ธาตุและสารประกอบ (สรุปเนื้อหาและตัวอย่าง)

บทเรียนวิทยาศาสตร์ ม.2: การแยกสารและสารละลาย

ยินดีต้อนรับน้อง ๆ ม.2 ทุกคนเข้าสู่บทเรียนเรื่อง การแยกสารและสารละลาย ครับ ในชีวิตประจำวันของเราเต็มไปด้วยสารผสมต่าง ๆ มากมาย ตั้งแต่น้ำเชื่อมที่ใส่อยู่ในชานมไข่มุก น้ำเกลือล้างแผล ไปจนถึงการทำนาเกลือสมุทรหรือการสกัดน้ำมันหอมระเหยจากสมุนไพร ความรู้ในบทนี้จะช่วยให้น้อง ๆ เข้าใจธรรมชาติของสารละลาย และเรียนรู้วิธีการนำสารที่ผสมกันอยู่มาแยกออกจากกันเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างถูกต้อง ถ้ารู้สึกยากในตอนแรก ไม่ต้องกังวลนะ ค่อย ๆ อ่านและทำความเข้าใจตามขั้นตอนไปด้วยกันได้เลยครับ!

ส่วนที่ 1: สารละลายและสภาพละลายได้ของสาร

สารละลาย (solution) จัดเป็นสารผสมเนื้อเดียวที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมาก กระจายตัวอยู่อย่างสม่ำเสมอทั่วทุกส่วน โดยในสารละลายจะมีองค์ประกอบอยู่ 2 ส่วนหลักเสมอ ได้แก่:
• ตัวทำละลาย (solvent): สารที่มีปริมาณมากกว่า หรือมีสถานะเดียวกันกับสารละลายหลังผสมเสร็จ
• ตัวละลาย (solute): สารที่ถูกกระจายตัวอยู่ โดยมีปริมาณน้อยกว่า หรือมีสถานะเปลี่ยนไปตามตัวทำละลาย

เกณฑ์การระบุตัวทำละลายและตัวละลาย

1. กรณีสารที่นำมาผสมมีสถานะต่างกัน: สารใดที่มีสถานะเดียวกับสารละลายสุดท้าย สารนั้นคือ ตัวทำละลาย เช่น น้ำตาลทราย (ของแข็ง) ละลายในน้ำ (ของเหลว) ได้น้ำเชื่อม (ของเหลว) แสดงว่า น้ำเป็นตัวทำละลาย และ น้ำตาลทรายเป็นตัวละลาย
2. กรณีสารที่นำมาผสมมีสถานะเดียวกัน: สารใดที่มีปริมาณมากกว่า สารนั้นคือ ตัวทำละลาย เช่น แอลกอฮอล์ล้างแผล 70% ประกอบด้วย เอทานอล 70 ลูกบาศก์เซนติเมตร และน้ำ 30 ลูกบาศก์เซนติเมตร ในที่นี้ เอทานอลเป็นตัวทำละลาย และ น้ำเป็นตัวละลาย

สภาพละลายได้ของสาร (Solubility) และปัจจัยที่มีผลต่อการละลาย

สภาพละลายได้ คือ ปริมาณสูงสุดของตัวละลายที่สามารถละลายได้ในตัวทำละลายจำนวนหนึ่ง ณ อุณหภูมิและความดันที่กำหนด ซึ่งเมื่อตัวละลายไม่สามารถละลายเพิ่มได้อีกแล้ว เราจะเรียกว่า สารละลายอิ่มตัว (saturated solution) โดยปัจจัยที่มีผลต่อสภาพละลายได้ ได้แก่:
• ชนิดของตัวทำละลายและตัวละลาย: สารต่างชนิดกันมีความสามารถในการละลายต่างกัน สารบางชนิดละลายได้ดีในน้ำ แต่บางชนิดละลายได้ดีในแอลกอฮอล์หรือน้ำมัน
• อุณหภูมิ (Temperature): สำหรับของแข็งและของเหลว ส่วนใหญ่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะละลายได้มากขึ้น แต่สำหรับ แก๊ส เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แก๊สจะละลายได้ ลดลง
• ความดัน (Pressure): มีผลต่อ แก๊ส อย่างชัดเจน เมื่อความดันเพิ่มขึ้น แก๊สจะละลายในของเหลวได้ดีขึ้น

รู้หรือไม่?
เวลาที่เราเปิดฝาน้ำอัดลมแล้วได้ยินเสียง "ฟู่" พร้อมกับมีฟองแก๊สผุดขึ้นมา นั่นเป็นเพราะความดันภายในขวดลดลงอย่างรวดเร็ว ทำให้สภาพละลายได้ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ลดลง แก๊สจึงแยกตัวออกจากน้ำอัดลมทันที!

ส่วนที่ 2: ความเข้มข้นของสารละลายในหน่วยร้อยละ

ความเข้มข้นของสารละลายเป็นการบอกปริมาณของตัวละลายที่มีอยู่ในสารละลาย ในระดับ ม.2 เราจะเรียนการคำนวณความเข้มข้นใน หน่วยร้อยละ (percentage) ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 แบบตามสถานะของสาร:

1. ร้อยละโดยมวลต่อมวล (% โดยมวล หรือ % w/w)

นิยมใช้เมื่อทั้งตัวละลายและตัวทำละลายมีสถานะเป็น ของแข็ง หรือชั่งเป็นมวลทั้งคู่ เช่น โลหะผสม นาก หรือสารเคมีผง
สูตรคำนวณ:
\( \text{ร้อยละโดยมวล} = \frac{\text{มวลของตัวละลาย}}{\text{มวลของสารละลาย}} \times 100 \)
ตัวอย่าง: สารละลายน้ำตาลทราย 200 กรัม มีน้ำตาลทรายละลายอยู่ 20 กรัม สารละลายนี้เข้มข้นกี่เปอร์เซ็นต์โดยมวล?
วิธีทำ: \( \text{ร้อยละโดยมวล} = \frac{20}{200} \times 100 = 10\% \) โดยมวล

2. ร้อยละโดยปริมาตรต่อปริมาตร (% โดยปริมาตร หรือ % v/v)

นิยมใช้เมื่อทั้งตัวละลายและตัวทำละลายมีสถานะเป็น ของเหลว หรือ แก๊ส เช่น แอลกอฮอล์ล้างแผล แก๊สหุงต้ม หรืออากาศ
สูตรคำนวณ:
\( \text{ร้อยละโดยปริมาตร} = \frac{\text{ปริมาตรของตัวละลาย}}{\text{ปริมาตรของสารละลาย}} \times 100 \)
ตัวอย่าง: ต้องการเตรียมสารละลายเอทานอลปริมาตร \( 500 \text{ cm}^3 \) โดยให้มีความเข้มข้น \( 20\% \) โดยปริมาตร จะต้องใช้เอทานอลกี่ลูกบาศก์เซนติเมตร?
วิธีทำ: \( 20 = \frac{\text{ปริมาตรเอทานอล}}{500} \times 100 \implies \text{ปริมาตรเอทานอล} = \frac{20 \times 500}{100} = 100 \text{ cm}^3 \)

3. ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร (% โดยมวล/ปริมาตร หรือ % w/v)

นิยมใช้เมื่อตัวละลายเป็น ของแข็ง (วัดเป็นมวล กรัม) ละลายในตัวทำละลายที่เป็น ของเหลว จนได้สารละลายที่เป็นของเหลว (วัดเป็นปริมาตร ลูกบาศก์เซนติเมตร) เช่น น้ำเกลือ น้ำเชื่อม สารละลายด่างทับทิม
สูตรคำนวณ:
\( \text{ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร} = \frac{\text{มวลของตัวละลาย (กรัม)}}{\text{ปริมาตรของสารละลาย (ลูกบาศก์เซนติเมตร)}} \times 100 \)
ตัวอย่าง: ละลายเกลือแกง 15 กรัม ในน้ำจนได้สารละลายน้ำเกลือปริมาตร \( 300 \text{ cm}^3 \) สารละลายนี้มีความเข้มข้นเท่าใด?
วิธีทำ: \( \text{ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร} = \frac{15}{300} \times 100 = 5\% \) โดยมวลต่อปริมาตร

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย:
ระวังเรื่อง มวลของสารละลาย กับ มวลของตัวทำละลาย ให้ดีนะ! ตัวส่วนด้านล่างของสูตรต้องเป็น มวลหรือปริมาตรของสารละลายทั้งหมด เสมอ
สูตรความสัมพันธ์: \( \text{มวลของสารละลาย} = \text{มวลของตัวละลาย} + \text{มวลของตัวทำละลาย} \)
เช่น ถ้าโจทย์บอกว่า "ละลายเกลือ 10 กรัม ในน้ำ 90 กรัม" มวลของสารละลายคือ \( 10 + 90 = 100 \) กรัม ไม่ใช่ 90 กรัมนะจ๊ะ!

ทบทวนประเด็นสำคัญ:
• % มวล/มวล = ใช้ของแข็งในของแข็ง (มวล/มวล)
• % ปริมาตร/ปริมาตร = ใช้ของเหลวในของเหลว หรือแก๊สในแก๊ส (ปริมาตร/ปริมาตร)
• % มวล/ปริมาตร = ใช้ของแข็งในของเหลว (มวลตัวละลาย/ปริมาตรสารละลายทั้งหมด)

ส่วนที่ 3: วิธีการแยกสารผสม

สารผสมในธรรมชาติมักประกอบด้วยสารหลายชนิดรวมกัน หากเราต้องการสารบริสุทธิ์เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ เราจะต้องเลือกใช้วิธีการแยกสารที่เหมาะสมกับ สมบัติทางกายภาพ ของสารแต่ละชนิด ซึ่งในระดับ ม.2 มี 5 วิธีหลัก ดังนี้:

1. การระเหยแห้ง (Evaporation to Dryness)

• หลักการ: ใช้แยกสารผสมที่เป็นสารละลาย ซึ่งประกอบด้วย ตัวละลายที่เป็นของแข็ง ละลายอยู่ใน ตัวทำละลายที่เป็นของเหลว โดยตัวทำละลายต้องมีจุดเดือดต่ำกว่าตัวละลายมาก เมื่อให้ความร้อน ของเหลวจะระเหยกลายเป็นไอไปจนหมด เหลือของแข็งตกค้างอยู่ในภาชนะ
• การนำไปใช้ประโยชน์: การทำนาเกลือสมุทร (ระเหยน้ำทะเลเพื่อเก็บเกลือแกง), การทำเกลือสินเธาว์

2. การตกผลึก (Crystallisation)

• หลักการ: ใช้แยก ของแข็งที่ละลายอยู่ในของเหลว เพื่อให้ได้ของแข็งที่มีความบริสุทธิ์สูง ทำได้โดยให้ความร้อนแก่สารละลายจนกลายเป็น สารละลายอิ่มตัวที่อุณหภูมิสูง จากนั้นปล่อยให้สารละลายค่อย ๆ เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ สภาพละลายได้ของสารจะลดลง ทำให้ตัวละลายส่วนเกินแยกตัวออกมาเป็นของแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิตเฉพาะตัว เรียกว่า ผลึก (crystal)
• การนำไปใช้ประโยชน์: การผลิตน้ำตาลทรายบริสุทธิ์, การตกผลึกสารส้ม, การผลิตสารเคมีและยารักษาโรค

3. การกลั่นอย่างง่าย (Simple Distillation)

• หลักการ: ใช้แยกสารละลายที่ประกอบด้วย ของเหลวผสมอยู่กับของแข็ง หรือ ของเหลวผสมกับของเหลวที่มีจุดเดือดต่างกันมาก (ตั้งแต่ \( 20 - 30^\circ\text{C} \) ขึ้นไป) โดยสารที่มีจุดเดือดต่ำกว่าจะระเหยกลายเป็นไอก่อน เมื่อไอเคลื่อนที่ผ่านเครื่องควบแน่น (คอนเดนเซอร์) ที่มีความเย็น ไอจะควบแน่นกลับมาเป็นของเหลวบริสุทธิ์ เรียกว่า ของเหลวที่ได้จากการกลั่น (distillate) ส่วนสารที่มีจุดเดือดสูงกว่าจะคงเหลืออยู่ในขวดกลั่น
• การนำไปใช้ประโยชน์: การทำน้ำกลั่นบริสุทธิ์สำหรับห้องปฏิบัติการ, การกลั่นน้ำจืดจากน้ำทะเล

4. โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ (Paper Chromatography)

• หลักการ: ใช้แยกสารผสมที่มี ปริมาณน้อยมาก และมีสารหลายชนิดปนกัน โดยอาศัยสมบัติ 2 ประการร่วมกัน คือ:
1. ความสามารถในการละลายในตัวทำละลาย (สารที่ละลายได้ดีจะเคลื่อนที่ไปได้ไกล)
2. ความสามารถในการถูกดูดซับโดยตัวดูดซับ (กระดาษ) (สารที่ถูกดูดซับได้น้อยจะเคลื่อนที่ไปได้ไกล สารที่ถูกดูดซับได้ดีจะเคลื่อนที่ได้ช้าและใกล้)
• การคำนวณอัตราการเคลื่อนที่ของสาร (\( R_f \)):
\( R_f = \frac{\text{ระยะทางที่สารเคลื่อนที่}}{\text{ระยะทางที่ตัวทำละลายเคลื่อนที่}} \)
(ค่า \( R_f \) จะมีค่าไม่เกิน 1 เสมอ และสารชนิดเดียวกัน ในตัวทำละลายและตัวดูดซับชนิดเดียวกัน ณ อุณหภูมิเดียวกัน จะมีค่า \( R_f \) คงที่)
• การนำไปใช้ประโยชน์: การแยกรงควัตถุสีในใบไม้หรือดอกไม้, การตรวจสอบสีย้อมผ้าหรือสีผสมอาหาร, การตรวจหาสารเสพติดและยาในกระแสเลือด

5. การสกัดด้วยตัวทำละลาย (Solvent Extraction)

• หลักการ: ใช้แยกสารที่ต้องการออกจากของผสม โดยเลือกใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม ซึ่งมีสมบัติคือ ละลายสารที่เราต้องการได้ดีมาก แต่ไม่ละลายสารอื่นที่เราไม่ต้องการ และตัวทำละลายต้องไม่ทำปฏิกิริยากับสารที่ต้องการสกัด รวมถึงควรมีจุดเดือดต่ำเพื่อให้แยกออกจากสารที่สกัดได้ง่าย
• การนำไปใช้ประโยชน์: การสกัดน้ำมันหอมระเหยจากสมุนไพร (เช่น ตะไคร้หอม มะกรูด), การชงชาและกาแฟ (ใช้น้ำร้อนเป็นตัวทำละลายสกัดสารคาเฟอีนและกลิ่นหอม), การสกัดสีธรรมชาติจากใบเตยหรืออัญชัน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย:
• สับสนระหว่างการระเหยแห้งกับการกลั่น: จำง่าย ๆ คือ ถ้าต้องการเก็บ ของแข็ง ทิ้งของเหลวไป ให้ใช้ การระเหยแห้ง แต่ถ้าต้องการเก็บ ของเหลว หรือต้องการเก็บทั้งสองส่วน ให้ใช้ การกลั่น
• ความลึกของตัวทำละลายในโครมาโทกราฟี: เวลาจุ่มกระดาษลงในตัวทำละลาย จุดสีของสารผสมต้องอยู่ เหนือระดับตัวทำละลาย เสมอ มิฉะนั้นสารจะละลายกระจายลงไปในบีกเกอร์แทนที่จะซึมขึ้นไปบนกระดาษ

ทบทวนประเด็นสำคัญ: สรุปวิธีเลือกการแยกสารให้ตรงจุด
• สารละลายของแข็งในของเหลว อยากได้ของแข็งบริสุทธิ์รูปทรงสวยงาม \( \implies \) การตกผลึก
• สารละลายของแข็งในของเหลว อยากได้ของแข็งอย่างรวดเร็ว \( \implies \) การระเหยแห้ง
• สารละลายที่ต้องการแยกของเหลวที่มีจุดเดือดต่างกันมาก \( \implies \) การกลั่นอย่างง่าย
• สารผสมปริมาณน้อยมาก มีสีหรือองค์ประกอบซับซ้อน \( \implies \) โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ
• ต้องการดึงสารเฉพาะเจาะจงออกจากพืชหรือของผสม \( \implies \) การสกัดด้วยตัวทำละลาย

เก่งมากครับทุกคน! เรื่องการแยกสารและสารละลายเป็นพื้นฐานสำคัญมากในการเรียนวิทยาศาสตร์และเคมีในระดับชั้นถัดไป ลองฝึกคำนวณและทบทวนหลักการแยกสารบ่อย ๆ แล้วน้อง ๆ จะพบว่าวิทยาศาสตร์ไม่ได้ยากอย่างที่คิดเลย เป็นกำลังใจให้นะครับ!