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