ปฏิกิริยาเคมีในสารอนินทรีย์มีด้วยกัน 4 ชนิดคือ:

1. ปฏิกิริยารวมตัว(combination reaction)

ปฏิกิริยารวมตัว(อังกฤษ:Combination Reaction) หรือปฏิกิริยาการสังเคราะห์ คือปฏิกิริยาเคมีที่ตัวทำปฏิกิริยาสองตัวหรือมากกว่าเกิดปฏิกิริยาเคมีกันโดยการรวมตัวและมีพันธะทางเคมีต่อกัน (chemical bond) แล้วเกิดเป็นสารประกอบตัวใหม่ดังตัวอย่างโซเดียม ทำปฏิกิริยากับคลอรีนแล้วเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงดังปฏิกิริยาข้างล่างนี้

2Na(s)+ Cl2 (g)→ 2NaCl(s)

2. ปฏิกิริยาแตกตัว(decomposition reaction)

ปฏิกิริยาแตกตัว(อังกฤษ:Chemical decomposition) หรือการวิเคราะห์ คือปฏิกิริยาการแตกสะลายของสารเคมีไปเป็นธาตุหรือสารประกอบที่เล็กกว่า ปฏิกิริยาประเภทนี้จะเขียนสมการเคมีได้ดังนี้

กข → ก + ข

ตัวอย่างปฏิกิริยาทางเคมีแบบวิเคราะห์คือ ปฏิกิริยาอิเล็กโตรไลสีส(electrolysis) ของน้ำดังตัวอย่างข้างล่างนี้

2H2O → 2H2+ O2

สมการวิเคราะห์และสังเคราะห์ทางเคมีอาจสามารถใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมีที่ เกิดขึ้นได้ทั้งหมด แต่ในชีวิตประจำวันปฏิกิริยาแตกสะลายมักจะเป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ ความเสถียรภาพของสารประกอบเคมีจะขึ้นกับสภาพแวดล้อมเป็นสำคัญซึ่งได้แก่

• ความร้อน(heat)
• รังสี(radiation)
• ความชื้น(humidity)
• ความเป็นกรด(acidity)

3. ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว(single displacement reaction)

ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว(อังกฤษ:single-displacement reaction) คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อธาตุเคมีตัวหนึ่งเข้าไปแทนที่ธาตุเคมีอีกตัวหนึ่งในสารประกอบใดสารประกอบหนึ่งซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
ก + ขค → กค + ข
ในสมการข้างบนธาตุกทำปฏิกิริยาเคมีกับสารประกอบขคเกิดเป็นสารประกอบกคและธาตุขอธิบายว่าปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ง่ายเมื่อธาตุกมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าธาตุขบางครั้งกและขมีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันก็ได้ดังนั้นการทำให้สมการสมดุลจึงมีความจำเป็น ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาเคมีระหว่างแคลเซียมคลอไรด์(CaCl2)กับโซเดียม(Na)เกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์(NaCl)และแคลเซียม(Ca)ดังสมการนี้

CaCl2+2Na → Ca +2NaCl

เพื่อทำให้สมการสมดุลแคลเซียมคลอไรด์หนึ่งโมเลกุลจะต้องใช้โซเดียม 2 อะตอมจึงจะได้สารประกอบ โซเดียมคลอไรด์ 2 โมเลกุลและแคลเซียม 1 อะตอม

4.ปฏิกิริยาแทนที่คู่ซึ่งกันและกัน(double displacement reaction)

ปฏิกิริยาแทนที่คู่ซึ่งกันและกัน(อังกฤษ:double displacement reaction) หรือแทนที่คู่หรือเมต้าทีสีส(metathesis) หรือปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออนคือ การที่สารประกอบสองตัวแลกเปลี่ยนไอออนซึ่งกันและกันแล้วเกิดเป็นสารประกอบใหม่สองตัวขึ้นมาแทนที่ สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

กค + ขง → กง + ขค

ตัวอย่างปฏิกิริยาเคมีจริงเป็นดังนี้

2NaCl(aq)+CuSO4(aq)→Na2SO4(aq)+CuCl2(solid)

CaCl2(aq)+ 2AgNO3(aq)→ Ca(NO3)2(aq)+ 2AgCl(solid)

สารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวบางตัวอาจตกตะกอน ก๊าซที่ไม่ละลายในสารละลายนั้นหรืออาจจะเกิดเป็นโมเลกุลของน้ำก็ได้ ปฏิกิริยาทำให้เป็นกลางอาจจะเป็นกรณีพิเศษสำหรับปฏิกิริยาแทนที่คู่ซึ่งกันและกันคือจำนวนของกรดจะต้องเท่ากับจำนวนของด่างแล้วเกิดเป็นเกลือและน้ำขึ้นดังตัวอย่างข้างล่างนี้

สารอนินทรีย์ในเซลล์สิ่งมีชีวิต

1. น้ำ (H2O) เป็นสารประกอบที่มีมากที่สุดในสิ่งมีชีวิต มีสมบัติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเกิดจากการยึดเหนี่ยวด้วยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)

สารที่มีสมบัติละลายน้ำได้ดี เรียกว่า ไฮโดรฟิลิก (hydrophilic) เช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) และ สารที่มีสมบัติไม่ละลายน้ำ เรียกว่า ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) เช่น ไขมัน

ความสำคัญของน้ำต่อสิ่งมีชีวิต เช่น เป็นตัวทำละลาย ลำเลียงสารและนำสารต่างๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยาในเซลล์ รักษาสมดุลของกรด-เบส รักษาสมดุลของอุณหภูมิในร่างกาย

2. แร่ธาตุ (minerals) มีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต ดังนี้

- สิ่งมีชีวิตต้องการแร่ธาตุ เพื่อนำไปใช้เป็นส่วนประกอบของสารอินทรีย?

- แร่ธาตุที่สิ่งมีชีวิตต้องการจะต้องอยู่ในรูปของไอดดน เช่น โซเดียมไอออน(Na+) โพแทสเซียมไอออน (K+)แคลเซียมไอออน (Ca+)

- แร่ธาตุมีบทบาทสำคัญ เช่น เป็นส่วนประกอบของกระดูก ฟัน กล้ามเนื้อ ช่วยทำให้ของเหลวในร่างกายมีสมบัติเป็นกรดหรือเบส ช่วยให้การทำงานของอวัยวะดำเนินไปตามปกติ

น้ำ เป็นสารประกอบที่พบมากในสิ่งมีชีวิต ดังนั้นจะมีความสำคัญมาก นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่า น้ำประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจนมีสูตร H2O อะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจนยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโควาเลนท์ ซึ่งเกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน อิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมออกซิเจนยังมีเหลืออีก 4 อิเล็กตรอน ที่ยังไม่มีพันธะโควาเลนท์ จึงทำให้อะตอมของออกซิเจนแสดงประจุลบและอะตอมของของไฮโดรเจนทั้ง 2 อะตอมแสดงประจุบวก ทำให้โมเลกุลของน้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว (polar) ดังภาพที่ 3-2 ข.

นอกจากน้ำเป็นโมเลกุล ที่มีขั้วแล้ว ยังมีสมบัติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องที่เกิดจากการยึดเหนี่ยวด้วยพันธะ ไฮโดรเจน (hydrogen bond) ระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับอะตอมของไฮโดรเจนของน้ำแต่ละโมเลกุล พันธะไฮโดรเจนเป็นพันธะที่ไม่แข็งแรงเท่าพันธะโควาเลนท์ แต่ก็เพียงพอที่จะยึดเหนี่ยวโมเลกุลน้ำไว้ด้วยกัน จึงทำให้มีสภาพเป็นของเหลว ดังภาพที่ 3-3

สมบัติการมีขั้วของ โมเลกุลน้ำและการเกิดพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของสารต่างๆ ได้ ทำให้สารต่างๆ ที่มีขั้วสามารถละลายน้ำได้ดี การที่น้ำแสดงทั้งประจุบวกและประจุลบอยู่ในโมเลกุลเดียวกันน้ำจึงเป็นตัว ทำลายที่ดี สำหรับโมเลกุลที่แตกตัวเป็นไอออนได้ เช่น โวเดียมคลอร์ไรด์ละลายในน้ำได้ เพราะโซเดียมไอออน (Na+) เกาะกับอะตอมของออกซิเจนซึ่งเป็นขั้วลบ ส่วนคลอไรด์ไอออน (Cl-) เกาะอยู่กับอะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นขั้วบวก ดังภาพที่ 3-4 

สารที่สมบัติละลายน้ำได้ดีเรียกว่า ไฮดดรฟิลิก (hydrophilic) ซึ่งหมายถึง “ชอบน้ำ”และเรียกสารที่มีสมบัติที่ไม่ละลายน้ำว่า ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) ซึ่งหมายถึง“ไม่ชอบน้ำ”ทั้งนี้เป็นเพราะสารเหล่านี้ไม่สามารถแตกตัว ให้ไอออนได้เหมือนโซเดียมคลอร์ไรด์ หรือเป็นโมเลกุลที่มีขั้วจึงไม่สามารถยึดติดกับโมเลกุลของน้ำได้สมบัติในการเป็นตัวทำละลายที่ดีของน้ำ ทำให้ใช้น้ำเป็นตัวลำเลียงและนำสารต่างๆ มาเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกายได้ตามที่ต้องการโมเลกุลของน้ำยังสามารถแตกตัวให้ไอออนได้เป็นไฮโดรเจน (H+) และกรดไฮดรอกซิลไอออน (OH-) ทำให้เกิดการเป็นกรดและเบส น้ำยังสามารถแตกตัวได้อย่างรวดเร็วอีกด้วยน้ำ 1 แก้ว สามารถแตกตัวได้ไฮโดรเจนไอออนประมาณ 1015 ไอออนนอกจากนี้น้ำยังมีสมบัติเก็บความร้อนได้ดี จึงมีความจุความร้อนสูง ทำให้สามารถช่วยรักษาสมดุลของอุณหภูมิในร่างกายได้ดี

จากภาพที่ 3-1 องค์ประกอบของร่างกายที่เป็นสารอนินทรีย์เพื่อนำไปใช้เป็นส่วนประกอบของสาร อินทรีย์อื่นประมาณ 1% ซึ่งในส่วนนี้มีแร่ธาตุอยู่ด้วย ที่น่าสงสัยคือแร่ธาตุมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตอย่างไร

สิ่งมีชีวิตต้องการ ร่าตุซึ่งเป็นสารอนินทรีย์เพื่อนำไปใช้เป็นส่วนประกอบของสารอินทรีย์ แร่ธาตุเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นเพราะบางชิดเป็นส่วนประกอบของเอนไซม์และ โปรตีนต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการทำงานของร่างกาย และเป็นแร่ธาตุอื่นมาทำหน้าที่แทนได้ การขาดอาหารก่อให้เกิดความผิดปกติของการทำงาน เช่นกรณีพืชขาดธาตุแมกนีเซียม ใบแก่จะมีสีเหลือง ระหว่าง เส้นใบ ที่ปลายใบและขอบใบม้วนเป็นรูปคล้ายถ้วย ดังภาพที่ 3-5

แร่ธาตุที่สิ่งมีชีวิตต้องการอยู่ในรูปของไอออน เช่น โซเดยมไอออน (Na+) โพแทสเซียมไอออน (K+) แคลเซียมไอออน (Ca²+) และไนเตรตไอออน (No3-) ซึ่งพืชนำเข้าสู่รากได้โดยไอออนเหล่านี้ ละลายอยู่ในน้ำสำหรับคนและสัตว์ แร่ธาตุมีบทบาทสำคัญทั้งในด้านที่ส่วนประกอบของกระดูก ฟัน และกล้ามเนื้อ แร่ธาตุยังช่วยทำให้ของเหลวในร่างกายมีสมบัติเป็นกรดหรือเบสตามที่ต้องการ แร่ธาตุมีเพียงเล็กน้อย เช่น ในแต่ละวันเราต้องการธาตุเหล็กประมาณ 15 มิลลิกรัม ธาตุโซเดียม 50 มิลลิกรัม ธาตุโพแทสเซียม 2,000 มิลลิกรัม ธาตุไอโอดีนประมาณ0.15 มิลลิกรัม เป็นต้นดังนั้นจะเห็นได้ว่าสารอนินทรย์มีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตโดยเป็นส่วน ประกอบของเซลล์ รักษาดุลยภาพของกรด-เบส ดุลยภาพของไอออน รวมทั้งช่วยให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

สารอนินทรีย์ในอุตสาหกรรม

Hybrid Nanoelectronic devices

วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัย

1.เพื่อสร้างบุคลากรที่มีความสามารถในการวิจัย และพัฒนาสาขานาโนอิเล็กทรอนิกส์ บุคลากรที่มีความสามารถนี้ควรมีจำนวนมากพอกับจำนวนมวลวิกฤติของประเทศไทย เพื่อสามารถพัฒนาอุปกรณ์ทางด้านนาโนเทคโนโลยีได้ภายในประเทศ

2.เพื่อพัฒนา เสริมสร้าง และสะสมองค์ความรู้ด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อจะได้สามารถพัฒนาอุปกรณ์ด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ และประยุกต์ในการใช้งานต่างๆได้

3.เพื่อการวิจัยพัฒนาสิ่งประดิษฐ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์สารอินทรีย์ และการถ่ายทอดเทคโนโลยีด้านนี้ไปสู่การใช้ประโยชน์ในภาคเอกชน

บทกล่าวนำปัจจุบัน ตลอดช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา ได้มีการวิจัยอย่างจริงจังเกี่ยวกับการปลูกฟิล์มบางไฮบริดและสมบัติทางฟิสิกส์ของสาร อินทรีย์และสารอนินทรีย์ ทั้งนี้เพราะว่ามีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้ด้านต่างๆ ศักยภาพดังกล่าวนั้นไม่มีในสารกึ่งตัวนำแบบสารอนินทรีย์โดยทั่วไป ไม่นานนี้ได้มีการวิจัยถึงประสิทธิภาพในการเปล่งแสงของสิ่งประดิษฐ์จากฟิล์ม ของไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ซึ่งจะนำไปสู่อุตสาหกรรมจอแสดงผลแบบแบนบางแทนที่การใช้จอแสดงผลแบบผลึกเหลว (LCD) แบบเดิมนับเป็นปรากฏการณ์ใหม่ที่เต็มไปด้วยประสิทธิภาพสำหรับทำจอสีแสดงผลแบบแบนบาง จากสิ่งประดิษฐ์เปล่งแสงไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ฟิล์มบางไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ยังแสดงถึงความสามารถในการทำเป็น ฟิล์มบางทรานซิสเตอร์ (TFTs) ซึ่งจะนำไปใช้แทนที่ฟิล์มบางทรานซิสเตอร์แบบอะมอร์ฟัสหรือโพลีซิลิกอนที่ใช้ อยู่ใน อุปกรณ์active matrix liquid crystal display (AMLCD) และสามารถนำไปสร้างเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อาทิ Solar Cell, Photodiode, Laserได้งานวิจัยสิ่งประดิษฐ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ที่มุ่งเน้น คือ

เซลแสงอาทิตย์ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ (Organic Solar Cells)ประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับเซลแสงอาทิตย์ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ปัจจุบันนี้คือ 1-2% สิ่งท้าทายที่ยังคงหลงเหลืออยู่ก็คือการเพิ่มประสิทธิภาพที่น่าพอใจในทาง ปฏิบัติ รวมทั้งความมีเสถียรภาพของอุปกรณ์สำหรับการประยุกต์ใช้งาน

ตัวตรวจวัดแสงจากไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์(Organic Photodetector)โฟโตดีเทคเตอร์ ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับแสง ได้ถูกผลิตออกมา หลายหลากชนิด การเลือกใช้โฟโตดีเทคเตอร์สำหรับประยุกต์ใช้งานใดๆนั้น ควรมีการคำนึงถึงช่วงความยาวคลื่นที่ใช้งาน ควรคำนึงถึงความเร็ว เวลาการตอบสนอง และราคา เป็นประการสำคัญ ตามลำดับการประดิษฐ์และพัฒนาตัวตรวจวัดแสง โครงสร้างโลหะ – สารกึ่งตัวนำอินทรีย์ – โลหะ (MOSM) เพื่อประยุกต์ใช้เป็นตัวรับแสงในงานด้านการสื่อสาร

โครงสร้างพื้นฐานของตัวตรวจวัดแสงโครงสร้างโลหะ – สารกึ่งตัวนำ – โลหะ เป็นช่องว่างของขั้วโลหะสองขั้วที่เป็นรอยต่อชอตต์กีแบบ back-to-back ซึ่งแสงจะถูกส่องผ่านช่องว่างระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง เป็นการหลีกเลี่ยงการดูดกลืนแสงของขั้วโลหะ สำหรับสารกึ่งตัวนำ ชั้นที่ดูดกลืนแสง ถูกทำการปลูกผลึกบนแผ่นรองรับโดยระบบปลูกผลึกด้วยลำอิเล็กตรอนที่ความดันต่ำ ซึ่งชั้นความหนานั้นควรมากกว่าค่าความยาวของการดูดกลืนแสงของสารกึ่งตัวนำ และค่าจำนวนพาหะควรมีจำนวนน้อย

การเพิ่มชั้นของสารกึ่งตัวนำที่ช่องว่างแถบพลังงานที่กว้างกว่าเข้าไปในโครง สร้าง MOSM นี้ ที่ความหนาอยู่ระหว่าง 30-100 nm จะพบว่าสามารถลดกระแสมืดลงอย่างมากในสารกึ่งตัวนำนำที่ช่องว่างแถบพลังงาน ที่แคบกว่า สำหรับช่องว่างระหว่างขั้วโลหะในโครงสร้าง MOSM ควรมีระยะที่แคบ เพื่อช่วยในการเพิ่มความเร็วของโฟโตดีเทคเตอร์ ไดโอดเปล่งแสงไฮบริดสารอินทรีย์ และสารอนินทรีย์(Hybrid Organic-Inorganic Light-Emittting Devices )

ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ (Organic Thin Film Transistors :OTFT)ในช่วง 2 ปีที่ผ่านมานี้ มีความก้าวหน้าอย่างมากในการใช้ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์เป็นวัสดุ เพื่อทำอุปกรณ์ฟิล์มบางทรานซิสเตอร์ (OTFT) โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์กลุ่ม pentacene ซึ่งให้ผลของความคล่องตัวพาหะประมาณ 1 cm2/V-sec เทียบเท่ากับการใช้อะมอร์ฟัสซิลิกอน (amorphous Si) มีค่าแรงดันเริ่มต้นที่ต่ำ และมีอัตราของกระแส on/off เท่ากับ 106 ซึ่งผลลัพธ์เหล่านี้ได้แสดงถึงว่ามีการพัฒนาอย่างมากด้านอิเล็กทรอนิกส์ ไฮบริดสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ถึงอย่างไรก็ยังคงเหลือความท้าทายอยู่อีกมาก เช่น เป็นตัวขับเคลื่อนที่สำคัญทางเศรษฐกิจสำหรับด้านอิเล็กทรอนิกส์ต้นทุนต่ำ สำหรับบัตรจำเพาะพิเศษ (identification cards) ความหนาแน่นของหน่วยความจำแบบต่ำ (low density memories) ซึ่งมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องมีแรงผลักดันในการนำอุปกรณ์เหล่านี้เข้า สู่การใช้งานอย่างกว้างขวาง