Introduction to Chemistry เคมีทั่วไป728111-2549 Introduction to Chemistry Chemistry เป็นวิทยาศาสตร์ทางการทดลอง (experimental science) โดยศึกษาสมบัติของสสาร การเปลี่ยนแปลงของสสารเมื่อมีการเกิดปฏิกิริยากับสสารอื่นหรือเมื่อมีการรับหรือให้พลังงาน

การศึกษาการเกิดปรากฏการณ์ต่างๆที่เกิดขึ้นบนโลกมนุษย์ สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ 1.การเปลี่ยนแปลงโลกมหทรรศน์ (macroscopic world) เช่น การเกิดสนิมเหล็ก 2. การเปลี่ยนแปลงระดับจุลทรรศน์ (miscropic world) ศึกษาสมบัติและพฤติกรรมต่างๆของโลหะในระดับอะตอม และการสร้างพันธะในระดับโมเลกุล ต้องใช้เครื่องมือ

เคมีซึ่งใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆที่แตกต่างกันเป็น 5 สาขา เคมีอินทรีย์ (Organic chemistry) ศึกษาสมบัติและปฏิกิริยาเคมี ของสารประกอบ ที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบและการสังเคราะห์สารอินทรีย์ 2. เคมีอนินทรีย์ (Inorganic chemistry) ศึกษาสมบัติ และปฏิกิริยาเคมี ของธาตุทั้งหมดและสารประกอบที่เกิดขึ้น ในตารางธาตุ การสร้างสารประกอบเชิงซ้อน 3. เคมีเชิงฟิสิกส์ (Physical chemistry) เป็นศึกษาเกี่ยวกับกฎ ทฤษฎี และสมมติฐานของเคมีเพื่อใช้อธิบายปฏิกิริยาต่างๆ ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของสสาร ในด้านพลังงาน

4. เคมีวิเคราะห์ (Analytical chemistry) เป็นการศึกษาเกี่ยวกับการหา ส่วนประกอบของสาร าธาตุ หรือสารประกอบ โดยแบ่งได้เป็นอีก 2 สาขาได้แก่ 4.1 การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (Qualitative analysis) เป็นการศึกษาหาองค์ประกอบของสสาร โดยใช้เครื่องมือ 4.2 การวิเคราะห์เชิงปริมาณ (Quantitative analysis) หาปริมาณ ของธาตุ หรือ สารประกอบ ที่รวมกันเข้าเป็นองค์ประกอบของสารนั้น 5. ชีวเคมี (Biochemistry) ศึกษาสารเคมีที่เกี่ยวข้องในสิ่งมีชีวิต เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ไขมัน เกลือแร่ วิตามิน ตลอดจนเอ็นไซน์และฮอร์โมนต่างๆ

ขั้นตอนวิธีการทางวิทยาศาสตร์

กฎ (law) หมายถึง การนำเอาทฤษฎี หรือ สมมติฐานมาพิสูจน์ หรือทดสอบโดย การทดลองหรืออยู่ในรูปสมการคณิตศาสตร์โดยมีตัวแปร และ สัญลักษณ์ต่างๆซึ่งเห็นจริง สมมติฐาน (hypothesis) หมายถึง เป็นข้อความที่อธิบาย หรือ ให้เหตุผลเกี่ยวกับที่มาของกฎ ทฤษฎี (theory) หมายถึง ข้อมูลหลัก ซึ่งผ่านการตรวจสอบ ทดลองได้ว่าเป็นจริง

สสาร (Matter) สสาร (Matter) : สิ่งที่มีมวลและต้องการที่อยู่ สารวิวิธพันธ์ : สารที่ไม่รวมเป็นเนื้อเดียวกัน สารเอกพันธ์ : สารที่มีเนื้อเดียวกันตลอด

การจำแนกสสาร (Classification of Matter) ไม่จำเป็นต้องมีอัตราส่วนขององค์ ประกอบที่แน่นอน จำเป็นต้องมีอัตราส่วนขององค์ ประกอบที่แน่นอน ของผสม (Mixture) การแยกทางกายภาพ สารบริสุทธ์ (Pure Substance) สารวิวิธพันธ์ (Heterogeneous Mixture) สารเอกพันธ์ (Homogeneous Mixture) สารประกอบ (Compound) ธาตุ (Element) การแยกทางกายภาพ การแยกทางเคมี

-สารบริสุทธิ์ (pure compounds) คือ สารที่มีองค์ประกอบคงที่ และมีสมบัติเฉพาะตัว ซึ่งแยกออกได้เป็น 2 ชนิด คือ ธาตุและสารประกอบ -ธาตุ (elements) คือ สารบริสุทธิ์ ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน -สารประกอบ (compounds) คือ การรวมตัวของธาตุตั้งแต่ 2ธาตุขึ้นไป โดยมีอัตราส่วน ที่แน่นอน เช่น H2O HCl H2SO4(ของเหลว) CuSO4 (ของแข็ง) CO2(แก๊ส)

-อะตอมซึ่งจะมีองค์ประกอบเป็น อิเล็กตรอน นิวตรอน โปรตอน -อะตอมซึ่งจะมีองค์ประกอบเป็น อิเล็กตรอน นิวตรอน โปรตอน โปรตอน คือ อนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม นิวตรอน คือ อนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอน คือ อนุภาคที่มีประจุลบอยู่รอบๆนิวเคลียสของอะตอม โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน

สมบัติของสสาร สมบัติทางกายภาพ (Physical Properties) สมบัติของสสารที่สามารถวัดได้โดยไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี เช่น สี ขนาด ความหนาแน่น การนำไฟฟ้า จุดหลอมเหลว จุดเดือด สมบัติทางเคมี (Chemical Properties) สมบัติที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสสาร เช่น ติดไฟได้ ทำปฏิกิริยากับอากาศ ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ การเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงทางเคมี มีการเปลี่ยนแปลงชนิดของสาร การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ไม่มีการเกิดสารชนิดใหม่

สถานะของสาร (State of Matter) รูปแบบการจัดเรียงตัวของอนุภาคของสสาร ซึ่งส่งผลให้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสสารและสมบัติทางกายภาพของสสารที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน ของแข็ง (Solid) ของเหลว (Liquid) แก๊ส (Gas) การเปลี่ยนสถานะของสสารไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงทางเคมี

พลังงาน (Energy) ความสามารถในการทำงาน ไม่มีมวลและปริมาตร ความสามารถในการทำงาน ไม่มีมวลและปริมาตร Kinetic energy : พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของสสาร เช่นพลังงานกล พลังงานแสง พลังงานไฟฟ้า Potential energy : พลังงานที่สะสมอยู่ในสสารที่อยู่นิ่ง เช่น พลังงานในอาหาร พลังงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วง พลังงานสามารถถ่ายเทระหว่างสสารกับสิ่งแวดล้อม หรือระหว่างสสารด้วยกันได้ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปได้ เช่น พลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ พลังงานศักย์ในอาหารเป็นพลังงานความร้อน

กฎพื้นฐาน (Fundamental Laws) กฎพื้นฐานที่มีความสำคัญกับการศึกษาวิชาเคมี กฎทรงมวล (Law of Conservation of Mass): มวลของสารก่อนทำปฏิกิริยา เท่ากับมวลของสารหลังทำปฏิกิริยา กฎทรงพลังงาน (Law of Conservation of Energy): พลังงานเป็นสิ่งไม่สูญหาย แต่เปลี่ยนจากรูปหนึ่งเป็นอีกรูปหนึ่งได้ กฎสัดส่วนคงที่ (Law of Definite Proportions) : สารเคมีบริสุทธิ์ใดก็ตาม ธาตุที่เป็นองค์ประกอบของสารนั้น จะมีสัดส่วนโดยมวลคงที่เสมอ

หน่วยและการวัด (Measurement Units) การศึกษาวิทยาศาสตร์จะเกี่ยวข้องกับการวัดปริมาณต่าง ๆ เสมอ การวัด (Measurement) คือการศึกษาสมบัติ (property) ต่าง ๆ ของระบบที่เราสนใจ โดยการวัดปริมาณที่เกี่ยวข้องกับสมบัตินั้น ๆ เช่น น้ำหนัก ปริมาตร ความหนาแน่น การดูดหรือคายพลังงาน ระดับชั้นพลังงาน หน่วยวัด (Measuring unit) ค่าที่ได้จากการวัดจะต้องระบุหน่วยวัดเสมอ เพื่อใช้เป็นตัวอ้างอิง โดยหน่วยวัดที่ใช้ขึ้นกับความนิยมหรือจุดประสงค์ในการวัด หน่วยวัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น ระบบเมตริก และ ระบบ SI* ปริมาณที่ไม่มีหน่วย ถือว่าไม่มีความหมาย! เช่น ระยะทาง 10.5 (ไม่สามารถบอกได้ว่ายาวแค่ไหน)

ระบบ SI (SI Units) SI unit (International System Unit หรือ Système international d'unités) เป็นหน่วยสากลที่ใช้ในปัจจุบันในทางธุรกิจและวิทยาศาสตร์ หน่วยหลัก (SI base units) ของ ระบบ SI ปริมาณ หน่วย สัญลักษณ์ ความยาว Metre m มวล Kilogram kg เวลา Second s อุณหภูมิ Kelvin K ปริมาณสาร Mole mol กระแสไฟฟ้า Ampere A ความเข้มของแสง Candela Cd

ระบบ SI (SI Units) หน่วยอนุพันธ์ (derived unit) ของ SI ตัวอย่าง ความเร็ว พลังงาน(จลน์) ปริมาณ หน่วย สัญลักษณ์ ความหมาย ความถี่ Hertz Hz s1 แรง Newton N kg m s 2 พลังงาน Joule J kg m2 s 2 ความดัน Pascal Pa kg s 2 m 1

ตัวคูณหน่วย เพื่อให้หน่วยที่ใช้มีความเหมาะสมกับปริมาณค่าที่วัด เราอาจใช้ตัวคูณ (Prefix) กับหน่วยวัดได้ คำนำหน้า สัญลักษณ์ เลขคูณ mega M 106 kilo k 103 deci d 10-1 centi c 10-2 milli m 10-3 micro  10-6 nano n 10-9

หน่วยวัดอื่นๆ ที่นิยมใช้ ความยาว (L) angstrom (A) = 1x10-10 m decimetre (dm) = 10 cm = 0.1 m อุณหภูมิ (T) degree celcius (°C) = T(K) – 273.15 ปริมาตร (V) litre (L) = 1000 ml = 1 dm3 ความดัน (P) atmosphere (atm) = 101 325 Pa = 1.01325 bar bar = 105 Pa พลังงาน (E) calorie (cal) = 4.182 J

การแปลงหน่วยและการเลือกใช้หน่วย เราสามารถแปลงหน่วยวัดได้ (ต้องเป็นหน่วยวัดของปริมาณแบบเดียวกัน) โดยใช้การเทียบค่าหรือใช้ตัวแปลงหน่วย (conversion factor) 1 kg = 1000 g  2.5 kg = 2.5 (1000 g) = 2500 g 1 m = 100 cm  0.5 m3 = 0.5 (100 cm)3 = 0.5 x 106 cm3  10 cm3 = 10 (1/100 m)3 = 10x10-6 m3 1 bar = 1 bar (1) = 1 bar (atm/1.013 bar) = 0.987 atm ค่าคงที่อาจมีค่าแตกต่างกันได้ขึ้นกับหน่วยที่ใช้ เช่น ค่าคงที่ของแก๊ส: R = 8.314 J K-1 mol-1 = 0.082 L atm K-1 mol-1

เลขนัยสำคัญ (Significant Figures) ปริมาณต่าง ๆ ที่วัดได้จะมีความคลาดเคลื่อนเนื่องจากการวัดหรือการอ่านค่าเสมอ ตัวเลขที่เขียนไว้เพื่อแสดงผลของการวัดโดยรวมเอาตัวเลขที่ยังมีความสงสัย (ประมาณ) อยู่ด้วยหนึ่งตำแหน่ง เรียกว่า เลขนัยสำคัญ ความคลาดเคลื่อนของปริมาณต่าง ๆ ระบุได้โดยจำนวนของเลขนัยสำคัญ จำนวนเลขนัยสำคัญน้อย มีความคลาดเคลื่อนมาก จำนวนเลขนัยสำคัญมาก มีความคลาดเคลื่อนน้อย เช่น ความยาว 1.5 m จะมีความคลาดเคลื่อนมากกว่าความยาว 1.54 m

การนับจำนวนเลขนัยสำคัญ กฎการนับจำนวนเลขนัยสำคัญ นับ ... ตัวเลขที่ไม่ใช่ศูนย์ทุกตัว เลขศูนย์ที่อยู่ระหว่างเลขนัยสำคัญตัวอื่น เลขศูนย์ที่อยู่หลังเลขทศนิยมและต้องตามหลังเลขนัยสำคัญตัวอื่น การเขียนเลขเชิงวิทยาศาสตร์สามารถใช้ในการกำหนดจำนวนเลขนัยสำคัญได้ ตัวอย่าง 8.4135 0.00457 100 0.0700 3.45 x 10-5 1.005 3,500.0 12.0 1.00 x 102 5 3 1 3 3 4 5 3 3

การคำนวณเลขนัยสำคัญ การบวก/ลบ เลขนัยสำคัญ การคูณ/หาร เลขนัยสำคัญ บวก/ลบ ตามปกติ ปัดตัวเลขสุดท้ายให้มีจำนวนเลขทศนิยมเท่ากับตัวเลขที่มีเลขทศนิยมน้อยที่สุด การคูณ/หาร เลขนัยสำคัญ คูณ/หาร ตามปกติ ปัดตัวเลขสุดท้ายให้มีจำนวนเลขนัยสำคัญเท่ากับตัวเลขที่มีจำนวนเลขนัยสำคัญน้อยที่สุด 1.25 + 3.4445 +2.735 = 7.4295 = 7.43 (3) (1.002 x 1.5) / 30.0 = 0.0501 = 0.050 หรือ 5.0 x 10-2 (2) (1.002 x 1.5) / 30 = 0.0501 = 0.05 หรือ 5 x 10-2 (1) ไข่ 1 ฟอง หนัก 30.58 g ไข่ 1 โหล หนักเท่าไร 30.58 x 12 = 366.96 g = 367.0 g (4) (12 เป็นค่าที่ไม่ใช่ค่าจากการวัด)

จากหน่วยเคลวิน (K) องศาเซลเซียส (C) จากองศาเซลเซียส(C) องศาฟาเรนศ์ไฮด์ (F) C = (F-32) หรือ (F) = (C) + 32

แบบฝึกหัด จงระบุว่าสมบัติของเหล็กต่อไปนี้เป็นสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมี จุดหลอมเหลวเท่ากับ 1811 K เกิดสนิมเมื่อมีความชื้น ความหนาแน่นเท่ากับ 7.86 g/cm3 ไม่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับน้ำตาลทราย จงจำแนกสารต่อไปนี้ว่าเป็นชนิดใด นม น้ำตาลทราย พริกกับเกลือ อากาศ สร้อยเงิน 100% กล่องลูกบาศก์ยาวด้านละ 1.00 m จำนวน 2 กล่อง มีปริมาตรกี่ ml อะตอมทองแดงหนัก 63.546 amu ทองแดง 20 อะตอมหนักเท่าใด แก๊ส 1.00 โมล มีปริมาตรเท่าใดที่ความดัน 1.00 bar อุณหภูมิ 20.0 °C