ความรู้เบื้องต้น

 

ความรู้เบื้องต้น

เคมี (Chemistry) คือ         วิทยาศาสตร์สาขาหนึ่ง ที่กล่าวถึงส่วนประกอบ (composition) และสมบัติของสสาร (properties of matter) ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของสสาร (matter revolution) การเปลี่ยนแปลงของสสารนี้ หมายถึง การเปลี่ยนแปลงทางส่วนประกอบของสสาร (matter composition) ทาให้เกิดสารใหม่ที่มีส่วนประกอบทางเคมีต่างจากสารเดิม ซึ่งถือเป็นการเปลี่ยนแปลงทางเคมี หรือเรียกอีกอย่างว่า เกิดปฏิกิริยาเคมี (chemical reaction) เมื่อสารมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น สภาพหลังการเปลี่ยนแปลงจะแตกต่างจากสภาพก่อนการเปลี่ยนแปลง รอบตัวเรามีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลา เช่น น้าระเหยเป็นไอน้า น้าแข็งละลายเป็นน้า เมล็ดพืชงอก ต้นไม้เจริญเติบโต เหล็กเป็นสนิมสีแดง ถ่านลุกไหม้ บางครั้งการเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างรวดเร็วเห็นได้ชัด บางครั้งการเปลี่ยนแปลงช้า ยากที่จะสังเกตเห็นได้ การที่น้าระเหยเป็นไอ หรือน้าแข็งละลายเป็นน้า เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เหมือนกับเหล็กเป็นสนิม หรือถ่านลุกไหม้ ไอน้า หรือน้าแข็งเป็นสารอย่างเดียวกัน เพียงแต่มีรูปร่างต่างกัน แต่เหล็กกับสนิมเป็นสารคนละชนิดที่มีสมบัติต่างกัน การเปลี่ยนแปลงซึ่งทาให้เกิดสารใหม่ที่มีส่วนประกอบทางเคมีต่างจากสารเดิม “เป็นการเปลี่ยนแปลงทางเคมี (chemical revolution)” ส่วนการที่น้าเป็นไอ เป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ (physical revolution) ซึ่งไม่มีสารใหม่เกิดขึ้น การศึกษาวิชาเคมี  ประกอบด้วยกระบวนการ 3 ขั้น คือ 1. การสังเกต (observation)        2. การแสดงผล (representation) 3. การแปลความหมายข้อมูล (interpretation) ข้อมูลทางเคมีมักจะได้มาจากการสังเกตปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่แต่คาอธิบายมาจากโลกของอะตอมและโมเลกุลที่มองไม่เห็น ประโยชน์ของวิชาเคมี                เคมีเป็นสาขาหนึ่งของความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (natural science) โดยศึกษาเรื่องของสสาร และโครงสร้างของสสาร ซึ่งประกอบอยู่บนโลก โดยมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ ได้ใช้ความร้อนจากไฟแยกโลหะออกจากกัน แต่ได้โลหะลักษณะไม่บริสุทธิ์ รู้จักเครื่องเคลือบดินเผา และอิฐ ทองคาเป็นโลหะชนิดหนึ่งในหลาย ๆ ชนิดที่พบในโลก และอยู่ในสภาพอิสระ ประมาณ 300 – 3500 ปีก่อนคริสตศักราช มนุษย์ได้รู้จักบรอนซ์ ได้พบวิธีทาแก้ว อียิปต์เป็นชนชาติที่นาแก้วมาใช้เป็นเครื่องประดับ ในยุคก่อนคริสตศักราชมนุษย์ได้แสวงหายารักษาโรค โดยสกัดจากราก เปลือกไม้ และส่วนอื่น ๆ ของพืช พาราเซลซัส (Paracelsus) จัดว่าเป็นคนแรกที่นาเอาสารเคมีมาใช้เป็นยารักษาโรค นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน มีความตั้งใจแน่วแน่ที่จะค้นคว้าหาความรู้ ค.ศ. 1627 – 1691 โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงมากในด้านพัฒนาความรู้เคมี ได้ศึกษาและพบว่าเมื่อนาโลหะไปเผาในอากาศ มวลของโลหะจะเพิ่มขึ้น ทาให้พบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร และความดันของแก๊ส เซอร์โรเบิร์ต โรบินสัน (Sir Robert Robinson) นักเคมีชาวอังกฤษ ได้สังเคราะห์สารทางยาที่มีประโยชน์ใช้รักษาโรค ได้แก่สูตรโครงสร้างของโมเลกุลสติกนิน ศาสตราจารย์ลิวอิส (Professor Lewis) ได้อธิบายถึงเรื่องความรู้เกี่ยวกับพันธะเคมี และเรื่องของกรด และด่าง วอลเลซ คาโรเทอร์ (Wallace H. Carothers) ได้พบไนลอน ศึกษาเรื่องโครงสร้างโปรตีน และบทบาทของยาสลบ นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงของโลกอีกเป็นจานวนมากที่ค้นคว้าวิจัยด้านเคมี และนาเคมีมาใช้ประโยชน์ จะเห็นได้ว่าอาหารที่เรารับประทาน เสื้อผ้าที่เราสวมใส่ ยาที่เรารับประทานเพื่อรักษาโรค เครื่องใช้ต่าง ๆ ของอาคารบ้านเรือน ล้วนมาจากประโยชน์ของวิชาเคมีทั้งสิ้น ดังนั้นประโยน์ที่ได้รับจากการศึกษาวิชาเคมีนั้นไม่เพียงแต่เป็นองค์ความรู้พื้นฐานเท่านั้น แต่ยังสามารถนามาประยุกต์ใช้งานในชีวิตประจาวัน ซึ่งเราไม่สามารถปฏิเสธได้เลยว่าสิ่งเหล่านั้นจาเป็นมากเพียงใด   สสาร และการเปลี่ยนแปลง ความหมายและสถานะของสสาร สสาร (matter) คือ สิ่งที่มีมวลต้องการที่อยู่มองเห็นและจับต้องได้ เช่น โต๊ะ เก้าอี้ ดิน น้า ไม้ และอื่น ๆ อีกมากมาย ส่วนสิ่งที่มองไม่เห็น เช่น อากาศ สสาร มีอยู่ทั่วไปรอบ ๆ ตัวเรามี 3 สถานะ คือ ของแข็ง (solid) ของเหลว (liquid) และแก๊ส (gas) นักวิทยาศาสตร์พยายามทาความเข้าใจเกี่ยวกับสสาร มาตั้งแต่สมัยโบราณ สสารแบ่งออกเป็นหลายชนิด แต่ละชนิดย่อย ๆ ของสสารเรียกว่า สาร (substance) เช่น เซลลูโลส เป็นสารที่พบในพืช คลอโรฟิลล์ เป็นสารที่ทาให้ใบไม้มีสีเขียว แก๊สออกซิเจน และไนโตรเจน เป็นสารที่พบในอากาศ โลหะทองแดงเป็นสารที่ใช้เป็นตัวนาไฟฟ้าในสายไฟ สสารมีส่วนเกี่ยวข้องกับชีวิตประจาวันของเราทั้งทางตรง และทางอ้อม เช่น อาหารที่เรารับประทานเข้าไป ไม่ว่าจะเป็นข้าว น้า พืช ผัก และผลไม้ ล้วนแต่มีสารที่ให้พลังงานและแร่ธาตุต่าง ๆ แก่ร่างกาย เมื่อเจ็บป่วยก็ต้องรักษาโดยการรับประทานยาที่ถูกกับโรค การพัฒนาและวิวัฒนาการเกี่ยวกับยารักษาโรค จึงมีความจาเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจเกี่ยวกับสารที่ใช้ในการผลิตยาอย่างถ่องแท้ทุกแง่มุม นอกจากนี้ความรู้ ความเข้าใจในสมบัติของสารยังสามารถนาไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ อีก เช่น การผลิตวัสดุอุปกรณ์ สิ่งของเครื่องใช้ สิ่งอานวยความสะดวกต่าง ๆ การพัฒนาหาพลังงานทดแทน แหล่งพลังงานจากธรรมชาติที่กาลังจะหมดไป วิวัฒนาการให้มีแหล่งผลิตอาหารเพิ่มมากขึ้น การสร้างเครื่องมือใหม่ ๆ รวมถึงการส่งเสริมให้มีคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้นในทุก ๆ ด้าน   การจำแนกสสาร (Classification of Matter) ในปัจจุบันมีการจำแนกหรือการจัดกลุ่มของสสารให้มีเป็นระเบียบเหมาะสมกับการใช้งานและความเข้าใจเกี่ยวกับกลไก และโครงสร้างของมันเอง ดังนั้นถ้าใช้สถานะเป็นเกณฑ์ในการจำแนกแล้ว สามารถจำแนกสสารได้เป็น 3 ประเภท คือ 1. ของแข็ง (solid) เป็นสารที่มีอนุภาคของสารอยู่ชิดกันอย่างหนาแน่น ของแข็งจึงมีรูปร่างแน่นอน รูปทรงของสารไม่ขึ้นกับรูปร่างของภาชนะที่ใช้บรรจุ เช่น หิน แก้ว และ เหล็ก เป็นต้น 2. ของเหลว (liquid) เป็นสารที่มีอนุภาคของสารจัดตัวอยู่อย่างหลวม ๆ จึงทาให้ของเหลวมีรูปร่างไม่แน่นอน รูปร่างจะเปลี่ยนไปตามรูปร่างของภาชนะที่ใช้บรรจุ เช่น น้า สารละลาย ปรอท เป็นต้น 3. แก๊ส (gas) เป็นสารที่มีอนุภาคของสารอยู่ห่างกันมากกว่าของเหลว จึงเคลื่อนที่ได้ทุกทิศทางอย่างไม่เป็นระเบียบ ทาให้แก๊สเป็นสารที่มีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอนสามารถขยายตัวหรือถูกบีบอัดให้มีรูปร่างและปริมาตรตาม ภาชนะที่ใช้บรรจุ เช่น แก๊สไนโตรเจน แก๊สออกซิเจน แก๊สไฮโดรเจน      สารเนื้อเดียวหรือสารเอกพันธ์ (homogeneous substance) เป็นสสารที่มีเนื้อเดียวมีองค์ประกอบเหมือนกันทุกส่วน มีสมบัติแน่นอน ถ้านาส่วนหนึ่งส่วนใดของสารเนื้อเดียวไปทดสอบ จะแสดงสมบัติเหมือนกันทุกประการ เช่น น้ำ น้ำเกลือ น้ำเชื่อม ทองคา เงิน ทองแดง ผงชูรส น้ำตาลทราย และเกลือ     สารเนื้อผสมหรือสารวิวิธพันธุ์ (heterogeneous substance) เป็นสสารที่มีองค์ประกอบไม่แน่นอน แต่ละองค์ประกอบเมื่อผสมกันจะไม่เกิดปฏิกิริยาเคมี และไม่กลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า และแยกแต่ละองค์ประกอบจากกันได้โดยวิธีทางกายภาพ เช่น คอนกรีต น้ำคลอง และพริกกับเกลือ     สารละลาย (solution) เป็นสารเนื้อเดียวมีองค์ประกอบตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปมาผสมกัน โดยองค์ประกอบที่มีปริมาณมากกว่าเรียกว่าตัวทาละลาย (solvent) และองค์ประกอบที่มีปริมาณน้อยกว่าเรียกว่าตัวถูกละลาย (solute) เช่น น้ำเชื่อม น้ำทะเล ทองเหลือง (ทองแดง ในสังกะสี) และน้ำโซดา (คาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำ)     สารบริสุทธิ์ (pure substance) เป็นสารเนื้อเดียวที่มีองค์ประกอบเพียงชนิดเดียวและมีองค์ประกอบทางเคมีที่แน่นอน มีสมบัติทางเคมี และกายภาพเฉพาะตัว เช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลวคงที่ สารบริสุทธิ์อาจจะเป็นธาตุ หรือสารประกอบก็ได้ เช่น เหล็ก คาร์บอน แก๊สไฮโดรเจน เกลือแกง แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ     ของผสมเนื้อเดียว (homogeneous mixture) เป็นสารที่ประกอบด้วยสารบริสุทธิ์ ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป มีอัตราส่วนผสมต่าง ๆ กัน และแปรเปลี่ยนไปได้โดยไม่จากัด เช่น อากาศที่เราหายใจ ประกอบด้วย แก๊สออกซิเจนร้อยละ 21 ผสมกับแก๊สไนโตรเจนร้อยละ 78 และแก๊สอื่น ๆ อีกร้อยละ 1 (พวกแก๊สเฉื่อยและ      ไอน้า)     ธาตุ (element) เป็นสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอนุภาคเล็กที่สุดที่เป็นอะตอมชนิดเดียวกันทั้งหมด แต่ละอะตอมมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ และไม่สามารถแบ่งแยกออกเป็นสารอื่นได้ด้วยวิธีทางเคมี ธาตุที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติมี 92 ธาตุ และมีธาตุอีกจานวนหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ขึ้นจากห้องทดลอง ธาตุชนิดเดียวกันจะมีจานวนโปรตอน และอิเล็กตรอนเท่ากัน ตัวอย่างธาตุที่เราคุ้นเคย ได้แก่ เหล็ก (Fe) ทองแดง (Cu) ตะกั่ว (Pb) ออกซิเจน (O2) และไฮโดรเจน (H2) เป็นต้น     สารประกอบ (Compound) เป็นสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอนุภาคเล็กสุดเป็นโมเลกุล เกิดจากอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป มารวมตัวกันด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน และไม่สามารถแบ่งแยกองค์ประกอบเหล่านี้ออกจากกันได้ด้วยวิธีทางกายภาพ ต้องใช้วิธีทางเคมี เช่น โมเลกุลของน้ามีสูตรเคมี H2O เป็นสารประกอบที่ประกอบด้วย H 2 อะตอม และ O 1 อะตอม และมีอัตราส่วนโดยมวลของ H : O เท่ากัน 1 : 8 เสมอ ดังนั้นถ้านาไฮโดรเจน (H) 1 ส่วน และออกซิเจน (O) 8 ส่วน ผสมกันภายใต้สภาวะที่เหมาะสม จะเกิดเป็น H2O ได้     ของผสม (mixture) ประกอบด้วยสารบริสุทธิ์ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปผสมกันในอัตราส่วนที่ไม่คงที่แน่นอน โดยแต่ละสารยังคงเอกลักษณ์ของตนเองอยู่ ของผสมเป็นได้ทั้งของผสมเนื้อเดียว และของผสมเนื้อผสม เช่น น้ำนม น้ำอัดลม สารละลาย โลหะเจือ คอนกรีต และหินแกรนิต เป็นต้น     การแยกสารผสม      เป็นกระบวนการที่จะทาให้สารบริสุทธิ์ โดยอาศัยสมบัติต่าง ๆ ของสาร เช่น สถานะ ขนาดของสาร ความหนาแน่น ความดันไอ หรือความสามารถในการละลาย โดยทั่วไปสารต่าง ๆ ที่พบในธรรมชาติมักจะอยู่ในรูปของสารเนื้อผสม หรือสารละลาย โดยองค์ประกอบแต่ละชนิดมักมีสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกันทาให้สามารถแยกองค์ประกอบแต่ละชนิดในสารเนื้อผสมหรือสารละลายออกมาได้ ซึ่งการแยกสารมีประโยชน์อย่างมากต่อการนาไปใช้ในชีวิตประจาวัน เช่น การสกัดน้ามันจากเมล็ดพืช การกลั่นน้ามันปิโตรเลียม การสกัดสารที่เป็นองค์ประกอบของยาจากส่วนต่าง ๆ ของพืช การทาน้ำให้บริสุทธิ์ กระบวนการแยกสารให้บริสุทธิ์นี้สามารถทาได้โดยวิธีการทางกายภาพและทางเคมี ขึ้นกับลักษณะทางกายภาพของสาร เช่น 1. การกรอง (filtration)     การกรองเป็นการแยกของแข็งออกจากของเหลว โดยเทสารผสมผ่านกระดาษกรอง หรือเยื่อกรอง ทาให้ของแข็งที่ไม่ละลายในของเหลวถูกแยกออกมา เรียกว่า กาก หรือ ส่วนตกค้าง (residue) ส่วนของเหลวที่ได้จากการกรองเรียกว่า ฟิลเทรต (filtrate) เช่น การกรองแยกผงถ่านออกจากน้า การกรองเป็นวิธีการหนึ่งทางเคมีที่ใช้ในกระบวนการแยกสารให้บริสุทธิ์ มักใช้ควบคู่กับการละลาย เช่น ในการแยกสารผสมระหว่าง ผงทองกับผงเหล็ก โดยใช้กรดเป็นตัวทาละลายผงเหล็ก ในขณะที่ผงทองไม่ละลาย จากนั้นจึงกรองแยกผงทองออกจากสารละลาย เป็นต้น กระดาษกรองที่ใช้ในการกรอง ก่อนนาไปใช้ต้องพับ เพื่อให้วางไว้บนกรวยกรองได้ การพับกระดาษกรองเป็นทบ (พับจีบ) เพื่อใช้ในการกรองสารละลายที่ร้อนแล้วนาไปตกผลึกเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวให้ของเหลว สามารถไหลผ่านได้มาก และป้องกันไม่ให้เกิดการตกผลึกบนกระดาษกรองขณะที่ทาการกรอง ในบางกรณีที่ ตะกอนมีขนาดเล็ก มีลักษณะเบาหรือละเอียดมาก ๆ การกรองผ่านกระดาษกรองธรรมดาต้องใช้เวลาในการกรอง นาน จึงอาจใช้วิธีการกรองด้วยแรงสุญญากาศ (vacuum filtration) ซึ่งสะดวกและรวดเร็วมากกว่า 2. การกลั่น (distillation)  การกลั่นเป็นการแยกสารผสมที่มีสถานะเป็นของเหลวที่มีจุดเดือดต่างกันออกจากกัน โดยสารที่มีจุดเดือดต่ำกว่าจะระเหยแยกออกมาก่อน เช่น การแยกน้าออกจากน้าเกลือ และการกลั่นน้ากลั่น เป็นต้น การกลั่นสามารถใช้ในการแยกของผสมระหว่างของแข็งผสมอยู่กับของเหลว โดยของแข็งละลายอยู่ในของเหลว หรือของเหลวผสมกับของเหลว หลักการของการกลั่นจะอาศัยความแตกต่างของจุดเดือดต่ำหรือความดันไอของแต่ละองค์ประกอบในของผสม เมื่อของผสมได้รับความร้อน องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำกว่าหรือความดันไอสูงกว่า จะระเหยกลายเป็นไอก่อน จากนั้นทาให้ไอกระทบกับความเย็น โดยผ่านเครื่องควบแน่น (condenser) ไอจะควบแน่นกลายเป็นของเหลวกลับคืนมา การกลั่นมีหลายประเภท คือ 2.1 การกลั่นแบบธรรมดา (simple distillation)     เป็นการกลั่นภายใต้สภาวะที่ความดันปกติ คือ ประมาณ 1 บรรยากาศ หรือที่ความดัน 760 มิลลิเมตรของปรอท มักใช้ในการแยกของเหลวผสมที่มีจุดเดือดต่างกันมาก ๆ ออกจากกัน โดยจุดเดือดต้องต่างกันมากกว่า 30 องศาเซลเซียส ขึ้นไป ดังนั้นการกลั่นแบบธรรมดาจึงไม่สามารถใช้แยกของผสมระหว่างน้าและเอทิลแอลกอฮอล์ได้ เนื่องจากจุดเดือดระหว่างน้าและเอทิลแอลกอฮอล์ใกล้เคียงกัน แต่วิธีนี้สามารถแยกสารละลายที่ตัวทาละลาย ระเหยได้ง่ายออกจากตัวถูกละลายที่ไม่ระเหย เช่น การแยกเกลือแกงออกจากน้ำเกลือ 2.2 การกลั่นลำดับส่วน (fractional distillation)     เป็นการกลั่นภายใต้สภาวะความดันปกติ เช่นเดียวกับการกลั่นแบบธรรมดา แต่จะใช้ในการแยกของเหลว ผสมที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกันออกจากกัน เช่น การกลั่นแยกสารผสมของน้า มันปิ โตรเลียม โดยนา ของเหลวผสมสอง ชนิดที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกัน มาทา การแยกโดยการกลั่นแบบธรรมดาของเหลวทั้งสองชนิดจะกลายเป็นไอ เมื่อได้รับความร้อน และเมื่อไอระเหยมากระทบกับความเย็นก็จะกลั่นตัวเป็นของเหลวผสมอีก แต่ไอของสารที่มีจุด เดือดต่ำ กว่า หรือไอที่มีความดันไอสูงกว่าจะมีปริมาณมากกว่า ทา ให้ของเหลวที่ได้มีปริมาณที่แตกต่างกัน นา ของเหลวผสมที่กลั่นตัวออกมานี้ไปทา การกลั่นซ้ำ อีกครั้ง ของเหลวที่ได้จากการกลั่นครั้งที่สองจะมีปริมาณของ ของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำ กว่า หรือมีความดันไอสูงกว่า มากขึ้นอีก ทา เช่นนี้ต่อไปเรื่อย ๆ หลาย ๆ ครั้ง เป็นการกลั่นซ้ำ หลาย ๆ ครั้งอย่างต่อเนื่อง ก็จะสามารถแยกของผสมที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกันออกจากกันได้ จึงเรียกวิธีการแบบ นี้ว่าการกลั่นลำดับส่วน   การกลั่นด้วยไอน้ำ (steam distillation)     เป็นการกลั่นแยกสารที่ระเหยง่าย และไม่ละลายน้ำ ออกจากสารที่ระเหยยากหรือสารที่มียางเหนียว โดยใช้ ไอน้ำ เป็นตัวพาสารที่สกัดได้จะเป็นของเหลวที่แยกชั้นกับน้ำ และสามารถแยกสารผสมนี้ออกจากกันได้โดยใช้ กรวยแยก การกลั่นด้วยไอน้ำ นี้นิยมใช้ในการสกัดน้า มันหอมระเหยออกจากส่วนต่าง ๆ ของพืช เช่น ส่วนของ ดอก ใบ ผล เมล็ด และราก การกลั่นโดยลดความดัน (vacuum distillation)   การกลั่นโดยลดความดัน หรือการกลั่นในสุญญากาศ เป็นการแยกของเหลวออกมาได้ที่อุณหภูมิต่ากว่าจุดเดือดของของเหลวนั้น โดยปกติจุดเดือดของของเหลวจะแปรผันกับความดันไอ ถ้าความดันเหนือของเหลวลดลง จะทาให้จุดเดือดต่ำลงด้วย เช่น การต้มน้าที่ยอดเขา ความดันเหนือน้าจะต่ำกว่าที่ระดับพื้นดิน ดังนั้นจุดเดือดของน้าที่ยอดเขาจึงต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส การตกผลึก (recrystallization)     การตกผลึกเป็นการแยกของแข็งที่ละลายเป็นเนื้อเดียวกันกับตัวทำละลายที่เป็นของเหลว โดยการนาสารผสมนี้ไปต้มให้ตัวทาละลายระเหยออกไปจนได้สารละลายอิ่มตัว ตั้งทิ้งไว้ให้เย็นที่อุณหภูมิห้อง จะได้ของแข็งแยกตัวตกผลึกออกมา ในกระบวนการตกผลึกจาเป็นต้องคำนึงถึงตัวทาละลายซึ่งตัวทาละลายที่ดีต้องไม่ทาปฏิกิริยากับตัวถูกละลาย และตัวทาละลาย ต้องละลายตัวถูกละลายได้มากขณะร้อนและไม่ละลาย หรือละลายได้น้อยขณะเย็น 11 ตัวทำละลายต้องไม่ละลายสิ่งเจือปนเพื่อให้สามารถกาจัดสิ่งเจือบนออกไปจากสารละลาย โดยการกรองในขณะที่สารละลายยังร้อน เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวถูกละลายตกผลึกออกมาบนกระดาษกรองขณะกรองแยกสิ่งเจือปนออกไป ตัวทาละลายต้องไม่เป็นพิษ ไม่ไวไฟ และควรมีราคาถูก ตัวทาละลายที่นิยมใช้ ได้แก่ น้า เอทานอล (ethanol) เอทิลแอซิเทต (ethyl acetate) และเฮกเซน (hexane) การสกัดด้วยตัวทาละลาย (solvent extraction)     เป็นการแยกของผสมที่เป็นของแข็งกับของแข็ง หรือของเหลวกับของเหลว โดยใช้ตัวทาละลายที่เหมาะสม เช่น ของผสมระหว่างผงเกลือแกง กับผงลูกเหม็น (แนฟทาลีน; naphthalene) ซึ่งสารทั้งสองนี้มีสีขาวเหมือนกัน การแยกสีโดยดูด้วยตาจึงทาได้ยาก ขนาดของสารทั้งสองก็มีขนาดเล็กมากไม่สามารถหยิบหรือเขี่ยให้ออกจากกันได้ แต่เราสามารถใช้น้าเป็นตัวทาให้เกลือแกงละลาย เป็นสารละลายของเกลือแกงในขณะที่แนฟทาลีนไม่ละลายน้า เป็นสารแขวนลอย จึงใช้กรวยแยกสารทั้งสองออกจากกัน แล้วนาสารละลายเกลือแกงไประเหย ก็จะได้เกลือแกงกับคืนมา การสกัดด้วยตัวทาละลาย สามารถใช้สกัดสารจากธรรมชาติโดยแช่สารที่ต้องการสกัดด้วยตัวทาละลายที่เหมาะสม ที่อุณหภูมิห้อง จนได้ปริมาณสารที่ต้องการละลายออกมาได้มากที่สุด จากนั้นทาการกรองแล้วนาสารละลายที่ได้ไประเหย เพื่อแยกตัวทาละลายออกไป ก็จะได้สารที่ต้องการสกัด ตัวอย่างเช่น การสกัดน้ามันจากราข้าว การสกัดน้ามันจากถั่วเหลือง โดยการนาเมล็ดถั่วเหลืองมาแช่ในตัวทาละลายเฮกเซน (hexane) เมื่อกลั่นเอาเฮกเซนออกไป ก็จะได้น้ามันถั่วเหลืองออกมา ตัวทาละลายที่เหมาะสม จะต้องละลายตัวถูกละลายหรือสารที่ต้องการสกัดเท่านั้น หรือละลายสารอื่น ๆ ในของผสมได้น้อยมาก ตัวทาละลายต้องไม่ทาปฏิกิริยากับสารที่ต้องการสกัด และสามารถแยกออกจากสารที่ต้องการสกัดได้ง่าย มีราคาถูกและหาได้ง่าย โครมาโทกราฟี (chromatography)     เป็นวิธีการแยกสารผสมออกจากกัน โดยอาศัยสมบัติที่ต่างกันขององค์ประกอบแต่ละชนิดที่กระจายอยู่ใน 2 เฟส (phase) ได้แก่ เฟสที่อยู่กับที่ (stationary phase) ทาหน้าที่เป็นตัวดูดซับสารที่ต้องการแยก เช่น อะลูมินา (alumina, Al2O3 ) หรือ ซิลิกาเจล (silica gel, SiO2 ) และ เฟสที่เคลื่อนที่ (mobile phase) ทาหน้าที่เป็นตัวพา หรือตัวทาละลายสารที่ต้องการแยกให้เคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ เช่น เฮกเซน เอทิลแอลกอฮอล์ เอทิลแอซิเทต แอซิโตน และปิโตรเลียมอีเทอร์ เป็นต้น เมื่อตัวทาละลายเคลื่อนที่ผ่านตัวดูดซับที่มีของผสมอยู่ องค์ประกอบแต่ละชนิดในของผสมจะมีการเคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ องค์ประกอบที่ละลายในตัวทาละลายได้ดีจะถูกดูดซับได้น้อย จึงเคลื่อนที่ออกมาก่อน ส่วนองค์ประกอบที่ละลายในตัวทาละลายได้น้อย จะถูกดูดซับได้นานจึงเคลื่อนที่ออกมาภายหลัง โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ (paper chromatography)     ในการทาโครมาโทกราฟีแบบกระดาษ เราใช้กระดาษกรองเป็นเฟสที่อยู่กับที่ หรือตัวดูดซับ แล้วกาหนดจุดไว้ให้เป็นจุดเริ่มต้น สาหรับของผสมที่ต้องการแยก นาสารที่จะแยกมาหยดเป็นจุดเล็ก ๆ บนกระดาษกรอง ณ จุดที่ได้กำหนดไว้ แล้วนากระดาษไปตั้งไว้ในภาชนะปิดที่อิ่มตัวด้วยเฟสที่เคลื่อนที่ หรือตัวทาละลายที่เหมาะสม เมื่อปล่อยให้ตัวทาละลายซึมผ่านกระดาษกรอง และผ่านจุดของสารที่ต้องการแยกไปจนถึงระดับที่กำหนดไว้ จากการละลายและการถูกดูดซับขององค์ประกอบที่ต่างกันในของผสมเราจะเห็นแถบสีต่าง ๆ แยกออกมาจากของผสม กระดาษกรองที่ปรากฏสีต่าง ๆ ซึ่งเกิดจากการแยกของผสมนี้ เรียกว่า โครมาโทแกรม (chromatogram) ถ้าวัดระยะทางที่องค์ประกอบแต่ละชนิดเคลื่อนที่ได้ และระยะทางที่ตัวทาละลายเคลื่อนที่ จะสามารถนาไปคำนวณหาอัตราการเคลื่อนที่ (Rf , Retention factor) เพื่อบอกถึงจานวนและชนิดของแต่ละองค์ประกอบในของผสมได้สารชนิดเดียวกัน เมื่อทดสอบด้วยโครมาโทกราฟีแบบกระดาษในเฟสเคลื่อนที่ หรือตัวทาละลายชนิดเดียวกัน ย่อมจะให้ค่า Rf เท่ากัน แต่ในบางครั้งสารต่างชนิดในสภาวะเดียวกันอาจให้ค่า Rf เท่ากันก็ได้ ซึ่งสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นสารต่างชนิดกัน โดยเปลี่ยนชนิดของเฟสที่เคลื่อนที่หรือตัวทาละลาย หรือในบางครั้งองค์ประกอบแต่ละชนิดในของผสม อาจไม่เกิดการแยกให้เห็น ต้องการทาการทดลองใหม่ โดยการเพิ่มความยาวของกระดาษกรอง หรือเปลี่ยนชนิดของเฟสเคลื่อนที่ หรือตัวทาละลาย เป็นต้น ทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี (thin-layer chromatography : TLC)     วิธีนี้จะใช้วิเคราะห์และแยกสารที่มีปริมาณน้อยได้ดีและรวดเร็วเป็นโครมาโทกราฟีที่มีวิธีการเดียวกับโครมาโทกราฟีแบบกระดาษ เพียงแต่เปลี่ยนตัวดูดซับ จากกระดาษกรองเป็นผงละเอียดของอะลูมินา หรือ ซิลิกาเจลที่เคลือบเป็นฟิล์มบาง ๆ บนแผ่นแก้ว หรือแผ่นอะลูมิเนียมที่เรียบ เทคนิคการทา จะหยดสารที่ต้องการแยกบนแผ่น TLC ที่แห้งในแนวเดียวกันทิ้งไว้หรือเป่าให้แห้งแล้วนาไปใส่ในแท็งก์ ซึ่งอิ่มตัวด้วยไอของตัวทาละลาย ซึ่งทาหน้าที่เป็นเฟสเคลื่อนที่ ปิดฝาแท็งก์ ทิ้งไว้ให้ตัวทาละลายพาสารที่ต้องการแยกเคลื่อนที่ไปบนแผ่น TLC จนเกิดการแยก คอลัมน์โครมาโทกราฟี (column chromatography)     เป็นวิธีการแยกของผสมในปริมาณมาก ๆ ได้ดี โดยนาตัวดูดซับพวกอะลูมินา หรือซิลิกาเจล บรรจุใน คอลัมน์แก้ว (column) ให้เรียงตัวกันอย่างสม่ำ เสมอ เพื่อทา ให้องค์ประกอบในของผสมเกิดการแยกได้ดี ถ้าของ ผสมเป็นของแข็งให้ละลายของผสมด้วยตัวทาละลายที่ใช้เป็นเฟสเคลื่อนที่ในปริมาณที่น้อยที่สุด แต่ถ้าเป็น ของเหลวสามารถบรรจุลงในคอลัมน์ที่เตรียมไว้ได้เลย โดยใช้หลอดหยดค่อย ๆ หยดสารผสมที่ต้องการแยกลงไป ในระหว่างนี้ด้านล่างของคอลัมน์ต้องไขให้ตัวทา ละลายไหลออกไปช้า ๆ เมื่อบรรจุของผสมหมดแล้ว จึงค่อย ๆ เติมตัวทา ละลายตามลงไปเรื่อย ๆ องค์ประกอบต่าง ๆ ในของผสมจะถูกเฟสเคลื่อนที่พาออกจากคอลัมน์ องค์ประกอบที่ถูกดูดซับได้ดีด้วยเฟสที่ไม่เคลื่อนที่ จะไหลออกมาช้าสุด ถ้าองค์ประกอบในของผสมมีสี จะ เห็นสีเป็นช่วง ๆ ในคอลัมน์ แต่ถ้าองค์ประกอบไม่มีสี จะต้องเก็บของเหลวที่ไหลออกมา นาไปตรวจสอบว่าเป็น ชนิดเดียวกันหรือไม่ โดยใช้เทคนิคทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี ถ้าเป็นองค์ประกอบประเภทเดียวกันของเหลวแต่ ละส่วนจะมีค่า Rf เท่ากัน นา ของเหลวชนิดเดียวกันที่เก็บมาได้รวมกัน นา ไประเหยแยกตัวทา ละลายออกไป จะได้ องค์ประกอบที่ต้องการ พลังงานและการเปลี่ยนแปลง สารแต่ละชนิดมีสมบัติแตกต่างกันโดยทั่วไปสามารถจำแนกประเภทของสารที่เรามองเห็นจากการสังเกตรูปร่าง ลักษณะ ขนาด สี และกลิ่น แต่นักวิทยาศาสตร์ได้จัดหมวดหมู่ของสารออกเป็นประเภทต่าง ๆ โดยพิจารณาจากสมบัติของสาร 2 ประการ คือ 1. สมบัติทางกายภาพ (physical property)     เป็นสมบัติที่บอกลักษณะเฉพาะของสาร ที่เราสังเกตเห็นได้ หรือตรวจวัดได้ โดยไม่ทาให้องค์ประกอบดั้งเดิมของสารเปลี่ยนแปลง หรือถูกทาลายสลายเกิดเป็นสารตัวใหม่ เช่น เราสามารถเห็นสี และวัดขนาดของแผ่นกระดาษได้ โดยที่แผ่นกระดาษยังเหมือนเดิม ถ้าตัดกระดาษออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ขนาดของกระดาษเล็กลงแต่กระดาษไม่ได้เปลี่ยนเป็นสารอื่น แสดงว่าองค์ประกอบของกระดาษยังคงเป็นสารตัวเดิม แต่ขนาดของแผ่นกระดาษลดลงเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงเช่นนี้เรียกว่า การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ (physical change) การเปลี่ยนสถานะของสาร จัดเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่เห็นได้ง่ายที่สุด เช่น ก้อนน้าแข็งถูกความร้อนจะหลอมเหลวกลายเป็นน้า น้าถูกความร้อนจะระเหยกลายเป็นไอน้า หรือเมื่อนาเกลือแกงมาละลายน้า เกลือเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นสารละลาย องค์ประกอบของเกลือไม่เปลี่ยน ยังคงเป็นเกลือแกง คือ โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) แต่ละลายในน้าเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวนี้เกิดขึ้นได้เมื่อให้ความร้อน หรือดึงเอาความร้อนออกจากสาร 2. สมบัติทางเคมี (chemical property)     เป็นสมบัติที่สารแสดงออกมา เมื่อสารนั้นทาปฏิกิริยาทางเคมีกับสารอีกชนิดหนึ่ง เพื่อเปลี่ยนสารนั้นให้เป็นสารใหม่ เช่น แผ่นกระดาษเมื่อถูกเผาจะกลายเป็นเถ้าถ่าน ในสภาวะเดียวกันถ้าเผาแก้วจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ดังนั้น กระดาษกับแก้วจึงมีสมบัติทางเคมีต่างกัน การเผากระดาษทาให้สารที่เป็นองค์ประกอบของกระดาษเปลี่ยนเป็นสารใหม่ คือ กลายเป็นเถ้าถ่าน เรียกการเปลี่ยนแปลงแบบนี้ว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมี (chemical change) พลังงาน (energy) เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งหลายในธรรมชาติไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจะต้องมีพลังงานเกี่ยวข้องด้วยเสมอซึ่ง พลังงาน หมายถึง ความสามารถในการทางานได้ สารต่าง ๆ ไม่ว่าจะอยู่นิ่งกับที่หรือเคลื่อนที่ ล้วนมีพลังงานเกี่ยวข้องเสมอ สารที่อยู่นิ่งมีความพร้อมที่จะทางานได้ ส่วนสารที่เคลื่อนที่นั้นเห็นได้ชัดว่าทางานได้ พลังงานในสารที่มีการเคลื่อนที่เรียกว่า พลังงานจลน์ (kinetic energy) ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของผลคูณของมวล (m) กับกาลังสองของความเร็ว (v)     ดังนั้นความเร็ว (velocity : v) ยิ่งสูง พลังงานจลน์ยิ่งมากและถ้าสารนี้เคลื่อนที่ไปแล้วหยุดนิ่งอยู่กับที่ พลังงานที่ถูกเก็บไว้เป็นพลังงานศักย์ (potential energy)