แก๊ส (gas)

       แก๊ส เป็นสถานะหนึ่งของสสาร (อันได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา) ซึ่งจะกลายเป็นของแข็งได้เมื่ออุณหภูมิลดลง การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็ง เป็นของเหลวและแก๊ส แสดงดังภาพ

ภาพที่ 1 กลุ่มแก๊ส
ที่มา https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gas_model.png

ภาพที่ 2 การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็ง เป็นของเหลวและแก๊ส
ที่มา http://idchayapks.blogspot.com/2015/07/blog-post.html

ประเภทของแก๊ส

1. แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) หรือแก๊สสมบูรณ์ เป็นแก๊สที่ นักวิทยาศาสตร์กำหนดขึ้นเพื่ออธิบายสมบัติต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับแก๊ส โดยให้มีพฤติกรรมเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สไม่ว่าที่อุณหภูมิหรือความดันใด แก๊สสมบูรณ์เป็นแก๊สที่ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล
2. แก๊สจริง (Real gas) เป็นแก๊สที่มีอยู่จริงในธรรมชาติ และไม่เป็นไปตามกฎต่าง ๆ ของแก๊สสมบูรณ์ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย แต่ในบางสภาวะแก๊สจริงอาจมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์ได้ คือที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำมาก ๆ แก๊สจริงที่มีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์ในสภาวะปกติมากที่สุดคือแก๊สเฉื่อยหรือแก๊สในหมู่ที่ 8 ของตารางธาตุ

          ก๊าซมีสมบัติโดยทั่ว ๆ ไปดังนี้

          1.ก๊าซมีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอน  ขึ้นอยู่กับภาชนะที่บรรจุ  ถ้าภาชนะมีรูปร่างและ ปริมาตรอย่างไร  ก๊าซจะมีรูปร่างและปริมาตรเป็นอย่างนั้น  เช่น  เมื่อบรรจุก๊าซจำนวนหนึ่งลงในถังรูปลูกบาศก์ที่มีปริมาตร  10  ลิตร  จะได้ก๊าซที่มีปริมาตร  10  ลิตร  และมีรูปร่างเป็นรูปลูกบาศก์ตามถังนั้น  การที่เป็นเช่นนี้เพราะก๊าซมีการแพร่หรือฟุ้งกระจายได้อย่างอิสระจนเต็มภาชนะเสมอ

          2.ก๊าซมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาโดยมีทิศทางการเคลื่อนที่ไม่แน่นอน (Random Motion)  กล่าวคือ ก๊าซจะเคลื่อนที่ออกจากจุด  ๆ  หนึ่งอย่างไม่เป็นระเบียบหรืออย่างอิสระทุกทิศทางซึ่งต่างจากของแข็ง ที่อนุภาคเกือบจะเคลื่อนที่ไม่ได้เลย  หรือของเหลวที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้บ้าง  แต่มีขอบเขตของการเคลื่อนที่ค่อนข้างจำกัด  การที่ก๊าซเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าหรือได้เร็วกว่า แสดงว่ามีพลังงานจลน์มากกว่า

          3.ก๊าซแพร่ได้เร็วกว่าเพราะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยกว่าของเหลวและของแข็งซึ่งเป็นเหตุให้โมเลกุลของก๊าซแยกจากกันได้ง่าย 

          4.ที่อุณหภูมิและความดันหนึ่ง ๆก๊าซมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

          5.โดยทั่ว ๆ ไปก๊าซจะมีลักษณะโปร่งใสซึ่งมนุษย์สมารถมองทะลุผ่านไปได้  ก๊าซบางชนิดอาจจะมีสมบัติเฉพาะตัว  เช่น  มีกลิ่น หรือสีที่แตกต่างจากก๊าซอื่น ๆ  เช่น  ก๊าซ  F₂  (สีเหลืองอ่อน)  ,  Cl₂ (สีเขียวตองอ่อน)  ,  Br₂  (สีแดง)  ,  I₂  (สีม่วงแดง)  ,  NO₂  (สีน้ำตาลแดง)  ,  SO₂  (มีกลิ่นฉุนแสบจมูก)  และ  H₂S  (มีกลิ่นก๊าซไข่เน่า)  เป็นต้น

          6.ปริมาตรของก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน ถ้าอุณหภูมิและความดันเปลี่ยนไปจะทำให่ปริมาตรเปลี่ยนไปด้วย    เนื่องจากสมบัติของก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน  ดังนั้นในการกล่าวถึงปริมาตรของก๊าซ จึงต้องระบุอุณหภูมิและความดันควบคู่กันไปทุกครั้ง  ถ้าไม่ระบุอาจจะถือว่าให้ความหมายไม่สมบูรณ์  เช่น  ก๊าซ  H₂  มีปริมาตร  22.4  ลิตร ที่  0 ⁰C  ,  1  atm  จัดว่ามีข้อมูลที่สมบูรณ์ 

          อุณหภูมิ   ใช้สัญลักษณ์เป็น  T  (เคลวิน)  และ  t  (เซลเซียส)    เป็นมาตราส่วนที่ใช้บอกระดับความร้อนของสาร  แต่ไม่ได้บอกให้ทราบว่าสารนั้นมีปริมาณความร้อนเท่าใด           การกำหนดมาตราส่วนของอุณหภูมิในเทอร์โมมิเตอร์มักจะใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของของเหลว เช่น  น้ำเป็นหลัก  โดยการวัดจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำที่ความดัน  1  บรรยากาศ  แล้วแบ่งช่วงระยะระหว่างจุดเดือดกับจุดเยือกแข็งออกเป็นช่องเท่า ๆ  กันตามความต้องการ  กลายเป็นมาตราส่วนอุณหภูมิ  เช่น  แบ่งออกเป็น  100  ช่อง ๆ  เท่า ๆกัน  แต่ละช่องเรียกว่า  1  องศา  เป็นต้น

          ความดัน  ใช้สัญลักษณ์เป็น  P    หมายถึงแรงที่กระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่  ความดันเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของของไหล  (เรียกของเหลวและไอหรือก๊าซรวมกันว่า ของไหล)  ความดันสามารถใช้บอกทิศทางการเคลื่อนที่ของอของเหลวและก๊าซได้  คือ ทั้งของเหลวและก๊าซจะเคลื่อนที่จากส่วนที่มีความดันสูงไปสู่ส่วนที่มีความดันต่ำกว่าเสมอ

          เครื่องมือที่ใช้วัดความดันเรียกว่า  บารอมิเตอร์ (Barometer)  ซึ่งมีลักษณะต่าง ๆ กัน  บารอมิเตอร์มักจะทำด้วยปรอทซึ่งเป็นของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก  โดยใช้หลอดแก้วยาวและตรงมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากันตลอดขนาด  1  cm²  ยาวประมาณ  100  cm    ปลายด้านหนึ่งปิด  บรรจุปรอทจนเต็มหลอดแล้วคว่ำปลายด้านเปิดลงบนอ่างปรอท  ระดับปรอทจะลดลงเล็กน้อยและทำให้มีที่ว่างตอนบนของหลอดแก้วเป็นสุญญากาศ (ดูในรูป)  การที่ปรอทส่วนหนึ่งยังค้างอยู่ภายในหลอดแก้วก็เนื่องจากแรงกดดันของบรรยากาศที่มีต่อผิวหน้าของปรอทในอ่างปรอท  ซึ่งแสดงว่ามวลของบรรยากาศหรือความกดดันของบรรยากาศที่มีต่อผิวปรอทในอ่างจะต้องเท่ากับความกดดันที่เกิดจากมวลของปรอทในหลอดแก้ว  ซึ่งกดลงมายังอ่างปรอท  จึงทำให้ระดับความสูงของปรอท มีค่าคงที่  ดังนั้นความสูงขอลปรอทในหลอดแก้วจึงเท่ากับความดันของบรรยากาศนั่นเอง  ถ้าใช้พื้นที่หน้าตัดของหลอดแก้วเท่ากับ  1  cm³  ปกติจะได้ลำปรอทสูงประมาณ  76  cm  หรือ  760  mm  ซึ่งเรียกว่า  1  บรรยากาศ (atm)

ภาพที่  3 เครื่องมือวัดความดัน (บารอมิเตอร์)

ที่มา:http://www.neutron.rmutphysics.com/physics/index.php?option=com_content&view=article&id=88:2009-02-16-07-06-53&catid=1:2008-04-22-04-52-20&Itemid=61

                     อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน

          ใช้สัญลักษณ์ เป็น  STP  ซึ่งย่อมาจาก  Standard  Temperature  and  Pressure  หรือ  NTP  ซึ่งย่อมาจาก   Normal  Temperature  and  Pressure  เนื่องจากปริมาตรของก๊าซเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและความดัน  การระบุปริมาตรจึงต้องระบุอุณหภูมิและความดันควบคูกันเสมอ  เพื่อความสะดวกสำหรับการเปรียบเทียบปริมาตรของก๊าซจึงได้กำหนดสภาวะอ้างอิงซึ่งเป็นสภาวะมาตรฐานของก๊าซขึ้นมาดังนี้

                    อุณหภูมิมาตรฐานของก๊าซ  คือ  0⁰C   หรือ  273.15  K   (273 K โดยประมาณ)

                    ความดันมาตรฐานของก๊าซ คือ  1  atm  หรือ   760  mm Hg

          ปริมาตรของก๊าซ

          ใช้สัญลักษณ์เป็น  V    หมายถึง  ปริมาตรของภาชนะที่บรรจุก๊าซ  ทั้งนี้  เพราะถือว่าก๊าซไม่มีปริมาตรโมเลกุล    และก๊าซสามารถแพร่กระจายจนเต็มภาชนะที่บรรจุเสมอ  ในกรณีของเหลว  และของแข็ง  การหาปริมาณอาจจะใช้วิธีชั่งมวล  เพราะทั้งของแข็งและของเหลวมีมวลมาก  หรืออาจจะใช้วัดปริมาตรก็ได้  แต่ในกรณีของก๊าซ ซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวและของแข็งมาก  มวลจึงมีค่าน้อย 

          หน่วยของปริมาตรที่ใช้กันทั่วไปคือ  dm³  และ  cm³   ซึ่งเป็นหน่วย  S.I  และลิตร  กับ มิลลิลิตร  ซึ่งเป็นหน่วยเมตริก  โดยกำหนดให้

          1  ลิตร           =   1000.027  cm³       =      1   dm³ (โดยประมาณ)

                    1  มิลลิลิตร    =   1.000027  cm³       =      1   cm³ (โดยประมาณ)

          เพราะฉะนั้น      1  dm³   =   10³    cm³           =    1   ลิตร     =   10³  มิลลิลิตร

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 สารและสมบัติของสาร ม.4-6 ช.4 สำนักพิมพ์ แม็ค บจก. สนพ.