แก๊สและสมบัติของแก๊ส

Gas and Properties

SUBTOPICS OF THE LESSON

1 2 3 4

ตรวจสอบความรู้ก่อนเรียน

1. แก๊สและของเหลวเปลี่ยนแปลงรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ แต่แตกต่างกันตรงที่ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุได้

2. ความดันของอากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าเท่ากับ 1 บรรยากาศ

3. แก๊ส A 1.0 mole ผสมกับแก๊ส B 4.0 mole เศษส่วนโมลของแก๊ส A เท่ากับ 0.25

4. ที่ STP แก๊สต่างชนิดกันมีปริมาตรเท่ากัน เมื่อมวลเท่ากัน

ตรวจสอบความรู้ก่อนเรียน

5.แก๊สฮีเลียม 2.00 g มีจำนวนโมลเท่ากับแก๊สออกซิเจน 16.00 g

6. แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 44.01 g มีปริมาตร 22.4 L ที่ STP

7. จากสมการ 2H₂(g) + O₂(g) 🡪 2H₂O(g) แสดงว่า แก๊สไฮโดรเจน 10 mg ทำปฏิกิริยาพอดีกับแก๊สออกซิเจน 5 mg เกิดเป็นไอน้ำ 10 mg

8. จากสมการ 2H₂(g) + O₂(g) 🡪 2H₂O(g) แสดงว่า ที่ความดันและอุณหภูมิคงที่ แก๊สไฮโดรเจน 10 mL ทำปฏิกิริยาพอดีกับแก๊สออกซิเจน 5 mL เกิดเป็นไอน้ำ 10 mL

SUB TOPIC Part 1

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมล

เมื่ออนุภาคแก๊สเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะจะทำให้เกิดแรงกระทำต่อพื้นผิวภายในของภาชนะที่บรรจุ ซึ่งผลรวมของแรงทั้งหมดที่อนุภาคแก๊สกระทำต่อพื้นที่เรียกว่า ความดัน (pressure) และหน่วยของความดันในระบบ SI คือ ปาสคัล (pascal; Pa)

​

หน่วยของความดันของแก๊สที่นิยมใช้โดยทั่วไป คือ บรรยากาศ (atmosphere; atm) ซึ่งสัมพันธ์กับหน่วยปาสคัล และหน่วยอื่น ๆ อีกด้วย

​

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาความสัมพันธ์ของปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมลของแก๊สจนได้ความสัมพันธ์เป็นกฎต่าง ๆ ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษาในอันดับต่อไป

เปรียบเทียบสมบัติของทั้ง 3 สถานะ

รูป การจัดเรียงอนุภาคของสารชนิดหนึ่งที่อยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

รูป ความดันของแก๊สที่เกิดขึ้นภายในลุกโป่ง

Pressure

หน่วยของความดัน (Pressure’s Units)

ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วย

1 atm

= 1.01325 x 10⁵ Pa

= 760 mmHg

= 760 torr

= 1 bar

= 14.7 psi

ตั้งตามชื่อของ เอวันเจลิสตา ทอร์รีเชลลี (Evangelista Torricelli) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ผู้ประดิษฐ์บารอมิเตอร์ปรอท

• ประกอบด้วยหลอดแก้วยาว 80-100 เซนติเมตร ปลายข้างหนึ่งปิดสนิท ภายในบรรจุปรอทไว้เต็ม
• เมื่อคว่ำหลอดแก้วลงในภาชนะที่มีปรอทบรรจุอยู่ ความสูงของปรอทในหลอดแก้วจะลดลง
• เมื่อความสูงของปรอทที่อยู่ในหลอดแก้วคงที่ ความสูงของปรอทที่เหลือในหลอดแก้วจะมีค่าเท่ากับความดันบรรยากาศ
• ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าเท่ากับ 760 มิลลิเมตรปรอท

1

บารอมิเตอร์ (barometer)

2

มานอมิเตอร์ (manometer)

• เป็นหลอดแก้วรูปตัว U ภายในบรรจุปรอท ปลายด้านหนึ่งต่อกับกระเปาะที่มีแก๊สที่ต้องการวัดความดัน ปลายอีกด้านอาจเปิดหรือปิดก็ได้

SUB TOPIC Part 1

1. ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมล

กิจกรรม 1.1 การทดลองศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน

และปริมาตรของอากาศ

กิจกรรม 1.2 การทดลองศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิของอากาศ

นักเรียนแบ่งกลุ่ม กลุ่มละ 5 คน และนับเลขภายในกลุ่ม

กิจกรรม 1.1

โต๊ะ 1

กิจกรรม 1.2

โต๊ะ 5

กิจกรรม 1.2

โต๊ะ 4

กิจกรรม 1.1

โต๊ะ 3

1

3

กิจกรรม 1.2

โต๊ะ 6

5

4

3

กิจกรรม 1.1

โต๊ะ 2

2

เป่าลูกโป่งให้สามารถ

ใส่หลอดฉีดยาได้

ดันก้านไปที่ปริมาตร 15cm³ และ 10cm³

ใส่ลงในหลอดฉีดยา

1. เมื่อใช้นิ้วปิดกระบอกฉีดยาแล้วดันกระบอกฉีดยา ลูกโป่งที่บรรจุไว้ภายในจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

ตอบ ลูกโป่งจะมีขนาดเล็กลง

2. นักเรียนสังเกตปริมาตรของแก๊สได้จากสิ่งใดในการทดลอง

ตอบ ภายในกระบอกฉีดยามีความดันเพิ่มขึ้นทำให้มีแรงไปกดลูกโป่ง ความดันของลูกโป่งเพิ่มขึ้นทำให้ปริมาตรแก๊สของลูกโป่งลดลง

3. นักเรียนคิดว่าการทดลองนี้กำหนดให้สิ่งใดคงที่บ้าง

ตอบ อุณหภูมิ (T) , มวลของแก๊สที่อยู่ในลูกโป่งและกระบอกฉีดยา (M_g)

4. นักเรียนคิดว่าการดันกระบอกฉีดยาเป็นการเพิ่มสิ่งใดให้กับระบบ

ตอบ เพิ่มความดัน (P)

​

5. นักเรียนคิดว่าเมื่อกดก้านหลอดฉีดยาไปที่ปริมาตร 15 cm³ และ 10 cm³ จะมีผลต่อความดันภายในหลอดฉีดยาเหมือนต่างกันอย่างไร

ตอบ ต่างกันเมื่อดันก้านหลอดฉีดยาที่ปริมาตร 15 cm³ ลูกโป่งจะมีขนาดใหญ่กว่าที่ปริมาตร 10 cm³ เนื่องจากที่ปริมาตร 10 cm³ จะมีความดันในหลอดฉีดยามากกว่าจึงทำให้ลูกโป่งเล็กมากกว่า

ใช้นิ้วปิดปลายหลอดฉีดยา

คำถามก่อนการทดลอง

กดก้านกระบอกฉีดยาให้อยู่ที่ปริมาตร 5 cm³

นำไปดูดน้ำสีให้มี�ปริมาตร 2 cm³

จุ่มลงในบีกเกอร์ที่มีน้ำอุณหภูมิ �60-70 °C เป็นเวลา 2 นาที สังเกตการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊สภายในกระบอกฉีดยาและบันทึกผล

ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ1 และข้อ2 แต่เปลี่ยนเป็นจุ่มกระบอกฉีดยาลงในน้ำเย็นที่มีอุณหภูมิประมาณ 10-20 °C

1.ปริมาตรน้ำในกระบอกฉีดยาจะเกิดการเปลี่ยนแปลงหรือไม่

ตอบ

เปลี่ยนแปลง

2. อุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรหรือไม่

ตอบ

มี

ตารางบันทึกผลการทดลอง

คำถามท้ายการทดลอง

1. จากการทดลองลูกโป่งมีขนาดต่างกันหรือไม่เพราะเหตุใด

ตอบ ต่างกัน เพราะปริมาตรที่ดันกระบอกฉีดยาต่างกัน ความดันในกระบอกฉีดยาจึงส่งผลให้ขนาดของลูกโป่งต่างกัน

2. ขนาดของลูกโป่งที่ไม่เท่ากันมีผลมาจากสิ่งใด

ตอบ ความดัน (P) เพิ่มขึ้นจะทำให้ปริมาตรของแก๊ส (V_g) ลดลง

Robert Boyle

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

​

รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า PV กับความดัน (P) หรือปริมาตร (V) เมื่ออุณหภูมิคงที่

รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) กับปริมาตร (V) เมื่ออุณหภูมิคงที่

“เมื่ออุณหภูมิ (T) และมวล (m) ของแก๊สคงที่ ปริมาตร (V) ของแก๊สจะแปรผกผันกับความดัน (P)”

P₁V₁ = P₂V₂

(เมื่อ T และ m คงที่)

PV = k

โดย k เป็นค่าคงที่

1. แก๊สชนิดหนึ่ง มีมวล 3.0 กรัม (g) ปริมาตร 224 ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³) ที่ความดัน 755 มิลลิเมตรปรอท (mmHg) ถ้าเปลี่ยนความดันเป็น 760 มิลลิเมตรปรอท (mmHg) โดยให้อุณหภูมิและมวลคงที่ แล้วปริมาตรของแก๊สจะเป็นเท่าใด

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

2. เครื่องสูบลมจักรยานมีปริมาตรแก๊ส 150 ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³) ที่ความดัน 4.5 บรรยากาศ (atm) จงหาความดันของแก๊ส เมื่อปริมาตรขยายเป็น 600 ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³) เมื่ออุณหภูมิและมวลคงที่

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

3. ก๊าซออกซิเจนจำนวนหนึ่งบรรจุในถังปิดปรับขนาดได้ จากการทดลองพบว่าที่ 30 ^oC วัดความดันได้ 380 mmHg ในปริมาตร 500 cm³ ถ้าขยายปริมาตรให้เพิ่มขึ้น 100 cm³ ความดันจะลดลงกี่ atm

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

4. แก๊ส X มีปริมาตร 400 ลูกบาศก์เซนติเมตร ภายใต้ความดัน 0.8 บรรยากาศ ถ้าความดันเพิ่มขึ้นเป็น 76 เซนติเมตรปรอท แก๊ส X จะมีปริมาตรเท่าใด ถ้าอุณหภูมิคงที่ตลอดการทดลอง

​

​

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

5. ทำการอัดแก๊สออกซิเจนจำนวน 4 ลิตร ที่ความดัน 600 มิลลิเมตรปรอท เข้าไปในถังเหล็กซึ่งมีปริมาตร 2 ลิตร จนหมด ความดันของแก๊สออกซิเจนในถังเหล็กจะเป็นกี่บรรยากาศ ถ้าอุณหภูมิคงที่ตลอดการอัดแก๊ส

​

​

​

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

6. แก๊สออกซิเจนจำนวนหนึ่งบรรจุในถังปิดที่ปรับขนาดได้ จากการทดลองพบว่าที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส วัดความดันได้ 480 มิลลิเมตรปรอท ในปริมาตร 500 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถ้าขยายปริมาตรให้เพิ่มขึ้นอีก 200 ลูกบาศก์เซนติเมตร ความดันจะลดลงกี่มิลลิเมตรปรอท

​

​

​

​

แบบฝึกหัดที่ 1

เรื่อง กฎของบอยล์และชาร์ล

SUBTOPICS OF THE LESSON

ตารางบันทึกผลการทดลอง

คำถามหลังการทดลอง

1. เมื่อนำกระบอกฉีดยาที่มีน้ำสี 2 mL จุ่มลงในน้ำร้อนอุณหภูมิ 60-70 °C ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลงอย่างไร และทราบได้อย่างไร�ตอบ

​

ปริมาตรของอากาศในกระบอกฉีดยาจะเพิ่มขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลง�ระดับของน้ำสีในกระบอกฉีดยาจะลดลง

2. เมื่อนำกระบอกฉีดยาที่มีน้ำสี 2 mL จุ่มลงในน้ำเย็นอุณหภูมิ 10-20 °C ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลงอย่างไร และทราบได้อย่างไร�ตอบ

​

ปริมาตรของอากาศในกระบอกฉีดยาจะลดลง ซึ่งสังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลง�ระดับของน้ำสีในกระบอกฉีดยาจะเพิ่มขึ้น

3. เมื่อความดันคงที่ ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สมีความสัมพันธ์กันอย่างไร�ตอบ

​

​

การเพิ่มอุณหภูมิทำให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น และการลดอุณหภูมิทำให้ปริมาตรของแก๊สลดลง แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น

และมีน้ำสีไหลออกจากกระบอกฉีดยา

ปริมาตรของแก๊สลดลง

และมีน้ำไหลเข้าในกระบอกฉีดยา

Jacques - Alexandre - César Charles

ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง V กับ T (^oC) (ซ้าย) และ V กับ T (ขวา)

อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute zero)

รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง V กับ T (^oC) ณ ความดันต่าง ๆ

 “เมื่อมวล (m) และความดัน (P) ของแก๊สคงที่ ปริมาตร (V)ของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน (K)”

K = 273 + ^oC

V α T

โดย k เป็นค่าคงที่

(เมื่อ P และ m คงที่)

1. แก๊สไนโตรเจนปริมาตร 20 ลิตร ที่อุณหภูมิ 373 เคลวิน เมื่อทำให้อุณหภูมิลดลงเป็น 273 เคลวิน โดยความดันของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรสุดท้ายของแก๊สเป็นเท่าใด

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

2. แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 79.5 cm³ ที่ 45 ^oC แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใดที่ 0 ^oC

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

3. แก๊สสมบูรณ์แบบบริสุทธิ์ชนิดหนึ่ง มีปริมาตร X dm³ มีความดัน Y atm ที่อุณหภูมิ 127 ^oC เมื่อทำให้แก๊สนี้ขยายตัวเป็น 4 เท่า ภายใต้ความดันคงที่ อุณหภูมิสุดท้ายจะเป็นกี่เคลวิน

​

​

​

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

4. ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 525 ลูกบาศก์เซนติเมตร แก๊สชนิดนี้จะมีปริมาตรเท่าใด ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ถ้าความดันของแก๊สคงที่

​

​

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

5. แก๊สไนโตรเจน 3.5 ลิตร มีอุณหภูมิ -63 องศาเซลเซียส ทำให้ร้อนขึ้นจนมีอุณหภูมิ 225 องศาเซลเซียส ปริมาตรจะขยายออกไปเป็นเท่าใด เมื่อความดันคงที่ที่ 700 มิลลิเมตรปรอท

​

​

​

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

6. กระบอกสูบอันหนึ่งบรรจุแก๊สออกซิเจนปริมาตร 750 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส จะต้องเพิ่มหรือลดอุณหภูมิอีกเท่าใด แก๊สออกซิเจนจึงจะมีปริมาตรเท่ากับ 1,250 ลูกบาศก์เซนติเมตร

​

​

แบบฝึกหัดที่ 1

เรื่อง กฎของบอยล์และชาร์ล

SUBTOPICS OF THE LESSON

SUB TOPIC Part 1

1. ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมล

1.3 ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิของแก๊ส

ตาราง ความดัน อุณหภูมิ และอัตราส่วนความดันต่ออุณหภูมิ เมื่อปริมาตรและจำนวนโมลของแก๊สคงที่

 “เมื่อปริมาตร (V) และมวลแก๊ส (m) คงที่

ความดันจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน (K)”

K = 273 + ^oC

P α T

โดย k เป็นค่าคงที่

(เมื่อ V และ m คงที่)

Joseph Louis Gay-Lussac

1. แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุในภาชนะที่มีปริมาตรคงที่ มีความดัน 855 Torr ที่ 350 °C เมื่ออุณหภูมิของแก๊สนี้เปลี่ยนแปลง ทำให้ความดันเพิ่มขึ้นเป็น 980 Torr จงคำนวณหาอุณหภูมิใหม่ของแก๊สนี้

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

2. เมื่อนำของเหลว A 10 g มาทำให้เป็นไอทั้งหมดที่อุณหภูมิ 40 °C ความดัน 380 มิลลิเมตรปรอท ในถังพลาสติกที่ไม่มีการขยายตัวขนาด 20 ลูกบาศก์เดซิเมตร ถ้าต้องการให้ความดันลดลง 120 มิลลิเมตรปรอท จะต้องทำที่อุณหภูมิเท่าใด

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

3. ถังเหล็กกล้าสำหรับขนถ่ายเชื้อเพลิงมีวาวล์ป้องกันที่สามารถเปิดทำงานได้เองเมื่อความดันเกิน 1.00 x 10³ torr ถ้านำถังนี้ซึ่งบรรจุแก๊สมีเทนอุณหภูมิ 23 °C และ 0.991 atm ไปแช่ในน้ำเดือด (100 °C) นักเรียนคิดว่าวาวล์ป้องกันจะเปิดทำงานหรือไม่

​

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

4. กระป๋องสเปรย์ปรับอากาศซึ่งมีความดัน 1.05 x 10³ Pa ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ถูกโยนใส่ในกองไฟจนมีอุณหภูมิ 956 องศาเซลเซียส ภายในกระป๋องจะมีความดันกี่ kPa

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

SUBTOPICS OF THE LESSON

แบบฝึกหัดที่ 2

เรื่อง กฎของเกย์ - ลูสแซก

SUB TOPIC Part 1

1. ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมล

1.4 ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดันและอุณหภูมิของแก๊ส

C

T

G

P

V

B

P

V

V

T

P

T

C

T

G

P

V

B

P

V

V

T

P

T

B + C + G

P

V

T

กฎรวมแก๊ส

(Combined gas law)

กฎรวมแก๊ส

(Combined gas law)

1. แก๊สอาร์กอนมีปริมาตร 100 ลิตร ภายใต้ความดัน 970 torr และอุณหภูมิ 30 °C จะมีปริมาตรเท่าใดที่สภาวะมาตรฐาน

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

2. แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 100 cm³ ที่อุณหภูมิ 27 °C และความดัน 78 kPa ถ้าความดันเพิ่มขึ้นอีก 22 kPa ที่อุณหภูมิกี่องศาเซลเซียส แก๊สนี้จึงจะมีปริมาตรเท่ากับ 150 cm³

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

3. ถ้าต้องการให้ปริมาตรของแก๊สสมบูรณ์ที่ STP เพิ่มขึ้นเป็น 4 เท่าโดยการลดความดันลง 1/2 เท่า จะต้องทำที่อุณหภูมิกี่องศาเซลเซียส

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

4. แก๊สชนิดหนึ่งปริมาตร 6 dm³ บรรจุอยู่ในภาชนะที่สภาวะ STP ปริมาตรของแก๊สนี้จะเป็นกี่ dm³ ที่ความดัน 1,900 mmHg อุณหภูมิ 273 องศาเซลเซียส

สิ่งที่โจทย์ให้�

�สิ่งที่ต้องการ

SUBTOPICS OF THE LESSON

แบบฝึกหัดที่ 3

เรื่อง กฎรวมแก๊ส

SUB TOPIC Part 1

1. ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และจำนวนโมล

1.5 ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร และจำนวนโมลของแก๊ส

กิจกรรม 1.3 การทดลองศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร และจำนวนโมลของแก๊ส