General Chemistry

สรุปสาระสำคัญ : กฎของแก๊ส เป็นการอธิบายพฤติกรรมของแก๊ส ที่มีความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ปริมาตรแก๊ส อุณหภูมิ และจำนวนโมลของแก๊ส ประกอบด้วยกฎของบอยล์ กฎของชาร์ล กฎของเก-ลูซัก และกฎของอาโวกาโดร ซึ่งแก๊สอุดมคติจะมีพฤติกรรมตามกฎของแก๊สอุดมคติที่เรียกว่า สภาวะแก๊สอุดมคติ การคำนวณปริมาณสัมพันธ์ของแก๊ส อาศัยหลักปริมาณสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนัก (g) จำนวนโมล (n) ปริมาตร (V) และจำนวนอนุภาค การคำนวณเกี่ยวกับน้ำหนักโมเลกุลและความหนาแน่นของแก๊ส จากความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนโมลกับน้ำหนักโดยอาศัยสมการแก๊สอุดมคติ
แก๊สผสมตั้งแต่สองชนิดหรือมากกว่าสองชนิดขึ้นไปมาผสมกัน ความดันรวมของแก๊สผสมจะเท่ากับผลรวมของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิดที่ผสมกัน ตามกฎความดันย่อยของดอลตัน แก๊สที่มีขนาดต่างกัน จะมีความเร็วในการเคลื่อนที่ต่างกัน ทำให้การแพร่ของแก๊สแต่ละชนิดมีค่าไม่เท่ากัน การคำนวณหาการแพร่ของแก๊สแต่ละชนิด สามารถคำนวณได้จากกดการแพร่ของเกรแฮม กล่าวคือ อัตราการแพร่ของแก๊ส เป็นสัดส่วนผกผันกับรากที่สองของน้ำหนักโมเลกุลของแก๊ส ทฤษฎีจลน์โมเลกุลของแก๊สอธิบายพฤติกรรมของแก๊สโดยการใช้แบบจำลองหรือทฤษฎีในระดับจุลภาค ที่เป็นการศึกษาโมเลกุลของแก๊สเพียงหนึ่งหรือสองโมเลกุลเพื่อเป็นตัวแทนของโมเลกุลในระดับมหัพภาค สรุปได้คือ แก๊สประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กมากแต่ละโมเลกุลของแก๊สอยู่ไกลกันมากเมื่อเทียบกับขนาดของโมเลกุล จนถือว่าไม่มีขนาดของโมเลกุลมาเกี่ยวข้อง โมเลกุลของแก๊สมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาโดบเป็นการเคลื่อนที่แบบสุ่มและเกิดการชนระหว่างโมเลกุลของแก๊ส จำนวนบ่อยครั้งมาก ๆ แก๊สไม่มีแรงกระทำระหว่างโมเลกุล ยกเว้นเมื่อเกิดการกระทบกันและเมื่อโมเลกุลเข้าชนกัน ซึ่งจะเป็นการชนแบบยืดหยุ่น พลังงานอย่างเดียวที่แก๊สมีคือพลังงานการเคลื่อนที่ไปมาก็คือพลังงานจลน์ แก๊สจริงเป็นแก๊สที่มีแรงกระทำระหว่างโมเลกุลและมีขนาดของโมเลกุล ทำให้แก๊สจริงไม่มี พฤติกรรมเช่นเดียวกับแก๊สอุดมคติในสภาะปกติ แต่แก๊สจริงจะมีพฤติกรรมเป็นแบบแก๊สอุดมคติได้เมื่ออยู่ในสภาวะที่มีความดันต่ำมาก ๆ หรือมีอุณหภูมิสูงมาก ๆ

สรุปสาระสำคัญ : ของแข็งมีเรียงตัวขึ้นเป็นผลึกของแข็งที่อยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนและใกล้ชิดกันมาก จึงทำให้มีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคสูง โครงสร้างผลึกของแข็งเป็นการเรียงตัวของอนุภาคที่เป็นระเบียบแบบแผนทางเรขาคณิตในโครงข่ายระบบสามมิติ เรียกว่า แลตทิซผลึก ซึ่งด้วยเซลล์หน่วยมาเรียงต่อกัน โดยถือว่าทรงกลมที่อยู่ตรงหน้าหรือมุมของเซลล์หน่วยหนึ่งจะเป็นส่วนของอีกเซลล์หน่วยหนึ่งที่อยู่ติดกันด้วย ขนาดและรูปร่างของเซลล์หน่วยกำหนดด้วยแลตทิซพารามิเตอร์ที่กำหนดด้วยความยาวแต่ละด้านตามขอบ และกำหนดด้วยมุมของแกนในโครงสร้างสามมิติ เซลล์หน่วยมาตรฐานมีทั้งหมด 7 ระบบ แบ่งออกเป็น 14 แบบ เรียกว่า แลตทิซบราเว การจัดเรียงอนุภาคจะมีการจัดเรียงตัวกันอย่างชิดที่สุดเท่าที่จะทำได้ เรียกว่า การบรรจุชิดที่สุด ซึ่งจะมีช่องว่างเหลือน้อยที่สุด ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างผลึก 2 ชนิดคือ การบรรจุชิดที่สุดแบบเฮกซะโกนัล และการบรรจุชิดที่สุดแบบลูกบาศก์ โครงสร้างของผลึกไม่สมบูรณ์ เกิดขึ้นเมื่อโครงสร้างของผลึกมีอนุภาคบางส่วนขาดหายไป เกิดเป็นช่องว่าง หรือมีอนุภาคอื่นเข้าแทนที่ หรือแทรกตัวในโครงผลึก ผลึกของแข็งมีการจัดเรียงตัวของอะตอมเอง หรือความไม่สมบูรณ์จากอิเล็กตรอนของอะตอมที่อยู่ในโครงผลึก ซึ่งความผิดปกติของโครงผลึกทำให้สมบัติทางกายภาพบางประการเปลี่ยนแปลงไป เช่น ความแข็ง  ความเหนียว การนำไฟฟ้า เป็นต้น

สรุปสาระสำคัญ : โมเลกุลของเหลวมีการเคลื่อนที่ไปมาจึงเกิดสมบัติการไหลได้ มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะที่บรรจุ แต่ยังคงมีมวลและปริมาตรคงที่ เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาทำให้โมเลกุลเกิดการชนกันมีพลังงานจลน์สูงกว่าโมเลกุลอื่น ๆ ซึ่งมีค่ามากกว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลจนทำให้โมเลกุลหลุดออกจากผิวหน้าของของเหลวนั้นได้ เรียกว่า การระเหย หรือการกลายเป็นไอ เมื่อโมเลกุลของของเหลวกลายเป็นไอ จะทำให้เกิดความดันไอส่งผลให้อุณหภูมิของของเหลวจะเพิ่มขึ้น การเดือดของของเหลวจะมีฟองไอภายในของเหลว แต่การระเหยจะเกิดขึ้นเฉพาะผิวหน้าของของเหลวเท่านั้น โดยจุดเดือดเป็นอุณหภูมิที่ความดันไอของของเหลวมีค่าเท่ากับความดันภายนอก เมื่อเวลาผ่านไปจำนวนอนุภาคของไอจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้โอกาสที่โมเลกุลของไอบางโมเลกุลรวมตัวกันเปลี่ยนเป็นของเหลวเพิ่มมากขึ้นด้วย โดยจะมีการคายความร้อนออกมาเรียกว่า การควบแน่นของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลทำให้ของเหลวมีสมบัติต่าง ๆ ได้แก่ แรงตึงผิว เกี่ยวข้องกับแรง 2 ชนิด ได้แก่ แรงยึดติดเป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลต่างชนิด และแรงเชื่อมแน่นเป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลชนิดเดียวกัน และความหนืดเป็นค่าที่บ่งบอกความต้านทานต่อการไหลของของเหลว สารจะมีการเปลี่ยนวัฏภาค จากวัฏภาคหนึ่งไปยังอีกวัฏภาคหนึ่ง มีการดูดพลังงานเข้าไป หรือ การคายพลังงานออกมา แผนภาพวัฏภาคใช้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ในแผนภาพเดียวกัน โดยแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความดันทำให้สารเปลี่ยนสถานะ สารแต่ละชนิดจะมีแผนภาพวัฏภาคเป็นของตัวเอง แผนภาพจะช่วยทำนายการเปลี่ยนแปลงวัฏภาคที่จะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความดัน

สรุปสาระสำคัญ : สารละลายคือสารผสมของสสารสองชนิดหรือมากกว่าสองชนิด ปริมาณของส่วนประกอบเปลี่ยนแปลงได้ แต่เปลี่ยนแปลงอยู่ในขอบเขตจำกัด ส่วนประกอบของสารละลายมักเป็นสารบริสุทธิ์ อาจเป็นแก๊ส ของเหลวหรือของแข็ง ส่วนประกอบที่มีปริมาณมากกว่าเรียกว่าตัวทำละลาย (solvent) ส่วนประกอบที่มีอยู่ในปริมาณน้อยกว่า เรียกว่าตัวละลาย (solute) สารละลายมีสถานะเป็นได้ทั้งสารละลายแก๊ส สารละลายของเหลว และสารละลายของแข็ง ความเข้มข้นของสารละลาย คือการบอกปริมาณตัวละลายในตัวทำละลายในปริมาตรสุทธิที่กำหนดอย่างแน่นอน หน่วยที่นิยมใช้มีหลายหน่วยด้วยกัน เช่น โมลาร์ นอร์มัล ร้อยละ อัตราส่วนเจือจาง เป็นต้น สมบัติคอลลิเกทีฟเป็นสมบัติทางกายภาพของสารละลายที่เปลี่ยนแปลงไปจากตัวทำละลายบริสุทธิ์ ซึ่งขึ้นกับปริมาณของตัวละลายที่มีอยู่ในสารละลายเท่านั้น จะไม่ขึ้นอยู่กับชนิด ขนาดหรือธรรมชาติของตัวละลาย คอลลอยด์คือสถานะสารที่เกิดจากการฟุ้งกระจายของอนุภาค (โมเลกุล หรือไอออน) ซึ่งอาจอยู่ในสถานะแก๊ส ของเหลว หรือของแข็งในตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือแก๊ส เป็นการกระจายของอนุภาคขนาดเล็กประมาณ 5–1,000 nm แขวนลอยอยู่ในตัวกลางในทุกส่วนของสารละลาย

สรุปสาระสำคัญ : จลนศาสตร์เคมี คือการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยาหนึ่ง ๆ ซึ่งเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารเมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปต่อหน่วยเวลา ทฤษฎีการชนเป็นหลักพื้นฐานของการเกิดปฏิกิริยาเคมีใด ๆ เนื่องจากอนุภาคของสารตั้งต้นจะต้องชนกัน จำนวนครั้งการชน ความเข้มข้นของสารตั้งต้น และอุณหภูมิ เป็นปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ทฤษฎีสภาวะแทรนซิชัน (ทฤษฎีสารเชิงซ้อนกัมมันต์) อธิบายเกี่ยวกับพลังงานที่จะทำให้การชนกันเกิดปฏิกิริยา พลังงานก่อกัมมันต์ (พลังงานกระตุ้น) เป็นพลังงานจำนวนน้อยที่สุดที่ทำโมเลกุลของสารตั้งต้นเข้าทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์
การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยทั่วไปจะวัดจากปริมาณ (ความเข้มข้น) ของสารตั้งต้นที่ลดลงต่อหน่วยเวลา หรือปริมาณ (ความเข้มข้น) ของสารผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้นต่อหน่วยเวลา กฎอัตรา หรือสมการอัตรา เป็นการแสดงอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สัมพันธ์กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสูงมาก (ความเร็วมาก) เมื่อสารตั้งต้นมีความเข้มข้นสูง ๆ สมการทางคณิตศาสตร์ที่แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเรียกว่า กฎอัตราดิฟเฟอเรนเชียล คืออัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นยกกำลังด้วยอันดับของปฏิกิริยาเมื่อคิดเทียบสารนั้น ค่าคงที่อัตราเป็นค่าคงที่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิที่กำหนด
ครึ่งชีวิต คือเวลาที่ต้องใช้เพื่อทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงไปครึ่งหนึ่งจากความเข้มข้นเริ่มต้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยาอันดับศูนย์ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ปฏิกิริยาอันดับหนึ่งเป็นปฏิกิริยาที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นยกกำลังหนึ่ง และปฏิกิริยาอันดับสองจึงเป็นปฏิกิริยาที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นยกกำลังสอง หรือขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นสองชนิดแต่ละชนิดยกกำลังหนึ่ง

สรุปสาระสำคัญ : อุณหพลศาสตร์หรืออุณหเคมีเป็นสาขา/แขนงวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานในในปฏิกิริยาเคมี โดยอาศัยกฎอนุรักษ์มวล และกฎอนุรักษพลังงาน กฎข้อที่ศูนย์หรือเรียกว่าเป็นสมดุลความร้อนกับอุณหภูมิ กฎข้อที่หนึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับกฎของการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวคือในกระบวนการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ นั้น พลังงานจะไม่ถูกสร้างขึ้นมาใหม่และไม่มีการสูญหายไป แต่สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูปอื่นได้ การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นภายในระบบต่าง ๆ ทั้งทางเคมีและทางกายภาพ พลังงานทั้งหมดในเอกภพเป็นค่าคงตัว พลังงานไม่สูญหายแต่เปลี่ยนรูปกันไปมาได้ กฎข้อที่สองคือกระบวนการที่เกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติทุกกระบวนการจะมีการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี (S) เสมอ โดยเอนโทรปีเป็นปริมาณที่บอกถึงความไม่เป็นระเบียบของระบบ

สรุปสาระสำคัญ : เคมีไฟฟ้าเป็นการศึกษาที่เกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า โดยอาศัยหลักการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในปฏิกิริยารีดอกซ์ระหว่างตัวรีดิวซ์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอนแก่ตัวออกซิไดส์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เลขออกซิเดชันของสารที่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยารีดอกซ์ซึ่งเป็นตัวกำหนดชนิดครึ่งปฏิกิริยานั้นว่าเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือรีดักชัน โดยสารที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอน (ตัวรีดิวซ์) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น) ส่วนสารที่ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน (ตัวออกซิไดส์) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (มีเลขออกซิเดชันลดลง) จำนวนอิเล็กตรอนที่ตัวออกซิไดส์ได้รับจะต้องเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ตัวรีดิวซ์ให้ไปเสมอ การดุลสมการรีดอกซ์ทำได้สองวิธี คือการดุลด้วยวิธีเลขออกซิเดชันและการดุลโดยครึ่งปฏิกิริยา เซลล์เคมีไฟฟ้าประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองชนิดคือ ขั้วแอโนดและแคโทดที่จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เซลล์เคมีไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าเรียกว่า เซลล์เคมี ส่วนเซลล์เคมีไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี เรียกว่า เซลล์อิเล็กโทรไลต์ เซลล์กัลวานิกเป็นเซลล์เคมีไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่มีขั้วไฟฟ้าสองขั้วจุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ต่อครึ่งเซลล์ด้วยสะพานเกลือเพื่อรักษาสมดุลของไอออน โดยขั้วแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และขั้วแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน
ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเซลล์กัลวานิกอันเนื่องมาจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่วัดได้จะเป็นค่าความต่างศักย์ของขั้วไฟฟ้าทั้งสองเซลล์ โดยถ้าค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นบวกเป็นค่าที่บ่งบอกถึงขั้วไฟฟ้านั้น สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้วอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังวงจรภายนอก ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นได้เอง โดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแอโนดไปยังแคโทด แต่ถ้าตรงกันข้าม ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นลบ ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นได้เองไม่ได้ การวัดศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ทำได้โดยเทียบศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้ากับขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน เรียกว่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ โดยกำหนดเป็นค่าที่แสดงความสามารถในการรับอิเล็กตรอนของครึ่งเซลล์ จึงเรียกว่า ค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานเป็นค่าที่แสดงความสามารถในการรับอิเล็กตรอนของครึ่งเซลล์ โดยเทียบกับขั้วขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน โดยค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานสารใด ๆ ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์มาก แสดงว่าสารนั้นสามารถรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H+ หรือความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์ยิ่งดีขึ้น ส่วนสารใด ๆ ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ต่ำ แสดงว่าสารนั้นยิ่งให้อิเล็กตรอนได้ดี หรือความสามารถในการเป็นตัวรีดิวซ์ที่ดีกว่า H+ ในการคำนวณหาศักย์ขั้วไฟฟ้าที่จุ่มในสารละลายที่ไม่เป็นสภาวะมาตรฐานทำได้โดยอาศัยสมการเนินสต์

สรุปสาระสำคัญ : ความเข้มข้นสารละลาย (concentration) คือ การบอกปริมาณตัวละลาย (solute) ในตัวทำละลาย (solvent) ที่มีปริมาตรแน่นอนปริมาตรหนึ่ง ความเข้มข้นสารละลาย นับได้ว่ามีความสำคัญมากต่อการเรียนและการปฏิบัติทดลองด้านเคมี เนื่องจาก ความเข้มข้นสารละลายเป็นเป็นความสัมพันธ์เชิงโมลของสารที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเคมี ดังนั้น เราจำเป็นต้องศึกษาและทำความเข้าใจความเข้มข้นสารละลายอย่างถูกต้อง