ของแข็ง ของเหลว แก๊ส อาจารย์กนกพร บุญนวน

สมบัติของแก๊ส 1.สมบัติทั่วไปของแก๊ส มีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอน อนุภาคเคลื่อนที่ตลอดเวลา ไม่เป็นระเบียบ ฟุ้งกระจาย แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย ความหนาแน่นน้อย ปริมาตรขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล สามารถแพร่ได้

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 1. แก๊สต่างๆ ประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าอนุภาคแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับภาชนะที่บรรจุ 2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน ทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันมีค่าน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน แต่ละโมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่ อนุภาคของแก๊ส

3. โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่อย่างไม่เป็น ระเบียบตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงที่จนปะทะ โมเลกุลอื่นหรือผนังภาชนะ จึงเปลี่ยนทิศทาง และอาจเปลี่ยนความเร็วด้วย 4. การชนกันของโมเลกุลของแก๊สเป็นแบบ ยืดหยุ่นสมบูรณ์ คือเมื่อชนกันแล้วจะไม่มีการ สูญเสียพลังงานรวม แต่อาจมีการถ่ายเทพลังงานจลน์ ระหว่างโมเลกุลได้

5. ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สชนิดหนึ่งๆ จะมีค่าคงที่ 6. ที่อุณหภูมิเดียวกันแก๊สทุกชนิดจะมีค่าพลังงานจลน์ เฉลี่ยเท่ากัน และพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส แปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

2.ประเภทของแก๊ส แก๊สสมบูรณ์หรือแก๊สในอุดมคติ (Ideal gas) คือ แก๊สที่ไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะใดก็ตามจะมี พฤติกรรมและสมบัติเป็นไปตามกฎและทฤษฎีของแก๊ส แก๊สที่อยู่ในภาวะอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ แก๊สไม่สมบูรณ์หรือแก๊สจริง(Real gas) คือ แก๊สที่มีพฤติกรรมไม่เป็นไปตามกฎและทฤษฎีของแก๊สในสภาวะปกติ

3. ความสัมพันธ์ปริมาตร อุณหภูมิและความดัน ปริมาตร (V) ปริมาตรของแก๊ส หมายถึงปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ มีหน่วยเป็น ลูกบาศก์เดซิเมตร(dm3), ลิตร(l) หรือ ลูกบาศก์เซนติเมตร(cm3) 1 dm3 = 1 l 1000 cm3 = 1000 ml

อุณหภูมิ (Temperature)(T) คือ มาตราส่วนที่ใช้บอกระดับความร้อน-เย็นของสาร เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิ คือ เทอร์โมมิเตอร์, ไพโรมิเตอร์, เทอร์โมคัพเปิล หน่วยที่ใช้วัด คือ เซลเซียส (0 C), เคลวิน (K), ฟาเรนไฮต์ (F) K = 273 + oC

ความดัน (pressure)(P) ความดันของแก๊ส คือ แรงที่โมเลกุลของแก๊สกระทำต่อผนัง ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ภาชนะ หน่วยที่ใช้วัดความดัน คือ บรรยากาศ, มิลลิเมตรปรอท, นิวตันต่อตารางเมตร, ไดน์ต่อตารางเซนติเมตร, ปอนด์ต่อตารางนิ้ว, บาร์, ทอร์, ปาสคาล

ความสัมพันธ์ 1 บรรยากาศ หรือ 1 atm = 760 มิลลิเมตรปรอท = 760 ทอร์ (Torr) = 1.4 ปอนด์/ตารางนิ้ว (lb/in2) = 1.01325 x 105 ปาสคาล (Pa) = 1.01325 x 105 นิวตัน/ตารางเมตร (N/m2) = 1.01325 บาร์ (bar)

การทดลองที่ 5.3 เรื่องผลของความดันหรืออุณหภูมิต่อปริมาตรแก๊ส การทดลองที่ 5.3 เรื่องผลของความดันหรืออุณหภูมิต่อปริมาตรแก๊ส จุดประสงค์การทดลอง 1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของความดันหรืออุณหภูมิที่มี ต่อปริมาตรของแก๊สได้ 2. อธิบายผลของความดันที่มีต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อ อุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ได้ 3. อธิบายผลของอุณหภูมิที่มีต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อความ ดันและมวลของแก๊สคงที่ได้

การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในกระบอกฉีดยา ผลการทดลอง การทดลอง การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในกระบอกฉีดยา อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร ตอนที่ 1 - ขณะกดก้านหลอดฉีดยา - ขณะดึงก้านหลอดฉีดยา คงที่ เพิ่มขึ้น ลดลง ตอนที่ 2 - เมื่อจุ่มกระบอกฉีดยาในน้ำร้อน - เมื่อจุ่มกระบอกฉีดยาในน้ำเย็น

สรุปผลการทดลอง 1. ในการทดลองแต่ละตอน มวลของอากาศคงที่เพราะอากาศใน กระบอกฉีดยามีปริมาณคงที่ 2. การทดลองตอนที่ 1 อากาศมีอุณหภูมิคงที่เท่ากับ อุณหภูมิห้อง เมื่อเพิ่มความดันให้กับอากาศในกระบอกฉีดยา ปริมาตรของอากาศลดลง แต่เมื่อลดความดันลงปริมาตรของ อากาศเพิ่มขึ้น แสดงว่าความดันมีผลต่อปริมาตรของแก๊ส เมื่ออุณหภูมิคงที่

3. การทดลองตอนที่ 2 การเลื่อนกระบอกขึ้นลงเพื่อให้ระดับน้ำ ในกระบอกฉีดยาเท่ากับระดับน้ำในบีกเกอร์ เป็นการปรับ ความดันของอากาศในกระบอกฉีดยาทั้งที่แช่ในน้ำร้อนและ น้ำเย็นจึงคงที่ คือเท่ากับความดันบรรยากาศ 4. เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นปริมาตรของอากาศจะเพิ่มขึ้น และเมื่อ อุณหภูมิต่ำลงปริมาตรของอากาศจะลดลง แสดงว่าอุณหภูมิ มีผลต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

4. กฎต่างๆของแก๊ส Boyle’s Law ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

Boyle’s Law (เมื่อ T และ m คงที่) m = มวลของแก๊ส P1V1 = P2V2 ณ อุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สใด ๆ จะแปรผกผันกับความดัน (เมื่อ T และ m คงที่) m = มวลของแก๊ส P1V1 = P2V2

ตัวอย่าง 1 แก๊สชนิดหนึ่ง มีปริมาตร 350 cm3 ภายใต้ความดัน 0.92 atm อุณหภูมิ 21 oC จงหาปริมาตรของแก๊สนี้ที่ 1.4 atm ณ อุณหภูมิเดียวกันนี้ วิธีทำ จากสูตร P1V1 = P2V2 อุณหภูมิคงที่ ที่ 21 oC และค่า P1 = 0.92 atm, V1= 350 cm3 P2 = 1.4 atm, V2= ? cm3 แทนค่า 0.92 atm x 350 cm3 = 1.4 atm x V2 V2 = (0.92 atm x 350 cm3) 1.4 atm = 230 cm3 Is4^

ตัวอย่าง 2 แก๊สจำนวน 15 g มีปริมาตร 10 ลิตร ที่ความดัน150 mmHg เมื่ออุณหภูมิคงที่ ถ้าเปลี่ยนความดันเป็น50 mmHg  แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใด โจทย์กำหนด P1   =   150  mmHg P2   =   50   mmHg                 V1   =   10   ลิตร    V2   =   ?   จากสูตร           P1V1   =   P2V2                     150 x 10   =   50 x V2                            V2 =   30   ลิตร

ตัวอย่าง 3 แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุอยู่ในภาชนะทรงกระบอกขนาด 2 ตัวอย่าง 3 แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุอยู่ในภาชนะทรงกระบอกขนาด 2.0 ลิตร ที่ความดัน 1.5 บรรยากาศ เมื่อเพิ่มความดันเป็น 1500 มิลลิเมตรปรอท โดยควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ ปริมาตรของแก๊สจะเป็นเท่าใด

ตัวอย่าง 4 แก๊สชนิดหนึ่งมีความดันเริ่มต้นเท่ากับ 200 mmHg  แก๊สชนิดนี้จะมีความดันสุดท้ายเป็นเท่าใดถ้าทำให้แก๊สมีปริมาตรลดลงเป็นครึ่งหนึ่งของปริมาตรเดิมเมื่ออุณหภูมิคงที่

Charles’s Law ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและเคลวินกับปริมาตรของแก๊ส

เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน Charles’s Law เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊ส จะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน) V œ T (เมื่อ P และ m คงที่) V1 V2 T2 = T1 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน

ตัวอย่าง 5 แก๊สไนโตรเจนปริมาตร 20 ลิตร ที่อุณหภูมิ 373 เคลวิน เมื่อทำให้อุณหภูมิลดลงเป็น 273 เคลวิน โดยความดันของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรสุดท้ายของแก๊สเป็นเท่าใด ตอบ 14.6 L

ตัวอย่างที่ 6 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 79 ตัวอย่างที่ 6 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 79.5 cm3 ที่ 45 oC แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใดที่ 0 oC วิธีทำ จากสูตร V1/T1 = V2/T2 V1 = 79.5 cm3 T1 = 273 + 45 K = 318 K V2 = ? T2 = 273 + 0 K = 273 K แทนค่า จะได้ 79.5 cm3 = V2 318 K 273 K V2 = (79.5 cm3)(273 K) 318 K = 68.3 cm3

เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน Gay-Lussac ’s Law ความดันของแก๊สใดๆ จะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ เมื่อปริมาตรของแก๊สคงที่" P œ T (เมื่อ V และ m คงที่) P1 = P2 T1 T2 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน

กฎรวมแก๊ส เมื่อนำกฎทั้ง 3 กฎมารวมกัน P1V1 P2V2 = (เมื่อ m คงที่) T1 T2

ตัวอย่างที่ 7 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 300 cm3  ที่อุณหภูมิ 200OC  ความดัน 1.5 atm  แก๊สนี้จะมีความดันเท่าใดถ้าปริมาตรเปลี่ยนไปเป็น 1000 cm3  และอุณหภูมิ 300OC วิธีทำ           P1  =  1.5  atm          P2  =  ?                     V1  =  300  cm3          V2  =  1000  cm3                     T1  =  273+200  =  473 K    T2  =  273+300  =  573 K P1V1 = P2V2 T1 T2 1.5 atm X 300 cm3 = P2 X 1000 cm3 473 K 573 K P2 = 0.545 atm

ตัวอย่าง 8 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 10. 0 ลิตร ที่ความดัน 1 ตัวอย่าง 8 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 10.0 ลิตร ที่ความดัน 1.0 บรรยากาศ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ถ้าแก๊สชนิดนี้มีปริมาตรและความดันเปลี่ยนเป็น 11.5 ลิตร และ 900 มิลลิเมตรปรอท ตามลำดับ จงหาอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปในหน่วยองศาเซลเซียส ตอบ 99 oC

เมื่อ n = จำนวนโมลของแก๊ส Avogadro’s Law “ ภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ แก๊สที่มีปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมลเท่ากัน” V œ n (เมื่อ P และ T คงที่) V1 V2 = n1 n2 เมื่อ n = จำนวนโมลของแก๊ส

จากกฎของ Charles V T เมื่อ P และ m คงที่ จากกฎของ Avogadro V n เมื่อ T และ P คงที่ จากกฎของ Boyle V เมื่อ T และ m คงที่ จากกฎของ Charles V T เมื่อ P และ m คงที่ จากกฎทั้ง 3 V nT P V = R x nT เมื่อ R = 0.0821 l.atmK-1mol -1

Ideal gas Law (กฎแก๊สสมบูรณ์) PV = nRT เมื่อ P คือ ความดันของแก๊ส (atm) V คือ ปริมาตรของแก๊ส (dm3 หรือ l) n คือ จำนวนโมลของแก๊ส T คือ อุณหภูมิเคลวิน (K) R คือ ค่าคงที่ของแก๊สต่อโมล = 0.0821 l.atmK-1mol -1

PV = nRT ...........(1) g M PV = RT ...........(2) เมื่อ g คือ มวลของสาร หน่วย กรัม (g) M คือ มวลโมเลกุล

ตัวอย่าง บรรจุแก๊สออกซิเจนจำนวน 0 ตัวอย่าง บรรจุแก๊สออกซิเจนจำนวน 0.885 กิโลกรัม ไว้ในถังเหล็กกล้าซึ่งมีปริมาตร 438 ลิตร จงคำนวณความดันของแก๊สออกซิเจนในถังนี้ที่อุณหภูมิ 21 oC ตอบ 1.5 บรรยากาศ

ความหนาแน่นของแก๊ส (d) จากกฎแก๊สสมบูรณ์ PV = RT ความหนาแน่น d = d = PM RT เมื่อ d คือ ความหนาแน่น g M g V

ตัวอย่างที่ 4 จงคำนวณโมลของแก๊สสมบูรณ์แบบชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร 0 ตัวอย่างที่ 4 จงคำนวณโมลของแก๊สสมบูรณ์แบบชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร 0.452 l ที่ 87 oC และที่ความดัน 0.620 atm PV = nRT n = PV RT n = 0.620 atm X 0.452 l 0.0821 X 360 K n = 9.49 X 10-3 mol

ตัวอย่างที่ 5 จงคำนวณน้ำหนักโมเลกุลของแก๊สสมบูรณ์แบบ ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร 500 cm3 มีน้ำหนัก 0.326 g ที่ 100 oC และที่ความดัน 380 torr g M PV = RT P = (380 torr /760 torr atm –1) = 0.5 atm V1 = 500 cm3 / 1000 cm3 = 0.5 dm3 R = 0.0821 l . atm K-1 mol-1 , T1 = 373 K, g = 0.326 g , M = ?

แทนค่าในสูตร จะได้ (0.326 g)(0.0821 l atm K-1 mol-1)(373 K) M = 39.9 g mol -1 M = (0.5 atm)(0.5 dm3)

ตัวอย่างที่ 6 จงหาความหนาแน่นของ NH3 ในหน่วย g/l ที่ 752 mmHg และ 55 oC d = PM RT = 0.99 atm x 17 0.0821 x 328 K = 0.626 g / l

Dalton’ s law of partial pressure * ความดันรวมของแก๊สผสมจะเท่ากับผลบวกของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิด” PTotal = P1 + P2 + P3 + ...

ความดันรวม = ผลรวมของความดันย่อย แก๊สผสม 1 L 1 L 1 L H2 0.50 atm N2 0.75 atm O2 0.10 atm 1 L 1.35 atm ความดันรวม = ผลรวมของความดันย่อย

ตัวอย่างที่ 7 เมื่อนำแก๊ส N2 จำนวน 200 cm3 ที่อุณหภูมิ 25 oC ความดัน 250 torr มาผสมกับแก๊ส O2 ที่มีปริมาตร 350 cm3 อุณหภูมิ 25 oC และความดัน 300 torr ในภาชนะที่มีปริมาตร 300 cm3 จงหาความดันรวมของแก๊สผสม สำหรับ N2: V1 = 200 cm3 P1 = 250 torr V = 300 cm3 PN2 = ? P1V1 PN2 = V = (250 torr)(200 cm3) 167 torr = (300 cm3) PO2 = (300 torr)(350 cm3) 350 torr = (300 cm3) Ptot = PN2 + PO2 = 167 + 350 = 517 torr

การแพร่ของแก๊ส การแพร่ (Diffusion) เป็นปรากฏการณ์ที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งสู่บริเวณหนึ่ง โดยเคลื่อนที่จากบริเวณที่ความเข้มข้นของแก๊สสูงไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นแก๊สต่ำ

การแพร่ผ่าน (Effusion) เป็นกระบวนการที่แก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านช่องเล็กๆออกสู่บริเวณหนึ่ง ในระหว่างการแพร่ผ่านนี้ไม่มีการชนกันระหว่างโมเลกุล

Graham’s Law of Effusion ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส จะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส เมื่อ R คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส d คือ ความหนาแน่นของแก๊ส

ถ้าเปรียบเทียบการแพร่ของแก๊ส 2 ชนิด คือ ................(1) ................(2)

เมื่อ R1 คือ อัตราการแพร่ของแก๊สชนิดที่ 1 R2 คือ อัตราการแพร่ของแก๊สชนิดที่ 2 M1 คือ มวลโมเลกุลของแก๊สชนิดที่ 1 M2 คือ มวลโมเลกุลของแก๊สชนิดที่ 2 d1 คือ ความหนาแน่นของแก๊สชนิดที่ 1 d2 คือ ความหนาแน่นของแก๊สชนิดที่ 2

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการแพร่ของแก๊ส มวลโมเลกุลของแก๊ส แก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำมีอัตรา การแพร่เร็วกว่า แก๊สที่มีมวลโมเลกุลสูง 2.ความหนาแน่นของแก๊ส แก๊สที่มีความหนาแน่นต่ำ มีอัตราการแพร่เร็วกว่า แก๊สที่มีความหนาแน่นสูง

ตัวอย่างที่ 8 จงเรียงลำดับอัตราการแพร่ของแก๊สต่างๆ ดังนี้ NH3 , CO2 , CH4 , H2O โดยเรียงจากเร็วที่สุดไปช้าที่สุด (มวลอะตอม H=1 , C=12 , N=14 , O=16 ) วิธีทำ แก๊สใดมวลโมเลกุลน้อยจะแพร่เร็วกว่าแก๊สที่มี มวลโมเลกุลมาก สาร CH4 > NH3 > H2O > CO2 มวลโมเลกุล 16 17 18 44

ตัวอย่างที่ 9 แก๊ส NH3 กับ CO2 ตัวใดจะแพร่ได้เร็วกว่า โดยให้เปรียบเทียบ อัตราการแพร่ผ่าน (M ของ NH3 และ CO2 เท่ากับ 17 และ 44 ตามลำดับ วิธีทำ แสดงว่า แอมโมเนียมีอัตราแพร่ผ่าน(รู)ได้เร็วเป็น 1.6 เท่าของ CO2

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับแก๊ส ของเหลวและของแข็ง การทำน้ำแข็งแห้ง Purify CO2(g) เพิ่ม P CO2(l) Pure dryCO2(l) ลด T Drying เพิ่ม P, ลด T Pure dryCO2(l) ที่ P=18 atm,T= -250C CO2(s) อัดผ่านรูพรุน

การทำไนโตรเจนเหลว Air form Air without CO2 compressor N2(l) N2(g) NaOH (aq) Air without CO2 compressor กรองน้ำมัน ทำให้แห้งโดยใช้ อะลูมินา Al2O3 N2(l) N2(g) Dried air ลด T (-196oC) ลด T (-183oC) แยก O2 (1)