เคมี ม. 5 เทอม 1 เรียนเรื่องอะไรบ้าง

เคมี ม.5 เทอม 1 เป็นการเรียนรู้เนื้อหาที่ต่อยอดจากชั้นเรียนก่อนหน้านี้ แต่มีความลึกซึ้งและซับซ้อนมากขึ้น นักเรียนจะได้ศึกษาเรื่อง สมบัติของแก๊ส ซึ่งครอบคลุมกฎและสมการต่างๆ ที่ใช้ในการคำนวณ เช่น กฎของบอยส์ ชาร์ล และแก๊สสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังมีหัวข้อเกี่ยวกับ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ที่อธิบายความเร็วของปฏิกิริยาและปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิด รวมถึง สมดุลเคมี ที่ศึกษาภาวะสมดุล ค่าคงที่สมดุล และการรบกวนสมดุลตามหลักการของเลอ ชา เตอลิเยร์ ซึ่งมีการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

เคมี ม. 5 เทอม 1 เรียนเรื่องอะไรบ้าง
1. แก๊สและสมบัติของแก๊ส
2. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
3. สมดุลเคมี
 

เนื้อหาการเรียนแต่ละเรื่อง

1. แก๊สและสมบัติของแก๊ส

บทนี้เริ่มต้นด้วยการศึกษาเกี่ยวกับสถานะของแก๊สและสมบัติต่างๆ ของแก๊ส เช่น ความดันของแก๊ส ปริมาตร อุณหภูมิ และจำนวนโมล เนื้อหานี้จะเน้นไปที่กฎของแก๊สที่สำคัญ ได้แก่

- กฎของบอยส์ (Boyle's Law) – อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

- กฎของชาร์ล (Charles's Law) – กล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิของแก๊สเมื่อความดันคงที่

- กฎของเกย์-ลุสแซก (Gay-Lussac's Law) – เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิของแก๊ส

- กฎรวมของแก๊ส (Combined Gas Law) – รวมกฎของบอยส์ ชาร์ล และเกย์-ลุสแซกเข้าด้วยกัน

- กฎของแก๊สสมบูรณ์ (Ideal Gas Law) – สมการแก๊สสมบูรณ์ (PV=nRT) ที่เป็นการรวมหลักการของกฎก่อนหน้านี้เข้าด้วยกัน

- การแพร่ของแก๊ส – การเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊สจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ

1. กฎของบอยส์ (Boyle's Law)

กฎของบอยส์ระบุว่า เมื่ออุณหภูมิของแก๊สคงที่ ความดัน (P) ของแก๊สจะมีความสัมพันธ์ผกผันกับปริมาตร (V) กล่าวคือ เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น ความดันจะลดลง และในทางกลับกัน สมการที่ใช้คือ ​ ซึ่งหมายถึงความดันและปริมาตรของแก๊สในช่วงเวลาต่างๆ จะมีความสัมพันธ์กันอย่างสมดุลภายใต้เงื่อนไขที่อุณหภูมิคงที่

2. กฎของชาร์ล (Charles's Law)

กฎของชาร์ลกล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร (V) และอุณหภูมิ (T) ของแก๊สเมื่อความดันคงที่ โดยที่ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมการที่ใช้คือ ​​ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าปริมาตรของแก๊สแปรผันตามอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (K) โดยตรง ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลแก๊สจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น

3. กฎของเกย์-ลุสแซก (Gay-Lussac's Law)

กฎของเกย์-ลุสแซกกล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และอุณหภูมิ (T) ของแก๊สเมื่อปริมาตรคงที่ โดยที่ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมการที่ใช้คือ ​​ ซึ่งแสดงว่าความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิภายใต้ปริมาตรที่คงที่

4. กฎรวมของแก๊ส (Combined Gas Law)

กฎรวมของแก๊สเป็นการรวมกฎของบอยส์ กฎของชาร์ล และกฎของเกย์-ลุสแซกเข้าด้วยกัน โดยสมการที่ใช้คือ​​ สมการนี้ใช้ในการคำนวณความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สภายใต้เงื่อนไขที่แก๊สมีการเปลี่ยนแปลงทั้งสามปัจจัยพร้อมกัน

5. กฎของแก๊สสมบูรณ์ (Ideal Gas Law)

กฎของแก๊สสมบูรณ์เป็นสมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) ปริมาตร (V) อุณหภูมิ (T) และจำนวนโมลของแก๊ส (n) โดยสมการที่ใช้คือ PV=nRT ซึ่ง R คือค่าคงที่ของแก๊สสากล กฎนี้อธิบายการคำนวณสมบัติของแก๊สสมบูรณ์ ซึ่งถือว่าโมเลกุลแก๊สไม่มีแรงยึดเหนี่ยวกันและมีขนาดเล็กมากจนไม่มีผลต่อปริมาตร

6. การแพร่ของแก๊ส (Gas Diffusion)

การแพร่ของแก๊สคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊สจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนไหวของโมเลกุลอย่างอิสระภายในภาชนะ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือการแพร่กระจายของกลิ่นน้ำหอมในห้อง การแพร่ของแก๊สเกี่ยวข้องกับมวลโมเลกุลและอุณหภูมิ โดยแก๊สที่มีมวลโมเลกุลน้อยจะแพร่เร็วกว่าแก๊สที่มีมวลโมเลกุลมาก

2. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

บทนี้เกี่ยวข้องกับการวัดความเร็วหรืออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี รวมถึงปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา เช่น อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารเริ่มต้น และการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา หัวข้อสำคัญได้แก่

- ความหมายของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี – อธิบายการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารที่เกิดขึ้นต่อหน่วยเวลา

- พลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยา – พลังงานกระตุ้น (activation energy) และกราฟพลังงาน

- กฏอัตราและค่าคงที่ของอัตรา – สมการที่ใช้ในการคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาและค่าคงที่ของอัตรา

- กลไกของปฏิกิริยา – การอธิบายขั้นตอนต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการเกิดปฏิกิริยา

- ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี – ปัจจัยต่างๆ ที่มีผลต่อการเร่งหรือชะลอการเกิดปฏิกิริยา เช่น อุณหภูมิ ความเข้มข้น และตัวเร่งปฏิกิริยา

1. ความหมายของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีหมายถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ต่อหน่วยเวลา ซึ่งสามารถวัดได้จากการลดลงของความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ สูตรที่ใช้คำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีคือ

โดยที่ [A] คือความเข้มข้นของสารตั้งต้น และ [P] คือความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์

2. ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อการชนกันของโมเลกุลหรืออะตอมในปฏิกิริยา ซึ่งได้แก่

- ความเข้มข้นของสารตั้งต้น: เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น จำนวนการชนกันระหว่างโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น

- อุณหภูมิ: การเพิ่มอุณหภูมิทำให้โมเลกุลมีพลังงานจลน์สูงขึ้น ส่งผลให้การชนกันเกิดขึ้นบ่อยขึ้นและมีพลังงานเพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยา

- พื้นที่ผิว: ในกรณีของของแข็ง การเพิ่มพื้นที่ผิวของสารตั้งต้น เช่น การบดสารให้ละเอียด จะทำให้การชนกันระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นบ่อยขึ้น

- ตัวเร่งปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยลดพลังงานกระตุ้น (activation energy) ที่จำเป็นในการเกิดปฏิกิริยา ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นโดยไม่ถูกใช้หมดไปในกระบวนการ

3. พลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยาเคมี

การเกิดปฏิกิริยาเคมีต้องการพลังงานเริ่มต้นที่เรียกว่า พลังงานกระตุ้น (activation energy) ซึ่งเป็นพลังงานขั้นต่ำที่โมเลกุลของสารตั้งต้นต้องมีเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา พลังงานกระตุ้นนี้สามารถแสดงในรูปของ กราฟพลังงาน ซึ่งแบ่งเป็นสองประเภท

- ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction): เป็นปฏิกิริยาที่ต้องใช้พลังงานจากสิ่งแวดล้อม เช่น การสลายตัวของน้ำ

- ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction): เป็นปฏิกิริยาที่ปล่อยพลังงานออกมา เช่น การเผาไหม้ของสารอินทรีย์

4. กฏอัตราและค่าคงที่ของอัตรา (Rate Laws and Rate Constants)

กฏอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นสมการที่ใช้บอกความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้นของสารตั้งต้น สมการทั่วไปคือ

โดยที่ k คือค่าคงที่ของอัตรา และ m และ n คือลำดับของปฏิกิริยา (reaction order) ต่อสารตั้งต้น A และ B การทราบกฏอัตราทำให้เราสามารถคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาภายใต้ความเข้มข้นต่างๆ ของสารตั้งต้นได้

5. กลไกของปฏิกิริยา (Reaction Mechanisms)

กลไกของปฏิกิริยาหมายถึงลำดับขั้นตอนที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นจริง โดยปฏิกิริยาส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นผ่านหลายขั้นตอน ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีความเร็วต่างกัน ขั้นตอนที่ช้าที่สุดเรียกว่า ขั้นตอนกำหนดอัตรา (rate-determining step) ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดความเร็วรวมของปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังมีการศึกษา สถานะกึ่งเสถียร (intermediates) ซึ่งเป็นสารที่เกิดขึ้นชั่วคราวระหว่างขั้นตอนของปฏิกิริยา

3. สมดุลเคมี

บทนี้ศึกษาเกี่ยวกับภาวะสมดุลเคมี ซึ่งเป็นสถานะที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นในอัตราที่เท่ากัน ทำให้ความเข้มข้นของสารที่เข้าร่วมปฏิกิริยาคงที่ หัวข้อสำคัญได้แก่:

- ภาวะสมดุล – สถานะที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสุทธิของความเข้มข้นของสาร

- ค่าคงที่สมดุล – การคำนวณค่าคงที่สมดุล (K) เพื่อบอกทิศทางของปฏิกิริยา

- การรบกวนภาวะสมดุล – ปัจจัยที่รบกวนสมดุล เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน หรือความเข้มข้นของสาร และการปรับสมดุลตามหลักการของเลอ ชา เตอลิเยร์ (Le Chatelier’s Principle)

- การใช้หลักของเลอ ชา เตอลิเยร์ในอุตสาหกรรม – การประยุกต์ใช้หลักการสมดุลในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม เช่น การผลิตแอมโมเนียในกระบวนการฮาเบอร์ (Haber Process)

1. ภาวะสมดุลเคมี (Chemical Equilibrium)

ภาวะสมดุลเคมีเกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยาเคมีดำเนินไปทั้งทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับในอัตราที่เท่ากัน ทำให้ความเข้มข้นของสารที่เข้าร่วมปฏิกิริยาคงที่ ปฏิกิริยาที่สามารถเกิดภาวะสมดุลเคมีจะต้องเป็น ปฏิกิริยาย้อนกลับ (Reversible Reaction) ซึ่งสามารถดำเนินไปได้ทั้งสองทิศทาง สถานะสมดุลนี้ไม่หมายถึงการหยุดเกิดปฏิกิริยา แต่หมายถึงการที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ

2. ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant, K)

ซึ่ง [A],[B],[C],[D] คือความเข้มข้นของสารต่างๆ ในปฏิกิริยาและ a,b,c,d คือตัวคูณสัมประสิทธิ์หน้าสาร การคำนวณค่าคงที่สมดุลนี้ช่วยให้เราสามารถคาดการณ์ได้ว่าปฏิกิริยาจะเดินไปในทิศทางใด เช่น ถ้า K มีค่าสูง ปฏิกิริยาจะเดินไปทางข้างหน้ามากกว่า ในทางกลับกัน ถ้า K มีค่าต่ำ ปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับมากกว่า

3. การรบกวนภาวะสมดุล (Disturbing the Equilibrium)

การรบกวนภาวะสมดุลสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา เช่น การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น อุณหภูมิ หรือความดัน โดยปฏิกิริยาจะพยายามปรับสมดุลใหม่เพื่อรักษาความสมดุลตาม หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ (Le Chatelier’s Principle) ซึ่งกล่าวว่า เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปัจจัยภายนอก ปฏิกิริยาจะปรับตัวเพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงนั้น ตัวอย่างเช่น

- การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น: หากเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น ปฏิกิริยาจะเดินไปทางข้างหน้าเพื่อลดความเข้มข้นของสารตั้งต้น

- การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ: สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction) การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นมากกว่า และในทางกลับกัน สำหรับปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction) การเพิ่มอุณหภูมิจะส่งผลให้ปฏิกิริยาเดินไปข้างหน้ามากขึ้น

- การเปลี่ยนแปลงความดัน: สำหรับปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับแก๊ส การเปลี่ยนแปลงความดันจะส่งผลต่อสมดุลของปฏิกิริยา เช่น การเพิ่มความดันจะทำให้ปฏิกิริยาเดินไปในทิศทางที่ลดจำนวนโมลแก๊ส

4. การประยุกต์ใช้หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ในอุตสาหกรรม

หลักการสมดุลเคมีมีการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม เช่น ในกระบวนการผลิตแอมโมเนียผ่าน กระบวนการฮาเบอร์ (Haber Process) ที่เป็นปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนและไฮโดรเจนเพื่อผลิตแอมโมเนีย การควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้เกิดสมดุลที่เหมาะสมจะช่วยเพิ่มผลผลิตแอมโมเนียได้มากที่สุด

          เนื้อหาวิชาเคมี ม. 5 เทอม 1 เน้นความเข้าใจในสมบัติของแก๊ส อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี และสมดุลเคมี ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญที่นำไปใช้ในการศึกษาวิชาเคมีในระดับสูงขึ้น เนื้อหามีทั้งทฤษฎี การทดลอง และการคำนวณที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ทำให้นักเรียนต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในการประยุกต์ใช้ความรู้ต่างๆ​