หน่วยที่ 1 การแยกสาร

กิจกรรมที่ 1 องค์ประกอบของสารเนื้อเดียว

หน่วยที่ 1 การแยกสาร

สสาร ( Matter ) หมายถึงสิ่งที่มีมวล ต้องการที่อยู่ และ สามารถสัมผัสได้โดยประสาทสัมผัสทั้ง 5 เช่น ดิน น้ำ อากาศ ฯลฯ

ภายในสสารเป็นเนื้อของสสาร 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 แบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ

- การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ( Physical Change ) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของสารที่เกี่ยวกับ

สมบัติกายภาพ โดยไม่มีผลต่อ องค์ประกอบภายใน และ ไม่เกิดสารใหม่ เช่น การเปลี่ยนสถานะ

การละลายน้ำ

- การเปลี่ยนแปลงทางทางเคมี ( Chemistry Change ) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของสารที่เกี่ยวข้อง

กับสมบัติทางเคมีซึ่งมีผลต่อองค์ประกอบภายใน 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 ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดกัน

น้อยกว่าของแข็ง และ มีสมบัติเป็นของไหล เช่น น้ำมัน , แอลกอฮอล์ , ปรอท ( Hg ) ฯลฯ

- สถานะที่เป็นก๊าซ ( Gas ) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรที่ไม่คงที่ โดยรูปร่าง จะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ อนุภาคภายใน

จะอยู่ ห่างกันมากที่สุด และ มีสมบัติเป็นของไหลได้ เช่น ก๊าซหุงต้ม , อากาศ

2. การใช้เนื้อสารเป็นเกณฑ์ จะมีสมบัติทางกายภาพของสารที่ได้จากการสังเกตลักษณะความแตกต่างของเนื้อสารซึ่งจะ

จำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม คือ

- สารเนื้อเดียว ( Homogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารเหมือนกันทุกส่วน ทำให้สารมีสมบัติเหมือนกัน

ตลอดทุกส่วน เช่น แอลกอฮอล์ , ทองคำ ( Au ) , โลหะบัดกรี

- สารเนื้อผสม ( Heterogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารแตกต่างกันในแต่ละส่วน จะทำให้สารนั้น

มีสมบัติ 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

การทดสอบความบริสุทธิ์ของสาร มี 3 ประเภท ได้แก่

1. การหาจุดเดือด ( Boiling Point ) การที่สารไม่บริสุทธิ์ หรือ สารละลายจุดเดือดไม่คงที่ เกิดจากอัตราส่วนระหว่าง

จำนวนโมเลกุลของตัวถูกละลาย และ ตัวทำละลาย เปลี่ยนแปลงไปโมเลกุลที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยไปเร็วกว่าทำให้สารที่มีจุดเดือดสูง

ใน อัตราส่วนที่ มากกว่าจึงเป็นผลให้จุดเดือดสูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

2. การหาจุดหลอมเหลว ( Melting Point ) จะสามารถทดสอบกับสารที่บริสุทธิ์ และสารที่ไม่บริสุทธิ์ได้ โดย

- สารบริสุทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และ มีอุณหภูมิช่วงการหลอมเหลวแคบ

- สารไม่บริสุทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวไม่คงที่ และ มีอุณหภูมิในช่วงการหลอมเหลวกว้างซึ่งอุณหภูมิช่วงการหลอม

หมายถึง อุณหภูมิที่สารเริ่มต้นหลอมจนกระทั่งสารนั้นหลอมหมดโดยในอุณหภูมิช่วงการหลอม ถ้าแคบต้องไม่เกิน

2 องศาเซลเซียส โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

3. การหาจุดเยือกแข็ง ( Freezing Point ) จะสามารถทดสอบกับสารบริสุทธิ์ และ สารไม่บริสุทธิ์ ซึ่งไม่ค่อยนิยม

เพราะจะต้อง ใช้เวลานานมากในการหาจุดเยือกแข็ง โดย

- สารบริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งคงที่

- สารไม่บริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งไม่คงที่

โดยดูจากรูปที่แสดงเป็นกราฟ

การแยกสารผสม ใช้ในการแยกสารประกอบซึ่งมี 7 วิธี ได้แก่

1. การกลั่น เหมาะสำหรับแยกของเหลวที่ปนเป็นเนื้อเดียวกัน โดยทำให้ของเหลวกลายเป็นไอ แล้วทำให้ควบแน่นเป็นของเหลวอีก

แบ่งออก เป็น 2 ประเภท คือ

- การกลั่นธรรมดา เหมาะสำหรับสารที่มีจุดเดือดต่างกันประมาณ 80 องศาเซลเซียส ขึ้นไป แต่อุณหภูมิตั้งแต่

40 องศาเซลเซียสก็จะเกิดกระบวนการแล้ว

- การกลั่นลำดับส่วน เหมาะสำหรับสารที่มีจุดเดือดต่างกันเพียงเล็กน้อย ซึ่งจะมีข้อเสีย คือ จะใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก

และมีความสลับซับซ้อน การกลั่นลำดับส่วนบางครั้งไม่ได้แยกสารให้บริสุทธิ์แต่แยกเพื่อประโยชน์ในการนำไปใช้

เช่น การแยกน้ำมันดิบ โดยจะแยกพวกที่มีจุดเดือดใกล้เคียงไว้ด้วยกัน แต่ถ้าสารที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกันมาก

แต่ไม่มีเครื่องกลั่นลำดับส่วนก็สามารถกลั่นได้ด้วยเครื่องกลั่นธรรมดาแต่จะต้องกลั่นหลาย 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 แยกตัวออกจากสารละลาย

ได้เป็นของแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิต โดยสารใด ๆ ที่ละลายในน้ำอยู่ในจุดอิ่มตัวจะตกเป็นผลึก ถ้ามากเกินพอจะเป็นการตกตะกอน

ของสาร

5. การสกัดด้วยไอน้ำเหมาะสมสำหรับการสกัดพวกน้ำมันหอมระเหยจากพืช 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 โดยตัดแบ่งสารที่ต้องการละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสมแล้วระเหยตัวทำละลาย

นั้นทิ้งไป แล้วนำสารนั้นมาทำการโครมาโทรกราฟีใหม่ จนได้สารบริสุทธิ์

การคำนวณหาค่า R_f ( Rate of Flow ) เพื่อนำมาคำนวณค่าของสารละลาย

ค่า R_f = ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ /ระยะทางที่ตัวทำละลายเคลื่อนที่

โดยค่า R_f ไม่มีหน่วย แต่มีค่าที่สูงสุดเท่ากับ 1