การป้องกันการผุกร่อน (การเกิดสนิม) ของโลหะ

การเกิดสนิมเป็นปฏิกิริยาที่พบเห็นได้ง่ายๆ กับสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ แต่เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เกิดขึ้นเมื่อมีเหล็กสัมผัสกับน้ำและความชื้น โดยจะค่อย ๆ สึกกร่อน เมื่อเกิดการผุกร่อน นอกจากจะทำให้วัสดุอุปกรณ์นั้นไม่สวยงามแล้ว ถ้าอุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักที่ต้องการความแข็งแรง เช่น โครงหลังคาบ้าน หากเกิดการกัดกร่อนก็จะยิ่งเป็นอันตราย ดังนั้นเราจึงควรเรียนรู้เกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะไว้เพื่อจะได้หาทางป้องกันต่อไป

สาเหตุของการกัดกร่อนของโลหะหรือปัจจัยที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะซึ่งมีหลายประการ เช่น

• การทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน
• การทำปฏิกิริยากับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือกรด
• การทำปฏิกิริยากับไอเกลือเข้มข้น เช่น บริเวณใกล้ทะเล
• สัมผัสกับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์สูงกว่า

วิธีป้องกันการเกิดสนิมหรือการกัดกร่อนของเหล็ก

การเคลือบผิว (surface coating) ไม่ให้เหล็กสัมผัสกับน้ำและแก๊สออกซิเจนหรืออากาศ ซึ่งอาจทำได้หลายๆ วิธีเช่น 

• เคลือบผิวเหล็กด้วยน้ำมัน
•  ทาสีที่ผิวเหล็ก
• เคลือบผิวเหล็กด้วยพลาสติก

วิธีเหล่านี้เป็นแบบป้องกันโดยตรง ไม่ให้ผิวเหล็กสัมผัสกับน้ำและออกซิเจนซึ่งค่อนข้างสะดวกและให้ผลดี

ที่มา : http://www.promma.ac.th/main/chemistry/web_electrochemistry/new_page_27.htm

วิธีแคโทดิก (Cathodic Protection)      

เป็นที่ทราบแล้วว่า โลหะเกิดการผุกร่อนจากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยโลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์กัลวานิกหรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเหล็ก (มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์ (E^o) น้อยกว่าเหล็ก) ไปพันหรือต่อกับเหล็ก ซึ่งจะทำให้โลหะนั้นกัดกร่อนแทนเหล็ก เช่น การเชื่อมต่อแมกนีเซียมตามท่อ หรือตามโครงเรือ จะทำให้เหล็กผุกร่อนช้าลง เนื่องจากแมกนีเซียมเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าเหล็ก จะเสียอิเล็กตรอนแทน เปรียบเสมือนกับให้แมกนีเซียมเป็นแอโนด และให้เหล็กเป็นแคโทด จึงเรียกวิธีนี้ว่า “วิธีแคโทดิก (Cathodic Protection)”

ที่มา : http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrochem04.htm

ทำเหล็กให้เป็นขั้วลบ โดยต่อเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่หรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

การชุบเคลือบผิวเหล็กด้วยโลหะ (Electroplating) 

คือ กระบวนการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในสารละลายเกลือของโลหะ (Metallic salts) แล้วทำให้ไอออนบวกวิ่งมารับประจุไฟฟ้าลบที่ชิ้นงาน ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วลบ (Cathode) จึงทำให้เกิดเป็นชั้นผิวบางของโลหะมาเคลือบอยู่บนผิวด้านนอกของชิ้นงาน เช่น การชุบทองแดง นิกเกิล โครเมียม ใช้หลักการของเซลล์อิเล็กโทรไลติก (Electrolytic cell)

การเคลือบผิวช้อนด้วยโลหะเงิน
ที่มา : http://picshype.com/zinc-electroplating-diagram/electroplating-process-for/26489

การเคลือบผิวเหล็กด้วยโลหะที่หลอมเหลว

โดยนำเหล็กจุ่มลงในโลหะที่ใช้เคลือบซึ่งทำให้ร้อนจนหลอมเหลว แล้วนำเหล็กจุ่มลงไปเพื่อให้เกาะที่ผิวของเหล็ก เช่น นำแผ่นเหล็กจุ่มลงในสังกะสีที่หลอมเหลว สังกะสีจะเกาะที่ผิวเหล็กป้องกันไม่ให้เกิดสนิมได้

การป้องกันการเกิดสนิมเหล็กโดยวิธีอะโนไดซ์ (Anodization)

วิธีอะโนไดซ์ คือ กระบวนการป้องกันการผุกร่อนของโลหะ โดยอาศัยหลักการอิเล็กโทรลิซิส เป็นการเคลือบผิวโลหะด้วยโลหะออกไซด์ที่สลายตัวยาก ทำให้เกิดออกไซด์ของโลหะบางชนิด เช่น อะลูมิเนียม โครเมียม ดีบุก สังกะสี โลหะเหล่านี้ มีค่า E^๐ ต่ำ สูญเสียอิเล็กตรอนง่าย เมื่อทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนในอากาศจะเกิดออกไซด์ของโลหะซึ่งมีความสเถียรและไม่ละลายน้ำเคลือบบนผิวของโลหะนั้นและจับผิวแน่น ทำให้ผิวด้านในไม่สัมผัสกับน้ำและแก๊สออกซิเจน จึงช่วยป้องกันการผุกร่อนได้ การเกิดออกไซด์สามารถเกิดได้เองตามธรรมชาติแต่เป็นไปอย่างไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นในทางอุตสาหกรรมจึงใช้วิธีอะโนไดซ์ซึ่งเป็นวิธีทำให้พื้นผิวโลหะเกิดออกไซด์อย่างสม่ำเสมอ

ที่มา : http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=anodizing

การรมดำโลหะเหล็ก (Metal Blackening)

วิธการรมดำ เป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ เป็นกระบวนการการป้องกันการผุกร่อนของโลหะทางเคมีชนิดหนึ่ง โดยใช้สารเคมีและให้ความร้อนจากภายนอกเข้าไปเท่านั้นทำให้เกิดออกไซด์สีดำติดแน่นอยู่บนผิวชิ้นงานโลหะโดยสีดำที่เกิดขึ้นจะมีความเข้มของสีที่แตกต่างกันไป คือสีดำ สีดำแกมน้ำเงิน หรือสีน้ำเงินเข้ม ซึ่งขึ้นอยู่กับกรรมวิธีและสารเคมีที่ใช้ เมื่อโลหะผ่านการรมดำ โลหะจะไม่เกิดสนิมหรือผุกร่อน  จึงช่วยป้องกันการผุกร่อนของเหล็กได้ โลหะที่นิยมนำมารมดำได้แก่ เหล็ก ทองแดง ทองเหลือง อะลูมิเนียม เงินและสแตนเลส

การรมดำ

ที่มา : http://www.platingfinishing.com/metal-blackening-services-1710821.html

การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด

เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอะลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหะที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซิเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง

 

ที่มา : http://www.judybrown.co.uk/digital_art_gallery1/8_dog_in_car_cartoon.html

การผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิมเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี สนิมเป็นโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีอากาศ น้ำ หรือความร้อนเป็นตัวการสำคัญทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม โดยโลหะจะค่อย ๆ สึกกร่อน กลายเป็นเหล็กออกไซด์ ส่วนวิธีการป้องกันไม่ให้โลหะเกิดการผุกร่อนหรือเกิดสนิมขึ้นมีหลายวิธี เราจะเลือกใช้วิธีใดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานครึ่งเซลล์ของโลหะ การทำปฏิกิริยากับน้ำและอากาศ หรือความสะดวกในการเลือกใช้วิธีนั้นๆ

ที่มาข้อมูล : 

• เทพจำนงค์ แสงสุนทร. (ม.ป.ป.).ไฟฟ้าเคมี ตอนการผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน.สืบค้นเมื่อ 14 ธันวาคม, 2559, จาก phukhieo.ac.th/obec-media/2555/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%E0%A4%C1%D5/52_%A1%D2%C3%BC%D8%A1%C3%E8%CD%B9%A2%CD%A7%E2%C5%CB%D0%E1%C5%D0%A1%D2%C3%BB%E9%CD%A7%A1%D1%B9.pdf

เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับการผุกร่อนของโลหะ (การเกิดสนิม)

การผุกร่อนของโลหะ (การเกิดสนิม)

ตัวอย่างการเกิดสนิมของโลหะ

ที่มา : https://sites.google.com/site/rokhcakbaekhthireiy/rokh-badthayak

เหล็กเป็นโลหะที่มนุษย์นิยมนำมาใช้ประโยชน์ เนื่องจากความแข็งแกร่งและมีราคาถูก แต่ในชีวิตประจำวัน เรามักจะพบสิ่งต่าง ๆ ที่ทำจากโลหะหรือมีโลหะเป็นส่วนประกอบด้วยเช่นที่อยู่อาศัย ยานพาหนะ อุปกรณ์ เครื่องใช้ต่าง ๆ สิ่งเหล่านี้ในช่วงแรกจะสวยงาม แข็งแรง แต่เมื่อเวลาผ่านไป อาจเกิดการกัดกร่อน (สนิม) ซึ่งนอกจากจะทำให้ไม่สวยงามแล้ว ถ้าอุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักที่ต้องการความแข็งแรง เช่น โครงหลังคาบ้าน หากเกิดการกัดกร่อนก็จะยิ่งเป็นอันตราย ดังนั้นเราจึงควรเรียนรู้เกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะไว้เพื่อจะได้หาทางป้องกันต่อไป

การกัดกร่อนของโลหะหรือที่เมื่อก่อนเรียกว่าการผุกร่อนของโลหะหรือที่เราเรียกกันทั่วไปว่าการเกิดสนิม (rust) โดย สนิมเป็นโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีอากาศ น้ำ หรือความร้อนเป็นตัวการสำคัญทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม โดยโลหะจะค่อย ๆ สึกกร่อน กลายเป็นเหล็กออกไซด์ มีชื่อทางเคมีว่า ไฮเดรตเฟอริกออกไซด์ (Hydrated ferric oxide: Fe₂O₃·xH₂O) หรือที่เรารู้จักกันว่า สนิมเหล็ก มีลักษณะเป็นคราบสีแดง ซึ่งไม่สามารถเกาะอยู่บนผิวของเหล็กได้อย่างเหนียวแน่น สามารถหลุดออกออกไปได้ง่าย ทำให้เนื้อเหล็กที่อยู่ชั้นในสามารถเกิดสนิมต่อจนกระทั่งหมดทั้งชิ้น กระบวนการเกิดสนิมค่อนข้างซับซ้อน  

ความหมายของการผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิม

การผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิม คือ กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีที่ทำให้วัสดุที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบเปลี่ยนสภาพเป็นโลหะออกไซด์หรือเป็นโลหะไอออนในภาวะแวดล้อมรอบๆที่สามารถทำให้โลหะเปลี่ยนสภาพไป

กระบวนการเกิดสนิมเหล็ก

การกัดกร่อนของเหล็กหรือการเกิดสนิมเหล็ก เกิดจากผิวเหล็กสัมผัสกับน้ำ (H₂O) และแก๊สออกซิเจน (O₂) ทำให้มีการให้และรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้นโดยเหล็กเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้ 2 อิเล็กตรอนหรือเรียกว่าเหล็กถูกออกซิไดซ์ให้เป็นเฟอร์รัสไอออน หรือไอร์ออน (II) ไอออน (Fe²⁺)

กระบวนการการเกิดสนิมเหล็ก
ที่มา : https://abhsscience.wikispaces.com/Rusting+SB

แอโนด Fe(s) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน อะตอมของเหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือ ถูกออกซิ ไดซ์เป็น Fe²⁺

Fe(s) ®Fe²⁺(aq) + 2e-

แคโทด H₂O(l) และ O₂(g) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน โดยมีน้ำและแก๊สออกซิเจนเกิดปฏิกิริยารีดักชันเข้ามารับอิเล็กตรอนหรือเรียกว่าถูกรีดิวซ์เป็นไฮดรอกไซด์ไอออน (OH^-)

O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e–®4OH^-(aq)

สรุปปฏิกิริยาการเกิดสนิมเหล็ก

แอโนด            2{Fe(s) ® Fe²⁺(aq) + 2e-}

แคโทด            O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e– ® 4OH^-(aq)

ปฏิกิริยารวม     2Fe(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) ® 2Fe²⁺(aq) + 4OH^-(aq)

Fe²⁺(aq) และ OH^-(aq) สามารถทำปฏิกิริยากันต่อ ได้เป็นตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์หรือไอร์ออน (II) ไฮดรอกไซด์ ที่ไม่ละลายน้ำดังสมการ

Fe²⁺(aq) + 2OH-(aq)  ®  Fe(OH)₂(s)

                                   ตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์

และตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์จะทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจนในอากาศต่อไปอีกได้เป็นตะกอน เฟอร์ริกไฮดรอกไซด์หรือไอร์ออน (III) ไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำดังสมการ

4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) ® 4Fe(OH)₃(s)

                                                ตะกอนเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์

ตะกอนเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ริกออกไซด์หรือไอร์ออน (III) ออกไซด์ที่มีน้ำผลึกอยู่ในโมเลกุลซึ่งเรียกว่าสนิมเหล็ก มีสีน้ำตาลแดง เนื่องจากน้ำผลึกในโมเลกุลมีได้หลายค่า อาจเป็น 1 หรือ 2 โมเลกุล หรืออื่น ๆ จึงเขียนสูตรทั่วไปเป็นดังนี้

Fe(OH)₃(s)   ®   Fe₂O₃·xH₂O(s)

                              เฟอร์ริกออกไซด์(xน้ำผลึก) 

สนิมเหล็ก(สีน้ำตาลแดง)

การเกิดสนิมเหล็กนอกจากจะเกิดจากเหล็กทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจนแล้ว ในธรรมชาติเรายังพบว่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศก็มีส่วนทำให้เกิดสนิมเหล็กได้เช่นเดียวกัน กระบวนการที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะละลายน้ำแล้วเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (Carbonic acid) ซึ่งเป็นกรดอ่อนและจะแตกตัวให้ไฮโดรเจนหรือไฮโดรเนียมไอออน

CO₂(g) + H₂O(l)          ® H₂CO₃(aq)

H₂CO₃(aq)                 ® H⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e– ®2H₂O (l)

แล้วไฮโดรเจนไอออนจะรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ทำให้เหล็กเกิดการกัดกร่อนหรือเกิดสนิมในทานองเดียวกับทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน

รายละเอียดจะเป็นดังนี้

เริ่มต้นเหล็กเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้อิเล็กตรอนที่แอโนด

แอโนด 2{Fe(s) ®Fe²⁺(aq) + 2e-}

ต่อมาออกซิเจนและไฮโดรเจนไอออนเกิดปฏิกิริยารีดักชันรับอิเล็กตรอนที่แคโทด

แคโทด O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e–®2H₂O (l)

ปฏิกิริยารวม 2Fe(s) + O₂(g) + 4H⁺(aq) ®2Fe²⁺(aq) + 2H₂O (l)

หลังจากนั้นก็จะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องกันไปจนในที่สุดจะได้เป็นสนิมเหล็ก

เขียนเป็นสมการง่าย ๆ สำหรับการเกิดสนิมเหล็กจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดังนี้

Fe(s) + CO₂(g) + H₂O(l)……….. ®Fe₂O₃.xH₂O(s)

                สนิมเหล็ก

สาเหตุของการกัดกร่อนของโลหะหรือปัจจัยที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะซึ่งมีหลายประการ เช่น

• การทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน
• การทำปฏิกิริยากับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือกรด
• การทำปฏิกิริยากับไอเกลือเข้มข้น เช่น บริเวณใกล้ทะเล
• สัมผัสกับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์สูงกว่า

นอกจากนี้โลหะอื่นๆก็เกิดการผุกร่อนได้ เช่น ทองแดงและเงิน แต่ การผุกร่อนจะเป็นไปอย่างช้าๆเพราะเป็นโลหะที่ให้อิเล็กตรอนยาก

สนิมเหล็กมีสีน้ำตาลแดง เมื่อเปื้อนเสื้อผ้าจะซักล้างออกยาก แต่รอยเปื้อนของสนิมเหล็กสามารถกำจัดออกได้ โดยใช้ กรดออกซาลิก (Oxalic acid : C₂H₂O₄) ซึ่งมี pH ประมาณ 4-5 เมื่อละลายน้ำ แล้วจะแตกตัวได้ H ⁺ และ C₂O₄ ^2- จะรวมกับ Fe³⁺ ในสนิมเหล็ก เกิดเป็นไตรออกซาเลตไอร์ออน(III)ไอออนที่ละลายน้ำได้

ที่มา : http://hio2home.lnwshop.com/

ตอนนี้เราก็ทราบกันแล้วนะคะว่าการเกิดสนิมเหล็กเกิดจากสาเหตุอะไรบ้าง และมีกระบวนการเกิดสนิมได้อย่างไร เมื่อเราทราบแบบนี้แล้วเราก็จะต้องหาวิธีป้องกันการเกิดสนิมกันต่อไป เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะเกิดสนิมเหล็ก หรือยืดเวลาการใช้งานของโลหะออกไปนั่นเอง

ที่มาข้อมูล : 

• จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.(ม.ป.ป). การผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน.สืบค้นเมื่อ 30 พฤศจิกายน, 2559, จาก http://www.phukhieo.ac.th/obec-media/2555/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%E0%A4%C1%D5/52_%A1%D2%C3%BC%D8%A1%C3%E8%CD%B9%A2%CD%A7%E2%C5%CB%D0%E1%C5%D0%A1%D2%C3%BB%E9%CD%A7%A1%D1%B9.pdf

สบู่และหลักการทำความสะอาดของสบู่

ทำความรู้จักสบู่

สบู่มีใช้กันตั้งแต่สมัยโบราณ มาจากการค้นพบโดยบังเอิญ โดยสมัยที่มีการบูชายันต์ โดยการเผาสัตว์ทั้งเป็นเช่นแพะบนแท่นบูชาไม้ การเผานี้ทำให้ไขมันจากสัตว์ละลายออกมาผสมกับขี้เถ้าจากถ่านไม้เกิดเป็นของแข็งสีขาว เมื่อมีฝนตกจึงถูกชะลงไปในลำธาร ซึ่งพบว่าผ้าที่นำไปซักในลำธารนั้นสะอาดมากยิ่งขึ้น นี่จึงถือเป็นการค้นพบสมบัติของสบู่ นั่นคือ ไขมันจากสัตว์คือลิปิดประเภทไขมันแท้หรือไตรกลีเซอไรด์ (triglyceride) ส่วนขี้เถ้าซึ่งมี K₂CO₃ เป็นองค์ประกอบ คือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือของกรดไขมันหรือสบู่

ในปัจจุบันสบู่มักจะเตรียมจากไขมันพืช โดยสบู่ได้มาจากการทำปฏิกิริยาระหว่างไขมันและน้ำมันซึ่งเป็นสารไม่มีขั้ว กับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) จะได้ผลิตภัณฑ์ที่ละลายน้ำได้ และเกิดฟองกับน้ำ ซึ่งคือสบู่ สบู่เป็นเกลือโซเดียมของกรดไขมัน สามารถเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาได้ดังนี้

ปฏิกิริยาการเกิดสบู่

ที่มา : http://www.ebotaniq.com.au/learning/library/soap/saponification

เมื่อพิจารณาภายในโมเลกุลของสบู่ จะพบว่าโมเลกุลของสบู่ประกอบด้วย 2 ส่วน ดัวนี้

1. ส่วนที่มีขั้วเรียกว่าส่วนหัว (Hydrophilic Head) เป็นส่วนที่ชอบน้ำ
2. ส่วนที่ไม่มีขั้วเรียกว่าส่วนหาง (Hydrophobic Tail) เป็นส่วนที่ไม่ชอบน้ำ

ส่วนประกอบของโมเลกุลสบู่

ที่มา : https://catherinekonold.wordpress.com/as-general-education/chem-1010/

และเนื่องจากสบู่เป็นเกลือโซเดียมหรือโพแทสเซียมของกรดไขมันก็จะจัดตัวโดยหันส่วนที่ไม่มีขั้ว (Hydrophobic Tail) หรือสายโซ่คาร์บอนของโมเลกุลสบู่หลายๆโมเลกุลเข้าหากัน และหันด้านที่มีขั้ว (Hydrophilic Head) ออกด้านนอก เกิดเป็นโครงสร้างทรงกลมขนาดเล็กที่เรียกว่าไมเซลล์ (micelle) ซึ่งมีพื้นผิวเป็นหมู่คาร์บอกซิลที่ชอบน้ำ ไมเซลล์จึงดูเหมือนละลายน้ำได้

Micelle

ที่มา : https://www.quora.com/How-does-soap-work-as-a-cleaning-agent

Micelle

ที่มา : http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n5/full/nmat2761.html?message-global=remove

กลไกการทำความสะอาดของสบู่

สิ่งสกปรกต่าง ๆ สามารถเกาะติดกับเสื้อผ้าและผิวหนังได้ก็เพราะสิ่งสกปรกเหล่านี้เกาะติดอยู่กับไขมัน  ดังนั้นถ้าสามารถละลายไขมันแยกออกไปจากเสื้อผ้าหรือผิวหนัง สิ่งสกปรกก็จะหลุดออกไปด้วย เป็นการทำความสะอาดเสื้อผ้าและผิวหนัง  แต่เนื่องจากไขมันเป็นโมเลกุลที่ไม่ละลายน้ำ  ถ้าใช้น้ำล้างอย่างเดียวสิ่งที่ติดอยู่กับไขมันก็จะไม่หลุดออกไป  ถ้าใช้สบู่จะช่วยให้ทำความสะอาดได้ง่าย  เนื่องจากโมเลกุลของสบู่ประกอบด้วย  2 ส่วนคือ ส่วนที่ไม่มีขั้ว (ส่วนที่เป็นสายยาวของไฮโดรคาร์บอน) และส่วนที่มีขั้ว

การที่สบู่สามารถชะล้างสิ่งสกปรกที่มีไขมันและน้ำมันฉาบอยู่ได้  ก็เนื่องจากกลุ่มสบู่ในน้ำจะหันปลายส่วนที่เป็นไฮโดรคาร์บอนซึ่งไม่มีขั้ว เข้าล้อมรอบสิ่งสกปรก (ไขมันและน้ำมัน) ซึ่งไม่มีขั้วและไม่ละลายน้ำ  และดึงน้ำมันออกมาเป็นหยดเล็ก  ๆ  ล้อมรอบด้วยโมเลกุลสบู่  และหันส่วนมีขั้วออกหาน้ำ (ส่วนของคาร์บอกซีเลทจะละลายในน้ำ) หยดน้ำมันแต่ละหยดที่ถูกดึงออกมาจึงมีประจุลบล้อมรอบและเกิดการผลักกัน  จึงกระจายออกไปอยู่ในน้ำมีลักษณะเป็นอิมัลชัน  หลุดออกไปจากผิวหน้าของสิ่งที่ต้องการทำความสะอาด

กลไกการทำความสะอาดของสบู่

ที่มา : http://nsb.wikidot.com/c-9-5-5-3

อย่างไรก็ตามการใช้สบู่ก็มีข้อจำกัดบางประการ เมื่อใช้สบู่ในน้ำกระด้าง สบู่จะไม่เกิดฟอง หรือเกิดฟองสบู่น้อย และมีไคลสบู่เกิดขึ้น เนื่องจากในน้ำกระด้างจะมีไอออนของ Ca²⁺ และ Mg²⁺ อยู่ ซึ่งจะสามารถทำปฏิกิริยากับสบู่เกิดเป็นเกลือแคลเซียมและเกลือแมกนีเซียมที่เรียกว่าไครสบู่ลอยเป็นฝ้าอยู่บนผิวน้ำ

ที่มาข้อมูล : 

• จตุรงค์ สุภาพพร้อม.(ม.ป.ป). สารชีวโมเลกุล ตอน ปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส ของไขมันและน้ำมัน – สบู่และผงซักฟอก.สืบค้นเมื่อ 28 พฤศจิกายน, 2559, จากhttp://www.phukhieo.ac.th/obec-media/2555/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%E0%A4%C1%D5/77_%BB%AF%D4%A1%D4%C3%D4%C2%D2%E4%CE%E2%B4%C3%C5%D4%AB%D4%CA%A2%CD%A7%E4%A2%C1%D1%B9%E1%C5%D0%B9%E9%D3%C1%D1%B9%20%96%20%CA%BA%D9%E8%E1%C5%D0%BC%A7%AB%D1%A1%BF%CD%A1.pdf

การหลอมเหลว (Melting)

เมื่อเราดื่มเครื่องดื่มที่ผสมน้ำแข็งแล้วเผลอวางแก้วทิ้งไว้ เมื่อเรามาดูอีกทีพบว่าน้ำแข็งในแก้วหายไปแต่มีน้ำอยู่ในแก้วแทน น้ำแข็งหายไปไหน ?? น้ำในแก้วมาจากไหน ?? วันนี้เรามาหาคำตอบกันดีกว่า

เมื่อเรานำน้ำแข็งมาวางไว้ที่อุณหภูมิห้อง น้ำแข็งจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งไปเป็นน้ำซึ่งมีสถานะของเหลว เรียกว่า “การหลอมเหลว (Melting)” หรือ “การหลอม (Fusion)” การหลอมเหลวเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อน ดังนั้นเราจึงต้องให้ความร้อนเข้าไป แต่เมื่อเรานำน้ำไปแช่ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นน้ำจะเย็นตัวลง น้ำจะเปลี่ยนสถานะไปเป็นของแข็ง(น้ำแข็ง) การเปลี่ยนสถานะของของเหลวไปเป็นของแข็งเรียกว่า “การเยือกแข็ง (Freezing)” ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทคายความร้อน การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งไปเป็นของเหลว และจากของเหลวไปเป็นของแข็ง เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้

แรงดึงดูดระหว่างอนุภาค

สารที่มีสถานะเป็นของแข็ง : แต่ละอนุภาคมีการจัดตัวอยู่ชิดกันอย่างหนาแน่น ตำแหน่งของแต่ละอนุภาคยึดตรึงให้อยู่กับที่ รูปร่างของแข็งจึงคงรูปอยู่ได้

สารที่มีสถานะของเหลว : มีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคน้อยกว่าของแข็ง อนุภาคของของเหลวจึงจัดตัวอย่างหลวมๆ สามารถกลิ้งไถลไปมาได้ เช่น การที่เราเห็นหยดน้ำคงรูปอยู่ได้ เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคของน้ำ แต่ถ้าแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคน้ำกับอนุภาคของพื้นผิวที่น้ำไปเกาะมีมากกว่าแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคน้ำด้วยกันเอง อนุภาคน้ำจะกระจายไปทั่วและไม่อยู่รวมกันเป็นหยด 

กระบวนการการหลอมเหลวของสาร

เมื่อของแข็งได้รับความร้อน จากเดิมที่อนุภาคของของแข็งซึ่งอยู่ชิดกันมากและจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในตำแหน่งที่แน่นอนจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมาก ทำให้อนุภาคของของแข็งไม่สามารถเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้ แต่สามารถสั่นได้  อนุภาคของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น เมื่ออนุภาคของแข็งได้รับความร้อน ทำให้เกิดการสั่นมากขึ้นและมีการถ่ายโอนพลังงานให้แก่อนุภาคข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบางอนุภาคมีพลังงานสูงขึ้น จนสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคนั้นจึงเริ่มเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งที่แน่นอนอยู่ห่างกันมากขึ้น และมีอิสระในการเคลื่อนที่มากขึ้น ของแข็งจึงเปลี่ยนสถานะไปเป็นของเหลว
ตัวอย่างน้ำและน้ำแข็ง

โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยออกซิเจน (O) 1 อะตอม เชื่อมต่อกับ ไฮโดรเจน (H) 2 อะตอม  ด้วยพันธะโคเวเลนต์ ( covalent bond) สูตรโมเลกุลของน้ำคือ H₂O 
เนื่องจากออกซิเจน (O) มีค่า electronegativity (EN) สูงกว่าไฮโดรเจน (H) โมเลกุลจึงมีลักษณะเป็นขั้ว (polar) โดยแสดงประจุค่อนข้างลบทางด้านอะตอมของออกซิเจน และแสดงประจุค่อนข้างบวกทางด้านอะตอมของไฮโดรเจน

โครงสร้างและสภาพขั้วของโมเลกุลของน้ำ

ที่มา : http://blog.sevantownsend.com/2014/01/ice-ice-baby.html

น้ำแข็ง คือน้ำ (H₂O) ที่อยู่ในสถานะของแข็ง น้ำแข็งสามารถหลอมเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง เพราะโมเลกุลของน้ำแข็งคือ H₂O ซึ่งเป็นโมเลกุลมีขั้ว น้ำแข็งจึงเป็นของแข็งผลึกโมเลกุลชนิดมีขั้วซึ่งประกอบด้วยโมเลกุล H₂O จัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบในทิศทางที่เหมาะสมเกิดเป็นโครงสร้างสามมิติ และเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้วและพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเป็นแรงยึดเหนี่ยวที่อ่อนกว่าพันธะโลหะ โมเลกุลของน้ำแข็งจึงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ แต่สามารถสั่นได้แม้จะมีอุณหภูมิเพียง 0 ^๐C

การเกิดพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen  bond) ในโมเลกุลของน้ำ
ที่มา : https://opentextbc.ca/anatomyandphysiology/chapter/2-2-chemical-bonds/

เมื่อนำน้ำแข็งใส่แก้วทิ้งไว้ น้ำแข็งจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งไปเป็นของเหลวอย่างช้าๆ ซึ่งเรียกว่าการหลอมเหลว น้ำแข็งในแก้วหลอมเหลวได้ทั้งๆที่ไม่ได้ให้ความร้อนแก่น้ำแข็ง เพราะน้ำแข็งได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อม จึงเกิดการหลอมเหลวอย่างช้าๆ แต่เมื่อให้ความร้อนแก่น้ำแข็ง น้ำแข็งจะหลอมเหลวเร็วขึ้น ทั้งนี้เพราะเมื่อให้ความร้อนแก่น้ำแข็ง อนุภาคของน้ำแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคเกิดการสั่นได้มากขึ้นและมีการถ่านโอนพลังงานให้แก่อนุภาคข้างเคียงจนกระทั่งอนุภาคมีพลังงานสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้น อยู่ห่างกันมากขึ้น จึงเปลี่ยนสถานะไปเป็นน้ำ (ของเหลว) ได้เร็วขึ้น

การจัดตัวของโมเลกุล H₂O ในน้ำและน้ำแข็ง
ที่มา : https://socratic.org/questions/why-does-a-1-0-m-cacl2-aq-solution-at-1-atmosphere-have-a-higher-boiling-point-a

ในทางตรงกันข้าม ถ้าทำให้น้ำมีอุณหภูมิลดลง น้ำจะเกิดการเยือกแข็งเปลี่ยนสถานะไปเป็นน้ำแข็ง ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพประเภทคายความร้อน อธิบายในระดับโมเลกุลได้ว่า เมื่อทำให้น้ำมีอุณหภูมิลดลง โมเลกุลของน้ำมีพลังงานจลน์ลดลง ทำให้โมเลกุลเกิดการเคลื่อนที่ได้น้อยลง โมเลกุลของน้ำจึงอยู่ใกล้มากขึ้นและเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ซึ่งได้แก่แรงดึงดูดระหว่างขั้วและพันธะไฮโดรเจนได้มากขึ้นจนกระทั่งโมเลกุลนั้นไม่สามารถเคลื่อนที่ได้และอยู่ตำแหน่งที่แน่นอน นั่นคือน้ำเปลี่ยนสถานะไปเป็นน้ำแข็ง อุณหภูมิที่น้ำเปลี่ยนสถานะไปเป็นของเหลวเรียกว่าจุดหลอมเหลว

จุดหลอมเหลว (Melting point)

คืออุณหภูมิที่สารในสถานะของแข็งเปลี่ยนไปเป็นของเหลว ที่จุดหลอมเหลวของแข็งและของเหลวจะอยู่ในภาวะสมดุลซึ่งกันและกัน

จุดหลอมเหลวเป็นสมบัติเฉพาะตัวของสาร คือสารแต่ละชนิดมีจุดหลอมเหลวต่างกัน ขึ้นอยู่กับ

• แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค
• สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากจะมีจุดหลอมเหลวสูง

จุดหลอมเหลวของสารจึงใช้เป็นข้อมูลเพื่อใช้พิจารณาเปรียบเทียบระหว่างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้