Uncategorized

กฎรวมแก๊ส (Gas Law)

เนื่องจากกฎของบอยล์และชาร์ลกล่าวถึงเฉพาะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดัน และปริมาตรกับอุณหภูมิ แต่การเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติอาจเกิดขึ้นพร้อม ๆ กัน ดังนั้นจึงมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊สในขณะที่มวลคงที่ ดังนี้

         จากกฎของบอยล์    V   a          เมื่อมวลและอุณหภูมิคงที่

         จากกฎของชาร์ล     V   a    T       เมื่อมวลและความดันคงที่

         เขียนความสัมพันธ์รวมได้ว่า

                                    V   a   

                                    V   =   k

                                   =   k          ……………….. (1)

         ที่สภาวะที่ 1          =   k

                                 =   k

                                  =  

จากฎรวมแก๊ส

         จากกฎของบอยล์    V   a   

         จากกฎของชาร์ล     V   a    T

         จากกฎของอาโวกาโดร   V   a    n     เมื่อ n คือจำนวนโมล

         เขียนความสัมพันธ์รวมได้ดังนี้

                                  V   a   

                                  V   =   R   เมื่อ R คือค่าคงที่ของแก๊ส

                                PV   =   nRT      ……………….. (2)

         หรือ                   PV   =   RT

         เมื่อ       P   คือความดันของแก๊ส (atm)

                     V   คือปริมาตรของแก๊ส (Litre หรือ L , dm3)

                     n   คือจำนวนโมลของแก๊ส (mol)

                     T   คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (K)

                     R   คือค่าคงที่ของแก๊ส (0.082058 dm3.atm / mol.K)

                     M   คือมวลโมเลกุลของแก๊ส (g/mol)

                     w   คือมวลของแก๊ส (g)

แบบจำลองการทดลองกฎของแก๊ส (Gas Law)

 

REF : http://youtu.be/t-Iz414g-ro

ตัวอย่างที่ 6 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 300 cm3  ที่อุณหภูมิ 200OC  ความดัน 1.5 atm  แก๊สนี้จะมีความดันเท่าใดถ้าปริมาตรเปลี่ยนไปเป็น 1000 cm3  และอุณหภูมิ 300OC

วิธีทำ              P1  =  1.5  atm                   P2 = ?

                      V1  =  300  cm3                  V2 = 1000  cm3

                      T1  =  273+200  =  473 K    T2 = 273+300 = 573 K

                                   =  

                              =  

                                    P2   =  

                                           =   0.545                    atm

ตัวอย่างที่ 7 แก๊สชนิดหนึ่งมีมวล  0.5 กรัม มีปริมาตร  0.25 ลิตร  ที่ความดัน 0.9 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 24OC จงหามวลโมเลกุลของแก๊สนี้

วิธีทำ                            PV   =   nRT

                                    PV   =   RT

                          0.9 x 0.25   =    x 0.082058 x 297

                                       M   =  

       ดังนั้น มวลโมเลกุลของแก๊ส  =     54.12  g/mol

ตัวอย่างที่ 8 จงหาจำนวนโมลของแก๊สอุดมคติซึ่งมีปริมาตร 760 cm3  ความดัน  0.8 บรรยากาศ ที่อุณหภูมิ 27OC

วิธีทำ     P  =  0.8 บรรยากาศ          V  =    =  0.76  dm3

             T  =  273+27  =  300 K  

             R  =  0.082058 dm3•atm / mol•K

                                     PV =   nRT

      (0.8 atm) x (0.76 dm3)   = n (0.082058 dm3•atm/mol•K)x300 K

                                        n   =  

                                             =   0.0247                  mol

ตัวอย่างที่ 9 แก๊สธรรมชาติมีแก๊สมีเทน (CH4) อยู่ 3.2 x 105 L  ที่ความดัน 1500 atm  อุณหภูมิ 45OC  แก๊สธรรมชาตินี้มีแก๊สมีเทนอยู่กี่กิโลกรัม  (C=12 , H=1)

วิธีทำ          

                                   PV   =   RT

  (1500 atm) x (3.2 x 105 L)  =  (0.082058 L.atm/mol.K) x (318K)

                                      w   =  

                                            =   29.44 x 107               g

                                            =      kg

ดังนั้น แก๊สธรรมชาติมีแก๊ส CH4   =     2.94 x 105      kg

ตัวอย่างที่ 10 แก๊สไนโตรเจนมอนอกไซด์ (NO) 1 mol  ที่อุณหภูมิ 62.4OC  ความดัน 3.45 atm  มีความหนาแน่นเท่าใด

วิธีทำ              

                                PV   =   RT

         เนื่องจาก               d   =  

                                   w   =   dV

                                  PV   =   RT

                                    d   =  

                                         =  

                                         =   4.01 g / L

         ดังนั้น แก๊สออกซิเจนมีความหนาแน่น  =  4.01 g / L

กฎของชาร์ล (Charle’s Law)

ในการทดลองจุ่มกระบอกฉีดยาซึ่งบรรจุน้ำจำนวนหนึ่งลงในน้ำร้อน น้ำในกระบอกฉีดยาจะถูกดันออก ในทางตรงกันข้าม ถ้าจุ่มกระบอกฉีดยาลงในน้ำเย็น น้ำจากภายนอกจะเข้าไปแทนที่อากาศในกระบอกฉีดยา นั่นคือ การเพิ่มอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น และการลดอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สลดลงด้วย แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊ส การเปลี่ยนแปลงนี้ใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่า การเพิ่มอุณหภูมิมีผลทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สเพิ่มขึ้น โมเลกุลของแก๊สจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้โมเลกุลชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น รวมทั้งพลังงานในการชนกันสูงขึ้นด้วย เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาสูงขึ้นด้วย จึงดันน้ำออกจากกระบอกฉีดยาจนความดันของแก๊สภายในเท่ากับภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าแก๊สในกระบอกฉีดยามีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในกลับกันเมื่อลดอุณหภูมิ พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สในกระบอกฉีดยาจะลดลง ทำให้การชนกันเองระหว่างโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง รวมทั้งพลังงานในการชนลดลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงต่ำ อากาศภายนอกซึ่งมีความดันสูงกว่าจึงดันน้ำให้เข้าไปในกระบอกฉีดยา ความดันภายในจึงเพิ่มขึ้นจนเท่ากับความดันภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลงจนกระทั่งคงที่  จึงสรุปได้ว่าอุณหภูมิเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊ส

Jacques Charles

จากผลการทดลองพบว่าเมื่อนำข้อมูลมาเขียนกราฟ จะได้กราฟเส้นตรงที่มีความชันคงที่ และทำให้คาดคะเนได้ว่า ถ้าลดอุณหภูมิของแก๊สลงเรื่อย ๆ แก๊สจะไม่มีปริมาตร หรือมีปริมาตรเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ –273OC แต่โดยความเป็นจริงแก๊สจะไม่สามารถมีปริมาตรเป็นศูนย์ได้ เนื่องจากเมื่อลดอุณหภูมิลงเรื่อย ๆ แก๊สจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวก่อนที่อุณหภูมิจะถึง –273OC  ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดให้อุณหภูมิ –273OC มีค่าเท่ากับ 0 เคลวิน (K)  โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

T   =   273 +  tOC

เมื่อทดลองศึกษาการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สเมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ พบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรแก๊สกับอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและในหน่วยเคลวิน ดังตาราง

 

การทดลองครั้งที่ t ( OC ) T ( K ) V (cm3) V/T (cm3/K)
1 10 283 100 0.35
2 50 323 114 0.35
3 100 373 132 0.35
4 200 473 167 0.35

จากตารางจะเห็นว่า เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิในหน่วยเซลเซียสเป็นหน่วยเคลวิน อัตราส่วนระหว่างปริมาตรกับอุณหภูมิเคลวินจะมีค่าคงที่

จ๊าก–อาเล็กซองเดร์–เซซา ชาร์ล (Jacqes A.C. Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรแก๊ส ในปี ค.ศ.1778 (พ.ศ.2321) และสรุปความ สัมพันธ์เป็นกฎ เรียกว่ากฎของชาร์ล ซึ่งมีใจความดังนี้

 “เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน”

REF :  http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/gaslaw/charles_law.swf

จากกฎของชาร์ล สามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

                                  V   a    T

                                  V   =   kT

                                    =   k

         ถ้าให้  V1  เป็นปริมาตรของแก๊สที่อุณหภูมิ  T1

                  V2  เป็นปริมาตรของแก๊สที่อุณหภูมิ  T2

         เนื่องจากอัตราส่วนระหว่าง V กับ T คงที่  ดังนั้น

                                    =  

ตัวอย่างที่ 3 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 80 cm3  ที่อุณหภูมิ  45OC  แก๊สนี้จะมีปริมาตรเท่าใดที่อุณหภูมิ  0 OC  ถ้าความดันคงที่

วิธีทำ                          V1   =   80   cm3

                                 V2   =   ?

                                 T1   =   273 + 45   =   318 K

                                 T2   =   273 + 0     =   273 K

                                   =  

                                 V2   =  

                                       =   68.68                    cm3

ตัวอย่างที่ 4 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 30 ลิตร ที่อุณหภูมิ 25 OC  ถ้าความดันคงที่ แก๊สนี้จะมีปริมาตรเท่าใดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปเป็น  100 OC

วิธีทำ                          V1   =   30   ลิตร

                                 V2   =   ?

                                 T1   =   273 + 25    =      298 K

                                 T2   =   273 + 100   =     373 K

                                  =  

                                 V2   =  

                                        =   37.55                    ลิตร

เกย์–ลูสแซกได้ทำการทดลองเพิ่มเติมต่อไป โดยให้ปริมาตรของแก๊สคงที่ เพื่อที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ ผลที่ได้คือ ความดันของแก๊สใด ๆ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่  ดังนั้น

                                  P   a    T

                                  P   =   kT

                                    =   k

         และ                      =  

ตัวอย่างที่ 5     ถังใบหนึ่งถ้ามีแก๊สบรรจุอยู่จำนวนหนึ่ง มีความดัน 135 บรรยากาศ ที่อุณหภูมิ 20 OC  ถ้าให้แก๊สภายในถังร้อนขึ้นเป็น 85OC จะมีความดันเท่าใดเมื่อปริมาตรคงที่

วิธีทำ                             =  

                              =  

                                    P2   =  

                                           =   164.9      บรรยากาศ

กฎของชาร์ล (Charle’s Law)

ในการทดลองจุ่มกระบอกฉีดยาซึ่งบรรจุน้ำจำนวนหนึ่งลงในน้ำร้อน น้ำในกระบอกฉีดยาจะถูกดันออก ในทางตรงกันข้าม ถ้าจุ่มกระบอกฉีดยาลงในน้ำเย็น น้ำจากภายนอกจะเข้าไปแทนที่อากาศในกระบอกฉีดยา นั่นคือ การเพิ่มอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น และการลดอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สลดลงด้วย แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊ส การเปลี่ยนแปลงนี้ใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่า การเพิ่มอุณหภูมิมีผลทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สเพิ่มขึ้น โมเลกุลของแก๊สจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้โมเลกุลชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น รวมทั้งพลังงานในการชนกันสูงขึ้นด้วย เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาสูงขึ้นด้วย จึงดันน้ำออกจากกระบอกฉีดยาจนความดันของแก๊สภายในเท่ากับภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าแก๊สในกระบอกฉีดยามีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในกลับกันเมื่อลดอุณหภูมิ พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สในกระบอกฉีดยาจะลดลง ทำให้การชนกันเองระหว่างโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง รวมทั้งพลังงานในการชนลดลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงต่ำ อากาศภายนอกซึ่งมีความดันสูงกว่าจึงดันน้ำให้เข้าไปในกระบอกฉีดยา ความดันภายในจึงเพิ่มขึ้นจนเท่ากับความดันภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลงจนกระทั่งคงที่  จึงสรุปได้ว่าอุณหภูมิเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊ส

Jacques Charles

จากผลการทดลองพบว่าเมื่อนำข้อมูลมาเขียนกราฟ จะได้กราฟเส้นตรงที่มีความชันคงที่ และทำให้คาดคะเนได้ว่า ถ้าลดอุณหภูมิของแก๊สลงเรื่อย ๆ แก๊สจะไม่มีปริมาตร หรือมีปริมาตรเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ –273OC แต่โดยความเป็นจริงแก๊สจะไม่สามารถมีปริมาตรเป็นศูนย์ได้ เนื่องจากเมื่อลดอุณหภูมิลงเรื่อย ๆ แก๊สจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวก่อนที่อุณหภูมิจะถึง –273OC  ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดให้อุณหภูมิ –273OC มีค่าเท่ากับ 0 เคลวิน (K)  โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

T   =   273 +  tOC

เมื่อทดลองศึกษาการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สเมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ พบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรแก๊สกับอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและในหน่วยเคลวิน ดังตาราง

การทดลองครั้งที่

t ( OC )

T ( K )

V (cm3)

V/T (cm3/K)

1

10

283

100

0.35

2

50

323

114

0.35

3

100

373

132

0.35

4

200

473

167

0.35

จากตารางจะเห็นว่า เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิในหน่วยเซลเซียสเป็นหน่วยเคลวิน อัตราส่วนระหว่างปริมาตรกับอุณหภูมิเคลวินจะมีค่าคงที่

จ๊าก–อาเล็กซองเดร์–เซซา ชาร์ล (Jacqes A.C. Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรแก๊ส ในปี ค.ศ.1778 (พ.ศ.2321) และสรุปความ สัมพันธ์เป็นกฎ เรียกว่ากฎของชาร์ล ซึ่งมีใจความดังนี้

“เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน”

คลิกการทดลองกฎของชาร์ลส์

REF :  http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/gaslaw/charles_law.swf

จากกฎของชาร์ล สามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

V   a    T

V   =   kT

=   k

ถ้าให้  V1  เป็นปริมาตรของแก๊สที่อุณหภูมิ  T1

V2  เป็นปริมาตรของแก๊สที่อุณหภูมิ  T2

เนื่องจากอัตราส่วนระหว่าง V กับ T คงที่  ดังนั้น

=

ตัวอย่างที่ 3 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 80 cm3  ที่อุณหภูมิ  45OC  แก๊สนี้จะมีปริมาตรเท่าใดที่อุณหภูมิ  0 OC  ถ้าความดันคงที่

วิธีทำ                          V1   =   80   cm3

V2   =   ?

T1   =   273 + 45   =   318 K

T2   =   273 + 0     =   273 K

=

V2   =

=   68.68                    cm3

ตัวอย่างที่ 4 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 30 ลิตร ที่อุณหภูมิ 25 OC  ถ้าความดันคงที่ แก๊สนี้จะมีปริมาตรเท่าใดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปเป็น  100 OC

วิธีทำ                          V1   =   30   ลิตร

V2   =   ?

T1   =   273 + 25    =      298 K

T2   =   273 + 100   =     373 K

=

V2   =

=   37.55                    ลิตร

เกย์–ลูสแซกได้ทำการทดลองเพิ่มเติมต่อไป โดยให้ปริมาตรของแก๊สคงที่ เพื่อที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ ผลที่ได้คือ ความดันของแก๊สใด ๆ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่  ดังนั้น

P   a    T

P   =   kT

=   k

และ                      =

ตัวอย่างที่ 5     ถังใบหนึ่งถ้ามีแก๊สบรรจุอยู่จำนวนหนึ่ง มีความดัน 135 บรรยากาศ ที่อุณหภูมิ 20 OC  ถ้าให้แก๊สภายในถังร้อนขึ้นเป็น 85OC จะมีความดันเท่าใดเมื่อปริมาตรคงที่

วิธีทำ                             =

=

P2   =

=   164.9      บรรยากาศ

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊ส

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊ส

กฎของบอยล์ (Boyle’s Law)

Robert Boyle

เมื่อทดลองโดยใช้กระบอกฉีดยาและปิดปลายกระบอกฉีดยา เมื่อกดก้านกระบอกฉีดยาทำให้ปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลง และเมื่อปล่อยมือก้านกระบอกฉีดยาจะเลื่อนกลับสู่ตำแหน่งเดิม ในทำนองเดียวกันเมื่อดึงก้านกระบอกฉีดยาขึ้น ทำให้ปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดเพิ่มขึ้น และเมื่อปล่อยมือก้านกระบอกฉีดยาจะเลื่อนกลับสู่ตำแหน่งเดิม สามารถใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่า เมื่อปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลง ทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ใกล้กันมากขึ้น จึงเกิดการชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับตอนเริ่มต้น ในทางตรงกันข้ามการเพิ่มปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน การชนกันเองของโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงลดลง

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊ส โดยควบคุมให้อุณหภูมิคงที่ ได้ผลดังตารางต่อไปนี้
การทดลอง
ครั้งที่		 ปริมาตร
(V , dm3)		 ความดัน
(P , mmHg)		 PV
(mmHg. cm3)
1 5.00 760 3.80 x 103
2 10.00 380 3.80 x 103
3 15.00 253 3.80 x 103
4 20.00 191 3.82 x 103
5 25.00 151 3.78 x 103
6 30.00 127 3.81 x 103
7 35.00 109 3.82 x 103
8 40.00 95 3.80 x 103
9 45.00 84 3.78 x 103

จากผลการทดลองในตารางพบว่า ผลคูณของความดันกับปริมาตร (PV) ของแก๊สในการทดลองแต่ละครั้งมีค่าค่อนข้างคงที่ และเมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊สจะได้ดังรูปต่อไปนี้

จากข้อมูลในตารางและจากกราฟพบว่าขณะที่อุณหภูมิคงที่ ถ้าปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้นจะทำให้ความดันของแก๊สลดลง และเมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น

รอเบิร์ต บอยล์ (Robert Bolye) นักเคมีชาวอังกฤษ ได้ศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สในปี ค.ศ. 1662 (พ.ศ. 2205) และสรุปเป็นกฎเรียกว่า “กฎของบอยล์” ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้

เมื่ออุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับความดัน

REF : http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/gaslaw/boyles_law.swf

ถ้าให้ P แทนความดันของแก๊ส V แทนปริมาตรของแก๊ส ความสัมพันธ์ตามกฎของบอยล์เขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ดังนี้

                                  V   a   

                                PV   =   k

ค่าคงที่ k ในสมการนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปริมาตร มวลของแก๊ส และลักษณะเฉพาะของแก๊สแต่ละชนิด และจากผลการทดลองพบว่าผลคูณระหว่างปริมาตรและความดันของแก๊สมีค่าคงที่เสมอ ดังนั้นถ้าให้ P1 และ V1 เป็นความดันและปริมาตรที่สภาวะที่ 1 จะได้ว่า

                              P1V1   =   k                  ………. (1)

และถ้าให้ P2 และ V2 เป็นความดันและปริมาตรที่สภาวะที่ 2 จะได้ว่า

                              P2V2   =   k                  ………. (2)

         (1)  =  (2)       P1V1   =   P2V2

ผลที่ได้จากกฎของบอยล์เมื่อนำมาเขียนกราฟโดยให้ความดันเป็นแกนตั้ง และปริมาตรเป็นแกนนอน จะได้กราฟ

จากกราฟถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนไปจะได้กราฟที่มีลักษณะไฮเปอร์โบลา และพบว่าอุณหภูมิยิ่งสูงขึ้น ลักษณะของเส้นกราฟเกือบจะเป็นเส้นตรง

จากกราฟนี้ กราฟแต่ละเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรที่ต่างกัน และได้กราฟที่มีลักษณะเป็นเส้นโค้ง ซึ่งไม่สามารถบอกได้ชัดเจนว่าเป็นไปตามกฎของบอยล์หรือไม่ แต่ถ้าเขียนกราฟระหว่างความดันกับส่วนกลับของปริมาตรจะได้กราฟที่เป็นเส้นตรง ซึ่งถ้าหากมีการเบี่ยงเบนเกิดขึ้น เส้นจะเฉออกจากแนวเส้นตรงอย่างเห็นได้ชัด

ตัวอย่างที่ 1     แก๊สจำนวน 15 g มีปริมาตร 10 ลิตร ที่ความดัน 150 mmHg เมื่ออุณหภูมิคงที่  ถ้าเปลี่ยนความดันเป็น 50 mmHg  แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใด

วิธีทำ                          P1   =   150  mmHg

                                 P2   =   50   mmHg

                                 V1   =   10   ลิตร

                                 V2   =   ?

         จากสูตร           P1V1   =   P2V2

                        150 x 10   =   50 x V2

                                 V2   =  

                                       =   30   ลิตร

ตัวอย่างที่ 2     แก๊สชนิดหนึ่งมีความดันเริ่มต้นเท่ากับ 200 mmHg  แก๊สชนิดนี้จะมีความดันสุดท้ายเป็นเท่าใดถ้าทำให้แก๊สมีปริมาตรลดลงเป็นครึ่งหนึ่งของปริมาตรเดิมเมื่ออุณหภูมิคงที่

วิธีทำ                          P1   =   200  mmHg

                                 P2   =   ?     mmHg

                                 V1   =   V1

                                 V2   =  

         จากสูตร           P1V1   =   P2V2

                        200 x V1   =   P2 x

                                  P2   =  

                                         =   400  mmHg

พันธะโลหะ

Metallic Bond

  พันธะโลหะ คือ แรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบๆ ก้อนโลหะ เกิดจากอะตอมของโลหะใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน เวเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปทุกอะตอมได้ทั่งทั้งก้อนโลหะ

  • อะตอมของโลหะอยู่ในสภาพไอออนบวก
  • เวเลนต์อิเล็กตรอนของโลหะเคลื่นที่ไปในที่ต่างๆ ได้อย่างอิสระ
  • อิเล็กตรอนอิสระทำหน้าที่ดึงดูดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆ เข้าด้วยกัน

  • โลหะมีค่าพลังงานไอออไนเซชันที่ต่ำ ดังนั้นจึงยึดอิเล็กตรอน  วงนอกสุดไว้อย่างหลวมๆ ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่ไปมา รอบๆ โลหะตลอดเวลา
  • อิเล็กตรอนเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายกาวที่ช่วยยึดไอออนบวกให้อยู่ในตำแหน่งที่คงที่ ไว้ด้วยกันอย่างแข็งแรง

แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน (Sea of electrons) ที่ใช้ในการอธิบายการเกิดพันธะโลหะมีดังนี้

แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน (รศ.ดร. ประเสริฐ ศรีไพโรจน์, 2549) อธิบายว่า การเกิดพันธะในผลึกโลหะนั้น อิเล็กตรอนของโลหะสามารถเคลื่อนที่ไปได้อย่างอิสระในผลึก ทำให้อะตอมกลายเป็นไอออนบวก และถูกล้อมรอบไปด้วยอิเล็กตรอนหรืออยู่ในทะเลอิเล็กตรอนตลอดเวลา แรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกและอิเล็กตรอนส่งผลให้เกิดเป็นผลึกโลหะ แรงดึงดูดจะมีค่าแตกต่างกันออกไปตามชนิดของโลหะ โลหะบางชนิดมีค่าน้อย เช่น ธาตุหมู่ IA เป็นต้น บางชนิดมีแรงดึงดูดระหว่างอะตอมมาก เช่น ธาตุทรานซิชัน ทำให้จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของโลหะพวกนี้มีค่าสูง การที่อิเล็กตรอนในผลึกโลหะมความเป็นอิสระ จึงสามารถนไปใช้อธิบายคุณสมบัติเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า การนำความร้อน ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในผลึก ส่วนคุณสมบัติเกี่ยวกับความเป็นเงาของโลหะก็อธิบายได้ในลักษณะของการเกิดทะเลอิเล็กตรอน กล่าวคือ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะมาสามารถดูดและคายพลังงานออกมาในรูปของแสง ในรูปของความถี่ของรังสีต่างๆ ทำให้เกิดการสะท้อนกลับได้

คุณสมบัติของโลหะเกี่ยวกับการทำให้เป็นแผ่นหรือรูปต่างๆ โดยไม่แตกหรือหักนั้น สามารถอธิบายได้โดยอาศัยหลักการของการเกิดทะเลอิเล็กตรอนเช่นเดียวกัน นั่นคือ เมื่อเวลาทุบโลหะหรือยืดออกให้เป็นเส้น หรือเป็นแผ่นจะไม่เกิดแรงผลักระหว่างอะตอมแต่อย่างใด เพราะทุกอะตอมต่างก็มีอิเล็กตรอนล้อมรอบอยู่เหมือนเดิม แรงดึงดูดระหว่างไอออนกับอิเล็กตรอนยังอยู่เหมือนเดิม

การทุบผลึกโลหะ

แต่หากเป็นผลึกของสารประกอบไอออนิก เมื่อเราทุบหรือทำให้ตำแหน่งของไอออนในผลึกเคลื่อนที่ไปจากเดิม ไอออนชนิดเดียวกันมาอยู่ตรงกันแล้วจะเกิดแรงผลักขึ้นอย่างแรง ทำให้ผลึกแตกได้ ดังรูป

ผลึกสารประกอบไอออนิกเมื่อถูกทุบ ตำแหน่งของไอออนชนิดเดียวกันมาอยู่ตรงกัน เกิดแรงผลัก ทำให้ผลึกแตกออก

ความแข็งแรงของพันธะโลหะขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ หากมีจำนวอิเล็กตรอนมากก็แสดงว่าพันธะมีความแข็งแรงมาก

การเกิดพันธะในโลหะนี้ ทำให้โลหะมีสมบัติต่างๆ ดังนี้

  • นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี
  • มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง
  • มีลักษณะเป็นเงาและมีความวาวเมื่อถูกแสง
  • สามารถดึงเป็นเส้น ตีเป็นแผ่น หรือบิดงอได้

นักเรียนสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากคลิปวีดีโอนี้

From: https://www.youtube.com/watch?v=S08qdOTd0w0

นอกจากนี้ยังมีทฤษฎีที่ใช้ในการอธิบายการเกิดพันธะในผลึกโลหะอยู่อีก ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษาในระดับสูงต่อไป

อ้างอิง

ประเสริฐ ศรีไฟโรจน์ (2549). เคมีพื้นฐาน 1 (3). กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์ ส.พิจิตร การพิมพ์.

Giant COVALENT STRUCTURE

Giant Covalent Structure

Graphite (pencil lead) and diamonds (shiny rings) are both giant covalent structures of carbon [from http://msjoconnor.weebly.com/bonding-ionic-covalent-metallic.html%5D

สารโคเวเลนต์บางชนิดมีโครงสร้างขนาดยักษ์ มีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูงมาก เนื่องจากอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ยึดเหนี่ยวกันทั้งสามมิติเกิดเป็นโครงสร้างคล้ายตาข่าย จึงเรียกสารประกอบนี้ว่า สารโครงผลึกร่างตาข่าย

แกรไฟต์ เป็นผลึกโคเวเลนต์รูปแบบหนึ่งของคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนในแกรไฟต์มีการจัดเรียงตัวต่อกันเป็นชั้น ๆ และสร้างพันธะโคเวเลนต์ต่อกันเป็นวง วงละ 6 อะตอม ต่อเนื่องกันอยู่ในแนวระนาบ คาร์บอนในแต่ละชั้นของแกรไฟต์ยึดเหนี่ยวกันด้วย แรงแวนเดอร์วาลส์

อะตอมคาร์บอนมีเวเลนต์อิเล็กตรอน 4 แต่ในแกรไฟต์อะตอมคาร์บอนสร้างพันธะกับอะตอมคาร์บอนตัวอื่นแค่ 3 พันธะ ดังนั้นอะตอมคาร์บอนยังเหลืออีก 1 อิเล็กตรอนที่ไม่ได้สร้างพันธะ เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระ โดยสามารถเคลื่อนที่ไปได้ทั่วภายในอะตอม และการที่แต่ละชั้นยึดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ จึงทำให้แกรไฟต์มีสมบัติดังนี้

  • นำไฟฟ้าได้ดี (ภายในชั้นเดียวกัน)
  • เลื่อนไหลไปตามชั้นได้ง่าย ทำให้มีสมบัติในการหล่อลื่นได้ดี

แกรไฟต์ถูกนำมาใช้ทำไส้ดินสอดำและเป็นการหล่อลื่น นอกจากนี้ยังใช้ทำสีผ้าหมึกสำหรับเครื่องพิมพ์ดีดและเครื่องพิมพ์สำหรับคอมพิวเตอร์ แบบจำลองโครงสร้างของแกรไฟต์มีดังนี้

Graphite Structure

            เพชร เป็นรูปแบบหนึ่งของคาร์บอรและเป็นผลึกโคเวเลนต์ โครงสร้างของเพชร คาร์บอนแต่ละอะตอมใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนทั้งหมดในการสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมคาร์บอนอีก 4 อะตอมที่อยู่ล้อมรอบ จึงทำให้สมบัติของเพชรมีดังนี้

  • ไม่นำไฟฟ้า
  • มีความแข็งสูงที่สุด
  • มีจุดหลอมเลวสูงถึง 3550 ๐C และมีจุดเดือดสูงมากถึง 4830 ๐C

แบบจำลองโครงสร้างของเพชรมีดังนี้

Diamond Structure

             ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) หรือซิลิกา เป็นผลึกโคเวเลนต์ที่มีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย อะตอมของซิลิคอนจัดเรียงตัวเหมือนกับคาร์บอนในเพชร แต่มีออกซิเจนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิคอนแต่ละคู่

ผลึกซิลิคอนไดออกไซด์มีสมบัติดังนี้

  • จุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง โดยมีจุดหลอมเหลว = 1730 ๐C
  • ความแข็งสูง

ในธรรมชาติสามารถพบซิลิคอนไดออกไซด์ได้หลายรูปแบบ เช่น ควอตซ์ ไตรดีไมต์ และคริสโตบาไลต์ ใช้เป็นวัตถุดิบในการทำแก้ว ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์ ใยแก้วนำแสง (Optical fiber) แบบจำลองโครงสร้างของซิลิคอนไดออกไซด์ดังนี้

Silicondioxide Structure

Intermolecular force

Intermolecular force

การเปลี่ยนสถานะของสารจะต้องมีการให้ความร้อนแก่สารนั้น เพื่อให้อนุภาคของสารมีพลังงานจลน์สูงพอที่จะหลุดออกจากกัน แสดงว่าสารแต่ละสถานะจะมีแรงชนิดหนึ่งที่คอยยึดเหนี่ยวให้แต่ละโมเลกุลอยู่รวมกันได้ ซึ่งแรงนั้นก็คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล (Intermolecular force)

ในการเปลี่ยนสถานะของสารโคเวเลนต์ จะต้องทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเท่านั้น ไม่มีการทำลายพันธะเคมีแต่อย่างใด ดังนั้นสารที่มีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูง แสดงว่ามีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูง ซึ่งประเภทของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์มีดังนี้

Intermolecular force

  1. แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van Der Waals Force) แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงในพันธะไอออนนิกหรือพันธะโคเวเลนต์ แบ่งได้เป็น 3 ประเภท ดังนี้
    1. แรงระหว่างโมเลกุลไม่มีขั้ว – ไม่มีขั้ว          แรงลอนดอน (London force  หรือ  dispersion force)เกิดกับโมเลกุลไม่มีขั้วกับไม่มีขั้ว เพราะมี e– เคลื่อนที่ตลอดเวลา เกิดการกระจายของ e– ไม่เท่ากัน ทำให้เกิดสภาพมีขั้วเล็กน้อยส่งผลให้แต่ละโมเลกุลมีแรงดึงดูดกันได้ แต่น้อยมาก

แนวโน้มจุดเดือดจุดหลอมเหลวของโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงลอนดอน

  • เพิ่มขึ้นตามขนาดและมวลโมเลกุล กล่าวคือ ความแข็งแรงของแรงแวนเดอร์วาลส์เพิ่มขึ้น ทำให้โมเลกุลโคเวเลนต์หลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงขึ้น
  • โมเลกุลโคเวเลนต์ที่มีโครงสร้างเป็นระเบียบ (เกือบเป็นเส้นตรง) จะมีจุดเดือดจุดหลอมเหลว สูงกว่าโมเลกุลที่มีโครงสร้างไม่เป็นระเบียบหรือมีความเกะกะมาก เนื่องจากโมเลกุลมีโอกาสที่จะสัมผัสกับโมเลกุลข้างเคียงได้ง่าย และง่ายต่อการถูกเหนี่ยวนำตัวอย่างเช่น (A). n-pentane ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรง ส่วน (B). Neopentane มีโครงสร้างแบบกิ่ง
(A). n-Pentane
(B). Neopentane
  1. แรงระหว่างโมเลกุลมีขั้ว – ไม่มีขั้วแรงเหนี่ยวนำ (Induction force หรือ Debye force) เกิดกับโมเลกุลมีขั้วกับไม่มีขั้ว เกิดจากโมเลกุลมีขั้วไปเหนี่ยวนำให้โมเลกุลไม่มีขั้วเกิดขั้วขึ้นเล็กน้อย เกิดแรงดึงดูดระหว่างขั้วต่างกันเรียก แรงเหนี่ยวนำ เช่น HI กับ I2

  1. แรงระหว่างโมเลกุลมีขั้ว – มีขั้วแรงดึงดูดระหว่างขั้ว (Dipole – dipole attraction) โมเลกุลมีขั้วจะมีแรงดึงดูดระหว่างขั้วต่างกันได้ ซึ่งเป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้า เมื่อโมเลกุลมีขั้นตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเข้าใกล้กัน อำนาจไฟฟ้าบวกและอำนาจไฟฟ้าลบจะดึงดูดกันเกิดเป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้นกันขึ้น

  1. พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bond) เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลชนิดหนึ่ง เกิดกับสารที่มีอะตอมไฮโดรเจนและมีธาตุที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูง (F O N) เป็นองค์ประกอบ แรงดึงดูดจากอะตอมของธาตุที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูงส่งแรงดึงดูดอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจน จนเป็นเหตุให้อะตอมไฮโดรเจนมีประจุบวกอย่างชัดเจน จนสามารถดึงดูดกับอะตอมที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูงในโมเลกุลข้างเคียงได้ แรงดึงดูดที่เกิดขึ้นเรียกว่า พันธะไฮโดรเจน

H-Bond

การเกิดพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำ
การเกิดพันธะไฮโดเจนแบบต่างๆ (O-H, N-H)

จุดเดือดจุดหลอมเหลวของโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจนจะสูงมากเมื่อเทียบกับโมเลกุลโคเวเลนต์ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลชนิดอื่นๆ

จุดเดือดของสารประกอบไฮโดรเจน กับธาตุในหมู่ 4A, 5A, 6A และ 7A

จุดเดือดจุดหลอมเหลวของโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจนจะสูงมาก เมื่อเทียบกับโมเลกุลโคเวเลนต์ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลชนิดอื่นๆ

เปรียบเทียบความแข็งแรงของแรงระหว่างโมเลกุล ดังรูป

Intermolecular compare

Polarity of molecules

Polarity of molecules

สภาพขั้วของโมเลกุลเกิดจากการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในโมเลกุลไม่เท่ากัน เนื่องจากอะตอมที่อยู่ในโมเลกุลนั้นมีค่า EN ที่แตกต่างกัน ความแตกต่างของค่า EN นี้ทำให้แต่ละอะตอมเกิดสภาพขั้วขึ้น อะตอมที่มีค่า EN สูงจะมีสภาพขั้วหรืออำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วนอะตอมที่มีค่า EN ต่ำกว่าจะแสดงสภาพขั้วหรืออำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก ค่าที่บอกถึงสภาพขั้วของโมเลกุลคือ Dipole moment หากผลรวมของ Dipole moment มีค่าเป็น 0 โมเลกุลนั้นจะไม่มีขั้ว ในทางกลับกัน หากผลรวมของ Dipole moment มีค่าไม่เท่ากับ 0 โมเลกุลนั้นจะมีขั้ว แต่ก่อนที่จะทราบว่าโมเลกุลเกิดหรือไม่เกิดขั้วได้อย่างไร มาทำความรู้จักกับการเกิดขั้วในพันธะเสียก่อนครับ ซึ่งนักเรียนสามารถศึกษารายละเอียดได้ดังนี้

การที่จะบอกได้ว่าโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้วหรือไม่ ให้ดูจากค่า Dipole moment ซึ่งเป็นค่าที่แสดงถึงสภาพขั้วของพันธะโคเวเลนต์ หากผลรวมของ Dipole moment ของแต่ละพันธะเท่ากับ 0 โมเลกุลโคเวเลนต์จะไม่มีขั้ว หาก Dipole moment ของแต่ละพันธะไม่เท่ากับ 0 โมเลกุลโคเวเลนต์จะมีขั้ว

Screenshot (6)

นอกจากนี้ยังสามารถพิจารณาได้จากทิศทางของขั้วในพันธะ หากทิศทางรวมของขั้วหรือขั้วลัพธ์หักล้างกันหมดแสดงว่าโมเลกุลนั้นจะไม่มีขั้ว แต่หากทิศทางรวมของขั้วหรือขั้วลัพธ์หักล้างกันไม่หมดแสดงว่าโมเลกุลนั้นจะมีขั้ว โดยการรวมทิศทางของขั้วนั้นให้รวมแบบเวกเตอร์ ดังนี้

Screenshot (8)

Screenshot (9)

หลังจากที่ได้ทราบการเกิดสภาพขั้วของโมเลกุลแล้ว ในเนื้อหาถัดไปนั้นจะเป็นเรื่องเกี่ยวกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ซึ่งนักเรียนจะต้องใช้ความรู้ในเรื่องของสภาพขั้วนี้ในการอธิบาย

ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ (Bond Length and Bond Energy)

Bond Length and Bond Energy

ความยาวพันธะ (Bond Length) หมายถึง  ระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมคู่หนึ่งๆ ที่สร้างพันธะกันในโมเลกุล

Screenshot (158)

พลังงานพันธะ (Bond Energy) คือ พลังงานที่น้อยที่สุดที่ต้องใช้เพื่อสลายพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลในสถานะแก๊ส ให้เป็นอะตอมเดี่ยวในสถานะแก๊ส

Screenshot (159)

Screenshot (160)

Screenshot (161)

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวพันธะกับพลังงานพันธะ

สำหรับธาตุคู่เดียวกัน ยิ่งความยาวพันธะมากเท่าใด ก็จะยิ่งมีพลังงานพันธะน้อยลงเท่านั้น  ดังนั้น

ความยาวพันธะ  : พันธะเดี่ยว  >     พันธะคู่   >    พันธะสาม

พลังงานพันธะ   : พันธะสาม  >     พันธะคู่   >  พันธะเดี่ยว

นอกจากนี้ พลังงานพันธะยังมีส่วนสัมพันธ์กับความแข็งแรงของพันธะด้วยโดยที่พลังงานพันธะมากจะแข็งแรงมาก นั่นคือ

ความแข็งแรง :   พันธะสาม   >  พันธะคู่  >   พันธะเดี่ยว

Screenshot (163)

ตัวอย่างตารางพลังงานพันธะ

ตารางพันธะ

สรุปสมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ

สรุป เนื้อหา “ตารางธาตุ” และ “สมบัติของธาตุบางประการตามหมู่และตามคาบ” ดังนี้ อิอิส่วนที่ 1 ตารางธาตุ ก่อนจะเป็นตารางธาตุ
  • ปี พ.ศ. 2360 โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์ เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่มๆ ละ 3 ธาตุ ตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่า “ชุดสาม” โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ เช่น Na เป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K มีมวลอะตอม 23 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยนของมวลอะตอมของธาตุ Li ซึ่งมีมวล 7 กับธาตุ K ซึ่งมีมวลอะตอม 39 ดังรูป
ธาตุชุดสาม (ตัวอย่าง)
ธาตุชุดสาม (ตัวอย่าง)

หลักการนี้ใช้ไม่ได้กับธาตุบางชนิด ชุดสามของกลุ่มธาตุบางชนิด ธาตุตรงกลาง มีมวลอะตอมไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของธาตุที่เหลือทั้ง 2

  • ปี พ.ศ. 2407 จอห์น นิวแลนด์ ได้เสนอกฎในการจัดเรียงธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า “ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามากพบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ” (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สเฉื่อย)
ธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ
ธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ
  • ปี พ.ศ. 2412 ยูลิอุสโลทาร์ ไมเออร์ และ ดิมิทรี อิวา–โนวิช เมนเดเลเอฟ ได้จัดธาตุโดยเรียงตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากโดยพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆ เมนเดเลเอฟจึงตั้งกฎที่เรียกว่า กฏพิริออดิก และเรียกตารางธาตุว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ
ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ
ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ
  • ต่อมา เฮนรี โมสลีย์ ได้เสนอให้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ดังนั้น ตารางธาตุปัจจุบันจึงจัดเรียงตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก
ตารางธาตุปัจจุบัน เรียงตามเลขออะตอมจากน้อยไปมาก
ตารางธาตุปัจจุบัน เรียงตามเลขออะตอมจากน้อยไปมาก

สรุปเกี่ยวกับตารางธาตุ แบ่งธาตุในแนวตั้ง (หมู่) แบ่งออกเป็น 18 แถว โดยธาตุทั้งหมด 18 แถว แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ

– กลุ่ม A  มี  8  หมู่ คือ  IA  ถึง VIIIA

– กลุ่ม B  มี  8  หมู่ คือ  IB  ถึง VIIIB  เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน (Transition)

โดย

  • ธาตุหมู่ที่ IA  เรียกว่า “โลหะแอลคาไลน์”  ได้แก่   Li   Na   K   Rb  Cs  และ  Fr
  • ธาตุหมู่ที่ IIA  เรียกว่า  “ โลหะอัลคาไลน์ เอิร์ท”  ได้แก่  Be  Mg  Ca  Sr  Ba และ  Ra
  • ธาตุหมู่ที่  VIIA  เรียกว่า “ธาตุเฮโลเจน (Halogen)” ได้แก่   F , Cl , Br , I  และ  At
  • ธาตุหมู่ที่ VIIIA  เรียกว่า “ก๊าซเฉื่อย (Inert gas or Noble gas)” ได้แก่   He , Ne , Ar , Kr , Xe  และ  Rn

ตารางธาตุในแนวนอนเรียกว่า “คาบ”  แบ่งได้  7  คาบ

  • คาบที่ 6 แบ่งธาตุเป็น 2 กลุ่ม

– กลุ่มแรกมี 18 ธาตุ คือ Cs ถึง Rn

– กลุ่มที่สองมี 14 ธาตุ คือ Ce ถึง Lu เรียกกลุ่มนี้ว่าLantanides

  • คาบที่ 7 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม

– กลุ่มแรกเริ่มจาก Fr เป็นต้นไปและมีการค้นพบเกิดขึ้นตลอดเวลา

– กลุ่มสองมี 14 ธาตุคือ Th ถึง Lr เรียงกลุ่มนี้ว่า Actinides

“หมู่เดียวกัน จะมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน ซึ่งเท่ากับ เลขประจำหมู่”
“คาบเดียวกัน จะมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน ซึ่งเท่ากับ เลขที่คาบ”

กลุ่ม s, p, d และ f-block สามารถจัดกลุ่มได้ดังรูป

ธาตุในกลุ่ม s, p, d, และ f-block
ธาตุในกลุ่ม s, p, d, และ f-block

การตั้งชื่อธาตุที่ค้นพบใหม่ ตั้งตามระบบ IUPAC (InternationalUnion of Pure and  Applied  Chemistry)

  • ใช้กับธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 100 ขึ้นไป
  • ให้ตั้งชื่อธาตุโดยระบุเลขอะตอมเป็น ภาษาละติน แล้วลงท้ายด้วย– ium

ระบบการนับเลขในภาษาละติน

0  นิล (nil)

1  อูน (un) 

2  ไบ (bi)

3  ไตร  (tri) 4  ควอด (quad) 5  เพนท์ (pent) 6  เฮกซ์  (hex) 7  เซปท์  (sept) 8  ออกต์ (oct) 9  เอนน์ (enn) ตัวอย่างการเรียกชื่อ

  • ธาตุที่  104  ตามระบบ IUPAC อ่านว่า

Unn+nil+quad+ium  =   Unnilquadium

  • ธาตุที่  105  อ่านว่า

Unn+nil+pent+ium  =   Unnilpentium

ส่วนที่ 2 สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ

1. ขนาดอะตอม

การบอกขนาดอะตอมจะบอกโดยใช้รัศมีอะตอม ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน รัศมีอะตอมมีหลายแบบ ขึ้นอยู่กับชนิดของแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม

– รัศมีโคเวเลนต์ คือ ระยะทางครึ่งหนึ่งของความยาวพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน

ตัวอย่างรัศมีโคเวเลนต์

– รัศมีแวนเดอร์วาลล์ คือระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุด

ตัวอย่างรัศมีแวนเดอร์วาลล์

– รัศมีโลหะ คือ ระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมโลหะที่อยู่ใกล้กันมากที่สุด

ตัวอย่างรัศมีโลหะ
ตัวอย่างรัศมีโลหะ

แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ

แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ
แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ

2. รัศมีไอออน

ไอออน  คือ อะตอมของธาตุ  หรือกลุ่มอะตอมของธาตุที่มีประจุ  คือ ไอออนทุกชนิดจะต้องมีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากับอิเล็กตรอนถ้าจำนวนโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนบวก  และถ้ามีจำนวนโปรตอนน้อยกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนลบ

การบอกขนาดไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม ซึ่งพิจารณาจากระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งๆ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก

ตัวอย่างรัศมีไอออน

แนวโน้มของขนาดไอออนในตารางธาตุ

แนวโน้มขนาดไอออน
แนวโน้มขนาดไอออน

สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ที่ Link: รัศมีไอออน

3. พลังงานไออนไนเซชัน (Ionization Energy; IE)

คือ พลังงานจำนวนน้อยที่สุดที่ใช้ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของธาตุที่เป็นแก๊สครั้งละ 1 อิเล็กตรอนทำให้กลายเป็นไอออนบวกที่เป็นแก๊ส

สามารถเขียนสมการได้ดังนี้

X(g)  +  IE  —->  X+  (g)  +  e–

ตัวอย่าง ค่า IE1 ถึง IE3 ของ Li

Li(g) Li+(g) + e–               IE1 = 520 kJ/mol

Li+(g) Li2+(g) + e–            IE2 = 7,394 kJ/mol

Li2+(g) Li3+(g) + e–           IE3 = 11,815 kJ/mol

ตัวอย่างกราฟไอออนไนเซชัน
แนวโน้มค่า IE 
แนวโน้มค่า IE ในตารางธาต
แนวโน้มค่า IE ในตารางธาต

สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ที่ Link: IE หรือ IE (2)

4. อิเล็กโตรเนกาติวิตี (Electronegativity; EN)

คือ  ค่าที่แสดงความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองของอะตอมของธาตุ  ในพันธะเคมีหนึ่ง  อะตอมที่มีค่า EN สูงจะดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่าอะตอมที่มี  EN ต่ำ

แนวโน้มค่า EN ในตารางธาตุ
แนวโน้มค่า EN ในตารางธาตุ

ลักษณะทั่วไป

  • โลหะทั่วไปมีค่า EN ต่ำกว่า จึงเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเกิดไอออนบวก อโลหะทั่วไปมีค่า EN สูง จึงชิงอิเล็กตรอนได้ดีเกิดไอออนลบ ธาตุเฉื่อยไม่มีค่า EN
  • ค่า EN ขึ้นอยู่กับ

ก. ขนาดอะตอม หรือจำนวนระดับพลังงาน

ข. ถ้าอะตอมที่มีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน ค่า EN ขึ้นอยู่กับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นเกณฑ์

5. สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (Electron Affinity; EA)

 สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน คือ พลังงาน ที่อะตอมในสถานะแก๊ส คายออกมา เมื่อได้ รับอิเล็กตรอน

แนวโน้มค่า EA
แนวโน้มค่า EA

Screenshot (130)

6. จุดเดือดและจุดหลอมเหลว

แนวโน้มจุดเดือดและจุดหลอมเหลว ตามหมู่

  • หมู่ IA IIA และ IIIA ลดลงจากบนลงล่าง (ลดตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น)
  • หมู่ VA VIA VIIA และ VIIIA เพิ่มขึ้นจากบนลงล่าง (เพิ่มตามเลขอะตอม)
  • หมู่ IVA มีแนวโน้มที่ไม่แน่นอน

ตามคาบ

  • หมู่ IA IIA IIIA และ IVA แนวโน้มสูงขึ้น
  • หมู่ IVA มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงที่สุด เพราะบางธาตุมีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย
  • หมู่ VA VIA VIIA และ VIIIA จุดเดือด จุดหลอมเหลวต่ำ เนื่องจากมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่มีค่าต่ำมาก

7. เลขออกซิเดชัน (Oxidation Number)

เลขออกซิเดชัน คือ เลขที่แสดงถึงค่าประจุไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้าสมมติของไอออนหรืออะตอมของธาตุ

ธาตุแต่ละชนิดมีเลขออกซิเดชันเป็นเท่าไหร่ให้เป็นไปตามเกณฑ์ดังนี้

ตัวอย่างเลขออกซิเดชันของธาตุ

ตัวอย่างการหาค่าเลขออกซิเดชันครับ (ตาม Link เลยครับ)

Link: ตัวอย่างวิธีคิดเลขออกซิเดชัน

Link: ตัวอย่างไอออนลบที่ควรทราบ (อ้างอิงจาก: ChemistryKruBoy)

เป็นอย่างไรบ้างครับนักเรียน ครูหวังว่านักเรียนคงจะได้ความรู้ไปเยอะแยะเลยทีเดียว หากนักเรียนยังอยากได้ความรู้เพิ่มเติมอีก สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จาก Reference ดังนี้ หรือสามารถสืบค้นจากแหล่งข้อมูลอื่นๆ ก็ได้ครับ