สมบัติและการนำไปใช้ประโยชน์ของของเหลว

        สมบัติทั่วไป

          1.) ของเหลวมีรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนตามภาชนะที่บรรจุซึ่งโมเลกุลที่เคลื่อนที่ อย่างไม่ค่อยเห็นระเบียบ มีช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อย

          2.) ปริมาตรของของเหลวเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่ออุณหภูมิและความดันเปลี่ยน

          3.) ของเหลวส่วนใหญ่มีความหนาเเน่นมากกว่าก๊าซ แต่น้อยกว่าของเเข็ง

          4.) โมเลกุลของของเหลวสามารถแพร่กระจายได้ แต่ในอัตราที่ช้ากว่าโมเลกุลของก๊าซ เพราะของเหลวมีความหนาเเน่นมากจึงถูกดึงดูดโดยโมเลกุลข้างเคียง เเละมีบริเวณที่จะเคลื่อนที่จำกัดต้องปะทะโมเลกุลอื่นตลอดทาง

          แรงตึงผิว (Surface tension) คือคุณสมบัติของพื้นผิวของของเหลว เป็นสิ่งทำให้เกิดบางส่วนของพื้นผิวของเหลวถูกดึงดูด (ยึดเข้าไว้ด้วยกัน) สู่พื้นผิวอื่น เช่น พื้นผิวของเหลวส่วนอื่น (การรวมตัวของหยดน้ำหรือหยดปรอทที่แกะกันเป็นลูกกลม)
          แรงตึงผิวถูกทำให้เกิดขึ้นด้วยการดึงดูด (การดึงดูดของโมเลกุลกับโมเลกุลที่เหมือนกัน) เมื่อโมเลกุลบนพื้นผิวของของเหลวไม่ได้ล้อมรอบไปด้วยโมเลกุลที่เหมือนกันในทุกๆด้านแล้ว โมเลกุลจะมีแรงดึงดูดกับโมเลกุลใกล้เคียงบนพื้นผิวมากขึ้น

ภาพที่ 1 การจัดเรียงอนุภาคของของเหลว
ที่มา : ดัดแปลงจาก https://zh-min-nan.wikipedia.org/wiki/t%C3%B3ng-%C3%A0n:States_of_matter_En.svg, Yelod

ปัจจัยที่มีผลต่อความตึงผิว

          1) แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ความตึงผิวจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก โมเลกุลที่ผิวหน้าจะถูกดึงเข้าภายในอย่างแรงงานที่ใช้ในการขยายพื้นที่ผิวของของเหลวจะมากตาม ความตึงผิวก็มาก

          2) อุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลน์ของแต่ละโมเลกุลเพิ่มขึ้น แต่แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลลดลง ทำให้ความตึงผิวลดลง

แรงเชื่อมแน่นและแรงยึดติด

          เมื่อของเหลวสัมผัสกับวัสดุหรือบรรจุอยู่ในภาชนะ จะมีโมเลกุลของสารสองชนิดที่แตกต่างกันคือ โมเลกุลของของเหลวและโมเลกุลของสารที่เป็นวัสดุหรือทำภาชนะ รวมทั้งมีแรงยึดเหนี่ยวที่เกี่ยวข้องอีก 2 ประเภทดังนี้

      แรงเชื่อมแน่น (Cohesive forces) หมายถึง  แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคหรือ โมเลกุลของสารชนิดเดียวกัน เช่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับน้ำ

      แรงยึดติด (Adhesive forces)   หมายถึง  แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคหรือโมเลกุลต่างชนิดกัน เช่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับแก้วที่ใช้ทำภาชนะ

          ถ้าหยดน้ำลงบนผิวที่เรียบมัน เช่น พลาสติกหรือวัสดุที่เคลือบเงาบางชนิด หยดน้ำจะมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเกาะที่ผิววัสดุนั้น เพราะว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำ มีค่ามากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับวัสดุ (แรงเชื่อมแน่น >แรงยึดติด)

ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว

         เมื่อบรรจุของเหลวในภาชนะปิด ณ อุณหภูมิหนึ่งโดยบรรจุไม่เต็ม   โมเลกุลของของเหลวที่ระเหยกลายเป็นไอจะอยู่ในที่ว่างเหนือของเหลว   ดังรูป

ภาพที่ 2  แสดงความดันไอของของเหลว
ที่มา ดัดแปลงจาก https://pixabay.com/ , OpenClipart-Vectors

           โมเลกุลที่อยู่ในรูปของไอจะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาเพราะมีพลังงานจลน์มาก  เมื่อชนผนังภาชนะจะทำให้เกิดความดันเรียกว่าความดันไอ (vapor pressure)
            การเดือด ( Boiling ) เป็นขบวนการที่โมเลกุลของของเหลวได้รับพลังงานสูงมากจนกลายเป็นไอได้อย่างรวดเร็ว และโมเลกุลของของเหลวทั่วทุกบริเวณในภาชนะนั้นสามารถที่จะหลุดหนีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลได้อย่างรวดเร็ว การเดือดของของเหลวจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งจะคงที่สำหรับของเหลวแต่ละชนิด เรียกว่า จุดเดือด ( Boiling point ) ความดันไอของของเหลวขณะเดือดจะมีค่าเท่ากับความดันภายนอกหรือมากกว่าซึ่งก็คือความดันบรรยากาศขณะนั้น ความดันของบรรยากาศจะมีผลต่อจุดเดือดของของเหลว คือ ถ้าเปลี่ยนความดันจะทำให้จุดเดือดของของเหลวเปลี่ยนไปด้วย โดยทั่วไปเมื่อกล่าวถึงจุดเดือดโดยไม่ระบุความดันเราหมายถึงจุดเดือดที่ความดัน 1 บรรยากาศ และเรียกว่า จุดเดือดปกติ

ปัจจัยที่มีผลต่อความดันไอของของเหลว

1. อุณหภูมิ

          ความดันไอจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิ  เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นการระเหยก็จะเกิดได้ดีขึ้น  ทำให้มีความหนาแน่นของไอเพิ่มขึ้น  ขณะเดียวกันพลังงานจลน์ของไอก็เพิ่มขึ้นด้วย ทำให้ความถี่ในการชนและพลังงานที่เกิดจากการชนมากขึ้น  ความดันจึงเพิ่มขึ้น  
           ความดันไอของของเหลวต่าง ๆ  จะสัมพันธ์กับจุดเดือดของของเหลวนั้น ๆ  ในลักษณะของการแปรผกผัน  คือถ้าความดันไอสูงจุดเดือดจะต่ำ  เหตุผลคือขณะที่ของเหลวเดือดความดันไอของของเหลวจะเท่ากับความดันบรรยากาศที่กดลงบนผิวหน้าของเหลวในขณะนั้น  ฉะนั้นของเหลวที่ระเหยง่ายจึงมีจุดเดือดต่ำกว่าของเหลวที่ระเหยยาก    

2. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลว

          เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลในของเหลวมีหลายชนิด และมีความแข็งแรงแตกต่างกัน เช่น แรงลอนดอน แรงดึงดูดระหว่างขั้ว พันธะไฮโดรเจน ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงน้อยจะกลายเป็นไอได้ง่าย มีความดันไอสูง และมีจุดเดือดต่ำส่วนของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงมากจะกลายเป็นไอได้ยาก มีความดันไอต่ำ และจุดเดือดสูง เช่น น้ำ มีจุดเดือด  100  ^oC  ในขณะที่เอทานอลมีจุดเดือด  78.37  ^oC   แสดงว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำมีมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเอทานอล 

3. การถ่ายเทอากาศ

           การที่อยู่ในที่ที่มีการถ่ายเทอากาศได้ดีหรือมีลมพัดผ่านจะช่วยให้เกิดการระเหยได้ดี เช่น เหงื่อบนร่างกาย เพราะการเคลื่อนที่ของอากาศทำให้โมเลกุลของไอบริเวณเหนือของเหลวเกิดการเคลื่อนที่ และลดจำนวนโมเลกุลของไอบริเวณผิวหน้าของของเหลว เป็นผลให้โมเลกุลของของเหลวบริเวณผิวหน้ากลายเป็นไอได้มากขึ้นหรือระเหยได้เร็วขึ้น ขณะที่เหงื่อระเหยจะดึงความร้อนจากผิวหนังจึงทำให้รู้สึกเย็น

แหล่งที่มา

บัญชา  แสนทวี และคณะ .(2551). หนังสือเรียนรายวิชาเคมีเพิ่มเติมชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6 หลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ : สำนักงานพิมพ์วัฒนาพานิช.

พงศธร  นันทธเนศ และคณะ .(2556). หนังสือเสริมสร้างศักยภาพและทักษะ เคมี เล่ม 2 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6. กรุงเทพฯ : บริษัทไทยร่มเกล้า จำกัด.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2553). หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม เคมี เล่ม 2 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว

อนุภาคแก๊สน่ารู้

          แก๊ส เป็นหนึ่งในสี่สถานะของสสาร ในภาวะที่อุณหภูมิและความดันเหมาะสม สารหลายชนิดสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สได้ ธาตุที่เป็นอโลหะ เช่น ไฮโดรเจน ฟลูออรีน ออกซิเจน ไนโตรเจน แก๊สเฉื่อย และสารประกอบโคเวเลนต์ที่มีมวลโมเลกุลต่ำบางชนิด เช่น CO , CO₂ , NH₃ , SO₂ มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องโดยปกติแก๊สมักจะหมายถึงสารที่มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ส่วนสารที่เป็นของเหลวที่ภาวะปกติ แต่ถูกเปลี่ยนแก๊สจะเรียกว่า ไอ (Vapour)

ภาพการจัดเรียงอนุภาคของแก๊ส
ที่มา : ดัดแปลงจาก https://zh-min-nan.wikipedia.org/wiki/t%C3%B3ng-%C3%A0n:States_of_matter_En.svg, Yelod

สมบัติของแก๊ส

1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ

2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล

3. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (The kinetic theory of gases)

          ทฤษฎีจลน์ของแก๊สเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายสมบัติทางฟิสิกส์ของแก๊ส นักวิทยาศาสตร์ที่ได้เสนอทฤษฎีนี้คือ Deniel Bernoulli และทฤษฎีนี้ได้ถูกปรับปรุงโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ เพื่อให้มีความสมบูรณ์และถูกต้องยิ่งขึ้น จนได้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สในปัจจุบัน ซึ่งมีข้อความดังนี้

          1. แก๊สต่างๆประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากเรียกว่า โมเลกุล

          2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน แต่ละโมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่

         3. โมเลกุลของแก๊สมีมวลแต่มีขนาดเล็กมากจนถือได้ว่ามีปริมาตรเป็นศูนย์

         4. โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอย่างไม่เป็นระเบียบตลอดเวลาด้วย อัตราเร็วคงที่(แต่ไม่จำเป็นต้องเท่ากัน)จนปะทะโมเลกุลอื่นหรือผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางอาจเปลี่ยนอัตราเร็วด้วย

         5. การชนกันของโมเลกุลเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์คือ เมื่อชนกันแล้วจะไม่มีการสูญเสียพลังงานรวม แต่อาจจะมีการถ่ายเทพลังงานระหว่างโมเลกุลได้

         6. ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สชนิดหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงที่

         7. โมเลกุลของแก๊สใด ๆ จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยค่าหนึ่งค่าหนึ่งซึ่งเท่ากับ mv² (เมื่อ m คือมวลโมเลกุลของแก๊ส และ v คือความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของแก๊ส)

         8. ที่อุณหภูมิเดียวกัน แก๊สทุกชนิดจะมีค่าพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน และพลังงานจลน์เฉลี่ย ของแก๊สแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

          หมายเหตุ  โมเลกุลของแก๊สที่มีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สครบทุกข้อ คือแก๊สในอุดมคติหรือแก๊สสมบัติ ส่วนแก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงแก๊สในอุดมคติ ก็ต่อเมื่ออยู่ในภาวะอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีของแก๊สข้อ 2) ที่ว่าโมเลกุลไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน สำหรับแก๊สจริงย่อมมีแรงยึดเหนี่ยวอย่างแน่นอน แต่แรงยึดเหนี่ยวนั้นจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส แต่อย่างไรก็ตามที่อุณหภูมิสูงโมเลกุลของแก๊สจะมีพลังงานจลน์สูงขึ้น ประกอบกับความดันต่ำด้วย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ออกจากกันมากขึ้นทำให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลมากขึ้น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงลดน้อยลงหรืออาจน้อยมากจนไม่มีเลย แสดงว่าโมเลกุลของแก๊สดังกล่าวกำลังมีพฤติกรรมคล้ายกับแก๊สสมมติ 

 การสกัดสารโดยใช้ CO₂ ที่อยู่ในรูปของของไหล (CO₂-Fluid)

            การสกัดสารโดยใช้ CO₂ ที่อยู่ในรูปของของไหล (CO₂-Fluid) เป็นเทคโนโลยีชั้นสูง เทคนิคการสกัดแบบนี้จะใช้แก๊ส คาร์บอนไดออกไซด์ในรูปของของไหลแทนตัวทำละลายอินทรีย์ต่างๆ เช่น แอซีโตน เฮกเซน หรือ เมทิลีนคลอไรด์

            การสกัดสารโดยใช้ CO₂ เมื่ออยู่ภายใต้ภาวะวิกฤติยิ่งยวด (supercritical state) คือที่อุณหภูมิ 31 องศาเซลเซียสและความดัน 73 บรรยากาศ จะมีสภาพเป็นของไหล และมีสมบัติหลายประการที่เหมือนทั้งแก๊สและของเหลว

            สมบัติที่เหมือนแก๊สคือ ขยายตัวได้ง่ายจนเต็มภาชนะที่บรรจุ มีลักษณะไหลได้ส่วนสมบัติที่เหมือนของเหลว คือมีความสามารถในการละลายของแข็งหรือของเหลวได้ดี ดังนั้นจึงสามารถใช้ในการสกัดสารประกอบที่ต้องการแยกออกจากของผสม โดยการควบคุมอุณหภูมิและความดันให้เหมาะสม หรืออาจใช้เทคนิคนี้ในการทำสารให้บริสุทธิ์เทคนิคนี้สามารถใช้สกัดสารได้หลายชนิดเนื่องจากเราสามารถทำให้ CO₂ ในรูป ของของไหลมีความหนาแน่นสูงหรือต่ำได้ตามต้องการ เป็นผลให้สามารถใช้ของไหลนี้เลือกละลาย สารหรือองค์ประกอบที่ต้องการสกัดได้ตามสภาวะที่เหมาะสม

            ปัจจุบันนี้นิยมใช้ CO₂ ในรูปของของไหลสกัดคาเฟอีนออกจากเมล็ดกาแฟดิบแทน ตัวทำละลายที่ใช้อยู่คือเมทิลีนคลอไรด์ โดยไม่ทำทำให้รสหรือกลิ่นของกาแฟเปลี่ยนไป เพราะว่า CO₂ ที่ปะปนอยู่จะอยู่ในรูปแก๊สสามารถแพร่ออกจากเมล็ดกาแฟได้ นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้เทคนิคนี้ใน อุตสาหกรรมอื่นๆ อีก เช่น การสกัดน้ำมัน เรซิน และสารจากสมุนไพร เครื่องเทศ หรือพืช

การทำน้ำแข็งแห้ง

          น้ำแข็งแห้งผลิตได้โดยนำแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์มาทำให้เป็นของเหลว โดยการเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ จากนั้นทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวมีความบริสุทธิ์และปราศจากความชื้นด้วยวิธีการที่เหมาะสม แล้วเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิอีกครั้งหนึ่งจนกระทั่งมี ความดัน 18 บรรยากาศและอุณหภูมิเท่ากับ  -25 ˚C 

          ต่อจากนั้นจึงอัดคาร์บอนไดออกไซด์เหลวผ่านรูพรุน คาร์บอนไดออกไซด์เหลวส่วนหนึ่งจะระเหยกลายเป็นไอโดยดูดความร้อนจากโมเลกุลข้างเคียง ทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกดูดความร้อนมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จึงกลายเป็นของแข็งที่มีลักษณะเป็นเกล็ด เรียกว่า น้ำแข็งแห้ง

แหล่งที่มา

บัญชา  แสนทวี และคณะ .(2551). หนังสือเรียนรายวิชาเคมีเพิ่มเติมชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6 หลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ : สำนักงานพิมพ์วัฒนาพานิช.

พงศธร  นันทธเนศ และคณะ .(2556). หนังสือเสริมสร้างศักยภาพและทักษะ เคมี เล่ม 2 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6. กรุงเทพฯ : บริษัทไทยร่มเกล้า จำกัด.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2553). หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม เคมี เล่ม 2 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว