สสารและการจำแนก

สาร และ สมบัติของสาร

           สสาร ( Matter ) หมายถึงสิ่งที่มีมวล ต้องการที่อยู่ และ สามารถสัมผัสได้โดยประสาทสัมผัสทั้ง 5 เช่น ดิน น้ำ อากาศ ฯลฯ ภายใน สสารเป็นเนื้อของสสาร เรียกว่า สาร ( Substance )

           สาร ( Substance ) คือ สสารที่ทราบสมบัติ หรือ สสารที่จะศึกษา ดังนั้นจึงเป็นสสารที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งจะมีสมบัติของสาร
     2 ประเภท คือ
     - สมบัติกายภาพ ( Physical Property ) หมายถึง สมบัติที่สังเกตได้จากลักษณะภายนอก และ เกี่ยวกับวิธีการทางฟิสิกส์ เช่น ความหนาแน่น , จุดเดือด , จุดหลอมเหลว
     - สมบัติทางเคมี ( Chemistry Property ) หมายถึง สมบัติที่เกิดขึ้นจากการทำปฏิกิริยาเคมี เช่น การติดไฟ , การเป็นสนิม , ความเป็น กรด - เบส ของสาร

           

การเปลี่ยนแปลงสาร
           การเปลี่ยนแปลงสาร แบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ
     - การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ( Physical Change ) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของสารที่เกี่ยวกับสมบัติกายภาพ โดยไม่มีผลต่อ องค์ประกอบภายใน และ ไม่เกิดสารใหม่ เช่น การเปลี่ยนสถานะ , การละลายน้ำ

     - การเปลี่ยนแปลงทางทางเคมี ( Chemistry Change ) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของสารที่เกี่ยวข้องกับสมบัติทางเคมีซึ่งมีผลต่อองค์ประกอบภายใน และจะมีสมบัติต่างไปจากเดิม นั่นคือ การเกิดสารใหม่ เช่น กรดเกลือ ( HCl ) ทำปฏิกิริยากับลวด แมกนีเซียม ( Mg ) แล้วเกิดสารใหม่ คือ ก๊าซไฮโดรเจน ( H₂ )

การจัดจำแนกสาร
          จะสามารถจำแนกออกเป็น 4 กรณี ได้แก่
          1. การใช้สถานะเป็นเกณฑ์ แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม คือ
          - สถานะที่เป็นของแข็ง ( Solid ) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรคงที่ ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดติดกัน เช่น ด่างทับทิม ( KMnO₄ ) , ทองแดง ( Cu )
          - สถานะที่เป็นของเหลว ( Liquid ) จะมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ และ มีปริมาตรที่คงที่ ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดกันน้อยกว่าของแข็ง และ มีสมบัติเป็นของไหล เช่น น้ำมัน , แอลกอฮอล์ , ปรอท ( Hg ) ฯลฯ
          - สถานะที่เป็นก๊าซ ( Gas ) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรที่ไม่คงที่ โดยรูปร่าง จะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ อนุภาคภายในจะอยู่ ห่างกันมากที่สุด และ มีสมบัติเป็นของไหลได้ เช่น ก๊าซหุงต้ม , อากาศ

          2. การใช้เนื้อสารเป็นเกณฑ์ จะมีสมบัติทางกายภาพของสารที่ได้จากการสังเกตลักษณะความแตกต่างของเนื้อสาร ซึ่งจะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม คือ
          - สารเนื้อเดียว ( Homogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารเหมือนกันทุกส่วน ทำให้สารมีสมบัติเหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น แอลกอฮอล์ , ทองคำ ( Au ) , โลหะบัดกรี
          - สารเนื้อผสม ( Heterogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารแตกต่างกันในแต่ละส่วน จะทำให้สารนั้นมีสมบัติ ไม่เหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น น้ำอบไทย , น้ำคลอง ฯลฯ

          3. การละลายน้ำเป็นเกณฑ์ จะจำแนกได้ออกเป็น 3 กลุ่ม คือ
          - สารที่ละลายน้ำได้ เช่น เกลือแกง ( NaCl ) , ด่างทับทิม ( KMnO₄ ) ฯลฯ
          - สารที่ละลายน้ำได้บ้าง เช่น ก๊าซคลอรีน ( Cl₂ ) , ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ( CO₂ ) ฯลฯ
          - สารที่ไม่สามารถละลายน้ำได้ เช่น กำมะถัน ( S₈ ) , เหล็ก ( Fe ) ฯลฯ

         4. การนำไฟฟ้าเป็นเกณฑ์  จะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่
          - สารที่นำไฟฟ้าได้ เช่น ทองแดง ( Cu ) , น้ำเกลือ ฯลฯ
          - สารที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น หินปูน ( CaCO₃ ) , ก๊าซออกซิเจน ( O₂ )

 แต่โดยส่วนใหญ่นักเคมี จะแบ่งสารตามลักษณะเนื้อสารเป็นเกณฑ์ ดังนี้

       สารบริสุทธิ์ ( Pure Substance ) คือ สารเนื้อเดียวที่มีจุดเดือด และ จุดหลอมเหลวคงที่

       ธาตุ ( Element ) คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียวกัน เช่น คาร์บอน ( C ) , กำมะถัน ( S₈ )

       สารประกอบ ( Compound Substance ) เกิดจากธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมกัน โดยมีอัตราส่วนในการร่วมกันคงที่แน่นอนได้แก่ กรดน้ำส้ม ( CH₃COOH ) , กรดไฮโดรคลอริก ( HCl ) ฯลฯ

       ของผสม ( Mixture ) หมายถึง สารที่เกิดจากการนำสารตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาผสมกันโดยไม่จำกัดส่วนผสม และ ในการผสมกัน
      นั้นไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารองค์ประกอบที่นำมาผสมกัน ซึ่งมี 3 ประเภท ได้แก่

      1. สารละลาย ( Solution Substance ) เป็นสารเนื้อเดียวที่มีสัดส่วนในการรวมกันของธาตุ หรือ สารประกอบไม่คงที่ไม่สามารถเขียนสูตรได้อย่างแน่นอน และ มีขนาดอนุภาคที่เล็กกว่า 10^-7 เซนติเมตร ซึ่งมี 3 สถานะ เช่น อากาศ , น้ำอัดลม , นาก , และ โลหะผสม ทุกชนิด ฯลฯ ซึ่งสารละลายจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่ ตัวทำละลาย ( Solvent ) และ ตัวถูกละลาย ( Solute ) จะมีข้อสังเกต ดังนี้
       - สารใดที่มีปริมาณมากจะเป็นตัวทำละลาย และ สารใดมีปริมาณน้อยจะเป็นตัวถูกละลาย เช่น
      แอลกอฮอล์ฆ่าเชื้อ มีเอทานอล 70 % และ น้ำ ( H₂O ) 30 %  หมายความว่า น้ำจะเป็นตัวถูกละลาย และ เอทานอลเป็นสารละลาย เพราะแอลกอฮอล์มีปริมาณตามเปอร์เซนต์ที่มากกว่าน้ำ
      - สารใดที่มีสถานะเช่นเดียวกับสารละลายเป็นตัวทำละลาย เช่น
     น้ำเชื่อม ซึ่งน้ำเชื่อมจัดอยู่ในสภาพที่เป็นของเหลว ( Liquid ) ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า น้ำเป็นตัวทำละลาย และ น้ำตาลทราย ( C₁₂H₂₂O₁₁ ) เป็นตัวถูกละลาย

     2. สารแขวนลอย ( Suspension Substance ) คือ สารที่เกิดจากอนุภาคขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่มากกว่า 10^-4 เซนติเมตร ซึ่งจะลอยกระจายอยู่ในตัวกลางโดยอนุภาคที่มีอยู่ในของผสมนั้นมีขนาดใหญ่ จึงสามารถมองเห็นอนุภาคในของผสมได้อย่างชัดเจน เมื่อตั้งทิ้งไว้  อนุภาคจะตกตะกอนลงมา ซึ่งสารแขวนลอยนั้นจะไม่สามารถผ่านได้ทั้งกระดาษกรอง และ กระดาษเซลโลเฟน เช่น โคลน , น้ำอบไทย

     3. คอลลอยด์ ( Colliod ) จะประกอบด้วยอนุภาคขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 10^-4 และ 10^-7 เซนติเมตร ซึ่งจะไม่มีการตกตะกอน  สามารถกระเจิงแสงได้ ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า " ปรากฏการณ์ทินดอลล์ " และ ภายในอนุภาคก็มีการเคลื่อนที่แบบบราวน์เนียน( Brownian Movement ) กล่าวคือ เป็นการเคลื่อนที่ที่ไม่แน่นอน ในแนวเส้นตรง ซึ่งจะสามารถส่องดูได้จากเครื่องที่เรียกว่า " อัลตราไมโครสโคป " ( Ultramicroscope ) ซึ่งคอลลอยด์จะสามารถผ่านกระดาษกรองได้ แต่ไม่สามารถผ่านกระดาษเซลโลเฟนได้ เช่น กาว , นมสด

          คอลลอยด์ในชีวิตประจำวัน

     คอลลอยด์มีหลายชนิด ดังนี้

          คอลลอยด์ที่พบในชีวิตประจำวัน คือ อิมัลชัน ( Emulsion ) โดยอิมัลชัน คือ คอลลอยด์ที่เกิดระหว่างของเหลว กับของเหลว ซึ่ง สามารถปนเป็นเนื้อเดียวกันได้โดยมีอิมัลซิฟายเออร์ ( Emulsifier ) เป็นตัวประสาน  เช่น  น้ำ + น้ำมัน ( ไม่สามารถรวมตัวกันได้ ) ดังนั้น น้ำสบู่จึงเป็นอิมัลซิฟายเออร์เป็นตัวประสานจึงสามารถรวมตัวกันได้

การทดสอบความบริสุทธิ์ของสาร
มี 3 ประเภท ได้แก่

          1. การหาจุดเดือด ( Boiling Point ) การที่สารไม่บริสุทธิ์ หรือ สารละลายจุดเดือดไม่คงที่ เกิดจากอัตราส่วนระหว่างจำนวนโมเลกุลของตัวถูกละลาย และ ตัวทำละลาย เปลี่ยนแปลงไปโมเลกุลที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยไปเร็วกว่าทำให้สารที่มีจุดเดือดสูงใน อัตราส่วนที่ มากกว่าจึงเป็นผลให้จุดเดือดสูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

          2. การหาจุดหลอมเหลว ( Melting Point ) จะสามารถทดสอบกับสารที่บริสุทธิ์ และสารที่ไม่บริสุทธิ์ได้ โดย
     - สารบริสุทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และ มีอุณหภูมิช่วงการหลอมเหลวแคบ
    - สารไม่บริสุทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวไม่คงที่ และ มีอุณหภูมิในช่วงการหลอมเหลวกว้างซึ่งอุณหภูมิฃ่วงการหลอม หมายถึง อุณหภูมิที่สารเริ่มต้นหลอมจนกระทั่งสารนั้นหลอมหมดโดยในอุณหภูมิช่วงการหลอม ถ้าแคบต้องไม่เกิน 2 องศาเซลเซียส โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

           3. การหาจุดเยือกแข็ง ( Freezing Point ) จะสามารถทดสอบกับสารบริสุทธิ์ และ สารไม่บริสุทธิ์ ซึ่งไม่ค่อยนิยม เพราะจะต้อง ใช้เวลานานมากในการหาจุดเยือกแข็ง โดย
      - สารบริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งคงที่
     - สารไม่บริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งไม่คงที่
       โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

การแยกสาร  
ใช้ในการแยกสารประกอบซึ่งมี 7 วิธี ได้แก่

       1. การกลั่น
         เหมาะสำหรับแยกของเหลวที่ปนเป็นเนื้อเดียวกัน โดยทำให้ของเหลวกลายเป็นไอ แล้วทำให้ควบแน่นเป็นของเหลวอีก แบ่งออก เป็น 2 ประเภท คือ
       - การกลั่นธรรมดา  เหมาะสำหรับสารที่มีจุดเดือดต่างกันประมาณ 80 องศาเซลเซียส ขึ้นไป แต่อุณหภูมิตั้งแต่ 40 องศาเซลเซียส
      ก็จะเกิดกระบวนการแล้ว

      - การกลั่นลำดับส่วน  เหมาะสำหรับสารที่มีจุดเดือดต่างกันเพียงเล็กน้อย ซึ่งจะมีข้อเสีย คือ จะใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก และมีความสลับซับซ้อน การกลั่นลำดับส่วนบางครั้งไม่ได้แยกสารให้บริสุทธิ์ แต่แยกเพื่อประโยชน์ในการนำไปใช้ เช่น การแยกน้ำมันดิบ โดยจะแยกพวกที่มีจุดเดือดใกล้เคียงไว้ด้วยกัน แต่ถ้าสารที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกันมาก แต่ไม่มีเครื่องกลั่นลำดับส่วนก็สามารถกลั่นได้ด้วยเครื่องกลั่นธรรมดา แต่จะต้องกลั่นหลาย ๆ ครั้ง จนกระทั่งจุดเดือด และจุดหลอมเหลวคงที่

         2. การใช้กรวยแยก
           เหมาะสมกับสารที่เป็นของเหลว และ จะต้องเป็นสารที่ไม่ละลายต่อกัน หรือ จะต้องมีขั้วต่างกัน เช่น น้ำ และ น้ำมัน

         3. การกรอง
           เหมาะสำหรับของแข็งที่ไม่ละลายน้ำ หรือ ของแข็งที่ละลายน้ำ และ ไม่ละลายน้ำปนอยู่ด้วยกัน เช่น หินปูน และ น้ำ

        4. การตกผลึก
          เหมาะสำหรับสารที่สามารถละลายได้เป็นปรากฏการณ์ที่ตัวถูกละลายที่เป็นของแข็ง แยกตัวออกจากสารละลายได้เป็นของแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิต โดยสารใด ๆ ที่ละลายในน้ำอยู่ในจุดอิ่มตัวจะตกเป็นผลึก ถ้ามากเกินพอจะเป็นการตกตะกอนของสาร

        5. การสกัดด้วยไอน้ำ
          เหมาะสมสำหรับการสกัดพวกน้ำมันหอมระเหยจากพืช และ การทำน้ำหอม ( CH₃COOH₂O ) โดยมีหลักสำคัญ ดังนี้
       - จุดเดือดต่ำจะระเหยง่าย ถ้าเป็นสารที่มีจุดเดือดสูง จะต้องการกลั่นโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงความดันในระบบ
       - สารส่วนใหญ่ไม่ละลายน้ำ

        6. การสกัดด้วยตัวทำละลาย
         เหมาะสมกับสารที่ระเหยง่าย โดยมีหลักสำคัญดังนี้
      - ถ้าสารมีความสามารถในการละลายในตัวทำละลายต่างชนิดกันสามารถแยกสารออกจากกันได้
      - หลักการเลือกตัวทำละลายที่ดี คือ ต้องเลือกตัวทำละลายที่ดี คือ ต้องเลือกตัวทำละลายที่ละลายสารที่ต่างกัน การสกัดออกมามากที่สุด และสิ่งเจือปนนั้นจะต้องติดมาน้อยที่สุด

         7. การโครมาโทรกราฟี
         เหมาะสมสำหรับการแยกสารที่มความสามารถในการละลาย และ ดูดซับไม่เท่ากัน , สารที่มีปริมาณน้อย และ ไม่มีสี โดยหลักสำคัญ มีดังนี้
      - ในการทดลองทุกครั้งจะต้องปิดฝา เพื่อป้องกันตัวทำละลายแห้ง ในขณะที่เคลื่อนที่บนตัวดูดซับ
      - ถ้าสารเคลื่อนทีใกล้เคียงกันมาก แสดงว่าสารมีความสามารถในการละลาย และ ดูดซับได้ใกล้เคียง และ จะแก้ไขได้โดย การเปลี่ยนตัวทำละลาย หรือ เพิ่มความยาวของดูดซับได้ แต่สารที่เคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากันในตัวทำละลาย และ ตัวดูดซับใกล้เคียงกัน มักจะสรุปได้ว่าสารนั้นเป็นสารเดียวกัน
               โดยวิธีนี้สามารถทำให้สารบริสุทธิ์ได้ โดยตัดแบ่งสารที่ต้องการละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสม แล้วระเหยตัวทำละลายนั้นทิ้งไป แล้วนำสารนั้นมาทำการโครมาโทรกราฟีใหม่ จนได้สารบริสุทธิ์

การคำนวณหาค่า R_f  ( Rate of Flow )  เพื่อนำมาคำนวณค่าของสารละลาย