สเลอปี้

สเลอปี้หรือน้ำแข็งเกล็ดหิมะ เป็นเครื่องดื่มหวานเย็นชนิดหนึ่ง หลักการของการทำสเลอปี้เกี่ยวข้องกับ การประยุกต์ใช้ความรู้เรื่อง สมบัติคอลลิเกทีฟ สภาวะเย็นยวดยิ่ง และปรากฏการณ์นิวคลีเอชัน กล่าวคือ การทำสเลอปี้เป็นการทำให้ของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งอย่างรวดเร็ว ณ อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของของเหลวนั้น ๆ ซึ่งการลดอุณหภูมิของของเหลวให้ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งหรือการทำให้ของเหลวเกิดสภาวะเย็นยวดยิ่งอาจทำได้โดยนำของเหลวไปแช่ในภาชนะที่มีน้ำแข็งผสมเกลือซึ่งทำให้อุณหภูมิติดลบ จากนั้นทำการรบกวนระบบของของเหลวที่สภาวะเย็นยวดยิ่งเพื่อกระตุ้นให้ของเหลวที่เย็นยวดยิ่งเกิดผลึกซึ่งจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นเกล็ดน้ำแข็งอย่างรวดเร็ว

เรื่อง สมบัติคอลลิเกทีฟ (colligative properties)

สารละลายเป็นสารเนื้อเดียว เตรียมได้จากการผสมสารบริสุทธิ์ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเข้าด้วยกัน สมบัติ คอลลิเกทีฟ (colligative properties) เป็นสมบัติของสารละลายที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย ซึ่งมีอยู่ 4 ประการ ดังนี้

1. การเพิ่มขึ้นของจุดเดือด (boiling point elevation)

2. การลดลงของจุดเยือกแข็ง (freezing point depression)

3. การลดลงของความดันไอ (vapor pressure lowering)

4. การเกิดความดันออสโมติก (osmotic pressure)

ในที่นี้จะกล่าวถึงรายละเอียดสมบัติคอลลิเกทีฟเฉพาะการเพิ่มขึ้นของจุดเดือด และการลดลงของจุดเยือกแข็งโดยจุดเดือดของสารละลายจะสูงกว่าจุดเดือดของตัวทำละลายบริสุทธิ์ ส่วนจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็งของสารละลายจะต่ำกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็งของตัวทำละลายบริสุทธิ์

สภาวะเย็นยวดยิ่ง (supercooled state)

เป็นที่ทราบกันดีว่าเมื่อลดอุณหภูมิของของเหลวจนถึงจุดเยือกแข็ง (freezing point) ของเหลวจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง การเปลี่ยนสถานะของของเหลวดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ถ้าของเหลวนั้นมีอนุภาคของของแข็ง เช่น ฝุ่นละออง ปนอยู่การเปลี่ยนสถานะของของเหลวเป็นของแข็งรวมทั้งการเกิดผลึก โมเลกุลของของเหลวจะยึดเกาะกับอนุภาคของของแข็งซึ่งทำหน้าที่เป็นแกนกลางหรือนิวเคลียส (nucleus) แม้จะมีอนุภาคของแข็งปนอยู่ในของเหลวในปริมาณที่น้อยมากการเปลี่ยนสถานะของของเหลวเป็นของแข็งที่จุดเยือกแข็งสามารถเกิดขึ้นได้ ในกรณีที่ของเหลวมีความบริสุทธิ์มาก ๆ หรือสารละลายที่ไม่มีอนุภาคของของแข็งปนอยู่ แม้จะลดอุณหภูมิจนต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ของเหลวยังมีสถานะเป็นของเหลว เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า สภาวะเย็นยวดยิ่ง (supercooled state) เช่น น้ำมีจุดเยือกแข็งที่อุณหภูมิ 0 ℃ ดังนั้น น้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 ℃ แต่หลายครั้งที่เมื่อนำน้ำดื่มที่บรรจุในขวดพลาสติกที่ยังไม่เปิดฝา ไปแช่ในช่องแช่แข็งที่อุณภูมิต่ำกว่า 0 ℃ เป็นเวลาหลายชั่วโมงน้ำยังคงสถานะของเหลวเช่นเดิม ที่เป็นเช่นนี้เพราะในน้ำบริสุทธิ์ไม่มีอนุภาคของของแข็งให้โมเลกุลของน้ำยึดเกาะ จากการศึกษาพบว่าน้ำที่บริสุทธิ์มาก ๆ สามารถคงสถานะของเหลวได้จนถึงอุณหภูมิ -40 ℃ จึงเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งอุณหภูมิที่ของเหลวเย็นยวดยิ่งเปลี่ยนเป็นของแข็งได้เองโดยไม่มีการรบกวนระบบเรียกว่า จุดนิวคลีเอชัน (nucleation point)

จุดนิวคลีเอชัน

การรบกวนระบบของสารที่เย็นยวดยิ่ง (supercooled substances) จะทำให้สารที่มีสถานะเป็นของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งอย่างรวดเร็ว เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า นิวคลีเอชัน (nucleation) การรบกวนระบบที่ทำให้เกิดนิวคลีเอชันสามารถทำได้หลายวิธี เช่น การหย่อนอนุภาคของแข็งลงในสารที่เย็นยวดยิ่ง อนุภาคที่เป็นของแข็งจะทำหน้าที่เป็นแกนกลางให้โมเลกุลของของเหลวยึดเกาะและกลายเป็นของแข็งหรือตกผลึก ทันทีที่ของเหลวเย็นยวดยิ่งมีเกล็ดของแข็งหรือผลึกแรกเกิดขึ้น กระบวนการนิวคลีเอชันจะเกิดขึ้นต่อเนื่องและรวดเร็วทำให้ของเหลวเย็นยวดยิ่งกลายเป็นของแข็งทั้งหมด