อนุภาคของสสาร

          ต่อมาวิทยาศาสตร์ได้เจริญก้าวหน้าขึ้น และนักวิทยาศาสตร์ก็พยายามทำการ ทดลองค้นหาคำตอบเกี่ยวกับเรื่องนี้ในรูปแบบต่างๆตลอดมา จนกระทั่งเกิดทฤษฎีอะตอมขึ้นมาในปี ค.ศ.1808 จากแนวความคิดของจอห์น ดาลตัน (John Dalton) ซึ่งเป็นครู นักปรัชญาชาวอังกฤษ ผู้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับ อะตอม และเป็นที่ยอมรับและสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น โดยแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมของดาลตันได้กล่าวไว้ว่า

           1. อะตอมไม่สมารถแบ่งแยก ทำลายหรือทำให้สูญหายได้  ดอลตันคิดว่าอะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมตันคล้ายลูกบิลเลียด จึงทำให้ปัจจุบันนำรูปร่างทรงกลมตันแทนนวคิดแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

           2. ทุกๆอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีลักษณะเหมือนกัน และแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น แต่ดอลตันไม่ได้คิดถึงเรื่องไอโซโทป(Isotope) ของธาตุซึ่งอะตอมของธาตุเดียวกันแต่ต่างกันเฉพาะมวลของอะตอมเท่านั้นเอง

           3. อะตอมของธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมกันเกิดเป็นสารประกอบได้ด้วยอัตราส่วนที่คงที่เสมอ เช่น น้ำเป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุไฮโดรเจนและธาตุออกซิเจนถ้าเปรียบเทียบน้ำจากหลายแหล่งจะพบว่าอัตราส่วนของไฮโดรเจนและออกซิเจนจะมีค่าคงที่เสมอ ซึ่งเป็นแนวคิดที่ยังคงยึดถือกันมาในปัจจุบันแต่อย่างไรการเกิดสารประกอบไม่จำเป็นต้องเกิดการรวมกันของธาตุเสมอไปอาจจะเกิดการเกิดปฏิกิริยาระหว่างสาระกอบกับสารประกอบเกิดเป็นสารประกอบชนิดใหม่ก็ได้

           4. อะตอมของธาตุต่างชนิดกันมีมวลต่างกัน แนวคิดนี้ทำให้อธิบายได้ว่าทำไมธาตุที่ต่างกันจึงมีสมบัติที่ต่างกัน

           นอกจากการศึกษาเรื่องราวของอะตอมแล้วดอลตันเองดอลตันได้เสนอแนวคิดการใช้สัญลักษณ์แทนอะตอมของธาตุ และสารประกอบด้วย เช่นแทน ไฮโดรเจน, แทนออกซิเจน, แทน คาร์บอน, แทน คาร์บอนไดออกไซด์, แทน คาร์บอนมอนอกไซด์ จากการค้นพบดังกล่าว จึงถือได้ว่าจอห์น ดอลตันเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบสมบัติของอะตอม และกำหนดรายละเอียดต่าง ๆ เกี่ยวกับอะตอม

           หากถามว่าอะตอมเล็กเพียงใดคงต้องเปรียบเทียบกับสิ่งของในชีวิตประจำวัน เช่น ในหยดน้ำ 1 หยดมีอะตอมของออกซิเจนจำนวนประมาณ 2 พันล้านล้าน อะตอมมีขนาดเล็กมากจนในยุดหนึ่งคิดว่าคงหมดหวังที่จะมองเห็นอะตอม แต่ปัจจุบันมีเครื่องมือที่สามารถทำให้เราเห็นสิ่งที่คาดว่าจะเป็นอะตอมได้ เครื่องมือนั้นเรียกว่า สแกนนิ่ง  ทันเนลลิ่ง ไมโครสโคป(scanning tunneling microscope) ซึ่งมีกำลังขยายสูงมาก ดังนั้นในเมื่อยังไม่เครื่องมือหรือวิธีการใดที่จะทำให้เรามองเห็นลักษณะของอะตอมที่แท้จริงเราจึงจำเป็นต้องจำลองขึ้นซึ่งจะใช้สิ่งที่เรียกว่า  แบบจำลองอะตอม (Atomic model) ซึ่งเป็นภาพทางความคิดที่แสดงให้เห็น รายละเอียดของโครงสร้างอะตอมที่สอดคล้อง กับผลการทดลองและใช้อธิบายปรากฎการณ์ ของอะตอมได้ ซึ่งหลังจากสมัยของดอลตัน ผลการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ในรุ่นต่อมาได้ค้นพบว่าอะตอมมีโครงสร้างที่สลับซับซ้อน มีธรรมชาติที่เป็นไฟฟ้าเกี่ยวข้องอยู่ด้วย และสามารถแบ่งแยกให้เล็กลงได้อีกในบางอะตอม ดังนั้นจึงมีแบบจำลองอะตอมของนักวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นมาอีกหลายแบบ ซึ่งแบบจำลองอะตอมต่างๆนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีข้อมูลและการทดลองหรือเทคโนโลยีที่ดีดว่าแบบจำลองจึงสร้างขึ้นมาใหม่เพื่อทดแทนแบบจำลองเดิมที่อธิบายได้ไม่ดี ปัจจุบันเรายังคงค้นหาโครงสร้างที่แท้จริงของอะตอมต่อไป

ชนิดของสสารและการจำแนก

        ในชีวิตประจำวันของเราเกี่ยวข้องสัมพันธ์กับสารต่าง ๆ    สารแต่ละชนิดมีสมบัติแตกต่างกัน บางชนิดเกิดปฏิกิริยากับน้ำอย่างรวดเร็ว บางชนิดจุดเดือดต่ำ บางชนิดจุดเดือดสูง ทำให้เราต้องศึกษาเรียนรู้เกี่ยวกับสมบัติและประเภทของสาร และการจัดจำแนกสาร เพื่อสามารถนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้อย่างถูกต้องเหมาะสม

       สารต่างๆที่อยู่รอบตัวถ้าให้นักเรียนจัดจำแนกจะได้สารหลายกลุ่มที่อาจมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันไป เพราะนักเรียนแต่ละคนมีเกณฑ์ในการจำแนกที่แตกต่างกันออกไป

       การจำแนกสาร  เราจะสามารถใช้เกณฑ์ต่อไปนี้ในการจำแนกเป็น 4 เกณฑ์ ได้แก่

          1)  การใช้สถานะเป็นเกณฑ์  แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม คือ

          1.1 ของแข็ง (Solid) มีอนุภาคภายในเรียงชิดติดกัน อนุภาคของของแข็งไม่มีการเคลื่อนที่ มีการสั่นตลอดเวลา ปริมาตรของของแข็งเปลี่ยนแปลงน้อยมาจนถือว่าปริมาตรคงที่ และจะรักษารูปร่างเดิมได้ดี เช่น นักเรียนมีปากกาอยู่ 1 แท่งเป็นทรงสี่เหลี่ยมหากนักเรียนหยิบไปวางใส่แก้วปากกาแท่งนั้นก็มีรูปร่างและลักษณะเช่นเดิม ตัวอย่างของของแข็ง เช่น ทองคำ, น้ำแข็ง เป็นต้น 

          อนุภาคภายในของแข็ง อนุภาคที่ประกอบกันเป็นของแข็งจะจับตัวกันแน่น ดังแสดง แต่ละอนุภาคจะอยู่ในตำแหน่งที่ตายตัวตำแหน่งเดียว จึงทำให้แยกออกจากกันได้ยาก การที่อนุภาคจับตัวกันแน่นและอยู่ใน ตำแหน่งที่คงที่จะทำให้มันมีปริมาตรและรูปทรงคงที่ การที่อนุภาคมีการสั่นเปรียบเหมือนคนวิ่งอยู่กับที่ ของแข็งมีหลายชนิดเรียงตัวแบบซ้ำๆกัน อย่างสม่ำเสมอ ของแข็งที่ประกอบด้วยผลึก เรียกว่าของแข็งผลึก(crystalline solid) เช่น น้ำตาลทราย เกลือ ทราย แต่สำหรับของแข็งบางชนิด อนุภาคไม่ได้เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบที่สม่ำเสมอ เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน(amorphous solid) เช่น พลาสติก ยาง แก้ว ไม้

          1.2 ของเหลว (Liquid) จะมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ และ มีปริมาตรที่คงที่ ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดกันน้อยกว่าของแข็ง และ มีสมบัติเป็นของไหล เช่น น้ำมัน , แอลกอฮอล์, ปรอท (Hg) ฯลฯ 

          อย่างไรก็ตาม ของเหลวเหมือนกับของแข็งตรงที่มันไม่สมารถถูกบีบอัดได้ง่าย ถ้านักเรียนมีน้ำอยู่ 10 ลิตรแม้ว่านักเรียนจะเทใสภาชนะขนาดเท่าใดก็ตาม น้ำก็ยังคงมีปริมาตรเท่าใดแม้ว่ารูปร่างจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม

          อนุภาคในของเหลว จะจับตัวกันเกือบจะแน่นเท่ากับในของแข็งแต่อนุภาคในของเหลวจะเคลื่อนที่ไปมาอย่างอิสระ เนื่องจากอนุภาคของของเหลวเคลื่อนที่ไปมาอย่างอิสระจึงทำให้ของเหลวมีรูปร่างไม่แน่นอน เนื่องจากอนุภาคของของเหลวเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งได้เราจึงเรียนว่า ของไหล ของเหลวบางชนิดไหลได้ง่ายกว่าอย่างอื่น การต้านการไหลของของเหลวเรียกว่า ความหนืด ของเหลวที่มีความหนืดมากจะไหลช้า     

         1.3 แก๊ส (Gas) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรที่ไม่คงที่ โดยรูปร่าง จะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ อนุภาคภายในจะอยู่ ห่างกันมากที่สุด และ มีสมบัติเป็นของไหลได้ เช่น ก๊าซหุงต้ม , อากาศ

          แก๊ส (gas) ต่างจากของแข็งและของเหลวตรงที่ แก๊สสามารถเปลี่ยนปริมาตรได้อย่างง่ายดาย ถ้านักเรียนใส่กาซลงไปในภาชนะปิด ก๊าซจะกระจายตัวออกหรือบีบตัวเข้าด้วยกันเพื่ออยู๋ให้เต็มภาชนะ เพื่อที่จะแสดงหลักการนี้ห็นภาพ ให้นักเรียนลองหายใจเข้านักเรียนจะพบว่าอกของนักเรียนจะขยาย

          นักเรียนรู้สึกถึงอากาศที่เข้ามาในจมูกและปาก อากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซหลายชนิดที่ประพฤติตัวเหมือนเป็นก๊าซชนิดเดียว เมื่อนักเรียนหายใจเข้า อากาศจะเคลื่อนที่จากปากผ่านหลอดลมของนักเรียนเข้าไปสู่ปอด อากาศจะเปลี่ยนรูปร่างและปริมาณไปตามที่ที่มันอยู่ เมื่อนักเรียนหายใจออกการเปลี่ยนแปลงก็จะเกิดขึ้นในทางตรงกันข้าม ถ้านักเรียนอังมือไว้ข้างหน้าปากนักเรียนจะรู้สึกว่าอากาศเคลื่อนไหวผ่านนิ้วของนักเรียน

          ภ้านักเรียนสามารถของเห็นอนุภาคแต่ละชนิดของแก๊สนักเรียนจะเห็นอนุภาคขนาดจิ๋วพุ่งด้วยความเร็วสูงในทุกทิศทาง อนุภาคแก๊สจะกระจายตัวเพื่อเติมช่องว่างที่จำกัดเขตมันอยู๋ให้เต็มที่ ดังนั้นแก๊สจึงไม่มีขนาดและปริมาณที่แน่นอน

          2) การใช้เนื้อสารเป็นเกณฑ์  จะมีสมบัติทางกายภาพของสารที่ได้จากการสังเกตลักษณะความแตกต่างของเนื้อสาร ซึ่งจะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม คือ 

          2.1 สารเนื้อเดียว (Homogeneous Substance) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารเหมือนกันทุกส่วน ทำให้สารมีสมบัติเหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น แอลกอฮอล์ , ทองคำ (Au) , โลหะบัดกรี 

          2.2 สารเนื้อผสม (Heterogeneous Substance) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารแตกต่างกันในแต่ละส่วน จะทำให้สารนั้นมีสมบัติ ไม่เหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น น้ำอบไทย , น้ำคลอง ฯลฯ

          3) การละลายน้ำเป็นเกณฑ์  จะจำแนกได้ออกเป็น 3 กลุ่ม คือ 

          3.1 สารที่ละลายน้ำได้ เช่น เกลือแกง (NaCl ) , ด่างทับทิม (KMnO₄) ฯลฯ 

          3.2  สารที่ละลายน้ำได้บ้าง เช่น ก๊าซคลอรีน (Cl₂) , ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ฯลฯ

          3.2 สารที่ไม่สามารถละลายน้ำได้ เช่น กำมะถัน (S₈), เหล็ก (Fe) ฯลฯ 

          4) การนำไฟฟ้าเป็นเกณฑ์ จะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่ 

          4.1 สารที่นำไฟฟ้าได้ เช่น ทองแดง (Cu) , น้ำเกลือ ฯลฯ

          4.2  สารที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น หินปูน (CaCO₃) , ก๊าซออกซิเจน (O₂)

โดยส่วนใหญ่นักเคมี จะแบ่งสารตามลักษณะเนื้อสารเป็นเกณฑ์ ดังนี้

          ขอยกตัวอย่างสารบริสุทธิ์คือธาตุและสารประกอบซึ่งเราถือว่าเป็น สารบริสุทธิ์

          จากสมบัติต่างๆ ของธาตุ  สามารถจำแนกธาตุได้เป็น  3  กลุ่ม  ดังนี้

          (1) โลหะ มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิปกติ ยกเว้นปรอทที่เป็นของเหลว โลหะจะมีผิวเป็นมันวาว มีความเหนียว ตีแผ่ให้เป็นแผ่นหรือเป็นเส้นได้ เคาะมีเสียงดังกังวาน มีจุดเดือดสูง นำความร้อน และนำไฟฟ้าได้ดี โลหะบางชนิดเป็นสารแม่เหล็ก ตัวอย่างของธาตุโลหะ เช่น เหล็ก ทองแดง  สังกะสี แมกนีเซียม เป็นต้น

          (2) อโลหะ เป็นได้ทั้ง 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส เช่น กำมะถันเป็นของแข็งสีเหลือง โบรมีนเป็นของเหลวสีแดง คลอรีนเป็นแก๊สสีเขียวอ่อน อโลหะส่วนใหญ่มีสมบัติตรงข้ามกับโลหะ เช่น ผิวไม่เป็นมันวาว เปราะ ไม่นำไฟฟ้า มีจุดเดือดต่ำ

          (3)  ธาตุกึ่งโลหะ เป็นธาตุที่มีสมบัติกึ่งโลหะและอโลหะ เช่น โบรอนเป็นของแข็งสีดำ เปราะ ไม่นำไฟฟ้า มีจุดเดือดสูงถึง 4,000 องศาเซลเซียส ซิลิคอน เป็นของแข็งสีเงินวาว เปราะ นำไฟฟ้าได้เล็กน้อย มีจุดเดือด 3,265 องศาเซลเซียส

          1.2 สารประกอบ (Compounds)

               สารประกอบ คือ สารที่เกิดจากการรวมตัวกันของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิด ขึ้นไปมาทำปฏิกิริยาเคมีกันด้วยสัดส่วนที่แน่นอน กลายเป็นสารชนิดใหม่ มีสมบัติแตกต่างไปจากธาตุที่เป็นองค์ประกอบเดิม ตัวอย่างของสารประกอบ เช่น เกลือแกง (NaCl) น้ำ(H₂O) คาร์บอนไดออกไซด์(CO₂) แอมโมเนีย(NH₃) เป็นต้น

แหล่งที่มา

แฟรงค์ เดวิด วี. (2547). ชุดสำรวจโลกวิทยาศาสตร์องค์ประกอบพื้นฐานทางเคมี. กรุงเทพฯ: เพียร์สัน เอ็ดดูเคชัน อินโดไชน่า.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.

ศรีลักษณ์ พลวัฒนะ, และคณะ.(2551). หนังสือเรียนเสริมฯ แก๊ส ของแข็ง ของเหลว ม.4-6 ช.4 สำนักพิมพ์ แม็ค บจก.สนพ.