สสารคืออะไร

สถานะ เป็นกลุ่มของสภาพระบบทางกายภาพที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าซึ่งมีความสัมพันธ์กับโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ เช่น ความหนาแน่น, โครงสร้างผลึก (crystal structure), ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) และอื่นๆ

สถานะที่คุ้นเคยกันมาก ได้แก่ ของแข็ง, ของเหลว, และแก๊ส

ส่วนสถานที่ไม่เป็นที่รู้จักกันมากนัก ได้แก่ พลาควาร์ก-กลูออน พลาสม่า, โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต และ เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต, วัตถุประหลาด, ผลึกเหลว, ซูเปอร์ฟลูอิด ซูเปอร์โซลิด พาราแมกเนติก, เฟอโรแมกเนติก, เฟสของ วัสดุ แม่เหล็ก

 

สสารคืออะไรวัตถุต่างๆ ที่อยู่รอบตัวเรา เช่น อากาศ ก๊าซ ดิน น้ำ หรือหนังสือ เป็นสสารทั้งสิ้น ตัวเราเองก็เป็นสสาร สัตว์และพืชก็เป็นสสาร

สสารจะมีคุณสมบัติ 2 ประการ คือ

ต้องการที่อยู่ ถ้าเราเอาหินใส่ในกล่องกระดาษใบหนึ่งทีละก้อน ในที่สุดก้อนหินจะเต็มกล่อง ไม่สามารถใส่ก้อนหินได้อีก เพราะก้อนหินต้องการที่อยู่กล่องจึงเต็ม หรือถ้วยแก้วที่เรามองดูว่าว่างเปล่า แท้ที่จริงแล้วมีอากาศอยู่ภายใน แต่เรามองไม่เห็นมัน ลองเอากระดาษมาหนึ่งชิ้น ใส่ลงไปในก้นแก้วเปล่า แล้วคว่ำถ้วยแก้วนี้ลงไปในถังน้ำ หรืออ่างน้ำ กดให้แก้วจมอยู่ในน้ำสักครู่ จึงยกถ้วยแก้วขึ้นมาตรงๆ จะเห็นว่ากระดาษจะไม่เปียก เพราะน้ำเข้าไปในแก้วไม่ได้ แสดงว่ามีสิ่งใดสิ่งหนึ่งอยู่ในแก้ว นั่นก็คือ อากาศ ดังนั้นอากาศก็ต้องการที่อยู่ น้ำจึงเข้าไปในแก้วไม่ได้

มีน้ำหนัก สสารทุกอย่างต้องมีน้ำหนัก เช่น กระดาษเราอาจจะไม่รู้สึกว่ากระดาษมันหนัก แต่ถ้าลองยกหนังสือสัก 10 เล่ม จะรู้สึกได้ว่ากระดาษนั้นก็มีน้ำหนัก หรือนำลูกบอลที่ยังไม่ได้สูบลมมาวางไว้บนตาชั่ง แล้วดูว่าหนักเท่าไร หลังจากนั้นนำลูกบอลไปสูบ ให้อากาศเข้าไปจนเต็มลูกบอล แล้วนำไปวางบนตาชั่งอีกครั้ง จะเห็นว่าครั้งนี้ลูกบอลจะหนักกว่าครั้งแรก แสดงว่าอากาศที่เพิ่มเข้าไปในลูกบอลนั้นมีน้ำหนัก

 

 

สสารมี 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ

 

ของแข็ง (Solid) คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ชิดกัน มีช่องว่างระหว่างอนุภาคน้อย อนุภาค ของสสารจึงเคลื่อนไหวได้ยาก ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างคงที่เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ยาก สสารที่มีสถานะเป็นของแข็ง เช่น

     สมุด            ดินสอ           กล้องถ่ายรูป          ร่ม      ไม้ปิงปอง

ของเหลว (Liquid) คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ห่างกันมากกว่าของแข็ง จึงอยู่กันอย่างหลวม ๆ  อนุภาคของสสารจึงเคลื่อนไหวได้ง่ายขึ้น ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ สสารที่มีสถานะเป็นของเหลว เช่น

    น้ำส้ม    นม       น้า 

ก๊าซ (Gas) คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ห่างกัน จึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันน้อยมาก ทำ ให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างไม่แน่นอน เมื่อสสารอยู่ในภาชนะใดอนุภาคของสสารจะฟุ้งกระจายเต็มภาชนะสสารที่มีสถานะเป็นก๊าซ เช่น อากาศ ก๊าซหุงต้ม  เป็นต้น

     ก๊าซ         ก๊าซ

 

ตารางแสดงสมบัติของสถานะของสสาร

 

ของแข็ง

ของเหลว

ก๊าซ

ไม่เปลี่ยนรูปร่าง
อยู่กับที่
ทะลุผ่านได้ยาก
บีบอัดให้เล็กลงไม่ได้ 

รูปร่างเป็นไปตามภาชนะที่บรรจุ
ไหลได
ทะลุผ่านได้ง่าย
บีบอัดให้เล็กลงได้ยาก้

รูปร่างเต็มภาชนะที่บรรจุ
ฟุ้งกระจายอย่างรวดเร็ว
ทะลุผ่านได้ง่ายมาก
บีบอัดให้เล็กลงได้ง่าย

 

สถานะ (สสาร)

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

ไปที่: ป้ายบอกทาง, ค้นหา

   

บทความนี้ต้องการเก็บกวาด ตรวจสอบ ปรับปรุง แก้ไขรูปแบบ เพิ่มแหล่งอ้างอิง ใส่หมวดหมู่ ใส่ลิงก์ภายใน หรือภาษาที่ใช้ ในส่วนใดส่วนหนึ่งหรือหลายส่วนด้วยกัน เพื่อให้ได้ตามมาตรฐานวิกิพีเดียไทย
คุณสามารถช่วยแก้ไขได้ โดยการตรวจสอบและปรับปรุงบทความนี้

กรุณาเปลี่ยนไปใช้ป้ายข้อความอื่น เพื่อระบุสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ หรือแก้ไข
ดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ วิธีแก้ไขหน้าพื้นฐาน คู่มือการเขียน และ นโยบายวิกิพีเดีย เมื่อบทความนี้ได้รับการแก้ไขตามนโยบายแล้ว ให้นำป้ายนี้ออก

สถานะ เป็นกลุ่มของสภาพระบบทางกายภาพที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าซึ่งมีความสัมพันธ์กับโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ เช่น ความหนาแน่น, โครงสร้างผลึก (crystal structure) , ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) และอื่นๆ

สถานะที่คุ้นเคยกันมาก ได้แก่ ของแข็ง, ของเหลว, และแก๊ส

ส่วนสถานที่ไม่เป็นที่รู้จักกันมากนัก ได้แก่ พลาสมา และ ควาร์ก-กลูออน พลาสม่า, โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต และ เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต, วัตถุประหลาด, ผลึกเหลว, ซูเปอร์ฟลูอิด ซูเปอร์โซลิด พาราแมกเนติก, เฟอโรแมกเนติก, เฟสของ วัสดุ แม่เหล็ก

เนื้อหา

[ซ่อน]

[แก้] คำจำกัดความ

ถึงแม้ว่าสถานะเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์กายภาพ แต่มันก็ไม่ง่ายที่จะให้คำจำกัดความที่ถูกต้องเที่ยงตรง ก่อนที่เราจะให้คำจำกัดความโดยทั้วไป เราลองมาดูตัวอย่างเกี่ยวกับสถานะกันก่อนสักสองตัวอย่าง

[แก้] ตัวอย่างที่ 1: สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

น้ำ (H2O) ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมเกาะติดกับออกซิเจนตรงกลางหนึ่งอะตอม ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ใกล้กันและมีแรงดึงดูดต่อกันอย่างอ่อนๆ โดยไม่เกาะติดกัน ทำให้แต่ละโมเลกุลเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กันได้เหมือนเม็ดทรายในนาฬิกาทราย พฤติกรรมของโมเลกุลน้ำที่มองไม่เห็นนี้ปรากฏออกมาให้เราเห็นเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งเราคุ้นเคยกันดี เนื่องจากโมเลกุลของน้ำไม่รวมกันอยู่เป็นโครงสร้างที่แข็งตึง รูปร่างของน้ำจึงไม่ตายตัว และปรับสภาพเลื่อนไหลไปตามภาชนะที่บรรจุ และเนื่องจากโมเลกุลของน้ำอยู่ใกล้กันมากอยู่แล้ว น้ำจึงมีความต้านทานต่อการบีบอัด สังเกตได้จากการบีบลูกโป่งที่บรรจุน้ำซึ่งทำไม่ได้ง่ายเหมือนกับการบีบลูกโป่งที่บรรจุอากาศ

[แก้] รายชื่อและคุณสมบัติของสถานะของสสาร

สถานะของสสาร (phases of matter) มีความแตกต่างกันมากมาย โดยทั่วไปสถานะของสสารจะสังเกตความแตกต่างกันที่ ความดัน และ อุณหภูมิ การปรับเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะอื่นตามสภาวะที่เหมาะสมตัวอย่างเช่น การหลอมเหลว และ การเยือกแข็ง (freezing)

  • ของแข็ง (Solid) : สามารถคงรูปร่างของตัวเองได้โดยไม่ต้องมีภาชนะ
    • อสัณฐานของแข็ง (Amorphous solid) : เป็นของแข็งที่ไม่มีการจัดระเบียบความยาวช่วง (long-range order) ตำแหน่งของอะตอม แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ
      • อสัณฐานแก้วแข็ง (Amorphous glassy solid)
      • อสัณฐานยางแข็ง (Amorphous rubbery solid)
    • ผลึก (Crystaline solid) : เป็นของแข็งที่ส่วนประกอบอะตอม โมเลกุล หรือไอออนถูกบรรจุและอัดตัวกันอย่างมีระเบียบและแบบแผนที่ซ้ำๆ กัน
  • ของเหลว (Liquid) : เป็น ของไหล ที่ไม่มีการอัดตัวกัน สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้ แต่ยังคงรักษาปริมาตรให้คงที่อยู่ไดโดยความดันต้องเป็นอิสระ
  • ก๊าซ (Gas) : เป็นของไหลที่สามารถบีบอัดได้ (compressible fluid) มันไม่เพียงแต่เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มปริมาณการบรรจุเข้าไปในภาชนะได้อีก
  • เจล (Gel) : เป็นของแข็งเมื่อสังเกตด้วยสายตา แต่เมื่อสัมผัสจะรู้สึกว่าเป็นวัสดุคล้ายวุ้นเกิดจากสารละลายคอลลอยด์ (colloidal solution) โดยน้ำหนักแล้วเจลเกือบเป็นของเหลว แต่พฤติกรรมเหมือนของแข็ง (โดยไม่สามารถแยกสถานะอย่างเด็ดขาดได้)
  • พลาสมา (Plasma) : เป็นก๊าซที่ อิเล็กตรอน สามารถแยกตัวเป็นอิสระจากอะตอมของมันได้และแพร่กระจายประจุไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าได้
  • ของไหลยิ่งยวด

(Superfluid) : เป็นสถานะที่เมื่อของเหลวอยู่ใน ภาวะเย็นยวดยิ่ง อุณหภูมิยิ่งยวดแล้วยังสามารถไหลได้โดยไม่มี แรงเสียดทาน ของไหลยิ่งยวดสามารถไหลออกจากภาชนะที่เปิดฝาและไหลลงพื้นข้างล่างได้

 จากการเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกัน แต่คู่ของ 2 เฟอร์มิออน สามารถแสดงพฤติกรรมเป็น โบสัน และคู่มันสามารถเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกันโดยไม่มีข้อจำกัด

 


 




ถึงแม้ว่าสถานะเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์กายภาพ แต่มันก็ไม่ง่ายที่จะให้คำจำกัดความที่ถูกต้องเที่ยงตรง ก่อนที่เราจะให้คำจำกัดความโดยทั้วไป เราลองมาดูตัวอย่างเกี่ยวกับสถานะกันก่อนสักสองตัวอย่าง

[แก้] ตัวอย่างที่ 1: สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

น้ำ (H2O) ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมเกาะติดกับออกซิเจนตรงกลางหนึ่งอะตอม ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ใกล้กันและมีแรงดึงดูดต่อกันอย่างอ่อนๆ โดยไม่เกาะติดกัน ทำให้แต่ละโมเลกุลเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กันได้เหมือนเม็ดทรายในนาฬิกาทราย พฤติกรรมของโมเลกุลน้ำที่มองไม่เห็นนี้ปรากฏออกมาให้เราเห็นเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งเราคุ้นเคยกันดี เนื่องจากโมเลกุลของน้ำไม่รวมกันอยู่เป็นโครงสร้างที่แข็งตึง รูปร่างของน้ำจึงไม่ตายตัว และปรับสภาพเลื่อนไหลไปตามภาชนะที่บรรจุ และเนื่องจากโมเลกุลของน้ำอยู่ใกล้กันมากอยู่แล้ว น้ำจึงมีความต้านทานต่อการบีบอัด สังเกตได้จากการบีบลูกโป่งที่บรรจุน้ำซึ่งทำไม่ได้ง่ายเหมือนกับการบีบลูกโป่งที่บรรจุอากาศ

[แก้] รายชื่อและคุณสมบัติของสถานะของสสาร

สถานะของสสาร (phases of matter) มีความแตกต่างกันมากมาย โดยทั่วไปสถานะของสสารจะสังเกตความแตกต่างกันที่ ความดัน และ อุณหภูมิ การปรับเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะอื่นตามสภาวะที่เหมาะสมตัวอย่างเช่น การหลอมเหลว และ การเยือกแข็ง (freezing)

·      ของแข็ง (Solid) : สามารถคงรูปร่างของตัวเองได้โดยไม่ต้องมีภาชนะ

o     อสัณฐานของแข็ง (Amorphous solid) : เป็นของแข็งที่ไม่มีการจัดระเบียบความยาวช่วง (long-range order) ตำแหน่งของอะตอม แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ

§      อสัณฐานแก้วแข็ง (Amorphous glassy solid)

§      อสัณฐานยางแข็ง (Amorphous rubbery solid)

o     ผลึก (Crystaline solid) : เป็นของแข็งที่ส่วนประกอบอะตอม โมเลกุล หรือไอออนถูกบรรจุและอัดตัวกันอย่างมีระเบียบและแบบแผนที่ซ้ำๆ กัน

·      ของเหลว (Liquid) : เป็น ของไหล ที่ไม่มีการอัดตัวกัน สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้ แต่ยังคงรักษาปริมาตรให้คงที่อยู่ไดโดยความดันต้องเป็นอิสระ

·      ก๊าซ (Gas) : เป็นของไหลที่สามารถบีบอัดได้ (compressible fluid) มันไม่เพียงแต่เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มปริมาณการบรรจุเข้าไปในภาชนะได้อีก

·      เจล (Gel) : เป็นของแข็งเมื่อสังเกตด้วยสายตา แต่เมื่อสัมผัสจะรู้สึกว่าเป็นวัสดุคล้ายวุ้นเกิดจากสารละลายคอลลอยด์ (colloidal solution) โดยน้ำหนักแล้วเจลเกือบเป็นของเหลว แต่พฤติกรรมเหมือนของแข็ง (โดยไม่สามารถแยกสถานะอย่างเด็ดขาดได้)

·      พลาสมา (Plasma) : เป็นก๊าซที่ อิเล็กตรอน สามารถแยกตัวเป็นอิสระจากอะตอมของมันได้และแพร่กระจายประจุไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าได้

·      ของไหลยิ่งยวด

(Superfluid) : เป็นสถานะที่เมื่อของเหลวอยู่ใน ภาวะเย็นยวดยิ่ง อุณหภูมิยิ่งยวดแล้วยังสามารถไหลได้โดยไม่มี แรงเสียดทาน ของไหลยิ่งยวดสามารถไหลออกจากภาชนะที่เปิดฝาและไหลลงพื้นข้างล่างได้

·      ของแข็งยิ่งยวด (Supersolid) : คล้ายกับของไหลยิ่งยวด ของแข็งยิ่งยวดสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไมมีแรงเสียดทานแต่ยังคงรักษารูปทรงเดิมของมันได้อยู่

·      สสารเสื่อม (Degenerate matter) : พบในเปลือกของดาวแคระขาว ซึ่งอิเล็กตรอนยังคงเกาะอยู่กับอะตอมแต่สามารถเคลื่อนย้ายไปยังอะตอมใกล้เคียงได้

·      นิวโตรเนียม (Neutronium) : พบใน ดาวนิวตรอน (neutron stars) ที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงและแรงกดดันจำนวนมหาศาลบีบอัดอะตอมให้แข็งจนอิเล็กตรอน ถูกอัดเป็นนิวเคลียส เป็นผลให้เกิดการรวมกลุ่มด้วยความหนาแน่นยิ่งยวดกลายเป็นนิวตรอน

·      สสารสมมาตรเข้ม (Strongly symmetric matter) : ประมาณว่า 10-36 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง พลังงานหนาแน่นสูงของจักรวาลซึ่งสูงจนกระทั่งว่า แรงธรรมชาติ 4 ชนิดคือ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, และ แรงโน้มถ่วง, ถูกรวมกันเป็นแรงเดียวแล้วจักรวาลก็ขยายออก อุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงและแรงอย่างแก่แยกสะลายออกซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การแตกสมมาตร(symmetry breaking)

·      สสารสมมาตรอ่อน (Weakly symmetric matter) : ประมาณว่า 10-12 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง แรงแก่ อ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้ารวมตัวกัน

·      โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต (Bose-Einstein condensate) : เป็นสถานะที่ซึ่งจำนวนมหาศาลของ โบสัน(boson) ทั้งหมดอยู่ใน สถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกันเป็นผลให้กลายเป็น คลื่นเดี่ยว/อนุภาค

·      เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต (Fermionic condensate) : คล้ายกับ โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต แต่ประกอบด้วย เฟอร์มิออน (fermion) กฏกันออกไปของพอลิ (Pauli exclusion principle) ป้องกันเฟอร์มิออน

 จากการเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกัน แต่คู่ของ 2 เฟอร์มิออน สามารถแสดงพฤติกรรมเป็น โบสัน และคู่มันสามารถเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกันโดยไม่มีข้อจำกัด

·      ควาร์ก-กลูออน พลาสม่า (Quark-gluon plasma) : สถานะที่ ควาร์ก (quarks) เป็นอิสระและสามารถเคลื่อนที่อย่างไร้ขีดจำกัด (มากกว่าที่จะเกาะกับอนุภาค) ในทะเลของ กลูออน (gluons) (อนุภาคย่อยของอะตอมที่เคลื่อนย้าย แรงเข้ม ที่ติดด้วยกันกับควาร์ก) อาจเป็นข้อสรุปได้ใน ตัวเร่งอนุภาค

·      สสารประหลาด (Strange matter) : (aka Quark matter) อาจมีในดาวนิวตรอน ขนาดใหญ่โดยเฉพาะ

42 บทที่ 4

จุดเดือดและจุดหลอมเหลว

(BOILING POINTS AND MELTING POINTS)

สมบัติทางกายภาพของสารที่สังเกตและตรวจสอบได้ไม่ยาก เช่น สถานะ สี กลิ่น รูปร่างผลึก น้ำหนักโมเลกุล ความหนาแน่น ดัชนีหักเห จุดเดือด หรือ จุดหลอมเหลว มีประโยชน์เป็นอย่างมากในการช่วยบ่งชี้ชนิดและความบริสุทธิ์ของสาร วิธีที่ใช้ตรวจสอบชนิดและความบริสุทธิ์ของสารอย่างรวดเร็ววิธีหนึ่งคือการหาจุดเดือดหรือจุดหลอมเหลว ซึ่งมักจะทำก่อนการตรวจสอบด้วยวิธีการทางเคมีหรือทางสเปกโตรสโคปี เช่น นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (nuclear magnetic resonance; NMR) อินฟราเรด (infrared; IR) แมสสเปกโตเมตรี (mass spectrometry; MS) และ เอกซ์เรย์คริสทัลโลกราฟี (x-ray crystallography)

เมื่อของแข็งได้รับความร้อนโมเลกุลของสารจะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น ทำให้แต่ละโมเลกุลมีพลังงานในตัวเองสูงขึ้น จนถึงระดับที่สามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล เช่น แรงไอออนิก แรงแวนเดอร์วาลส์ แรงไดโพล-ไดโพล หรือพันธะไฮโดรเจน ทำให้โมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้เป็นอิสระเพิ่มขึ้น จึงแปรสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว อุณหภูมิที่ของแข็งเปลี่ยนเป็นของเหลวก็คือ จุดหลอมเหลว ของสารนั้นๆ และหากให้ความร้อนของเหลวต่อไป พลังงานภายในโมเลกุลของเหลวจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งสามารถเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลว โมเลกุลของของเหลวบางส่วนจึงเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอ เมื่อของเหลวได้รับพลังงานความร้อนมากขึ้นสัดส่วนของสารที่กลายเป็นไอก็จะมีมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อความดันไอของสารมีค่าสูงเท่ากับความดันบรรยากาศ สารทั้งหมดเข้าสู่สมดุลของการกลายเป็นไอ อุณหภูมิที่เกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวคือ จุดเดือดของสาร โดยทั่วไปแล้วความดันบรรยากาศอยู่ที่ 760 mmHg หรือ 1 atm นั่นเอง จุดเดือดของสารที่ความดันนี้เรียกว่า จุดเดือดปกติ รูปที่ 4.1 แสดงตัวอย่างเฟสไดอะแกรมของคาร์บอนไดออกไซด์ นิสิตลองพิจารณาดูว่า ที่ความดันบรรยากาศต่ำๆจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของจุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารอย่างไรเมื่อเทียบกับที่ความดันบรรยากาศสูงๆ ? 43

รูปที่ 4.1 เฟสไดอะแกรมของคาร์บอนไดออกไซด์

จุดเดือด

รูปที่ 4.2 ความดันไอของสารที่อุณหภูมิต่างๆ

กราฟในรูปที่ 4.2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอของสารกับอุณหภูมิ จากกราฟให้ลองหาจุดเดือดปกติของสาร A B และ C และหากขึ้นไปที่ทิเบต ซึ่งมีความดันเพียง 700 mm Hg สาร B จะเดือดที่อุณหภูมิเท่าไร? จากการพิจารณาคำถามทั้งสองคำถามข้างต้นนี้ จะพบว่าจุดเดือดของสารขึ้นกับความดันบรรยากาศ ดังนั้นการบันทึกอุณหภูมิที่สารเดือดจึงต้องระบุความดันบรรยากาศด้วยเสมอ 44

เวลา10060อุณหภูมิ เวลา10060

() ()

รูปที่ 4.3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิขณะเดือดกับเวลาของ () สารบริสุทธิ์ และ () สารผสม

โดยทั่วไปจุดเดือดของสารบริสุทธิ์จะคงที่ (รูปที่ 4.3 ()) นั่นคือทุกๆ โมเลกุลของสารชนิดเดียวกันจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอที่อุณหภูมิหนึ่งเดียว แต่ถ้าสารไม่บริสุทธิ์จุดเดือดจะไม่คงที่ ทั้งนี้เพราะมีสารมากกว่า 1 ชนิด

กราฟรูปที่ 4.3 () แสดงจุดเดือดของของผสมระหว่างสาร A และ B จะเห็นว่าอุณหภูมิที่ของผสมเริ่มเดือดมีค่าใกล้เคียง 60 oC ซึ่งเป็นจุดเดือดของสาร A และเดือดจนหมดที่อุณหภูมิประมาณ 100 oC ซึ่งเป็นจุดเดือดของสาร B ดังนั้นช่วงการเดือดของสารนี้คือ 60-100 oC (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่องการกลั่น) กล่าวโดยสรุปแล้วการหาจุดเดือดของสารบริสุทธิ์จะช่วยในการยืนยันได้พอสังเขปว่าสารดังกล่าวเป็นสารใดเนื่องจากจุดเดือดเป็นสมบัติเฉพาะของสารแต่ละชนิด ผู้ทดสอบสามารถนำจุดเดือดที่ได้ไปตรวจสอบเทียบกับจุดเดือดของสารต่างๆ ที่มีรายงานไว้ในเอกสารอ้างอิง เช่น Lange’s handbook, CRC handbook ช่วงของการเดือดที่กว้างจะบ่งบอกถึงความไม่บริสุทธิ์ของสารได้ อย่างไรก็ตามการหาช่วงการเดือดนั้นทำได้ไม่ง่ายนัก โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้สารปริมาณมากและใช้การกลั่นจึงจะได้ข้อมูลที่ถูกต้อง

จุดหลอมเหลว

ถ้าสารตัวอย่างที่ต้องการหาจุดหลอมเหลวเป็นสารบริสุทธิ์ อุณหภูมิที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะสารดังกล่าวจากของแข็งเป็นของเหลวจะมีค่าคงที่ กล่าวคือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลจะไม่แตกต่างกัน ดังนั้นพลังงานที่ใช้ (ในรูปความร้อน) ในการสลายแรงยึดโครงผลึกจึงมีค่าเท่ากัน จึงกล่าวได้ว่า สารบริสุทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวคงที่ หรือมีช่วงการหลอมเหลว (อุณหภูมิจากสารเริ่มหลอมเหลวจนถึงสารหลอมเหลว) ค่อนข้างแคบ (ไม่ควรเกิน 0.5-1 oC) โดยทั่วไปแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารอินทรีย์จะเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ พันธะไฮโดรเจนหรือแรงไดโพล-ไดโพลซึ่งค่อนข้างอ่อน ดังนั้นจุดหลอมเหลวของสารอินทรีย์ส่วนใหญ่ (ไม่ทั้งหมด) จึงมักไม่สูงไปกว่า 300 oC ในขณะที่สารอนินทรีย์ซึ่งมีแรง 45

ยึดไอออนิกจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่ามาก นอกจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เป็นปัจจัยหลักในการทำนายจุดหลอมเหลวแล้ว ขนาดของโมเลกุลก็มีผลด้วยเช่นกัน โมเลกุลใหญ่ๆจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าโมเลกุลเล็ก สำหรับสารที่มีโครงสร้างเป็นไอโซเมอร์กันนั้น ไอโซเมอร์ที่มีสมมาตรมากมักจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าสารที่มีสมมาตรน้อยกว่า อิแนนชิโอเมอร์ R และ S จะมีจุดหลอมเหลวเท่ากัน แต่ถ้านำ R และ S มาผสมกัน (ราซีเมต) จะได้จุดหลอมเหลวต่างออกไป สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังก็คือ สารอินทรีย์ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูงๆ เช่น พันธะไฮโดรเจน หรือไอออนิก เช่น น้ำตาลทราย (ซูโครส) หรือสารที่เป็นเกลือ เช่น เกลือของสารที่เป็นเบสหรือกรด มักจะสลายตัวก่อนที่จะหลอมเหลว ถ้าสารสลายตัวมักจะเห็นการเปลี่ยนสีที่ชัดเจนและไม่เปลี่ยนสภาพกลับมาเหมือนเดิมเมื่อตั้งทิ้งไว้ซึ่งต่างจากการหลอมเหลวของสาร

โดยทั่วๆไปแล้วสารผสมจะมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าสารบริสุทธิ์แต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบ และมีช่วงการหลอมเหลวกว้าง (ยกเว้นเมื่ออัตราส่วนการผสมเป็นของผสมยูเทคติค) ของผสมของสารต่างชนิดกันที่มีจุดหลอมเหลวเท่ากันจะมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของสารบริสุทธิ์แต่ละชนิด ดังนั้นจึงสามารถใช้จุดหลอมเหลวบ่งบอกความบริสุทธิ์ของสารได้ดีพอสมควร ตัวอย่างเช่น สาร A ก่อนตกผลึกจะมีสิ่งเจือปนเล็กน้อย หาช่วงการหลอมเหลวได้ 130-138 oC เมื่อนำไปตกผลึก หาจุดหลอมเหลวใหม่ได้ 135-139 oC เมื่อตกผลึกซ้ำอีกครั้งได้จุดหลอมเหลว คือ 139.5-140 oC แสดงว่าสารมีความบริสุทธิ์มากขึ้นตามลำดับ พฤติกรรมการหลอมเหลวของของผสมสามารถอธิบายได้ง่ายขึ้นโดยการพิจารณาจากกราฟในรูปที่ 4.4

รูปที่ 4.4 พฤติกรรมการหลอมเหลวของของผสม X และ Y ที่สัดส่วนจำนวนโมลต่างๆ

Mp X เป็นจุดหลอมเหลวของสาร X บริสุทธิ์

Mp Y เป็นจุดหลอมเหลวของสาร Y บริสุทธิ์

ช่วงการหลอมเหลวของของผสมที่มีสาร X 75 mol % และสาร Y 25 mol % คือ m1-m 46

พิจารณาของผสมที่มีสาร X 75 mol % และสาร Y 25 mol % เมื่อให้ความร้อนของผสมจนกระทั่งสาร X เริ่มอ่อนตัว ผู้ทดลองจะไม่สามารถสังเกตเห็นการหลอมเหลวตอนนี้ เนื่องจากเมื่อสาร X อ่อนตัวลงจะมีสาร Y ละลายเข้าไปบางส่วน จุดหลอมเหลวของของผสมจะมีค่าลดต่ำลงเนื่องจากมีปริมาณสาร Y ละลายเข้าไปใน X ที่อ่อนตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จึงยังไม่เกิดการหลอมเหลว สาร Y จะละลายใน สาร X จนหมด หรือจนถึง จุดยูเทคติค (eutectic point) กล่าวคือ Y ละลายลงใน X ที่อ่อนตัวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ เมื่อไม่มีการละลายเพิ่มขึ้นจุดหลอมเหลวก็ไม่ลดลงไปอีก ผู้ทดลองจะเริ่มเห็นการหลอมเหลว ณ. อุณหภูมิดังกล่าว (m1) (ในทางปฏิบัติแล้ว ที่อุณหภูมิ m1 ผู้ทดลองจะสังเกตการหลอมเหลวยากมาก เพราะเป็นจุดที่สารปริมาณน้อยมากๆเริ่มหลอมโดยสารส่วนใหญ่ยังคงมีสถานะเป็นของแข็งอยู่ อย่างไรก็ตามผู้ทดลองจะเริ่มสังเกตเห็นการหลอมเหลวเมื่ออุณหภูมิสูงไปกว่าจุด m1 แล้ว โดยจะสังเกตเห็นว่ามีของเหลวเกิดขึ้นปนอยู่กับของแข็งในหลอดแคปิลลารี) โดยส่วนที่หลอมเป็นสารละลายของ Y ที่ละลายอยู่ใน X เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น X จะหลอมเหลวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ (ผู้ทดลองสังเกตเห็นว่ามีของเหลวเกิดมากขึ้นเรื่อยๆ) เมื่อ X หลอมเหลวหมด ก็จะได้ของเหลวที่มี Y ละลายอยู่ใน X ที่อัตราส่วน X:Y เป็น 75:25 ซึ่งจุดนี้ตรงกับอุณหภูมิ m (ผู้ทดลองจะเห็นของเหลวใส)

ในทางปฏิบัติแล้ว การตรวจสอบความบริสุทธิ์ของสารโดยการหาจุดหลอมเหลวนั้น มักจะเป็นกรณีที่มีสารปนเปื้อนอยู่ไม่มาก และมีโอกาสที่จะเป็นอัตราส่วนยูเทคติคน้อยมากๆ โดยทั่วไปแล้วจึงสามารถกล่าวได้ว่า สารบริสุทธิ์จะมีช่วงการหลอมเหลวที่แคบในขณะที่สารไม่บริสุทธิ์มีช่วงการหลอมเหลวที่กว้างและมีจุดหลอมเหลวต่ำลง

จุดหลอมเหลวผสม

การหาจุดหลอมเหลวสามารถนำไปใช้สนับสนุนผลการตรวจวิเคราะห์สารตัวอย่างว่าเป็นสารใด อย่างไรก็ตามบางครั้งการเปรียบเทียบจุดหลอมเหลวของสารตัวอย่างกับจุดหลอมเหลวของสารต่างๆ จากเอกสารอ้างอิงอาจยังไม่สามารถให้ข้อสรุปที่ชัดเจนเพียงพอเนื่องจากสารต่างชนิดกันอาจมีจุดหลอมเหลวใกล้เคียงกันได้ เทคนิคหนึ่งที่จะช่วยให้ได้ข้อสรุปที่ชัดเจนขึ้นว่าสารตัวอย่างนั้นเป็นสารชนิดเดียวกับสารที่สงสัยหรือไม่ เรียกว่า "การหาจุดหลอมเหลวผสม (mixed melting points)" ซึ่งทำได้โดยการนำสารตัวอย่างไปบดผสมกับสารที่คาดว่าเป็นสารชนิดเดียวกับสารตัวอย่างในสัดส่วนเท่าๆกัน โดยบดผสมให้ละเอียดแล้วนำไปหาจุดหลอมเหลว ถ้าจุดหลอมเหลวคงที่ มีช่วงการหลอมเหลวที่แคบและใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลวของสารบริสุทธิ์ก็สรุปได้ว่าเป็นสารชนิดเดียวกัน แต่ถ้าช่วงการหลอมเหลวกว้าง และต่ำกว่าจุดหลอมเหลวที่แท้จริงของสารบริสุทธิ์แสดงว่าสารทั้งสองชนิดไม่ใช่สารชนิดเดียวกัน 47

เทคนิคในการทดลอง

เทอร์โมมิเตอร์

เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ มีความถูกต้อง (accuracy) แตกต่างกันไป หลายๆ ครั้ง เทอร์โมมิเตอร์แต่ละอันอ่านอุณหภูมิจากอ่างน้ำเดียวกันได้ค่าต่างกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการสอบเทียบ (calibrate) ความถูกต้องของการอ่านอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์ก่อนใช้งาน วิธีที่ดีที่สุดคือการทำกราฟเทียบมาตรฐานของเทอร์โมมิเตอร์แต่ละอันที่ใช้ (calibration graph) ซึ่งสามารถทำได้ง่ายโดยการนำเทอร์โมมิเตอร์ดังกล่าวมาหาจุดหลอมเหลวของสารบริสุทธิ์ที่ทราบจุดหลอมเหลวแน่นอนหลายๆ ชนิดให้ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ต่ำไปจนสูง ตัวอย่างสารที่นิยมใช้ในการสร้างกราฟมาตรฐานแสดงไว้ใน ตารางที่ 4.1

ตารางที่ 4.1 สารเคมีที่นิยมใช้ในการสอบเทียบความถูกต้องของการอ่านอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์และการสร้างกราฟมาตรฐาน

สาร

จุดหลอมเหลว (oC)

Water

0

p-Dichlorobenzene

53

m-Dinitrobenzene

90

Acetanilide

114

Benzoic acid

122

Benzamide

128

Urea

133

Adipic acid

152

Salicylic acid

157

Benzanilide

161

Succinic acid

189

3,5-Dinitrobenzoic acid

205

p-Nitrobenzoic acid

239

Anthraquinone

289

N,N/-Diacetylbenzidine

332