จุดเดือด และ จุดหลอมเหลว ของสารผสม

จุดเดือดและจุดหลอมเหลว เป็นคุณสมบัติหนึ่งของสสารบนโลกนี้ ที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของปัจจัยทางกายภาพของโลก เช่น อุณหภูมิ และความดันอากาศ

หลักการของ จุดเดือดและจุดหลอมเหลว

จุดเดือด (Boiling Point) คืออุณหภูมิ ณ จุดที่ความดันไอ (Vapor Pressure) ของของเหลว (Liquid) มีค่าเท่ากับความดันของสิ่งแวดล้อมโดยรอบของเหลวดังกล่าว ซึ่งตามนิยามและความหมายมาตรฐานสากลของสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPA) จุดเดือด คือ อุณหภูมิ ณ จุดที่ความดันไอของของเหลวมีค่าเท่ากับความดันบรรยากาศ (Atmospheric Pressure) ที่ระดับน้ำทะเล หรือ ณ ความดันหนึ่งบาร์ (Bar) ซึ่งเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารจากของเหลวให้กลายเป็นก๊าซ (Gas)

ดังนั้น จุดเดือดจึงขึ้นอยู่กับความดันของบรรยากาศภายนอกของธาตุและสสาร ซึ่งโดยทั่วไปจุดเดือดของสารจะต่ำลง หากความดันของสิ่งแวดล้อมภายนอกลดลง อย่างเช่น จุดเดือดของน้ำ ณ ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลหรือบนภาคพื้นดินตามปกติ คือ 100 องศาเซลเซียส แต่เมื่ออยู่บนยอดเขาเอเวอเรสต์ (Mount Everest) ที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเล‎ราว ‎8,850 เมตร น้ำจะเดือดเร็วขึ้น ณ อุณหภูมิที่ 71-72 องศาเซลเซียส

ในขณะเดียวกัน จุดหลอมเหลว (Melting Point) หมายถึง อุณหภูมิ ณ จุดที่สสารเปลี่ยนสถานะจากของแข็ง (Solid) เป็นของเหลวที่ความดันมาตรฐาน หรือ ความดัน 1 บรรยากาศ (atm)

ในทางกลับกัน เมื่อสารในสถานะของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง สามารถเรียกอุณหภูมิ ณ จุดดังกล่าวว่า “จุดเยือกแข็ง” (Freezing Point)

โดยทั่วไป สารชนิดเดียวกันอาจมีจุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็ง ณ อุณหภูมิเดียวกัน แต่อย่างไรก็ตาม สารแต่ละชนิดไม่จำเป็นต้องมีอุณหภูมิ ณ จุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็งเท่ากันทั้งหมด เนื่องจากสารบางชนิดมีคุณสมบัติในการคงตัวใน “สภาวะความเย็นยิ่งยวด” (Supercooling) หรือสภาวะที่อุณหภูมิของของเหลวลดต่ำลงกว่าจุดเยือกแข็งแต่ยังไม่กลายสถานะเป็นของแข็งทั้งหมด ดังนั้น จุดเยือกแข็งจึงไม่ถือเป็นคุณสมบัติเฉพาะของสสาร

จุดเดือดและจุดหลอมเหลวคือคุณสมบัติเฉพาะของธาตุและสสาร ที่สามารถนำมาใช้จำแนกประเภทของสสารได้ ดังนี้

สารบริสุทธิ์ (Pure Substance) คือ สารที่มีองค์ประกอบเพียงชนิดเดียว มีสมบัติทางกายภาพและทางเคมีเฉพาะตัว ส่งผลให้สารบริสุทธิ์มีจุดเดือด จุดหลอมเหลว รวมถึงความหนาแน่นคงที่ โดยทั่วไป สารบริสุทธิ์สามารถแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่

• ธาตุ (Elements) คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุเพียงชนิดเดียว สามารถจำแนกออกเป็นธาตุโลหะ (Metal) ธาตุอโลหะ (Nonmetal) และธาตุกึ่งโลหะ (Metalloid) ตามคุณสมบัติเฉพาะของธาตุแต่ละตัว ซึ่งในปัจจุบัน ธาตุ 118 ธาตุ มีทั้งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น ออกซิเจน (O) คาร์บอน (C) และแมกนีเซียม (Mg) และเกิดจากการสังเคราะห์ขึ้นใหม่โดยมนุษย์ เช่น เทคนีเชียม (Tc) และพลูโทเนียม (Pu) เป็นต้น
• สารประกอบ (Compounds) คือ สารบริสุทธิ์ที่เกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิด ขึ้นไป โดยมีอัตราส่วนโดยมวลคงที่กลายเป็นสารชนิดใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากธาตุที่เป็นองค์ประกอบดั้งเดิม เช่น น้ำ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมธาตุออกซิเจนและไฮโดรเจน เป็นต้น

สารผสม (Mixture) คือ การรวมตัวกันของสารตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป โดยไม่จำกัดสัดส่วนของการผสมและไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาในระหว่างการผสมผสานสารองค์ประกอบต่าง ๆ สารผสมจึงมีจุดเดือด จุดหลอมเหลว และความหนาแน่นไม่คงที่ เนื่องจากมีปัจจัยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารประกอบแต่ละชนิด สารผสมสามารถจำแนกออกเป็น 2 กลุ่มหลัก ได้แก่

• สารผสมเนื้อเดียว (Homogenous Mixture) หรือ สารละลาย (Solution) คือ สารผสมที่เมื่อสารรวมตัวกันแล้ว สามารถผสานเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น น้ำเกลือ น้ำเชื่อม และอากาศ โดยสารละลายอาจอยู่ในสถานะทั้งของแข็ง ของเหลว หรือ ก๊าซ ขึ้นอยู่กับสถานะของสารซึ่งเป็นตัวทำละลายและตัวถูกละลายในสารผสม
• สารเนื้อผสม (Heterogeneous Mixture) คือ สารผสมที่เมื่อสารรวมตัวกันแล้ว ไม่สามารถผสานเป็นเนื้อเดียวกัน เกิดอนุภาคของสารขนาดเล็ก เช่น สารแขวนลอย (Suspension) ที่เมื่อเวลาผ่านไปมักจะเกิดการตกตะกอน และสารคอลลอยด์ (Colliod) ที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งไม่ตกตะกอนและมีคุณสมบัติในการกระเจิงแสงเมื่อปะปนอยู่ในสารผสมชนิดดังกล่าว

ปัจจัยที่ส่งผลต่อจุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสสาร

เนื่องจากธาตุและสสารชนิดต่าง ๆ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค ที่อยู่ในรูปของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลหรืออะตอม ส่งผลต่อจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสาร

สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากจะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง เนื่องจากสารดังกล่าวต้องการพลังงานความร้อนจากภายนอกปริมาณมาก เพื่อช่วยสลายพันธะหรือลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล และเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเปลี่ยนไปเป็นก๊าซ ส่วนสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคต่ำ จะส่งผลให้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำเช่นเดียวกัน

ดังนั้น การหาจุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารสามารถนำมาใช้จำแนกความบริสุทธิ์ของสารต่าง ๆ ได้ เมื่อทำการทดสอบสารผสมที่ไม่บริสุทธิ์ จึงมักพบว่ามีจุดเดือดไม่คงที่

เนื่องจากอัตราส่วนระหว่างจำนวนโมเลกุลของตัวถูกละลายและตัวทำละลายได้เปลี่ยนแปลงไป เมื่อโมเลกุลของสารที่มีจุดเดือดต่ำมักระเหยไปในอัตราที่รวดเร็วกว่าสารที่มีจุดเดือดสูง ส่งผลให้สารผสมที่เหลืออยู่มีจุดเดือดไม่แน่นอน

ในทางกลับกัน สารบริสุทธิ์ที่มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวคงที่ รวมถึงการมีช่วงอุณหภูมิของการหลอมเหลวแคบ (ช่วงของอุณหภูมิที่สารตั้งต้นเกิดการหลอมเหลวจนกระทั่งสารทั้งหมดเปลี่ยนแปลงสถานะไปเป็นของเหลวโดยสมบูรณ์)

จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารประกอบเป็นอย่างไร

จุดหลอมเหลวของสารผสมเป็นอย่างไร

จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารบริสุทธิ์และสารผสมแตกต่างกันอย่างไร

สารผสมมีอุณหภูมิขณะเดือดเป็นอย่างไร