ผลต่างระหว่างรุ่นของ "ของแข็ง"

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
เนื้อหาที่ลบ เนื้อหาที่เพิ่ม
BotKung (คุย | ส่วนร่วม)
เก็บกวาดบทความด้วยบอต
สันติพร380 (คุย | ส่วนร่วม)
ไม่มีความย่อการแก้ไข
บรรทัด 1: บรรทัด 1:
{{ต้องการอ้างอิง}}
{{ต้องการอ้างอิง}}
{{กลศาสตร์ภาวะต่อเนื่อง}}
{{กลศาสตร์ภาวะต่อเนื่อง}}

[[ไฟล์:solidpic.gif|thumb|การจัดเรียงตัวของอนุภาคองค์ประกอบของของแข็ง]]
'''ของแข็ง''' ({{lang-en|Soild}}) เป็น[[สถานะของสสาร|สถานะหนึ่งในสี่ของสถานะพื้นฐานของสสาร]] (สถานะอื่นได้แก่ [[ของเหลว]] [[แก๊ส]] [[พลาสมา]]) ซึ่งมีลักษณะที่สามารถทนและต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่วงหรือปริมาตร แตกต่างกับ[[ของเหลว]] วัตถุที่เป็นของแข็งไม่สามารถไหลได้และไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างและปริมาตรไปตามภาชนะที่บรรจุ อะตอมภายในโมเลกุลของของแข็งอยู่ชิดกันมากและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่หนาแน่นกับอนุภาคอื่นๆ
'''ของแข็ง''' ({{lang-en|Soild}}) เป็น[[สถานะของสสาร|สถานะหนึ่งในสี่ของสถานะพื้นฐานของสสาร]] (สถานะอื่นได้แก่ [[ของเหลว]] [[แก๊ส]] [[พลาสมา]]) ซึ่งมีลักษณะที่สามารถทนและต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่วงหรือปริมาตร แตกต่างกับ[[ของเหลว]] วัตถุที่เป็นของแข็งไม่สามารถไหลได้และไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างและปริมาตรไปตามภาชนะที่บรรจุ อะตอมภายในโมเลกุลของของแข็งอยู่ชิดกันมากและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่หนาแน่นกับอนุภาคอื่นๆ


สาขาของฟิสิกส์มีสาขาหนึ่งที่มีเพื่อศึกษาของแข็งโดยเฉพาะ เรียกว่า[[ฟิสิกส์ของแข็ง]]และมันยังเป็นสาขาหลักของ[[ฟิสิกส์สสารอัดแน่น]] (ซึ่งจะมีการศึกษาเกี่ยวกับของเหลวรวมอยู่ด้วย)
สาขาของฟิสิกส์มีสาขาหนึ่งที่มีเพื่อศึกษาของแข็งโดยเฉพาะ เรียกว่า[[ฟิสิกส์ของแข็ง]]และมันยังเป็นสาขาหลักของ[[ฟิสิกส์สสารอัดแน่น]] (ซึ่งจะมีการศึกษาเกี่ยวกับของเหลวรวมอยู่ด้วย)



[[ไฟล์:Aerogel hand.jpg|thumb|แอโรเจล]]
ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลกคือ ซิลิกานาโนโฟม (silica nanofoam) มีความหนาแน่นประมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของ[[อากาศ]] เป็นผลิตภัณฑ์ของ[[แอโรเจล]] (aerogel) ที่ดูดอากาศออก
ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลกคือ ซิลิกานาโนโฟม (silica nanofoam) มีความหนาแน่นประมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของ[[อากาศ]] เป็นผลิตภัณฑ์ของ[[แอโรเจล]] (aerogel) ที่ดูดอากาศออก



==ของแข็ง==
==ของแข็ง==
บรรทัด 40: บรรทัด 41:
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ แมกซ์ ฟอน เลาเอ ( Max von Laue ) ได้ชี้แนะในปี ค.ศ. 1912 ให้เห็นว่าระนาบที่บรรจุไอออนหรืออะตอมในผลึกมีลักษณะที่เป็นเกรติง และเนื่องจากระยะทางระหว่างระนาบของผลึกมีความใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ ทำให้ผลึกสามารถเกิดการเลี้ยวเบนอย่างเห็นได้ชัด เมื่อได้ทดลองกับผลึกโซเดียมคลอไรด์ ก็พบว่าการเลี้ยวเบนที่เห็นได้จากแผ่นฟิล์มเป็นจุดสว่างที่มีลักษณะสมมาตรรอบ ๆ จุดศูนย์กลาง และจากตำแหน่งต่างๆของจุดเหล่านั้น ฟอน เลาเอ สามารถคำนวณหาขนาดและรูปร่างของหน่วยเซลล์ในผลึกได้ด้วย เนื่องจากการคำนวณตามรูปแบบของ ฟอน เลาเอ ค่อนข้างจะซับซ้อน ต่อมานักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ วิลเลียม เฮนรี แบรกก์ ( William Henry Bragg ) และบุตรชายชื่อ วิลเลียม ลอเรนต์ แบรกก์ ( William Lawrence Bragg) ได้ศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงจัง และเห็นว่าการคำนวณหาขนาดอาจทำได้ในเทมอของการสะท้อนของแสงจากระนาบของอะตอม หรือ ไอออนในผลึก นั่นคือเมื่อฉายรังสีเอกซ์ไปยังผลึก บางส่วนของรังสีเอกซ์ก็สะท้อนออกไป บางส่วนก็ผ่านไปยังระนาบต่อๆไปและจะสะท้อนออกจากระนาบเหล่านั้น ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆ เป็นแบบ outof phaseก็จะหักล้างกัน แต่ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆเป็นแบบ in phase ก็จะเกิดการเสริมกัน ซึ่งเป็นผลจากการเลี้ยวเบน พิจารณาระนาบของอะตอมหรือไอออนตามรูป ที่มีระยะระหว่างระนาบเป็นdเมื่อฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่น λ ไปยังระนาบของผลึกด้วยมุม θ เมื่อรังสีเอกซ์ตกกระทบกันอะตอมหรือไอออนที่อยู่ตามระนาบต่างๆ ก็จะสะท้อนออกจากมุม θ เช่นกัน
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ แมกซ์ ฟอน เลาเอ ( Max von Laue ) ได้ชี้แนะในปี ค.ศ. 1912 ให้เห็นว่าระนาบที่บรรจุไอออนหรืออะตอมในผลึกมีลักษณะที่เป็นเกรติง และเนื่องจากระยะทางระหว่างระนาบของผลึกมีความใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ ทำให้ผลึกสามารถเกิดการเลี้ยวเบนอย่างเห็นได้ชัด เมื่อได้ทดลองกับผลึกโซเดียมคลอไรด์ ก็พบว่าการเลี้ยวเบนที่เห็นได้จากแผ่นฟิล์มเป็นจุดสว่างที่มีลักษณะสมมาตรรอบ ๆ จุดศูนย์กลาง และจากตำแหน่งต่างๆของจุดเหล่านั้น ฟอน เลาเอ สามารถคำนวณหาขนาดและรูปร่างของหน่วยเซลล์ในผลึกได้ด้วย เนื่องจากการคำนวณตามรูปแบบของ ฟอน เลาเอ ค่อนข้างจะซับซ้อน ต่อมานักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ วิลเลียม เฮนรี แบรกก์ ( William Henry Bragg ) และบุตรชายชื่อ วิลเลียม ลอเรนต์ แบรกก์ ( William Lawrence Bragg) ได้ศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงจัง และเห็นว่าการคำนวณหาขนาดอาจทำได้ในเทมอของการสะท้อนของแสงจากระนาบของอะตอม หรือ ไอออนในผลึก นั่นคือเมื่อฉายรังสีเอกซ์ไปยังผลึก บางส่วนของรังสีเอกซ์ก็สะท้อนออกไป บางส่วนก็ผ่านไปยังระนาบต่อๆไปและจะสะท้อนออกจากระนาบเหล่านั้น ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆ เป็นแบบ outof phaseก็จะหักล้างกัน แต่ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆเป็นแบบ in phase ก็จะเกิดการเสริมกัน ซึ่งเป็นผลจากการเลี้ยวเบน พิจารณาระนาบของอะตอมหรือไอออนตามรูป ที่มีระยะระหว่างระนาบเป็นdเมื่อฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่น λ ไปยังระนาบของผลึกด้วยมุม θ เมื่อรังสีเอกซ์ตกกระทบกันอะตอมหรือไอออนที่อยู่ตามระนาบต่างๆ ก็จะสะท้อนออกจากมุม θ เช่นกัน



[[ไฟล์:การเกิดการเลี้ยวเบนจากอะตอมหรือไออนในผลึก|thumbnail]]




บรรทัด 49: บรรทัด 50:
สมการนี่เรียกได้ว่า สมการของแบรกก์ ( Bragg’s equation ) ซึ่งระบุถึงการเลี้ยวเบนจะเกิดขึ้นเมื่อ n,λ,d และθ มีความสัมพันธ์ดังปรากฏตามสมการนี้เท่านั้น n เป็นอันดับของการเลี้ยวเบนเป็นเลขที่ลงตัวเนื่องจาก sin θ มีค่าสูงสุดไม่เกินหนึ่ง เพราะฉะนั้น แต่ละครั้งของการทดลองมี λ และ d ที่แน่นอนก็อาจมีมุมตก θ ได้หลายๆค่าเป็นไปตาม n = 1,2,3,…จากสมการเล่านี้จะเห็นว่าสำหรับ λ และ d มีค่าที่แน่นอนสำหรับผลึกหนึ่งๆ n จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อ sinθ ค่ามากขึ้นหรือมุม θ โตขึ้น ซึ่งได้พบเมื่อ n มีค่าสูงขึ้น รังสีที่สะท้อนจะมีความเข้มข้นต่ำลงอย่างรวดเร็ว รูปข้างล่างต่อไปนี้แสดงถึงการทดลองการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผงผลึกในขั้นแรกผ่านรังสีเอกซ์คลื่นเดี่ยวเข้าไปในหลอดแก้วเล็กๆที่บรรจุผงผลึกที่จะทดลอง ผงผลึกถึงจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยแต่ประกอบด้วยผลึกเล็กๆจำนวนมาก และอยู่ในลักษณะที่มีทิศทางต่างๆกัน
สมการนี่เรียกได้ว่า สมการของแบรกก์ ( Bragg’s equation ) ซึ่งระบุถึงการเลี้ยวเบนจะเกิดขึ้นเมื่อ n,λ,d และθ มีความสัมพันธ์ดังปรากฏตามสมการนี้เท่านั้น n เป็นอันดับของการเลี้ยวเบนเป็นเลขที่ลงตัวเนื่องจาก sin θ มีค่าสูงสุดไม่เกินหนึ่ง เพราะฉะนั้น แต่ละครั้งของการทดลองมี λ และ d ที่แน่นอนก็อาจมีมุมตก θ ได้หลายๆค่าเป็นไปตาม n = 1,2,3,…จากสมการเล่านี้จะเห็นว่าสำหรับ λ และ d มีค่าที่แน่นอนสำหรับผลึกหนึ่งๆ n จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อ sinθ ค่ามากขึ้นหรือมุม θ โตขึ้น ซึ่งได้พบเมื่อ n มีค่าสูงขึ้น รังสีที่สะท้อนจะมีความเข้มข้นต่ำลงอย่างรวดเร็ว รูปข้างล่างต่อไปนี้แสดงถึงการทดลองการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผงผลึกในขั้นแรกผ่านรังสีเอกซ์คลื่นเดี่ยวเข้าไปในหลอดแก้วเล็กๆที่บรรจุผงผลึกที่จะทดลอง ผงผลึกถึงจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยแต่ประกอบด้วยผลึกเล็กๆจำนวนมาก และอยู่ในลักษณะที่มีทิศทางต่างๆกัน



[[ไฟล์:การจัดตั้งการทดลอง|thumbnail]]
[[ไฟล์:การเลี้ยวเบนจากผลึกของโซเดียมคลอไรด์ที่ปรากฏบนแผ่นฟิล์ม|thumbnail]]




บรรทัด 68: บรรทัด 68:
จาการศึกษาโครงสร้างแบบผลึกของโลหะโดยวิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กส์ พบว่าโลหะต่างๆมีแลตทิซผลึกแบบ hexagonal closet packing หรือ face- centered cubic closest packing ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกแบบชิดที่สุดมีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ12โลหะส่วนน้อยมีแลตทิซผลึกเป็นแบบ body-centered cubic ซึ่งมีเลขคอร์ดิเนชันเท่ากับ 8 โลหะบางชนิดมีรูปร่างหลายแบบ เช่น แคลเซียมมีแลตทิซผลึกได้ทั้งแบบ body – centered และ face-centered cubic
จาการศึกษาโครงสร้างแบบผลึกของโลหะโดยวิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กส์ พบว่าโลหะต่างๆมีแลตทิซผลึกแบบ hexagonal closet packing หรือ face- centered cubic closest packing ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกแบบชิดที่สุดมีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ12โลหะส่วนน้อยมีแลตทิซผลึกเป็นแบบ body-centered cubic ซึ่งมีเลขคอร์ดิเนชันเท่ากับ 8 โลหะบางชนิดมีรูปร่างหลายแบบ เช่น แคลเซียมมีแลตทิซผลึกได้ทั้งแบบ body – centered และ face-centered cubic



[[ไฟล์:ตารางธาตุ|thumbnail]]


===(crystaline lattice)===
===(crystaline lattice)===
บรรทัด 74: บรรทัด 74:
หน่วยเซลล์มีลักษณะพื้นฐานแตกต่างกัน 7 แบบ ทำให้มีระบบผลึก (crystal system) 7 ระบบ แต่ละระบบแตกต่างกันที่ความสัมพันธ์ของด้านแต่ละมุม ดังนี้
หน่วยเซลล์มีลักษณะพื้นฐานแตกต่างกัน 7 แบบ ทำให้มีระบบผลึก (crystal system) 7 ระบบ แต่ละระบบแตกต่างกันที่ความสัมพันธ์ของด้านแต่ละมุม ดังนี้



[[ไฟล์:2|thumbnail]]




บรรทัด 115: บรรทัด 115:
การเขียนภาพแสดงหน่วยเซลล์ต่างๆ มักใช้จุดแทนอนุภาคของผลึกในหน่วยเซลล์ ระบบผลึกทั้ง 7 ระบบ ที่กล่าวมา บอกแต่เพียงความสัมพันธ์ของด้านและมุมของแต่ละระบบ แต่ไม่ได้บอกว่า แต่ละระบบมีอนุภาคของผลึกอยู่ในตำแหน่งใดบ้าง ระบบผลึกบางระบบอาจมีตำแหน่งของอนุภาคต่างกันถึง 2,3 หรือ 4 แบบ โดยมีชื่อเรียกต่างกัน ดังนี้ ผลึกธรรมดา (sinple หรือ primitive) มีอนุภาคอยู่ที่มุมของรูปผลึก (หนน่วยเซลล์) เท่ากัน (ทุกๆระบบมีผลึกแบบนี้) ผลึกแบบกลางหน้า นอกจากจะมีอนุภาคตามมุมแล้วยังมีอนุภาคตรงกลางด้านทุกด้านอีกด้วย ผลึกกลางตัว นอกจากมีอนุภาคที่มุมแล้วยังมีตรงกลางด้านบนของแต่ล่ะด้านบนและด้านล่างของหน่วยเซลล์ด้วย ซึ่งเมื่อระบบแบบจัดการอนุภาคในเซลล์ทั้งหมดของระบบผลึก 7 ระบบ ทำให้เกิดลักษณะของหน่วยเซลล์ทั้งหมด 14 แบบ เรียกว่า แลตทิซบราแวส์
การเขียนภาพแสดงหน่วยเซลล์ต่างๆ มักใช้จุดแทนอนุภาคของผลึกในหน่วยเซลล์ ระบบผลึกทั้ง 7 ระบบ ที่กล่าวมา บอกแต่เพียงความสัมพันธ์ของด้านและมุมของแต่ละระบบ แต่ไม่ได้บอกว่า แต่ละระบบมีอนุภาคของผลึกอยู่ในตำแหน่งใดบ้าง ระบบผลึกบางระบบอาจมีตำแหน่งของอนุภาคต่างกันถึง 2,3 หรือ 4 แบบ โดยมีชื่อเรียกต่างกัน ดังนี้ ผลึกธรรมดา (sinple หรือ primitive) มีอนุภาคอยู่ที่มุมของรูปผลึก (หนน่วยเซลล์) เท่ากัน (ทุกๆระบบมีผลึกแบบนี้) ผลึกแบบกลางหน้า นอกจากจะมีอนุภาคตามมุมแล้วยังมีอนุภาคตรงกลางด้านทุกด้านอีกด้วย ผลึกกลางตัว นอกจากมีอนุภาคที่มุมแล้วยังมีตรงกลางด้านบนของแต่ล่ะด้านบนและด้านล่างของหน่วยเซลล์ด้วย ซึ่งเมื่อระบบแบบจัดการอนุภาคในเซลล์ทั้งหมดของระบบผลึก 7 ระบบ ทำให้เกิดลักษณะของหน่วยเซลล์ทั้งหมด 14 แบบ เรียกว่า แลตทิซบราแวส์



[[ไฟล์:ระบบผลึก|thumbnail]]


===การนับจำนวนอนุภาคในหน่วยเซลล์===
===การนับจำนวนอนุภาคในหน่วยเซลล์===
บรรทัด 128: บรรทัด 128:
NaCl(s) → Na+(g) + Cl-(g)
NaCl(s) → Na+(g) + Cl-(g)



[[ไฟล์:วัฏจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์|thumbnail]]


การเกิด NaCl ตามวัฏจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์
การเกิด NaCl ตามวัฏจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์
บรรทัด 169: บรรทัด 169:
ของแข็งบางชนิดกลายเป็นแก๊สได้โดยไม่ผ่านการเป็นของเหลว เรียกกระบวนการนี้ว่า การระเหิด เกิดขึ้นได้เพราะอนุภาคในของแข็งมีการสั่นและชนกับอนุภาคข้างเคียงตลอดเวลาทำให้มีการถ่ายเทอนุภาค เมื่อการระเหิดเกิดในภาชนะปิด อนุภาคกลายเป็นแก๊สมากขึ้น ทำให้ความดันไอเพิ่ม เมื่อแก๊สบางส่วนเคลื่อนที่ช้าไปกระทบกับผิวหน้าของของแข็งก็จะกลับเป็นของแข็งได้อีก จนขณะหนึ่งที่อัตราการกลายเป็นแก๊สเท่ากับอัตราการเปลี่ยนจากแก๊สเป็นของแข็งตามเดิม เรียกว่า ความดันไอสมดุลของแข็งการระเหิดมีประโยชน์ในกระบวนการผลิตอาหารที่ต้องการเก็บไว้ให้ได้นาน โดยมีคุณภาพเดิม ผ่านกรรมวิธีการแช่แข็งการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวเรียกว่า การหลอมเหลว และเมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นของแข็งเรียกว่า การแข็งตัว อุณหภูมิที่ของแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุลกัน เรียกว่า จุดหลอมเหลว หรือ จุดเยือกแข็งการที่ของเหลวกลายเป็นไอที่อุณหภูมิห้องเรียกว่า การระเหย และการที่ไอกลายเป็นของเหลวเรียกว่า การควบแน่น ส่วนอุณหภูมิที่ของเหลวและไออยู่ในสมดุลกันที่ความดัน1บรรยากาศเรียกว่า จุดเดือดปกติ
ของแข็งบางชนิดกลายเป็นแก๊สได้โดยไม่ผ่านการเป็นของเหลว เรียกกระบวนการนี้ว่า การระเหิด เกิดขึ้นได้เพราะอนุภาคในของแข็งมีการสั่นและชนกับอนุภาคข้างเคียงตลอดเวลาทำให้มีการถ่ายเทอนุภาค เมื่อการระเหิดเกิดในภาชนะปิด อนุภาคกลายเป็นแก๊สมากขึ้น ทำให้ความดันไอเพิ่ม เมื่อแก๊สบางส่วนเคลื่อนที่ช้าไปกระทบกับผิวหน้าของของแข็งก็จะกลับเป็นของแข็งได้อีก จนขณะหนึ่งที่อัตราการกลายเป็นแก๊สเท่ากับอัตราการเปลี่ยนจากแก๊สเป็นของแข็งตามเดิม เรียกว่า ความดันไอสมดุลของแข็งการระเหิดมีประโยชน์ในกระบวนการผลิตอาหารที่ต้องการเก็บไว้ให้ได้นาน โดยมีคุณภาพเดิม ผ่านกรรมวิธีการแช่แข็งการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวเรียกว่า การหลอมเหลว และเมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นของแข็งเรียกว่า การแข็งตัว อุณหภูมิที่ของแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุลกัน เรียกว่า จุดหลอมเหลว หรือ จุดเยือกแข็งการที่ของเหลวกลายเป็นไอที่อุณหภูมิห้องเรียกว่า การระเหย และการที่ไอกลายเป็นของเหลวเรียกว่า การควบแน่น ส่วนอุณหภูมิที่ของเหลวและไออยู่ในสมดุลกันที่ความดัน1บรรยากาศเรียกว่า จุดเดือดปกติ



[[ไฟล์:กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทั้งสามของสาร|thumbnail]]


#กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทั้งสามของสารที่อุณหภูมิและความดันใดๆเรียกว่า แผนภาพวัฎภาค
#กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทั้งสามของสารที่อุณหภูมิและความดันใดๆเรียกว่า แผนภาพวัฎภาค

รุ่นแก้ไขเมื่อ 14:03, 3 พฤษภาคม 2558

กลศาสตร์ภาวะต่อเนื่อง
สมการนาเวียร์-สโตกส์

ของแข็ง (อังกฤษ: Soild) เป็นสถานะหนึ่งในสี่ของสถานะพื้นฐานของสสาร (สถานะอื่นได้แก่ ของเหลว แก๊ส พลาสมา) ซึ่งมีลักษณะที่สามารถทนและต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่วงหรือปริมาตร แตกต่างกับของเหลว วัตถุที่เป็นของแข็งไม่สามารถไหลได้และไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างและปริมาตรไปตามภาชนะที่บรรจุ อะตอมภายในโมเลกุลของของแข็งอยู่ชิดกันมากและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่หนาแน่นกับอนุภาคอื่นๆ

สาขาของฟิสิกส์มีสาขาหนึ่งที่มีเพื่อศึกษาของแข็งโดยเฉพาะ เรียกว่าฟิสิกส์ของแข็งและมันยังเป็นสาขาหลักของฟิสิกส์สสารอัดแน่น (ซึ่งจะมีการศึกษาเกี่ยวกับของเหลวรวมอยู่ด้วย)


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


ของแข็ง

ของแข็งมีลักษณะแตกต่างจากแก็สหรือของเหลว ที่เห็นได้เด่นชัดคือ มีรูปร่างแน่นอนมีความแข็งแกร่ง ในบทนี้จะอธิบายถึงลักษณะทั่วไปของของแข็งในเทอมของอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล ซึ่งเกี่ยวข้องกับความเป็นระเบียบของการเรียงอะตอมในโมเลกุลและอยู่ด้วยกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวค่อนข้างมากเมื่อเปรียบเทียบกับในสถานะที่เป็นแก็สหรือเป็นของเหลว

ลักษณะทั่วไปของของแข็ง

  1. ลักษณะทั่วไปของของแข็งซึ่งเป็นที่คุ้นเคยกับชีวิตประจำวันและเห็นกันอยู่ทั่ว ๆ ไป ได้แก่ลักษณะที่แข็งแกร่ง มีรูปร่างที่แน่นอนไม่ขึ้นอยู่กับภาชนะที่บรรจุ ปริมาตรเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยหรือแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกกดดัน และการแพร่ของของแข็งเกิดขึ้นได้ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกับแก็สหรือของเหลว ซึ่งสมบัติเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็งอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนและใกล้ชิดกันมากสารต่างๆ เช่นโซเดียมคลอไรด์ น้ำตาล กำมะถัน นอกจากจะมีสมบัติดังกล่าวแล้ว ยังมีรูปร่างลักษณะที่เด่นชัดในรูปของผลึก ผลึกของแต่ละสารจะมีพื้นผิวซึ่งทำมุมกันด้วยค่าที่แน่นอน ผลึกใหญ่เมื่อทำให้เล็กลง เช่น โดยการบด ผลึกเล็ก ๆ ที่ได้ก็ยังรักษาลักษณะของผลึกเดิมอยู่ สารบางอย่างอาจมีผลึกได้หลายรูปแบบ ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์อัญรูป (polymorphismหรือ allotropyถ้าเป็นธาตุ) เช่น แคลเซียมคาร์บอนเนตที่อุณหภูมิต่ำจะมีรูปผลึก เป็นรอมโบฮีดรอล (rombohedral) แต่ถ้าผลึกที่อุณหภูมิสูงจะมีรูปผลึกเป็นออร์โทรอมบิก (orthorhombic) ส่วนผลึกของ NaF, KCl, RbBr, Mgo และ Casต่างก็มีรูปผลึกเป็นเดียวกันกับรูปผลึกของของ NaClส่วน SrCl2, CdF2, PbF2, ZrO2และThO2 ต่างก็มีรูปผลกเป็นอย่างเดียวกันกับ CaF2ปรากฏการณ์ที่สารต่างกันแต่มีรูปผลึกแบบเดียวกันเรียกว่า ภาวะรูปร่างเหมือนกัน (isomorphism)
  2. ลักษณะสำคัญของผลึกคือการเรียงตัวอย่างมีระเบียบของอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลในผลึกนั้น ๆ ของแข็งไม่จำเป็นจะต้องอยู่ในลักษณะที่เป็นผลึกเสมอไป อาจเป็นของแข็งที่ไม่มีรูปผลึกเรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid) ตัวอย่างเช่น แก้ว ยาง พลาสติก ของแข็งดังกล่าวมีสมบัติที่เป็นของแข็งทั่วไป เช่น มีความแข็งแกร่ง มีรูปร่างที่ไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ การแพร่เกิดขึ้นได้ช้า แต่ขาดความมีรูปทรงคณิตที่แน่นอนในตัวของแข็งเอง และที่สำคัญก็คือของแข็งอสัณฐานมีสมบัติบางอย่าง เช่น ดรรชนีหักเห การนำไฟฟ้า และอื่น ๆ เหมือนกันหมดทุกทิศทาง ลักษณะที่ไม่ขึ้นกับทิศทางเช่นนี้เรียกว่า ไอโซโทรปี(isotropy) ซึ่งตามปกติจะพบในแก็สหรือในของเหลว ส่วนของแข็งที่เป็นผลึกนั้นสมบัติในทิศทางที่ต่างกันจะแตกต่างกันไปด้วย ลักษณะหลังนี้เรียกว่า แอนไอโซโทรปี (anisotropy) ลักษณะที่เป็นแอนไอโซโทรปีนี้จะชี้ให้เห็นว่าผลึกจะต้องมีการเรียงตัวในทิศทางต่าง ๆ ที่แน่นอนและเป็นระเบียบ สมบัติอีกอย่างหนึ่งของผลึกที่สำคัญคือ มีจุดหลอมเหลวที่เด่นชัดเมื่อของแข็งหลอมตัวเป็นของเหลว ส่วนของแข็งอสัณฐานเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวจะมีจุดหลอมเหลวที่ไม่เด่นชัด กล่าวคือจะค่อย ๆ ๆอ่อนตัวและในที่สุดจะเริมไหลได้

ประเภทของผลึก

อนุภาคที่อยู่ในแลตทิซผลึกอาจจะเป็นอะตอมหรือโมเลกุล หรือไอออนก็ได้ ดั้งนั้นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคจึงแตกต่างกัน การแบ่งประเภทของผลึกตามชนิดของอนุภาคและแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคอาจแบ่งได้เป็น 4 ชนิด

  1. ผลึกไอออนิก (Ionic Crystal) อนุภาคที่อยู่ที่จุดแลตทิซของผลึกของแข็งประเภทนี้เป็นไอออนบวกและไอออนลบสลับกันไปทั้งสามมิติ สารประกอบที่จัดว่าเป็นผลึกไอออนิกได้แก่ ออกไซด์ของโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (โลหะหมู่ IIA) และเกลือเฮไลด์ของโลหะแอลคาไล เช่น เกลือแกง ที่จุดแลตทิซในแลตทิซผลึกจะมีโซเดียมไออนเรียงสลับกันไปทั้งสามแกนมีลักษณะเป็นรูปลูกบาศก์ ไอออนที่อยู่ในแลตทิซผลึกจะมีพลังงานศักย์น้อยกว่าไอออนที่แยกกันอยู่อย่างอิสระ แรงคูลอมบ์ (Coulomb force) จัดว่าเป็นแรงดึงดูดหรือแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแรงมาก ดั้งนั้นผลึกประเภทนี้เมื่อเทียบกับผลึกประเภทอื่นที่อุณหภูมิห้องจะมีความดันไอต่ำมาก มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง ขณะที่เป็นของแข็งไม่นำไฟฟ้า แต่ถ้าหลอมเหลวหรือเป็นสารละลายจะนำไฟฟ้าได้ดี เพราะไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้ ผลึกประเภทนี้แข็งแต่เปราะ
  2. ผลึกโมเลกุล (Molecular Crystal) อนุภาคที่อยู่ที่จุกแลตทิซของแลตทิซผลึกอาจเป็นอะตอมหรือโมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคในแลตทิซผลึกแบบนี้ อาจเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ หรือแรงขั้วคู่-ขั้วคู่แล้วแต่ว่าอนุภาคเหล่านั้นเป็นโมเลกุลมีขั้วหรือไม่มีขั้ว โมเลกุลที่ไม่มีขั้วจะดึงดูดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์แรงนี้จะมีค่ามากขึ้นเมื่ออะตอมหรือโมเลกุลนั้นมีจำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น เช่นแรงแวนเดอร์วาลส์ใน Xe (เลขอะตอม 54) ย่อมมีค่ามากกว่าใน Ar (เลขอะตอม 18) ถ้าอนุภาคในแลตทิซผลึกเป็นโมเลกุลมีขั้ว เช่น H2O จะมีแรงดึงดูดขั้วคู่-ขั้วคู่ระหว่างด้านของโมเลกุลที่มีประจุต่างกัน แรงชนิดนี้แข็งแรงกว่าแรงแวนเดอร์วาลส์ แต่อย่างไรก็ตามแรงทั้งสองแบบที่กล่าวนี้ก็ยังอ่อนกว่าแรงคูลอมบ์ ดั้งนั้น จึงมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ และระเหยง่าย มีความดันไอสูงที่อุณหภูมิห้องเช่น แนพทาลีน (ลูกเหม็น) พิมเสน เมนทอล ไอโอดีน เป็นต้น แต่ผลึกโมเลกุลทุกชนิดไม่จำเป็นต้องระเหยง่ายเสมอไป บางชนิดระเหยยากก็มี เช่น กำมะถัน การที่แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคในผลึกโมเลกุลอ่อนมาก จึงทำให้สารนั้นมีลักษณะค่อนข้างอ่อนหรือนิ่มเปราะง่าย ไม่นำไฟฟ้า สามารถถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลงได้เล็กน้อยเพราะยังมีทีว่างอยู่ในแลตทิซผลึก
  3. ผลึกโคเวเลนต์ (Covalent Crystal)อนุภาคที่อยู่ในแลตทิซเป็นอะตอม ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงที่เกิดจากการร่วมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยกันที่เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนซึ่งประกอบด้วยคาร์บอน แต่ละอะตอมยึดเหนี่ยวกับอะตอมข้างเคียงสี่อะตอมด้วยพันธะโคเวเลนต์ ดังรูป อะตอมของคาร์บอนยึดกันแบบเตตระฮีดรัล ต่อเนื่องกันไปทั้งสามมิติเป็นแมโครโมเลกุล (macromolecule) แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคในผลึกโคเวเลนต์จะแข็งแรงกว่าแรงยึดเหนี่ยวในผลึกโมเลกุล ทำให้มีความแข็งมากกว่าผลึกโมเลกุล โดยทั่วๆไปจะมีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูง มีความดันไอต่ำ ไม่ละลายในตัวทำละลายใดๆ ไม่นำไฟฟ้า ยกเว้นแกรไฟต์ซึ่งนำไฟฟ้าได้
  4. ผลึกโลหะ (Metallic Crystall) อนุภาคที่อยู่ที่จุดแลตทิซของแลซทิตผลึกเป็นไออนบวกของโลหะท่ามกลางอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปมาได้ โลหะผลึกประเภทนี้มีจุดเดือดและจุดหลอมเหวสูง ดึงเป็นแผ่นตีเป็นเส้นง่าย ตัวอย่างเช่น เหล็ก เงิน และทองคe
                          ตาราง สรุปคุณสมบัติของผลึกทั้งสี่แบบ
ผลึกไอออนิก ผลึกโมเลกุล ผลึกโคเวเลนต์ ผลึกโลหะ
อนุภาคที่จุดแลตทิซ ไอออนบวกและไอออนลบ โมเลกุล อะตอม ไอออนบวกท่ามกล่างทะเลอิเล็กตรอน
แรงยึดเหนี่ยว ประจุไฟฟ้าสถิตที่ต่างกัน แวนเดอร์วาลส์หรือขั้วคู่-ขั้วคู่ ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ไอออนบวกกับหมอกอิเล็กตรอน
สมบัติทางฟิสิกส์ แข็ง เปราะ จุดหลอมเหลวสูงนำไฟฟ้าเมื่อหลอมเหลวหรือเป็นสารละลาย อ่อนมาก จุดหลอมเหลวต่ำเป็นฉนวน แข็งมาก จุดหลอมเหลวสูงไม่นำไฟฟ้า มีแววโลหะ จุดหลอมเหวค่อนข้างสูง นำไฟฟ้าได้ดี
ตัวอย่าง NaCl , KNO3 , Na2SO4 H2O , CO2 ,H2 เพชร , SiC , quartz Na , Cu , Fe , Ag

การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ แมกซ์ ฟอน เลาเอ ( Max von Laue ) ได้ชี้แนะในปี ค.ศ. 1912 ให้เห็นว่าระนาบที่บรรจุไอออนหรืออะตอมในผลึกมีลักษณะที่เป็นเกรติง และเนื่องจากระยะทางระหว่างระนาบของผลึกมีความใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ ทำให้ผลึกสามารถเกิดการเลี้ยวเบนอย่างเห็นได้ชัด เมื่อได้ทดลองกับผลึกโซเดียมคลอไรด์ ก็พบว่าการเลี้ยวเบนที่เห็นได้จากแผ่นฟิล์มเป็นจุดสว่างที่มีลักษณะสมมาตรรอบ ๆ จุดศูนย์กลาง และจากตำแหน่งต่างๆของจุดเหล่านั้น ฟอน เลาเอ สามารถคำนวณหาขนาดและรูปร่างของหน่วยเซลล์ในผลึกได้ด้วย เนื่องจากการคำนวณตามรูปแบบของ ฟอน เลาเอ ค่อนข้างจะซับซ้อน ต่อมานักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ วิลเลียม เฮนรี แบรกก์ ( William Henry Bragg ) และบุตรชายชื่อ วิลเลียม ลอเรนต์ แบรกก์ ( William Lawrence Bragg) ได้ศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงจัง และเห็นว่าการคำนวณหาขนาดอาจทำได้ในเทมอของการสะท้อนของแสงจากระนาบของอะตอม หรือ ไอออนในผลึก นั่นคือเมื่อฉายรังสีเอกซ์ไปยังผลึก บางส่วนของรังสีเอกซ์ก็สะท้อนออกไป บางส่วนก็ผ่านไปยังระนาบต่อๆไปและจะสะท้อนออกจากระนาบเหล่านั้น ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆ เป็นแบบ outof phaseก็จะหักล้างกัน แต่ถ้าคลื่นที่สะท้อนออกมาจากระนาบต่างๆเป็นแบบ in phase ก็จะเกิดการเสริมกัน ซึ่งเป็นผลจากการเลี้ยวเบน พิจารณาระนาบของอะตอมหรือไอออนตามรูป ที่มีระยะระหว่างระนาบเป็นdเมื่อฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่น λ ไปยังระนาบของผลึกด้วยมุม θ เมื่อรังสีเอกซ์ตกกระทบกันอะตอมหรือไอออนที่อยู่ตามระนาบต่างๆ ก็จะสะท้อนออกจากมุม θ เช่นกัน



สะท้อนแสง คลื่น ABและDG ขนานกันและเป็นแบบ in phase เมื่อคลื่นมีการสะท้อน คลื่น BC และ HF จะต้องเป็นแบบ in phase จึงจะมีการเสริมกันหรือเลี้ยวเบนได้แต่คลื่นที่สะท้อนจากระนาบที่ 2 เคลื่นที่ไปได้ไกลกว่าที่จะสะท้อนจากระนาบที่1 ตามรูปจะเห็นว่า AB = DG และ BC = HFระยะทางของทั้งสองคลื่นมีความแตกต่างกันเป็นระยะทาง GE + EH ซึ่งระยะทางนี้จะต้องเป็นตัวเลขที่คูณด้วยความยาวคลื่นซึ่งจะทำให้มีการเสริมกันและทำให้รังสีเอกซ์มีความเข้มเพิ่มขึ้น ซึ่งถือว่าเป็นภาวะจำเป็นที่จะทำให้เกิดการเลี้ยวเบน หรือ GE+ EH = nλ n = 1,2,3,….. แต่ตามรูป GE = EH = d sin θ เพราะฉะนั้น nλ = 2d sin θ สมการนี่เรียกได้ว่า สมการของแบรกก์ ( Bragg’s equation ) ซึ่งระบุถึงการเลี้ยวเบนจะเกิดขึ้นเมื่อ n,λ,d และθ มีความสัมพันธ์ดังปรากฏตามสมการนี้เท่านั้น n เป็นอันดับของการเลี้ยวเบนเป็นเลขที่ลงตัวเนื่องจาก sin θ มีค่าสูงสุดไม่เกินหนึ่ง เพราะฉะนั้น แต่ละครั้งของการทดลองมี λ และ d ที่แน่นอนก็อาจมีมุมตก θ ได้หลายๆค่าเป็นไปตาม n = 1,2,3,…จากสมการเล่านี้จะเห็นว่าสำหรับ λ และ d มีค่าที่แน่นอนสำหรับผลึกหนึ่งๆ n จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อ sinθ ค่ามากขึ้นหรือมุม θ โตขึ้น ซึ่งได้พบเมื่อ n มีค่าสูงขึ้น รังสีที่สะท้อนจะมีความเข้มข้นต่ำลงอย่างรวดเร็ว รูปข้างล่างต่อไปนี้แสดงถึงการทดลองการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผงผลึกในขั้นแรกผ่านรังสีเอกซ์คลื่นเดี่ยวเข้าไปในหลอดแก้วเล็กๆที่บรรจุผงผลึกที่จะทดลอง ผงผลึกถึงจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยแต่ประกอบด้วยผลึกเล็กๆจำนวนมาก และอยู่ในลักษณะที่มีทิศทางต่างๆกัน



การเกิดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผงผลึก

(ก) การจัดตั้งการทดลอง (ข) การเลี้ยวเบนจากผลึกของโซเดียมคลอไรด์ที่ปรากฏบนแผ่นฟิล์ม เมื่อผลึกเล็กๆ เหล่านี้รับรังสีเอกซ์ที่ตกกระทบ ก็จะมีระนาบจำนวนหนึ่งทำมุมได้พอเหมาะที่เป็นไปตามสมการของแบรกก์ ส่วนระนาบอื่นๆ ก็จะทำมุมให้พอเหมาะตามสมการแบรกก์อีกเหมือนกันผลที่ได้คือมีระนาบจำนวนหนึ่งซึ่งสามารถเกิดการเลี้ยวเบนของรังสีออกมาได้ เนื่องจากระนาบชนิดเดียวกันมีเป็นจำนานมากและมีอยู่ทุกทิศทางทำให้เกิดอนุกรมทรงกรวยของรังสีตามที่แสดงไว้ในรูป(ก) เมื่อรังสีเอกซ์เลี้ยวเบนนี้ตกกระทบกับแผ่นฟิล์มในกล้องทรงกระบอก รูป (ข) เป็นรูปของฟิล์มที่เป็นผลจากการเลี้ยวเบนจากผลึกของ NaCl ในกล้องทรงกระบอก เส้นต่างๆ ที่เกิดขึ้นนั้นสามารถจะวัดและคำนวณออกมาเป็นมุม θ ที่ปรากฏในสมการแบรกก์ได้ ปรากฏในแผ่นฟิล์มเป็นผลจากการเลี้ยวเบนของรังสีจากระนาบต่างๆที่มีอยู่ในผลึกนั้นๆถ้าเราทราบชนิดของระนาบที่ทำให้เกิดแต่ละเล้นบนฟิล์ม มุม θ วัดได้จากเส้นเหล่านี้ และเมื่อทราบความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์และระบบของผลึก เราก็สามารถคำนวณและความยาวตามขอบของหน่วยเซลล์ของผลึกนั้นๆได้

อัตราส่วนรัศมีของไอออนบวกและไอออนลบ

ในสารประกอบไอออนิก เลขโคออร์ดิเนชันมีความสัมพันธ์กับขนาดของไอออนบวกและไอออนลบที่ประกอบกันเป็นผลึกและขนาดของไอออนจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อการจัดเรียงตัวของไอออนต่างๆ ในผลึก ซึ่งถือว่าขนาดของไอออนเป็นตัวกำหนดรูปร่างของผลึก แบบซีเซียมคลอไรด์ หรือ แบบซิงค์เบลนด์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนรัศมีไอออนบวกต่อไอออนลบ (r+/r-) เราสามารถคำนวณหาขีดจำกัดของอัตราส่วนรัศมี r+/r-ได้จากรูปทรงเรขาคณิตของเซลล์หน่วยผลึกเกลือผลึกสามัญ เลขโคออร์ดิเนชันและโครงสร้างมีความสัมพันธ์กัน ถ้าทราบอัตราส่วนรัศมี r+/r- ซึ่งรัศมีของไอออนจะสามารถบอกจำนวนเลขโคออร์ดิเนชัน หรือชนิดของโครงสร้างผลึกได้

ไอโซเมอร์ฟิซึมและพอลิเมอร์

ไอโซเมอร์(isomorphism) แปลว่าภาวะรูปร่างเหมือนกัน ถ้าจะกล่าให้ชัดเจนไอโซเมอร์ฟิซึมเป็นปรากฏการณ์ที่ผลึกของสารต่างๆมีองศ์ประกอบแตกต่างกันแต่มีโครงสร้างผลึกทางเรขาคณิตเป็นรูปแบบเดียวกันสารที่มีโครงสร้างผลึกรูปแบบเดียวกันเรากล่าวได้ว่าสารเหล่านี้นั้นมีรูปร่างเหมือนกัน ตัวอย่างเช่น NaCl KCL KBr ทั้งสามสารนี้มีรูปร่างเหมือนกัน เพราะต่างก็มีโครงสร้างผลึกอยู่ในระบบลูกบาศก์เหมือนกันหรือสารประกอบพวกสารส้ม ในปี ค.ศ. 1819 Mitscherlichได้สังเกตพบว่าสาต่างๆ มีองศ์ประกอบที่คล้ายคลึงกัน จำนวนโมเลกุลของน้ำผลึกเท่ากัน และจากการทดลองพบว่าสารทั้งสองมีรูปร่างเหมือนกันเขาได้สังเกตเห็นว่าสารที่มีรูปร่างเหมือนกันจะมีจำนวนอะตอมของธาตุต่างๆทั้งหมดเท่ากัน และมีขนาดอะตอมใกล้เคียงกันในที่สุด จึงสรุปว่า สารที่มีโครงสร้างผลึกเหมือนกันย่อมมีสูตรโมเลกุลแบบเดียวกัน พอลิเมอร์ฟิซึม (Polymorphism) แปลว่า ภาวะโครงสร้างหลายแบบ เป็นปรากฏการณ์ที่สารประกอบบางชนิดมีโครงสร้างผลึกได้มากกว่าหนึ่งแบบ ธาตุบางชนิดเกิดปรากฏการณ์รูปร่างหลายแบบได้เช่นเดียวกับสารประกอบเราเรียกว่า อัญรูป ของธาตุ เช่น กำมะถัน มีโครงสร้างผลึกเป็นรอมบิก และโมโนคลินิก อย่างไรก็ตามสารรูปร่างหลายแบบสามารถโครงสร้างผลึกจากแบบหนึ่งไปเป้นอีกอีกแบบหนึ่งไปเป้นอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้อุณหภมิและความดันหนึ่งเราเรียก อุณหภูมินั้นว่า จุดแทรนซิชัน เช่น เมื่อ ทำให้กำมะถันร้อนรอมบิก ร้อนขึ้นจะเปลี่ยนไปเป็นกำมะถันโมโนคลินิก จะเปลี่ยนกลับไปเป็นกำมะถันรอมบิก ปรากฏการณ์ ที่โครงสร้างผลึกสามารถเปลี่ยนไปมา จุดแทรนซิชันของสารรูปร่างหลายแบบบ สารรูปร่างหลายแบบบางชนิดเมื่อเปลี่ยนโครงสร้างผลึกจากแบบหนึ่งเป็นอีกแบบหนึ่งแล้วไม่สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นแบบเดิมได้ก็มี เช่น เพชรเปลี่ยน เป็นแกรไฟต์ แต่แกร์ไฟต์ ไม่ปลี่ยนเป็นแกร์ไฟต์ แต่แกร์ไฟต์ไม่เปลี่ยนกลับไปเป็นเพชรปรากกการณ์ เรียกว่า monotropic จาการศึกษาโครงสร้างแบบผลึกของโลหะโดยวิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กส์ พบว่าโลหะต่างๆมีแลตทิซผลึกแบบ hexagonal closet packing หรือ face- centered cubic closest packing ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกแบบชิดที่สุดมีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ12โลหะส่วนน้อยมีแลตทิซผลึกเป็นแบบ body-centered cubic ซึ่งมีเลขคอร์ดิเนชันเท่ากับ 8 โลหะบางชนิดมีรูปร่างหลายแบบ เช่น แคลเซียมมีแลตทิซผลึกได้ทั้งแบบ body – centered และ face-centered cubic


(crystaline lattice)

ตัวอย่างเป็นระเบียบมีแบบแผนแน่นอนเป็นสามมิติ ของอนุภาคของแข็งที่เป็นผลึก เรียกว่า แลตทิซผลึก หน่วยที่เล็กที่สุดของแลตทิซผลึกเรียกว่า หน่วยเซลล์ (unit cell) แลตทิซผลึกเกิดจากหน่วยเซลล์ที่เหมือนๆกันเรียงต่อๆกันโดยมีแบบแผนที่แน่นอน หน่วยเซลล์ของผลึกแต่ละชนิดจึงมีรูปทรงแน่นอนและใช้บอกลักษณะการจัดตัวของอนุภาคสำหรับผลึกแต่ละชนิดได้ หน่วยเซลล์มีลักษณะพื้นฐานแตกต่างกัน 7 แบบ ทำให้มีระบบผลึก (crystal system) 7 ระบบ แต่ละระบบแตกต่างกันที่ความสัมพันธ์ของด้านแต่ละมุม ดังนี้



ตารางความสัมพันธ์ของด้านและมุมของระบบผลึกแต่ละชนิด

ระบบผลึก ความยาวของด้าน มุม ตัวอย่าง
ลูกบาศก์ a=b=c α=β=Y=90องศา NaCl, Cu
เททระโกนัล a=b≠c α=β=Y=90องศา TiO2 (rutile)

Sn (white tin)

ออร์โทรอมบิก a≠b≠c α=β=Y=90องศา CaCO3(aragonite)

BaSO4

โมโนคลินิก a≠b≠c α=Y=90องศา

β≠90องศา

Na2B4O7.10H2O (borax)

PbCrO4

เฮกซะโกนัล a=b≠c α=β=90องศา

Y=120องศา

C (graphite)

ZnO

รอมโบฮีดรัล a=b=c α=β=Y≠90องศา CaCO3 (calcite)

HgS (cinnabar)

ไตรคลินิก a≠b≠c α≠β≠Y≠90องศา K2Cr2O7

CuSO4.5H2O

การเขียนภาพแสดงหน่วยเซลล์ต่างๆ มักใช้จุดแทนอนุภาคของผลึกในหน่วยเซลล์ ระบบผลึกทั้ง 7 ระบบ ที่กล่าวมา บอกแต่เพียงความสัมพันธ์ของด้านและมุมของแต่ละระบบ แต่ไม่ได้บอกว่า แต่ละระบบมีอนุภาคของผลึกอยู่ในตำแหน่งใดบ้าง ระบบผลึกบางระบบอาจมีตำแหน่งของอนุภาคต่างกันถึง 2,3 หรือ 4 แบบ โดยมีชื่อเรียกต่างกัน ดังนี้ ผลึกธรรมดา (sinple หรือ primitive) มีอนุภาคอยู่ที่มุมของรูปผลึก (หนน่วยเซลล์) เท่ากัน (ทุกๆระบบมีผลึกแบบนี้) ผลึกแบบกลางหน้า นอกจากจะมีอนุภาคตามมุมแล้วยังมีอนุภาคตรงกลางด้านทุกด้านอีกด้วย ผลึกกลางตัว นอกจากมีอนุภาคที่มุมแล้วยังมีตรงกลางด้านบนของแต่ล่ะด้านบนและด้านล่างของหน่วยเซลล์ด้วย ซึ่งเมื่อระบบแบบจัดการอนุภาคในเซลล์ทั้งหมดของระบบผลึก 7 ระบบ ทำให้เกิดลักษณะของหน่วยเซลล์ทั้งหมด 14 แบบ เรียกว่า แลตทิซบราแวส์


การนับจำนวนอนุภาคในหน่วยเซลล์

การนับจำนวนอนุภาคของหน่วยเซลล์แต่ละระบบ ต้องพิจารณาอนุภาคที่อยู่ตามมุม ตามขอบ ตามด้านหรือตรงกลางหน่วยเซลล์ว่า แต่ละอนุภาคเป็นเซลล์ๆหนึ่ง เป็นสัดส่วนเท่าใด แล้วจึงนำอนุภาคทั้งหมดมารวมกัน ทั้งนี้เพราะหน่วยเซลล์อยู่ชิดกัน จึงมีการใช้อนุภาค ตามมุม ขอบ หรือด้านรวมกัน ซึ่งจะพิจารณาได้ดังนี้

  1. อนุภาคที่อยู่ภายใต้หน่วยเซลล์ เป็นของหน่วยเซลล์นั้น 1 อนุภาคต่อ 1 หน่วยเซลล์ เพราะไม่ได้ใช้อนุภาคนั้นรวมกันกับเซลล์ใด
  2. อนุภาคที่มุม เป็นของเซลล์ 1/8 อนุภาคต่อหนึ่งหน่วยเซลล์ เพราะมีการใช้อนุภาคนั้นร่วมกัน 8 หน่วย
  3. อนุภาคตามขอบ เป็นของเซลล์ 1/4 อนุภาคต่อ 1 หน่วยเซลล์ เพราะมีการใช้อนุภาคนั้นร่วมกัน 4 เซลล์
  4. อนุภาคตามด้าน เป็นของเซลล์หน่วยนั้น 1/2 อนุภาค 1 หน่วยเซลล์ เพราะมีการใช้อนุภาคนั้นร่วมกัน 2 หน่วยเซลล์

พลังงานแลตทิซและวัฏจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์

พลังงานแลตทิซ (lattice energy) หมายถึง พลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้ของแข็งไอออน (ionic solid) แตกออกเปนไอออนที่เป็นแก๊ส เช่น พลังงานแลตทิซของ NaCl คือพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้ NaCl เกิดปฏิกิริยา NaCl(s) → Na+(g) + Cl-(g)


การเกิด NaCl ตามวัฏจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์

  1. วิธีที่หนึ่ง (direct route) เกิดขั้นเดียวจากโลหะโซเดียม NaCl(s)และแก๊สคลอรีน (Cl2(g)) พลังงานที่เกี่ยวข้อง คือ ความร้อนของการเกิด ∆ H0f ซึ่งมีค่าเท่ากับ -411 กิโลจูลต่อโมล NaCl
  2. วิธีที่สอง เกิด 5 ขั้น มีพลังงานเกี่ยวข้อง ดังนี้


ขั้นที่ 1 การระเหิดของ Na(s)เป็น Na(g) (ความร้อนของการระเหิด)
ขั้นที่ 2 การแตกโมเลกุล Cl2ออกเป็นอะตอม Cl (พลังงานสลายพันธะ)
ขั้นที่ 3 แก๊ส Na ให้อิเล็กตรอนกลายเป็น Na+ (พลังงานการแตกตัดเป็นไอออน)
ขั้นที่ 4 แก๊ส Cl รับอิเล็กตรอนกลายเป็น Cl- (สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน)
ขั้นที่ 5 Na+(g)และ Cl-(g)รวมกันเป็น NaCl(s)พลังงานที่ได้ในขั้นนี้เป็นค่าเดียวกับพลังงานแลตทิซแต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม คือ ถ้าให้พลังงานแลตทิซมีค่าเท่ากับ U พลังงานที่ได้ในขั้นที่ 5 นี้ จะเป็น –U
พลังงานแลตทิซใช้บอกความแข็งแรงของพันธะในสารไอออนิกได้ การคำนวณพลังงานพันธะโดยใช้ทฤษฎีพันธะแบบไอออนจะได้ค่าใกล้เคียงกับการทดลองโดยใช้วัฏจักรของบอร์น-ฮาร์เบอร์ เปรียบเทียบค่าพลังงานแลตทิซได้จากการพิจารณาประจุไอออนของสาร
พลังงานแลตทิซคำนวณได้จากสมการต่อไปนี้
U = (NAe2 z2)/(1010 r0 )(1-1/n)

เมื่อ N = เลขอโวกาโดร


U = พลังงานแลตทิซ เป็น mol-1
A = ค่าคงที่มาเดลุง เป็นค่าเฉพาะสำหรับผลึกแต่ละชนิด ( A ของ NaCl = 1.748 )
e = ประจุอิเล็กตรอน = 4.803 ×10-10 esu
z = ประจุของไอออน (แคตไอออนหรือแอนไอออน)(NaCl : z =1)
r0 = ระยะระหว่างไอออนในผลึก (NaCl : r0 = 2.811 × 10-8 cm)
n = ค่าเกี่ยวกับแรงผลัก มักมีค่า 6-10 (NaCl : n = 8 )

พลังงานแลตทิซของผลึกขึ้นกับปัจจัยสำคัญ 2 อย่าง คือ ขนาดของไอออนและประจุ ถ้าไอออนมีขนาดใหญ่ค่าพลังงานแลตทิซจะน้อย ถ้าไอออนมีขนาดใกล้เคียง สารที่ประกอบด้วยไอออนที่มีประจุสูงกว่าจะมีค่าพลังงานแลตทิซมากกว่า


ความดันไอของของเหลวและการระเหิด

ของแข็งบางชนิดกลายเป็นแก๊สได้โดยไม่ผ่านการเป็นของเหลว เรียกกระบวนการนี้ว่า การระเหิด เกิดขึ้นได้เพราะอนุภาคในของแข็งมีการสั่นและชนกับอนุภาคข้างเคียงตลอดเวลาทำให้มีการถ่ายเทอนุภาค เมื่อการระเหิดเกิดในภาชนะปิด อนุภาคกลายเป็นแก๊สมากขึ้น ทำให้ความดันไอเพิ่ม เมื่อแก๊สบางส่วนเคลื่อนที่ช้าไปกระทบกับผิวหน้าของของแข็งก็จะกลับเป็นของแข็งได้อีก จนขณะหนึ่งที่อัตราการกลายเป็นแก๊สเท่ากับอัตราการเปลี่ยนจากแก๊สเป็นของแข็งตามเดิม เรียกว่า ความดันไอสมดุลของแข็งการระเหิดมีประโยชน์ในกระบวนการผลิตอาหารที่ต้องการเก็บไว้ให้ได้นาน โดยมีคุณภาพเดิม ผ่านกรรมวิธีการแช่แข็งการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวเรียกว่า การหลอมเหลว และเมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นของแข็งเรียกว่า การแข็งตัว อุณหภูมิที่ของแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุลกัน เรียกว่า จุดหลอมเหลว หรือ จุดเยือกแข็งการที่ของเหลวกลายเป็นไอที่อุณหภูมิห้องเรียกว่า การระเหย และการที่ไอกลายเป็นของเหลวเรียกว่า การควบแน่น ส่วนอุณหภูมิที่ของเหลวและไออยู่ในสมดุลกันที่ความดัน1บรรยากาศเรียกว่า จุดเดือดปกติ


  1. กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทั้งสามของสารที่อุณหภูมิและความดันใดๆเรียกว่า แผนภาพวัฎภาค
  2. จุดO เป็นจุดที่สารมีสถานะทั้งสามร่วมกัน เรียกจุดร่วมสามจากรูป เส้นOA สมดุลระหว่างน้ำแข็งและไอน้ำ
  3. เส้นOB สมดุลระหว่างน้ำแข็งและของเหลว
  4. เส้นOC สมดุลระหว่างของเหลวและไอน้ำ
  5. จุดเดือดของน้ำ 100 องศาเซลเซียส และจุดเยือกแข็งของน้ำ 0องศาเซลเซียสนอกเส้น OA OB OC
  6. จะมีเพียงน้ำสถานะเดียว การเปลี่ยนอุณหภูมิหรือความดันออกไปจากจุดสามเส้นนี้ จะทำให้สมดุลระหว่างสถานะของน้ำหายไป ทำให้ได้น้ำเพียงสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น
  7. ที่ความดันปกติบรรยากาศ คาร์บอนไดออกไซด์มีอุณหภูมิเพียง -78 องศาเซลเซียส และอยู่ในสมดุลระหว่างของแข็งกับแก๊ส


ซีมิคอนดักเตอร์

ซีมิคอนดักเตอร์ คือสารที่มีสมบัติการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือดีขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ อิเล็กตรอนในซีมิคอนดักเตอร์อยู่ประจำที่ในลักษณะพันธะโควาเลนต์ แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ทำให้อิเล็กตรอนบางส่วนที่ยึดเหนี่ยวไม่แน่นสามารถเคลื่อนที่หรือ ไม่อยู่ประจำที่เกิดสมบัติการนำไฟฟ้า ตัวอย่างซีมิคอนดักเตอร์ที่ดีคือซิลิคอน(Si)ที่อุณหภูมิห้อง Si มีความสามารถนำไฟฟ้าต่ำมาก เพราะวาเลนซ์อิเล็กตรอนทั้ง 4 ของแต่ละ Si อะตอมต่างเกิดพันธะโควาเลนต์กับ Si อะตอมที่อยู่ข้างเคียงโดย SP3 ไฮบริดออร์บิตอล จึงไม่มีอิเล็กตรอนเหลือที่จะเคลื่อนที่ได้ แต่ถ้าโดป Si ด้วยธาตุในหมู่อื่นเช่น ธาตุในหมู่ V ซึ่งได้แก่ P,As,Sbหรือ Bi บ้าง โครงสร้างของซิลิคอนยังคงเหมือนเดิม แต่จะมีอะตอมที่มี 5 วาเลนซ์อิเล็กตรอน(เช่น P )แทนที่ตำแหน่งของ Si เดิม พันธะโควาเลนต์ระหว่าง Si และ P ยังคงเป็น 4 พันธะเหมือนเดิม จึงมีอิเล็กตรอนเหลืออยู่ 1 อิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้หรือไม่อยู่ประจำที่ เกิดสมบัติการนำไฟฟ้าขึ้น ซิลิคอนที่โดปด้วยธาตุหมู่ V เรียกว่า ซีมิคอนดักเตอร์ชนิด n(n-type semiconductor)ซึ่ง n แทน negative หรือลบเพราะอิเล็กตรอนที่ทำหน้าที่นำไฟฟ้ามีประจุเป็นลบ ซิลิคอนที่โดปด้วยธาตุในหมู่ III เช่น B,Al,Gaหรือ In ซึ่งมีเพียง 3 วาเลนซ์อิเล็กตรอน ทำให้ตำแหน่งที่มีธาตุหมู่นี้ เช่น B อะตอมอยู่แทนที่ Si อะตอมมีเพียง3 พันธะโควาเลนต์เท่านั้น จึงเกิดช่องว่างเรียกว่ารูขึ้นในโครงสร้าง Si เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป อิเล็กตรอนอาจตกเข้าไปในรูที่ว่างเปล่า รูนี้จะหมดสภาพไป แต่เกิดรูใหม่ขึ้นตรงตำแหน่งที่อิเล็กตรอนนั้นเคยอยู่ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในลักษณะนี้ จึงดูเหมือนว่ารูที่ว่างเปล่าเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน รูที่เปล่านี้จึงเปรียบเสมือนหนึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างซิลิคอนภายใต้สนามไฟฟ้า เรียกซิลิคอนที่โดปด้วยธาตุหมู่ III ว่า ซีมิคอนดักเตอร์ชนิด p(p-type conductor) ซึ่ง p แทน positive หรือประจุบวก ซีมิคอนดักเตอร์มีประโยชน์มากในทางปฏิบัติ เช่น ใช้ทำไดโอด (diode) ทรานซีสเตอร์ (transistor),โฟโตไดโอด (photodiode) และโซลาร์เซลล์ (solar cell) เป็นต้น


[1] [2] [3]

  1. http://www.mwit.ac.th/~pornmong/PPT_X-ray.pdf
  2. https://str.llnl.gov/str/November05/gifs/Bulatov1.jpg
  3. http://chem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-01403117-CH05-SOLID-FULL.pdf