บทเรียนที่ 2 สารประกอบคลอไรด์และสารประกอบออกไซด์(2)

สารประกอบออกไซด์

สารประกอบออกไซด์ หมายถึงสารประกอบที่เกิดจากธาตุออกซิเจนรวมตัวกับธาตุอื่น ๆ ซึ่งอาจเป็นโลหะหรืออโลหะก็ได้ เช่น Na2O , P2O3, NO2

การเตรียมสารประกอบออกไซด์

สารประกอบออกไซด์อาจเตรียมได้โดยนำแก๊สออกซิเจนเผารวมกับธาตุอื่น ๆ เช่น

4 Na(s) + O2(g) -------> 2 Na2O(s)

2 Ca(s) + O2(g) ---------> 2 CaO(s)

4 Al(s) + 3 O2(g) -------> 2 Al2O3(s)

C(s) + O2(g) -----> CO2(g)

4 P(s) + 5 O2(g) -------> P4O10(s)

เนื่องจากการเตรียมสารประกอบออกไซด์ต้องใช้แก๊ส O2ดังนั้น จึงเตรียมแก๊สออกซิเจน ก่อนโดยเผาโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (KMnO4) จะเกิดปฏิกิริยาดังสมการ

2 KMnO4(s) ---------> K2MnO4(s) + MnO2(s) + O2(g)

แก๊สออกซิเจนสามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยาอื่น ๆ ได้อีก เช่น

2 KClO3(s) ---------> 2 KCl (s) + 3 O2(g)

4 K2Cr2O7(s) -----------> 4 K2CrO4(s) + 2 Cr2O3(s) + 3O2(g)

2 KNO3(s) -----------> 2 KNO2(s) + O2(g

สมบัติบางประการของสารประกอบออกไซด์

สารประกอบออกไซด์ก็เช่นเดียวกับสารประกอบคลอไรด์ สามารถใช้สมบัติบางประการ เช่น การละลายน้ำ ความเป็นกรด-เบสของสารละลาย สูตรของสารประกอบ ฯลฯ มาเป็นเกณฑ์ในการจัดหมวดหมู่ของธาตุ โดยขั้นแรกแบ่งธาตุออกเป็นกลุ่มใหญ่ก่อน แล้วจึงแบ่งเป็นกลุ่มย่อย

1. เมื่อใช้ความเป็นโลหะและอโลหะเป็นเกณฑ์ จะแบ่งออกไซด์ได้เป็น 2 กลุ่ม ดังนี้

• ออกไซด์ของโลหะ เช่น Li2O , BeO , Na2O , MgO , Al2O3, K2O , MgO

• ออกไซด์ของอโลหะ เช่น H2­O , CO2, N2O5, F2O , P2O5, SO2, Cl2O

2. เมื่อใช้ความเป็นกรด–เบสของสารละลายเป็นเกณฑ์

ออกไซด์ของโลหะ

• ออกไซด์ของโลหะที่ละลายน้ำแล้วมีสมบัติเป็นเบส ได้แก่ Li2O , Na2O , K2O , MgO

• ออกไซด์ของโลหะที่ไม่ละลายน้ำ ได้แก่ BeO , Al2O3, SiO2

• ออกไซด์ของโลหะที่ละลายน้ำแล้วมีสมบัติเป็นกรด ได้แก่ B2O3

ออกไซด์ของอโลหะ

• ออกไซด์ของอโลหะที่ละลายน้ำแล้วมีสมบัติเป็นกรด ได้แก่ CO2, N2O5, OF2, P2O5, Cl2O

• ออกไซด์ที่เป็นกลาง ได้แก่ H2O

3. เมื่อเรียงลำดับออกไซด์ของธาตุจากซ้ายไปขวาตามมวลอะตอมของธาตุ โดยให้ออกไซด์ที่มีสูตรเหมือนกัน และมีสมบัติเหมือนกันอยู่ในช่องแนวดิ่งตรงกัน จะได้ดังนี้

จะเห็นได้ว่าการจัดกลุ่มของสารประกอบออกไซด์คล้ายกับของสารประกอบคลอไรด์ ยกเว้น H เมื่อเป็น H2O จะมีสมบัติแตกต่างจาก OF2และ Cl2O แม้ว่าจะมีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน แสดงว่า H , F และ Cl ไม่ควรอยู่ในกลุ่มเดียวกัน

สารประกอบออกไซด์ในชีวิตประจำวัน

ออกไซด์ที่ให้ประโยชน์

1. H2O เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของสิ่งมีชีวิต ช่วยให้กระบวนการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์เป็นไปอย่างปกติ ช่วยปรับอุณหภูมิของร่างกาย ใช้ชำระร่างกาย ใช้ในการเกษตร

2. CO2เป็นสารตั้งต้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthesis) เป็นสารที่ใช้ในอุตสาหกรรมผลิตปุ๋ยยูเรีย น้ำอัดลม น้ำโซดา ทำน้ำแข็งแห้งเพื่อเป็นสารทำความเย็นสำหรับการถนอมอาหาร

3. CO ใช้เป็นตัวรีดิวซ์ในการถลุงโลหะ เมื่อผสม CO กับ H2จะได้วอเตอร์แก๊ส (water gas) และผสม CO กับ N2เรียกว่าโพรดิวเซอร์แก๊ส ใช้เป็นเชื้อเพลิง

4. SO2ใช้ฟอกสีและฆ่าเชื้อรา

5. SiO2หรือซิลิกา ซึ่งเป็นผลึกในธรรมชาติ ใช้ประโยชน์ในการทำเครื่องประดับ สารขัดโลหะ กระดาษทราย สารช่วยกรองน้ำ อุตสาหกรรมแก้ว และกระจกทำเลนส์

6. ออกไซด์บางชนิดอยู่ในรูปของแร่ซึ่งมีประโยชน์มาก เช่น ในแร่ดีบุก (SnO2) ซึ่งเรียกว่าแคสซิเทอไรต์ และในแร่เหล็ก (Fe2O3) ซึ่งเรียกว่าฮีมาไตต์

7. H2O2ใช้เป็นสารฟอกจางสีพวกขนสัตว์ ไหม ใช้ล้างภาพสีน้ำมันเก่า ทำให้ดูสดใสขึ้น ใช้ฆ่าเชื้อโรค ใช้ทำลาย Cl2

ตัวอย่างออกไซด์ที่ให้โทษ

1. CO , SO2, NO , และ NO2เป็นแก็สพิษ ซึ่งเป็นอันตรายต่อระบบหายใจ และทำให้เกิดหมอกควันที่เป็นพิษ ทำให้เกิดฝนกรดส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

2. CO2ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก (green house effect)

บทเรียนที่ 3 สมบัติของสารประกอบตามคาบ

สมบัติของสารประกอบตามคาบ

จากการศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของธาตุในตารางธาตุ เช่น ขนาดอะตอม พลังงานไอออไนเซชัน และค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี จะพบว่าสมบัติเหล่านี้มีแนวโน้มเปลี่ยนแปลงจากซ้ายไปขวาในแต่ละคาบ หรือจากบนลงล่างในแต่ละหมู่ค่อนข้างสม่ำเสมอ สมบัติเกี่ยวกับจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความเป็นกรด–เบสของสารประกอบคลอไรด์และออกไซด์ ดังตารางต่อไปนี้

ตารางแสดงสมบัติของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุในคาบที่ 2

ตารางแสดงสมบัติของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุในคาบที่ 3

* ใช้ความดันทำให้หลอมเหลว

** ระเหิดก่อนหลอมเหลวที่ความดัน 1 บรรยากาศ

*** ปรากฏอยู่ในรูปโมเลกุลของธาตุ

จากตาราง เมื่อพิจารณาจุดหลอมเหลว–จุดเดือดของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุในคาบที่ 2 และ 3 สรุปได้ดังนี้

• คลอไรด์ของโลหะ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง เพราะเป็นสารประกอบไอออนิก (ยกเว้น BeCl2เป็นสารประกอบโคเวเลนต์)

• คลอไรด์ของอโลหะ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ เพราะเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ที่โมเลกุลยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์

• สารประกอบคลอไรด์ที่ละลายน้ำได้ พบว่าคลอไรด์ของโลหะมีสมบัติเป็นกลาง (ยกเว้น BeCl2และ AlCl3เป็นกรด) ส่วนสารละลายคลอไรด์ของอโลหะทุกชนิดมีสมบัติเป็นกรด

ข้อสังเกตสมบัติของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุในคาบที่ 2 และ 3

1. แนวโน้มของจุดหลอมเหลวของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุในคาบที่ 2 และ 3 จะลดลงจากซ้ายไปขวา นั่นคือคลอไรด์ของโลหะ (ซ้าย) มีจุดหลอมเหลวสูงมาก เพราะเป็นสารประกอบไอออนิก ส่วนคลอไรด์ของอโลหะ (ขวา) จะมีจุดหลอมเหลวต่ำลง เพราะเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ ไม่นำไฟฟ้า

2. คลอไรด์ของธาตุหมู่ 3BCl3(คาบ 2) มีสถานะเป็นแก๊ส (สารโคเวเลนต์) AlCl3(คาบ 3) มีสถานะเป็นของแข็ง (สารไอออนิก)

3. คลอไรด์ของธาตุหมู่ 4CCl4(คาบ 2)SiCl4(คาบ 3) เป็นของเหลว ไม่มีขั้ว จึงไม่ละลายน้ำ มีรูปร่างเป็นทรงสี่หน้า

4. คลอไรด์ของธาตุหมู่ 5NCl3เป็นของเหลวPCl3เป็นของเหลว ส่วนPCl5เป็นของแข็ง

5. คลอไรด์ของธาตุหมู่ 6Cl2O(คาบ 2) เป็นแก๊ส ,SCl2(คาบ 3) เป็นของเหลว เพราะมวลโมเลกุลมากขึ้น แรงแวนเดอร์วาลส์แข็งแรงมากขึ้น

6. คลอไรด์ของธาตุหมู่ 7เป็นแก๊สทั้งหมด

ข้อสังเกตสมบัติของสารประกอบออกไซด์ของธาตุในคาบที่ 2 และ 3

1. ออกไซด์ของอโลหะมีจุดหลอมเหลวต่ำ มีสถานะเป็นแก๊ส แต่ออกไซด์ของธาตุหมู่ 5 บางชนิด เช่นN2O5(คาบ 2) ,P4O10(คาบ 3) มีสถานะเป็นของแข็ง

2. สมบัติความเป็นกรด–เบส เป็นไปตามออกไซด์ของโลหะหมูEIA–IIA(เบส) ออกไซด์ของอโลหะ (กรด) และออกไซด์ของกึ่งโลหะBeและAlมีสมบัติเป็นได้ทั้งกรดและเบส

3. ออกไซด์ของอโลหะละลายน้ำเป็นกรด ยกเว้น อกไซด์ของHคือH2Oเป็นกลาง

CO2(g) + H2O(l)H2CO3(aq)

SO2(g) + H2O(l)H2SO3(aq)

สำหรับ SiO2 ไม่ละลายน้ำ แต่มีสมบัติเป็นกรด โดยทำปฏิกิริยากับเบสได้ดังนี้

SiO2(s) + NaOH(aq)Na2SiO3(aq) + H2O(l)

4. ออกไซด์ของโลหะละลายน้ำเป็นเบส

Li2O(s) + H2O(l)2 LiOH(aq)

Na2O(s) + H2O(l)2 NaOH(aq)

5. ออกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำและมีสมบัติเป็นได้ทั้งกรดและเบส (โดยสามารถเกิดปฏิกิริยาได้ทั้งกับกรดหรือเบส) คือ BeO และ Al2O3

BeO(s) + 2 NaOH(aq) + H2O(l)(aq) + 2 Na+(aq)

BeO(s) + 2 HCl(aq)BeCl2(aq) + H2O(l)

Al2O3(s)+ 2 NaOH(aq) + 3 H2O(l)2 Na+(aq) + 2(aq)

Al2O3(s) + 6 HCl(aq)2 AlCl3(aq) + 3 H2O(l)

6. ออกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำเลยคือ BeO , Al2O3, SiO2

7. ออกไซด์ของอโลหะเป็นแก๊สหรือของเหลว ยกเว้น SiO2, P4O10, N2O5 

บทเรียนที่ 4 สมบัติบางประการของธาตุและหมู่ IA และ IIA

สมบัติบางประการของธาตุและหมู่ IA และ IIA

1. ธาตุในหมู่ IA เป็นโลหะที่มีความว่องไวมาก เรียกว่า โลหะแอลคาไล (alkali metal) เพราะเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำแล้วได้สารละลายที่มีสมบัติเป็นเบส หรือด่าง (alkali) สำหรับธาตุหมู่ IIA เรียกว่า โลหะแอลคาไลน์เอิรท (alkaline earth metal) เพราะสารประกอบของโลหะพวกนี้พบบนพื้นโลก (earth) และเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำแล้วได้สารละลายเป็นเบสหรือด่างเช่นเดียวกัน

2. โลหะหมู่ IIA จะทำปฏิกิริยารุนแรงในอากาศ ในน้ำ หรือสิ่งแวดล้อมทั่ว ๆ ไป เนื่องจากเป็นฝ่ายให้อิเล็กตรอนได้ดี (ตัวรีดิวซ์) จึงต้องเก็บธาตุนี้ไว้ในของเหลวที่ไม่มีตัวรับอิเล็กตรอน (ตัวออกซิไดส์ เช่น น้ำมัน หรือของเหลวที่ไม่มีขั้ว เช่น น้ำมันก๊าด น้ำมันพาราฟิน

3. ธาตุหมู่ IIA เป็นธาตุที่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยาเช่นเดียวกับธาตุหมู่ IA แต่ว่องไวน้อยกว่า จึงไม่ค่อยพบธาตุอิสระในธรรมชาติ มักจะอยู่ในรูปสารประกอบไอออนิกเช่นเดียวกับโลหะหมู่ IA ซึ่งไม่พบเป็นธาตุอิสระในธรรมชาติเลย

4. โลหะแคลเซียม (Ca) มีมากที่สุดในหมู่ IIA แต่ว่องไวน้อยกว่า และจัดเป็นโลหะที่มีมากเป็นอันดับ 3 ในโลก ประมาณ 3.4% สารประกอบของแคลเซียมที่พบมากได้แก่ CaCO3อยู่ในสภาพหินปูน หินอ่อน เปลือกหอย แคลไซต์ เป็นต้น ส่วนธาตหมู่ IA ได้แก่ Na , K เป็นธาตุที่มีมากที่สุดในหมู่ IA อยู่ในสารประกอบต่าง ๆ เช่น NaCl , NaNO3ในแร่เฟลดฺสปาร์ ในเกลือสินเธาว์ ในน้ำทะเล ส่วน K มีในหินทั่วไป เช่น เฟลด์สปาร์ ไมคา เป็นต้น สำหรับ Li , Rb , Cs เป็นธาตุที่ค่อนข้างหายาก

5. ธาตุ Mg มีอยู่มากรองลงมา ส่วนใหญ่จะเป็นสารประกอบอยู่ในน้ำทะเล ซึ่งมี Mg2+มากเป็นอันดับสองรองจาก Na+สำหรับ Sr , Ba พบน้อยมาก ส่วน Ra และ Fr เป็นธาตุกัมมันตรังสีซึ่งหายาก

6. ธาตุBeเป็นธาตุหมู่ IIA ที่มีสมบัติหลายอย่างต่างจากพวก เช่น มีค่า IE1สูงมาก เกิดสารประกอบโคเวเลนต์ Be ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ ไม่ละลายในแอมโมเนียเหลว เป็นต้น

บทเรียนที่ 5 ปฏิกิริยาของธาตุหมู่ 7

ปฏิกิริยาของธาตุหมู่7A

1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาของธาตุหมู่ VIIA ได้

2. ระบุสีของคลอรีน โบรมีน ไอโอดีน ในคาร์บอนเตตระคลอไรด์ได้

3. เปรียบเทียบความสามารถในการทำปฏิกิริยาของคลอรีน โบรมีน และไอโอดีนได้

การเตรียมล่วงหน้า

1. เตรียมสารละลายคลอรีนโดยใช้ไฮคลอ (สารละลายโซเดียมไฮโปคลอไรต์ 2%) 150 cm3ใส่ในขวดรูปกรวยขนาด 250 cm3ค่อย ๆ หยดกรดซัลฟิวริกเข้มข้นลงไปประมาณ 1 cm3ปิดจุกเขย่าให้เข้ากันแล้วกรองตะกอนออกและนำของเหลวไปใช้ ถ้าไม่มีไฮคลอใช้ปูนคลอรีน (Bleaching powder) ทำปฏิกิริยากับกรด H2SO4และเก็บก๊าซคลอรีนที่ได้โดยการละลายน้ำ

2. เตรียมสารละลายโบรมีน

2.1 ใส่โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตประมาณ 3 – 4 g ในหลอดทดลองมีแขนซึ่งมีสายยางต่อไปจุ่มลงในบีกเกอร์ที่บรรจุสารละลายโพแทสเซียมโบรไมด์อิ่มตัวปริมาตร 20 cm3

2.2 ปิดปากหลอดทดลองด้วยจุกยาง ซึ่งมีหลอดหยดที่บรรจุกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้นเสียบอยู่ หยดกรดไฮโดรคลอริกลงบนโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตในข้อ 2.1

2.3 ผ่านก๊าซคลอรีนที่เกิดขึ้นจากข้อ 2.2 ไปยังสารละลายโพแทสเซียมโบรไมด์ที่อิ่มตัวจนเกิดสารละลายสีส้มเข้มของโบรมีน

2.4 รินสารละลายสีส้มเข้มใส่หลอดทดลองขนาดใหญ่ ปิดจุกเก็บไว้ใช้ในการทดลอง

3. เตรียมสารละลายไอโอดีนโดยใช้สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ 1 mol/dm3150 cm3ใส่ในขวดรูปกรวยขนาด 250 cm3เติมไอโอดีนจนกระทั่งได้สารละลายอิ่มตัว

4. เตรียมสารละลายโพแทสเซียมคลอไรด์ 0.1 mol/dm3โดยใช้โพแทสเซียมคลอไรด์ 0.75 g ละลายในน้ำกลั่นจนมีปริมาตรครบ 100 cm3

5. เตรียมสารละลาย โพแทสเซียมโบรไมด์ 0.1 mol/dm3โดยใช้โพแทสเซียมโบรไมด์ 1.20 กรัม ละลายในน้ำกลั่นจนมีปริมาตรครบ 100 cm3

6. เตรียมสารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ 0.1 mol/dm3โดยใช้โพแทสเซียมไอโอไดด์ 1.70 กรัม ละลายในน้ำกลั่นจนมีปริมาตรครบ 100 cm3

อภิปรายก่อนการทดลอง

ครูแบ่งการทดลองให้นักเรียนแต่ละกลุ่มทำ แล้วรวบรวมผลการทดลองมาอภิปรายร่วมกัน และเตือนให้นักเรียนทำการทดลองอย่างระมัดระวัง หลีกเลี่ยงการสูดดมไอของคาร์บอนเตตะคลอไรด์ โบรมีน ไอโอดีน และก๊าซคลอรีน เนื่องจากเป็นสารพิษ

วิธีการทดลอง

1. ใส่ CCl4ลงในหลอดทดลองขนาดเล็กจำนวน 3 หลอด หลอดละ 1 cm3เติมสารละลายคลอรีน สารละลายโบรมีน และสารละลายไอโอดีนอย่างละ 5 – 6 หยด ลงไปหลอดละชนิด สังเกตสีของสารละลาย

2. ใส่สารละลาย KCl , KBr และ KI เข้มข้น 0.1 mol/dm3ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก เติมสารละลายคลอรีนลงไปหลอดละ 10 หยด เขย่า แล้วเติม CCl4หลอดละ 1 cm3ทุกหลอด เขย่าสังเกตการเปลี่ยนแปลง

3. ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 2 แต่ใช้สารละลายโบรมีน และสารละลายไอโอดีนแทนสารละลายคลอรีน

1. สารละลายคลอรีนใน CCl4ไม่มีสี

สารละลายโบรมีนใน CCl4มีสีส้ม

สารละลายไอโอดีนใน CCl4มีสีชมพู

2. เมื่อเติมสารละลายคลอรีน โบรมีน ไอโอดีน ใน CCl4ลงในสารละลาย KCl , KBr และ Kl เกิดการเปลี่ยนแปลงดังแสดงในตาราง

1. คลอรีน โบรมีน และไอโอดีน ละลายได้ใน CCl4ได้สารละลายที่ไม่มีสี สีส้มและขมพูตามลำดับ

มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นในหลอดทดลองเพียง 3 หลอดเทานั้น เขียนสมการโมเลกุลและสมการไอออนิกแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ดังนี้

ปฏิกิริยาระหว่าง KBr กับ Cl2

<< กลับไปผลการทดลอง >>

ปฏิกิริยาระหว่าง KI กับ Cl2

<< กลับไปผลการทดลอง >>

ปฏิกิริยาระหว่าง KI กับ Br2

<< กลับไปผลการทดลอง >>

3. เมื่อเปรียบเทียบความสามารถในการทำปฏิกิริยาของธาตุทั้งสามสรุปได้ว่าคลอรีนมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาดีกว่าโบรมีน และโบรมีนดีกว่าไอโอดีน หรือกล่าวไดว่าความสามารถในการทำปฏิกิริยาของธาตุหมู่ VIIA ลดลงตามหมู่จากบนลงล่าง

ธาตุหมู่ VIIA สามารถทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นได้สารประกอบชนิดต่าง ๆ และยังเกิดสารประกอบที่มีธาตุองค์ประกอบชนิดเดียวกันได้หลายชนิด เช่น NaCl , NaClO , NaClO2,NaClO3, NaClO4ซึ่งมีเลขออกซิเดชันของคลอรีนในสารประกอบต่าง ๆมีค่าเท่ากับ–1 , +1 , +3 , +5 และ +7 ตามลำดับ แสดงว่าธาตุหมู่ VIIA มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า

บทเรียนที่ 6 ตำแหน่งของธาตุไฮโดรเจนในตารางธาตุ

ตำแหน่งไฮโดรเจนในตารางธาตุ

การจัดธาตุให้อยู่ในหมู่ต่าง ๆ ในตารางธาตุจะใช้สมบัติที่คล้ายกันเป็นเกณฑ์ สำหรับตารางธาตุปัจจุบันได้จัดไฮโดรเจนไว้ในคาบที่ 1 ระหว่างหมู่ IA กับหมู่ VIIA เนื่องจากเหตุผลต่อไปนี้

1.มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 และมีเลขออกซิเดชัน +1 ไฮโดรเจนจึงควรอยู่ในคาบ 1 หมู่ IA

2.มีสมบัติคล้ายธาตุหมู่ VIIA คือ มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า มีค่าพลังงานไอออไนเซชันสูง ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง สถานะเป็นแก๊ส ไม่นำไฟฟ้า เมื่อเกิดสารประกอบต้องการอิเล็กตรอนเพียง 1 อิเล็กตรอนก็จะมีการจัดอิเล็กตรอนเสถียรเหมือนกับฮีเลียม จึงควรอยู่ในคาบ 1 หมู่ VIIA

การที่ไฮโดรเจนมีสมบัติคล้ายทั้งหมู่ IA และหมู่ VIIA รวมทั้งมีเลขอะตอมน้อยที่สุด จึงจัดธาตุไฮโดรเจนไว้ในคาบที่ 1 และระหว่างหมู่ IA กับหมู่ VIIA

ตารางสมบัติบางประการของธาตุไฮโดรเจนกับธาตุหมู่ IA และหมู่ VIIA

ไฮโดรเจนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน และมีเลขอะตอมเท่ากับ 1 ดังนั้นถ้าเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็เกณฑ์ในการจัดไฮโดรเจนลงในตารางธาตุ ไฮโดรเจนจะอยู่ในหมู่ IA คาบที่ 1 แต่ไฮโดรเจนก็อาจจะอยู่ในหมู่ VIIA ได้เนื่องจากยังขาดเพียง 1 อิเล็กตรอน ก็มีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนฮีเลียม นอกจากนี้ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชันมากกว่า หนึ่งค่า ไม่นำไฟฟ้า พลังงานไอออไนเซชันลำดับทึ่ 1 สูง และค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง เป็นข้อมูลสนับสนุนว่าควรจัดไฮโดรเจนไว้ในหมู่ธาตุหมู่ VIIA แต่เนื่องจากไฮโดรเจนมีสมบัติคล้ายทั้งหมู่ IA และหมู่ VIIA จึงจัดแยกไฮโดรเจนออกจากหมู่ธาตุทั้งสอง

บทเรียนที่ 7 การเกิดกัมมันตภาพรังสี

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

1. เกิดจากนิวเคลียสในสภาวะพื้นฐานได้รับพลังงาน ทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานสูงขึ้น ก่อนกลับสู่สภาวะพื้นฐาน นิวเคลียสจะคายพลังงานออกมาในรูปรังสีแกมมา
2. เกิดจากนิวเคลียสที่อยู่ในสภาพเสถียร แต่มีอนุภาคไม่สมดุล นิวเคลียสจะปรับตัวแล้วคายอนุภาคที่ไม่สมดุลออกมาเป็นอนุภาคแอลฟาหรือเบตา

การเกิดกัมมันตรังสี

ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antcine Henri Bacquerel) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษดำห่อหุ้มอยู่ และเก็บรวมกันไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม มีลักษณะเหมือนถูกแสง จึงทำการทดสอบกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ พบว่าให้ผลการทดลองเช่นเดียวกัน แบ็คเกอเรลจึงสรุปเป็นเบื้องต้นว่า มีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรีเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) และมารี กูรี (marie Curie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส

ก็ได้พบว่าธาตุอื่น ๆ เช่น พอลโลเนียม (Po) เรเดียม (Ra) และทอเรียม (Th) ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียรและเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ธาตุต่างๆ ที่พบในธรรมชาติส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่แผ่รังสีได้ทั้งสิ้น

นอกจาก ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์ ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นมาได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้มากมาย และเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ศึกษาเพิ่มเติม และได้แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสีอาจเป็น รังสีแอลฟา ( - ray ) รังสีเบตา ( - ray) หรือ รังสีแกรมมา ( - ray) ซึ่งมีสมบัติต่าง ๆ กัน

ตารางแสดงชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

บทเรียนที่ 8 การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

การที่ธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีได้นั้นเป็นเพราะนิวเคลียสของธาตุไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงานส่วนเกินอยู่ภายใน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องถ่ายเทพพลังงานส่วนเกินนี้ออกไป เพื่อให้นิวเคลียสเสถียรในที่สุด พลังงานส่วนเกินที่ปล่อยออกมาอยู่ในรูปของอนุภาคหรือรังสีต่าง ๆ เช่น อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา รังสีแกมมาและไอโชโทปที่เสถียร จากการศึกษาไอโชโทปของธาตุจำนวนมาก พบว่าไอโชโทปที่นิวเคลียสมีอัตราส่วนระหว่าจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนไม่เหมาะสม คือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมาก หรือ น้อยกว่าจำนวนโปรตอนมักจะไม่เสถียรจะมีการแผ่รังสีออกมาจนได้ไอโชโทปของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่า นอกจากนั้นยังพบว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นจำนวนคู่ หรือคี่ในนิวเคลียสนั้น มีความสัมพันธ์กับความเสถียรภาพของนิวเคลียสด้วย กล่าวคือ ไอโชโทปของธาตุที่มีจำนวนโปรตอน และนิวตรอนเป็นเลขคู่ จะเสถียรกว่าไอโชโทปของธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตอนเป็นเลขคี่เช่น714N เป็นไอโซโทปที่เสถียร715N พบว่า714N มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอน จึงเสถียรกว่า715Nที่มีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากับจำนวนนิวตรอน816O เป็นไอโซโทปที่เสถียรกว่า817O เพราะ816O มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเท่ากัน จึงเสถียรกว่า817O ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ และจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่

ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ

ธาตุต่างๆที่พบในธรรมชาตินั้น ธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 83 ขึ้นไป ส่วนใหญ่สามารถแบ่งรังสีได้เช่น92238U92235U90232Th86222Rn หรืออาจจะเขียนเป็น U-238, U-235, Th-232, Rn-222

นอกจากธาตุกัมมันตรังสีจะพบในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้น

เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆอีกด้วย ซึ่งมีหลายวิธี แต่มีวิธีหนึ่งคือยิงนิวเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรด้วยอนุภาคที่เหมาะสม และมีความเร็วสูง ได้ไอโซโทปของธาตุใหม่ที่เสถียร เช่น รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ยิงนิวเคลียส N-14 ด้วยอนุภาคแอลฟา เกิด O-17

เขียนแผนภาพแทน คือ14N( )17O ไอโซโทป817O ที่เสถียร พบในธรรมชาติ0.037%

การแผ่รังสีแอลฟา

เมื่อไอโซโทปกัมมันตรังสีให้อนุภาคแอลฟา นิวเคลียสของไอโซโทปเสีย 2 โปรตอน และ 2

นิวตรอน ดังนั้น ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเปลี่ยนไปเป็นธาตุอื่นที่มีเลขเชิงอะตอมต่ำกว่าเดิม 2 อะตอมและมีมวลต่ำกว่าเดิม 4 amu ตัวอย่างเช่น เมื่อ 92238U ให้อนุภาคแอลฟา ผลที่เกิดขึ้นจะให้90234Th สมการของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

92238U24He+90234Th

จากสมการจะเห็นว่า ผลรวมของเลขเชิงอะตอมของด้านหนึ่งของสมการจะเท่ากันกับผลรวมของเลขเชิงอะตอมของอีกด้านหนึ่งของสมการ หรือ 92=2+90 ส่วนผลรวมของเลขมวลจะเท่ากันทั้ง 2 ด้านของสมการเช่นเดียวกันหรือ 238=4+234

การแผ่รังสีบีตา

การให้รังสีบีตาจะเกิดนิวเคลียสที่มีสัดส่วนของจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีบีตาของC-14 ไปเป็น N-14 C-14 ให้อนุภาคบีตา อนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนเชื่อกันว่ามาจากนิวเคลียส เมื่อนิวตรอนสลายตัวไปเป็นโปรตอน11H และอิเล็กตรอนดังนี้

01n---------->11H+-10e

เมื่ออิเล็กตรอนเกิดขึ้น อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกจากนิวเคลียสด้วยความเร็วสูงแต่โปรตอนยังคงอยู่ผลที่เกิดขึ้นทำให้นิวเคลียสมีจำนวนนิวตรอนลดลงไป 1 นิวตรอน และมีโปรตอนเพิ่มขึ้นอีก 1 โปรตอน ในกรณี C-14 ให้อนุภาคบีตา สมการ นิวเคลียร์จะเป็นดังนี้

614C------- >714N+-10e

จากสมการจะเห็นว่าเลขเชิงอะตอมเพิ่มขึ้น 1 หน่วย และเลขมวลมีค่าคงที่

การแผ่รังสีแกมมา

การให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่ง มักจะติดตามด้วยการแผ่รังสีแกมมา รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูง ไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าเนื่องจากรังสีแกมมาไม่มีทั้งประจุและมวล การแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียสอย่างใดอย่างหนึ่ง รังสีแกมมานำไปใช่รักษาโรค เป็นรังสีแกมมาที่มาจากเทคนิเทียม

4399Tc------>4399Tc+y

เมื่อ Ra-226เปลี่ยนไปเป็น Rn-222 โดยการแผ่รังสีแอลฟานั้น Rn-222 ไม่เสถียรภาพจึงแผ่รังสีแกมมาออกมา

บทเรียนที่ 9 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

ครึ่งชีวิตของธาตุ(half life) หมายถึง ระยะเวลาที่สารสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมใช้สัญลักษณ์เป็นt1/2นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป

ตัวอย่างเช่นC-14มีครึ่งชีวิต5730ปี หมายความว่า ถ้ามีC-141กรัม เมื่อเวลาผ่านไป5730ปี จะเหลือC-14อยู่0.5กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก5730ปี จะเหลืออยู่0.25กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ5730ปี จะเหลือC-14เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีชนิดต่างๆมีค่าไม่เท่ากัน เช่น เทคนีเทียม-99มีครึ่งชีวิต6ชั่วโมงเท่านั้น ส่วนยูเรเนียม-235มีครึ่งชีวิต4.5ล้านปี

ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี สามารถนำไปใช้หาอายุอายุสัมบูรณ์ (Absolute Age) เป็นอายุของหินหรือซากดึกดำบรรพ์ ที่สามารถบอกจำนวนปีที่ค่อนข้างแน่นอน การหาอายุสัมบูรณ์ใช้วิธีคำนวณจากครึ่งชีวิต ของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ที่ต้องการศึกษา ธาตุกัมมันตรังสีที่นิยมนำมาหาอายุสัมบูรณ์ได้แก่ ธาตุคาร์บอน–14ธาตุโพแทศเซียม–40ธตาเรเดียม–226และธาตุยูเรเนียม–238เป็นต้น การหาอายุสัมบูรณ์มักใช้กับหินที่มีอายุมากเป็นแสนล้านปี เช่น หินแกรนิตบริเวณฝั่งตะวันตกของเกาะภูเก็ต ซึ่งเคยเป็นหินต้นกำเนิดแร่ดีบุกมีอายุสัมบูรณ์ประมาณ100ล้านปี ส่วนตะกอนและซากดึกดำบรรพ์ที่มีอายุน้อยกว่า50,000ปี มักจะใช้วิธีกัมมันตภาพรังสีคาร์บอน–14เช่น ซากหอยนางรมที่วัดเจดีย์หอย อำเภอลาดหลุมแก้ว จังหวัดปทุมธานี มีอายุประมาณ5,500ปีของวัตถุโบราณ
นอกจากนั้นยังใช้คำนวณอายุของโลก พบว่าว่าประมาณครึ่งหนึ่งของยูเรเนียมที่มีมาแต่แรกเริ่มได้สลายตัวเป็นตะกั่วไปแล้ว ดังนั้นอายุของโลกคือประมาณครึ่งชีวิตของยูเรเนียม หรือราว4,500ล้านปี

ประโยชน์ของครึ่งชีวิต

ครึ่งชีวิตสามารถใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เรียกว่าวิธี Radiocarbon Dating ซึ่งคำว่า dating หมายถึง การหาอายุจึงมักใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคุณค่าทางประวิติศาสตร์

หลักการสำคัญของการหาอายุวัตถุโบราณโดยวิธี Radiocarbon Dating เป็นหลักการที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองในอากาศ ตัวการที่สำคัญคือ รังสีคอสมิก ซึงอยู่ในบรรยากาศเหนือพื้นโลก มีความเข้มสูงจนทำให้นิวเคลียสขององค์ประกอบของอากาศแตกตัวออก ให้อนุภาคนิวตรอน แล้วอนุภาคนิวตรอนชนกับไนโตรเจนในอากาศ

ตารางครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด

ตารางที่ 1แสดงครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุและชนิดของการสลายตัว

ข้อควรจำ

1. ในทางปฏิบัติการวัดหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงกระทำได้ยาก และเนื่องจากจำนวนนิวเคลียสในสารหนึ่ง ๆ จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณของสารนั้น ๆ ดังนั้นจึงพิจารณาเป็นค่ากัมมันตภาพหรืการวัดมวลแทน ดังนี้

โดยที่ A0คือกัมมันตภาพที่เวลาเริ่มต้น (t=0)

โดยที่ m0คือมวลสารตั้งต้นที่เวลาเริ่มต้น (t=0)

ประโยชน์และโทษของธาตุกัมมันตรังสี

ในทางอุตสาหกรรม ใช้รังสีวัดวามหนาของวัสดุในโรงงานผลิตกระดาษ ผลิตแผ่นยาง และแผ่นโลหะ ใช้รังสีในการวิเคราะห์ส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ เช่น โลหะผสม แร่ ถ่านหิน และตรวจสอบรอยเชื่อม–รอนร้าวในโลหะหรือโครงสร้างอาคาร ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

ทางการเกษตร ใช้รังสีในการถนอมอาหารเพื่อยืดอายุการเก็บรักษาอาหาร เพราะรังสีจะทำลายแบคทีเรียและจุลินทรีย์ที่ก่อให้เกิดการเน่าเสียในอาหาร ใช้รังสีเพื่อปรับปรุงพันธุ์พืชให้มีความแข็งแรงต้านทานต่อโรคและแมลง เพื่อเพิ่มผลผลิตให้สูงขึ้น

จะเห็นได้ว่าธาตุกัมมันตรังสีให้ประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมาก แต่ถ้าใช้ไม่เหมาะสม เช่น ทำระเบิดนิวเคลียร์ก็จะเป็นมหันตภัยร้ายแรง ดังนั้น การใช้ธาตุกัมมันตรังสีจึงมีทั้งประโยชน์และโทษ

บทเรียนที่ 10 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์คือ ปฏิกิริยาที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสของอะตอม ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่ม หรือลดโปรตอน หรือนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม เช่น ปฏิกิริยานี้ จะเห็นได้ว่าโซเดียม ได้มีการรับนิวตรอนเข้าไป เมื่อนิวเคลียสเกิดความไม่เสถียร จึงเกิดการคายพลังงานออกมา และพลังงานที่คายออกมานั้น เมื่ออยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว มันก็คือรังสีแกมมานั่นเอง โดยทั่วไปรังสีแกมมาที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรนั้น มักจะมีค่าพลังงานที่แตกต่างกันไปตามแต่ละชนิดของไอโซโทป ซึ่งถือเป็นคุณลักษณะประจำไอโซโทปนั้น ๆ ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นมีมากมายหลายรูปแบบ ซึ่งในบรรดารูปแบบทั้งหมดที่เราค้นพบในปัจจุบัน จะมีเพียง 2 รูปแบบที่เราพูดถึงกันบ่อย ๆ นั่นก็คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission) และปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน

โมเดลแสดงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน 

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission Process) เป็นการแตกนิวเคลียสของอะตอมจากอะตอมของธาตุใหญ่ให้กลายเป็นอะตอมของธาตุเล็ก 2 อะตอม ซึ่งในกระบวนการนี้จะให้พลังงานออกมาด้วย เช่น ซึ่งในปฏิกิริยาที่ยกตัวอย่างนี้ ไอโซโทปของแบเรียม (Ba) และคริปตอน (Kr) ซึ่งไอโซโทปทั้งสองตัวนี้มีนิวตรอนมากกว่าปกติ จึงมีการคายพลังงานออกมาในรูปของรังสีเบตา

อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าในตัวอย่างนี้สารผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาจะเป็นกากกัมมันตรังสีที่แผ่รังสีเบตา (Beta Ray) แต่ก็ยังมีปฏิกิริยาอื่น ๆ ที่แผ่รังสีชนิดอื่น ๆ รวมไปถึงรังสีแกมมา ตัวอย่างนี้เป็นเพียงการทำให้เห็นภาพว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิชชันจะคายพลังงานออกมา นั่นก็เป็นเพราะโดยทั่วไปเมื่อธาตุที่มีมวลหรือเป็นธาตุหนักขึ้น จำนวนของนิวตรอนก็เริ่มที่จะมากกว่าโปรตอนไปด้วยตามลำดับ ซึ่งเมื่ออะตอมเหล่านี้แตกตัวมาเป็นอะตอมของธาตุที่เล็กกว่า ก็ย่อมทำให้จำนวนนิวตรอนของอะตอมมากกว่าปกติ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

โมเดลแสดงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion Process) จะตรงข้ามกับฟิชชัน นั่นคือแทนที่จะแตกอะตอมของธาตุหนักให้เป็นธาตุเบา ก็จะกลายเป็นการรวมธาตุเบาสองอะตอมให้กลายเป็นอะตอมเดียวที่หนักขึ้น เช่นตัวอย่างนี้

จะเห็นได้ว่า ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานี้ เราจะได้ฮีเลียม (He) ที่มีจำนวนนิวตรอนน้อยกว่าปกติ (ปกติฮีเลียมจะมีนิวตรอน 2 ตัว) ซึ่งสภาพที่ไม่เสถียรของอะตอมนี้เอง จึงทำให้เกิดการคายพลังงานออกมาได้ ดวงอาทิตย์นั้นประกอบไปด้วยกลุ่มแก๊สไฮโดรเจนเป็น ส่วนใหญ่ เนื่องจากมีมวลจำนวนมากจึงทำให้แรงโน้มถ่วงมหาศาลดูดแก๊สเข้าหากัน มากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของดวงอาทิตย์

บทเรียนที่ 11 การตรวจสอบกัมมันตรังสี

การตรวจสอบสารกัมมันตรังสีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี

เครื่องมือตรวจการแผ่รังสี

วิธีตรวจการแผ่รังสีทำได้ง่ายๆ โดยนำฟิล์มถ่ายรูปมาหุ้มสารที่คิดว่ามีสารกัมมันตรังสีปนอยู่ เก็บในที่มืด เมื่อนำฟิล์มไปล้าง ถ้าปรากฏว่าเป็นสีดำแสดงว่ามีการแผ่รังสี หรืออาจจะทำได้โดยนำสารที่จะทดสอบไปวางใกล้สารเรืองแสง ถ้ามีการเรืองแสงเกิดขึ้นแสดงว่ามีการแผ่รังสีเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามการตรวจอย่างง่าย ๆ ดังกล่าวไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ จึงต้องใช้เครื่องมือตรวจสอบโดยเฉพาะเรียกว่า “ไกเกอร์มูลเลอร์

เคาน์เตอร์” (Geiger-Muller counter) ซึ่งประกอบด้วยกระบอกรับรังสี และมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีได้ลักษณะของไกเกอร์ประกอบด้วยกระบอกซึ่งบรรจุก๊าซอาร์กอนไว้ เมื่อนำไปวางไว้ในบริเวณที่มีการแผ่รังสี รังสีจะผ่านเข้าทางช่องด้านหน้าของกระบอก กระทบกับอะตอมของอาร์กอน ทำให้อิเล็กตรอนของอาร์กอนหลุดออกไป กลายเป็นAr + ก่อให้เกิดความต่างศักย์ระหว่าง Ar + กับ e - ในหลอด ซึ่งจะแปลงค่าความ ต่างศักย์ออกมาเป็นตัวเลขบนหน้าปัด ค่าที่ได้นี้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสี และความเข้มข้นของรังสีที่จะทำให้Ar กลายเป็น Ar + ได้มากหรือน้อยสารกัมมันตรังสีแต่ละสารมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากัน และแผ่รังสี

แตกต่างกัน การนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง

ด้านธรณีวิทยาใช้คาร์บอน - 14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5,730 ปี หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบเช่น ไม้ กระดูก หรือสารอินทรีย์อื่น ๆ การหาอายุวัตถุโบราณโดยการวัดปริมาณของ คาร์บอน – 14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก ดังปฏิกิริยา

ในบรรยากาศ คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ได้เป็น CO2 ซึ่งทำให้มีทั้ง 12CO2 และ 14CO2 ปนกัน เมื่อพืชนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง C-14 จะอยู่ในพืชและเมื่อสัตว์กินพืชเป็นอาหาร C-14 ก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกาย ในขณะที่พืชและสัตว์มีชีวิต 14CO2 จะเข้าไปและขับออกมาอยู่ตลอดเวลา ทำให้มี C-14 ด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงการรับ C-14 ก็จะหยุดลง ปริมาณ C-14 ก็จะลดลงเพราะเกิดการสลายตัวตัวตลอดเวลา ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัว

ขณะนั้น ก็สามารถคำนวณอายุได้

ด้านการแพทย์ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย โดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อย จากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่าง ๆ เช่น ให้ดื่มสารละลายไอโอดีน – 131 แล้วติดตามดูความผิดปกติของต่อมไทรอยด์ ใช้ไอโอดีน – 132 ติดตามดูภาพสมอง ฉีดโซเดียม – 24 เข้าเส้นเลือดโดยตรงเพื่อดู ระบบการไหลเวียนของเลือด รับประทาน เทคนีเซียม – 99 เมื่อต้องการดูภาพหัวใจ ตับ ปอด นอกจากนี้แพทย์ ยังใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีรักษาโรคโดยตรง เช่น ใช้โคบอลต์ – 60 หรือเรเดียม – 226 ในการรักษา โรคมะเร็ง

ด้านเกษตรกรรมใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้น จากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบหรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ที่ใบ เช่น ใช้ฟอสฟอรัส –32 จำนวนเล็กน้อยผสมกับฟอสฟอรัสที่ไม่มีรังสีเพื่อทำปุ๋ย แล้วใช้รังสีเพื่อการปรับปรุงเมล็ดพืช ให้ได้ พันธุกรรมตามต้องการ โดยการนำเมล็ดพันธุ์พืชมาอาบรังสีนิวตรอนในปริมาณและระยะเวลาที่เหมาะสม จะทำให้เกิดการกลายพันธุ์ได้

ด้านอุตสาหกรรมใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่าง เช่น ใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลว โดยผสมกับไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อ แล้วติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ถ้าบริเวณใดที่เครื่องมีสัญญาณจำนวนนับมากที่สุดแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น ใช้วัดความหนาของวัตถุเนื่องจากรังสีแต่ละชนิดทะลุวัตถุได้ดีไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อผ่านรังสีไปยังแผ่นวัตถุต่าง ๆ เช่น โลหะ กระดาษ พลาสติก แล้ววัดความสามารถในการดูดซับรังสีของ

วัตถุนั้นด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์เปรียบเทียบจำนวนนับกับตารางข้อมูลก็จะทำให้ทราบความหนาของวัตถุได้ ในอุตสาหกรรมการทำอัญมณีใช้รังสีเพื่อทำให้อัญมณีมีสีสันสวยงามขึ้น โดยใช้รังสีแกมมา นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนพลังงานสูงฉายไปบนอัญมณี จะทำให้สารที่ทำให้เกิดสีบนอัญมณีเปลี่ยนสีไปได้

อัญมณีที่ฉายด้วยรังสีแกมมาจะไม่มีรังสีตกค้างแต่การอาบด้วยนิวตรอนจะมีไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดขึ้น จึง

ต้องปล่อยให้ไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนมีระดับที่ปลอดภัยจึงนำมาใช้ประโยชน์

การเก็บถนอมอาหารใช้โคบอลต์ – 60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้ว

บทเรียนที่ 12 การทำนายสมบัติของธาตุและสารประกอบ

การทำนายตำแหน่งและสมบัติของธาตุในตารางธาตุ

การศึกษาสมบัติของธาตุตามตารางธาตุ จะช่วยในการทำนายสมบัติของธาตุได้ ถ้ารู้ตำแหน่งของธาตุนั้นในตารางธาตุหรือถ้ารู้สมบัติบางประการของธาตุอาจพิจารณาตำแหน่งของธาตุได้ ดังตัวอย่างการจัดตำแหน่งของธาตุไฮโดรเจนที่ศึกษามาแล้ว ต่อไปนักเรียนจะใช้ข้อมูลเกี่ยวกับสมบัติของธาตุมาทำนายตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุได้จากตัวอย่าง

ตัวอย่างที่ 1 ธาตุตัวอย่าง X มีสมบัติที่ปรากฏดังนี้

แนวคิด จากสมบัติต่าง ๆ ของธาตุ X สามารถทำนายได้ว่า

- ธาตุ X มีสมบัติคล้ายโลหะคือ มีผิวเป็นมันวาว นำไฟฟ้าได้ และไม่ละลายน้ำ ธาตุ X ไม่ควรเป็นธาตุหมู่ IA หรือหมู่ IIA

- เมื่อธาตุ X ทำปฏิกิริยากับ Cl2 ได้สารประกอบคลอไรด์เป็นของแข็งสีขาว ละลายน้ำได้สารละลายมีสมบัติเป็นกรด แสดงว่าเป็นสารประกอบคลอไรด์ของอโลหะ

- จากข้อมูลทั้งหมดทำนายได้ว่าธาตุ X มีสมบัติเป็นทั้งโลหะและอโลหะ X จึงจัดเป็นธาตุกึ่งโลหะ และควรอยู่ในหมู่ IVA ทางตอนล่างของตารางธาตุ ในทางกลับกัน ถ้าทราบตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุจะสามารถทำนายสมบัติของธาตุได้ ดังตัวอย่าง 2

ตัวอย่างที่ 2 ธาตุ Y เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 19 ธาตุ Y ควรจะมีสมบัติเป็นอย่างไร

แนวคิดเมื่อทราบเลขอะตอม ทำให้ทราบข้อมูลอื่น ๆ ดังนี้- การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ Y คือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

- ธาตุY อยู่ในหมู่ IA และอยู่ในคาบที่ 4 จากข้อมูลช่วยให้ทำนายได้ว่าธาตุ Y ควรมีสมบัติคล้ายธาตุหมู่ IA คือ มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 เมื่อเกิดเป็นสารประกอบมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 มีสถานะเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลว และจุดเดือดสูง นำไฟฟ้าได้ทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างรุนแรง

บทเรียนที่ 13 ธาตุอะลูมิเนียม

ธาตุอะลูมิเนียม

อะลูมิเนียม(ภาษาอังกฤษสะกดได้ว่าaluminiumหรือaluminumในอเมริกาเหนือ) คือธาตุเคมีในตารางธาตุที่มีสัญลักษณ์Alและมีเลขอะตอม13 เป็นโลหะหลังทรานซิชันที่มันวาวและอ่อนดัดง่าย และมีคุณสมบัติเด่น คือ ต่อต้านการออกซิเดชันเป็นเยี่ยม (เนื่องจากปรากฏการณ์passivation) แข็งแรง และน้ำหนักเบา มีการใช้อะลูมิเนียมในอุตสาหกรรมหลายประเภท เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ มากมาย และอะลูมิเนียมสำคัญต่อเศรษฐกิจโลกอย่างมาก ชิ้นส่วนโครงสร้างที่ผลิตจากอะลูมิเนียมสำคัญต่ออุตสาหกรรมอากาศยานและสำคัญในด้านอื่น ๆ ของการขนส่งและการสร้างอาคาร ซึ่งต้องการน้ำหนักเบา ความทนทาน และความแข็งแรง

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่พบมากบริเวณเปลือกโลก เป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับสามรองจากธาตุซิลิคอน คือพบประมาณ 7.5% โดยมวล อะลูมิเนียมในธรรมชาติอยู่ในรูปของสารประกอบชนิดต่าง ๆ เช่น บอกไซด์ (Al2O3.2H2O) ไครโอไลต์ (Na3AlF6) แต่ในธรรมชาติอะลูมิเนียมพบในรูปแร่บอกไซต์เป็นหลัก อะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีสีขาวเงินมีความหนาแน่น 2.699 g/cm 320 C นำไฟฟ้าได้ดี และนำได้ดีขึ้นเมื่อมีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น มีความว่องไวในการป้องกันไม่ให้ผุกร่อน ต่อไป ทับทิม ไพริน และบุศราคัมที่ใช้เป็นเครื่องประดับ เป็นพลอยประเภทคอรันดัมสูตรเคมี คือ Al2O3ซึ่งมีความแข็งรองจากเพชร แต่มีสีต่างกันเพราะมีธาตุอื่นที่เป็นมลทินต่างกัน ถ้ามีโครเมียมออกไซด์ปนอยู่จะมีสีชมพูถึงแดงเข้มเรียกว่า ทับทิม ถ้ามีไทเทเนียมและเหล็กออกไซด์ปนอยู่จะมีสีน้ำเงินเรียกว่า ไพลิน และถ้ามีเหล็กออกไซด์ปนอยู่จะมีสีเหลืองเรียกว่า บุศราคัม

การเตรียม

โลหะอะลูมิเนียม เตรียมได้จาการแยกบอกไซด์ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า จะได้

โลหะอะลูมิเนียมที่ขั้วแคโทดหรือขั้วลบ

ประโยชน์

โลหะอะลูมิเนียมเป็นโลหะเศรษฐกิจที่สำคัญเพราะมีราคาถูก และใช้ประโยชน์ได้

มากมาย เช่น โลหะเจืออะลูมิเนียม ใช้ทำเครื่องบิน ยานอวกาศ กลอนประตู หน้าต่าง เครื่องใช้

ต่าง ๆ ภายในบ้านนอกจาก นั้นอะลูมิเนียมยังใช้ทำสายไฟฟ้า ทำวัสดุห่อของในลักษณะของอะลูมิเนียมแผ่นบางใช้ทำกระป๋องน้ำอัดลม กระป๋องเบียร์ กระป๋องน้ำผลไม้ ชิ้นส่วนของเครื่องจักร อุปกรณ์เคมีและอื่น ๆสารส้ม (K2SO4Al2(SO4)3•24H2O ซึ่งเป็นสารประกอบของอะลูมิเนียมใช้ในกระบวนการทำน้ำประปา การทำกระดาษ

คุณสมบัติ

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่อ่อนและเบาที่มีลักษณะไม่เป็นเงา เนื่องจากเกิดการออกซิเดชันชั้นบาง ๆ ที่เกิดขึ้นเร็วเมื่อสัมผัสกับอากาศ โลหะอะลูมิเนียมไม่เป็นสารพิษ ไม่เป็นแม่เหล็ก และไม่เกิดประกายไฟ อะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีแรงต้านการดึงประมาณ 49 ล้านปาสกาล (MPa) และ 400 MPa ถ้าทำเป็นโลหะผสม อะลูมิเนียมมความหนาแน่นเป็น 1/3 ของเหล็กกล้าและทองแดงอ่อนสามารถดัดได้ง่าย สามารถกลึงและหล่อแบบได้ง่าย และมีความสามารถต่อต้านการกร่อนและความทนเนื่องจากชั้นออกไซด์ที่ป้องกัน พื้นหน้ากระจกเงาที่เป็นอะลูมิเนียมมีการสะท้อนแสงมากกว่าโลหะอื่น ๆ ในช่วงความยาวคลื่น 200-400 nm (UV) และ 3000-10000 nm (IR ไกล) ส่วนในช่วงที่มองเห็นได้ คือ 400-700 nmโลหะเงินสะท้อนแสงได้ดีกว่าเล็กน้อย และในช่วง 700-3000 (IR ใกล้)โลหะเงินทองคำและทองแดงสะท้อนแสงได้ดีกว่า อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่ดัดได้ง่ายเป็นอันดับ 2 (รองจากทองคำ) และอ่อนเป็นอันดับที่ 6 อะลูมิเนียมสามารถนำความร้อนได้ดี จึงเหมาะสมที่จะทำหม้อหุงต้มอาหาร

การประยุกต์

เมื่อวัดในทั้งปริมาณและมูลค่า การใช้อะลูมิเนียมมีมากกว่าโลหะอื่น ๆ ยกเว้นเหล็กและมีความสำคัญในเศรษฐกิจโลกทุกด้าน

อะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีแรงต้านการดึงต่ำ แต่สามารถนำไปผสมกับธาตุต่าง ๆ ได้ง่าย เช่นทองแดงสังกะสีแมกนีเซียมแมงกานีสและซิลิกอน(เช่นduralumin) ในปัจจุบันวัสดุเกือบทั้งหมดที่เรียกว่าอะลูมิเนียมเป็นโลหะผสมของอะลูมิเนียม อะลูมิเนียมบริสุทธิ์พบเฉพาะเมื่อต้องการความทนต่อการกัดกร่อนมากกว่าความแข็งแรงและความแข็ง

เมื่อรวมกับกระบวนการทางความร้อนและกลการ (thermo-mechanical processing)โลหะผสมของอะลูมิเนียมมีคุณสมบัติทางกลศาสตร์ที่ดีขึ้น โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นส่วนสำคัญของเครื่องบินและจรวดเนื่องจากมีอัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง

อะลูมิเนียมสามารถสะท้อนแสงที่มองเห็นได้ดีเยี่ยม (99%) และสามารถสะท้อนแสงอินฟราเรดได้ดี (95%) อะลูมิเนียมชั้นบาง ๆ สามารถสร้างบนพื้นผิวเรียบด้วยวิธีการควบแน่นของไอสารเคมี(chemical vapor deposition) หรือวิธีการทางเคมี เพื่อสร้างผิวเคลือบออปติคัล(optical coating) และกระจกเงาผิวเคลือบเหล่านี้จะเกิดชั้นอะลูมิเนียมออกไซด์ที่บางยิ่งกว่า ที่ไม่สึกกร่อนเหมือนผิวเคลือบเงินกระจกเงาเกือบทั้งหมดสร้างโดยใช้อะลูมิเนียมชั้นบางบนผิวหลังของแผ่นกระจกลอย(float glass). กระจกเงาในกล้องโทรทรรศน์สร้างด้วยอะลูมิเนียมเช่นกัน แต่เคลือบข้างหน้าเพื่อป้องกันการสะท้อนภายใน การหักเห และการสูญเสียจากความใส กระจกเหล่านี้เรียกว่าfirst surface mirrorsและเกิดความเสียหายได้ง่ายกว่ากระจกเงาตามบ้านทั่วไปที่เคลือบข้างหลัง

ตัวอย่างการนำเอาอะลูมิเนียมไปใช้งาน เช่น

การขนส่ง (รถยนต์เครื่องบินรถบรรทุกตู้รถไฟเรือทะเลจักรยานฯลฯ)

ภาชนะ (กระป๋อง,ฟอยด์ฯลฯ)

การบำบัดน้ำ

การรักษาปรสิตของปลา เช่นGyrodactylus salaris

งานก่อสร้าง (หน้าต่างประตูรางข้าง ลวด ฯลฯ)

สินค้าสำหรับผู้บริโภคที่มีความคงทน (เครื่องใช้ไฟฟ้าอุปกรณ์ครัวฯลฯ)

ไฟฟ้าไฟฟ้า(ชิ้นส่วนและลวดอะลูมิเนียมมีความหนาแน่นน้อยกว่าทองแดง และราคาถูกกว่าด้วยแต่มีความต้านทานไฟฟ้ามากกว่าด้วย มีหลายพื้นที่ ที่ห้ามใช้ลวดอะลูมิเนียมสำหรับสายไฟตามบ้าน เนื่องจากความหนาแน่นสูงกว่าและขยายในความร้อนมากกว่า)

เครื่องจักรกล

แม่เหล็กที่ทำจากเหล็กกล้าเอ็มเคเอ็ม(MKM steel)แอลไนโก(Alnico) แม้ว่าตัวอะลูมิเนียมเองจะใช้วัตถุแม่เหล็กก็ตาม

อะลูมิเนียมความบริสุทธิ์สูง (SPA ย่อจาก Super purity aluminium, 99.980% to 99.999% Al) ใช้ในอิเล็กทรอนิกส์และซีดี.

อะลูมิเนียมผงใช้เป็นตัวเคลือบเงินในสีเกล็ดอะลูมิเนียมมีอยู่ในสีพื้น เช่นสีเคลือบเนื้อไม้(primer) — เมื่อแห้ง เกล็ดจะซ้อนทับกันเป็นชั้นกันน้ำ

อะลูมิเนียมแอโนไดส์(anodised) คงทนต่อการออกแซิเดชั่นเพิ่มเติม และใช้ในการก่อสร้างในด้านต่าง ๆ รวมถึงการทำฮีตซิงก์ด้วย

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ที่ต้องทำความเย็นของชิ้นส่วนภายใน (เช่น ทรานซิสเตอร์ซีพียู- สารกึ่งตัวนำโดยทั่วไป) มีฮีตซิงก์ที่ทำจากอะลูมิเนียม เนื่องจากผลิตง่าย และนำความร้อนได้ดี ฮีตซิงก์ทองแดงเล็กกว่า แต่แพงกว่าและผลิตยากกว่าด้วย

อะลูมิเนียมออกไซด์หรืออะลูมินา, พบในธรรมชาติในรูปของแร่กะรุน(ทับทิมและนิล), และใช้ในการผลิตกระจกทับทิมและนิลสังเคราะห์ใช้ในเครื่องเลเซอร์เพื่อผลิตแสงความถี่เดียว(coherent light)

อะลูมิเนียมออกซิไดส์ด้วยพลังงานสูง ทำให้ใช้ในเชื้อเพลิงแข็งสำหรับจรวดเธอร์ไมต์(thermite) และสารประกอบอื่น ๆ สำหรับทำดอกไม้ไฟ

นอกจากนี้ อะลูมิเนียมยังเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิวิกฤต 1.2 องศาเคลวิน

บทเรียนที่ 14 ธาตุแคลเซียม

ธาตุแคลเซียม

เป็นธาตุเคมีในตารางธาตุซึ่งมีสัญลักษณ์เปน Caมีเลขอะตอมเป็น 20 แคลเซียมเป็นธาตุโลหะ หนักประเภทอะคาไลที่มีสีเทาอ่อน มันถูกใช้เป็นสารรีดิวซิ่งเอเยนต์ในการสกัดธาตุ ทอเรียมเซอร์ โคเนียม และยูเรเนียม แคลเซียมอยู่ในกลุ่ม 50 ธาตุที่มีมากที่สุดบนเปลือกโลก มันมีความสำคัญต่อ สิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะในระบบสรีระวิทยาของเซลล์และการยืดหดตัวของกล้ามเนื้อ
ชื่อธาตุ calcium มาจากคำลาติน calx แปลว่าปูนดิบ (lime)

[วิชาเคมีสมัยก่อน เรียกสารที่มีสมบัติอโลหะทุกชนิดที่ไม่ละลายน้ำและไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง โดยการเผาว่า earth. ปูนดิบ (lime) และ magnesia แสดงปฏิกิริยาของด่าง จึงเรียกสารทั้งสองว่า alkaline earths ปัจจุบันนี้คำว่า alkaline earths หมายถึงธาตุที่อยู่ในหมู่ IIA ของตารางธาตุ แคลเซียมเป็น ธาตุใหม่ IIA ที่ใช้ประโยชน์มากที่สุด และใช้ในปริมาณมากที่สุดด้วย v]

การค้นพบ

แคลเซียมพร้อมทั้งสตรอนเซียม (Sr) และแบเรียม (Ba) เตรียมได้เป็นครั้งแรกโดย Davy ในปี ค.ศ. 1808 จากการนำเกลือคลอไรด์เหลวมาแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis)
แหล่งที่พบ ไม่พบในรูปของธาตุอิสระ แคลเซียมในรูปของสารประกอบมีกระจายมั่วไป โลหะแคลเซียมมีปริมาณมากเป็นลำดับ 5 ของธาตุทั้งหมดในเปลือกโลกของเรา (3.64 %)

ประโยชน์

แคลเซียมเป็นโลหะที่มีราคาถูกที่สุดในบรรดาโลหะในหมู่ IIA แต่แพงกว่า Na มาก อย่างไรก็ตาม Ca ก็ใช้ประโยชน์มากมาย เช่น
1. ใช้ทำโลหะเจือกับ Al, Pb และ Cu
2. ใช้ในอุตสาหกรรมถลุงโลหะ โดยการเกิดไนไตรด์ (nitrides) และคาร์ไบด์ (carbides) กับแร่ที่มี N และ C เป็นองค์ประกอบ
3. เป็นตัวออกซิไดซ์สำหรับโลหะเจือหลายชนิด เช่น Cr-Ni, Fe-Ni, Ni-Co, Ni-Co-Fe
4. เป็นตัวรีดิวซ์ในการเตรียมโลหะ Be, Cr, Ha และโลหะ rare earths
5. ประโยชน์อื่น ๆ เช่น ใช้ดูดน้ำออกจากน้ำมัน แยกไนโตรเจนจากอาร์กอน เป็นต้น

ความเป็นพิษ

แคลเซียมไม่เป็นพิษ เป็นธาตุจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตอันตรายจาก Ca อาจเกิดขึ้นได้เมื่อเผาหรือ สัมผัสกับตัวออกซิไดซ์แก่ เพราะเกิดไฟไหม้และระเบิดได้

กับกรดซัลฟิวริก (H2SO4) เข้มข้นใช้ทำความสะอาดเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการเคมี

บทเรียนที่ 15 ธาตุทองแดง

ธาตุทองแดง

ทองแดงเป็นโลหะสีน้ำตาลแดงค่อนข้างอ่อนสามารถตีแผ่เป็นแผ่นบาง ๆ หรือดึงเป็นเส้นได้ นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีรองจากทองคำและเงิน ทองแดงเป็นโลหะที่พบในแร่ต่าง ๆ เช่น

แร่คาลโคไพโรต์(CuFeS2) คิวไพรต์(Cu2O)มาลาโคต์ (Cu2CO3(OH)2) คาลโคไซต์ (Cu2S)

การเตรียม โลหะทองแดงสามารถเตรียมได้โยวิธีการถลุง การถลุงทองแดงทำได้โดยการเผาแต่คาลโคไพไรต์ในอากาศ จะได้คอปเปอร์ (I) ซัลไฟด์ (Cu2S) ไอร์ออน (II) ออกไซด์ (FeO) และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ดังสมการ

2CuFeS2 + 4O2 ----> Cu2S + 2FeO + 3SO2

แยกก๊าซ SO2ออก จากนั้นนำผลิตภัณฑ์ที่เหลือนำไปเผารวมกับออกไซด์ของซิลิคอนในเตาถลุง FeO จะทำปฏิกิริยากับออกไซด์ของซิลิคอน (SiO2) ได้กากตะกอน(Slag) ลอยอยู่บน Cu2S ซึ่งไขแยกออกมาได้ เมื่อนำCu2S ไปเผารวมกับอากาศจะได้ คอปเปอร์ (I) ออกไซด์ (Cu2O) ดังสมการ

2Cu2S + 3O2 -----> 2Cu2O + 2SO2

Cu2O จะผสมกับCu2S ที่เหลือ เมื่อเผาอย่างแรงในที่ไม่มีอากาศจะได้โลหะทองแดง และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ดังสมการ

2Cu2O + Cu2S -----> 6Cu + SO2

ทองแดงที่ได้ยังไม่บริสุทธิ์เนื่องจากมีโลหะอื่นปนอยู่ เช่น เหล็ก เงิน แพลทินัม ซึ่งสามารถทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกด้วยกระแสไฟฟ้า

ประโยชน์ส่วนใหญ่ใช้ประโยชน์ในงานด้านไฟฟ้า เช่น ทำสายไฟฟ้า ไดนาโม มอเตอร์ อุปกรณ์ และเครื่องมือไฟฟ้าต่าง ๆ เนื่องจากทองแดงทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมีจึงใช้ทำหม้อน้ำรถยนต์ ผงทองแดงใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ทองแดงยังใช้ทำโลหะผสมต่าง ๆ เช่น ทองเหลือง (ทองแดง+สังกะสี) ทองสัมฤทธิ์ (ทองแดง+ดีบุก) ทองเหลืองใช้ทำกลอนประตู ภาชนะหุงต้ม ปลอกกระสุนปืน กุญแจ ใบพัดเป็นต้น ทองสัมฤทธิ์ใช้ทำลานนาฬิกา ปืนใหญ่ ระฆัง เป็นต้นสารประกอบคอปเปอร์(II)ออกไซด์ใช้ทำยาฆ่าแมลงหรือฆ่าเชื้อราสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดง (Cu) ซึ่งเรียกว่าฮีโมไชยานินเป็นส่วนประกอบในเลือดของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด เช่นปลาหมึก ปูหอยโข่ง แมงป่อง ฮีโมไชยานินทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนแทนฮีโมโกบินนอกจากนั้นทองแดงยังเป็นส่วนประกอบของโปรตีนซึ่งมีความสำคัญในกระบวนการสร้างฮีโมโก-บินถ้าร่างกายขาดทองแดงจะเป็นโรคโลหิตจางกระดูกไม่สมประกอบประสาทเสื่อมและหลอดเลือดหัวใจพิการนอกจากนั้นทองแดงยังมีธาตุจำเป็นสำหรับพืชด้วยเช่นจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์คลอโรฟีลล์และเอนไซม์ของพืช

บทเรียนที่ 16 ธาตุโครเมียม

โครเมียม

โครเมียมเป็นโลหะสีขาวเงินเป็นมันวาว และแข็งมาก ในธรรมชาติไม่พบธาตุโครเมียมในรูปธาตุอิสระแต่จะพบในรูปของแร่ต่าง ๆ ที่พบมากคือแร่ไครไลต์ (FeO•Cr2O3) สารประกอบหรือไอออนต่าง ๆ ของธาตุโครเมียมมีสี เช่น K2CrO4 หรือCrO42-มีสีเหลือง K2Cr2O7 หรือ Cr2O72-มีสีส้ม KCr (SO4) 2•12H2O มีสีม่วงแดง

วิธีเตรียมเตรียมได้โดยการเผาแร่ไครไลต์กับคาร์บอน

FeO•Cr2O3(s) + 4C(s) -----> Fe + 2Cr(s) + 4CO(g)

Fe และ Cr ที่เกิดขึ้นจะอยู่ในรูปโลหะเจือโดยมี Fe : Cr = 1 : 2 ถ้าต้องการโครเมียมบริสุทธิ์

สามารถเตรียมได้โดยเผาแร่ไครไลต์กับ K2CO3 ในอากาศจะได้ K2CrO4 ซึ่งละลายน้ำได้จึงสามารถแยก

ออกจาก FeO ได้

K2CO3 + O2

FeO•CrO3(s) -----------> K2CrO4(s) + FeO(s)

เติม H2O

K2CrO4(aq) + FeO(s)

กรอง K2CrO4 ออกจาก FeO ระเหยน้ำออกจะได้ K2CrO4(s) จากนั้นนำมาเผากับคาร์บอน (C) จะ

ได้ Cr2O3 และเมื่อเผา Cr2O3 กับ Al จะได้ Cr

C เผา

K2CrO4(s) ---------> Cr2O3(s)

เผา

Cr2O3(s) + 2Al ---------> 2Cr + Al2O3

ประโยชน์ใช้เป็นส่วนผสมในเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless steel) ประกอบด้วย Fe 73% Cr 18%

Ni 8% และ C 0.4% ใช้ทำเครื่องมือผ่าตัด ตัวเรือนนาฬิกา ช้อน และภาชนะต่าง ๆ ใช้เคลือบบนผิวเหล็ก

เพื่อความสวยงามและป้องกันการผุกร่อนของเหล็กใช้เป็นส่วนประกอบในเหล็กกล้าที่ใช้ทำตู้นิรภัย

เครื่องยนต์ เกราะกันกระสุน ใช้ทำโลหะเจือโคบอลต์ซึ่งใช้ทำกระดูกเทียม Cr2O3 เป็นของแข็งสีเขียวแก่ใช้

ทำสีเพื่อเขียนลวดลายเครื่องเคลือบดินเผา Na2Cr2O7 ใช้อุตสาหกรรมฟอกหนัง สารละลายผสมของ K2Cr2O7

บทเรียนที่ 17 ธาตุเหล็ก

ธาตุเหล็ก

เหล็กเป็นโลหะแทรนซิชันที่มีมากที่สุดในธรรมชาติและเป็นโลหะที่มีมากในพื้นโลกเป็นอันดับ 2 รองจากอะลูมิเนียม เหล็กบริสุทธิ์มีสีเทาเป็นมันวาว สามารถถูกดูดโดยแม่เหล็ก แต่ความเป็นแม่เหล็กจะหายไปอย่างรวดเร็ว เหล็กเป็นโลหะที่สึกกร่อนหรือเป็นสนิมได้ง่ายในธรรมชาติพบเหล็กอยู่ในรูปแร่ฮีมาไทต์ (Fe2O3) แมกนีไทต์ (Fe3O4) และไพไรต์(FeS2)

การเตรียมและประโยชน์เหล็กเตรียมได้โดยการถลุงจากแร่ฮีมาไทต์ ในกระบวนถลุงเหล็กจะใช้แร่ฮีมาไทต์ในปริมาณมากผสมกับถ่านโค้กและหินปูน ใส่ในเตาถลุงโดยใส่ทางส่วนบนของเตา จากนั้นก็พ่นอากาศหรือออกซิเจนร้อนเข้าทางส่วนล่าง ถ่านโค้กก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริเวณก้นเตาเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซต์ (CO2) ดังสมการ

C(s) + O2 (g) -------> CO2 (g) ………..(1)

ปฏิกิริยานี้คายความร้อนออกมาทำให้อุณหภูมิบริเวณก้นเตาสูงประมาณ 1900 C แล้วก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับถ่านโค้กต่อไปเกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ดังสมการ

CO2 (g) + C(s) ------> 2CO(g) (ปฎิกิริยาดูดความร้อน) .....(2)

ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดขึ้นจะลอยขึ้นไปทำปฏิกิริยากับแร่ฮีมาไทต์ได้ไอร์ออน (II/III) ออกไซด์(Fe3O4) ดังสมการ

3Fe2O3(s) + CO(g) ----> 2Fe3O4(s) + CO2 (g) …..(3)

Fe3O4 จะทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ไอร์ออน (II) ออกไซด์ดังสมการ

Fe3O4(s) + CO(g) -----> 3FeO(s) + CO2 (g) …….(4)

จากนั้น FeO ก็จะถูกรีดิวซ์โดยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (ทำปฏิกิริยากับ CO) กลายเป็นเหล็กบริเวณก้นเตาซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 1300 C ถึง 1800 C ทำให้เหล็กที่ได้หลอมเหลว

FeO(s) + CO(g) -----> Fe(l) + CO2 (g) …..(5)

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นบริเวณก้นเตาในสมการ (5) จะปฏิกิริยากับถ่านโค้กให้ก๊าซ

คาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งใช้ประโยชน์ต่อไปได้อีก (ดูสมการ (2))

เนื่องจากในสินแร่มักมีสิ่งเจือปนอยู่ด้วย เช่น ออกไซด์ของซิลิคอน (SiO2) ออกไซด์ของอะลูมิเนียม(Al2O3) สิ่งเหล่านี้จะไปทำปฏิกิริยากับหินปูนที่เติมลงไปกลายเป็นกากตะกอน (Slag) ลอยอยู่เหนือเหล็ก

เหลวที่ก้นเตาถลุง ซึ่งสามารถไขออกได้ เหล็กที่ถลุงได้เรียกว่าเหล็กหล่อ (Pig iron) ซึ่งแข็งแต่เปราะแตกง่ายเมื่อทุบหรือตี ซึ่งเหล็กที่ได้นี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์บางอย่างได้เท่านั้นเพราะยังไม่มีสมบัติดีพอที่จะนำไปใช้งานทั่ว ๆ ไป จึงต้องนำมาปรับปรุงคุณภาพโดยการแยก มลทินออกให้เหลือน้อยที่สุดหรือใช้โลหะอื่นผสมอยู่ด้วยแต่จะปรับปรุงคุณภาพอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของงานที่จะนำเหล็กไปใช้เหล็กที่ใช้ในอุตสาหกรรมและงานต่าง ๆ มักเป็นเหล็กเหนียว เหล็กกล้าและเหล็กกล้าผสมเหล็กเหนียว คือ เหล็กที่เกือบจะบริสุทธิ์มีคาร์บอนปนอยู่ประมาณ 0.1 – 0.2% และมีสิ่งเจือปนอื่นๆ น้อยกว่า 0.5% เหล็กเหนียวใช้ทำเส้นลวด สายโทรศัพท์ โซ่และอื่น ๆ

เหล็กกล้าคือเหล็กที่มีคาร์บอนปนอยู่น้อยกว่า 1.5% เหล็กกล้ามีหลายชนิดขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอน เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนตํ่ากว่า 0.2% เรียกเหล็กกล้าอ่อน (mild steel) ซึ่งเป็นเหล็กกล้าที่ไม่ค่อยแข็งนัก ใช้ทำตัวถังรถยนต์ ทำท่อ ทำน๊อต ทำแผ่นเหล็กอาบสังกะสีหรือดีบุกเป็นต้น เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.2 – 0.6% เรียกเหล็กกล้าปานกลาง (medium steel) เป็นเหล็กกล้าที่แข็งแรงกว่าชนิดแรก ใช้ทำราง รถไฟและสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ และเหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.75 – 1.5 % เรียกเหล็กกล้าชนิดคาร์บอนสูง (High-Canbon steel) เป็นเหล็กที่แข็งแกร่งมาก ใช้ทำใบมีดโกน อาวุธมีคม และเครื่องมื่ออื่น ๆ

สำหรับเหล็กกล้าผสมเป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมอยู่ในปริมาณที่กำหนด ธาตุแต่ละชนิดที่ผสมลงไปนั้นจะทำให้เหล็กกล้าผสมที่ได้มีสมบัติเหมาะที่จะใช้งานต่าง ๆ กันนอกจากนี้เหล็กยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของเม็ดเลือดแดง ทำหน้าที่นำก๊าซออกซิเจนไปสู่เซลล์ต่างๆ ของร่างกาย ถ้าขาดธาตุเหล็กจะทำให้เกิดโรคโลหิตจาง