บทที่ 5 ของแข็ง ของเหลว แก๊ส

บทที่ 5 ของแข็ง ของเหลว แก๊ส

• 1.
  เนืÊอหาทีÉจะต้องเรียนในบททีÉ 5 ของแข็งของเหลว แก๊ส บททีÉ 5 ของแข็ง ของเหลว แก๊ส 5.1 สมบัติของของแข็ง 5.2 การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง 5.3 ชนิดของผลึก 5.4 การเปลีÉยนสถานะของของแข็ง 5.5 สมบัติของของเหลว 1) ความตึงผิว 2) การระเหย 3) ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว 5.6 สมบัติของแก๊ส 1) ความสัมพันธ์ของปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊ส - กฎของบอยล์ - กฎของชาล์ส - กฎรวมแก๊ส - กฎแก๊สสมบูรณ์ 2) การแพร่ของแก๊ส 5.7 เทคโนโลยีทีÉเกีÉยวข้องกับสมบัติของของแข็ง ของเหลว แก๊ส โดย อรณี หัสเสม : เรียบเรียง 1
• 2.
  บททีÉ 5 ของแข็งของเหลว แก๊ส สารทีÉอยู่รอบตัวเรา จะปรากฏอยู่ในสถานะทีÉแตกต่างกัน คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ในบทเรียนนีÊ เราจะได้ศึกษา สมบัติของของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ดังกล่าว 1. ของแข็ง โดย อรณี หัสเสม : เรียบเรียง 2 สมบัติของของแข็ง  อะตอมและโมเลกุลของของแข็งมีแรงยึดเหนีÉยวระหว่างอนุภาคสูงมากและจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ  ของแข็งไม่สามารถบีบอัดให้หดได้ เพราะ อนุภาคของของแข็งอยู่ชิดกันมาก  ของแข็งชนิดเดียวกัน อาจมีโครงสร้างหลายแบบ เรียกว่า พอลิเมอร์ฟิซึม (polymorphism) เช่น กำมะถัน  สามารถตกผลึกเป็นรูปต่างๆ ได้ ของแข็งตกผลึก เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid)  ของแข็งบางชนิดสามารถเกิดการระเหิด (sublimation) การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง  ของแข็งชนิดเดียวกัน มีการจัดเรียงอนุภาคได้หลายแบบ  ตัวอย่าง กำมะถัน (S8 , อโลหะ , ของแข็ง , สีเหลือง โมเลกุลเป็นวงปิด) กำมะถันมีหลายรูปแบบ แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ 1) กำมะถันไม่มีรูปผลึก (amorphous) ได้แก่ กำมะถันนÊำนม กำมะถันพลาสติก กำมะถันคอลลอยด์ 2) กำมะถันรูปผลึก (crystalline) ได้แก่ กำมะถันรอมบิก กำมะถันโมโนคลินิก  ในบทนีÊ เราจะศึกษากำมะถันรูปผลึกเท่านัÊน จากการศึกษาผลึกกำมะถัน พบว่า มี 2 รูปแบบ ดังนีÊ รูปเหลีÉยม รูปเข็ม 1. กำมะถันรอมบิก (กำมะถันรูปเหลีÉยม) รูปอยู่ตัว ณ อุณหภูมิ น้อยกว่า 96 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิสูงกว่า 96 องศาเซลเซียส จะเปลีÉยนเป็นไมโนคลินิก) 2. กำมะถันโมโนคลินิก (กำมะถันรูปเข็ม) รูปอยตูั่ว ณ อุณหภูมิ สูงกว่า 96 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิตํÉากว่า96 องศาเซลเซียส จะเปลÉียนเป็น รอมบิก) การเปลีÉยนสถานะของของแข็ง  การเปลÉียนสถานะของของแข็ง ได้แก่ จุดหลอมเหลว และการระเหิด ซึÉงศึกษาได้จากรายละเอียดต่อไปนีÊ  จุดหลอมเหลว ของแข็งเมÉือได้รับความร้อน อนุภาคภายในของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิÉมมากขึÊน การสัÉนสะเทือนเพิÉมขึÊนแ ละ เมÉือรับความร้อนจนถึงจุดหนึÉง อนุภาคจะสัÉนสะเทือนมาก และมีพลังงานจลน์แยกออกจากกัน ไม่เป็นโครงผลึกอีก อนุภาคเคลÉือนทÉี ไปมาได้ เรียกว่า การหลอมเหลว (melting) ในทางตรงกันข้าม เมÉือของเหลวถูกทำให้เย็นลง อนุภาคในของเหลวจะมีพลังงานจลน์ ลดลง แรงยึดเหนÉียวระหว่างอนุภาคมากขึÊน ทำให้อนุภาคอยชูิ่ดกันมากกว่าเดิมจนเคลÉือนทÉีไม่ได้ ของเหลวจะมีการจัดเรียงตัว กลายเป็นของแข็ง เรียกว่า การเยือกแข็ง (freezing) อุณหภูมิทีÉหลอมเหลวและเยือกแข็ง คือ อุณหภูมิเดียวกัน จุดหลอมเหลว (melting point) คือ อุณหภูมิขณะทีÉของแข็งเปลีÉยนสถานะเป็นของเหลว จุดหลอมเหลวเป็นสมบัติเฉพาะตัว ของของแข็ง มีค่าคงตัวเสมอ เมืÉอความดันคงทีÉ ของแข็งทีÉมีอนุภาคยึดเหนีÉยวกันด้วยแรงแวนเดอวาล์ส์สูง จะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่า ของแข็งทÉีมีแรงยึดเหนÉียวระหว่างอนุภาคตํÉา ข้อควรทราบ จุดหลอมเหลวขึÊนอยกูั่บความดันบรรยากาศ  การระเหิด เป็นปรากฏการณ์ทÉีของแข็งเปลÉียนสถานะเป็นไอ โดยไม่ต้องเปลÉียนเป็นของเหลวก่อน การระเหิดจะเกิดขึÊนบริเวณ ผิวหน้าของของแข็ง และการระเหิดเกิดขึÊนได้ทุกอุณหภูมิ การระเหิดอาจจะอธิบายได้ดังนีÊ เราทราบมาแล้วว่าอนุภาคของของแข็งอยชูิ่ดกันมากจึงไม่เคลÉือนทÉี แต่มีการสัÉนตลอดเวลา ทำให้อนุภาคของแข็งเกิดการชนกันพร้อมกับการถ่ายเทพลังงานระหว่างอนุภาค อนุภาคทÉีได้รับพลังงานจลน์มากกว่าแรงยึดเหนÉียว ระหว่างอนุภาคภายในของแข็งจะอยู่บริเวณผิวหน้าของของแข็ง และจะเคลืÉอนทีÉหลุดเป็นไอโดยไม่ผ่านเป็นของเหลวก่อน ของแข็งทีÉ สามารถระเหิดได้ เช่น นÊำแข็งแห้ง พิมเสน แอมโมเนียมคลอไรด์ ลูกเหม็น (แนฟทาลีน) การบูร เกล็ดไอโอดีน เป็นต้น
• 3.
  ปัจจัยทีÉมีผลต่อการระเหิด มีดังนีÊ 1)อุณหภูมิ อัตราการระเหิดจะขึÊนอยกูั่บอุณหภูมิ นันÉคือ ถ้าอุณหภูมิสูงของแข็งจะเกิดการระเหิดได้ง่าย 2) แรงยึดเหนีÉยวระหว่างอนุภาคภายในของแข็ง พบว่า ถ้าแรงยึดเหนีÉยวระหว่างอนุภาคภายในของแข็งมีค่าน้อย ของแข็งจะระเหิดได้ง่าย 3) ความดันบรรยากาศ พบว่า ถ้าความดันบรรยากาศสูง ของแข็งจะระเหิดได้ยาก ถ้าความดันบรรยากาศตํÉา ของแข็งจะระเหิดได้ง่าย 4) พืÊนทÉีผิวของของแข็ง พบว่า ถ้าพืÊนทÉีผิวของของแข็งมาก อัตราการระเหิดจะเร็วกว่าพืÊนทÉีผิวน้อย สรุป การระเหิด จะเกิดกับสารบางชนิดทÉีไม่มีขัÊวหรือมีขัÊวน้อยมาก และมีแรงยึดเหนÉียวระหว่างอนุภาคเป็นแรงแวนเดอวาล์สอย่างอ่อน เช่น แรงลอนดอน เป็นต้น 2. ของเหลว สมบัติของของเหลว  ของเหลวไหลได้หรือแพร่ได้ เพราะว่าของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลทÉีเคลÉือนทÉีได้ ทำให้โมเลกุล ของของเหลวเคลÉือนทÉี ไปมาได้ระยะใกล้ ๆ เป็นการเปลÉียนตำแหน่งกันไปมาระหว่างโมเลกุลทÉีอยใู่กล้ๆ ทำให้เกิดการเลÉือนไปบนโมเลกุลอÉืน ดังนัÊนของเหลวจึงไหลได้หรือแพร่ได้  ของเหลวมีรูปร่างไม่แน่นอน จะเปลีÉยนไปตามรูปร่างของภาชนะทีÉบรรจุ เนืÉองจากของเหลวไหลได้นัÉนเอง  ของเหลวมีปริมาตรคงทีÉ ไม่เปลีÉยนแปลงไปตามปริมาตรของภาชนะทีÉบรรจุเหมือนแก๊ส ก็เพราะว่าของเหลวมีแรงยึด เหนÉียวระหว่างโมเลกุลมากกว่าแก๊ส การเคลÉือนทÉีของโมเลกุลของของเหลวไม่อิสระเหมือนแก๊ส ดังนัÊนของเหลวเมÉือ บรรจุในภาชนะจึงไม่ฟุ้งกระจาย  ของเหลวขยายตัวหรือหดตัวได้บ้างเมืÉออุณหภูมิเปลีÉยนไป หรือกล่าวได้ว่าเมืÉออุณหภูมิเปลีÉยนแปลง ปริมาตรของของเหลวเปลีÉยนแปลงไปด้วย แต่เปลีÉยนแปลงไปจากเดิมน้อยมาก  การบีบหรืออัดของของเหลวจะไม่ทำให้ปริมาตรของของเหลวเปลÉียนไป เนÉืองจากโมเลกุลของ ของเหลวอยู่ชิดกัน และมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อย  ความหนืดของของเหลว (viscosity) คือ การต่อต้านการไหลของของเหลว ความหนืดของของเหลวขึÊนอยกูั่บแรงดึงดูด ระหว่างโมเลกุลในของเหลว ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก ทำให้การเลÉือนไหลไปบนโมเลกุลอÉืนเกิดขึÊนได้ยาก ความหนืดของของเหลวจะลดลงเมÉืออุณหภูมิสูงขึÊน เนÉืองจากเมÉืออุณหภูมิสูงขึÊนโมเลกุลของของเหลวจะมีพลังงานจลน์ เพิÉมขึÊนและชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ดังนัÊนของเหลวจะไหลได้เมÉือได้รับความร้อน ข้อสังเกต นักเรียนอาจสังเกตว่าของเหลวใดมีความหนืดมากกว่าได้โดย การปล่อยลูกเหล็กทรงกลมทีÉมีขนาดเท่ากันลงใน ของเหลวแต่ละชนิด ถ้าลูกเหล็กทรงกลมเคลÉือนทÉีลงในของเหลวใดได้ช้ากว่า แสดงว่าของเหลวนัÊนมีความหนืดมากกว่านันÉเอง  ความตึงผิว (surface tension)  แรงตึงผิวเป็นแรงทÉีเกิดขึÊนบริเวณผิวหน้าของของเหลว เพÉือทำให้ของเหลวหดตัวจนมีพืÊนทÉีผิวน้อยทÉีสุด (พืÊนทÉีผิวของ ทรงกลมจะมีค่าน้อยกว่าพืÊนทÉีผิวของรูปทรงอÉืน)  แรงตึงผิวทีÉเกิดจากแรงดึงดูดของโมเลกุลด้านข้าง จะยึดโมเลกุลของของเหลวบริเวณผิวหน้าไว้ให้อยู่ชิดกันมากทีÉสุด เหมือนกับว่าของเหลวยึดติดกันเป็นแผ่นฟิล์มบาง ๆ นัÉนคือ เราสามารถวางลวดหนีบกระดาษ เข็มเย็บผ้า หรือใบมีดโกน ให้ลอยอยบู่นผิวหน้าของนÊำได้โดยไม่จม (การวางจะต้องวางอย่างระมัดระวังบนผิวนÊำ) นอกจากนีÊแรงตึงผิวของนÊำ ยังทำให้แมลงตัวเล็กๆ เดินบนผิวนÊำได้โดยไม่จม  โดยทัวÉไป ของเหลวทÉีมีแรงยึดเหนÉียวระหว่างอนุภาคมาก จะมีแรงตึงผิวสูง เช่น นÊำมีความตึงผิวสูง เนÉืองจากมีสร้าง พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลจำนวนมาก และในกรณีปรอท มีแรงยึดเหนÉียวเป็นพันธะโลหะ จึงมีความตึงผิวมากกว่านÊำ นÊำมีความดึงผิวมาก เนÉืองจากโมเลกุลของนÊำยึดเหนÉียวด้วยพันธะไฮโดรเจน สังเกตได้จากทนÉีÊำสามารถอยใู่นลักษณะเป็น หยดบนผิวหน้าของวัตถุบางชนิดได้ค่อนข้างมากกว่าของเหลวชนิดอÉืน อย่างไรก็ตาม ความตึงผิวของนÊำลดลง เมอÉือุณหภูมิของนÊำเพิÉมขึÊน สารลดแรงตึงผิว (surfactants หรือ surface active agent) ได้แก่ เกลือ สบู่ และผงซักฟอก สามารถลดแรงตึงผิว ของนÊำได้ โดยการไปทำลายพันธะไฮโดรเจนในนÊำ โดย อรณี หัสเสม : เรียบเรียง 3
• 4.
  โดย อรณี หัสเสม: เรียบเรียง 4  ปรากฏการณ์คะปิลารี (การซึมตามรูเล็ก) เป็นปรากฏการณ์ทีÉเกิดจากการนำหลอดแก้วทีÉมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กๆ หรือทีÉเรียกว่า หลอดคะปิลารี (capillary tube) โดยเมืÉอนำไปจุ่มลงในของเหลวทีÉบรรจุไว้ในภาชนะ แล้วทำให้ระดับของ ของเหลวในหลอดคะปิลารีสูงหรือตํÉากว่าระดับขอของเหลวในภาชนะ ปรากฏการณ์คะปิลารี ทÉีเราเห็นอยทูั่วÉไป เช่น การเจาะเลือด รากพืชดูดนÊำ การลำเลียงอาหารไปสู่ส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย เมÉือจุ่มแปรงทาสีลงในนÊำแล้วค่อยๆ ยกแปลงทาสีขึÊน จะเห็นลักษณะของนÊำวิÉงขึÊนตามขนแปรงเป็นเส้นเล็ก ๆ เป็นต้น การเปลีÉยนสถานะของของเหลว  การระเหย เป็นการเปลÉียนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไออย่างช้าๆ และเกิดเฉพาะบริเวณผิวหน้าของของเหลว ดังนัÊน เมÉือนำของเหลวบรรจุในภาชนะเปิด ของเหลวจะสามารถระเหยกลายเป็นไอได้ตลอดเวลา ทำให้ปริมาตรของของเหลว จะค่อยๆลดลงและหมดไปในทีÉสุด การระเหยเป็นปรากฏการณ์ทีÉเกิดจากโมเลกุลของของเหลวบริเวณผิวหน้า มีพลังงานจลน์สูงกว่าแรงยึดเหนีÉยว ระหว่างโมเลกุล จึงสามารถเอาชนะแรงยึดเหนีÉยวระหว่างโมเลกุล แล้วหลุดออกจากผิวหน้าของของเหลวกลายเป็นไอ การอธิบายปรากฏการณ์ระเหย การระเหยของของเหลวเกิดขึÊนได้ตลอดเวลา แม้ว่าจะมีอุณหภูมิคงทÉี เนÉืองจาก โมเลกุลของของเหลวมีการเคลืÉอนทีÉตลอดเวลา และมีการชนกันระหว่างโมเลกุลพร้อมกับมีการถ่ายเทพลังงานจลน์ให้ แก่กันและกัน ภายหลังการชนกัน บางโมเลกุลจะมีพลังงานจลน์ลดลงและบางโมเลกุลจะมีพลังงานจลน์สูงขึÊน ถ้าโมเลกุล ทีÉมีพลังงานจลน์สูง อยู่บริเวณผิวหน้าของของเหลวทีÉมีพลังงานจลน์สูงกว่าแรงยึดเหนีÉยวระหว่างโมเลกุลของของเหลว ก็จะหลุดออกไปจากผิวหน้าของของเหลวกลายเป็นไอ แสดงว่า โมเลกุลทีÉอยู่บริเวณผิวหน้ามีโอกาสจะหลุดออกไปได้ ตลอดเวลา เรียกการเปลÉียนแปลงนีÊว่า การระเหย ขัÊนตอนต่าง ๆ ทÉีเกิดขÊึน เมÉือของของเหลวกลายเป็นไอ มีดังนÊี 1) โมเลกุลของของเหลวชนกันเอง 2) มีการถ่ายเทพลังงานจลน์ให้แก่กันและกัน 3) โมเลกุลมีพลังงานจลน์เพิÉมขึÊน 4) ชนะแรงยึดเหนีÉยวระหว่างโมเลกุล 5) โมเลกุลหลุดออกจากของเหลว กลายเป็นไอ 6) เกิดขึÊนเฉพาะบริเวณผิวหน้าของของเหลวเท่านัÊน สรุป กระบวนการระเหย ระบบดูดพลังงาน จากสิÉงแวดล้อม ปัจจัยทีÉมีผลต่อการระเหย มีดังนีÊ โมเลกุลทีÉมีพลังงานจลน์สูง จะหลุดออกจากผิวหน้าของ 1) อุณหภูมิ ทÉีอุณหภูมิสูงของเหลวจะเกิดการระเหยได้เร็วกว่าทÉีอุณหภูมิตํÉา 2) พÊืนทÉีผิวของของเหลว เนÉืองจากการระเหยเกิดขึÊนเฉพาะบริเวณผิวหน้าของของเหลวเท่านัÊน ดังนัÊน ถ้าของเหลวใดมีพืÊนทÉีผิวมากจะระเหยได้เร็ว 3) ชนิดของของเหลว ของเหลวใดมีแรงยึดเหนีÉยวระหว่างโมเลกุลน้อย จะระเหยได้ง่ายกว่าของเหลวทีÉแรงยึดเหนีÉยว ระหว่างโมเลกุลมาก 4) ความดันบรรยากาศ บริเวณทÉีมีความดันบรรยากาศตํÉา ของเหลวจะระเหยได้ง่ายกว่า บริเวณทีÉมีความดันบรรยากาศสูง ของเหลว โมเลกุลของของเหลวทีÉ เหลือจะมีพลังงานจลน์ เฉลีÉยลดลง
• 5.
  โดย อรณี หัสเสม: เรียบเรียง 5 ตัวอย่างเกีÉยวกับการระเหยในชีวิตประจำวัน มีดังนีÊ 1) เมืÉอเหงืÉอระเหยออกไปแล้วจะรู้สึกเย็น อธิบายได้ว่า เนืÉองจากเหงืÉอจะดูดความร้อนจากร่างกายมาใช้ในการระเหย พลังงาน (ความร้อน)ทÉีใช้ไปนีÊจะไปเพิÉมพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลของเหงÉือทÉีระเหยไป จึงทำให้อุณหภมูิของร่างกายลดลง 2) เพราะเหตุใดนÊำทÉีใส่ไว้ในโอ่งดินเผาจึงเย็นกว่านÊำทÉีใส่ไว้ในโอ่งเคลือบ อธิบายได้ว่า เนÉืองจากโอ่งดินเผามีรูพรุน นÊำ จึงซึมออกมาภายนอกและระเหยไปได้ และการระเหยนีÊ เป็นการเปลÉียนแปลงแบบดูดพลังงาน ความร้อนจากนÊำใน โอ่งดินเผาจึงถูกดูดนำไปใช้ในการระเหย นÊำในโอ่งอินเผาจึงเย็นกว่านÊำในโอ่งเคลือบซึÉงไม่มีรูพรุน ซึÉงนÊำระเหยออก ไปไม่ได้ พลังงานของโมเลกุลของนÊำจึงไม่ลดลง 3) เมืÉอเช็ดผิวหนังด้วยแอลกอฮอล์แล้วรู้สึกเย็น อธิบายได้ว่า เนืÉองจากโมเลกุลของแอลกอฮอล์ดูดความร้อนจากผิวหนัง มาใช้ในการระเหย พลังงาน(ความร้อน)ทÉีใช้ไปนีÊ จะไปเพิÉมพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลของแอลกอฮอล์ทÉีระเหยไป จึงทำให้อุณหภูมิบริเวณผิวหนังลดลง ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว  ถ้าใส่ของเหลวในภาชนะ 2 ใบ ใบหนึÉงเปิดฝา อีกใบหนึÉงปิดฝา พบว่า เมÉือเวลาผ่านไป จะสังเกตเห็นว่า  ใบทีÉเปิดฝา ของเหลวจะระเหยออกไป จนระดับลดลง  ใบทีÉปิดฝา ระดับของเหลวเกือบคงทีÉ เนืÉองจากโมเลกุลของของเหลวระเหยกลายเป็นไออยู่เหนือระดับของเหลว โมเลกุลของไอเหล่านีÊจะชนกับฝาภาชนะ ซึÉงผลรวมของแรงชนต่อหน่วยพืÊนทÉี เรียกว่า ความดันไอ (vapour pressure)  เมืÉอโมเลกุลของของเหลวกลายเป็นไอจำนวนมาก ก็จะเกิดการชนกันเอง กลับมาเป็นของเหลว เรียกว่า การควบแน่น (condensation) และถ้าเมÉือใดทÉีอัตราการกลายเป็นไอ เท่ากับ อัตราการกลันÉตัว เรียกว่า ของเหลวอยใู่นสภาวะสมดุล (สมดุลไดนามิก) และความดันไอทÉีเกิดตอนนีÊเรียกว่า ความดันไอสมดุลของของเหลว  สมดุลไดนามิก มิได้หมายความว่า ระบบจะหยุดนิÉง แต่จะมีการเปลÉียนแปลงตลอดเวลา จะเห็นระดับของเหลวคงท Éี และมีอัตราการระเหย เท่ากับ อัตราการกลันÉตัว  จุดเดือด (boiling point) หมายถึง อุณหภูมิทÉีของเหลวเปลÉียนสถานะกลายเป็นไอ ขณะนัÊน ความดันไอของของเหลว เท่ากับ ความดันภายนอก  ความดันไอ ขึÊนอยกูั่บ 1) อุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิสูง ของเหลวจะกลายเป็นไอ ความดันไอจะเพิมÉขึÊนด้วย 2) ชนิดของของเหลว ถ้าขอเหลวมีแรงยึดเหนÉียวระหว่างโมเลกุลมาก โอกาสกลายเป็นไอยาก ความดันไอจะตํÉา 3) พÊืนทÉีผิวของของเหลว ถ้ามีพืÊนทÉีผิวมาก จะกลายเป็นไอได้ง่าย ความดันไอจะสูง
• 6.
  3. แก๊ส ในหัวข้อนีÊ จะกล่าวถึงสมบัติทัวÉไปของแก๊ส ซึÉงมีดังนีÊ 1) แก๊สมีความสามารถในการขยายตัว หมายความว่า แก๊สไม่มีรูปร่างและปริมาตรทีÉแน่นอน แต่จะมีปริมาตรตามภาชนะทีÉบรรจุ 2) แก๊สมีความสามารถในการถูกอัดได้ หมายความว่า อนุภาคของแก๊สอยู่ห่างกันมาก มีแรงยึดเหนีÉยวระหว่างโมเลกุลน้อยมาก ดังนัÊนแก๊สจึงถูกอัดได้ เมÉือเพิÉมความดัน ทำให้ปริมาตรของแก๊สลดลง 3) อนุภาคของแก๊สเคลÉือนทÉีตลอดเวลาอย่างไม่เป็นระเบียบ จึงฟุ้งกระจายและเกิดการแพร่ได้ 4) มีความหนานแน่นน้อย ความหนาแน่นของแก๊สจะน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง 5) ปริมาตรของแก๊สจะสัมพันธ์กับอุณหภูมิและความดัน  ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊ส ตัวแปรทีÉมีผลต่อพฤติกรรมของแก๊ส ได้แก่ ปริมาตร (V) ความดัน (P) อุณหภูมิ (T) และปริมาณ (ในทีÉนีÉคือจำนวนโมล; n) ดังนัÊน เมÉือกล่าวถึงปริมาตรของแก๊ส จะต้องกำหนด หรือระบุภาวะของความดัน อุณหภูมิและจำนวนโมลของแก๊สเสมอ  ความดัน (Pressure ; P) ความดันของแก๊สเกิดขึÊนเนÉืองจากแก๊สประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมากมายทÉีเคลÉือนทÉีอย่างอิสระตลอดเวลาใน ภาชนะทÉีบรรจุอยู่ดังนัÊนจึงเกิดการชนกันเองระหว่างโมเลกุลของแก๊สด้วยกัน และยังมีการชนกันระหว่างโมเลกุลของแก๊ส กับผนังภาชนะทÉีใช้บรรจุ ทำเกิดแรงกระทำต่อภาชนะ ค่าเฉลÉียของแรงกระทำต่อหนึÉงหน่วยพืÊนทÉี ก็คือ ค่าความดันของแก๊ส ดังสมการ ความดันวัดเป็น แรงต่อหน่วยพืÊนทÉี ตามระบบหน่วยเอสไอ กำหนดว่า แรงมีหน่วยเป็นนิวตัน (N) และพืÊนทÉี มีหน่วยเป็นตารางเมตร (m2) ดังนัÊน หน่วยของความดันในระบบเอสไอ คือ นิวตัน ต่อ ตารางเมตร (N/m2) บนผิวโลกจะถูกอากาศทีÉห่อหุ้มโลกกดดันไว้ ความดันของอากาศทีÉปกคลุมผิวโลก เรียกว่า ความดันบรรยากาศ ทีÉผิวโลกจะมีความดันสูงและเหนือผิวโลกความดันจะลดลง เราไม่รู้สึกว่า มีความดันภายนอกมากระทำต่อร่างกายเรา เนÉืองจากความดันบรรยากาศเท่ากับความดันภายในร่างกาย การวัดความดันบรรยากาศ จะใช้อุปกรณ์ทีÉเรียกว่า บารอมิเตอร์ปรอท โดยการบรรจุปรอทไว้ในภาชนะแก้ว แล้วนำหลอดแก้วปลายปิดมาควํÉาไว้ ลักษณะ บารอมิเตอร์ปรอท 1. ทำด้วยปรอทซึÉงเป็นของเหลวทÉีมีความหนาแน่นมาก โดยใช้หลอดแก้วยาวมีพืÊนทÉีหน้าตัดเท่ากันตลอด ปลาย ด้านหนึÉงปิด และบรรจุปรอทจนเต็มหลอดแก้ว แล้วควํÉาปลายด้านเปิดลงบนอ่างปรอท 2. ระดับปรอทจะลดตํÉาลงเล็กน้อย และทำให้มีทÉีว่างตอนบนของหลอดแก้วซึÉงเป็นสุญญากาศ 3. การทÉีปรอทส่วนหนึÉงยังค้างอยภู่ายในหลอดแก้ว ก็เนÉืองจากแรงกดดันของบรรยากาศทÉีมีต่อผิวหน้าของปรอท ในอ่างปรอท จึงทำให้ระดับความสูงของปรอทมีค่าคงทÉี 4. ดังนัÊน ความสูงของปรอทในหลอดแก้วจึงเท่ากับความดันบรรยากาศ และได้จะได้ลำปรอทสูง ประมาณ şŞ เซนติเมตร หรือ şŞŘ มิลลิเมตร ซึÉงเรียกว่า ความดันเท่ากับ şŞŘ มิลลิเมตรปรอท (mmHg) หรือ ř บรรยากาศ (atm) การวัดความดันของแก๊สจะใช้อุปกรณ์ทีÉเรียกว่า มานอมิเตอร์ ความดันเฉลีÉยของบรรยากาศทีÉระกับนํÊาทะเล จะทำให้ปรอทสูง 760 มิลลิเมตรปรอททีÉอุณหภูมิ Ř องศาเซลเซียส เรียก ความดันนีÊว่า ความดันมาตรฐาน V = f (P,T,n) ความดัน (P) = แรงกระทำ (F) พืÊนทÉี (A) โดย อรณี หัสเสม : เรียบเรียง 6
• 7.
   อุณหภูมิ (temperature; T) อุณหภูมิทีÉใช้บอกสภาวะของแก๊ส คือ องศาเซลเซียส (৹C) และ เคลวิน (K) หรือ องศาสัมบูรณ์ T (K) = 273 + t (৹C) การเปรียบเทียบหน่วยสากลของอุณหภูมิ เป็นดังนีÊ Ř ৹C = 273 K řŘŘ ৹C = 373 K ৹ ตัวอย่างř เปลีÉยนอุณหภูมิ ŠŞ องศาเซลเซียส ให้เป็นเคลวิน จาก T (K) = 273 + t (৹C) ดังนัÊน T (K) = 273 + 86 = 359 K ตัวอย่างŚ เปลีÉยนอุณหภูมิ śŝš เคลวิน ให้เป็นองศาเซลเซียส จาก T (K) = 273 + t (৹C) ดังนัÊน 356 K = 273 + t (৹C) t (৹C) = 359 – 237 = 86৹C  ปริมาตร (Volume ; V) โดย อรณี หัสเสม : เรียบเรียง 7 ปริมาตรของแก๊สขึÊนอยกูั่บภาชนะทÉีบรรจุ เนÉืองจากอนุภาค (โมเลกลุ) ของแก๊สจะฟุ้งกระจายเต็มภาชนะทÉีบรรจุ และเคลืÉอนทีÉได้อย่างอิสระ หน่วยปริมาตรทีÉใช้ก็คือ ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm3) และลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) 1,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร = 1 ลุกบาศก์เดซิเมตร เนÉืองจากปริมาตรของแก๊สเปลÉียนแปลงไปตามอุณหภูมิและความดัน ดังนัÊน เพÉือความสะดวกในการเปรียบเทียบ ปริมาตรของแก๊ส จึงได้กำหนดอุณหภูมิและความดันมาตรฐานขึÊนมา ดังนีÊ ความดันมาตรฐาน เป็นความดันบรรยากาศเฉลÉีย วัดทÉีระดับนÊำทะเลมีค่าเท่ากับ ř บรรยากาศ (şŞŘ มิลลิเมตรปรอท) อุณหภูมิมาตรฐาน เป็นอุณหภูมิทีÉ Ř องศาเซลเซียส หรือ Śşś เคลวิน ณ อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (Standard Temperature and pressure ; STP) แก๊สทุกชนิด ř โมล จะมีปริมาตร ŚŚ.Ŝ ลูกบาศก์เดซิเมตร หรือ ŚŚ,ŜŘŘ ลูกบาศก์เซนติเมตร  ประเภทของแก๊ส นักวิทยาศาสตร์แบ่งประเภทของแก๊ส ออกเป็น 2 ประเภท ดังนีÊ 1. แก๊สในอุดมคติ หรือแก๊สสมบูรณ์แบบ (Ideal gas or Perfect gas) หมายถึง แก๊สทีÉอยู่ในภาวะใดๆ ก็ตาม (ไม่ว่าความดันหรืออุณหภูมิใดๆ) จะมีพฤติกรรมเป็นไปตามกฎต่าง ๆ ของแก๊สอุดมคติ เช่น - กฎของบอยล์ - กฎของชาล์ส - กฎของเกย์ลูสแซก - กฎรวมแก๊ส เป็นต้น และยังมีสมบัติเป็นไปตามทฤฏีจลน์ของแก๊สครบทุกข้อด้วย 2. แก๊สจริง (Real gas) หมายถึง แก๊สทีÉมีพฤติกรรมไม่เป็นไปตามกฎต่าง ๆ ของแก๊สในอุดมคติและทฤษฏีจลน์ของแก๊ส ทÉีภาวะปกติ แต่ในภาวะอุณหภูมิสูงมากๆ และความดันตํÉามากๆ แก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงแก๊สในอุดมคติ
• 8.
  โดย อรณี หัสเสม: เรียบเรียง 8  ทฤษฏีจลน์ของแก๊ส (The kinetics theory of gases) 1. แก๊สต่าง ๆ ประกอบด้วยอนุภาคทีมีÉขนาดเล็กมาก เรียกว่า โมเลกุล 2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน ไม่มีแรงยึดเหนีÉยวระหว่างกันและกัน แต่ละโมเลกุลมีอิสระในการเคลืÉอนทีÉ 3. โมเลกุลของแก๊สมีมวล แต่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่ามีปริมาตรเป็นศูนย์ 4. โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลือÉนทีÉเป็นเส้นตรงอย่างไม่เป็นระเบียบตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงทีÉ 5. การชนกันของโมเลกุลเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ คือ เมืÉอชนกันแล้วจะไม่สูญเสียพลังงานรวม แต่อาจมีการถ่ายเท พลังงานระหว่างโมเลกุลได้ 6. ทีÉอุณหภูมิคงทีÉ อัตราเร็วเฉลยีÉของแก๊สชนิดหนึÉงๆ จะมีค่าคงที É7. โมเลกุลของแก๊สใดๆ จะมีพลังงานจลน์เฉลียÉค่าหนึÉงเท่ากับ 1 mv2 2 8. ทีÉอุณหภูมิเดียวกัน แก๊สทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์เฉลีÉยเท่ากัน และพลังงานจลน์เฉลียÉขอแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน  กฎต่าง ๆ ของแก๊ส ทีÉนำมาอธิบายสมบัติของแก๊สอุดมคติ มีดังนีÊ 1. กฎของบอยล์ (Boyle,s Law) โดย โรเบิร์ต บอยล์ นักวิทยาสตราวอังกฤษ ได้ศึกษาเกÉียวกับสมบัติของแก๊ส และ สรุปได้ว่า “เมือÉอุณหภูมิและมวลของแก๊สคงทÉี ปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับความดันของแก๊ส” เขียนความสัมพันธ์ได้ดังนีÊ PV = R (R คือค่าคงทีÉ) P1V1 = P2V2 = R หรือ หรือ เมืÉอ T คงทีÉ V α 1 P ตัวอย่างทÉี 1 แก๊สชนิดหนึÉงมีปริมาตร 2.00 ลูกบาศก์เดซิเมตร ทÉีความดัน 1,000 กิโลพาสคาล ทำให้แก๊สนีÊขยายตัวออกไปโดยลด ความดันไปทÉี 300 กิโลพาสคาล ถ้าอุณหภูมิคงทÉี แก๊สนีÊจะมีปริมาตรกÉีลูกบาศก์เดซิเมตร วิธีทำ เมืÉออุณหภูมิคงทีÉ ใช้กฎของบอยล์ จากโจทย์ P1 = 1,000 kPa P2 = 300 kPa V1 = 2.00 dm3 V2 = ……… dm3 จากกฎของบอยล์ P1V 1 = P2V2 (1,000 kPa ) (2.00 dm3 ) = (300 kPa ) V2 V2 = (1,000 kPa ) (2.00 dm3 ) = 6.666… dm3 = 6.67 dm3 300 kPa ตัวอย่างทีÉ Ś แก๊สฮีเลียมมีปริมาตร ŚŘ dm3 ทีÉความดัน Ś.ŘŘ บรรยากาศ (atm) เมืÉอต้องการให้แก๊สฮีเลียมมีปริมาตร ŝ dm3 จะต้องลด หรือเพิÉมความดันเท่าใด สมมติอุณหภูมิคงทีÉ และแก๊สฮีเลียมมีพฤติกรรมเหมือนแก๊สในอุดมคติ วิธีทำ จากโจทย์ V1 = 20 dm3 V2 = 5 dm3 P1 = 2.00 บรรยากาศ P2 = ……บรรยากาศ จากกฎของบอยล์ P1V 1 = P2V2 (2.00 บรรยากาศ) (20 dm3 ) = P2 (ŝ dm3) P2 = (2.00 บรรยากาศ) (20 dm3 ) = 8 บรรยากาศ ŝ dm3 ดังนัÊน จะต้องใช้ความดัน Š บรรยากาศ หรือ เพÉิมความดัน Š – Ś = 6 บรรยากาศ แบบฝึกหัดทีÉ ř แก๊ส A จำนวน Ś.Ř กรัม มีปริมาตร śŘŘ cm3 เมืÉอความดัน şŞŘ มิลลิเมตรปรอท ถ้าเปลีÉยนความดันเป็น šŘŘ มิลลิเมตรปรอท โดยให้อุณหภูมิคงทีÉแล้วปริมาตรของแก๊ส A จะเป็นเท่าใด (253.33 cm3)
• 9.
  2. กฎของชาล์ส (Charles’sLaw) กล่าวว่า เมืÉอความดันคงทีÉ ปริมาตรของแก๊สใด ๆ ทีÉมีมวลคงทีÉ จะแปรผันตรงกับ อุณหภูมิเคลวิน สามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังนีÊ หรือ หรือ เมืÉอ P คงทีÉ V2 T2 V1 T1 โดยทีÉอุณหภูมิ (T) จะต้องเป็น เคลวิน (K) เสมอ ตัวอย่างทีÉ ś ปริมาตรของแก๊ส X ทีÉ Ř৹C เท่ากับ ŞŘŘ cm3 ปริมาตรของแก๊ส X จะเป็นเท่าไรทีÉ Śŝ ৹C ถ้าความดันคงทีÉ เมืÉอความดันคงทีÉ ใช้กฏของชาล์ส วิธีทำ จากโจทย์ T1 = Ř৹C (273 + Ř৹C = 273 K ) T2 = Śŝ৹C (273 + Śŝ৹C = 298 K ) V1 = 600 cm3 V2 = …… cm3 จากกฏของชาล์ส = 600 cm3 = V2 273 K 298 K V2 = (600 cm3 ) (298 K ) = 654.95 cm3 273 K แบบฝึกหัดทÉี Ś กระบอกสูบอันหนึÉง บรรจุแก๊สนีออน ŝŘŘ cm3 ทÉี Śş৹C ต้องเพิÉมอุณหภูมิอีกเท่าใด แก๊สนีออนจึงมีปริมาตรเท่ากับ şŝŘ cm3 ทีÉความดันคงทีÉ (řŝŘ ৹C) 3. กฎรวมแก๊ส เกิดจากการรวมกฎของบอยล์และกฎของชาล์ส กฎรวมแก๊ส คือ ตัวอย่างทีÉ ŝ แก๊สอาร์กอนมีปริมาตร ŚŝŘ cm3 ทีÉอุณหภูมิ ŚŘ৹C ความดัน şŠŝ มิลลิเมตรปรอท จงหาว่า ทีÉอุณหภูมิ śş৹C ความดัน şşŘ มิลลิเมตรปรอท แก๊สอาร์กอน มีปริมาตรเท่าไร วิธีทำ จากโจทย์ V1 = ŚŝŘ cm3 V2 = ........... cm3 T1 = ŚŘ৹C (273 + ŚŘ৹C = 293 K ) T2 = śş৹C (273 + śş৹C = 310 K ) P1 = şŠŝ มิลลิเมตรปรอท P2 = şşŘ มิลลิเมตรปรอท จากกฏรวมแก๊ส (şŠŝ mmHg )( ŚŝŘ cm3) = ( 770 mmHg) V2 293 K 310 K V2 = (şŠŝ mmHg )( ŚŝŘ cm3)(310 K) = 269.66 cm3 ( Śšś K)(770 mmHg) V α T V = RT (R คือค่าคงทีÉ) = = R V2 T2 V1 T1 กฎของบอยล์ P1V 1 = P2V2 กฎของบอยล์ = V2 T2 V1 T1 กฎรวมแก๊ส = P2V2 T2 P1V1 T1 รวม ได้เป็น = P2V2 T2 P1V1 T1
• 10.
  โดย อรณี หัสเสม: เรียบเรียง 10 4. กฎของเกย์ ลุสแซก (Gay – Lussac’s Law) กล่าวว่า เมืÉอปริมาตรคงทีÉ ความดันของแก๊สใด ๆ ทีÉมีมวลคงทีÉจะแปรผันตรงกับ อุณหภูมิเคลวิน สามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ ดังนีÊ P α T P = R T (R คือค่าคงทÉี) = = R หรือ หรือ เมืÉอ V คงทีÉ โดยทีÉอุณหภูมิ (T) จะต้องเป็น เคลวิน (K) เสมอ ตัวอย่างทÉี Ŝ อากาศในถังใบหนึÉงมีความดัน ŠŘŘ มิลลิเมตรปรอท ทÉี śŘ ৹C เมÉือวางไว้กลางแดด อุณหภูมิเพิÉมเป็น ŜŘ ৹C ความดัน ของอากาศในถังเป็นเท่าใด วิธีทำ จากโจทย์ P1 = ŠŘŘ มิลลิเมตรปรอท P2 = ...........มิลลิเมตรปรอท T1 = śŘ৹C (273 + śŘ৹C = 303 K ) T2 = ŜŘ৹C (273 + ŜŘ৹C = 313 K ) จากกฏของชาล์ส = 800 mmHg = P2 303 K 313 K P2 = (800 mmHg ) (313 K ) = 826.40 มิลลิเมตรปรอท 303 K แบบฝึกหัดทÉี 4 แก๊ส A จำนวนหนึÉงบรรจุในถังซึÉงมีปริมาตร ś ลิตร วัดความดันทÉีอุณหภูมิ Śŝ ৹C เท่ากับ şŞŘ มิลลิเมตรปรอท ถ้าต้องการให้ความดันของแก๊ส A ภายในถังเพิÉมขึÊนอีก řŜŘ มิลลิเมตรปรอท จะต้องเพิÉมอุณหภูมิอีกกÉีองศาเซลเซียส (ŝŜ.Šš৹C) 5. กฎของอาโวกาโดร (Avogadro’s Law ) กล่าวว่า เมืÉออุณหภูมิและความดันคงทีÉ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับ จำนวนโมลของแก๊ส ดังนีÊ V2 n2 V1 n1 หรือ หรือ หรือ เมืÉอ T, P คงทีÉ เมืÉอนำกฎรวมแก๊ส และ กฎของอาโวกาโดรมารวมกัน จะได้ รวม ได้เป็น P2V2 n2T2 หรือ = R หรือ PV = RnT หรือ PV = nRT หรือ PV = RT แต่ละตัวแปรมีหน่วย (บังคับ) ดังนีÊ P = บรรยากาศ V = ลิตร n = โมล ( ) T = เคลวิน R = ค่าคงทีÉของแก๊ส มีค่าเท่ากับ 0.082 P2 T2 P1 T1 P2 T2 P1 T1 V α n V = Rn (R คือค่าคงทีÉ) = = R กฎรวมแก๊ส = P2V2 T2 P1V1 T1 กฏของอาโวกาโดร = V2 n2 V1 n1 = = R (R คือค่าคงทีÉ) P1V1 n1 T1 PV nT g mw g mw
• 11.
  โดย อรณี หัสเสม: เรียบเรียง 11 ตัวอย่างทีÉ 5 แก๊ส A หนัก 0.52 กรัม บรรจุในภาชนะปริมาตร 300 cm3 ถ้าความดันของแก๊สทÉีกระทำต่อภาชนะเท่ากับ 470 มม.ปรอท มวลโมเลกุลของแก๊ส A = 104 จงหาอุณหภูมิของแก๊ส 300 1000 จากโจทย์ g = 0.52 กรัม V = = 0.3 ลิตร (เนÉืองจาก 1 ลิตร = 1000 cm3) 470 760 P = = 0.62 บรรยากาศ (atm) (เนืÉองจาก 1 บรรากาศ = 760 มม.ปรอท) มวลโมเลกุลแก๊ส A = 104 T = ??? g mw จากสูตร PV = nRT หรือ PV = RT 0.52 กรัม 104 (0.62 บรรยากาศ )(0. 3 ลิตร) = (0.082) T 0.186 = 0.00041 T T = = 453.66 เคลวิน 0.186 0.00041 แบบฝึกหัดทีÉ 5 แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (มวลโมเลกุล 64) 740 มิลลิเมตรปรอท ทีÉ 25 องศาเซลเซียส มีปริมาตร 250 ลูกบาศก์เซนติเมตร จะหนักเท่าใด (0.637 กรัม) สรุปสูตร ได้ดังนีÊ 1) กฎของบอยล์ T คงทีÉ P α 2) กฎของชาล์ส P คงทีÉ V α T 1 V P1V1 = P2V2 = R V2 T2 = = R V1 T1 P1V1 T1 3) กฎรวมแก๊ส (กฎของบอยล์ + กกของชาล์ส) = 4) กฎของเกย์-ลุสแซก V คงทีÉ P α T 5) กฎของอาโวกาโดร T, P คงทีÉ V α n P2V2 T2 = P2 T2 P1 T1 = V2 n2 V1 n1 รวมทุกกฎ PV = nRT หรือ PV = RT g mw