บทเรียนที่ 1 สมบัติของของแข็ง

สมบัติของของแข็ง

จากการศึกษาเกี่ยวกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารพบว่าของแข็งมีสมบัติหลายประการดังนี้

1.สารชนิดเดียวกันเมื่ออยู่ในสถานะของแข็งจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากกว่าของเหลว และแก๊ส จึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารในสถานะของแข็งส่วนใหญ่มีค่าสูกว่าของเหลวและแก๊ส

2.ของแข็งมีรูปร่างแน่นอนไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ มีปริมาตรคงที่ที่ความดันและอุณหภูมิคงที่ไม่สามารถไหลได้ เนื่องจากอนุภาคอยู่ชิดกันมาก การจัดเรียงอนุภาคอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอน

3.ของแข็งแพร่ได้ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและแก๊ส

4.ของแข็งบางชนิดเป็นตัวนำความร้อนและตัวนำไฟฟ้า บางชนิดเป็นสารกึ่งตัวนำ และบางชนิดเป็นฉนวน

5.ของแข็งบางชนิดสมารถจัดเรียงตัวเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน เรียกว่าผลึกบางชนิด อาจจะมีผลึกได้หลายแบบและบางชนิดไม่สามารถเกิดผลึกได้เรียกว่าของแข็งอสัณฐาน(Amorphous solid)

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง

ของแข็งที่เกิดจากการเรียงอนุภาคอย่างเป็นระเบียบ มีรูปร่างเฉพาะตัวเรียกว่าผลึก ผลึกของของแข็งแต่ละชนิดจะมีผิวหน้าที่เรียบ ซึ่งทำมุมกันด้วยค้าที่แน่นอน เป็นลักษณะเฉพาะตัว ผลึกที่มีขนาดใหญ่ ๆ เมื่อทำให้ผลึกเล็กลงเช่นโดยการบด ส่วนเล็ก ๆ จะยังคงรักษารูปผลึกเป็นแบบเดิมอยู่ โดยทั่วไปของแข็งชนิดเดียวกันจะมีการจัดเรียงอนุภาคเป็นแบบเดียวกันไม่ว่าของแข็งนั้นจะเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือสังเคราะห์ขึ้น ผลึกของของแข็งจะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และมีช่วงอุณหภูมิของการหลอมเหลวสั้น

บทเรียนที่ 2 การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง

การเปลี่ยนสถานะของ ของแข็ง

การหลอมเหลว (melting)

เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง อนุภาคของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคมีการสั่นมากขึ้น และมีการถ่ายโอนพลังงาน

ให้แก่อนุภาคข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบางอนุภาคของของแข็งมีพลังงานสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคของของแข็งจึงเริ่มเคลื่อนที่และอยู่ห่างกันมากขึ้น ของแข็งจึงเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว (melting) และเรียกอุณหภูมิในขณะที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่ความดัน 1 บรรยากาศว่า จุดหลอมเหลว (melting point)

การระเหิด (Sublimation)

การระเหิดของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับสารชนิดที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อยมาก และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคเป็น

แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces) อย่างอ่อน เช่น แรงลอนดอน (London forces) เมื่ออนุภาคของสารได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย จะทำให้อนุภาคของสารนั้นแยกออกจากผลึก โดยเฉพาะอนุภาคที่อยู่บริเวณผิวหน้าของผลึกจะหลุดออกและเคลื่อนที่เป็นอิสระได้ง่าย เช่น การระเหิดของไอโอดีน การระเหิดของแนฟทาลีน การะบูร เมนทอล เป็นต้น

บทเรียนที่ 3 ของแข็งอสัณฐาน

ของแข็งอสัญฐาน

ของแข็งบางประเภท เช่น แก้ว ยาง พลาสติก เป็นของแข็งที่ไม่มีรูปผลึก ของแข็งที่ไม่มีรูปผลึกเรียกว่า

นี้มีการจัดเรียงอนุภาคภายในไม่เป็นระเบียบ เมื่อแตกหักจะได้ชิ้นส่วนที่ไม่เป็นรูปทรงเรขาคณิต หรือเมื่อได้รับความร้อนปริมาณมากพอจะค่อย ๆ อ่อนตัวกลายเป็นของเหลวและไหลได้ ของแข็งประเภทนี้ส่วนใหญ่ไม่สามารถหาจุดหลอมเหลวที่แน่นอนได้

บทเรียนที่ 4 การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง

ธาตุต่างๆ บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลายรูปแบบ เราเรียกว่าอัญรูป (allotrope) ของธาตุเช่นกำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอมบิก (rhombic) และมอนอคลินิก(monoclinic)การที่สารสามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบหนึ่งไปอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุดแทรนซิชัน (transition point)

การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน

กำมะถันมีหลายอัญรูป ได้แก่ รอมบิก (ออร์โทรอมบิก มอนอคลินิก พลาสติก) กำมะถันรอมบิก (s) มีสูตรโมเลกุลเป็น s8 ประกอบด้วยกำมะถัน 8 อะตอมต่อกันด้วยพันธะโควเวเลนต์ เป็นวง 8 เหลี่ยมรูปมงกุฎ ไม่ละลายน้ำแต่ละลายในคาร์บอนไดซัลไฟต์ หรือ โทลูอีน

เมื่อนำมาให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 113 c แต่ถ้าให้ความร้อนอย่างช้าๆจะเกิด การเปลี่ยนแปลงเป็นกำมะถันมอนอคลินิก ที่อุณหภูมิ 96 c ซึ่งมีจุดหลอมเหลว 119 c มีสูตรโมเลกุล s เหมือนกำมะถันรอมบิก เมื่อหลอมเหลวจะกลายเป็นของเหลวสีเหลืองแต่ไหลได้ดี ถ้าให้ความร้อนต่อไป จนอุณหภูมิสูงถึง 160 c วงs จะแตกออกเป็นสายยาวมีลักษณะข้นเหนียวและมีสีเข้มข้นมีสูตรโครงสร้าง เมื่ออุณหภูมิ 2000 c วงกำมะถัน จะแตกออกหมดต่อกันเป็นสายาวหรืออาจม้วนพันกันไปมากกลายไปมากลายเป็นของเหลวสีเข้มข้นและเหนียว

ถ้าเทลงน้ำเย็นทันทีเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจะได้กำมะถันพลาสติกซึ่งประกอบด้วยสายโซ่กำมะถันขดเป็นเกลียวแบบก้นหอยแต่ไม่เสถียร มีลักษณะเป็นก้อนแข็งเหนียวไม่ละลายในตัวทำละลายในตัวทำละลายทุกชนิด หลังจากนั้นกำมะถันพลาสติกจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกำมะถันรอมบิกที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าไม่เทกำมะถันลงในน้ำเย็นโดยให้ความร้อนต่อไปกำมะถันเหลวจะมีความเหนียวลดลงเพราะสายกำมะถันมีขนาดสั้นลงจนถึงอุณหภูมิ 444.6 c จึงเดือดกลายเป็นไอสีน้ำตาลไปของกำมะถันจะประกอบด้วยโมเลกุลของ s8 ,s4 , s2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ลักษณะผลึกของกำมะถัน กำมะถันรอมบิกจะเป็นผลึกรูปเหลี่ยมสีเหลือง ส่วนกำมะถันมอนอคลินิกมีลักษณะเป็นผลึกรูปเข็ม

อัญรูปของฟอสฟอรัสที่สำคัญมี 3 ชนิด คือ ฟอสฟอรัสขาว,แดง และดำ

ฟอสฟอรัสขาวมีลักษณะนิ่มคล้ายขี้ผึ่งสีขาวมีสูตรโมเลกุลเป็น P4 รูปร่างเป็นทรงสีหน้าแต่ไม่มีอะตอมกลางมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลอย่างอ่อนทำให้มีจุดหลอมเหลวต่ำและระเหยง่ายแม้ที่อุณหภูมิห้องมีความเป็นพิษสูง และถูกออกซิไดส์โดยออกซิเจนในอากาศได้ง่าย แล้วกลายเป็นสีขาวขุ่น แต่ถ้าเก็บไว้ในบรรยากาศของแก๊สเฉื่อยและไม่โดนแสงจะไม่ขุ่น โดยทั่วไปจะไปเก็บรักษาโดยการจุ่มไว้ในน้ำ สามารถลุกติดไฟได้เองที่อุณหภูมิห้องที่สูง 40 - 45 c แล้วเกิดสารประกอบออกไวด์ขึ้น ไม่ละลายน้ำแต่ละลายใน CS2,C6H6หรือตัวทำละลายอินทรีย์

ฟอสฟอรัสแดงคือ พอลิเมอร์ของฟอสฟอรัสขาว เกิดจากการนำฟอสฟอรัสขาวมาเผาหรือทิ้งไว้นานๆเป็นผงสีแดงแก่ ไม่ละลายใน CS2หรือตัวทำละลายอินทรีย์ใดๆไม่ระเหย ไม่เป็นพิษและไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาไม่สามรถลุกไหม้ได้เองที่อุณหภูมิต่ำกว่า 240 c สามารถระเหิดได้ที่อุณหภูมิประมาณ 420 c มีโครงสร้างแบบโครงตาข่าย ใช้ทำผิวกล่องไม้ขีดไฟ

ฟอสฟอรัสดำ มีโครงร้างและสมบัติคล้ายแกรไฟต์ คือ เป็นของแข็งสีเทาแก่มีเงาโลหะเป็นแผ่นสามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ โครงสร้างเป็นแผ่นๆ คล้ายแกรไฟต์ อะตอมของฟอสฟอรัสในชั้นเดียวกันต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ แต่ชั้นของฟอสฟอรัสดำไม่แบนราบแต่มีการหยักขึ้นลง ฟอสฟอรัสดำเป็นอัญรูปที่เสถียรที่สุดของฟอสฟอรัส การเตรียมฟอสฟอรัสดำทำได้โดยนำฟอสฟอรัสขาวมาให้ความร้อนโดยใช้อุณหภูมิและสูง ถ้าอุณหภูมิสูงเกิน 450 C หรือทิ้งไว้นานๆ สามารถเปลี่ยนเป็นฟอสฟอรัสแดงซึ่งเป็นรูปอัญรูปที่เสถียรที่สุด

บทเรียนที่ 5 ชนิดของผลึก

ชนิดผลึกของ ของแข็ง

ของแข็งที่อยู่ในรูปผลึกมีลักษณะที่สำคัญคือมีการจัดเรียงอนุภาคภายในอย่างมีระเบียบในสามมิติ แต่ละอนุภาคยึดเหนี่ยวด้วยแรง

ชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างทางเรขาคณิตที่แน่นอน ของแข็งบริสุทธิ์มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจนและคงที่ นั่นคือเมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวสารประเภทนี้จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวทันที

ถ้าใช้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคภายในผลึกเป็นเกณฑ์ สามารถแบ่งของแข็งในรูปผลึกได้ 4 ประเภท ดังนี้

1. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากโมเลกุลโคเวเลนต์
2. ผลึกโคเวเลนต์ (Network covalent crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบโคเวเลนต์แบบโครงผลึกร่างตาข่าย
3. ผลึกโลหะ (Metalic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากพันธะโลหะ
4. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบไอออนิก

บทเรียนที่ 6 ระบบผลึก

ระบบโครงสร้างผลึกมาตรฐาน (Crystal Structure Systems)

โลหะส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างผลึกที่ประกอบไปด้วย หน่วยเซลล์ (Unit Cell) เป็นจำนวนมาก ขนาดของแต่ละหน่วยเซลล์จะเล็กมากเช่นกัน การเกาะยึดเรียงตัวกันของหน่วยเซลล์จะต่อเนื่องกันไป ตามแนวระนาบของ แกนทั้งสามอย่างเป็นระบบ เป็นระเบียบ เป็นแบบเดียวกันโดยตลอด

เพื่อความเข้าใจง่ายยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเรื่องระบบผลึกขอสมมุติปัจจัย ที่เกี่ยวข้องดังนี้

ให้ a,b,c เป็นระยะระหว่างอะตอมในแนวแกน x,y,z,α,β,γ เป็นมุมระหว่างแกน y-z ,z-x และ x-y ตามลำดับความยาว a , b และ c ซึ่งเป็นระยะห่างระหว่างอะตอม เรียกว่า สเปชแลททิช (Space Lattice ) มีหย่วยเป็น แองสตอม ( Angstom ) ( A ) 1A = 10–8มม. ค่าของ Space Lattice เรียกว่า แลททิช พารามิเตอร์ (Lattice Paramiters)

รูปแสดงแกน x,y,z ความยาวของแต่ละแกน ( a, b, c ) และมุม α,β และ γ ในหนึ่งหน่วยเซลล์

สเปชแลททิชหลายๆอันจะประกอบกันเป็น 1 หน่วยเซลล์ ในความเป็นไปได้หน่วยเซลล์สามารถมีรูปแบบต่าง ๆ กันได้มากถึง 230 แบบ โดยจะจัดอยู่ใน 7 ระบบรูปแบบ และใน 7 ระบบดังกล่าวยังอาจแบ่งออกเป็น 14 รูปแบบด้วยกัน

สเปชแลททิชของผลึกทั้ง 7 ระบบรูปแบบ มีดังนี้

1. Cubic System มีความยาวของแกนทั้ง 3 เท่ากันและทำมุมตั้งฉากซึ่งกันและกัน

a=b=c

α = β = g = 90 องศา

2. Tetragonal Systemมีความยาวแกนเท่ากัน 2 แกน แต่ละแกนทำมุม ตั้งฉากซึ่งกันและกัน

a=b≠c

α = β = g = 90 องศา

3. Orthorhombic Systemมีความยาวแกนแต่ละแกนไม่เท่ากัน แต่ทำมุมซึ่งกันและกันเป็นมุมฉาก

a≠b≠c

α = β = g = 90 องศา

4. Rhombohedral System ( Trigonal System )มีความยาวแกนทั้ง 3 เท่ากัน ทำมุมซึ่งกันและกันเท่ากัน แต่ไม่เท่ากับ

a=b=c

α = β = g ≠ 90 องศา

5. Hexagonal System ความยาวแกน 2แกนเท่ากันและอยู่ในระนาบเดียวกัน ทำมุมซึ่งกันและกัน = 120 ความยาวของแกนทั้ง 3 จะต่างออกไป และตั้งได้ฉากกันแกนในแนวระนาบทั้ง 2

a=b≠c

α = β = 90, g = 120 องศา

6. Monoclinic Systemความยาวของแกนทั้ง 3 ไม่เท่ากัน มุม เท่ากัน เท่ากับ 90 แต่จะไม่เท่ากับ

a≠b≠c

α = g = 90 องศา ≠ β

7. Triclinic System ความยาวของแต่ละแกนจะไม่เท่ากับ มุมทั้ง 3 ก็ไม่เท่ากันและไม้เท่ากับ 90

a≠b≠c

α ≠ β ≠ g ≠ 90 องศา

บทเรียนที่ 7 ของแข็งอสัณฐาน(2)

ของแข็งอสัณฐาน

ของแข็งบางประเภท เช่น แก้ว ยาง พลาสติก เป็นของแข็งที่ไม่มีรูปผลึก ของแข็งที่ไม่มีรูปผลึกเรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน ของแข็งประเภทนี้มีการจัดเรียงอนุภาคภายในไม่เป็นระเบียบ เมื่อแตกหักจะได้ชิ้นส่วนที่ไม่เป็นรูปทรงเรขาคณิต หรือเมื่อได้รับความร้อนปริมาณมากพอจะค่อย ๆ อ่อนตัวกลายเป็นของเหลวและไหลได้ ของแข็งประเภทนี้ส่วนใหญ่ไม่สามารถหาจุดหลอมเหลวที่แน่นอนได้ แต่มีบางชนิด เช่น เมื่อใช้เครื่องมือหรืออุปกรณ์ที่มีลักษณะเฉพาะจะสามารถหาจุดหลอมเหลวได้