วันจันทร์ที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2558

สารละลาย


การเปลี่ยนสถานะของสาร

การเปลี่ยนแปลงของสาร

            การเปลี่ยนแปลงของสาร หมายถึงการที่สารมีสมบัติต่างไปจากเดิม อาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือเกิดจากการกระทำอย่างใดอย่างหนึ่ง แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
            1. การเปลี่ยนสถานะของสาร
            2. การละลายของสาร
            3. การเกิดปฏิกิริยาเคมี
การเปลี่ยนสถานะของสาร
            ในธรรมชาติสารแต่ละชนิดจะปรากฏอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เราสามารถทำให้สารเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปเป็นสถานะหนึ่งได้ และสามารถทำให้กลับมาอยู่ในสถานะเดิมได้อีก การเปลี่ยนแปลงสถานะของสารเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน
การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นของเหลว และจากของเหลวเป็นแก๊สจะต้องทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคลดลงหรืออนุภาค เกิดการจับตัวกันน้อยลง ซึ่งทำได้โดยใช้พลังงานเข้าช่วย เมื่อให้ความร้อนแก่สารในสถานะของแข็งจะทำให้ของแข็งหลอมเหลวกลายเป็นของ เหลว และเมื่อให้ความร้อนแก่ของเหลวจะทำให้ของเหลวกลายเป็นแก๊ส

            ในทางกลับกันการเปลี่ยนสถานะของสารจากแก๊สกลับมาเป็นของ เหลว และจากของเหลวกลายเป็นของแข็งนั้นจะต้องทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค เพิ่มขึ้นหรืออนุภาคจัดตัวกันมากขึ้น ซึ่งทำได้โดยให้สารคายความร้อนออกมา เมื่อลดอุณหภูมิของสารในสถานะแก๊สลงจะทำให้แก๊สควบแน่นกลายเป็นของเหลว และเมื่อลดอุณหภูมิของเหลวลงอีกจะทำให้ของเหลวกลายเป็นของแข็งได้


            พลังงานความร้อนที่ใช้ไปเพื่อเปลี่ยนสถานะของสารเรียกว่า ความร้อนแฝง ถ้าเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอเรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ถ้าเปลี่ยนสถานะของแข็งเป็นของเหลวเรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว ความร้อนแฝงของสารแต่ละชนิดมีค่าเฉพาะตัว เช่น ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของน้ำมีค่า 540 แคลอรีต่อกรัม ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำมีค่า 80 แคลอรีต่อกรัม
ในชีวิตประจำวันเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารอยู่เสมอ เช่น การเปลี่ยนสถานะของน้ำในธรรมชาติหมุนเวียนเป็นวัฏจักร ทำให้มีแหล่งน้ำสะอาดให้มนุษย์ได้ใช้หมุนเวียนอยู่เสมอ นอกจากนี้มนุษย์ยังใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนสถานะของสารหลายกรณี ดังนี้
            1. การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นของเหลวก่อนจะนำสารไปใส่แบบพิมพ์หรือ เป่าให้มีรูปร่างตามต้องการ เช่น โลหะ แก้ว เทียน พลาสติก
            2. การเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ เช่น การใช้ประโยชน์จากแรงดันไอน้ำเดือดในการหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
            3. การเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง เช่น การทำไอศกรีม การทำน้ำแข็ง
การละลายของสาร
เมื่อสารมีการละลายจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน 2 แบบ คือ
            1. การละลายประเภทคายความร้อน
            2. การละลายประเภทดูดความร้อน
การละลายจะเป็นประเภทใดขึ้นอยู่กับชนิดของสารและตัวทำละลายที่เกี่ยวข้อง ในขณะที่สารเกิดการละลาย ตัวละลายที่เป็นของแข็งจะแยกตัวเป็นอนุภาคเล็กๆ และยึดเหนี่ยวกับโมเลกุลของตัวละลาย กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับพลังงาน ถ้าพลังงานที่ใช้แยกอนุภาคของของแข็งมีปริมาณน้อยกว่าพลังงานที่เกิดจากการ ยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของตัวละลายกับตัวทำละลาย การละลายของสารนี้จะปล่อยพลังงานออกมา สารละลายจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น การละลายประเภทนี้เรียกว่า การละลายประเภทคายความร้อน
ในทางกลับกัน ถ้าพลังงานที่ใช้ในการแยกอนุภาคของตัวละลายที่เป็นของแข็งมีปริมาณมากกว่า พลังงานที่เกิดจากการยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของตัวละลายกับตัวทำละลาย การละลายของสารนี้จะดูดพลังงาน สารละลายจะมีอุณหภูมิต่ำลง การละลายประเภทนี้เรียกว่า การละลายประเภทดูดความร้อน

การละลายของของเหลวหรือแก๊สในตัวทำละลายชนิดต่างๆ เกิดขึ้นได้ในทำนองเดียวกัน การละลายของสารแต่ละชนิดจะเป็นการละลายของสารประเภทดูดหรือคายความร้อนเป็น สมบัติเฉพาะตัวของสาร
ตารางแสดงตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนในการละลายของสารบางชนิด
            สภาพการละลายได้ หมายถึงความสามารถในการละลายได้ของตัวทำละลาย ซึ่งนอกจากจะขึ้นอยู่กับชนิดของตัวละลายและตัวทำละลายแล้วยังขึ้นอยู่กับ สภาพแวดล้อมอื่นๆ อีก ได้แก่ อุณหภูมิ และความดัน เช่น สภาพการละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ 100 กรัม ณ อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส เท่ากับ 36.0 กรัม แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิเป็น 60 องศาเซลเซียส สภาพการละลายจะเปลี่ยนไปคือ ละลายได้เพิ่มขึ้นเป็น 37.3 กรัม ส่วนการละลายของแก๊สจะละลายได้มากขึ้นถ้าอุณหภูมิลดลงและความดันเพิ่มมาก ขึ้น เช่น การละลายของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำอัดลม
การเกิดปฏิกิริยาเคมี
            การเกิดปฏิกิริยาเคมีของสาร เป็นการเปลี่ยนแปลงของสารจากเดิมเป็นสารใหม่ เช่น การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า ทำให้เกิดสารใหม่คือแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน
การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสารนอกจากจะได้สารใหม่แล้ว ยังมีการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ด้วย เช่น พลังงาน การเกิดปฏิกิริยาเคมี ของสารบางอย่างดูดความร้อน ปฏิกิริยาเคมีของสารบางอย่างคายความร้อน บางอย่างเปลี่ยนเป็นพลังงานแสง พลังงานเสียง
การเปลี่ยนแปลงของสารที่จัดเป็นปฏิกิริยาเคมีสามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์ ระหว่างสารตั้งต้น (สารเดิม) และผลิตภัณฑ์ (สารใหม่) ได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้
เมื่อเติมหินปูน (สารประกอบแคลเซียมคาร์บอเนต) ลงในกรดไฮโดรคลอริก จะเห็นฟองแก๊สในหลอดทดลองและหินปูนสึกกร่อน แก๊สที่เกิดขึ้นคือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้
กรดไฮโดรคลอริก + แคลเซียมคาร์บอเนต ---> แคลเซียมคลอไรด์ + น้ำ + แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
เขียนสมการเคมีได้ดังนี้
2HCl +  --->  +  + 
HCl = กรดไฮโดรคลอริก
 = แคลเซียมคาร์บอเนต
 = แคลเซียมคลอไรด์
 = น้ำ
 = แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
การเกิดปฏิกิริยาเคมีของสารแต่ละชนิดจะเกิดผลิตภัณฑ์แตกต่างกันไปขึ้นอยู่ กับชนิดของสารตั้งต้น และจะเกิดปฏิกิริยาเร็วช้าแตกต่างกันด้วย และถ้าเปรียบเทียบมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา จะพบว่ามีมวลเท่ากัน (ปฏิกิริยาเคมีต้องเกิดขึ้นในระบบปิด) ซึ่งเป็นไปตามกฎทรงมวลของสารที่กล่าวว่า " การเปลี่ยนแปลงใดๆ ของสารที่อยู่ในระบบปิดมวลของสารก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีค่าคง ที่"
การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น เทียนไข ฟืน น้ำมัน หรือแอลกอฮอล์ เป็นการทำปฏิกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงกับแก๊สออกซิเจนในอากาศ จัดเป็นปฏิกิริยาเคมีประเภทคายความร้อน ซึ่งต้องใช้พลังงานความร้อนส่วนหนึ่งเข้ากระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น ต่อจากนั้นความร้อนจากปฏิกิริยาก็จะช่วยให้เกิดปฏิกิริยาต่อไปจนกระทั่ง เชื้อเพลิงหรือแก๊สออกซิเจนอย่างใดอย่างหนึ่งหมดไป
ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในบรรยากาศที่มีแก๊สออกซิเจนอย่างเพียงพอ จะได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และพลังงาน เรียกการเผาไหม้เช่นนี้ว่า การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ แต่ ถ้าการเผาไหม้เชื้อเพลิงในสภาพที่มีออกซิเจนไม่เพียงพอ อาจเกิดเขม่า ควัน หรือแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งเขม่าหรือควันจะทำให้อากาศสกปรกเกิดอันตรายแก่ระบบทางเดินหายใจ ส่วนแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์จะเป็นแก๊สที่ขัดขวางการลำเลียงแก๊สออกซิเจนคือ เมื่อหายใจนำแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์เข้าไป แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์จะไปรวมกับเฮโมโกลบินในเม็ดเลือดแดง ทำให้เฮโมโกลบินไม่สามารถนำแก๊สออกซิเจนไปเลี้ยงร่างกาย ซึ่งอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้