ของแข็ง ( solid )

ของแข็ง (อังกฤษ: solid) เป็น สถานะ ของ สสาร ซึ่งมีลักษณะเฉพาะ ที่สามารถทนและต้านทานต่อการเสียรูปทรง และการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรของตัวมันเอง มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคองค์ประกอบใกล้ชิดกัน แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมีค่ามาก อนุภาคของแข็งจึงเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่จะสั่นไปมาได้เล็กน้อย เนื่องจากมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อยมาก ของแข็งจึงไหลไม่ได้เหมือนของเหลว และอัดไม่ได้เหมือนแก๊ส

เมื่อพิจารณาของแข็งตามรูปผลึก สามารถแบ่งประเภทของของแข็งได้เป็น 2 ชนิด ดังนี้

  • ของแข็งที่ไม่มีรูปร่างผลึก (amorphous solids) เช่น แก้ว ยาง พลาสติก เป็นต้น ของแข็งประเภทนี้จะมีจุดหลอมเหลวที่ไม่ชัดเจนเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคจะแตกต่างกันไปในแต่ละโมเลกุล

  • ของแข็งที่มีรูปร่างผลึก (crystalline solids) ของแข็งส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นผลึก มีการจัดเรียง มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน หลายแบบ ผลึกมีการจัดเรียงตัวที่เป็นระเบียบ จึงทำให้มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน ของแข็งกลุ่มนี้มีปรากฏการณ์สองอย่างได้แก่

    • ภาวะหลายรูปแบบ (polymorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารชนิดเดียวกัน สามารถมีรูปผลึกได้หลายรูปแบบ เช่น คาร์บอน (C) สามารถมีรูปผลึกเป็นได้ทั้ง แกร์ไฟต์ และ เพชร
    • ภาวะรูปแบบเดียว (isomorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารต่างชนิดกัน แต่มีรูปผลึกเป็นแบบเดียวกัน

ของแข็งมีคุณสมบัติในระดับจุลภาคดังนี้

  • อะตอม หรือ โมเลกุล ที่ประกอบกันเป็นของแข็งจะอัดกันแน่น

  • องค์ประกอบของธาตุเหล่านี้จะมี ตำแหน่ง อยู่กับที่ (space) และยึดเกาะซึ่งกันและกันทำให้ของแข็งมีความแข็ง

  • ถ้ามีแรงที่พอเพียงมากระทำคุณสมบัติเหล่านี้ของมันจะถูกทำลาย และเป็นเหตุให้มันเสียรูปทรงอย่างถาวร

  • เนื่องจากของแข็งบางชนิดมี พลังงานความร้อน (thermal energy) อะตอมของมันจึงมีการสั่นไหว แต่อย่างไรก็ดีการเคลื่อนไหวนี้ก็เกิดขึ้นเล็กน้อยและเร็วมากจนกระทั่งไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวิธีธรรมดา

สาขาวิชา ฟิสิกส์ ที่เกี่ยวข้องกับของแข็งมีดังนี้

ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลกคือ ซิลิกานาโนโฟม (silica nanofoam) มีความหนาแน่นประมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศ เป็นผลิตภัณฑ์ของแอโรเจล (aerogel) ที่ดูดอากาศออก

สมบัติของของแข็ง

จากการศึกษาเกี่ยวกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร พบว่าของแข็งมีสมบัติหลายประการดังนี้

1. สารชนิดเดียวกันเมื่ออยู่ในสถานะของแข็งจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากกว่าของเหลวและแก๊ส จึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารในสถานะของแข็งส่วนใหญ่มีค่าสูกว่าของเหลวและแก๊ส

2. ของแข็งมีรูปร่างแน่นอนไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ มีปริมาตรคงที่ที่ความดันและอุณหภูมิคงที่ ไม่สามารถไหลได้ เนื่องจากอนุภาคอยู่ชิดกันมาก การจัดเรียงอนุภาคอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอน

3. ของแข็งแพร่ได้ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและแก๊ส

4. ของแข็งบางชนิดเป็นตัวนำความร้อนและตัวนำไฟฟ้า บางชนิดเป็นสารกึ่งตัวนำ และบางชนิดเป็นฉนวน

5. ของแข็งบางชนิดสมารถจัดเรียงตัวเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน เรียกว่า ผลึก บางชนิดอาจจะมีผลึกได้หลายแบบ และบางชนิดไม่สามารถเกิดผลึกได้ เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid)

การจัดเรียงอนุภาคของ ของแข็ง

ของแข็งที่เกิดจากการเรียงอนุภาคอย่างเป็นระเบียบ มีรูปร่างเฉพาะตัวเรียกว่าผลึก ผลึกของของแข็งแต่ละชนิดจะมีผิวหน้าที่เรียบซึ่งทำมุมกันด้วยค่าที่แน่นอน เป็นลักษณะเฉพาะตัว ผลึกที่มีขนาดใหญ่ ๆ เมื่อทำให้ผลึกเล็กลงเช่นโดยการบด ส่วนเล็ก ๆ จะยังคงรักษารูปผลึกเป็นแบบเดิมอยู่ โดยทั่วไปของแข็งชนิดเดียวกันจะมีการจัดเรียงอนุภาคเป็นแบบเดียวกันไม่ว่าของแข็งนั้นจะเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือสังเคราะห์ขึ้นผลึกของของแข็งจะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และมีช่วงอุณหภูมิของการหลอมเหลวสั้น
การที่ของแข็งมีการจัดเรียงโมเลกุลต่างกัน ทำให้เกิดผลึกที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นผลให้สมบัติทางกายภาพ เช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว และความหนาแน่นแตกต่างกัน
• ในกรณีที่ของแข็งชนิดหนึ่งมีผลึกได้หลายแบบ เรียกว่า มีรูป (Polymorphism)
• ในกรณีที่ธาตุชนิดเดียวกันแต่มีการจัดเรียงโครงสร้างของโมเลกุลหรือโครงสร้างของผลึกต่างกัน ก็เรียกว่ารูป (Allotrope)

ชนิดผลึกของ ของแข็ง

 ของแข็งที่อยู่ในรูปผลึกมีลักษณะที่สำคัญคือมีการจัดเรียงอนุภาคภายในอย่างมีระเบียบในสามมิติ แต่ละอนุภาคยึดเหนี่ยวด้วยแรงชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างทางเรขาคณิตที่แน่นอน ของแข็งบริสุทธิ์มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจนและคงที่ นั่นคือเมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวสารประเภทนี้จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวทันที

ถ้าใช้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคภายในผลึกเป็นเกณฑ์ สามารถแบ่งของแข็งในรูปผลึกได้ 4 ประเภท ดังนี้

1. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากโมเลกุลโคเวเลนต์
2. ผลึกโคเวเลนต์ (Network covalent crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบโคเวเลนต์แบบโครงผลึกร่างตาข่าย
3. ผลึกโลหะ (Metalic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากพันธะโลหะ
4. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบไอออนิก

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง

การหลอมเหลว (melting)

 เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง อนุภาคของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคมีการสั่นมากขึ้น และมีการถ่ายโอนพลังงานให้แก่อนุภาคข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบางอนุภาคของของแข็งมีพลังงานสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคของของแข็งจึงเริ่มเคลื่อนที่และอยู่ห่างกันมากขึ้น ของแข็งจึงเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว (melting) และเรียกอุณหภูมิในขณะที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่ความดันหนึ่ง บรรยากาศว่า จุดหลอมเหลว (melting point)

การหลอมเหลวของน้ำแข็ง

การระเหิด (Sublimation)

การระเหิดของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับสารชนิดที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อยมาก และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces) อย่างอ่อน เช่น แรงลอนดอน (London forces) เมื่ออนุภาคของสารได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย จะทำให้อนุภาคของสารนั้นแยกออกจากผลึก โดยเฉพาะอนุภาคที่อยู่บริเวณผิวหน้าของผลึกจะหลุดออกและเคลื่อนที่เป็นอิสระได้ง่าย  เช่น การระเหิดของไอโอดีน การระเหิดของแนฟทาลีน การะบูร เมนทอล เป็นต้น

การระเหิดของแนฟทาลีน (naphthalene)

การระเหิดของน้ำแข็งแห้ง

ผลึกเมนทอล (menthol) สามารถระเหิดได้

ผลึกการบูร (camphor) สามารถระเหิดได้

 

ที่มา: http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/solid_property_1.htm

ใส่ความเห็น

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s