ งการคาํ นวณ จงหาคาํ ตอบของการคาํ นวณตอ่ ไปนี พรอ้ มระบเุ ลข นยั สาํ คญั ทถี กู ตอ้ งของคาํ ตอบ 12.735 + 2.1 - 7.53 = ? 12.735 + 2.1 - 7.53 = 7.305 เนอื งจากเลขทศนยิ มนอ้ ยทสี ดุ คอื หนงึ ตาํ แหนง่ ดงั นนั คาํ ตอบเป็ น 7.3 ซงึ มเี ลขนยั สาํ คญั เทา่ กบั 2

ตวั อยา่ งการคาํ นวณ จงคาํ นวณความหนาแนน่ ของลกู แกว้ ทมี มี วล 5.789 g และปรมิ าตร 3.12 ml จากความสมั พนั ธ์ d = m/v = 5.789 g 3.12 ml = 1.855448717 g/ml ดงั นนั ความหนาแนน่ ของลกู แกว้ = 1.86 g/ml (เลขนยั สาํ คญั เทา่ กบั 3)

ตวั อยา่ งการคาํ นวณ จงคาํ นวณคา่ คงทขี องแกส๊ R จาก PV = nRT ถา้ ทาํ การทดลอง วดั ปรมิ าตรของแกส๊ 1.00 mol ที 0.0 OC ความดนั 1.00 atm ไดเ้ ทา่ กบั 22.4 L จาก R = PV/nT ดงั นนั = (1.00 atm)(22.4 L) (1.00 mol)(273.15+0.0 K) = 0.082006223 atm.L/K.mol R = 0.0820 atm.L/K.mol (เลขนยั สาํ คญั เทา่ กบั 3)

เลขนยั สําคญั ของ log/antilog หลกั ในการคดิ เลขนยั สาํ คญั ของ log ของตวั เลข ใหพ้ จิ ารณาตามตวั อยา่ งตอ่ ไปนี log 4.2 = 0.62324929… = 0.62 log 4.2x102 = 2.62324929… = 2.62 log 4.2x10-1 = -0.37675071… = -0.38 log 3200 = log 3.20x103 log 50000 = log 5.0x104 = 3.50 = 4.7 32

เลขนยั สาํ คญั ของ log/antilog หลกั ในการคดิ เลขนยั สาํ คญั ของ antilog ของ ตวั เลข ใหพ้ จิ ารณาตามตวั อยา่ งตอ่ ไปนี antilog 2.78 = 6.0x102 antilog 12.275 = 1.88x10112 antilog -3.8 = 2x10-4 33

Innostaa

สมบตั แิ ละการเปลย่ี นแปลงของสสาร • สารต่าง ๆทอี ยู่รอบตวั เราสามารถทาํ การจาํ แนกออก จากกันได้ โดยอาศัย • สมบตั ทิ างกายภาพ (physical properties) • สมบัตทิ างเคมี (chemical properties)

สมบตั แิ ละการเปลยี่ นแปลงของสสาร • สมบัตทิ างกายภาพ • สมบตั ปิ ระจําตัวของสารท่ีสังเกตได้โดยไม่ต้องใช้ปฏกิ ริ ิยาเคมี หรือเป็น สมบตั ทิ ี่ไมเ่ กี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมี ซึ่งสมบัตทิ างกายภาพ บางอยา่ งข้ึนอย่กู ับปรมิ าณของสาร เชน่ มวลสาร ความยาว ปรมิ าตร • แตส่ มบตั ิทางกายภาพบางอยา่ งกไ็ มเ่ ก่ยี วกับปรมิ าณของสารแต่เป็นสมบัติ ตามธรรมชาตขิ องสารเอง เช่น ความหนาแนน่ สี สถานะ การนาํ ไฟฟา้ จดุ หลอมเหลว จดุ เดอื ด

สมบตั แิ ละการเปลยี่ นแปลงของสสาร • สมบตั ิทางเคมี • เป็นสมบัติท่ีขึ้นอยกู่ ับองค์ประกอบทางเคมีของสารนั้น เชน่ สารใหม่เกดิ ขน้ึ NaOH + HCl NaCl + H2O • ต่างจากการเปล่ียนแปลงทางกายภาพทเ่ี ป็นการเปลย่ี นแปลงสมบตั ทิ าง กายภาพของสารเท่านั้น ไม่มีสารใหม่เกิดขน้ึ เชน่ นา้ํ เกลอื ผง กบั นาํ้ มาผสม กัน จะไดส้ ารละลายท่ีมีรสเคม็ ซ่ึงสามารถได้เกลอื กลับคืนมาเพอ่ื ทําการระเหย นํ้าออกไป

การจาํ แนกสสาร • สสาร (matter) เปน็ ส่งิ ทอ่ี ยู่รอบตวั ซง่ึ สามารถจําแนกไดเ้ ปน็ 3 สถานะ ไดแ้ ก่ ของแขง็ (solid) ของเหลว (liquid) และ แกส๊ (gas)

การจาํ แนกสสาร

การจาํ แนกสสาร • สสารเนื้อผสม หรอื สารวิวธิ พนั ธ์ (heterogenous matter) • สารท่สี มบตั แิ ละองค์ประกอบไมก่ ลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน ซ่ึงในบางครัง้ จะมองเป็นเนื้อเดยี วกนั กต็ าม • สว่ นสสารเนื้อเดยี ว หรอื สารเอกพนั ธ์ (homogenous matter) • เปน็ สารท่ีมสี มบตั ิและองค์ประกอบกลมกลืนเป็นเน้ือเดยี วกันไมว่ า่ จะ มองดว้ ยตา หรือการทดลองสําหรับสารเน้อื เดียวยงั สามารถจาํ แนกออกเป็ นสารละลาย (solution) และสารบรสิ ทุ ธิ์ (substance)

การจาํ แนกสสาร • สามารถผ่านกระดาษกรองและ • สารละลาย กระดาษเซลโลเฟนได้ • สารเนื้อเดยี วประเภทหนง่ึ • ในสารละลายจะมอี งคป์ ระกอบอยู่ 2 • เปน็ สารท่ไี ม่บรสิ ุทธิ์ • มจี ดุ หลอมเหลวและจดุ เดือดไมค่ งที่ สว่ น • มีอตั ราสว่ นไม่แน่นอน  ตวั ถกู ละลาย (solute) เปน็ สารท่ี • ไม่มปี ฏิกิรยิ าเคมีเกดิ ขึน • มีขนาดอนภุ าคเลก็ กวา่ 10-7 มีปริมาณน้อยในสารละลาย  ตวั ทาํ ละลาย (solvent) เปน็ สาร เซนติเมตร ทม่ี ปี รมิ าณมากหรอื มกั จะเป็ นสถานะเดียวกบั สารละลาย สารละลายจะมีสถานะตา่ ง ๆ กัน

ตารางที่ 1.1 ตวั อย่างของสารละลายในสถานะต่าง ๆ สถานะของสารละลาย ตวั อย่างของสารละลาย สารทเี่ ป็ นองค์ประเกอบ ก๊าซ อากาศ ไนโตรเจน ออกซิเจน และสารอ่ืนๆ แก๊สธรรมชาติ มีเทน เฮกเซน และสารอ่ืนๆ ของเหลว น้าํ ทะเล น้าํ โซเดียมคลอไรด์ และสารอ่ืนๆ ของแขง็ น้าํ สม้ สายชู น้าํ และ กรดอะซิติก น้าํ แกส๊ คาร์บอนไดออกไซด์ น้าํ ตาล น้าํ โซดา อ่ืนๆ สงั กะสี และ ทองแดง ทองเหลือง พาลลาเดียม และ ไฮโดรเจน พาลลาเดียม-ไฮโดรเจน

การจาํ แนกสสาร สารบริสุทธิ์ • สารเนื้อเดียว ท่มี ีองค์ประกอบของสารเพียงชนิดเดียว จะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดอื ด ทค่ี งที่ สารบรสิ ทุ ธ์สิ ามารถจําแนกไดเ้ ป็น ธาตุ และสารประกอบ ธาตุ (element) • สารเนอ้ื เดียวประเภทสารบรสิ ทุ ธ์ิ ท่ไี มส่ ามารถแยกสลายเปน็ สารอนื่ ไดโ้ ดยวิธกี ารใด ๆ ทางเคมีปจั จบุ ันมีธาตทุ บ่ี รรจใุ นตารางธาตแุ ลว้ 109 ธาตุ  อาจจะเป็น ธาตธุ รรมชาติ (natural element) หรือธาตุประดิษฐ์ (manmade element)  อาจจะมสี มบตั เิ ปน็ ธาตโุ ลหะ (metal) ธาตอุ โลหะ (non-metal) หรอื ธาตุก่ึง โลหะ (metalloid) หรอื semi-metal)

Periodic Table

การจาํ แนกสสาร สารประกอบ (compound) • สารเน้อื เดยี วประเภทสารบริสทุ ธิ์ ซ่ึงเกดิ จาก การรวมตวั กันดว้ ยปฏิกิรยิ าทางเคมขี องธาตุ มากกวา่ 1 อะตอม ดว้ ยอตั ราสว่ นที่คงท่ี • เช่น นํ้า (H2O) ประกอบดว้ ย ธาตุไฮโดรเจน และ ออกซเิ จนมารวมกนั โดยมอี ัตราสว่ นของ ไฮโดรเจนตอ่ ออกซิเจน เป็น 2 : 1 โดยปรมิ าตร หรือ 1 : 8 โดยนา้ํ หนกั • โดยสามารถทําการแยกนาํ้ ออกเป็นแก๊สไฮโดร เจน และแกส๊ ออกซิเจน โดยใชก้ ระบวนการทาง ไฟฟ้า

อะตอมของธาตุ อะตอม(atom) คือ หนว่ ยพนื้ ฐานของธาตทุ ี่เข้าทําปฏิกิรยิ าเคมี ประกอบดว้ ย 2 สว่ นทส่ี าํ คัญ สว่ นแรกนวิ เคลียส มีประจุไฟฟ้าเปน็ บวกซ่ึงประกอบดว้ ยโปรตอน และนิวตรอนสว่ นที่สองอเิ ล็กตรอน มีประจไุ ฟฟ้าเปน็ ลบเคลื่อนทอ่ี ย่รู อบนวิ เคลียส ชนิดของ ประจุ มวล (g) อนุภาค โปรตอน, P + 1.67 x p10-24 g = 1 amu นวิ ตรอน, N 0 1.67 x p10-24 g = 1 amu อเิ ล็กตรอน, e- - 9.11 x p10-28 g = 0.00055 amu

สัญลกั ษณ์อะตอม (Atomic symbol) การอ่านช่ือ อา่ นว่า Hydrogen-1-2 หรือ ดวิ ทเี รียม

สัญลกั ษณ์อะตอม (Atomic symbol) เลขอะตอม (Atomic number : Z) คอื จํานวนโปรตอนในนิวเคลยี สของแตล่ ะอะตอม ของธาตใุ นอะตอมท่ี เปน็ กลาง จาํ นวนโปรตอนเทา่ กบั จํานวนอเิ ลก็ ตรอน ดงั นั้นเลขอะตอม จงึ บอกจํานวนอเิ ล็กตรอนในอะตอมดว้ ย เลขมวล (Mass number : A) คือ ผลรวมนิวตรอนและโปรตอนท่ีมอี ยใู่ นนวิ เคลยี สของ ธาตุ [เลขมวล = จาํ นวนโปรตอน + จาํ นวนนวิ ตรอน = เลขอะตอม + จาํ นวนนวิ ตรอน] ไอโซโทป (Isotope) คือ อะตอมทม่ี เี ลขอะตอมเท่ากนั แตม่ ีเลขมวลต่างกนั เชน่

อะตอมของธาตุ ตวั อย่าง เตมิ จาํ นวนโปรตอน นิวตรอน อเิ ลก็ ตรอน ประจุ และสัญลกั ษณ์อะตอม ใน ช่องว่างให้ถูกต้อง 26 15 86 30 24 +2 0

อะตอมของธาตุ ไอออน (Ion): อะตอมหรอื กลุ่มของอะตอมที่มกี ารให้หรือรับอเิ ลก็ ตรอน 1. ไอออนบวก (Cation) คอื อะตอมหรือกลุม่ อะตอมท่ีมีการให้ e- 2. ไอออนลบ (Anion) คือ อะตอมหรือกลมุ่ อะตอมท่ีมีการรบั e- เชน่ Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Al3+ Cl- Br- F- S2- O2- NH4+ NO3- SO42- CO32- PO43-