จุดเดือดและจุดหลอมเหลว คืออะไร ปัจจัยที่ส่งผลมีอะไรบ้าง

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)

สสาร, การเปลี่ยนสถานะ, จุดเดือด, จุดหลอมเหลว, จุดเยือกแข็ง, จุดเดือดจุดหลอมเหลว — น้ำที่ได้รับความร้อนถึงจุดจุดหนึ่ง จะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นก๊าซ

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)

สืบค้นและเรียบเรียง คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย

ข้อมูลอ้างอิง

http://academic.obec.go.th/textbook/web/images/book/1521790429_example.pdf

https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/8796-2018-09-21-02-07-24

https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch14/melting.php

https://www.thoughtco.com/definition-of-boiling-point-604390

https://www.wemjournal.org/article/S1080-6032(17)30238-7/pdf