รถยนต์มือสอง

วันจันทร์ที่ 31 มีนาคม พ.ศ. 2557

การผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน

การผุกร่อนของโลหะที่พบบ่อยในชีวิตประจำวันได้แก่ เหล็กเป็นสนิม (สนิมเหล็กเป็นออกไซด์ของเหล็ก Fe₂O₃.xH₂O) ซึ่งเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอย่างเช่น การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดส์แล้วรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะนั้น เช่น สนิมเหล็ก(Fe₂O₃) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม (Al₂O₃) การเกิดสนิมมีกระบวนการที่ซับซ้อนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี้

1. การผุกร่อนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดระหว่างโลหะกับภาวะแวดล้อม

2. ภาวะแวดล้อมที่ทำให้ผุกร่อน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H₂O, O₂) หรือ H₂O กับอากาศ

3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกร่อน เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์

3.1 โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ให้อิเล็กตรอน)

3.2 ภาวะแวดล้อมเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction

4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกร่อน (เกิดจากการทดลอง)

โลหะ + ภาวะแวดล้อม -----> Ion ของโลหะ + เบส

Fe (s) + H₂O (l) + O₂ (g) -----> Fe²⁺ (aq) + OH^- (aq)

Fe²⁺ ทดสอบโดยใช้สารละลาย K₃Fe(CN)₆ จะได้สีน้ำเงิน ถ้าสีน้ำเงินเข้ม แสดงว่ามี Fe²⁺ มาก ถ้าจางมี Fe²⁺ น้อย

เบส(OH^-) ทดสอบโดยสารละลายฟินอล์ฟทาลีน ได้สีชมพู

5. ในการ Balance สมการ

เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันดังสมการ

Fe (s) ------> Fe²⁺ (aq) + 2e ………….(1) (Oxidation)

น้ำและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ

2H₂O (l) + O₂ (g) + 4e ------> 4OH^- (aq) ……….(2) (Reduction)

(1) * 2 + (2) ; 2Fe + 2H₂O + O₂ -------> 2Fe²⁺ + 4OH^- (Redox)

การป้องกันสนิมเหล็ก

1. ทาสี ทาน้ำมัน การรมดำ และการเคลือบพลาสติก เป็นการป้องกันการถูกกับ O₂ และความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของโลหะได้และเป็นวิธีที่สะดวกและให้ผลดีในการป้องกันสนิม

2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กล่าวคือเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะเคลือบอยู่บนผิวของโลหะนั้นและไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป โลหะที่มีสมบัติดังกล่าวได้แก่ อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที่ Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก จะเป็นผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกที ได้แก่ Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เป็นต้น ดังนั้น Cr₂O₃.Al₂O₃ สลายตัวยาก เรียกชื่อว่าวิธี อโนไดซ์ (Anodize)

หมายเหตุ เหล็กกล้าไม่เกิดสนิม (stainless steel) เป็น Fe ผสม Cr

3. การผุกร่อนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสีย e- ง่ายกว่าเหล็กไปอยู่กับเหล็ก ได้แก่ Fe ชุบ Zn สำหรับมุงหลังคา การฝังถุง Mg ตามท่อ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทำให้ Fe ผุช้าลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e ง่ายกว่า Fe จะเสีย e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)

4. การป้องกันการผุกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด

เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง

กำจัด(ต้นเหตุ)ฝนกรดด้วยไฟฟ้า

ปัญหาสิ่งแวดล้อมเป็นปัญหาที่ทั่วโลกกำลังให้ความสนใจเป็นอย่างมากในขณะนี้ โรงไฟฟ้าและโรงงาน อุตสาหกรรมที่ใช้ถ่านหินและน้ำมันเป็นเชื้อเพลิง ได้ปล่อยซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้ เชื้อเพลิงดังกล่าวออกมาทางปล่องควัน เมื่อซัลเฟอร์ไดออกไซด์ลอยขึ้นไปถึงก้อนเมฆมันก็จะรวมตัวกับ ละอองน้ำเล็ก ๆ ในก้อนเมฆเป็นกรดซัลฟิวริกเจือจาง เกิดเป็นฝนกรดซึ่งเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ประเทศ อุตสาหกรรมกำลังประสบอยู่ นักวิจัยในประเทศญี่ปุ่น ได้วิจัยและพบว่า กรดซัลฟิวริกที่ปนอยู่ในน้ำฝนนั้น ประมาณ 70% มาจากโรงงานอุตสาหกรรม และ 30% มาจากธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้อย่างแท้จริง ว่าฝนกรดและหิมะทำลายป่าและทะเลสาปอย่างไร เขารู้แต่เพียงว่าซัลเฟอร์ไดออกไซด์และทะเลสาปอย่างไร เขารู้แต่เพียงว่าซัลเฟอร์ไดออกไซด์และสารมลพิษอื่น ๆ เช่น ไนโตรเจนออกไซด์ คลอรีน มีส่วนร่วมใน กระบวนการดังกล่าว ประเทศอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้ใช้จ่ายเงินเป็นจำนวนมากในการกำจัดสารมลพิษ พวกนี้

ในกระบวนการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่ใช้กันในปัจจุบัน ใช้วิธีเอาหินปูนเพิ่มเข้าไปในก๊าซที่เกิดจาก การเผาไหม้ ซึ่งจะปล่อยออกทางปล่องควัน หินปูนและซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะรวมกันเป็นแคลเซี่ยมซัลเฟต หรือยิปซัม (CaSO₄) ซึ่งสามารถนำเอาไปขายเป็นวัสดุก่อสร้างได้ แต่มีปัญหาที่เหมืองหินปูนอยู่ในที่ห่างไกล และยิปซัมที่ผลิตได้ขายได้ Jack Winnich และ Mark Frank วิศวกรที่สถาบันเทคโนโลยีจอเจียร์ในแอตแลนตา ได้คิดประดิษฐ์เครื่องกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ราคาถูกขึ้น ซึ่งในระบบใหม่นี้ไม่ต้องใช้วัสดุอื่นเพิ่มเข้าไป เครื่องมือดังกล่าวจะเปลี่ยนซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงเป็น Oleum ซึ่งสามารถ นำเอาไปใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมกรดซัลฟิวริก ประสิทธิภาพของเครื่องมือนี้ในห้องทดลองเท่ากับ

จุดสำคัญของกระบวนการนี้ คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมี ซึ่งเป็นตัวดึงซัลเฟอร์ไดออกไซด์ออกจากก๊าซและเปลี่ยนเป็น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₃) ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของกรดซัลฟิวริก ขั้วไฟฟ้าทั้งสองทำจากเซรามิกมี ลักษณะเป็นรูพรุนเรียกว่า perovskite ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีอิเล็กโทรไลต์ที่มีชื่อว่า โพแทสเซียมไพโรซัลเฟต (potassium pyrosulphate) ซึ่งทำจากการผสมโพแทสเซียมกับวานาเดียมเพนตอกไซด์ (vanadium pentoxide)

เซลล์แซนต์วิชที่ใช้กำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ออกจากก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้ถ่านหินและน้ำมัน

ขั้วลบจะจับเฉพาะสารประกอบออกไซด์ของซัลเฟอร์จากก๊าซที่ปล่อยออกทางปล่องควัน และส่งซัลเฟอร์ ไดออกไซด์ไปยังอิเล็กโทรไลต์ แล้วผ่านข้ามอิเล็กโท รไลต์ไปยังขั้วบวก และจะถูกออกซิไดซ์เป็นซัลเฟอร์ ไดออกไซด์ (SO₃) แล้วปล่อยออกมา

ในปัจจุบัน Winnich และ Frank กำลังหาทางปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์ของเขา เนื่องจากปัญหา การอุดตันของขั้วไฟฟ้าซึ่งทำให้ลดการแพร่ของ SO₂ นักวิจัยทั้งสองหวังว่าแบบซึ่งประกอบด้วยเซลล์ 16000 เซลล์จะใช้การได้อย่างสมบูรณ์เพื่อขายให้โรงไฟฟ้า และโรงงานอุตสาหกรรมได้ใน 2 ปีข้างหน้านี้

แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็ง

สารจำพวกพอลิเมอร์บางชนิด มีสมบัติยอมให้ไอออนผ่านได้ดีแต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่านได้จึงนำมาใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เรียกว่า อเล็กโทรไลต์แข็ง และสามารถนำมาประกอบกับขั้วไฟฟ้าเป็นแบตเตอรี่ได้ โดยมีโลหะลิเทียมเป็นแอโนดและโทเทเนียมไดซัลไฟด์ (TiS₂) เป็นแคโทด

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น
ที่แอโนด Li (s) ------> Li⁺(s) + e^-
ที่แคโทด TiS₂(s) + e^- -----> TiS₂ ^-(s)
ปฏิกิริยารวม Li(s) + TiS₂(s) -----> Li⁺(s) + TiS₂ ^-(s)

ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์นี้มีค่าประมาณ 2 โวลต์ เมื่อโลหะลิเทียมให้อิเล็กตรอนแล้วจะกลายเป็น Li⁺ ผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งไปยังแคโทดซึ่งมี TiS₂ ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนเกิดเป็น TiS₂ ^-(s) จากนั้น TiS₂ ^- จะรวมตัวกับ Li⁺เกิดเป็น LiTiS₂ อิเล็กโทรไลต์แข็งทำหน้าที่เป็นฉนวนต่ออิเล็กตรอน จึงทำให้เซลล์ไฟฟ้านี้สามารถใช้งานได้โดยไม่เกิดการลัดวงจร

เซลล์ไฟฟ้าแบบนี้เป็นแบบทุติยภูมิสามารถประจุไฟได้ใหม่เช่นเดียวกับเซลล์นิแคดหรือเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว ในปัจจุบันนี้มีการใช้แบตเตอรี่ชนิดนี้กับรถยนต์ ทำให้ไม่ต้องเติมน้ำกลั่นกับแบตเตอรี่อีกต่อไปเมื่อแบตเตอรี่นี้หมดอายุการใช้งานแล้วก็สามารถเปลี่ยนใหม่ได้ แต่ยังมีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ใช้แผ่นตะกั่วเป็นขั้วไฟฟ้าและใช้สารละลายกรดเป็นอิเล็กโทรไลต์

เซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายแบบขึ้นอยู่กับสารที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง เช่นเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน ไฮโดรเจน-ไฮดราซีน โพรเพน-ออกซิเจน แต่เซลล์เชื้อเพลิงที่นิยมใช้คือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน ซึ่งให้ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนทำปฏิกิริยากันแล้วได้น้ำและพลังงาน เขียนสมการแสดงได้ดังนี้

2H₂(g) + O₂(g) ------> 2H₂O(l) + พลังงาน

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน

ประกอบด้วยแท่งคาร์บอนที่มีรูพรุน 2 แท่งทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าที่ผิวของแท่งคาร์บอนมีผงแพลทินัมหรือแพลเลเดียมผสมยู่เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ขั้วไฟฟ้าทั้งสองจุ่มอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ซึ่งอาจเป็นสารละลาย NaOH หรือ KOH

ปฏิกิริยาทีเกิดขึ้น
ที่แอโนด O₂ (g) + 2H₂O (l) + 4e^- ------> 4OH^-(aq)
ที่แคโทด 2H₂(g) + 4OH^-(aq) -----> 4H₂O(l) + 4e^-(s)
ปฏิกิริยารวม O₂ (g) + 2H₂(g) -----> 2H₂O(l)

เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นมีการรับและการให้อิเล็กตรอน จึงทำให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นด้วย เซลล์ประเภทนี้ถูกนำไปใช้ในยานอวกาศ เพราะนอกจากจะได้พลังงานไฟฟ้าแล้วยังได้น้ำเป็นน้ำดื่ม สำหรับนักบินอวกาศด้วย

เซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน-ออกซิเจน

ปฏิกิริยาทีเกิดขึ้น
ที่แอโนด 5O₂ (g) + 20H⁺ (aq) + 20e^- ------> 10H₂O(l)
ที่แคโทด C₃H₈(g) + 6H₂O(l) -----> 3CO₂(g) + 20H⁺ (aq)+ 20e^-(s)
ปฏิกิริยารวม 5O₂ (g) + C₃H₈(g) -----> 3CO₂(g) + 4H₂O(l)

ปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน-ออกซิเจนนี้เสมือนกับปฏิกิริยาสันดาปของก๊าซโพรเพนเซลล์นี้อาจให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงประมาณ 2 เท่าของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เซลล์ปฐมภูมิ

เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์แล้วไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์แอลคาไลน์ เซลล์ปรอท เซลล์เงิน เป็นต้น เซลล์ไฟฟาประเภทนี้เมื่อสร้างเสร็จสามารถนำมาใช้ได้เลย
ถ่านไฟฉายหรือเซลล์แห้ง

ปฏิกิริยาที่เกิด
1. Anode (Oxidation)
Zn
-->
Zn²⁺ + 2e^-
2. Cathode (Reduction)
2MnO₂ + 2NH₄ + + 2e^-
--->
Mn₂O₃ + H₂O + 2NH₃

ปฏิกิริยารวม (Redox) โดย (1) + (2) ทำให้ e^- หมดไป
Zn + 2MnO₂ + 2NH₄ ⁺
--->
Zn²⁺ + Mn₂O₃ + H₂O + 2NH₃

Zn²⁺ รวมกับ NH₂ เกิดสารประกอบเชิงซ้อน [Zn(NH₃)₄]²⁺ และ [Zn(NH₃)₂(H2O)]²⁺] เพื่อรักษาความเข้มข้นของ Zn²⁺ & NH₃ เซลล์ชนิดนี้มีแรงเคลื่อนประมาณ 1.5 Volts
เซลล์อัลคาไลน์ มีส่วนประกอบและหลักการเหมือนกับถ่านไฟฉายแต่ใช้ด่าง KOH เป็นอิเล็กโทรไลต์แทน NH₄Cl

ปฏิกิริยาที่เกิด
1. Anode (Oxidation)
Zn + 2OH^-
-->
ZnO + H₂O + 2e^-
2. Cathode (Reduction)
2MnO₂ + H₂O + + 2e^-
--->
Mn₂O₃ + 2OH^-

ปฏิกิริยารวม (Redox) โดย (1) + (2) ทำให้ e^- หมดไป
Zn + 2MnO₂
--->
ZnO + Mn₂O₃

เซลล์อัลคาไลน์มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับเซลล์แห้งแต่ใช้ได้นานกว่า เพราะน้ำและไฮดรอกไวด์ (OH^-) ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาหมุนเวียนกลับไปเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาได้อีก จึงทำให้ศักย์คงที่ตลอดการใช้งานและใช้ได้นานกว่า
เซลล์ปรอท มีหลักการเหมือนกับเซลล์อัลคาไลน์ แต่ใช้เมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ ( HgO) แทนแมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO₂)

ปฏิกิริยาที่เกิด
1. Anode (Oxidation)
Zn + 2OH^-
-->
ZnO + H₂O + 2e^-
2. Cathode (Reduction)
HgO + H2O + + 2e^-
--->
Hg + 2OH^-

ปฏิกิริยารวม (Redox) โดย (1) + (2) ทำให้ e^- หมดไป
Zn + HgO
--->
ZnO + Hg

เซลล์ปรอทให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 Volts ให้กระแสไฟฟ้าต่ำ แต่มีข้อดีที่สามารถให้ศักย์ไฟฟ้าเกือบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน นิยมใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ
เซลล์เงิน มีส่วนประกอบเช่นเดียบกับเซลล์ปรอท แต่ใช้ซิลเวอร์ออกไวด์ ( Ag₂O) แทนเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ ( HgO)

ปฏิกิริยาที่เกิด
1. Anode (Oxidation)
Zn + 2OH^-
-->
ZnO + H₂O + 2e^-
2. Cathode (Reduction)
Ag₂O + H₂O + + 2e^-
--->
2Ag + 2OH^-

ปฏิกิริยารวม (Redox) โดย (1) + (2) ทำให้ e^- หมดไป
Zn + Ag₂O
--->
ZnO + 2Ag

เซลล์เงินให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 Volts มีขนาดเล็กและมีอายุการใช้งานได้นานมากแต่มีราคาแพง จึงใช้กับอุปกรณ์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น เครื่องคิดเลข นาฬิกา

เซลล์อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis) คือกระบวนการผ่านกระแสไฟฟ้า (D.C.) จากภายนอกเข้าไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี ตัวอย่างเช่น อิเล็กโตรลิซึม และการชุบ (ขบวนการที่ผ่านกระแสไฟฟ้า ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี)

เครื่องมือที่ใช้แยกสารละลายด้วยไฟฟ้าเรียกว่า เซลล์อิเล็กโทรไลต์ หรืออิเล็กโทรลิติกเซลล์ ประกอบด้วย ขั้วไฟฟ้า ภาชนะบรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ และเครื่องกำเนิดกระแสตรง (D.C) เช่น เซลล์ไฟฟ้า หรือ แบตเตอรี่

ขั้วไฟฟ้า (Electrode) คือแผ่นตัวนำที่จุ่มในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แล้าต่อกับเซลล์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ แบ่งเป็นแอโนด และ แคโทด

สารละลายอิเล็กโทรไลต์ คือสารละลายที่นำไฟฟ้าได้ เพราะมี Iron (+) + Iron(-)

Iron (+) วิ่งไปรับอิเล็กตรอนที่ขั้วลบ เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงเรีบกขั้วลบว่า แคโทด และเรียกไอออนบวกว่า แคตไอออน (cathion)

Iron (-) วิ่งไปให้ e- ที่ขั้วบวกเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า แอโนด และเรียก Iron (-) ว่า แอนไอออน (Anion)

ดังนั้น ที่ Anode มี Anion คือ ไอออนลบ และที่ Cathode มี Cathion คือ Ion บวก

Anode (oxidation) ตรงกับขั้วบวก Cathode (Reduction) ตรงกับขั้วลบ

ประโยชน์ของค่า E0

1. ใช้เรียงลำดับการชิง e หรือตัวออกซิไดซ์

2. ใช้เรียงลำดับการให้ e หรือตัวรีดิวซ์

3. ใช้บอกให้ทราบถึงขั้วบวก ขั้วลบ แอโนด แคโทด ความต่างศักย์ แผนภาพ ปฏิกิริยา และอื่นๆ เมื่อนำครึ่งเซลล์มาต่อเข้าด้วยกัน

4. ใช้บอกให้ทราบว่าโลหะใดใช้ป้องกันการผุของ Fe ได้ (โดยเสีย e^- ง่ายกว่า Fe)

5. ใช้บอกให้ทราบว่าโลหะใดทำให้ Fe ผุเร็วขึ้น (โดยเสีย e^- ยากกว่า Fe)

6. ใช้ทำนายการเกิดปฏิกิริยาได้หรือไม่ได้ โดยการหาค่า E⁰ ของเซลล์ตามโจทย์กำหนด ถ้า E⁰ ของเซลล์เป็นวกเกิดได้ ถ้า E⁰ ของเซลล์เป็นลบเกิดไม่ได้ (หมายถึง เกิดตรงกันข้าม) แต่ไม่บอกว่าเกิดเร็วหรือช้า (อัตราเร็ว) หรือเกิดมากหรือน้อย

ตัวอย่าง จากค่า E⁰ ต่อไปนี้
Zn²⁺ + 2e
---> Zn
E⁰ = -0.76
Fe²⁺ + 2e
---> Fe
E⁰ = -0.44
Cl₂ + 2e
---> 2Cl^-
E⁰ = +1.36
H₂ + 2e
---> 2H⁺
E⁰ = 0.00
Cu²⁺ + 2e
---> Cu
E⁰ = +0.34

1. การเรียงลำดับการชิง e หรือตัวออกซิไดซ์จากมากไปน้อย (ซ้ายมือ) + มาก ชิง e - ดีกว่า + น้อย

Cl₂ , Cu²⁺ , H⁺ , Fe²⁺ , Zn²⁺

2. การเรียงลำดับการให้ e จากง่ายไปยากหรือตัวรีดิวซ์จากมากไปน้อย (ขวามือ)

Zn , Fe , H₂ , Cu , Cl^-

3. เมื่อนำครึ่งเซลล์ Zn ต่อกับครึ่งเซลล์ Cu การหาขั้วบวก ขั้วลบ แอโนด แคโทด ศักย์ของเซลล์(ความต่างศักย์) หาได้ดังนี้

ความต่างศักย์
= ศักย์ที่ขั้วบวก (แคโทด) - ศักย์ที่ขั้วลบ (แอโนด)
= ศักย์ของเซลล์ (E⁰ เซลล์)
= Cu - Zn
= +0.34 - (-0.76)
= +1.10 Volts

แผนภาพเซลล์กัลวานิก Zn / Zn²⁺ || Cu²⁺ / Cu
ปฏิกิริยา
ครึ่งเซลล์แอโนด Zn ---> Zn²⁺ + 2e
ครึ่งเซลล์แคโทด Cu²⁺ + 2e ---> Cu
ทั้งเซลล์ (Redox) ทำให้ หมดไป (1) + (2)
Zn + Cu²⁺ ---> Cu + Zn²⁺

4. โลหะที่ป้องกันการผุกร่อนของ Fe ได้ (โลหะที่เสีย e ง่ายกว่า Fe) ก็คือ โลหะ Zn

5. โลหะที่ทำให้ Fe ผุเร็วขึ้น (โลหะที่เสีย e ยากกว่า Fe) ก็คือ โลหะ Cu

หลักการใช้ค่า E⁰ทำนายการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์

1. เขียนสมการตามโจทย์กำหนด

2. หาขั้วแคโทด (ขั้วที่เกิดปฏิกิริยา Reduction) และขั้วแอโนด (ขั้วที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation) ตามโจทย์กำหนดในสารตั้งต้น

3. หาค่า E⁰ ของเซลล์จากสมการ E⁰ เซลล์ = E⁰ แคโทด - E⁰ แอโนด

ถ้า E⁰ ของเซลล์ออกมาเป็นบวกแสดงว่าปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้ เช่น

Zn + 2H⁺ ----> Zn²⁺ + H₂ E⁰ เซลล์ = +0.76 volts

Cu + 2H⁺ ----> Cu²⁺ + H₂ E⁰ เซลล์ = -0.34 volts

ถ้า E⁰ ของเซลล์ออกมาเป็นลบแสดงว่าปฏิกิริยาไม่เกิดแต่เกิดตรงกันข้าม เช่น

Cu²⁺ + H₂ ----> Cu + 2H⁺ E⁰ เซลล์ = +0.34 volts

การหาค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์มาตรฐาน

การหาค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์มาตรฐานหาโดยตรงไม่ได้ต้องมีอิเล็กโทรดมาเปรียบเทียบ (Reference Electrode) ได้แก่

1. โลหะตะกั่ว

2. ก๊าซ H₂ แล้วกำหนดให้ศักย์ของครึ่งเซลล์เปรียบเทียบเท่ากับศูนย์

แต่โดยทั่วไปไม่นิยมใช้โลหะเป็นอิเล็กโทรดเปรียบเทียบ เนื่องจากควบคุมความบริสุทธิ์ยากจึงหันมาให้ใช้ก๊าซ H₂ แทน

การใช้ก๊าซ H₂ เป็นอิเล็กโทรดเปรียบเทียบ ตามปกติก๊าซ H₂ ไม่นำไฟฟ้าและเกิดปฏิกิริยายาก จึงต้องใช้โลหะ Pt เป็นขั้วไฟฟ้าปละมี Pt Black เคลือบอยู่เพื่อช่วยให้เกิดปฏิกิริยาง่ายขึ้น จุ่มในสารละลายของกรด HCl และมีท่อก๊าซ H₂ ผ่านลงไป

จากรูป ขั้วลบ(Anode) คือ H₂ ขั้วบวก(Cathode) คือ Cu
แผนภาพเซลล์ไฟฟ้าเคมี Pt(s) | H₂(g) | H⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)
ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ = ศักย์ไฟฟ้าที่แคโทด(ขั้วบวก) - ศักย์ที่แอโนด(ขั้วลบ)
E(เซลล์) = ศักย์ Cu - ศักย์ H₂
E(เซลล์) = ศักย์ Cu - 0

ดังนั้น ศักย์ครึ่งเซลล์ของ Cu = + (มีค่าเป็นบวกแสดงว่า Cu²⁺ ชิง e ดีกว่า H⁺) แต่ค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์ (E) ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างคือ

1. ความเข้มข้นของสารละลาย

2. อุณหภูมิ

3. ความดัน (ถ้าเป็นก๊าซ)

4. ชนิดของขั้ว

จากองค์ประกอบทั้ง 5 ข้อ จึงต้องกำหนดมาตรฐานโดยใช้ความดัน 1 โมล/ลิตร , T = 0.25 ⁰C, ความดัน = 1 บรรยากาศ (E -> E⁰)

ดังนั้น เราจึงเรียกศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์ ณ ภาวะมาตรฐานว่า ศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์มาตรฐาน (E⁰) และค่า E⁰ ไม่ขึ้นกับปริมาณ

สรุป

1. ถ้า E⁰ เป็นบวกแสดงว่าครึ่งเซลล์นั้นชิง e^- ได้ดีกว่าครึ่งเซลล์ H₂

ถ้า E⁰ เป็นลบแสดงว่าครึ่งเซลล์นั้นชิง e^- สู้ครึ่งเซลล์ H₂ ไม่ได้

2. ถ้า E⁰ บวกมากชิง e^- ดีกว่าบวกน้อย > 0 > ลบน้อย > ลบมาก

เซลล์กัลวานิก

เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เกิดปฏิกิริยาเคมีแล้วให้กระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น เซลล์ไฟฟ้าเคมี ถ่านไฟฉาย แบตเตอรี่รถยนต์ และเซลล์เชื้อเพลิงที่มนุษย์อวกาศใช้ในการเดินทางไปสำรวจดวงจันทร์(เกิดปฏิกิริยาเคมี ได้กระแส)

การสร้างเซลล์กัลวานิก

นำโลหะต่างชนิดกันจุ่มในภาชนะทีบรรจุสารละลายที่มีอิออนของโลหะนั้น เช่น โลหะ A จุ่มใน A²⁺ และโลหะ B จุ่มใน B²⁺ เป็นต้น และภาชนะ 2 ใบนี้มีสะพานอิออนเชื่อมถึงกัน แล้วต่อลวดตัวนำจากขั้วทั้งสองเข้ากับโวลต์มิเตอร์ (volt meter) ซึ่งมีเข็มแสดงทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน พบว่าเข็มกระดิกแสดงว่าอิเล็กตรอนไหล

จากรูปพบว่าเข็มของโวลต์มิเตอร์เบนจาก A ไปยัง B แสดงว่าอิเล็กตรอนไหลจาก A ไปยัง B เราต้องการทราบสิ่งต่อไปนี้

1. ขั้วบวกและขั้วลบ

1.1 ขั้วบวก คือ ขั้วที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นน้อยกว่า หรือขั้ว e ไหลเข้า ได้แก่ ขั้ว B

1.2 ขั้วลบ คือ ขั้วที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมากกว่า หรือขั้ว e ไหลออก ได้แก่ ขั้ว A

2. ขั้วแอโนด (Anode) และขั้วแคโทด (Cathode)

2.1 แอโนด คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ได้แก่ ขั้ว A เพราะให้ e

2.2 แคโทด คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน ได้แก่ ขั้ว B เพราะรับ e

3. แผนภาพเซลล์กัลวานิก เขียนได้ดังนี้

3.1 เขียนครึ่งเซลล์แอโนดไว้ทางซ้าย ครึ่งเซลล์แคโทดไว้ทางขวา คั่นกลางด้วยสะพานอิออน ซึ่งใช้เครื่องหมาย || หรือ //

3.2 สำหรับครึ่งเซลล์แอโนดและแคโทดเขียนอิเล็กโทรดไว้ซ้ายสุดและขวาสุด ภายในครึ่งเซลล์ถ้าต่างวัฏภาคกันใช้เครื่องหมาย / คั่น

3.3 สารละลายที่ทราบความเข้มข้นให้เขียนระบุไว้ในวงเล็บ

3.4 ถ้าครึ่งเซลล์ที่เป็นก๊าซให้ระบุความดันลงในวงเล็บด้วย

ตัวอย่าง การเขียนแผนภาพเซลล์ไฟฟ้าเคมี

1. A | A²⁺(aq) || B²⁺(aq) | B หรือ A | A²⁺ || B²⁺ | B

2. Zn | Zn²⁺(0.1 M) || Cu²⁺(0.1 M) | Cu

3. Pt | H₂(1 atm) | H⁺(1 M) || Cu²⁺ | Cu(s)

4. ปฏิกิริยาที่เกิดในเซลล์ไฟฟ้าเคมี

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์

4.1 แอโนด เกิดปฏิกิริยา Oxidation

4.2 แคโทด เกิดปฏิกิริยา Reduction

ปฏิกิริยาทั้งเซลล์ เป็นปฏิกิริยา Redox

5. สมการแสดงปฏิกิริยา

สมการแสดงปฏิกิริยาครึ่งเซลล์

แอโนด (Oxidation) A ----> A²⁺ + 2e ........(1)

แคโทด (Reduction) B²⁺ + 2e ------> B ........(2)

สมการแสดงทั้งเซลล์เป็น Redox (ทำให้ e หมดไป) (1) + (2)

6. สารใดให้อิเล็กตรอนง่ายกว่าหรือเป็นตัวรีดิวซ์ดีกว่า โลหะ A > โลหะ B

7. สารใดเป็นตัวชิงอิเล็กตรอนดีกว่าหรือเป็นตัวออกซิไดซ์ดีกว่า B²⁺ > A²⁺

8. ศักย์ไฟฟ้าใครสูงกว่า ศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วบวกสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วลบคือ B > A ดังนั้น กระแสจะไหลจาก B ไปยัง A สวนทางกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ความต่างศักย์ = ศักย์ที่ขั้วบวก - ศักย์ที่ขั้วลบ

9. เข็มจะไม่กระดิกในกรณีที่ศักย์ทั้งสองขั้วเท่ากัน

วันเสาร์ที่ 29 มีนาคม พ.ศ. 2557

เล่นแร่ แปรธาตุ แบบไฮเทค

ในสมัยคริสตวรรษที่ 18 W. Lewis นักเคมีชาวอังกฤษเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เรียกโลหะเช่น ทองคำ แพลททินัม พัลลาเดียม ฯลฯ ว่าเป็นโลหะมีตระกูล (noble metal) เพราะโลหะเหล่านี้เชื่องช้า ไม่กระตือรือร้นในการทำปฏิกิริยาทางเคมีกับธาตุอื่นๆ เลย

นั่นเป็นเรื่องในอดีต แต่ในปัจจุบัน นักเคมีกำลังประสบความสำเร็จในการนำโลหะมีตระกูลเหล่านี้ มาทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่นๆ เป็นสารประกอบที่สามารถใช้เป็นวัสดุชนิดใหม่ๆ ซึ่งกำลังมีบทบาทสำคัญในการปฏิวัติ ปฏิรูปวงการเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย

วิธีหนึ่งที่ใช้ในการสังเคราะห์วัสดุที่ประกอบด้วยโลหะมีตระกูลเป็นดังนี้ นักเคมีจะเผาโลหะในเตาสุญญากาศ จนกระทั่งอุณหภูมิร้อนจัดถึง 5,000 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ โลหะจะระเหยเป็นไอ อะตอมที่มีสภาพเป็นไอมีสมบัติทางเคมีแตกต่างจากอะตอมของธาตุเดียวกันที่อยู่ในสภาพของแข็ง ก็เช่นกันเวลาอยู่คนเดียวกับเวลาอยู่กันหลายคน จะมีพฤติกรรมที่แตกต่างกัน ฉันใดก็ฉันนั้น อะตอมที่อิสระเหล่านี้จะเคลื่อนที่ว่องไวและพร้อมที่จะทำปฏิกิริยาเคมีกับอะตอมอย่างอื่นๆ

ดังนั้นเวลามันปะทะละอองแก๊สอื่นๆ เช่น คาร์บอนหรือไฮโดรเจน มันจะจับตัวกัน และเมื่อมันลอยไปปะทะผนังที่เย็นจัด กลุ่มอะตอมจะกลั่นตัวจับแข็งเป็นสารประกอบชนิดใหม่ นักเคมีใช้เทคนิคนี้ในการทำสารประกอบ mercurochrome (ยาแดง) สาร tetraethyl ที่ใช้ในน้ำมันรถยนต์ป้องกันการน๊อก และ alkyls ที่ใช้ในยาฆ่ารา เป็นต้น

ส่วน krypton ซึ่งเป็นแก๊สมีตระกูลนั้นก็เช่นกัน ในตามปรกติอะตอมของ Krypton จะอยู่โดดๆ คือไม่จับกลุ่มกับอะตอมใด และไม่จับกลุ่มกันเองด้วย เมื่อปี พ.ศ. 2535 P. Lethbridge และ T. Stace แห่งมหาวิทยาลัย Sussex ประเทศอังกฤษ ได้ประสบความสำเร็จในการทำให้อะตอมของ krypton จับตัวเป็นกลุ่ม (cluster) ที่ประกอบด้วย krypton ถึง 309 อะตอม กลุ่มอะตอมนี้มีขนาดใหญ่กว่าอะตอมของ Krypton เดี่ยวมาก และมีสมบัติทางเคมีที่น่าสนใจ เพราะสามารถใช้เป็นสารเร่งปฏิกิริยาเคมี (catalyst) ที่วิเศษได้

ในการสังเคราะห์กลุ่มอะตอม krypton นั้น นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองให้ แก๊ส krypton ผ่านรูเล็กๆ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.2 มิลลิเมตร แล้วให้แก๊สขยายตัวในสุญญากาศ ผลการขยายตัวทำให้อุณหภูมิของแก๊สลดลง ดังนั้นเวลาอะตอมของแก๊สปะทะกัน แรงดึงดูดแบบ Van der Waal ระหว่างอะตอมจะมากพอที่จะยึดเหนี่ยวอะตอมเหล่านี้ให้จับกลุ่มกันได้ เป็นแก๊สที่มีสูตรเป็น Kr_n ซึ่ง n มีค่าตั้งแต่ 10 ถึง 340

การวิเคราะห์สเปกตรัมของอะตอมกลุ่มนี้ ทำให้นักเคมีทั้งสองรู้จำนวนอะตอมที่ประกอบกันเป็นกลุ่มได้ และพบว่าอะตอมที่เสถียรกลุ่มนี้ มักจะเรียงซ้อนกันเป็น 3 ชั้นบ้าง 4 ชั้นบ้าง และมีโครงสร้างเป็นรูปทรงที่มี 20 หน้าสม่ำเสมอ (icosohedral) ซึ่งโครงสร้างลักษณะนี้ไม่มีในของแข็งที่พบในธรรมชาติ

ในการประชุม International Chemical Conference of Pacific Basin Societies ที่ Honolulu สหรัฐอเมริกา เมื่อเดือนธันวาคม พ.ศ. 2534 O. Chapman แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Los Angeles ได้ทำให้วงการเคมีตะลึง เมื่อเขาประกาศว่า เขาประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สารใหม่ชนิดหนึ่งชื่อ Azite ซึ่งมีลักษณะคล้ายเซรามิกที่แข็งแรงพอๆ กับหินคว๊อท แต่มีน้ำหนักเบากว่า

และเขาได้พบว่า Azite สามารถนำไฟฟ้าได้ดีคือ ไม่ดูดซึมน้ำและทนความร้อนได้สูง และที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือสูตรโครงสร้างของ Azite เป็น C₆₀ ที่มีลักษณะเป็นทรงกลม คล้ายลูกฟุตบอลนี้ นับเป็นครั้งแรกที่นักเคมีสามารถสังเคราะห์ธาตุคาร์บอน ให้มีลักษณะกลมเช่นนี้ได้

วัสดุใหม่ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ขึ้นมานี้ จะมีประโยชน์เพียงใดหรือไม่ เป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ต้องวิจัยค้นคว้าต่อไป เพราะในสายตานักวิทยาศาสตร์ปัจจุบัน เราอาจจะมองไม่เห็นคุณประโยชน์อันใดก็เป็นไปได้

แต่ในสายตานักวิทยาศาสตร์อนาคต วัสดุเหล่านี้อาจพลิกโฉมวงการอิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ และอวกาศ ก็ได้

ตารางแสดงสมบัติทางกายภาพของโลหะกับอโลหะ

สมบัติของธาตุ	โลหะ	อโลหะ
1.มีสถานะ	เป็นของแข็งยกเว้นปรอท (Hg )	มีทั้ง 3สถานะ คือของแข็ง เช่น คาร์บอน ของเหลว เช่น โบรมีนก๊าซ เช่น ไนโตรเจน
2.การนำไฟฟ้า ความร้อน	นำได้ดี	ไม่ นำ ยกเว้นคาร์บอนที่อยู่ในรูปของแกรไฟด์
3.ความมันวาว	ตัดหรือขัดเป็นมันวาว	ไม่มันวาว
4. จุดหลอมเหลว	สูง ยกเว้นปรอท	ต่ำ ยกเว้นคาร์บอน
5. ช่วงกว้างระหว่างจุดเดือด และ จุดหลอมเหลว	กว้าง	แคบ ยกเว้น คาร์บอน
6.ความหนาแน่น	มีทั้งสูงและต่ำ	ต่ำ
7.ความแข็งและเหนียว	แข็งและเหนียว สามารถทำให้เป็นแผ่นและเส้นได้	ส่วนมากมักเปาะ

ธาตุกึ่งโลหะ หรือ เมตัลลอยด์ ( Metalloid ) ถ้าดูในตารางธาตุจะอยู่ในบริเวณรอยต่อที่แบ่งเขตความเป็นโลหะกับอโลหะ เช่น B , Al , Si , Ge , As , Sb , Te และ Po นำไฟฟ้าได้น้อยแต่ถ้าอุณหภูมิสูงจะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น

ธาตุและสารประกอบที่สำคัญ

ธาตุ และ สารประกอบที่สำคัญต่าง ๆ

แคลเซียม (Ca) เป็นธาตุหมู่ 2 มีความแข็งแรงพอใช้เป็นโลหะที่มีเงาวาว เบา ถ้าถูกับไอน้ำในอากาศมันจะหมดเงาทันที ทำปฏิกิริยากับน้ำได้ไฮโดรเจน

แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) พบมากในธรรมชาติเกิดอยู่ในแบบของ Limestone , marble , ชอล์ก , หอย , เปลือกหอยกาบ และไข่มุก

CaCO₃ ที่บริสุทธิ์ จะมีสีขาว
CaCO₃ ที่อยู่ในรูปแบบของ marble ใช้ประโยชน์ในการก่อสร้าง แต่ถ้าอยู่ในรูป Limestone ผสม clay แล้วให้ความร้อนจะให้ซีเมนต์

แคลเซียมฟอสเฟต [Ca₃(PO₄)₂]พบมากอยในมลรัฐฟอริดา อยู่ในกระดูกมีประโยชน์ใช้ทำปุ๋ยซึ่งอยู่ในรูป super phosphate

แคลเซียมซัลเฟต [CaSO₄.2H₂O] มีอยู่ในธรรมชาติในชื่อ ยิปซัม ใช้ในการกสิกรรมเพื่อทำให้ดินดี และยังใช้ในอุตสาหกรรทำปูนปลาสเตอร์

อะลูมิเนียม (AL) เป็นธาตุที่มีมากเป็นที่ 3 ในโลก ผุ้พบอะลูมิเนียมเป็นคนแรกคือ Hans Christan Oersted อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่สำคัญมากและยังราคาถูก ในอุตสาหกรรม ใช้อะลูมิเนียมมากที่สุด ผสมกับธาตุอื่นเป็นโลหะผสม (Alloys)

สารประกอบอะลูมิเนียม ได้แก่

อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) บางทีเรียกคอรันดัม มีความแข็งมากเกือบเท่าเพชร บางที่เรียก
Emery บุษราคัม Sapphire ทับทิมก็เป็นพวกอะลูมิเนียมออกไซค์ที่ไม่บริสุทธิ์
สารส้ม ใช้แกว่งน้ำให้ตะกอนตกก้นตุ่ม
กัวลีน ใช้ประโยชน์คือ เอาทำเครื่องเคลือบดินเผา

เหล็ก (Fe) เป็นธาตุที่มีมากเป็นที 4 ในโลก ซึ่งเหล็กนี้ได้จากการถลุงเหล็ก โดยใช้เตาบลาสเฟอร์เนส

(Blast Furnace) เหล็กที่ได้มาจาก Blast Furnace เป็นเหล็กที่ไม่บริสุทธิ์เรียก Pigiron
เหล็กกล้า เป็นเหล็กที่ใช้ประโยชน์มาก เช่น ทำขัน ทำขบวนรถไฟ
เหล็กกล้าผสม คุณสมบัติและประโยชน์ที่เหล็กกล้าถูกสารอื่นผสม ดังนี้
1. เติมโครเมียม (Cr) ทำให้เหล็กเหนียว แข็ง ใช้ทำมีดโกน เกียร์รถยนต์ เหล็กกล้ากันสนิม (Stainless Steel)
2. เติมนิเกิล (Ni) ทำให้เหล็กเหนี่ยวไม่เปราะ ใช้ทำชิ้นส่วนรถยนต์
3. เติมแมงกานีส (Mn) ทำให้เหล็กแข็งและเหนี่ยว ใช้ทำตู้นิรภัย ชิ้นส่วนเรือรบ
4. เติมทังสเตน (V) ทำให้เหล็กเหนียว ใช้ทำชิ้นส่วนรถยนต์

ทองแดง (Cu) ซึ่งพบมากในธรรมชาติเกิดในรูปของสินแร่ต่างๆ และมีอยู่ในเลือดของสัตว์บางชนิด คือ มีใน Haemocyanin ทองแดงมีคุณสมบัติเป็นโลหะ เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมากลงมาจากเงิน

ทองเหลือง (Brass) คือ ทองแดงผสมกับสังกะสี ใช้ทำกุญแจ ปลอกกระสุนปืน กรอบประตู ฯลฯ

บรอนซ์ (Bronze) บางทีเรียกสัมฤทธิ์ ลงหินหรือทองม้าล่อ คือ ทองแดงผสมกับดีบุก ในอัตราส่วนต่างๆ กัน

จุนสี เป็นสารประกอบที่สำคัญของทองแดง บางทีเรียก Blue Vitriol มนุษย์ใช้จุนสีฆ่าเห็ดรา (Fungicide) ฆ่าเชื้อโรคจัดเป็นพวกยาประเภท Germicide

เงิน (Ag) เป็นสื่อไฟฟ้าและความร้อนที่ดีที่สุด ทนทานต่อการกัดกร่อนของกรดอินทรีย์ และโซดาไฟ

ทองคำ (Au) เป็นธาตุที่หายากมา มีในโลกประมาณ 1 เท่า ของเงิน ความบริสุทธิ์ของทองคำใช้วัดเป็นกะรัต ทองคำที่บริสุทธิ์จริงคือ ทองคำ 24 กะรัต ทองคำนี้ใช้ทำทองขาวเทียม (White gold) ซึ่งมีสีคล้ายทองขาว ประกอบด้วยทอง 80 % นิกเกิล 20%

โคบอลท์ (Co) โลหะนี้ผสมกับเหล็กกล้าเพื่อใช้เป็นเครื่องมือตัดโลหะ ประโยชน์สำคัญมากใช้ทำโคบอลท์ 60 เพื่อการรักษามะเร็ง

ทังสเตน (W) ปัจจุบันใช้ทำเส้นใยหลอดไฟฟ้า ใช้ผสมกับเหล็กใช้ทำ tungsten carbide ซึ่งจัดว่าเป็นสารที่แข็งมาก ใช้ประกอบเครื่องมือตัดโลหะด้วยความเร็วสูง

เยอรเมเนียม (Ge) เป็นธาตุที่หายากมาก ใช้เป็นส่วนประกอบ ของเครื่องทรานซิสเตอร์ และใช้ในเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ

ก๊าฃเฉื่อย หรือ ก๊าฃมีตระกูล

สารประกอบของธาตุ 20 ธาตุแรก เรียงตามมวลอะตอม ปรากฎว่า ก๊าฃฮีเลียม นีออน และอาร์กอน ไม่ทำปฏิกิริยากับคลอรีนและออกฃิเจน จึงเรียกธาตุกลลุ่มนี้ว่า ก๊าฃเฉื่อย ปัจจุบันพบว่า Kr และ Xe สามารถทำปฎิกิริยาโดยตรงกับฟลูออรีน เกิดเป็นสารประกอบฟลูออไรด์ เช่น KrF₂ , XeF₂ , XeF₄ , XeF₆ นอกจากนี้ยังพบสารประกอบออกไฃด์ของฃีนอน เช่น XeO₃ และ XeO₄ ก๊าซเฉื่อย หรือ ก๊าซมีตระกูล มีคุณสมบัติดังนี้

1. เป็นก๊าซที่ไม่ค่อยทำปฏิกิริยากับก๊าซอื่นๆทัง้นี้เพราะมีอิเลคตรอนชั้นนอกสุด ( verent electron ) ครบ 8 อะตอม ( ยกเว้น He ที่มีแค่ 2 อะตอม )

2. มีสถานะเป็นก๊าซทั้งหมด ( 1 โมเลกุล ประกอบด้วย อะตอม 1 อะตอม ) ได้แก่ He , Ar , Ne , Kr , Xe , Rn

3. ปัจจุบันพบก๊าซเฉื่อยบางชนิด เช่น Kr และ Xe สามารถทำปฏิกิริยากับ F และ O ได้ เช่น KrF₂, XeF₂ ,XeF₄ , XeF₆ , XeO₃ , XeO₄

4. ก๊าซเฉื่อยมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป็น " วันเดอร์วาลส์ " จึงทำให้มีจุดเดือด จุดหลอมเหลวต่ำ

ประโยชน์ของก๊าซเฉื่อย

1. He ผสมกับ O2ในอัตราส่วน 4 :1 โดยปริมาตรใช้เป็นอากาศหายใจของนักประดาน้ำที่ทำงานใต้ทะเลลึก ซึ่งมีความกดดันสูง เนื่องจากฮีเลียมละลายในเลือดได้น้อย ถ้าหายใจด้วยอากาศปกติ ซึ่งมีเปอร์เซ็นต์ของไนโตรเจนอยู่มาก ก๊าซไนโตรเจนนี้สามารถละลายในเลือดได้ดีที่ความดันสูงๆ เมื่อนักประดาน้ำกลับขึ้นสู่ผิวน้ำซึ่งมีความดันปกติ ไนโตรเจนละลายได้น้อยก็แยกตัวออกจากเลือดเป็นฟองก๊าซอยู่ในอวัยวะ เช่น หลอดเลือด กล้ามเนื้อ ทำให้เจ็บปวดมาก

2. He และ Ar ใช้เป็นสารหล่อเย็นเพื่อศึกษาสมบัติของสารที่อุณหภูมิต่ำ

3. Ne และ Ar ใช้เป็นก๊าซบรรจุในหลอดไฟเพื่อยืดอายุการใช้งานของไส้หลอด

4. ก๊าซเฉื่อยใช้ในหลอดไฟโฆษณาเพื่อให้แสงสีต่างๆ

He ให้แสง สีชมพู
Ne ให้แสง สีชมพู
Ar ให้แสง สีม่วงน้ำเงิน

5. Kr (คริปตอน) ใช้ในหลอดไฟแฟลชสำหรับถ่ายรูปด้วยความเร็วสูง

6. Xe(ซีนอน) เป็นก๊าซที่ช่วยให้สลบ

7. Rn(เรดอน)เป็นธาตุกัมมันตรังสี ใช้ในการบำบัดรักษามะเร็ง

8. Ar และ Kr บรรจุในหลอดผลิตแสงเลเซอร์ เพื่อใช้เป็นตัวกลางที่ทำให้แสงเลเซอร์มีความถี่ต่างๆกันได้

สารประกอบคลอไรด์ในชีวิตประจำวัน

1. โซเดียมคลอไรด์ ( NaCl )

2. แคลเซียมคลอไรด์( CaCl₂) ใช้เป็นสารดูดความชื้น. ใช้ในเครื่องทำความเย็นในอุตสาหกรรมห้องเย็น. ใช้ทำฝนเทียม

3. โพแทสเซี่ยมคลอไรด์ (KCl ) ใช้ทำปุ๋ย

4. แอมโมเนียมคลอไรด์ ( NH₃Cl ) ใช้เป็นน้ำประสารดีบุก และใช้เป็นอิเลคโทรไลต์มาเซลล์ถ่านไฟฉาย

5. NaClO , Ca(ClO)₂ ใช้เป็นสารฟอกสี ฟอกขาวเยื่อกระดาษ . ใช้ฆ่าแบคทีเรีย และสาหร่ายในน้ำประปา และในน้ำสระ

6. HCl ใช้กำจัดสนิมเหล็กก่อนที่จะฉาบสารกันสนิม

7. DDT ใช้เป็นยาฆ่าแมลง

8. ฟรีออน หรือสาร CFC ใช้ทำความเย็น เป็นตัวขับดันในกระปํองสเปย์

9. BFC ( โบรโมคลอโรไดฟลูออโรมีเทน ) เป็นสารที่ใช้ดับเพลิงในรถยนต์ และ เครื่องบิน

10. CCl₄, CHCl₃ ใช้เป็นตัวทำละลายในการสกัดสารอินทรีย์

การเปรียบเทียบสารประกอบคลอไรด์ และ สารประกอบออกไซด์

เปรียบเทียบ	สารประกอบคลอไรด์		สารประกอบออกไซด์
เปรียบเทียบ	โลหะ	อโลหะ	โลหะ	อโลหะ
จุดหลอมเหลว	สูง	ต่ำ	สูง	ต่ำ
สถานะ	ของแข็ง	ของเหลว , ก๊าซ	ของแข็ง	ของแข็ง , ของเหลว , ก๊าซ
ความเป็นกรด-เบส ของสารละลาย	ส่วนมากเป็นกลาง (หมู่ 1-2)	กรด	ส่วนมากเป็นเบส (หมู่ 1-2)	กรด

สารประกอบออกไซด์

การเตรียมก๊าฃออกซิเจน

1.เผาโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต

2.เผาโพแทสเซียมคลอเรต โดยมีผงแมงกานีส (IV) ออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

3.เผาโพแทสเซียมไดโครเมต

สารประกอบคลอไรด์

การเตรียมก๊าฃคลอรีน

1.ปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตกับกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น

2.ปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไดโครเมตกับกรดไฮโดรคลอริก

3.ปฏิกิริยาระหว่างแมงกานีส (IV) ออกไซด์ กับกรดไฮโดรคลอริก

ประวัติการค้นพบและการจัดธาตุลงในตารางธาตุ

จากความรู้ในทางฟิสิกส์ เคมี และดาราศาสตร์ พบว่าโลกนี้ประกอบด้วยธาตุต่างๆ มากกว่า 105 ชนิด พบอยู่ตามเปลือกโลกซึ่งมีมากน้อยไม่เท่ากัน เช่น Si และ Fe เป็นธาตุที่มีอยู่ในใจกลางโลกเป็นจำนวนมาก

ค.ศ.1817 Dobereiner พบว่า ธาตุบางประเภทซึ่งประกอบไปด้วยธาตุ 3 ธาตุ ที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน และเขาพบว่าน้ำหนักอะตอมของธาตุหนึ่งจะมีค่าใกล้เคียงกับน้ำหนักอะตอมเฉลี่ยของธาตุอีกสองธาตุ เช่น ในหมู่ธาตุ Cl , Br และ I
จะพบว่าค่าน้ำหนักอะตอมเฉลี่ยของ Br เท่ากับ น้ำหนักอะตอม Cl + น้ำหนักอะตอม I

ในทำนองเดี่ยวกันยังมีธาตุที่มีคุณสมบัติเช่นนี้อีก 2 กลุ่ม คือ ธาตุสตรอนเตียม (Sr) แคลเซียม (Cl) และธาตุแบเรียม (Ba) อีกกลุ่มคือ หมู่ธาตุเซเลเนียม(Se) ธาตุซัลเฟอร์ (S) และธาตุเลทูเรียม ซึ่งธาตุหมู่ดังกล่าวเหล่านี้เรียกว่า Triads

ค.ศ. 1864 John A.R. Newlands ชาวอังกฤษได้เสนอการจัดธาตุต่างๆโดยเรียงตามน้ำหนักอะตอม ซึ่งเรียกการจัดแบบนี้ว่า Law of Octaves

ต่อมาได้มีการค้นพบค่าอะตอมมิคนัมเบอร์ โดย Henry Gwyn Jeffeys Moseleys (ค่าของอะตอมมิคนัมเบอร์ คือ จำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ) ซึ่งปัจจุบันก็ได้มีการจัดเรียงธาตุตามอะตอมมิคนัมเบอร์ แทนน้ำหนักอะตอม

พิจารณาจากตารางธาตุจะเห็นว่า

ตารางธาตุประกอบด้วยธาตุ 8 หมู่ ซึ่งมีทั้งโลหะและอโลหะ และมี 7 คาบ
ตรงกลางของตารางธาตุประกอบด้วย Transition elements ใน Transition elements นี้มีหมู่ธาตุ Llanthanide series และ Actinide series ซึ่งจัดเป็นธาตุที่หายากจึงนับได้ว่าเป็น Rare Earth Elements

การจัดกลุ่มธาตุ 20 ธาตุแรกโดยใช้เกณฑ์ย่อย

การจัดธาตุลงในตารางธาตุ

ตารางธาตุประกอบด้วยธาตุ 8 หมู่

ธาตุหมู่ I มีสมบัติเป็นโลหะซึ่งมีคุณสมบัติว่องไวในการผสมธาตุมาก ธาตุหมู่ I เรียกว่า alkalai metal และมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดอยู่ 1 ตัว
ธาตุหมู่ II เป็นธาตุโลหะ มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 2 ตัว ธาตุที่ว่องไวที่สุดในหมู่นี้ คือเรเดียม (Ra)
ธาตุหมู่ III จะเริ่มประกอบด้วยโลหะและอโลหะ มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว
ธาตุหมู่ IV มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว
ธาตุหมู่ V ในตอนต้น ๆ จะเป็นอโลหะ ธาตุถัดมา เช่น สารหนู (As) และอันติโนมี (Sb) จะแสดงคุณสมบัติระหว่างโลหะและอโหะก้ำกึ่งกัน ลักษณะเช่นนี้เรียกว่ามีสมบัติเป็น metalloid
ธาตุหมู่ VI ตอนต้นหมู่จะมีธาตุที่มีสมบัติเป็นอโลหะ แล้วค่อย ๆ เป็นโลหะ
ธาตุหมู่ VII มีชื่อเรียกว่า Halogen group ธาตุหมู่นี้เป็นอโลหะ ที่ว่องไวในการผสมธาตุมาก
ธาตุหมู่ VIII จัดเป็นธาตุ Inert gas จึงไม่ค่อยทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น เพราะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดเท่ากับ 8
- Lanthanide series ประกอบด้วยธาตุที่มี Atomic number 57 - 70 เป็นธาตุที่หายากมาก
- Actinide series ประกอบด้วยธาตุที่มี Atomic number 89 - 102 ธาตุในหมู่นี้มีคุณสมบัติเป็นสารกัมมันตรังสี

ตารางธาตุ

อุตสาหกรรมเคมี

คำว่า อุตสาหกรรมทางเคมี ครอบคลุมไปถึงกิจกรรมอุตสาหกรรมมากมายหลายอย่าง อุตสาหกรรมที่ทำเครื่องเคมีทั้งหลายจะผลิตผลสำเร็จรูป เช่น พลาสติก สี ยารักษาโรค ผงซักฟอก วัตถุระเบิด ไยเทียม สีย้อมผ้า และยาฆ่าแมลง เป็นต้น

สารเคมีที่เป็นพื้นฐานและใช้ประโยชน์ได้มากสำคัญที่สุด คือ กรดกำมะถัน ซึ่งใช้ในกระบวนการทางเคมีมากมายนับตั้งแต่การทำปุ๋ยไปจนทำความสะอาดเหล็ก โซดาไฟที่ใช้ในการทำสบู่และทำสิ่งอื่นนั้น ก็ผลิตออกมาเป็นจำนวนมาก เช่นเดียวกับแอมโมเนียที่ใช้ในการทำปุ๋ย เคมีภัณฑ์เหล่านี้และอื่น ๆ มักเรียกว่าสารเคมีหนัก เพราะเหตุว่าผลิตออกมาเป็นปริมาณมาก ๆ ยารักษาโรคแทบทุกชนิด มีการผลิตเป็นจำนวนน้อยเมื่อเทียบกับสารเคมีหนักพวกนี้เรียกว่า สารเคมีละเอียด

การอุตสาหกรรมเคมีใช้วัตถุดิบหลายอย่าง อาทิ หิน แร่ และถ่านหิน ซึ่งขุดมาจากใต้พื้นดิน และยังใช้ไม้ซุง และวัตถุดิบจากพืชอีกหลายชนิด ที่นับว่าสำคัญที่สุดก็คือ การอุตสาหกรรมเคมีต้องใช้น้ำมันดิบซึ่งเป็นหัวใจสองประการ คือ เป็นทั้งวัตถุดิบและเป็นเชื้อเพลิง ที่น่าวิตกก็คือ น้ำมันดิบอาจจะมีใช้กันต่อไปอีกไม่นาน

การอุตสาหกรรมเคมีใช้ขบวนการทางเคมีต่าง ๆ หลายอย่างเพื่อจะเปลี่ยนวัตถุดิบมาเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ วิธีการหนึ่งที่เรียกว่าการทำให้แตกตัว คือ การทำให้วัตถุที่มีองค์ประกอบยุ่งยากซับซ้อนกลายเป็นสิ่งที่มีองค์ประกอบง่ายขึ้น อีกวิธีหนึ่งตรงกันข้าม คือ ทำให้วัตถุที่มีองค์ประกอบง่าย ๆ กลายเป็นวัตถุที่มีองค์ประกอบซับซ้อน (polymerization)

การอุตสาหกรรมเคมีใช้ขบวนการทางฟิสิกส์ด้วย เช่น การประสม การกรอง การทำให้แห้ง ขบวนการเหล่านี้ช่วยทำให้วัตถุดิบมีประโยชน์ยิ่งขึ้น สำหรับทำผลิตภัณฑ์ทางเคมีและการค้า

งานค้นคว้าวิจัยเป็นหัวใจของการอุตสาหกรรมเคมี นักวิทยาศาสตร์จะเสาะหาขบวนการใหม่ ๆ หรือที่ดียิ่งขึ้นไป เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ หรือดียิ่งขึ้น ถ้ากรรมวิธีไหนดูท่าว่าจะดี วิศวกรเคมีก็จะทำการทดสอบดู เขาจะออกแบบอุปกรณ์และสร้างโรงงานเล็ก ๆ ขึ้นทดลองทำดูก่อน เมื่อได้ผลว่าดี ก็จะทำกันต่อไปและสร้างโรงงานขนาดใหญ่ขึ้นเต็มรูป

มีสิ่งที่เล็กกว่าอะตอมหรือไม่

มีสิ่งที่เล็กกว่าอะตอมหรือไม่

ดาลตัน เสนอว่า อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ภายในว่างเปล่า อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกัน แต่ลักษณะอะตอมของตาลต้นไม่สามารถอธิบาย คำถามหรือข้อสงสัยบางอย่างได้ เช่น การเกิดไฟฟ้าสถิต

ต่อมาจึงได้มีผู้ทดลองเพื่อค้นหาคำอธิบายกันอย่างมากมาย จนได้ข้อสรุปว่าภายในอะตอม จะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน (e) โปรตอน (p) และนิวตรอน (n) โดยมีแกนกลางที่ว่างขึ้นจากโปรตอนและนิวตรอน เรียกว่า นิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนที่ว่องไววิ่งอยู่รอบ ๆ อนุภาคเหล่านี้จะจับยึดกันอยู่ด้วยแรงสองชนิดคือ แรงแม่เหล็ก ไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์

หลังปี ค.ศ. 1960 นักวิทยาศาสตร์ ได้ศึกษาพบว่า มีอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอยู่ในโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งได้รับการตั้งชื่อภายหลังว่า ควาร์ก (quark) ควาร์กมีขนาดเล็กกว่าโปรตอนประมาณ 1,000 เท่า และมีพลังงานจากประจุไฟฟ้า ประมาณ 1/3 - 2/3 ของโปรตอน ปัจจุบันเราพบควาร์กถึง 6 ชนิด ได้แก่ อัพ (up) ดาวน์ (down) สเตรนจ์ (Strenge) ชาร์ม (charm) ทอป (top) และ บอททอม (bottom)

โครงสร้างอะตอม

โครงสร้างอะตอม

จอห์น ดอลตัน เป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอม สรุปว่า
1. สารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก เรียกว่า อะตอม แบ่งแยกไม่ได้ และสร้างขึ้นหรือทำลายให้สูญหายไปไม่ได้
2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน จะมีมวลเท่ากัน มีสมบัติเหมือนกัน แต่จะแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น ๆ

3. อะตอมของธาตุสองชนิดอาจรวมตัวกันด้วยอัตราส่วนต่าง ๆ กัน เกิดเป็นสารประกอบได้หลายชนิด
2. ทอมสัน ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่าไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอด
หรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด จะได้รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ พุ่งมาที่ฉากเรืองแสงเหมือนเดิม เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m)
ของอนุภาค จะได้ค่าคงที่ทุกครั้งเท่ากับ 1.76 x 108 คูลอมบ์ต่อกรัม สรุปว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า
อิเล็กตรอน

รูป 2.3 หลอดรังสีแคโทดที่มีขั้วไฟฟ้าในหลอดเพิ่มอีกสองขั้วเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้า 3. โกลดชไตน์ ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด เมื่อเปลี่ยนชนิดของก๊าซ พบว่า อนุภาคที่มีประจะบวกมีอัตราส่วนของประจุ
ต่อมวลไม่คงที่ ถ้าใช้ก๊าซไฮโดรเจน จะได้อนุภาคบวกมีประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอนจึงเรียกอนุภาคบวกว่า โปรตอน
4. มิลลิแกน ทำการทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอน เท่ากับ 1.60 x 10-19 คูลอมบ์ และเมื่อนำไปคำนวณหามวล ของอิเล็กตรอน จะได้เท่ากับ 9.11 x 10-28 กรัม
5. รัทเทอร์ฟอร์ด, ไกเกอร์ และมาร์สเดน ยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ พบว่า อนุภาคส่วนใหญ่จะวิ่งเป็น

เส้นตรงผ่านแผ่นทองคำ นาน ๆ ครั้งจะเบนไปจากแนวเส้นตรง และน้อยครั้งมากที่อนุภาคจะสะท้อนกลับมากระทบ

ฉากบริเวณหน้าแผ่นทองคำ
6. เลขอะตอม คือ ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอน
7. เลขมวล คือ ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอน
8. ไอโซโทป คือ อะตอมต่าง ๆ ของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่าง ๆ เช่น 11H, 21H และ 31H
9. สัญลักษณ์นิวเคลียร์ วิธีเขียน เลขอะตอมไว้มุมล่างซ้าย และเลขมวลไว้มุมบนซ้ายของสัญลักษณ์ เช่น 23 11 Na
10. การจัดอิเล็กตรอนในอะตอม

วิธีการใช้ในการหาข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส คือ การศึกษาสเปกตรัมของสารหรือธาตุแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงที่มองเห็นได้มีความยาวคลื่น 400 - 700 นาโนเมตร แสงสีต่าง ๆ ในแถบสเปกตรัมของแสงได้แก่ ม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง

แสงสีม่วง มีความยาวคลื่นสั้นที่สุด แต่มีความถี่สูงที่สุด และมีพลังงานสูงสุด

แสงสีแดง มีความยาวคลื่นมากที่สุด แต่มีความถี่ต่ำที่สุด และมีพลังงานต่ำสุด

มักซ์ พลังค์ สรุปว่า พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่นนั้น

E = พลังงาน จูล (J)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ มีค่า 6.625 x 10-34 จูลวินาที (Js)

= ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Hz)

C = ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสูญญากาศ = 3.0 x 108 m/s

= ความยาวคลื่น (m) (1 นาโนเมตร เท่ากับ 10-9 เมตร)

สเปกโตสโคป เป็นเครื่องมือสำหรับแยกสเปกตรัมของแสงขาว และตรวจเส้นสเปกตรัมของธาตุที่ถูกเผา การทดลองใช้ลวดนิโครมจุ่มลงในกรดไฮโดรลอริกเข้มข้น (HCI) แตะสารประกอบที่ต้องการทดสอบ นำไปเผาบนเปลวไฟ สังเกตสีของเปลวไฟ และใช้สเปกโตสโคปสังเกตสีของเส้นสเปกตรัม

1. สีของเปลวไฟ หรือเส้นสเปกตรัม เกิดจากส่วนที่เป็นโลหะ (ion +) ในสารประกอบชนิดนั้น ๆ

2. ธาตุแต่ละชนิด มีเส้นสเปกตรัมเป็นลักษณะเฉพาะตัวไม่ซ้ำกัน ลักษณะของเส้นสเปกตรัมจึงเป็นสมบัติเฉพาะตัว

ประการหนึ่งของธาตุ เส้นสีเขียวที่เห็นจากแสงไฟฟลูออเรสเซนต์ เกิดจาก ไอปรอท 11. การศึกษาเรื่องสเปกตรัมของสารหรือของธาตุ สรุปได้ว่า

1. เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงาน จึงขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้อะตอมไม่เสถียร อิเล็กตรอนจึงคาย พลังงานเท่ากับพลังงานที่ได้รับเข้าไป พลังงานส่วนใหญ่ที่คายออกอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฎเป็นเส้น สเปกตรัม

2. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน อาจมีการเปลี่ยนข้ามขั้นได้

3. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียส

4. ระดับพลังงานต่ำอยู่ห่างกันมากกว่าระดับพลังงานสูง ระดับพลังงานยิ่งสูงขึ้นจะยิ่งอยู่ชิดกันมากขึ้น
12. นีลส์ โบร์ สร้างแบบจำลองว่า อิเล็กตรอนในอะตอมวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นชั้น ๆ หรือเป็นระดับพลังงานมีค่า

พลังงานเฉพาะคล้าย ๆ กับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งแบบจำลองนี้ใช้ได้ดีกับอะตอมขนาดเล็กที่มี

อิเล็กตรอนเดียว เช่น ไฮโดรเจนเท่านั้น

13. พลังงานไอออไนเซชัน (IE) คือ พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมในสถานะก๊าซ

Mg(g) + IE1 Mg+(g) + e-

Mg+(g) + IE2 Mg2(g) + e-

พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่ง ไม่ว่าจะเป็นของธาตุใดก็ตาม ล้วนมีค่าต่ำสุดเมื่อเทียบกับพลังงานไอออไนเซชัน ลำดับอื่น ๆ ของธาตุเดียวกัน เพราะอิเล็กตรอนที่หลุดออกไปตัวแรกได้รับแรงดึงดูดจากนิวเคลียสน้อยที่สุด

ค่าพลังงานไอออไนเซชันใช้เป็นเกณฑ์ในการจัดกลุ่มอิเล็กตรอนได้
คำถาม กำหนดปฏิกิริยาต่อไปนี้

ก. Zn(s) Zn(g) ดูดพลังงาน 130 kj/mol

ข. Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ดูดพลังงาน 737 kj/mol

ค. Zn2+(g) Zn2+(aq) ดูดพลังงาน 2046 kj/mol

ผลรวมของค่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่ง และที่สองของสังกะสีเป็นเท่าใดในหน่วย kj/mol

1) 607 2) 1179 3) 1439 *4) 2653
14. จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุดในแต่ละระดับพลังงาน = 2n2

อิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงที่สุดของแต่ละธาตุ เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน

3919K มีการจัดอิเล็กตรอน เป็น 2, 8, 8, 1 (หมู่ 1 A คาบ 4)
15. แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก สรุปได้ว่า

1. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไม่มีทิศทางแน่นอน บอกได้เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่าง ๆ เท่านั้น

2. โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานไม่เหมือนกัน ขึ้นกับจำนวนอิเล็กตรอนและระดับพลังงานของ อิเล็กตรอนนั้น

3. อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำอยู่ในบริเวณใกล้นิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง

เทคนิคการไตเตรตกรด-เบส

ปัจจุบันเทคโนโลยีทันสมัย การไทเทรต กรด-เบส ใช้เครื่องมือทันสมัยโดยต่อเครื่องพีเอสมิเตอร์เข้ากับเครื่องบันทึกข้อมูล แล้วใช้เครื่องพีเอสมิเตอร์อ่านค่า pH ขณะไทเทรต กรด-เบส

วิธีการไทเทรต กรด-เบส ด้วยเครื่องมือทันสมัย จะจัดอุปกรณ์การไทเทรต ดังนี้

ตวงสารละลายกรดหรือเบสที่ทราบปริมาตร ลงในบีกเกอร์ และใส่สารละลายมาตรฐานเบสหรือกรดในบิวเรตต์จุ่มขั้วอิเล็กโตรดจากเครื่องพีเอสมิเตอร์ลงในบีกเกอร์ แล้วต่อขั้วอิเล็กโตรดเข้ากับเครื่องพีเอสมิเตอร์ และต่อเครื่องพีเอสมิเตอร์เข้ากับเครื่องบันทึกข้อมูล จากนั้นก็หยดสารละลายม าตรฐานจากบิวเรตต์ลงไปในไทเทรตกับสารละลายกรดหรือเบส ในบีกเกอร์ เครื่องบันทึกข้อมูลโดยผ่านเครื่องพีเอสมิเตอร์ จะบันทึกค่า pH ที่เปลี่ยนแปลงไปกับปริมาตรของสารละลายมาตรฐานจากบิวเรตต์ที่เติมลงไปในบีกเกอร์นั้น บันทึกโดยเขียนออกมาในรูปกราฟไทเทรต กรด-เบส

เครื่องบันทึกข้อมูลค่า pH ที่เปลี่ยนแปลงไปของสารละลาย ขณะไทเทรตกับปริมาตรของสารละลายกรดหรือเบสที่เติมลงไปไทเทรต

การจัดอุปกรณ์การไทเทรต กรด-เบส

กราฟการไตเตรตกรด-เบส

ตาราง 1 แสดงการไทเทรต กรด-เบส คู่ต่าง ๆ และการเลือกอินดิเคเตอร์ ในการไทเทรตชัน

ชนิดของกรด-เบส ที่ไทเทรตซัน	ช่วง pH ที่เปลี่ยนมากเมื่อ ก่อน-หลังจุดสมมูลเล็กน้อย	pH ที่จุดสมมูล	อินดิเคเตอร์ที่เลือกใช้ไทเทรต
กรดแก่ กับ เบสแก่	3 -11	เท่ากับ 7	ฟีนอลฟ์ธาลีน (pH = 8.3-10.0) เมทิลออเรนจ์(pH = 3.0-4.4)
กรดแก่ กับ เบสอ่อน่	3 - 7่	น้อยกว่า 7่	เมทิลออเรนจ์(pH = 3.0-4.4) โบรโมฟีนอลบลู(pH = 3.0-4.6)
กรดอ่อน กับ เบสแก่	7 - 11	มากกว่า 7	ฟีนอลฟ์ธาลีน (pH = 8.3-10.0)
กรดอ่อน กับ เบสอ่อน	บอกไม่ได้ว่าอยู่ช่วงใดขึ้นอยู่กับค่า Ka ของกรดอ่อนและ Kb ของเบสอ่อนที่ไทเทรต	บอกไม่ได้ ขึ้นอยู่กับค่า Ka ของกรดอ่อนและ Kb ของเบสอ่อน	เลือกยาก และในการไทเทรตกรด-เบส ไม่ควรไทเทรตกรดอ่อนกับเบสอ่อน

หมายเหตุ การเลือกอินดิเคเตอร์ในการไทเทรต กรด-เบส ให้เลือกอินดิเคเตอร์ชนิดที่มีช่วง pH ของการเปลี่ยนสีตรงหรือใกล้เคียงกับ pH ของเกลือ (ละลายน้ำ) ที่เกิดไทเทรต กรด-เบส คู่นั้น

ตัวอย่างกราฟไทเทรต กรด-เบส

รูปที่ 1 กราฟไทเทรตของการไทเทรต กรดอ่อนด้วยเบสแก่ กราฟแสดงการไทเทรตกรดฟรอมมิก 0.5 mol/dm3 25 cm3 ด้วยเบสโซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.5 mol/dm3 ด้วยปริมาตรต่าง ๆ กัน โดยใช้ค่า pH ที่เปลี่ยนไปมาเขียนกราฟ
รูปที่ 2 กราฟไทเทรตของการไทเทรต เบสอ่อนด้วยกรดแก่ กราฟแสดงการไทเทรตเบสแอมโมเนีย 0.2 mol/dm3 20 cm3 ด้วยกรดไนตริก 0.4 mol/dm3 ปริมาตรต่าง ๆ กัน โดยใช้ค่า pH ที่ เปลี่ยนไปมาเขียนกราฟกับปริมาตรของกรดไนตริกที่ใช้
รูปที่ 3 กราฟสำหรับกรดที่มีความแรงต่าง ๆ กัน (pKa ต่าง ๆ กัน) แสดงการไทเทรตกรดด้วยเบส โดยกรดแก่ กว่าจะมีช่วง pH เปลี่ยนไปกว้างกว่า (เช่น กรดที่ pKa ต่ำ ๆ) และกรดอ่อนกว่า ก็จะมีช่วง pH เปลี่ยนแปลงไปแคบกว่า
รูปที่ 4 กราฟไทเทรต สำหรับเบสที่มีความแรงต่าง ๆ กัน (pKb ต่าง ๆ กัน) แสดงการไทเทรตเบส ด้วยกรดโดยเบสแก่กว่า จะมีช่วง pH เปลี่ยนแปลงไปกว้างกว่า (เช่น เบสที่มีค่า pKb = 11) และเบสอ่อนกว่าก็จะมีช่วง pH เปลี่ยนแปลงไปแคบกว่า กราฟไทเทรต กรด-เบส (Titration curve) คือกราฟที่เขียนขึ้นระหว่างค่า pH ที่เปลี่ยนแปลงไปขณะไทเทรตกับปริมาตรของกรดหรือเบสที่ใช้ในการไทเทรต ลักษณะของกราฟ เป็นรูปตัวเอส จุดสมมูลอยู่บนเส้นกราฟตรงส่วนที่มีความชันมากจากกราฟจะพบว่าก่อนและหลังถึงจุดสมมูลเล้กน้อยจะมี pH เปลี่ยนแปลงมาก

ประโยชน์ที่ได้จากกราฟไทเทรต กรด-เบส

1. สามารถหาจุดสมมูลของการไทเทรต กรด-เบสได้

2. สามารถใช้เลือกอินดิเคเตอร์ที่เหมาะสมในการไทเทรต เพื่อบอกจุดยุติได้ตรงกับจุดสมมูล

หรือใกล้เคียงกับจุดสมมูลได้

การไตเตรตกรด-เบส

เป็นกระบวนการวิเคราะห์หาปริมาณอย่างหนึ่งที่ทราบความเข้มข้นของสารละลายมาตรฐาน ถูกใช้ในการหาความเข้มข้นของสารละลายอีกชนิดหนึ่ง โดยให้สารเหล่านั้นทำปฏิกิริยาพอดีกัน เช่น การไทเทรต กรด-เบส การไทเทรตรีดอกซ์

การไทเทรต กรด-เบส (Acid-Base Titration)

เป็นกระบวนการวิเคราะห์หาปริมาณของกรดหรือเบส โดยให้สารละลายกรดหรือเ บสทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายมาตรฐาน เบสหรือกรดซึ่งทราบความเข้มข้นที่แน่นอน และใช้อินดิเคเตอร์เป็นสารที่บอกจุดยุติ ด้วยการสังเ กตจากสีที่เปลี่ยน ขณะไทเทรต pH จะเปลี่ยนไป ถ้าเลือกใช้อินดิเคเตอร์เหมาะสม จะบอกจุดยุติใกล้เคียงกับจุดสมมูล

จุดสมมูล (จุดสะเทิน = Equivalence point)

คือจุดที่กรดและเบสทำปฏิกิริยาพอดีกัน จุดสมมูลจะมี pH เป็นอย่างไร< wbr>นั้นขึ้นอยู่กับชนิดของกรดและเบสที่นำมาไทเทรตกัน และขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของกรดและเบส

จุดยุติ (End point)

คือจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี ขณะไทเทรตกรด-เบสอยู่ จุดยุติจะใกล้เคียงกับจุดสมมูลได้นั้น จะ ต้องเลือกอินดิเคเตอร์เหมาะสม ในทางปฏิบัติถือว่าจุดยุติ เป็นจุดเดียวกับจุดสมมูล

การหาความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริก โดยการไทเทรตชัน

a) ตวงปริมาตรของสารละลายกรดด้วยปิเปดต์ใส่ขวดชมพู่
b) ไทเทรตสารละลายมาตรฐานจากบิวเรตต์ลงในขวดชมพู่ที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอริกอยู่ด้วย
c) การไทเทรตกรด-เบสจนถึงจุดยุติโดยสังเกตจากอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี
d) อ่านปริมาตรของสารละลายเบส (สารละลายมาตรฐาน)ที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายกรดนี้ บันทึกข้อมูล