บทที่3ปิโตรเลียม

บทที่3ปิโตรเลียม

ปิโตรเลียม คือ สารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เป็นของผสมของโฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ ที่ยุ่งยากและซับซ้อน ทั้งที่อยู่ในสภาพของแข็ง ของเหลว และก๊าซ หรือทั้งสามสภาพปะปนกัน แต่เมื่อต้องการจะแยกประเภทออกเป็นปิโตรเลียมชนิดต่างๆ จะใช้คำว่า น้ำมันดิบ (Crude oil) ก๊าซธรรมชาติ (Natural gas) และก๊าซธรรมชาติเหลว (Condensate) โดยปกติน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติมักจะเกิดร่วมกันในแหล่งปิโตรเลียม แต่บางแหล่งอาจมีเฉพาะน้ำมันดิบ บางแหล่งอาจมีเฉพาะก๊าซธรรมชาติก็ได้ ส่วนก๊าซธรรมชาติเหลวนั้นหมายถึง ก๊าซธรรมชาติในแหล่งที่อยู่ลึกลงไปใต้ดินภายใต้สภาพอุณหภูมิและความกดดันที่สูง เมื่อถูกนำขึ้นมาถึงระดับผิวดินในขั้นตอนของการผลิต อุณหภูมิและความกดดันจะลดลง ทำให้ก๊าซธรรมชาติกลายสภาพไปเป็นของเหลว เรียกว่า ก๊าซธรรมชาติเหลว

การกำเนิดปิโตรเลียม

      เมื่อหลายล้านปี ทะเละเต็มไปด้วยสัตว์ และพืชเล็ก ๆ จำพวกจุลินทรีย์ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงจำนวนมหาศาล ก็จะตกลงสู่ก้นทะเล และถูกทับถมด้วยโคลน และทราย

แม่น้ำ จะพัดพากรวดทราย และโคลนสู่ทะเล ปีละหลายแสนตัน ซึ่งกรวด ทราย และโคลน จะทับถมสัตว์ และพืชสลับทับซ้อนกัน เป็นชั้น ๆ อยู่ตลอดเวลา นับเป็นล้านปี

การทับถมของชั้นตะกอนต่าง ๆ มากขึ้น จะหนานับร้อยฟุต ทำให้เพิ่มน้ำหนักความกดและบีบอัด จนทำให้ทราย และชั้นโคลน กลายเป็นหินทราย และหินดินดาน ตลอดจนเกิดกลั่นสลายตัว ของซากสัตว์ และพืชทะเล โดยมีจุลินทรีย์บางชนิดช่วยย่อยสลายในสภาวะที่ไม่มี ออกซิเจน (Anaerobic process) ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิ และความดันสูง ในชั้นหินภายใต้พื้นโลก กลายเป็นน้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ

น้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ มีความเบา จะเคลื่อนย้าย ไปกักเก็บอยู่ในชั้นหินเนื้อพรุน เฉพาะบริเวณที่สูงของโครงสร้างแต่ละแห่ง และจะถูกกักไว้ด้วยชั้นหินเนื้อแน่น ที่ปิดทับอยู่

การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม
การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม ทำได้หลายวิธี ดังนี้

1. ทางธรณีวิทยา - จากแผนที่ ภาพถายทางอากาศ ภายถายดาวเทียม รายงานทางธรณีวิทยา
2. ทางธรณีฟสิกส  - การหาความเขมของสนามแมเหล็ก แรงโนมถวงของโลก การเคลื่อนไหวสั่นสะเทือนของโลก และ การเจาะสำรวจ

การสำรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic Exploration)

      การสำรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน เป็นการสำรวจเพื่อตรวจสอบลักษณะและโครงสร้างทางธรณีวิทยาใต้ผิวดิน โดยการทำให้เกิดสัญญาณคลื่น แล้ววัดระยะเวลาที่คลื่นเดินทางจากจุดกำเนิด ถึงตัวรับคลื่น (Geophone หรือ Hydrophone) ความเร็วคลื่น จะแปรผันตรงกับความหนาแน่นของชั้นหิน และชนิดของหินนั้น ชั้นหินที่มีความหนาแน่นต่ำ มีความพรุน และมีของเหลวแทรกอยู่ คลื่นเสียงจะเดินทางผ่านได้ช้ากว่า ( ใช้เวลามากกว่า) การเดินทางในชั้นหินที่มีเนื้อแน่นนอกจากนี้รอยเลื่อน และการโค้งงอของชั้นหิน ทำให้เกิดการหักเหของคลื่น แสดงให้เห็นลักษณะโครงสร้างธรณีวิทยาของชั้นหินอีกด้วย

การสำรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน เป็นวิธีที่ใช้ในการสำรวจหาปิโตรเลียม มีความถูกต้องสูง ให้รายละเอียดของลักษณะทางธรณีวิทยาได้ดี สำรวจได้ลึกจากผิวดินหลายกิโลเมตร และเสียค่าใช้จ่ายสูง

การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนบนพื้นดิน

        แหล่งกำเนิดคลื่น ที่ใช้ในการสำรวจที่อยู่บนผิวดินมี 2 ชนิด คือ ใช้ดินระเบิด และ รถสั่นสะเทือน (Vibroseis) ซึ่งแต่ละชนิด มีความเหมาะสมกับการใช้งานต่าง ๆ กัน การใช้ Vibroseis เหมาะสมกับการสำรวจตามริมถนน ซึ่งสามารถจำกัด Noise ซึ่งเกิดจากการวิ่งของยานพาหนะต่าง ๆ ได้

การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในทะเล อุปกรณ์ที่ใช้ในการสำรวจมีดังนี้

    1. เรือสำรวจพร้อมอุปกรณ์การสำรวจ และระบบสื่อสารที่ทันสมัย เรือสำรวจมีความยาวประมาณ 50- 80 เมตร กว้าง 15- 20 เมตร Tonnage Gross ประมาณ 3,000-6,000 ตัน

    2. อุปกรณ์ต้นกำเนิดสัญญาณคลื่น (Air Gun) เป็นรูปทรงกระบอก ใช้อัดอากาศ ให้มีความดัน ประมาณ 2,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว แล้วปล่อยอากาศออกมา ทำให้เกิดสัญญาณคลื่น

    3. อุปกรณ์รับสัญญาณคลื่น (Hydrophone) อยู่ลึกจากผิวน้ำ 5- 8 เมตร ต่อพ่วงกัน ยาวประมาณ 3,000 เมตร มีจำนวน 1 สาย หรือมากกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเคลื่อนย้าย สิ่งกีดขว้างต่างๆ ออกจากแนวสำรวจ

การเจาะสำรวจ

การเจาะสำรวจ เป็นขั้นตอนที่จะบอกให้ทราบถึงความยากง่ายของการขุดเจาะปิโตรเลียมมาใช้ และสิ่งที่กักอยู่ในแหล่งนั้น ว่าจะเป็นก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันดิบ และยังเป็นสิ่งที่บอกถึงปริมาณสำรองที่มีอยู่ ซึ่งจะเป็นตัวบอกและตัดสินความเป็นไปได้ในการผลิตในเชิงเศรษฐกิจ

กระบวนการแยกก๊าซธรรมชาติ

ก๊าซธรรมชาติเป็นปิโตรเลียมชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหลายชนิดและสารอื่นๆ ที่ไม่ใช่ไฮโดรคาร์บอน ดังตาราง

ตาราง แสดงองค์ประกอบของก๊าซธรรมชาติ

         กระบวนการแยกก๊าซธรรมชาติ เริ่มต้นด้วยการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2) และน้ำที่เจือปน อยู่ในก๊าซธรรมชาติออกก่อน โดยกระบวนการ Benfield ซึ่งใช้โปตัสเซียมคาร์บอเนต (K 2CO 3) เป็นตัวจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และกระบวนการดูดซับ โดยใช้สารจำพวก molecular sieve ซึ่งมีลักษณะเป็นรูพรุน ทำหน้าที่ดูดซับน้ำ ก๊าซธรรมชาติที่แห้งจากหน่วยนี้จะผ่านเข้าไปใน turbo-expander เพื่อลดอุณหภูมิจาก 250O K เป็น 170O K และลดความดันลงจาก 43 บาร์ เป็น 16 บาร์ก่อนแล้วจึงเข้าสู่หอแยกมีเทน (de-methanizer) มีเทนจะถูกกลั่นแยกออกไป และส่วนที่เหลือคือส่วนผสมของ ก๊าซไฮโดรคาร์บอนที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป (ethane plus stream) ซึ่งอยู่ในสถานะของเหลวและจะออกทางส่วนล่างของหอ ผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวหอดังกล่าวจะถูกนำเข้าสู่หอแยกอีเทน (de-ethanizer) และหอแยกโพรเพน (de-propanizer) เพื่อแยกอีเทนและโพรเพนออกตามลำดับต่อไป ในหอแยกโพรเพนนี้ โพรเพนจะถูกแยกออกทางด้านบนของหอ ส่วนแอพีจี ซึ่งเป็นส่วนผสมของโพรเพนและบิวเทนจะถูกแยกออกมาจากส่วนกลางของหอ และส่วนผลิตภัณฑ์ที่ออกจากหอทางด้านล่างคือ ก๊าซโซลีนธรรมชาติ (natural gasoline)

ภาพแสดงกระบวนการแยกก๊าซธรรมชาติของบริษัท ปตท. จังหวัดระยอง

กระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ

       น้ำมันดิบเป็นของผสมที่มีสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหลายชนิดปนกัน เนื่องจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่างๆ มีประโยชน์ในการใช้งานต่างกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแยกสารผสมออกจากกัน โดยอาศัยสมบัติที่ต่างกัน คือ มวลโมเลกุล ความหนาแน่น และจุดเดือด แต่จุดเดือดของสารแต่ละชนิดแตกต่างน้อย จึงต้องแยกสารออกด้วยวิธี การกลั่นลำดับส่วน (Fractional distillation) ดังภาพ

   จากภาพกระบวนการแยกปิโตรเลียมเริ่มจาก การใส่น้ำมันดิบเข้าไปในเตาเพื่อให้ความร้อน น้ำมันดิบจะระเหยขึ้นไปในหอกลั่นในสถานะก๊าซ หอกลั่นลำดับส่วนจะร้อนที่ส่วนล่างและเย็นสงที่ส่วนบน หมายความว่า สารประกอบไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่ที่มีจุดเดือดสูงจะกลั่นตัวเป็นของเหลวที่ด้านล่างของหอกลั่นที่อุณหภูมิสูงๆ ส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลเล็กจะอยู่ในสถานะก๊าซและลอยตัวสูงขึ้นสู่ชั้นบนหอกลั่น ซึ่งส่วนประกอบแต่ละส่วนจะควบแน่นที่ความสูงต่างกัน โดยส่วนยอดของหอกลั่นจะมีไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดต่ำ ที่อุณหภูมิ 70 º C ไฮโดรคาร์บอนส่วนนี้จะไม่ควบแน่น และออกจากยอดของหอกลั่นในสถานะก๊าซ แต่อย่างไรก็ตามสารที่กลั่นได้ก็ไม่บริสุทธิ์ เพราะมีสารหลายชนิดมีการควบแน่นที่อุณหภูมิใกล้เคียงกัน โดยทั่วไปน้ำมันดิบที่ผ่านกระบวนการกลั่นลำดับส่วนจะได้สารดังแสดงในตารางต่อไปนี้

ตาราง แสดงสารสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่างๆ ที่ได้จากการกลั่นลำดับส่วนของน้ำมันดิบ

กระบวนการปรับปรุงคุณภาพน้ำมัน

ส่วนต่างๆ ที่ได้จากการกลั่นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้แตกต่างกัน บางชนิดมีความต้องการในการใช้สูงและมีมูลค่าสูง ดังนั้นจึงต้องมีกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเพื่อให้ได้สารที่มีสมบัติตามต้องการ ซึ่งทำได้หลายวิธีดังนี้

1. กระบวนการแตกสลาย (Cracking process) เป็นการเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ซึ่งไม่ค่อยมีประโยชน์ ให้กลายเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลเล็กที่มีประโยชน์มากกว่า โดยใช้ความร้อนสูงและตัวเร่งปฏิกิริยา

2. กระบวนการรีฟอร์มมิง (Reforming process) เป็นการเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแบบโซ่ตรงให้เป็นโซ่กิ่งเช่น ไอโซออกเทน ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ ก๊าซโซลีนได้ดี โดยใช้ความร้อนสูงและตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น

3. การทำแอลคิเลชัน (Alkylation) เป็นการรวมสารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดแอลเคน ( แอลเคน คือ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีสูตร C nH 2n+2) กับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดแอลคีน ( แอลคีนคือ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีสูตร C nH 2n หรือมีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล) ให้ได้เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบโซ่กิ่ง ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ก๊าซโซลีนได้ดี โดยมีกรดซัลฟิวริก (H 2SO 4) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

4. การทำโอลิโกเมอไรเซชัน (Oligomerization) เป็นการรวมสารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดแอลคีน เข้าด้วยกันโดยใช้ความร้อนและตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดแอลคีน ที่มีจำนวนคาร์บอนเพิ่มขึ้น เช่น

กระบวนการปรับปรุงคุณภาพน้ำมันที่กล่าวมาข้างต้น ส่วนใหญ่จะใช้ในกระบวนการ ปรับปรุงน้ำมันเชื้อเพลิงไอโซออกเทน เนื่องจากเป็นน้ำมันที่มีคุณภาพดีที่สุด เพราะจะมีค่า ออกเทนเท่ากับ 100 ซึ่งทำให้เครื่อง เดินเรียบ ไม่มีการน็อกของเครื่องยนต์

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแยกปิโตรเลียม

ก๊าซธรรมชาติ

องค์ประกอบของก๊าซธรรมชาติส่วนใหญ่จะเป็นก๊าซมีเทน และมี ไฮโดรคาร์บอนเบาตัวอื่นๆ ติดมาด้วย ก่อนยำไปใช้งานต้องมีการแยกมลทิน ( Impurity ) บางชนิดออกก่อน (ดูเรื่องการแยก ก๊าซธรรมชาติ) ในประเทศไทยได้นำเอาก๊าซธรรมชาติไปเป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์แทนน้ำมัน โดยการอัดก๊าซใส่ถังภายใต้ความดันสูง เพื่อนำติดไปกับรถ ซึ่งเราเรียกว่า Compressed Natural Gas; CNG

ก๊าซปิโตรเลียมเหลว

    ก๊าซปิโตรเลียมเหลว Liquefied Petroleuml Gas; LPG หรือก๊าซหุงต้ม เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากส่วนบนสุดของหอกลั่นน้ำมันดิบ หรือเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแยกก๊าซธรรมชาติ ก๊าซปิโตรเลียมเหลวเป็นส่วนผสมของโพรเพน ( C 3H 8) และบิวเทน ( C 4H 10) หรืออาจอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่ในประเทศเขตร้อนจะใช้โพเพนผสมบิวเทนในอัตราส่วนโดยปริมาตร 40 : 60 ถึง 70 : 30 ปกติก๊าซปิโตรเลียมเหลวจะไม่มีสี และกลิ่น แต่เพื่อเป็นการเตือนภัยให้ผู้ใช้ทราบถึงการรั่วไหลจึงเติมสารให้กลิ่น เช่น เอทิลเมอร์แคปแทน (ethylmercaptan )

น้ำมันเบนซิน

     น้ำมันเบนซิน ( Gasoline) เป็นน้ำมันที่ได้จากการปรุงแต่งคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นโดยตรง และจากการแยกก๊าซธรรมชาติเหลว น้ำมันเบนซินใช้กันมากสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบใช้หัวเทียนจุดระเบิด มีการกำหนดปริมาณของสารประกอบตะกั่วต้องไม่เกิน 0.013 กรัมต่อลิตร

   ในการกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินจะพิจารณาจาก เลขออกเทน (Octane number) เป็นประเด็นแรก ซึ่งเลขออกเทน คือ ตัวเลขแสดงคุณสมบัติการ Knock ของน้ำมันเบนซินในสภาพการทำงานปกติของเครื่องยนต์ โดยสมาคมทดสอบและวัสดุแห่งอเมริกา (ASTM) กำหนดให้

   น้ำมันเบนซิน ที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับไอโซออกเทนหมด เรียกน้ำมันเบนซินนั้นว่ามีเลขออกเทนเป็น 100

    น้ำมันเบนซิน ที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับเฮปเทนหมด เรียกน้ำมันเบนซินนั้นว่ามีเลขออกเทนเป็น 0

      ดังนั้น ถ้าน้ำมันเบนซินมีเลขออกเทนเท่ากับ 95 จะมีสมบัติเทียบได้กับน้ำมันที่มีส่วนผสมระหว่างไอโซออกเทน ร้อยละ 95 กับนอร์มองเฮปเทน ร้อยละ 5 โดยปริมาตร นั่นเอง

     อนึ่งน้ำมันเบนซินในปัจจุบันมักจะพบว่ามีเลขออกเทนต่ำ เพื่อปรับปรุงน้ำมันให้มีเลขออกเทนสูงขึ้นด้วยการเติม เตตระเอธิลเลด (CH 3CH 2) 4Pb ย่อว่า TEL ลงในน้ำมันเบนซิน ทำให้น้ำมันมีเลขออกเทนสูงขึ้น แต่ก็ก่อให้เกิดสารตะกั่ว (Pb) เป็นสารมลพิษ

จึงได้พัฒนาส่วนผสมใหม่ที่ช่วยเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันเบนซิน คือ เมทิลเทอร์เทียรี บิวทิล อีเทอร์ (MTBE)

น้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบิน

น้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบิน ( Aviation Fuels) มี 2 ประเภท ตามลักษณะดังนี้

       น้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบินใบพัด ( Aviation Gasoline) คล้ายกับเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้กับรถยนต์ แต่มีแรงม้าสูง และออกแบบให้ทำงานได้ในภาวะที่ความดัน และอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงในช่วงกว้าง ดังนั้นน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบินต้องมีสมบัติที่พิเศษกว่าน้ำมันเบนซินหลายอย่าง เช่น มีเลขออกเทนสูงเป็นพิเศษ จุดเดือดจุดหลอมเหลวต่ำกว่า เป็นต้น

      น้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบินไอพ่น ( Aviation Turbine Fuels หรือ Jet Fuels) ในสมัยแรกได้ใช้น้ำมันก๊าดที่มีจำหน่ายทั่วไปเป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากน้ำมันก๊าดมีการระเหยตัวต่ำ อันเป็นสมบัติที่สำคัญของเชื้อเพลิงเครื่องบินไอพ่น แต่ในปัจจุบันเครื่องบินไอพ่นของสายการบินพาณิชย์หันมาใช้เชื้อเพลิงที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกับน้ำมันก๊าด แต่มีความบริสุทธิ์กว่า และสมบัติบางอย่างดีกว่าน้ำมันก๊าด

น้ำมันดีเซล

      น้ำมันดีเซล ( Desel Fuel) ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ แต่มีช่วงจุดเดือดและความข้นใสสูงกว่าน้ำมันเบนซิน เนื่องจากการจุดระเบิดของเครื่องยนดีเซลใช้ความร้อนที่เกิดจากการอัดอากาศอย่างมากภายในกระบอกสูบแล้วฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปทำการเผาไหม้ ซึ่งประเภทของน้ำมันเบนซิน แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ

     ดีเซลหมุนเร็ว ( Automotive Desel Oil) ซึ่งรัฐบาลกำหนดให้มีเลขซีเทนไม่ต่ำกว่า 47 สามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว

     ดีเซลหมุนช้า ( Indudtrial Desel Oil) ซึ่งรัฐบาลกำหนดให้มีเลขซีเทนไม่ต่ำกว่า 45 สามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลหมุนปานกลางและหมุนช้า

การกำหนดคุณภาพของน้ำมันดีเซลจะบอกด้วย เลขซีเทน (Cetane Number) ซึ่งหมายถึง ค่าตัวเลขที่แสดงเป็นร้อยละโดยมวลของซีเทน ในของผสมระหว่างซีเทน ( C 16H 34 ) และแอลฟาเมทิลแนฟทาลีน (C 11H 10 ) ซึ่งเกิดการเผาไหม้หมด

ž น้ำมันดีเซลที่มีเลขซีเทน 100 คือ น้ำมันดีเซลที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับซีเทน 100% โดยมวล

ž น้ำมันดีเซลที่มีเลขซีเทน 0 คือ น้ำมันดีเซลที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับแอลฟาเมทิลแนฟทาลีน 100% โดยมวล

ž น้ำมันดีเซลที่มีเลขซีเทน 80 คือ น้ำมันดีเซลที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับซีเทนร้อยละ 80 โดยมวล ในการผสมระหว่างซีเทน และแอลฟาเมทิลแนฟทาลีน

น้ำมันก๊าด

     น้ำมันก๊าด (Kerosine) ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ สมัยก่อนนิยมนำน้ำมันก๊าดไปใช้สำหรับจุดตะเกียงเพื่อให้ความร้อนและแสงสว่างตามครัวเรือน แต่ปัจจุบันมีการนำน้ำมันก๊าดไปใช้ประโยชน์อื่นอีกมากมาย เช่น ใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ หรือเครื่องบิน นำไปเป็นส่วนผสมของยาฆ่าแมลง น้ำมันชักเงา สีน้ำมัน และอุตสาหกรรมอื่นๆ เป็นต้น

น้ำมันเตา

     น้ำมันเตา (Fuel Oils) ได้จากส่วนล่างของหอกลั่นน้ำมันดิบ น้ำมันเตาจัดเป็นเชื้อเพลิงที่มีความสำคัญกับอุตสาหกรรมมาก เพราะมีราคาถูก ใช้ง่าย ให้ค่าความร้อนสูง ซึ่งส่วนใหญ่นำไปใช้กับเตาเผา หม้อไอน้ำ เครื่องยนต์ผลิตไฟฟ้า หรือเรือเดินทะเล

ยางมะตอย

    ยางมะตอย ( Asphalt) เป็นสารผสมที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนหลายชนิด และสารอินทรีย์อื่นๆ ซึ่งเรียกรวมๆ กันว่า บิทูเมน มีลักษณะเป็นของเหลวหนืดกึ่งแข็ง สีดำหรือน้ำตาลเข้ม เป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ ซึ่งอยู่ด้านล่างสุดของหอกลั่น นำไปใช้ประโยชน์ในการทำผิวถนน และทำวัสดุกันซึมต่างๆ

จากที่กล่าวมาในข้างต้น สามารถแบ่งส่วนการนำผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมไปใช้งาน ได้ดังนี้

เชื้อเพลิงในอนาคต

ก๊าซโซฮอล์

ก๊าซโซฮอล์ ( Gasohol ) คือ น้ำมันเบนซินที่ถอดเอาสารเพิ่มออกเทน MTBE ออกไป เพราะมีการค้นพบว่าสารตกค้างที่ได้รับจาก MTBE มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะเมื่อเข้าไปปนเปื้อนในน้ำ ที่มาของชื่อก๊าซโซฮอล์นั้น มาจากการผสมคำของ ก๊าซโซลีน ที่หมายถึง เบนซิน บวกกับคำว่า แอลกอฮอล์ จึงกลายมาเป็น ก๊าซโซฮอล์

ก๊าซโซฮอลล์ใช้น้ำมันเบนซินผสมกับเอทานอล ( เอทานอลผลิตจากพืชเกษตร เช่น มันสำปะหลัง อ้อย ข้าวโพด) โดยต้องนำเอทานอลไปทำให้มีความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่าร้อยละ 99.5 เสียก่อน ในระดับความบริสุทธิ์ระดับนั้น แอลกอฮอล์จะถูกเรียกว่า เอธานอล โดยที่ก๊าซโซฮอลล์ในประเทศไทยจะมีส่วนผสมตามที่ประกาศกันอย่างเป็นทางการอยู่ที่ น้ำมันเบนซินร้อยละ 90 และเอธานอลร้อยละ 10 นั่นเอง

ก๊าซโซฮอล์ 95 มีส่วนผสมของน้ำมันเบนซินกับเอทานอล ซึ่งเป็นแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ ดังนั้นนอกจากจะคุณสมบัติการใช้งานเทียบเท่าน้ำมันเบนซิน 95 ทั่วไป

ข้อดีของการใช้น้ำมันก๊าซโซฮอล์

1. ช่วยประหยัดเงินตราต่างประเทศ ในการนำเข้าสาร MTBE ถึงปีละ 3,000 ล้านบาท

2. ลดการนำเข้าน้ำมันจากต่างประเทศ ทำให้เกิดการพึ่งพาตัวเองด้านพลังงาน

3. ใช้ประโยชน์จากพืชผลทางการเกษตรในประเทศให้เกิดประโยชน์สูงสุด

4. สร้างมูลค่าเพิ่มให้ผลผลิตทางการเกษตร เป็นการยกระดับคุณภาพชีวิตเกษตรกรไทยให้ดีขึ้น

5. ช่วยลดปริมาณมลพิษจากท่อไอเสีย โดยสามารถลดปริมาณไฮโดรคาร์บอนและคาร์บอนมอนนอกไซด์ 20 – 25% ส่งผลให้คุณภาพสิ่งแวดล้อมดีขึ้น

6. เป็นพลังงานหมุนเวียน จึงถือเป็นการอนุรักษ์ทรัพยากรโลก ซึ่งเป็นแนวทางในการพัฒนาประเทศให้ยั่งยืน

ไบโอดีเซล

      ไบโอดีเซล ( Biodesel) คือน้ำมันเชื้อเพลิงที่ผลิตมาจากน้ำมันพืชหรือไขมันสัตว์ โดยผ่านขบวนการที่ทำให้โมเลกุลเล็กลง ให้อยู่ในรูปของเอทิลเอสเตอร์(Ethyl esters) หรือเมทิลเอสเตอร์(Methyl esters) ซึ่งมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลมาก สามารถใช้ทดแทนน้ำมันดีเซลได้โดยตรง ดังปฏิกิริยา

     บโอดีเซลชนิดเอสเทอร์นี้มี คุณสมบัติที่เหมือนกับน้ำมันดีเซลมากที่สุด ทำให้ไม่มีปัญหากับเครื่องยนต์ เราสามารถนำมาใช้กับรถยนต์ได้ แต่ปัญหาที่จะมีก็คือต้นทุนการผลิตที่แพงนั่นเอง ข้อดีในด้านสิ่งแวดล้อมและคุณภาพชีวิตก็คือ ช่วยลดมลพิษในอากาศ ทำให้ลดการสูญเสียจากการรักษาพยาบาลผู้ป่วยที่ได้รับมลพิษจากอากาศ เป็นต้น

“ ไบโอดีเซล ” จึงเชื้อเพลิงชีวภาพแห่งยุคสมัย และ น่าจะเป็นเชื้อเพลิงชนิดหนึ่งแห่งความหวังของไทยเราได้ในอนาคต

ก๊าซธรรมชาติ หรือของก๊าซ NGV

ก๊าซธรรมชาติเป็นก๊าซเชื้อเพลิงที่มีก๊าซมีเทนเป็นส่วนประกอบหลักสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ได้เช่นเดียวกับน้ำมันเบนซินและดีเซล

ก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ (Natural Gas for Vehicle หรือ NGV) โดยทั่วไปเรียกว่า ก๊าซ NGV คือ ก๊าซธรรมชาติที่ถูกอัดจนมีความดันสูง ( มากกว่า 3,000 ปอนด์/ ตารางนิ้ว; psi) ซึ่งในบางประเทศเรียกว่า Compressed Natural Gas (CNG) หรือก๊าซธรรม-ชาติอัด ดังนั้นก๊าซ NGV และก๊าซ CNG เป็นก๊าซตัวเดียวกันนั่นเอง

คุณสมบัติพิเศษของก๊าซ NGV

1. มีสัดส่วนของคาร์บอนน้อยกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น และมีคุณสมบัติเป็นก๊าซ ทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์มากกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น และปริมาณไอเสีย ที่ปล่อยออกจากเครื่องยนต์ใช้ก๊าซธรรมชาติ มีปริมาณต่ำกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น

2. เป็นเชื้อเพลิงที่สะอาดไม่ก่อให้เกิดควันดำหรือสารพิษที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพของประชาชน จึงสามารถลดปัญหามลพิษทางอากาศซึ่งนับวันจะทวีความรุนแรงมากขึ้น

เนื่องด้วยก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงที่สะอาดและมีราคาถูกกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น สามารถผลิตได้ในประเทศ และมีคุณสมบัติที่ทำให้ปริมาณของไอเสียจากรถยนต์ต่ำกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น ซึ่งปัจจุบันนี้มีหลายประเทศสนใจและมีนโยบายที่จะปรับเปลี่ยนรถยนต์มาใช้ก๊าซธรรมชาติมากขึ้น ซึ่งเป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับผู้บริโภคซึ่งเชื่อว่าในอนาคตเราก็จะมีรถใช้ก๊าซธรรมชาติในประเทศไทยเพิ่มมากขึ้น

ก๊าซชีวภาพ

ก๊าซชีวภาพ ( Bio-gas) คือ ก๊าซที่เกิดจากมูลสัตว์ หรือสารอินทรีย์ต่าง ๆ ถูกย่อยสลายโดยเชื้อจุลินทรีย์ในสภาพไม่มีอากาศ ทำให้เกิดก๊าซขึ้น ซึ่งก๊าซที่เกิดขึ้นเป็นก๊าซที่ผสมกันระหว่างก๊าซชนิดต่าง ๆ ได้แก่ ก๊าซมีเทน (CH4) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ก๊าซไนโตรเจน (N2) และก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) แต่ส่วนใหญ่แล้วจะประกอบด้วยก๊าซมีเทนเป็นหลัก ซึ่งมีคุณสมบัติติดไฟได้

อ้างอิง http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/Petro_Chem.htm,https://www.youtube.com/watch?v=QTuvssibidU,https://www.youtube.com/watch?v=QTuvssibidU

บทที่2ปฏิกิริยาเคมี

บทที่2ปฏิกิริยาเคมี

การเกิดปฏิกิริยาเคมี

        ปฏิกิริยาเคมี คือ กระบวนการเปลี่ยนของสารตั้งต้นไปเป็นสารใหม่ โดยปริมาณสารตั้งต้นจะลดลง และปริมาณสารใหม่จะเกิดขึ้น และเพิ่มปริมาณขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป  โดยสามารถเขียนให้เข้าใจง่ายด้วยสมการเคมี

ปฏิกิริยาเคมีจำแนกเป็น 2 ประเภท คือ

1. ปฏิกิริยาเคมีสมบูรณ์ คือ การเกิดสารใหม่ขณะที่สารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่งหมดไปหรือหมดทุกตัว

2. ปฏิกิริยาเคมีไม่สมบูรณ์ คือ การเกิดสารใหม่ขณะที่สารตั้งต้นยังเหลือทุกตัว ไม่มีตัวใดตัวหนึ่งหมดไป

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี

1. ทฤษฎีการชนโมเลกุล (Collision Theory) กล่าวถึง โมเลกุลของสารต้องมีการชนซึ่งกันและกัน ซึ่งการชนกันแต่ละครั้งไม่จำเป็นต้องเกิดปฏิกิริยา

2. ทฤษฎีจลน์ของโมเลกุล (Kinetic Theory) กล่าวถึง โมเลกุลต้องมีการเคลื่อนที่ช้าลง ซึ่งก่อให้เกิดพลังงานจลน์ โดยโมเลกุลต้องมีพลังงานสูงพอจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้

สถานะการเกิดปฏิกิริยาเคมี

1. ต้องมีจำนวนโมเลกุลมากพอ

2. ต้องมีการชนกันระหว่างโมเลกุล

3. ต้องมีพลังงานสูงพอ โดยอย่างน้อยต้องเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์

4. ต้องมีทิศทางที่เหมาะสม

ศาสตร์ทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เรียกว่า จลนศาสตร์เคมี (chemical kinetics) โดยคำว่า จลนศาสตร์ มีความหมายเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของสาร ซึ่งเกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี (Rate of chemical reaction) โดยการเกิดปฏิกิริยาหนึ่งๆที่อยู่ในสภาวะเดียวกันจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉพาะค่า โดยขึ้นอยู่กับสภาวะธรรมชาติของสารนั้นๆ เช่น อัตราการเกิดปฏิกิริยาของก๊าซไฮโดรเจนกับก๊าซฟลูออรีน และก๊าซไนโตรเจน

H2 (g) + F2 (g) = 2HF อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็ว

3H2 (g) + N2 (g) = 2NH3 อัตราการเกิดปฏิกิริยาช้า

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี (Rate of chemical reaction) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงปริมาณสารในหนึ่งหน่วยเวลาของการเกิดปฏิกิริยาของสารนั้น

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณสารตั้งต้นที่ลดลง

**********************************เวลา

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณสารที่เปลี่ยนไป

*********************************เวลา

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณสารที่เพิ่มขึ้น

********************************เวลา

ชนิดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี แบ่งเป็น 2 ชนิด

1. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย หมายถึง อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่คำนวณจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณสารทั้งหมดในหนึ่งหน่วยเวลา

2. อัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ ขณะใดขณะหนึ่ง หมายถึง อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่คำนวณจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณสารในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง

สรุปประเด็นที่เกี่ยวข้อง

1. ปฏิกิริยาเคมีหนึ่งๆ จะมีขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ทั้งขั้นที่เกิดเร็ว และขั้นที่เกิดช้า โดยมีขั้นสำหรับควบคุมปฏิกิริยาหรือขั้นกำหนดอัตรา (Rate determing step) คือ ขั้นที่ดำเนินไปที่ช้าที่สุด

2. ขณะที่การเกิดปฏิกิริยาเคมีดำเนินไป ปฏิกิริยาเคมีในขั้นเริ่มต้นจะมีอัตราการเกิดที่รวดเร็ว เนื่องจากปริมาณสารตั้งต้นมีมาก และเมื่อปฏิกิริยาผ่านไประยะหนึ่ง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้าลงเมื่อเทียบกับในช่วงเริ่มต้น เนื่องจากปริมาณสารตั้งต้นมีปริมาณลดลง

3. สารเคมีแต่ละชนิดในปฏิกิริยาเคมีจะมีอัตราเร็วไม่เท่ากัน

4. การคำนวณหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา สามารถหาได้จากสารใดก็ได้ ด้วยวิธี คือ

– หากเป็นของแข็ง สามารถหาได้โดยการชั่งน้ำหนัก

– หากเป็นของเหลว สามารถหาได้โดยการชั่งน้ำหนักหรือการวัดปริมาณ

– หากเป็นสารละลาย สามารถหาได้จากความเข้มข้น

– หากเป็นก๊าซ สามารถหาได้โดยการวัดปริมาตรหรือวัดความดัน

5. การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สามารถหาได้จากสารตัวใดตัวหนึ่งก็ได้ ซึ่งจะให้ค่าที่เท่ากัน ตามสูตรด้านล่าง

อัตราการเปลี่ยนแปลงของสาร =   ΔA***** ↔*****ΔB***** ↔*****ΔC***** ↔*****ΔD

********************************–Δt*************–Δt*************+Δt************+Δt

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี =   ΔA***** ↔*****ΔB***** ↔*****ΔC***** ↔*****ΔD

***************************-Δt************-3Δt************+2Δt***********+4Δt

หมายเหตุ: Δ = ผลต่าง, t = เวลา, + = การเพิ่มขึ้น, – = การลดลง

6. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมลสารหารด้วยหารด้วยสัมประสิทธิ์จำนวนโมลของสารนั้นที่ได้จากการดุลสมการแล้ว

กฏอัตรา

กฏอัตรา คือ สมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือสารที่เข้าทำปฏิกิริยา เช่น

2A + 3B + C = 2D

อัตรา (Rate) = -1  d(A) = -1  d(B) = –d(C) = -1  d(D)

**************   2    dt        3    dt         dt         2    dt

อัตราการเกิดปฏกิริยาเคมี (rate) = k(A)x (B)y (C)z

หมายเหตุ:

k = ค่าคงที่ของปฏิกิริยา (specific rate constant) และค่า k จะเปลี่ยนเมื่อ t เปลี่ยน โดยค่า k มีค่ามากแสดงถึงอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ดี

x,y,z = ลำดับการเกิดปฏิกิริยาเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของสาร A, B และC

(A) (B) (C) = ความเข้มข้นของสาร A, B และC หน่วย โมล/ลิตร

x + y + z = ลำดับรวมของปฏิกิริยา (order of reaction)

ทั้งนี้ ลำดับปฏิกิริยาจะหาได้จากการทดลองเท่านั้น โดยไม่มีความสัมพันธ์กับตัวเลขด้านหน้าของสารของสสมการเคมีที่ดุลแล้ว

ปัจจัยที่มีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี

1. ธรรมชาติของสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์

ความเร็วหรือช้าของการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะขึ้นอยู่กับสภาพธรรมชาติของสารเหล่านั้น เช่น สารประเภทไอออนิกที่เข้าทำปฏิกิริยากันจะเกิดความเร็วของปฏิกิริยาได้ดีกว่าสารที่เป็นโควาเลนท์ หรือสารทำปฏิกิริยาที่เป็นก๊าซจะทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าสารที่มีสถานะอื่น

2. ความเข้มข้นสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์

ความเร็วของปฏิกิริยาจะแปรผันตามความเข้มข้นของสารตั้งต้น และจะแปรผกผันกับความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ กล่าวคือ เมื่อปริมาณสารตั้งต้นมีมากอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเร็ว และเมื่อเวลาผ่านไปปริมาณสารตั้งต้นลดลง ปฏิกิริยาก็จะค่อยๆลดลงตามปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น

3. พื้นที่ผิว

พื้นที่ผิวของสารจะเป็นจุดของการเกิดปฏิกิริยา หากสารมีพื้นที่ผิวมากก็จะทำให้เกิดปฏิกิริยาได้เร็วขึ้น เช่น การทำปฏิกิริยาของหินปูนกับกรดไฮโดรคลอริกจะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ หากหินปูนมีความละเอียดเป็นผงขนาดเล็ก มีพื้นที่ผิวมากก็ย่อมทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกได้อย่างรวดเร็ว

4. อุณหภูมิ

อุณหภูมิถือเป็นปัจจัยหนึ่งที่ช่วยกระตุ้นความเร็วของการเกิดปฏิกิริยา เช่น การอุ่นน้ำมันด้วยความร้อนเพียงน้อยนิดจะทำให้น้ำมันอุ่นเท่านั้น แต่หากเพิ่มความร้อนจนทำให้น้ำมันกลายเป็นไอก็สามารถลุกติดไฟได้ง่าย

5. ความดัน

ความดันที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีมักพบมากในสารที่เป็นก๊าซ เพราะการเพิ่มความดันให้ก๊าซจะทำให้โมเลกุลของก๊าซเกิดการชนกันมากขึ้น

สมการเคมี

สมการเคมี (chemical equation) คือ สัญลักษณ์ที่เขียนขึ้นแทนปฏิกิริยาเคมีของการทำปฏิกิริยาเคมีของสารตั้งต้น ทำให้เกิดสารผลิตภัณฑ์ใหม่เมื่อเวลาผ่านไป

หลักการดุลสมการเคมี

1. เขียนสูตรเคมีของสารตั้งต้นไว้ด้านซ้ายมือ

2. เขียนสูตรเคมีของสารผลิตภัณฑ์ไว้ด้านขวามือ โดยใช้สัญลักษณ์ → คั่นกลาง

3. ระบุสถานะของสารตั้งต้น และสารผลิตภัณฑ์ในวงเล็บด้านหลังของสารนั้นๆ ได้แก่ (s) = ของแข็ง, (l) = ของเหลว, (g) = ก๊าซ และ (aq) = สารละลาย

4. ทำการดุลสมการเคมี โดยทำให้ตัวเลขอะตอมของทุกธาตุในด้านซ้ายมือ และด้านขวามือเท่ากันด้วยการเติมตัวเลขใดใส่ด้านหน้าของสารเหล่านั้นที่ เมื่อคูณกับจำนวนเลขอะตอมของแต่ละธาตุแล้วสามารถทำให้เลขอะตอมของธาตุด้าน ซ้ายมือ และขวามือเท่ากัน เช่น

2KMnO4 (s) + 16HCl (aq)       →       2KCl (aq) + 2MnCl (aq) + 8H2O (l) + 5Cl2 (g)

การทดสอบว่าการดุลสมการถูกต้องหรือไม่ เพื่อให้ทราบผลที่แน่ชัด และถูกต้องนั้น สามารถทดสอบด้วยวิธีการทดลองทางเคมี ที่เรียกว่า การไทเตรต (titration) เช่น การทำปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส ณ จุดที่ทำปฏิกิริยากันพอดีจะอยู่ที่จุดอุณหภูมิสูงสุด การทำปฏิกิริยาระหว่างหว่างออกซิเจน (O2) กับแมกนีเซียมซัลเฟต (MnSO4) และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (2KOH) ในการฟิกออกซิเจนจนเกิดตะกอนน้ำตาลแดงของ 2MnO(OH)2

สมการเคมีที่สมดุลแล้วจะสามารถแสดงความสัมพันธ์ของปริมาณ สารในสมการ ได้แก่ จำนวนโมล จำนวนมวลสาร จำนวนโมเลกุล และจำนวนปริมาตร ตัวอย่างเช่น

ตัวอย่างที่ 1

****************2KMnO4 (s) + 16HCl (aq)       →       2KCl (aq) + 2MnCl (aq) + 8H2O (l) + 5Cl2 (g)

จำนนวนโมล:       2 โมล          16 โมล                          2โมล            2 โมล         8 โมล         5 โมล

จำนวนมวลสาร:   2×158 g   16×36.5 g                  2×74.5 g      2×126 g    8×18 g       5×71 g

จำนวนโมเลกุล:   2×6.02×1023 16×6.02×1023 2×6.02×1023 2×6.02×1023 8×6.02×1023 5×6.02×1023

ปริมาตรที่ STP: 2×22.4xdm3 16×22.4xdm3 2×22.4xdm3 2×22.4xdm3 8×22.4xdm3 5×22.4xdm3

ตัวอย่างที่ 2

************    ****Al (s)       +        6HCl (aq)       →        2AlCl (aq)      +       3H2 (g)

จำนนวนโมล:             1 โมล                   6 โมล                          2โมล                         3 โมล

จำนวนมวลสาร:      1×27 g               16×36.5 g                 2×62.5 g                   3×2 g

จำนวนโมเลกุล:     1×6.02×1023     6×6.02×1023        2×6.02×1023           3×6.02×1023

ปริมาตรที่ STP:     1×22.4xdm3     6×22.4xdm3          2×22.4xdm3            3×22.4xdm3

กฏทรงมวล

สิ่งแวดล้อม หมายถึง ส่วนที่อยู่ภายนอกขอบเขตการศึกษา เช่น ภาชนะ อุปกรณ์ เตรื่องมืดวัด อากาศโดยรอบ เป็นต้น

ระบบ หมายถึง ส่วนที่อยู่ภายในขอบเขตการศึกษาที่ประกอบด้วยก่อนการเปลี่ยนแปลง และหลังการเปลี่ยนแปลง ประกอบด้วย 2 ระบบ คือ

1. ระบบปิด คือ ระบบที่ไม่มีการถ่ายเทหรือแลกเปลี่ยนมวลสารกับสิ่งแวดล้อมทำให้มีปริมาณมวลสารในระบบเท่าเดิม

2. ระบบเปิด คือ ระบบที่มีการถ่ายเทหรือแลกเปลี่ยนมวลสารกับสิ่งแวดล้อมทำให้มีปริมาณมวลสารในระบบลดลงหรือเพิ่มขึ้น

หากมวลสารทำปฏิกิริยาในระบบปิดจะทำให้ปริมาณสารก่อนทำปฏิกิริยา และหลังทำปฏิกิรยามีปริมาณเท่ากัน สมมติฐานนี้ถูกอธิบายด้วยกฏของอองตวน-โลรอง ในปี พ.ศ. 2317 ที่ได้ทำการทดลองเผาสารในหลอดที่ปิดสนิท ซึ่งพบว่า มวลรวมของสารก่อนการเกิดปฏิกิริยา และหลังการเกิดปฏิกิริยามีปริมาณเท่ากัน จึงตั้งกฏนี้ว่า “กฏทรงมวล”

ปริมาตรก๊าซในปฏิกิริยาเคมี

ก๊าซ มีสมบัติในการฟุ้งกระจาย และมีมวลน้อย ดังนั้น การวัดมวลสารโดยตรงจึงทำได้ยาก ปัจจุบันจึงนิยมวัดในหน่วยปริมาตรแทน โดยใช้กฎต่อไปในการอธิบาย

1. กฎของเกย์ลุสแซก

กฎ นี้เกิดขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2351 เมื่อ โซเซฟ ลุย เก ลุสแซก ได้ทำการวัดปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยากันพอดี ณ อุณหภูมิ และความดันเดียวกัน แล้วสรุปเป็นกฎการรวมปริมาตรของก๊าซว่า “ในปฏิกิริยาเคมีที่เป็นก๊าซ อัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยากันพอดี และปริมาตรของก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา ณ อุณหภูมิ และความดันเดียวกันจะเป็นเลขจำนวนเต็มลงตัวน้อยๆ”

2. กฎอาโวกาโดร

ปี พ.ศ. 2354 อาเมเดโอ อาโวกาโดร ได้ศึกษากฎของเกย์ลุสแซก ได้อธิบายถึงอัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่เข้าทำปฏิกิริยา และที่ได้จากปฏิกิริยาเป็นเลขจำนวนเต็มจำนวนน้อย อาจเนื่องจากปริมาตรของก๊าซมีความสัมพันธ์กับจำนวนอนุภาคที่รวมตัวกันเป็น สารประกอบอาโวกาโดร พร้อมเสนอสมมติฐานขึ้นว่า “ณ อุณหภูมิ และความดันเดียวกันก๊าซทุกชนิดที่มีปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน” เช่น

ปฏิกิริยาของก๊าซไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ

******H2    +    O2      =      H2O

**    2 cm3   +  1 cm3          2 cm3

**2n โมเลกุล     n โมเลกุล        2n โมเลกุล

**2 อะตอม       1 อะตอม         2 อะตอม

2.2 สมการเคมี

     สมการเคมีเป็นสัญลักษณ์ที่แสดงการเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างสารตั้งต้น (อาจเป็นปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล อะตอม หรือไอออนก็ได้) เพื่อเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ โดยเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และสูตรโมเลกุลที่เป็นตัวแทนของธาตุที่อยู่ในสารประกอบ

ตัวอย่างสมการเคมี

สมการเคมีโดยทั่วไปแล้วจะใช้สัญลักษณ์แทนของธาตุต่าง ๆ มีลูกศรที่ชี้จากด้านซ้ายของสมการไปทางด้านขวาเพื่อบ่งบอกว่าสารตั้งต้น(reactant)ทางด้านซ้ายมือ ทำปฏิกิริยาเกิดสารใหม่ขึ้นมาเรียกว่าผลิตภัณฑ์ (product)ทางด้านขวามือ ดังนั้น จากสมการเคมีเราสามารถใช้คำนวณหาได้ว่าใช้สารตั้งต้นเท่าไรแล้วจะได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเท่าไร

          จากกฎทรงมวลเราจึงต้องทำให้แต่ละข้างของสมการต้องมีจำนวนอะตอม และประจุที่เท่ากัน เรียกว่า การดุลสมการ ซึ่งมีข้อสังเกตดังนี้

                  1. พยายามดุลธาตุที่เหมือนกันให้มีจำนวนอะตอมทั้งสองด้านเท่ากันก่อน

                  2. ในบางปฏิกิริยามีกลุ่มอะตอมให้ดุลเป็นกลุ่ม

                  3. ใช้สัมประสิทธิ์(ตัวเลขที่ใช้วางไว้หน้าอะตอม)ช่วยในการดุลสมการ แล้วนับจำนวนอะตอมแต่ละข้างให้เท่ากัน

อ้างอิง https://sites.google.com/site/sarnichiwitpracawan/bth-thi-3-chiw-molekul/bth-thi-1-thatu-laea-sarprakxb/bth-thi-2-ptikiriya-khemi,https://www.youtube.com/watch?v=uawLUzg9Jkc

บทที่1 ธาตุและสารประกอบ

 บทที่1 ธาตุและสารประกอบ

           ธาตุ คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน มีสถานะต่าง ๆ ทั้งของแข็ง ของเหลวและก๊าซ ธาตุต่างชนิดกันสามารถรวมตัวหรือทำปฏิกิริยากันกลายเป็นสารประกอบชนิดต่าง ๆ ด้วยอัตราส่วนโดยมวลคงที่ 

เนื่องจากธาตุต่าง ๆ ในปัจจุบันนี้มีจำนวนมากกว่า 105 ธาตุ แต่ละธาตุมีสมบัติแตกต่างกันเป็นส่วนใหญ่ การที่จะศึกษาสมบัติของธาตุแต่ละชนิดนั้นเป็นเรื่องยุ่งยากและเสียเวลา ในทางปฏิบัติจึงจัดธาตุเป็นหมวดหมู่โดยตั้งเกณฑ์กำหนดต่าง ๆ กัน เช่น โดยอาศัยการนำไฟฟ้า โดยอาศัยสถานะ โดยอาศัยการจัดเรียงอิเล็กตรอน เป็นต้น ในบทนี้จะจัดธาตุออกเป็นหมวดหมู่โดยอาศัยสมบัติคลอไรด์ ออกไซด์ และซัลไฟด์ของธาตุ โดยในขั้นแรกจะศึกษาสมบัติของสารประกอบดังกล่าวสำหรับธาตุเพียง 20 ธาตุแรก แล้วนำสมบัติที่ได้มาจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ ซึ่งจะเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาสมบัติของธาตุอื่น ๆ และเป็นจุดเริ่มต้นของการจัดตารางธาตุที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน

แนวโน้มความเป็นโลหะและอโลหะของธาตุในตารางธาตุ

         ในภาวะปกติ ธาตุบางชนิดดำรงอยู่สถานะของแข็ง บางชนิดเป็นของเหลว และบางชนิดเป็นก๊าซ  เราสามารถแบ่งสมบัติของธาตุทั้งหมดออกได้เป็นสามพวกใหญ่ๆ คือ โลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

ตารางที่ 1 แสดงตัวอย่างของธาตุโลหะและอโลหะที่เราพอรู้จักกันดี

การที่เราจำแนกธาตุทั้งหลายออกเป็นโลหะกับอโลหะนั้น ก็เนื่องจากธาตุต่างๆ มีสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างกัน  แต่ก็มีสมบัติบางประการเหมือนกันหรือคล้ายกัน ซึ่งพอจะแยกออกเป็นสามพวกได้ดังนี้

          1. โลหะ (metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ นำความร้อนที่ดี เหนียว มีจุดเดือดสูง ปกติเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง (ยกเว้น ปรอท) เช่น แคลเซียม อะลูมิเนียม เหล็ก เป็นต้น

          2. อโลหะ (non-metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติไม่นำไฟฟ้า มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ เปราะบาง และมีการแปรผันทางด้านคุณสมบัติทางกายภาพมากกว่าโลหะ เช่น ออกซิเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส เป็นต้น

ตารางที่ 2 แสดงสมบัติบางประการของโลหะกับอโลหะ  

           3. กึ่งโลหะ (metalloid) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะและอโลหะ เช่น ธาตุซิลิคอน และเจอเมเนียม มีสมบัติบางประการคล้ายโลหะ เช่น นำไฟฟ้าได้บ้างที่อุณหภูมิปกติ และนำไฟฟ้าได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เป็นของแข็ง  เป็นมันวาวสีเงิน จุดเดือดสูง แต่เปราะแตกง่ายคล้ายอโลหะภาพที่ 4 การแบ่งสมบัติของธาตุทั้งหมดออกเป็นโลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

ประโยชน์ของธาตุ

อะตอมและโครงสร้างอะตอม

       . ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุซึ่งเข้าทําปฏิกิริยาเคมีได้ อะตอม ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่สําคัญ คือ นิวเคลียสเป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่โดยรอบ, เดิมเรียกว่า ปรมาณู. 

             โครงสร้างอะตอม

              ดีโมครีตัส ( นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก  เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้  ดีโมครี- ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่าอะตอม (Atom)   จากภาษากรีกที่ว่า  atoms  ซึ่งมีความหมายว่า  ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก   ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้

ภาพการแปรียบเทียบขนาดของอะตอม

ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม

1. ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ

2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว

แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน

จอห์น    ดอลตัน    นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรกที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้   ซึ่งมีใจความดังนี้

สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “ อะตอม”

อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้    และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ

อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน

ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ    โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย    เช่น     CO   CO 2

จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

( ตามทฤษฎีอะตอมของดอลตัน อะตอมในแนวคิดปัจจุบัน ข้อ 1, 3, 4 ใช้ไม่ได้ในปัจจุบัน)

ข้อ 1. อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน เป็นต้น

ข้อ 3 - 4 อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีคุณสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน กล่าวคือมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป ในเรื่อง " ไอโซโทรป"

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

ทอมสัน    ค้นพบ อิเล็กตรอน

การทดลองของรอเบิร์ด   แอนดรูส์  มิลลิแกน   ได้ผลการทดลองว่า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ   1.60 x 10 -19 คูลอมบ์ และอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับ 9.11  x  10 -28 กรัม

โกลด์สไตน์    ค้นพบ โปรตอน

จากผลการทดลองของทอมสัน    โกลด์สไตน์   ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้นเขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า

อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม

อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด    แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน  และอนุภาคอื่นๆอีก

อะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ    อนุภาคโปรตอนมีประจุเป็นบวก

อะตอมจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ

อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า   เพราะ มีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ

จากทฤษฎีอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

อะตอมจะประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นอยู่ตรงกลางนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากมีมวลมาก และมีประจุบวกส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบและมีมวลน้อยมาก   จะวิ่งรอบนิวเคลียสเป็นวงกว้าง การค้นพบนิวตรอน   เนื่องจากมวลของอะตอมส่วนใหญ่อยู่ที่นิวเคลียสซึ่งเป็นมวลของโปรตอนแต่โปรตอนมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสเท่านั้น   แสดงว่าต้องมีอนุภาคซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าแต่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนอยู่ในอะตอมด้วย  เจมส์   แชวิก   นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ  จึงศึกษาทดลองเพิ่มเติมจนพบนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า   อะตอมของธาตุทุกชนิดในโลกจะมีนิวตรอนเสมอ    ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนในรูปของไอโซโทป 

สรุปแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง

จากทฤษฎีอะตอมของ รัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว

สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลำดับกันไป

นีลส์โบร์   ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้

1 . อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน  และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว

2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น   ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น          

3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน  n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2, n = 3,... ตามลำดับ   หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M , N  ,O ,  P , Q ....

จากทฤษฎีอะตอมของ นีลส์โบร์ แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เป็นแบบจำลองที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดทั้งนี้ได้จากการประมวลผลการทดลองและข้อมูลต่างๆ   อะตอมภายหลังจากที่นีลส์โบร์  ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา อาจสรุปได้ดังนี้

1. อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนได้   แต่ถ้าบอกได้แต่เพียงที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไป ในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า " กลุ่มหมอก"

2. กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน

3. กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส

4. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่

5. อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน

ลักษณะแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

  

อ้างอิง https://sites.google.com/site/sarlaeasmbatikhxngsarm4/home/bth-thi-1-thatu-laea-sarprakxb,https://www.youtube.com/watch?v=VLvfb8h8QLY