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