ของเเข็ง

   Homepage
ของเเข็ง

ของแข็ง (อังกฤษ: solid) เป็น สถานะ ของ สสาร ซึ่งมีลักษณะเฉพาะ ที่สามารถทนและต้านทานต่อการเสียรูปทรง และการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรของตัวมันเอง มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคองค์ประกอบใกล้ชิดกัน แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมีค่ามาก อนุภาคของแข็งจึงเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่จะสั่นไปมาได้เล็กน้อย เนื่องจากมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อยมาก ของแข็งจึงไหลไม่ได้เหมือนของเหลว และอัดไม่ได้เหมือนแก๊ส

เมื่อพิจารณาของแข็งตามรูปผลึก สามารถแบ่งประเภทของของแข็งได้เป็น 2 ชนิด ดังนี้

ของแข็งที่ไม่มีรูปร่างผลึก (amorphous solids) เช่น แก้ว ยาง พลาสติก เป็นต้น ของแข็งประเภทนี้จะมีจุดหลอมเหลวที่ไม่ชัดเจนเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคจะแตกต่างกันไปในแต่ละโมเลกุล

ของแข็งที่มีรูปร่างผลึก (crystalline solids) ของแข็งส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นผลึก มีการจัดเรียง มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน หลายแบบ ผลึกมีการจัดเรียงตัวที่เป็นระเบียบ จึงทำให้มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน ของแข็งกลุ่มนี้มีปรากฏการณ์สองอย่างได้แก่

ภาวะหลายรูปแบบ (polymorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารชนิดเดียวกัน สามารถมีรูปผลึกได้หลายรูปแบบ เช่น คาร์บอน (C) สามารถมีรูปผลึกเป็นได้ทั้ง แกร์ไฟต์ และ เพชร

ภาวะรูปแบบเดียว (isomorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารต่างชนิดกัน แต่มีรูปผลึกเป็นแบบเดียวกัน

ของแข็งมีคุณสมบัติในระดับจุลภาคดังนี้

อะตอม หรือ โมเลกุล ที่ประกอบกันเป็นของแข็งจะอัดกันแน่น

องค์ประกอบของธาตุเหล่านี้จะมี ตำแหน่ง อยู่กับที่ (space) และยึดเกาะซึ่งกันและกันทำให้ของแข็งมีความแข็ง

ถ้ามีแรงที่พอเพียงมากระทำคุณสมบัติเหล่านี้ของมันจะถูกทำลาย และเป็นเหตุให้มันเสียรูปทรงอย่างถาวร

เนื่องจากของแข็งบางชนิดมี พลังงานความร้อน (thermal energy) อะตอมของมันจึงมีการสั่นไหว แต่อย่างไรก็ดีการเคลื่อนไหวนี้ก็เกิดขึ้นเล็กน้อยและเร็วมากจนกระทั่งไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวิธีธรรมดา

สาขาวิชา ฟิสิกส์ ที่เกี่ยวข้องกับของแข็งมีดังนี้

ฟิสิกส์สถานะของแข็ง (solid-state physics) ซึ่งมีเนื้อหาใกล้เคียงกับ ฟิสิกส์สสารอัดแน่น (condensed matter physics) และอาจจะรวมเป็นสาขาเดียวกันได้

วัสดุศาสตร์ (Materials science) เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของของแข็ง เช่น ความแข็งแรง และการปรับเปลี่ยนสถานะ (transformations) ของมัน ซึ่งมีความคาบเกี่ยวกันมากกับ ฟิสิกส์สถานะของแข็ง

เคมีสถานะของแข็ง (Solid-state chemistry) คาบเกี่ยวกับวิชาทั้งสองข้างบนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการสังเคราะห็วัสดุในจิตนาการ (novel materials)

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

สมบัติของของแข็ง

จากการศึกษาเกี่ยวกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร พบว่าของแข็งมีสมบัติหลายประการดังนี้

1. สารชนิดเดียวกันเมื่ออยู่ในสถานะของแข็งจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากกว่าของเหลวและแก๊ส จึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารในสถานะของแข็งส่วนใหญ่มีค่าสูกว่าของเหลวและแก๊ส

2. ของแข็งมีรูปร่างแน่นอนไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ มีปริมาตรคงที่ที่ความดันและอุณหภูมิคงที่ ไม่สามารถไหลได้ เนื่องจากอนุภาคอยู่ชิดกันมาก การจัดเรียงอนุภาคอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอน

3. ของแข็งแพร่ได้ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและแก๊ส

4. ของแข็งบางชนิดเป็นตัวนำความร้อนและตัวนำไฟฟ้า บางชนิดเป็นสารกึ่งตัวนำ และบางชนิดเป็นฉนวน

5. ของแข็งบางชนิดสมารถจัดเรียงตัวเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน เรียกว่า ผลึก บางชนิดอาจจะมีผลึกได้หลายแบบ และบางชนิดไม่สามารถเกิดผลึกได้ เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid)

การจัดเรียงอนุภาคของ ของแข็ง

ของแข็งที่เกิดจากการเรียงอนุภาคอย่างเป็นระเบียบ มีรูปร่างเฉพาะตัวเรียกว่าผลึก ผลึกของของแข็งแต่ละชนิดจะมีผิวหน้าที่เรียบซึ่งทำมุมกันด้วยค่าที่แน่นอน เป็นลักษณะเฉพาะตัว ผลึกที่มีขนาดใหญ่ ๆ เมื่อทำให้ผลึกเล็กลงเช่นโดยการบด ส่วนเล็ก ๆ จะยังคงรักษารูปผลึกเป็นแบบเดิมอยู่ โดยทั่วไปของแข็งชนิดเดียวกันจะมีการจัดเรียงอนุภาคเป็นแบบเดียวกันไม่ว่าของแข็งนั้นจะเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือสังเคราะห์ขึ้นผลึกของของแข็งจะมีจุดหลอมเหลวคงที่ และมีช่วงอุณหภูมิของการหลอมเหลวสั้น

การที่ของแข็งมีการจัดเรียงโมเลกุลต่างกัน ทำให้เกิดผลึกที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นผลให้สมบัติทางกายภาพ เช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว และความหนาแน่นแตกต่างกัน

• ในกรณีที่ของแข็งชนิดหนึ่งมีผลึกได้หลายแบบ เรียกว่า มีรูป (Polymorphism)

• ในกรณีที่ธาตุชนิดเดียวกันแต่มีการจัดเรียงโครงสร้างของโมเลกุลหรือโครงสร้างของผลึกต่างกัน ก็เรียกว่ารูป (Allotrope)

ชนิดผลึกของ ของแข็ง

 ของแข็งที่อยู่ในรูปผลึกมีลักษณะที่สำคัญคือมีการจัดเรียงอนุภาคภายในอย่างมีระเบียบในสามมิติ แต่ละอนุภาคยึดเหนี่ยวด้วยแรงชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างทางเรขาคณิตที่แน่นอน ของแข็งบริสุทธิ์มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจนและคงที่ นั่นคือเมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวสารประเภทนี้จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวทันที

ถ้าใช้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคภายในผลึกเป็นเกณฑ์ สามารถแบ่งของแข็งในรูปผลึกได้ 4 ประเภท ดังนี้

1. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากโมเลกุลโคเวเลนต์

2. ผลึกโคเวเลนต์ (Network covalent crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบโคเวเลนต์แบบโครงผลึกร่างตาข่าย

3. ผลึกโลหะ (Metalic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากพันธะโลหะ

4. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) เป็นผลึกที่เกิดจากสารประกอบไอออนิก

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง

การหลอมเหลว (melting)

 เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง อนุภาคของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคมีการสั่นมากขึ้น และมีการถ่ายโอนพลังงานให้แก่อนุภาคข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบางอนุภาคของของแข็งมีพลังงานสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคของของแข็งจึงเริ่มเคลื่อนที่และอยู่ห่างกันมากขึ้น ของแข็งจึงเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว (melting) และเรียกอุณหภูมิในขณะที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่ความดันหนึ่ง บรรยากาศว่า จุดหลอมเหลว (melting point)

การระเหิด (Sublimation)

การระเหิดของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับสารชนิดที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อยมาก และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces) อย่างอ่อน เช่น แรงลอนดอน (London forces) เมื่ออนุภาคของสารได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย จะทำให้อนุภาคของสารนั้นแยกออกจากผลึก โดยเฉพาะอนุภาคที่อยู่บริเวณผิวหน้าของผลึกจะหลุดออกและเคลื่อนที่เป็นอิสระได้ง่าย  เช่น การระเหิดของไอโอดีน การระเหิดของแนฟทาลีน การะบูร เมนทอล เป็นต้น
cr.https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7086-solid