ch5-1

Slide 1: 

ธาตุ (THE CHEMICAL ELEMENTS)

Slide 2: 

น้ำหนักอะตอมโดยประมาณ(Approximate Atomic Weights) ค.ศ. 1819 Dulong และ Petit เสนอว่า สำหรับธาตุที่เป็นของแข็ง (ยกเว้นธาตุที่เบามากเช่น C, B, Be) 2 x น้ำหนักอะตอม (g mol-1) ความร้อนจำเพาะ (cal g-1 K-1)

Slide 3: 

ความจุความร้อน (heat capacity, C) คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สาร 1 โมล มีอุณหภูมิ เพิ่มขึ้น 10 (cal mol-1 K-1 หรือ J mol-1 K-1) 3 ความร้อนจำเพาะ (specific heat, s) คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สาร 1 กรัม มีอุณหภูมิ เพิ่มขึ้น 10 (cal g-1 K-1 หรือ J g-1 K-1)

Slide 4: 

น้ำหนักอะตอมที่แน่นอน (Accurate Atomic Weights) ค.ศ. 1811 Amedeo Avogadro เสนอว่า แก๊สทุกชนิดซึ่งมีปริมาตรเท่ากัน ที่ T, P เดียวกัน จะมีจำนวนโมลเท่ากัน 4

Slide 5: 

แก๊ส A 1 โมล (มวล = MA) จะมีปริมาตรเท่ากับ แก๊ส B 1 โมล (มวล = MB) อัตราส่วนความหนาแน่นของแก๊ส 2 ชนิด ที่ T, P เดียวกัน จะเท่ากับอัตราส่วนของน้ำหนักต่อโมล (molar weight) ของแก๊สทั้งสอง 5

Slide 6: 

ค.ศ. 1860 Canizzaro เสนอว่า 1 โมเลกุลของสารประกอบ ย่อมมีจำนวนอะตอม ของธาตุองค์ประกอบเป็นเลขจำนวนเต็ม 6 ตัวหารร่วมที่มีค่ามากที่สุดของน้ำหนักของธาตุใน 1 molar weight ของสารประกอบต่างๆ ในสถานะแก๊สของธาตุนั้น จะเป็นน้ำหนักอะตอมของธาตุ ดังนั้นน้ำหนักของธาตุใดๆ ใน 1 molar weight ของ สารประกอบ ต้องหารด้วย น้ำหนักอะตอมของธาตุ นั้นได้ลงตัว

Slide 7: 

ดังนั้น ถ้าใช้ข้อเสนอของ Avogadro ร่วมกับ ข้อมูลจากการวิเคราะห์ จะสามารถหาน้ำหนัก อะตอมที่ถูกต้องได้ ตามข้อเสนอของ Canizzaro 7

Slide 8: 

การหาน้ำหนักอะตอมของ N โดยวิธีของอาโวกาโดร-แคนนิซซาโร 8

Slide 9: 

โดยเสนอว่า ธาตุต่างๆ สามารถจัดให้เป็นกลุ่ม ซึ่งมีสมบัติ คล้ายคลึงกัน ค.ศ. 1869 Dmitri Mendeleev (รัสเซีย) และ Lothar Meyer (เยอรมัน) ต่างเสนอตารางธาตุ ตารางธาตุ (Periodic Table) และสมบัติที่คล้ายคลึงกัน จะ เกิดขึ้นเป็นระยะ (periodic) เมื่อจัดเรียงธาตุ ตามน้ำหนักอะตอม 9

Slide 10: 

งานวิจัยของ Rutherford และบุคคลอื่นๆ แสดงให้เห็นว่า สมบัติและพฤติกรรมของธาตุและสารประกอบของธาตุนั้นจะคล้ายคลึงกันเป็นระยะๆ เมื่อจัดเรียงธาตุตาม เลขอะตอม Mendeleev ได้เว้นที่ไว้สำหรับธาตุที่ยังไม่ค้นพบ และทำนายสมบัติของธาตุนี้ไว้อย่างถูกต้อง 10

Slide 11: 

11

Slide 12: 

การพิสูจน์เอกลักษณ์ของธาตุ (Identification of Chemical Elements) ความหนาแน่น ความหนืด ดัชนีหักเห ความแข็ง จุดเดือด สภาพนำไฟฟ้า/ ความร้อน จุดหลอมเหลว สเปกตรัมดูดกลืน ความจุความร้อน สเปกตรัมเปล่งออก 1. วิธีการทางเคมี (chemical methods) 2. วิธีการทางกายภาพ (physical methods) 12

Slide 13: 

1. ระดมยิงธาตุที่ต้องการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ หรือ ลำอิเล็กตรอน การวิเคราะห์ทางเคมีโดยใช้รังสีเอกซ์ 2. พลังงานจากรังสีเอกซ์หรือลำอิเล็กตรอน จะ ทำให้ e- ใน 1s ออร์บิทัล (n = 1) หลุดออกมา 1s ออร์บิทัลจึงว่างลง 13

Slide 14: 

3. e- จากระดับพลังงานสูงกว่า (n = 2) จะ ปลดปล่อยพลังงาน เพื่อลดพลังงานลงไปอยู่ ใน 1s ออร์บิทัล พลังงานที่ปลดปล่อยออกมานี้ เรียกว่า K X-rays ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของธาตุ 14

Slide 15: 

ค.ศ.1913 Henry Moseley แสดงให้เห็นว่า X-ray spectrum (โดยเฉพาะ K X-rays ) เป็น ลักษณะเฉพาะ ของธาตุแต่ละชนิด ไม่ว่าธาตุ นั้นจะอยู่ในรูปของธาตุบริสุทธิ์ ของผสม หรือ สารประกอบ เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไม่มีผลต่อ 1s ออร์บิทัล (นอกจากธาตุที่ Z ต่ำๆ) 15

Slide 16: 

16 A) กราฟของโมสลีย์ B) กราฟระหว่างน้ำหนักอะตอมกับ E1/2 (แสดง K X-rays) โดยครอบคลุมตั้งแต่ธาตุ Cr (24) จนถึงธาตุ Ga (31) จะเห็นได้ว่ากราฟจะเป็นเส้นตรงเมื่อใช้เลขอะตอม แต่จะกระจัดกระจายเมื่อใช้น้ำหนักอะตอม

Slide 17: 

ไอโซโทปต่างๆ ของธาตุหนึ่งๆ จะให้ K X-rays เหมือนกัน เมื่อ n, n/ คงที่ ; 17 เนื่องจาก interaction ของออร์บิทัลกับนิวเคลียส ขึ้นกับ ประจุของนิวเคลียส (Z) แต่ไม่ขึ้นกับมวลของนิวเคลียส DE 1/2 ต Z

Slide 18: 

การวิเคราะห์ด้วยสมบัตินิวเคลียร์ (Analysis by Nuclear Properties) ใช้กับธาตุที่มีเลขอะตอมสูงมาก ธาตุที่มีเลขอะตอมต่างกันจะปลดปล่อยอนุภาคที่มีพลังงานต่างกัน ดังนั้น จากพลังงานของอนุภาคที่ถูกปล่อยออกมา (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อนุภาค a) จะทราบเลขอะตอมของธาตุ 18

Slide 19: 

การวิเคราะห์ด้วยปฏิกิริยาเคมี (Analysis by Chemical Reaction) เปลี่ยน unknown substance ไปเป็น known substance ที่สามารถวิเคราะห์ด้วย known reactions 19

Slide 20: 

วิธีการที่ใช้กันมาก ได้แก่ 1. การแยกสารโดยการแลกเปลี่ยนไอออน 2. การเปลี่ยนสารไปเป็น H2O, CO2 และสารอื่น แล้ววิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ 3. การทำสารให้บริสุทธิ์ โดยการกลั่น การกรอง การตกผลึก และ/หรือ ปฏิกิริยาเคมี แล้วทดสอบผลิตภัณฑ์ด้วยสเปกโทรสโกปี 4. การทดสอบสารที่คาดว่ามี ด้วยรีเอเจนต์เฉพาะ 20

Slide 21: 

วิธีการวิเคราะห์ 1. วิเคราะห์คุณภาพเบื้องต้น (Preliminary qualitative tests) เพื่อหาองค์ประกอบของ สารตัวอย่าง 2. แยกสารตัวอย่างออกเป็น fragments ซึ่งแต่ละ fragment สามารถนำไปวิเคราะห์ได้เมื่อมี fragments อื่น 21

Slide 22: 

3. วิเคราะห์ปริมาณ (quantitative tests) ของ แต่ละ fragment 4. พิจารณาว่ามีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้น ระหว่างการแยก และการวิเคราะห์ 5. คำนวณหาองค์ประกอบของสารตัวอย่าง 22

Slide 23: 

การสกัดธาตุบริสุทธิ์ เกิดเป็นสายแร่ในหินซิลิเคตแข็ง และแร่ที่ทับถมกัน อยู่ตามทางเดินของน้ำ 23 วิธีการสกัด โลหะมีค่า วิธีที่ 1 บดแร่แล้วใส่ลงในน้ำ โลหะที่มีความหนาแน่นสูงจะนอนก้นอย่างรวดเร็ว ล้างซิลิเคตความหนาแน่นต่ำออกไป

Slide 24: 

วิธีที่ 2 ละลายโลหะด้วยตัวออกซิไดส์ (โดยทั่วไปใช้ O2 ในอากาศ) และตัวทำละลาย (aq. soln. ของสาร ที่เกิดสารเชิงซ้อนกับโลหะทำให้ละลายได้ดีขึ้น) 24 แล้วรีดิวซ์ไอออนของโลหะให้เป็นโลหะ โดยใช้โลหะ ที่มีราคาถูกกว่า เช่น เศษเหล็ก สังกะสี

Slide 25: 

นำแร่ที่บดแล้วมาทำปฏิกิริยากับ aq. soln ของ CN- เมื่อมีอากาศเพื่อละลาย Au โดยทำให้เกิดไอออน เชิงซ้อนที่ละลายน้ำ [Au(CN)6]- การสกัด Au บริสุทธิ์โดย cyanide process กรองสารที่ไม่ละลายออก แล้วนำสารละลายมาทำ ปฏิกิริยากับ Zn 25

Slide 26: 

อาศัยสมบัติของกำมะถันที่มี จุดหลอมเหลว และความหนาแน่นต่ำ กำมะถัน (Sulfur) แยกจากแร่โดยการหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า จุดหลอมเหลวเล็กน้อย Frasch Process เสนอโดย Herman Frasch(1890) 26

Slide 27: 

27

Slide 28: 

ส่วนประกอบโดยเฉลี่ยของอากาศแห้ง และจุดเดือด จุดหลอมเหลวของแต่ละองค์ประกอบ *Helium will not crystallize at atmospheric pressure the melting point is 1.7 K . Carbon dioxide on the other hand, cannot be liquid at 1 atm. The vapor pressure of the solid is 1 atm at -79oC (194K) 28 O2, N2, inert gas (Ar, Ne, Kr, Xe, He) เตรียมได้โดย การกลั่นอากาศเหลว

Slide 29: 

ธาตุบริสุทธิ์จากสารประกอบซัลไฟด์ เมื่อให้ความร้อนแก่สารประกอบซัลไฟด์ใน อากาศ ส่วนใหญ่จะเกิดปฏิกิริยาใดปฏิกิริยา หนึ่งต่อไปนี้ 29

Slide 30: 

วิธีนี้ใช้ผลิต Hg, Cu, Ag, Pb บริสุทธิ์ 30

Slide 31: 

ธาตุบริสุทธิ์จากออกไซด์ C ทำในเตาถลุงแบบพ่นลม (blast furnace) 31