เหตุใดสารผสมจึงมีจุดเดือดไม่คงที่

การแยกสารเนื้อเดียว (สกัดด้วยตัวทำละลาย/ตกผลึก/กลั่น/โครมาโทกราฟี)

เมื่อ :

วันอังคาร, 31 มีนาคม 2563

           สารเนื้อเดียว ( Homogeneous Substance ) เป็นสารที่มีองค์ประกอบชนิดเดียวหรือหลายชนิดผสมกันอยู่อย่างกลมกลืน ทำให้มองเห็นเป็นเนื้อเดียวกันตลอด ถ้านำส่วนใดส่วนหนึ่งของสารไปทดสอบก็จะมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ เช่น น้ำเกลือ น้ำส้มสายชู น้ำอัดลม เหล็ก ทองคำ ทองแดง อากาศ        แก๊สหุงต้ม เป็นต้น

ภาพที่ 1 บทเรียนการแยกสารเนื้อเดียว (การกลั่น)
ที่มา : https://pixabay.com/ ,OpenClipart-Vectors 

นักวิทยาศาสตร์ จำแนกสารเนื้อเดียวออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

1. สารบริสุทธิ์ ( Pure Substance ) เป็นสารเนื้อเดียวที่ประกอบด้วยสารเพียงอย่างเดียวไม่มีสารอื่นเจือปน ได้แก่ ธาตุ และสารประกอบ
2. สารละลาย ( Solution ) เป็นสารเนื้อเดียวที่ประกอบด้วยสารบริสุทธิ์ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปผสมกันด้วยอัตราส่วนที่ไม่แน่นอน ไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น สารที่เกิดขึ้นจากการผสมจะมีคุณสมบัติไม่คงที่ขึ้นอยู่กับปริมาณของสารบริสุทธิ์ที่นำมาผสมกัน สารละลายประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ตัวทำละลาย และตัวถูกละลาย

ในบทนี้ผู้เขียนขอนำเสนอวิธีการแยกสารเนื้อเดียว ได้แก่ การกลั่น การตกผลึก การสกัดด้วยตัวทำละลาย และโครมาโทกราฟี ซึ่งจะขอเสนอรายละเอียดในแต่ละหัวข้อดังนี้

1. การกลั่น ( Distillation ) เป็นกระบวนการในการแยกของเหลวผสมของสาร 2 ชนิดขึ้นไป โดยอาศัยคุณสมบัติ จุดเดือด ที่แตกต่างกัน โดยเมื่อให้ความร้อนกับของเหลวจนอุณหภูมิถึงจุดเดือดของสารที่มีจุดเดือดต่ำกว่า สารชนิดนั้นจะระเหยออกมาเป็นไอ เมื่อไอนั้นเคลื่อนที่ผ่านท่อที่มีการลดอุณหภูมิ ( โดยการใช้ความเย็นหล่อเลี้ยงรอบท่อนั้น ) ทำให้เกิดการควบแน่นกลับมาเป็นของเหลวอีกครั้ง

การกลั่นมีหลายประเภท ในการพิจารณาว่าจะใช้วิธีการกลั่นแบบใดในการแยกสาร ให้พิจารณาจากจุดเดือดของสารองค์ประกอบ โดยถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกมีจุดเดือดต่างกันมาก จะใช้การกลั่นธรรมดา หรือการกลั่นแบบง่าย  แต่ถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกมีจุดเดือดใกล้เคียงกัน จะเหมาะกับการกลั่นลำดับส่วน และถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกนั้นเป็นสารอินทรีย์ ระเหยง่าย ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ เหมาะที่จะใช้วิธีการกลั่นด้วยไอน้ำ ซึ่งรายละเอียดของการกลั่นแต่ละประเภทมีดังนี้
          1.1 การกลั่นแบบง่าย ( Simple distillation ) หรือกลั่นธรรมดา เป็นการกลั่นที่ใช้แยกสารผสมออกจากกัน โดยสารองค์ประกอบในสารผสมนั้นต้องมีอุณหภูมิต่างกัน 80 องศาเซลเซียสขึ้นไป เมื่อกลั่นเสร็จแล้วจะมีของแข็งเหลือที่ก้นภาชนะ

ภาพที่ 2 อุปกรณ์ที่ใช้แยกสารโดยการกลั่นแบบง่ายหรือกลั่นธรรมดา

ที่มา: http://www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php

         1.2  การกลั่นแบบลำดับส่วน ( Fractional distillation ) เป็นการกลั่นที่ใช้หลักการเหมือนการกลั่นแบบง่ายแต่เป็นการกลั่นสารผสมที่สารองค์ประกอบมีจุดเดือดใกล้เคียงกัน การกลั่นนี้ต้องใช้อุณหภูมิที่เที่ยงตรงมาก ๆ ไม่เช่นนั้นจะทำให้สารที่แยกได้ไม่บริสุทธิ์ การกลั่นแบบลำดับส่วนจะใช้ในการกลั่นน้ำมันดิบ โดยน้ำมันดิบนั้นมีการขุดเจาะมาจากใต้ดินทำให้มีสารต่าง ๆ ที่มีสมบัติ และจุดเดือดที่แตกต่างกันออกไปตามจำนวนของคาร์บอน โดยเราจะแบ่งหอกลั่นได้ 8 ชั้น สารที่มีคาร์บอนน้อย จุดเดือดต่ำกว่า เดือดเร็วกว่า       จะลอยขึ้นไปอยู่ด้านบน สารที่มีคาร์บอนสูง มีจุดเดือดสูง จะเดือดช้า และควบแน่นอยู่ชั้นล่าง ๆ ของหอกลั่น เมื่อเรียงลำดับตามจำนวนคาร์บอนน้อยไปมาก ได้ดังนี้ มีเทน บิวเทน แนฟทาเบา แนฟทาหนัก น้ำมันก๊าด น้ำมันดีเซล น้ำมันหล่อลื่น พาราฟิน น้ำมันเตาและยางมะตอย

ภาพที่ 3 แผนภาพแสดงลำดับสาร ต่างๆ ภายในหอกลั่นลำดับส่วนที่กลั่นได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ

ที่มา:  http://www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php

        การกลั่นแบบสกัดด้วยไอน้ำ ( Steam distillation ) นิยมใช้ในการสกัดสารที่ระเหยเป็นไอได้ง่ายและไม่รวมตัวกับน้ำ เช่น สกัดน้ำมันหอมระเหยจากพืชชนิดต่าง ๆ โดยใช้ไอน้ำในการพาน้ำมันหอมระเหยออกมา และเมื่อไอนั้นเคลื่อนที่ไปยังส่วนที่ควบแน่น น้ำมันและไอน้ำจะควบแน่นกลายเป็นของเหลว และแยกชั้นกัน จากนั้นเราสามารถแยกน้ำมันหอมระเหยออกจากน้ำด้วยวิธีการทิ้งให้แยกชั้น หรือใช้วิธีสกัดด้วยสารละลายต่อไป

ภาพที่ 4 แผนภาพแสดงการสกัดน้ำมันหอมระเหยจากเปลือกส้มโดยการกลั่นแบบสกัดด้วยไอน้ำ

ที่มา:  https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/

1. การตกผลึก ( Crystallization ) เป็นการแยกของแข็งที่ละลายเป็นเนื้อเดียวกันกับตัวทำละลายที่เป็นของเหลว โดยการนำสารผสมนี้ไปต้มให้ตัวทำละลายระเหยออกไปจนได้สารละลายอิ่มตัว ตั้งทิ้งไว้ให้เย็นที่อุณหภูมิห้อง จะได้ของแข็งแยกตัวตกผลึกออกมา การตกผลึกเป็นกระบวนการเก่าแก่กระบวนการหนึ่งที่อุตสาหกรรมทางเคมีใช้กัน เนื่องจากประสิทธิภาพของการแยกสารที่ดี โดยเฉพาะประสิทธิภาพด้านพลังงานที่ประหยัดพลังงานมากกว่าการแยกสารด้วยวิธีการอื่นๆ

ภาพที่ 5 แผนภาพแสดงการแยกน้ำเกลือโดยวิธีการตกผลึก

ที่มา: https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/

1. การสกัดด้วยตัวทำละลาย ( Solvent extraction ) เป็นวิธีการแยกสารที่เป็นของเหลว หรือของแข็งปนอยู่กับของแข็ง โดยอาศัยสมบัติของการละลายของสาร หลักการสำคัญของการสกัดด้วยตัวทำละลายคือ การเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมในการสกัดสารที่ต้องการออกมาให้ได้มากที่สุด โดยหลักการในการเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสม มีข้อควรคำนึงดังต่อไปนี้
2. ต้องละลายสารที่ต้องการสกัดได้ดี และไม่ละลายสารอื่น ๆ ที่ไม่ต้องการออกมาด้วย
3. ไม่ทำปฏิกิริยากับสารที่ต้องการแยก
4. ราคาถูก และหาได้ง่าย
5. ไม่มีพิษ มีจุดเดือดต่ำ
6. ควรแยกออกจากสารที่เราต้องการสกัดได้ง่าย และทำให้บริสุทธิ์ได้ง่าย เพื่อที่จะสามารถนำกลับมาใช้อีกได้

การสกัดด้วยตัวทำละลาย ถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในวงการอุตสาหกรรม ได้แก่ การสกัดน้ำมันพืชออกจากเมล็ดพืชชนิดต่างๆ การสกัดน้ำมันหอมระเหยจากพืช รวมถึงการสกัดตัวยาออกจากสมุนไพร

1. โครมาโทกราฟี ( Chromatography ) เป็นวิธีการแยกสารผสมเนื้อเดียวออกจากกัน โดยอาศัยหลักการที่ว่าสารองค์ประกอบในสารผสมแต่ละชนิดมีความสมบัติที่แตกต่างกันในการกระจายอยู่ใน 2 เฟส  ( Phase ) ได้แก่ เฟสที่อยู่กับที่ ( Stationary Phase ) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับสารที่ต้องการแยก ส่วนมากจะใช้เป็นอะลูมินา ( alumina, Al203 ) หรือ ซิลิกาเจล ( silica gel, Si02 ) และเฟสที่เคลื่อนที่ ( Mobile Phase ) ทำหน้าที่เป็นตัวพา หรือตัวทำละลายสารที่ต้องการแยกให้เคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ เช่น เฮกเซน เอทิลแอลกอฮอล์ เอทิลแอซิเทต แอซิโตน และปิโตรเลียมอีเทอร์ เป็นต้น

           เทคนิคการแยกสารแบบโครมาโทกราฟีมีหลายวิธีด้วยกัน ได้แก่ โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ   ( paper chromatography ) ทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี ( thin-layer chromatography : TLC ) คอลัมน์โครมาโทกราฟี ( column chromatography ) หากน้อง ๆ สนใจสามารถค้นคว้าเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครมาโท กราฟีแต่ละแบบได้

ภาพที่ 6 แผนภาพประกอบการอธิบายการแยกสารโดยวิธีโครมาโทกราฟีแบบกระดาษและ TLC

ที่มา: https://glossary.periodni.com/glossary.php?en=retardation+factor

ผู้เขียนขออธิบายวิธีการแยกสารโดยใช้โครมาโทกราฟีแบบกระดาษและทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี จากแผนภาพที่  6 เริ่มต้นจากการกำหนดจุดเริ่มต้น ( Base line ) และจุดสิ้นสุด ( Solvent front ) ก่อน   แล้วจึงหยดสารผสมที่ต้องการแยกลงบน Base line แล้วนำแผ่นกระดาษ หรือ แผ่น TLC ไปจุ่มลงในภาชนะปิดที่อิ่มตัวด้วยไอของตัวทำละลายที่เตรียมไว้ เมื่อตัวทำละลายเคลื่อนที่ผ่านตัวดูดซับที่มีของผสมอยู่ องค์ประกอบแต่ละชนิดในของผสมจะมีการเคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ องค์ประกอบที่ละลายในตัวทำละลายได้ดีจะถูกดูดซับได้น้อย จึงเคลื่อนที่ออกมาก่อน และได้ระยะทางมากกว่า  ( Rf มากกว่า ) ส่วนองค์ประกอบที่ละลายในตัวทำละลายได้น้อย จะถูกดูดซับได้นาน จึงเคลื่อนที่ออกมาภายหลัง หรือเคลื่อนที่ได้ระยะทางน้อยกว่า ( Rf น้อยกว่า ) จึงทำให้สารองค์ประกอบต่าง ๆ แยกออกจากกันได้ ซึ่งเราสามารถคำนวณค่า Rf           ( Retention factor ) ของสารองค์ประกอบแต่ละตัวได้โดยใช้สูตรข้างล่างนี้ ( โดย Rf จะมีค่า ไม่เกิน 1 )

ภาพที่ 7 สูตรการคำนวณ Retention factor ของสารองค์ประกอบแต่ละตัว

ที่มา: ศุภาวิตา  จรรยา

แหล่งที่มา

ปิยะวัฒน์  มีทรัพย์ และคณะ. Principle of Chemistry. สืบค้นเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม 2561.  จาก https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/

พิมพ์พิจิตร  ไชยเจริญชัย. การแยกสาร. สืบค้นเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2561. จาก www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php

Generalic, Eni. Aug 29,  2017. Retardation factor. Croatian-English Chemistry Dictionary & Glossary. Retrieved Oct 15, 2018.  From https://glossary.periodni.com

สุวัฒนา  ดันน์. การสกัดด้วยตัวทำละลาย. สืบค้นเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2561 .จาก http://www.suwattana.net/separation/page8.html

หัวเรื่อง และคำสำคัญ

สารเนื้อเดียว, การกลั่น, การตกผลึก, การสกัดด้วยตัวทำละลาย, โครมาโทกราฟี

ประเภท แบ่งตามผลผลิต สสวท.

บทความ

รูปแบบการนำเสนอ แบ่งตามผลผลิต สสวท.

สื่อสิ่งพิมพ์ในรูปแบบดิจิทัล

ลิขสิทธิ์

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)

วันที่เสร็จ

วันจันทร์, 15 ตุลาคม 2561

สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา

เคมี

ช่วงชั้น

มัธยมศึกษาตอนต้น
มัธยมศึกษาตอนปลาย

กลุ่มเป้าหมาย

ครู
นักเรียน
บุคคลทั่วไป

ดูเพิ่มเติม