บทที่ 6 ของเหลวและของแข็ง (Liquids and Solids)

1. บทที่ 6 ของเหลวและของแข็ง (Liquids and Solids) gas โมเลกุลอยู่ห่างกัน (gaseous state) liquid โมเลกุลชิดกัน (condensed state) solid เพราะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (intermolecular forces)

2. Intermolecular forces(IMF) : แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เป็นของแข็งหรือของเหลว : เป็นแรงที่อ่อนกว่า แรงภายในโมเลกุล (intramolecular forces) (หรือ พันธะเคมี) 1. Dipole-dipoleforce 2. Dipole-induceddipoleforce รวมเรียกว่าVan der Waals force 3. Dispersionforce 4. Ion-dipoleforce 5. Ion-induceddipoleforce หมายเหตุHydrogenbond เป็น dipole-dipoleforce ชนิดพิเศษ

3. 1. แรงขั้วคู่ - ขั้วคู่ (dipole–dipoleforces) - เกิดระหว่างpolar molecules - เรียกpermanent dipole bond ก็ได้ - ทำให้โมเลกุลจัดตัวเพื่อมีแรงดึงดูดสูงสุด - polar molecule ที่มี dipolemoment สูง (แรง d-d มาก) เช่น HClHBrHIH2SNH3

4. 2. แรงขั้วคู่-ขั้วคู่เหนี่ยวนำ(dipole- induced dipole forces) - เกิดระหว่างpolar molecule กับ non-polar molecule เช่น H2O กับ I2 3. แรงแผ่กระจาย(dispersionforces) - เกิดระหว่างโมเลกุล ที่เป็น non-polarmolecules เช่น H2 กับ I2 - ถ้ามีขนาดของโมเลกุลใหญ่ (จำนวนอิเล็กตรอนมาก) ก็จะยิ่งมีแรงชนิดนี้มากขึ้นด้วยเช่น CH3F มีจุดหลอมเหลว –141.8 oC แต่ CCl4 กลับมีจุดหลอมเหลว –23 oC ทั้งๆ ที่ CCl4 เป็นโมเลกุล ที่ไม่มีขั้ว แต่ CH3F เป็นโมเลกุลที่มีขั้ว

5. 4. แรงไอออน–ขั้วคู่ (ion-dipoleforces) - เกิดระหว่างไอออนกับ polarmolecule - ความแรง (strength) ของแรงนี้ ขึ้นกับ * ประจุ ขนาดของไอออน * ขนาดdipole moment * ขนาดโมเลกุล

6. 5. แรงไอออน–ขั้วคู่เหนี่ยวนำ(ion–induceddipoleforces) - เกิดระหว่างไอออนกับ nonpolar molecule ซึ่งถูกแรงดึงดูดจาก ไอออนเหนี่ยวนำอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ไปข้างใดข้างหนึ่ง เกิด dipole ขึ้นได้ เรียกว่าinduced dipole - ความแรงขึ้นอยู่กับ 1. ประจุไอออน 2. polarizability - เกิดชั่วคราว

7. พันธะไฮโดรเจน(Hydrogenbond) - เป็นพันธะแบบพิเศษของdipole-dipoleforces - เกิดระหว่างอะตอม H ใน polar bond กับอะตอมลบ (ค่า EN > H) เช่น N-HO-HF-H - เป็นพันธะที่แข็งแรง (40 kJ/mol) - เช่น H2O กับ NH3

8. สถานะของเหลว(liquid state) - สภาวะโมเลกุลชิดกัน (condensed) - ศึกษาสมบัติของของเหลว คือ ความตึงผิว และความหนืด ความตึงผิว(surfacetension) : พลังงานที่ใช้ทำให้ของเหลวขยายพื้นที่ผิว (ให้โมเลกุลออกห่างกัน) - เกิดจากโมเลกุลของเหลวมีแรง IMF กับโมเลกุลรอบ ๆ ทุกทิศทาง - สำหรับโมเลกุลที่ผิวเหลือแต่แรงด้านข้างกับข้างใต้ - ส่งผลให้เหมือนชั้นโมเลกุล เป็นแผ่นฟิล์มที่ดึงกันไว้ที่ผิว

9. ถ้า intermolecularforce สูง ส่งผลให้ surfacetension สูง - intermolecularattractionระหว่างโมเลกุลเหมือนกัน = Cohesion - intermolecularattractionระหว่างโมเลกุลต่างกัน = Adhesion ตัวอย่างผลของ surface tension, cohesion / adhesion ในหลอด capillary ดังรูป (a) adhesion > cohesion (b) adhesion < cohesion (a) (b)

10. ความหนืด(Viscosity) : ความต้านทานการไหล (flow) ของของไหล (fluid) - ถ้าหนืดมาก ไหลช้าลง - โมเลกุลมี IMF มาก ความหนืดสูง - ความหนืดจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

11. ของเหลว viscosity (N.s/m2) glycerol 1.49 H2O 1.01 10-3 C2H5OH 1.20  10-3 Blood4.00  10-3 เกิด H-bond มาก ดังนั้น viscosity สูงมาก Glycerin

12. สถานะของแข็ง(solid state) ของแข็ง แบ่งออกเป็น 2 ประเภท

13. หน่วยเซลล์ (Unitcell) : หน่วยเล็กที่สุดของผลึก (crystal) ที่แสดงลักษณะการเรียงตัว ของอนุภาคได้อย่างสมบูรณ์ : แสดงตำแหน่งของไอออน โมเลกุล : จุด อนุภาค อะตอม ไอออน หรือโมเลกุล เรียกว่า จุดแลตทิซ หรือ จุดโครงผลึก (lattice point) Lattice Point

14. ชนิดของ Unit cell มี 7 ชนิด แบ่งย่อยรวมได้ 14 แบบ คือ Cubic 1. Simplecubic(SC) 2. Body - centeredcubic(BCC) 3. Face - centeredcubic(FCC) Tetragonal 4. Simple 5. Body - centered Orthorhombic 6. Simple 7. Body - centered 8. End - centered 9. Face - centered

15. ชนิดของ Unit cell(ต่อ) Rhombohedral 10. Rhombohedral Monoclinic 11. Simple 12. End - centered Triclinic 13. Triclinic Hexagonal 14. Hexagonal

16. ชนิดของ Unit cell(ต่อ)

17. Cubic แบ่งเป็น 3 ประเภท SC BCC FCC

18. เลขโคออร์ดิเนชัน (Coordinationnumber) : จำนวนอะตอมที่ห้อมล้อมอะตอมใดอะตอมหนึ่ง โดย SC, BCC, และ FCC มี coordinationnumber เท่ากับ 6, 8 และ 12 ตามลำดับ Simple Cubic Body Center Cubic Face Center Cubic

19. ความสัมพันธ์ระหว่างรัศมีอะตอมกับความยาวตามขอบของหน่วยเซลล์ความสัมพันธ์ระหว่างรัศมีอะตอมกับความยาวตามขอบของหน่วยเซลล์ จำนวนอะตอมที่บรรจุอยู่ในหน่วยเซลล์แบบ SC = 1 อะตอม BCC= 2 อะตอม FCC = 4 อะตอม

20. ประสิทธิภาพการเรียงตัว (Packingefficiency) : แสดงเปอร์เซ็นต์ของ unit cell ที่มีอะตอมอยู่ภายใน Packingefficiency = ปริมาตรอะตอมทั้งหมด X 100 ปริมาตร unit cell ตัวอย่างที่ 1 ถ้า unitcell คือ SC จงคำนวณ packing efficiency ก) หาปริมาตร unitcell ด้าน a = 2rr = a / 2 ปริมาตร unit cell = a3

21. ข) หาปริมาตร atom 1 atom = 4/3 r3 = 4/3  (a/2)3 แบบ SC 1 unitcell มีอะตอมภายในรวม = 1 atom [(1/8)  8] ดังนั้น สำหรับ SC จะมี Packingefficiency=  100 = ( /6 )  100 = 52% ดังนั้น SC = 52% BCC = 68% FCC = 74%

22. ตัวอย่างที่ 2ทองคำ (Au) มีผลึกแบบ FCC มี r = 144pm จงคำนวณความหนาแน่น (density) ของผลึกนี้ (กำหนด Au = 197 และ 1 pm = 10-10 cm) จาก ความหนาแน่น = ดูรูป FCC ; a = r = (144 pm) = 407 pm = 407  10-10 cm unit cell มีปริมาตร = a3= (407  10-10cm)3 = 6.74  10-23cm3 ปริมาตร unit cell

23. ใน1 unit cellนับจำนวนอะตอมได้ (FCC) = 4 อะตอม จะได้ว่าใน 1 โมล มี 6.02  1023 อะตอม = 197 กรัม (มวลอะตอม) ถ้ามี 4 อะตอม = = 1. 31  10-21 กรัม ความหนาแน่น = = 19.4 g/cm3 (จากการทดลองวัด d = 19.3 g/cm3) D =

24. ชนิดของผลึก - แรงต่าง ๆ ยึดอนุภาคให้เป็นผลึกแบบต่าง ๆ - มีผลต่อคุณสมบัติ * ความแข็งแกร่ง * จุดเดือด * จุดหลอมเหลว Quartz Crystal

25. ชนิดของผลึกต่างๆ

26. ของแข็งอสัณฐาน(Amorphoussolids) - อสัณฐาน (ไม่เป็นผลึก) - แก้ว (glass) 3 ประเภทใหญ่ ๆ คือ

27. การเปลี่ยนแปลงวัฏภาค(phasechanges)การเปลี่ยนแปลงวัฏภาค(phasechanges) คือ การที่สารเปลี่ยนจากวัฏภาคหนึ่งไปยังอีกวัฏภาคหนึ่ง 1. Solid - liquidequilibrium 2. Liquid - vaporequilibrium 3. Solid - vaporequilibrium

28. จุดเดือด(Boiling point, b.p.) คือ อุณหภูมิที่ของเหลวมีความดันไอ เท่ากับ ความดันบรรยากาศ (1 atm) จุดหลอมเหลว (Melting point, m.p.)คือ อุณหภูมิที่ solid และ liquid อยู่ในสภาพสมดุลไดนามิก ที่ 1 atm

29. แผนภาพวัฏภาค (Phasediagram) • - แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภูมิ ความดัน และ phase ต่าง ๆ • จุดตัดของ 3 phase เรียกจุดร่วมสาม (triple point) คือ ทั้ง 3 phase • อยู่ในภาวะสมดุลกัน • - ตัวอย่าง H2O ที่ P = 1 atm จุดเดือด = 100 oC • ถ้า P < 1 atm จุดเดือด < 100 oC