242111 LABORATORY OF PHYSICAL CHEMISTRY AND APPLICATIONS

คู่มือปฏิบัตกิ าร
242111 เคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์

(Physical Chemistry and Applications)

Fe3+ (aq) + SCN- (aq) ⇌ FeSCN2+ (aq) Kc = [FeSCN2+ ] Arrhenius Equation
[Fe3+ ][SCN- ]
(yellow) (colorless) (dark red) Complex formation - Ea

d=m H2O2 (aq) + 2H+ (aq) + 2I- (aq) k = A e273.15 + T(0C) RT
V
I2 + 2S2O32− → 2I− T(K) = R = 8.314 J.mol-1.K-1

fast → I2 (aq) + 2H2O(l)

+ S4O26− C1V1 = C2V2 R = 0.082 L.atm.mol-1.K-1

H2O2 + H+ ⇌ H3O2+ Iodine clock reaction
K1
pycnometer
rate = kobs[H2O2 ][I− ] = knoncat[H2O2 ][I− ] + kcat[H+ ][H2O2 ][I− ]
NaCl(s) + H2O(l)

Vi =  ∂V  BrO3- + 5Br- + 6H+ → 3Br2 + 3H2O
  HA(aq) ⇌ H+ (aq) + A- (aq)
 ∂ni P,T,n j ≠ i
self − ionization of water Binary mixture

Redox reaction Eutectic point
pH = -log[H+ ]
Beer − Lambert Law Ka = [H+ ][A- ]
[HA]
 I0 
Abs = log  I  = ε bc [Salt]
pH = pKa + log [Acid]
pKa = -log Ka

Polyvinylalcohol(PVOH ) Henderson - Hasselbalch equation

MR : pH ≈ 4.4 − 6.2 (red − yellow) 2H2O(aq) ⇌ H3O+ (aq) + OH- (aq) Kw = [H3O+ ][OH-] pKw = pH + pOH

Mark - Kohn-Houwink - Sakurada equation Ostwald Dilution Law

[η ] = KM a strong electrolyte Λc = Λ∞ - k c
v

Measuring line cα 2 Λc = κ = Gθ Acid - Base
G= 1 1−α c c
R Ka =
cΛ 2
Ka = c
ni
Λ∞ (Λ∞ − Λc ) xi = n total

conductivity cell α = Λc weak electrolyte
capillary Λ∞

R=ρ l Micelle
A
1 = κ = Gθ = 1 l
Ostwald viscometer ρ RA

STP = Standard Temperature and Pressure

ชือ-สกุล……………………………………………………………….รหสั นิสิต………………..
สาขาวิชา………………………………………. ชัน" ปี ที……… คณะ…………………………

สาขาวชิ าเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา

|1

สารบญั (Contents)

ข้อปฏบิ ัตใิ นห้องปฏิบัตกิ าร....................................................................................................................................
การทดลองที ........................................................................................................................................................
การหาปริมาตรโมลาร์ย่อยของสารละลายโซเดียมคลอไรด์โดยการวดั ความหนาแน่น...................................................

วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objectives) ....................................................................................................
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................
วิธีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................
การวเิ คราะหข์ ้อมลู (Treatment of data) ............................................................................................................. K
คําถาม (Questions)........................................................................................................................................... N
เอกสารอ้างอิง (References) .............................................................................................................................. N
การทดลองที P........................................................................................................................................................ Q
การหาค่าความเข้มข้นวกิ ฤติของการเกดิ ไมเซลสโ์ ดยใช้สีย้อมอะคริดีนออร์เรนท์ .......................................................... Q
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ...................................................................................................... Q
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)................................................................................................... Q
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................PS
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................PS
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................PS
การวเิ คราะห์ข้อมลู (Treatment of Data).............................................................................................................PU
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................P
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................P
การทดลองที S........................................................................................................................................................PK
ผลของอณุ หภมู ติ ่ออตั ราการเกิดปฏกิ ิริยา..................................................................................................................PK

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

|2

วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objectives) ....................................................................................................PK
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................PK
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................PQ
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................S
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................S
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................S
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................S
การทดลองที U........................................................................................................................................................SP
การหามวลโมเลกลุ ของพอลิไวนลิ แอลกอฮอลโ์ ดยการวดั ความหนืด ...........................................................................SP
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ......................................................................................................SP
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................SP
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................U
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................UP
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................UP
การวเิ คราะห์ข้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................UU
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................UU
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................U
การทดลองที ........................................................................................................................................................UK
การหาคา่ พลงั งานกระต้นุ ของปฏิกริ ิยาโบรไมด์และโบรเมตไอออนในสารละลายกรด...................................................UK
จดุ ประสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ........................................................................................................UK
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................UK
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................UQ
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................UQ
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................
การวเิ คราะห์ข้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

|3

คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................
การทดลองที K........................................................................................................................................................ P
การหาจุดยเู ทคตกิ ของระบบไบฟี นลิ กบั แนฟธาลีนโดยการสร้างแผนผงั วฏั ภาค............................................................ P
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ...................................................................................................... P
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)................................................................................................... P
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment).................................................................................................................... U
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................ U
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................
การวเิ คราะห์ข้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................
การทดลองที N........................................................................................................................................................ N
การหาค่าคงทีการแตกตวั ของกรดอะซติ ิกโดยการวดั คา่ การนําไฟฟ้ า........................................................................... N
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ...................................................................................................... N
หลกั การและทฤษฎี (Theoretical background)................................................................................................... N
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................KS
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................KS
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................KU
การวเิ คราะห์ข้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................KU
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................K
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................K
การทดลองที _........................................................................................................................................................KK
การหาค่าคงทีสมดลุ ของปฏิกิริยาการเกดิ สารประกอบเชงิ ซ้อนเฟอร์ริกไธโอไซยาเนตโดยการวดั ค่าการดดู กลืนแสง .......KK
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) ......................................................................................................KK
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................KK

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

|4

อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipments) ..................................................................................................................KN
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................KN
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................KN
การวเิ คราะหข์ ้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................K_
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................K_
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................KQ
การทดลองที Q........................................................................................................................................................N
การหาค่าคงทีการแตกตวั ของกรดอะซติ ิกโดยการวดั ค่าพีเอซ .....................................................................................N
วตั ถปุ ระสงค์การเรียนรู้ (Learning objectives) ....................................................................................................N
หลกั การและทฤษฏี (Theoretical background)...................................................................................................N
อปุ กรณ์ในการทดลอง (Equipment)....................................................................................................................NS
สารเคมี (Materials)............................................................................................................................................NU
วธิ ีการทดลอง (Procedure).................................................................................................................................NU
การวเิ คราะหข์ ้อมลู (Treatment of data) .............................................................................................................N
คําถาม (Questions)...........................................................................................................................................N
เอกสารอ้างอิง (References) ..............................................................................................................................N
เอกสารอ้างอิง (References)...................................................................................................................................NK

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

|5

ข้อปฏบิ ัติในห้องปฏบิ ัติการ
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ปฏิบัติการเล่มนีจa ัดทําขึนa เพือให้สอดคล้องกับเนือa หารายวิชาเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์
(242111) โดยเน้นให้นิสิตมคี วามเข้าใจในเนือa หาวชิ า และรู้เทคนิคปฏิบตั กิ ารตา่ งๆ ทางเคมเี ชิงฟิ สกิ ส์

สิงทตี ้องปฏบิ ตั ิในการทาํ ปฏบิ ัตกิ าร
1. นิสติ ทีเข้าห้องปฏิบตั กิ ารสายเกิน "# นาที ถอื ว่าขาดปฏิบตั กิ าร
2. นิสติ ต้องเซน็ ต์ชือเข้าและออกปฏิบตั กิ ารทกุ ครังa ถ้าเซน็ ต์ไมค่ รบจะถือวา่ ขาดปฏิบตั กิ ารนนัa
3. นิสติ ทกุ คนต้องมสี มดุ บนั ทึกผล (data notebook)
• เขียนและวางแผนวิธีการทดลองกอ่ นทําปฏิบตั กิ าร
• บนั ทกึ ข้อมลู การทดลองลงในสมดุ บนั ทกึ ผล
• สง่ สมดุ บนั ทกึ ผลหลงั เสร็จการทดลองในแตล่ ะครังa
4. การแตง่ กาย
• แตง่ กายให้เรียบร้อย และสวมเสือa คลมุ ปฏิบตั ิการทกุ ครังa
• สวมรองเท้าห้มุ ส้นให้เรียบร้อย ห้ามใสร่ องเท้าแตะหรือรองเท้าสานรัดส้น
• ห้ามนิสิตหญิงใสก่ างเกงเข้าทําปฏิบตั กิ าร
5. นําผ้าเช็ดโต๊ะ และกระดาษทิชชูมาทําความสะอาดอุปกรณ์และโต๊ะปฏิบัติการทุกครังa ทีทําการ
ทดลองทกุ ครังa
6. ห้ามดืม กิน ขบเคียa วอาหารและเครืองดืมทกุ ชนิดในห้องปฏิบตั กิ าร
7. ไมเ่ ลน่ อปุ กรณ์โทรศพั ท์/คอมพิวเตอร์ในห้องปฏิบตั ิการ หรือระหวา่ งการทําปฏิบตั กิ าร
8. ให้ใช้เครืองคิดเลขในการคาํ นวณ
9. ไมห่ ยอกล้อ หรือเลน่ กนั หรือสง่ เสยี งรบกวน ในห้องปฏิบตั กิ าร
10. ทําการสํารวจอปุ กรณ์เครืองแก้วทีใช้ทําการทดลองให้ครบทงัa ก่อนและหลงั ทําการทดลอง
11. ห้ามนงั บนโต๊ะปฏิบตั กิ ารเดด็ ขาด ทงั a นีเaนืองจากอาจมีสารเคมหี กอยู่

การให้คะแนน (grading)
คะแนนปฏิบตั ิการคิดเป็ น 25% ของคะแนนทังa หมดในรายวิชาเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยกุ ต์
(242111) โดยมเี กณฑ์การให้คะแนนดงั นี a

1. สมดุ วางแผนการทดลองและสมดุ บนั ทกึ ผล 5%
2. รายงานผลการทดลอง 10%
3. ทดสอบย่อยและสอบปฏิบตั ิการ 10%

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

|6

หมายเหตุ
1. หากนิสิตไม่ได้เซ็นชือ เข้า-ออก ปฏิบัติการ จะถือว่าขาดในปฏิบัติการนันa ๆ และจะไม่ได้
คะแนนใดๆ ในสว่ นของปฏิบัตกิ ารนนั a
2. หากนิสิตขาดปฏิบตั ิการมากกว่า 20% (2 lab) นิสิตจะไมม่ ีสิทธuิในการสอบทงัa ภาคทฤษฎี
และภาคปฏิบัติในรายวิชารายวิชาเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ใช้ (242111) ทีได้
กําหนดสอบไว้หลงั จากทําทกุ ปฏิบตั ิการครบแล้ว
3. ทุกคนต้องส่งสมุดวางแผนการทดลองก่อนเวลาทีจะเข้าปฏิบัติการ หากส่งช้าจะไม่ได้
คะแนน
4. รายงานผลการทดลองทํากลุ่มละ เล่ม คิดเป็ นปฏิบัติการละ คะแนน ส่งก่อนทํา
ปฏิบตั ิการในสัปดาห์ถัดไป สง่ ช้าหกั วนั ละ คะแนน
5. ลอกรายงานผลการทดลอง คะแนนหาร 3 ทกุ กลุ่ม

• เกณฑ์การให้คะแนนสมดุ บันทึกผล และรายงานการทดลอง อาจารย์ผู้ตรวจจะดจู ากแบบฟอร์มที
ถกู ต้อง มีองค์ประกอบทีสาํ คญั ของการเขียนครบถ้วน มคี วามเป็ นระเบียบ

การเขยี นสมุดบันทกึ ผลและรายงานการทดลอง ควรประกอบด้วย
1. ชือการทดลอง
2. วนั ทที ําการทดลอง
3. วตั ถปุ ระสงค์การทดลอง
4. วิธีการการทดลอง – เขียนวิธีการทดลองเป็ นคําทีเข้าใจได้งา่ ย หรือแบบแผนผงั (Flow Chart) อาจ
มีรูปประกอบ ระบุชือสารเคมแี ละปริมาณทีต้องการวดั ปริมาตรหรือชงั ให้ชดั เจน
5. ผลการทดลอง – ออกแบบตารางบนั ทกึ ผลการทดลองทีงา่ ยตอ่ การอา่ น บนั ทกึ นําa หนกั สารปริมาตร
ของสาร และผลการสงั เกตอืนๆ
• ข้อห้าม ห้ามใช้ดนิ สอบันทกึ ผลการทดลอง ต้องใช้ปากกาบนั ทึกเท่านันa ในกรณีทีบันทึกผลการ
ทดลองผิด ให้ใช้ปากกาขีดขวางให้เรียบร้อย หรือใช้นําa ยาลบคาํ ผิด
6. สรุปผลการทดลอง วิจารณ์ผลการทดลอง พร้อมอธิบายได้ถกู ต้อง
7. ตอบคาํ ถามท้ายบท

แบบฟอร์ มการเขียนรายงานผลการทดลอง
สามารถพิมพ์ด้วยคอมพิวเตอร์ หรือเขียนด้วยลายมือทอี า่ นง่าย

1. หน้าปกรายงาน ประกอบด้วย
• ชือการทดลอง

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

|7

• วนั ทที ําการทดลอง
• เสนอ อาจารย์...............
• จดั ทําโดย..............(กล่มุ ที, ผ้ทู ําการทดลอง รหสั นิสติ เลขที หมเู่ รียน)
• รายงานนีเaป็นสว่ นหนงึ ของวชิ ารายวิชาเคมเี ชิงฟิ สิกส์และการประยกุ ต์ (242111)
• ภาคเรียนที......... ปี การศกึ ษา...........
2. เนือa หาทีมภี ายในการทดลอง
• ชือการทดลอง
• วตั ถปุ ระสงค์ในการทดลอง
• บทนําหรือหลกั การ เป็ นทฤษฎีทีเกียวข้องและใช้ในการคํานวณในปฏิบตั ิการนนัa ไม่ควรเขียน

เกิน 2 หน้า โดยให้เขียนสรุปย่อ เป็ นภาษาของนิสิตเอง ไม่ควรลอกมาจากหนังสือคู่มือ
ปฏิบตั กิ าร
• วธิ ีการทดลอง แบบแผนผงั เป็ นขนัa ตอนการทดลองทีได้ทําจริงๆ ในปฏิบตั กิ าร ซงึ อาจเกิดการ
เปลยี นแปลงไปจากค่มู อื ปฏิบตั ิการ เช่น อณุ หภูมทิ ีวดั ได้จริง ปริมาณของสารทีใช้ได้จริง เป็ น
ต้น
• ผลทดลอง โดย

แสดงเป็ นตารางทสี อื ความหมายและเข้าใจได้งา่ ย
เขียนอธิบายตารางได้ถกู ต้อง
ระบลุ ําดบั เลขทีของตาราง หากมมี ากกวา่ 1 ตาราง เพือสะดวกในการอ้างองิ ครังa ตอ่ ไป
บอกรายละเอยี ดของข้อมลู ในตารางให้ครบถ้วน เพือให้ผู้อา่ นทราบได้คร่าวๆ วา่ ตาราง
นนัa แสดงความสมั พนั ธ์ของอะไรบ้าง เชน่
ตารางที 1 การไตเตรตระหวา่ ง NaOH 1.00 M ปริมาณ 10 mL กบั HCl เพือหาความ
เข้มข้นทีแน่นอนของ HCl โดยมฟี ี นอฟทาลนี เป็น indicator ทีอณุ หภูมิ 28.5 ๐C
แสดงผลในรูปของกราฟ โดยระบุลําดบั เลขทีของกราฟ หากมีมากกว่า 1 กราฟ ทังa นี a
ต้องอธิบายวา่ เป็ นกราฟทีแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งอะไรกบั อะไร

ระบุ แกน x และแกน y ในกราฟให้เรียบร้อย พร้ อมทงั a หน่วยของแต่ละแกน หากใช้
คอมพิวเตอร์พลอ็ ตควรแสดงคา่ พิกดั x, y ด้วยสญั ลกั ษณ์ เชน่ * หรือ ๐ เป็ นต้น
หากพลอ็ ตด้วยกระดาษกราฟ ให้ทาํ เชน่ เดยี วกนั
• แสดงตัวอย่างการคํานวณ จากผลการทดลองทีเสนอมา ให้แสดงตัวอย่างของวิธีการ
คํานวณทีนิสิตใช้ในการคํานวณ โดยแสดงตัวอย่างเพียงตวั อย่างเดียวในกรณีทีมีการ
คํานวณเหมอื นกนั

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

|8

• สรุปและวิจารณ์ผลการทดลอง เป็ นการวิจารณ์ผลการทดลองทีได้ เปรียบเทียบผลทีได้กบั
คา่ ทีถกู ต้อง และสามารถบอกได้ถงึ สาเหตขุ องความผิดพลาดทีเกียวข้องกบั เครืองมือ และ
ทฤษฏีทีใช้ในการทดลองได้

• คําถามท้ายการทดลอง ตอบคําถามอย่างมีเหตมุ ผี ลและถูกต้อง
• เอกสารอ้างอิงทีใช้ในการเขียนรายงานการทดลอง ซงึ หมายรวมถงึ ทงัa หนงั สือ หรือเว็บไซต์

ทีนสิ ติ ค้นคว้า โดยดตู วั อย่างการเขียนในรายการหนงั สืออ้างองิ ท้ายคมู่ ือปฏิบตั ิการ

ทบทวนคณิตศาสตร์

สมการเส้นตรง y = mx + c

14 slope = ∆Y = Y2 − Y1 = m
∆X X2 − X1
12 Series1

10 Linear (Series1)

8 intercept = c 456

Y 123

6 X

4

2

0
0

ในการเขียนกราฟ ต้องระบุด้วยว่าแกน X และแกน Y มีหน่วยเป็ นอะไร ในกรณีทีมขี ้อมลู หลายชุด
นิสติ ต้องแสดงให้ผ้อู า่ นทราบด้วยวา่ ข้อมลู แตล่ ะชดุ แสดงด้วยสญั ลกั ษณ์อะไร

เลขยกกาํ ลัง
• 200,000 = 2 x 105
• 2,500,000 = 2.5 x 106
• 0.00075 = 7.5 x 10-4
• ในเครืองคิดเลขมกั แสดงเป็ น 2 E06 หรือ 2 E6 ซงึ หมายถงึ P x 106
• 7.5 E-04 หรือ 7.5 E-4 ซงึ หมายถงึ N. x 10-4

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

|9

กฎทวั ๆ ไป
• Xn คอื X คณู กนั จํานวน n ครังa

• X1/2 = √

• X-n = 1/x n

• X-1/n = 1/√

เลขนัยสาํ คัญ
คือ ตวั เลขทกุ ตวั ยกเว้นเลขศนู ย์ ในกรณีทีอยหู่ ลงั จดุ ทศนยิ มทีไมม่ ีเลขอนื ๆ นํา เชน่

• 0.0010 มีเลขนยั สาํ คญั 2 ตาํ แหน่ง คอื 1 กบั 0 (ตวั สดุ ท้าย)

• 0.908 มเี ลขนยั สําคญั 3 ตาํ แหน่ง

• 2.8 x 1025 มีเลขนยั สําคญั 2 ตาํ แหน่ง

• 2.5435 ± 0.0010 มเี ลขนยั สาํ คญั 4 ตําแหน่ง เพราะเลขตรงตําแหนง่ ที 3 หลงั จดุ ทศนิยมทีไม่

แน่นอน ดงั นนัa ตาํ แหน่งที 4 จงึ สามารถตดั ทิงa ได้ เขียนได้เป็ น 2.544 ± 0.0010 ซงึ มีเลขนยั สําคญั 4

ตําแหนง่

หลักการ บวก ลบ
ผลลพั ธ์จะมีตําแหน่งของตวั เลขหลงั จุดทศนิยมเทา่ กบั ตวั เลขทีมีตําแหน่งของตวั เลขหลงั

จดุ ทศนยิ มน้อยทีสดุ

เช่น 5.85 + 6.328 = 12.178 ในการตอบ ผลลพั ธ์จะได้เป็น 12.18

หลักการ คูณ และ หาร
ผลลพั ธ์จะมเี ลขนยั สาํ คญั เทา่ กบั จํานวนของตวั เลขทีมเี ลขนยั สาํ คญั น้อยทีสดุ

เช่น 2.53 x 2.2 = 5.566 ในการตอบ ผลลพั ธ์จะได้เป็น 5.6

การปั ดตัวเลข
ตวั เลขทีจะตดั ทิงa น้อยกว่า 5 ตดั ทิงa ได้เลย เชน่ 3.283 ปัดได้เป็น 3.28

ตวั เลขทีจะตดั ทิงa มากกวา่ 5 ตดั ปัดขึนa อกี 1 เชน่ 2.587 ปัดได้เป็น 2.59

ตวั เลขทีจะตดั ทิงa เทา่ กบั 5 ต้องดตู วั เลขทีอยขู่ ้างหน้า ถ้าเป็ นเลขคีให้ปัดขึนa ถ้าเป็ นเลขค่ใู ห้

ปัดทิงa

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 10

การทดลองที 1
การหาปริมาตรโมลาร์ ย่ อยของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ โดยการวัดความหนาแน่ น
(Determination of Partial Molar Volumes of Sodium Chloride Solution by Measuring Densities)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ (Learning objectives) เพือให้นิสติ สามารถ
1. เตรียมสารละลายโซเดยี มคลอไรด์ทีมีความเข้มข้นตงัa แต่ 0.25 M – 4.0 M ได้
2. ใช้เครืองพิกโนมเิ ตอร์ (Pycnometer) เพือหาคา่ ปริมาตรโมลาร์ย่อยของสารละลายโซเดียมคลอ

ไรดท์ ีความเข้มข้นตงัa แต่ 0.25 M – 4.0 M ได้
3. ใช้สมการทีเกียวข้อง เพือหาค่าปริมาตรโมลาร์ย่อยของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ทีความ

เข้มข้นตงัa แต่ 0.25 M – 4.0 M ได้

หลักการและทฤษฏี (Theoretical background)
ปริมาณโมลาร์ยอ่ ย (Partial molar quantity) ช่วยบอกเราได้ว่าสมบัติของสารละลายเปลียนแปลง

ไปอย่างไรเมือความเข้ มข้ นเปลียนไป เราจําเป็ นต้ องรู้ปริมาณโมลาร์ย่อยของตัวแปรเอ็กแทนซีฟ
(Extensive variable) ทุกตวั ในสารละลาย เช่น ปริมาตร (Volume, V) พลงั งานอิสระกิบบ์ (Gibbs free
energy, G) เอนทาลปี (Enthalpy, H) เอนโทรปี (Entropy, S) พลงั งานอิสระแฮมโฮส์ต (Helmholtz free
energy, A) เป็ นต้น ยกตวั อย่างเช่น ปริมาตรโมลาร์ย่อย (Partial molar volume) มคี วามสําคญั อย่างมาก
ในสาขาวทิ ยาศาสตร์สิงแวดล้อมทางทะเล (Aquatic environmental science) นีจงึ เป็ นเหตผุ ลหนงึ ทีว่า
ทําไมในการทดลองนีเa ราต้องวัดปริมาตรโมลาร์ย่อย ของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ ในสาขาชีวเคมีก็
เช่นเดียวกนั จะต้องใช้ปริมาตรโมลาร์ย่อย ในการคํานวณหามวลโมเลกุล (Molar mass) ของโปรตนี และ
กรดนิวคลอิ กิ โดยใช้วิธีการหมนุ เหวยี ง (Ultracentrifuge)

ปริมาณโมลาร์ย่อย (Partial molar quantity) มนี ิยามตามสมการที (1)

Qi =  ∂Q  (1)
 
 ∂ni P,T,nj ≠ i

โดยที Q คือ ตวั แปรเอก็ เทนซฟี , ni คอื จํานวนโมลขององค์ประกอบ i ในเฟส
สําหรับระบบทีมีองค์ประกอบเดียว (Pure substance) ปริมาณโมลาร์ย่อย ก็คือ ปริมาณตอ่ โมล
(Quantity per mole) ทีอณุ หภูมิ (Temperature, T) และความดนั (Pressure, P) คงที นนั เอง

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 11

สําหรับระบบทีมีมากกว่า 1 องค์ประกอบขึนa ไป (Mixtrure) จากทฤษฏีออยเลอร์ (Euler’s

theorem) กล่าวว่า สําหรับฟังก์ชนั เอกพนั ธ์ทมี ีองศา l (Homogeneous function of degree l) จะเขียนได้

เป็ น

f(n1,.....,ni,.....) of degree l (A)

จะได้ n1 ∂f + n2 ∂f + ..... + ni ∂f + ..... = lf (B)
∂n1 ∂n 2 ∂ni

เนืองจากตวั แปรเอก็ เทนซีฟทางเทอร์โมไดนามิกส์ จดั เป็ นฟังก์ชนั เอกพนั ธ์ทีมอี งศาเท่ากบั 1 (l =
1) เมือแทนคา่ ตวั แปรเอก็ เทนซฟี เชน่ Q ลงในสมการ (A) และ (B) จะได้วา่

Q(n1,.....,ni ,.....) of degree 1 (C)
(D)
n1 ∂Q + n2 ∂Q + ..... + ni ∂Q + ..... = Q (E)
∂n1 ∂n 2 ∂ni

n1Q1+ n2 Q2 + ..... + ni Qi + ..... = Q

ถ้าทําการดฟิ เฟอเรนเซยี วตวั แปร Q (differential of Q ) โดยวิธีปกติ จะได้ผลดงั นี aคอื

dQ = ∂Q dn1 + ∂Q dn2 + ... + ∂Q dni + ... + ∂Q dP + ∂Q dT (F)
∂n1 ∂n2 ∂ni ∂P ∂T

และถ้าทาํ การดิฟเฟอเรนทเิ อตสมการ (E) จะได้ผลดงั นี a

dQ = Q1dn1 + Q2dn2 + ... + Qidni + ... + n1dQ1 + n2dQ2 + ... + nidQi + ... (G)
นําสมการ (G) ลบด้วยสมการ (F) จะได้ผลดงั นี a

 ∂Q   ∂Q  (H)
0 = n1dQ1 + n2dQ2 + ... + nidQi + ... -  ∂P T,ni dP -  ∂T P,ni dT

ในกรณีทีอณุ หภมู ิ (Temperature, T) และความดนั (Pressure, P) คงที สมการ (H) จะเปลียนเป็ น

n1dQ1 + n2dQ2 + ... + nidQi + ... = 0 (I)

สาํ หรับระบบสารละลายทีมี 2 องค์ประกอบ (Binary solution) จะเขียนสมการได้เป็น

dQ2 = - n1 = - x1 (J)
dQ1 n2 x2

เมือ xi คอื เศษสว่ นโมล (mole fraction) โดยที xi = ni

∑ ni

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 12

ในทางเทอร์โมไดนามิกส์สามารถแบ่งตวั แปรได้เป็ น 2 ประเภท คือ ตัวแปรทีไม่ขึนa กับมวลหรือ
จํานวนของเฟส เรียกวา่ ตวั แปรอินเทนซฟี (Intensive variable) เชน่ อณุ หภูมิ (Temperature, T) ความดนั

(Pressure, P) ความหนาแน่น (Density, d หรือ ρ) เศษส่วนโมล (Mole fraction, x) และตวั แปรทีขึนa กบั
มวลหรือจํานวนของเฟส เรียกวา่ ตวั แปรเอก็ เทนซีฟ (Extensive variable) ดงั เช่นทีได้ยกตวั อย่างไปข้างต้น
แล้วนันa ในบรรดาตวั แปรเอ็กเทนซีฟทางเทอร์โมไดนามิกส์ทังa หมด ปริมาตรจัดเป็ นตัวแปรเอ็กแทนซีฟ
(Extensive variable) ทีสงั เกตได้ง่ายทีสดุ โดยปริมาตรโมลาร์ย่อย (Partial molar volume, Vi ) จะนิยาม
ได้ดงั นี aคือ

Vi =  ∂V  (K)
 
 ∂ni P,T,n j ≠ i

จากสมการ (A) ถงึ (K) แสดงให้เห็นการใช้ทฤษฏีออยเลอร์ (Euler’s theorem) สาํ หรับระบบทีมี
มากกว่า 1 องค์ประกอบขึนa ไปนันเอง จากนิยามข้างต้น สําหรับระบบสารละลายทีมี 2 องค์ประกอบ
(Binary solution) จงึ เขียนสมการได้เป็ น

V1 =  ∂V  และ V2 =  ∂V  (2)
   
 ∂n1 T, P, n2  ∂n2 T, P, n1

จากสมการที (2) หมายความวา่ ทีอณุ หภูมิ (Temperature, T) และความดนั (Pressure, P) คงที
ค่าหนงึ ปริมาตรโมลาร์ย่อย ขององค์ประกอบที 1 (Partial molar volume of component 1, V1) ก็คือ
ปริมาตรต่อโมลขององค์ประกอบที 1 ในสารละลาย (Volume per mole of component 1 in solution)
และในทํานองเดยี วกนั ปริมาตรโมลาร์ยอ่ ยขององค์ประกอบที 2 (Partial molar volume of component 2,
V2 ) ก็คือ ปริมาตรตอ่ โมลขององค์ประกอบที 2 ในสารละลาย (Volume per mole of component 2 in
solution) เชน่ เดียวกนั ดงั นนั a การเปลียนแปลงปริมาตรรวมของสารละลายเมือความเข้มข้นเปลียนไป จะ
เขียนเป็ นสมการได้คอื

dV =  ∂V  dn1 +  ∂V  dn2 (3)
   
 ∂n1 T, P, n2  ∂n2 T, P, n1

เมอื แทนคา่ สมการที (2) ลงในสมการที (3) จะได้วา่

dV = V1dn1 + V2dn2 (4)

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 13

สําหรับสารละลายเนือa เดียวทีมี 2 องค์ประกอบ (Binary solution) โดยทีองค์ประกอบที 1 คือ ตวั
ทําละลาย (Solvent) จํานวน n1 โมล และองค์ประกอบที 2 คือ ตวั ถูกละลาย (Solute) จํานวน n2 โมล
ปริมาตรทงัa หมดของสารละลาย จะหาได้จากการเขียนสมการที (4) ให้อยใู่ นรูปอยา่ งงา่ ยเป็น

V = n1V1 + n2 V2 (5)

สําหรับสารละลายทีมีตวั ทําละลายเป็ นนําa กรัม ( . โมล) และมีตวั ถูกละลาย m โมล
ดงั นนัa ปริมาตรทงัa หมดของสารละลาย จะเขียนสมการได้เป็ น

V = 55.51V1 + n2 V2 (6)

ให้ V10 คือ ปริมาตรโมลาร์ย่อยของนําa บริสทุ ธิu (Partial molar volume of pure water, V10 ) ที
อณุ หภูมิและความดนั คงทีค่าหนงึ เช่น ทีอณุ หภูมิ 25 0C ความดนั 1 atm เป็ นต้น และให้ V' คือ
ปริมาตรโมลาร์ยอ่ ยทีปรากฏของตวั ถกู ละลาย (Apparent molar volume of solute, V') จะเขียนสมการที
(6) ใหมไ่ ด้เป็น

V = 55.51V10 + mV' (7)
V' = V - 55.51V10 (8)
(9)
m (10)

จากความสมั พนั ธ์ (11)
(12)
V = 1000 + mM2
d

55.51V10 = 1000
d0

เมอื d คือ ความหนาแน่นของสารละลาย (Density of solution) หนว่ ย g/cm3

d0 คอื ความหนาแน่นของนําa บริสทุ ธuิ (Density of pure water) หน่วย g/cm3

M2 คอื มวลโมเลกลุ ของตวั ถกู ละลาย (Molar mass of solute) หนว่ ย g/mol

แทนสมการ (9) และ (10) ลงในสมการ (8) จะได้

V' = 1  M - 1000 . d - d0 
d  
 2 m d0 

V' = 1  M - 1000 . W - W0 
d  
 2 m W0 - We 

เมอื We คือ นําa หนกั ขวดเปลา่ (g)
W0 คือ นําa หนกั ขวดทีเติมนําa จนเตม็ (g)
W คอื นําa หนกั ขวดทเี ตมิ สารละลายจนเตม็ (g)

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 14

จากนิยามของปริมาตรโมลาร์ย่อย

V2 =  ∂V  = V' + m dV' (13)
  (14)
 ∂n2 T, P, n1 dm

V1 = 1  n1V10 - n 2 ∂V'  = V10 - m2 . dV'
n1  2 ∂n 2  55.51 dm
 

เขียนกราฟระหวา่ ง V' กบั m ความชนั ของกราฟทีได้คือ dV'

dm

ในกรณีของสารละลายอิเล็กโทรไลต์แบบงา่ ย (Solutions of simple electrolytes) เชน่ สารละลาย
โซเดียมคลอไรด์ (Sodium chloride solution, NaCl(aq)) ปริมาณโมลาร์ย่อยทีปรากฏ (Appearance
molar quantities) อย่างเช่น V' จะมคี วามสมั พันธ์แบบเป็ นเส้นตรง (Linear) กบั m ทีความเข้มข้น
น้อยๆ จนถงึ ความเข้มข้นปานกลาง นนั คือ

dV' = dV' . d m = 1 . dV' (15)
dm d m dm 2 m d m

จากสมการ ( 3) และ ( 5) จะได้

m dV' m dV' (16)
V2 = V' + . = V' + .
2md m 2 dm

V2 = V0' + 3 m . dV' (17)
2 dm

เมอื V0' คอื ปริมาตรโมลาร์ยอ่ ยทีปรากฏ เมือความเข้มข้นของสารละลายเท่ากบั โมแลล

จากสมการ (17) สามารถเขียนกราฟระหว่าง V' กบั m จะได้เส้นตรง โดยความชนั ของกราฟที

ได้คอื dV' และจดุ ตดั แกน y คอื คา่ V0' ทําให้สามารถหาค่า V1 และคา่ V2 ได้
dm

ดงั นนัa ปริมาตรโมลาร์ย่อยของตวั ทําละลาย (Partial molar volume of solvent, V1) หรือก็คือ

ปริมาตรตอ่ โมลของตวั ทําละลายในสารละลาย (Volume per mole of solvent in solution) จะหาได้จาก

สมการตามสมการที (18) คอื

V1 = V10 - m  m . dV'  (18)
55.51  2 dm 

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 15

อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipment)

1. ขวดวดั ปริมาตร (Density bottle) หรือพิกโนมเิ ตอร์ (Pycnometer) ขนาด P ml

2. บีกเกอร์ (Beaker) ขนาด P ml

3. ปิ เปต (Pipette) ขนาด ml

4. ขวดปรับปริมาตร (Volumetric flask) ขนาด ml

5. ขวดนําa กลนั

6. เครืองชงั U ตาํ แหน่ง

รูปที 1 แสดงขวดวดั ปริมาตร (Density bottle) หรือพิกโนมเิ ตอร์ (Pycnometer)

(ทมี า: http://emsar-laboratory.ro/en/magazin/pycnometers/pycnometer-acc-gay-lussac-unadjusted/)

สารเคมี (Materials)
1. โซเดยี มคลอไรด์ (Sodium chloride, NaCl)
2. นําa กลนั (Distilled water, H2O)
3. อะซโิ ตน (Acetone, CH3COCH3)

วธิ ีการทดลอง (Procedure)
1. เตรียมสารละลาย NaCl ทีความเข้มข้น 4.0 M, 2.0 M, 1.0 M, 0.50 M และ 0.25 M (โดยคํานวณ
จากการเจือจางสารละลาย NaCl เขม้ ขน้ 4.0 M)
2. ชงั ขวดวัดความหนาแน่นทีแห้งสนิท แล้วบันทึกนําa หนกั ทีชังได้ให้เป็ นนําa หนกั ขวดเปล่า (Empty
weight, We )
3. เตมิ นําa กลนั ให้เตม็ ขวดวดั ความหนาแนน่

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 16

4. ปิ ดฝาจุกให้นําa ดันขึนa มาจนเต็มภายในท่อเล็กๆ ของฝาจุก ถ้าเกิดฟองอากาศขึนa ภายในขวดวัด
ความหนาแน่นให้เริมทําใหม่ จนไม่สงั เกตพบฟองอากาศในขวด จากนันa นําไปชงั ( W0 ) ทําซําa จน
ได้นําa หนกั สองคา่ ทีตา่ งกนั น้อยกว่า ±0.02%

5. เติมสารละลาย 0.25 M NaCl จนเต็มขวด (เริมจากความเข้มข้นตําสดุ ) แล้วทําตามข้อ U. บนั ทึก
นําa หนกั ของสารละลายเป็น W

6. ทําเชน่ เดยี วกนั จนครบทงัa ความเข้มข้น
7. บนั ทกึ อณุ หภมู ิห้องขณะทําการทดลอง

การวเิ คราะห์ข้อมูล (Treatment of data)
1. หาความหนาแน่นของนําa บริสทุ ธuิ (The pure water density, d0 ) ณ อณุ หภูมิขณะทําการทดลอง โดย

ใช้วธิ ีการค้นหาจากอินเทอร์เนต็ หรือจากหนงั สือ/เอกสารอ้างอิงตา่ ง ๆ

2. คํานวณปริมาตรของขวดวดั ความหนาแน่น (The exact volume of the pycnometer, V0 ) โดยใช้ความ
หนาแน่นของนําa บริสทุ ธuิ ณ อณุ หภมู ขิ ณะทําการทดลอง ( d0 ) จากข้อ 1 โดยใช้สมการ

V0 = W0 - We
d0
3. คํานวณปริมาตรโมลาร์ย่อยของนําa บริสทุ ธuิ (Partial molar volume of pure water, V10 ) ณ อณุ หภูมิ

ขณะทําการทดลอง โดยใช้สมการ

55.51V10 = 1000
d0

4. คํานวณหาความหนาแนน่ ของสารละลายทคี วามเข้มข้น 0.25 M – 4.0 M จากสมการ

d = W - We
V0

5. คํานวณหาความเข้มข้นในหน่วยโมลต่อกิโลกรัม (mol/kg) หรือโมแลล (Molal, m ) ได้จากความเข้มข้น

ในหนว่ ยโมลตอ่ ลติ ร (mol/L) หรือโมลาร์ (Molar, M ) จากสมการ

m= 1
d - M2
M 1000

M2 คอื มวลโมเลกลุ ของถกู ตวั ละลาย (สาํ หรับ NaCl, M2 = 58.44 g/mol )
d คือ ความหนาแน่นจากการทดลองทีคํานวณได้ในข้อ 4
6. คาํ นวณหาปริมาตรโมลาร์ย่อยทีปรากฏของตวั ถกู ละลาย (Appearance molar volume of solute, V')
ของสารละลายแตล่ ะความเข้มข้น โดยใช้สมการ

V' = 1  M - 1000 . W - W0 
d  
 2 m W0 - We 

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 17

7. ใช้โปรแกรม Microsoft Excel เขียนกราฟระหวา่ ง V' กบั m พร้อมลากเส้นแนวโน้มทีเป็ นเส้นตรง

ความชนั (Slope) ของกราฟทีได้คอื dV' และจดุ ตดั แกนที m = 0 จะสามารถหาคา่ V0' ได้

dm

8. คาํ นวณหา V1 จากสมการ (18) และ V2 จากสมการ (17)

เมือ m = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 พร้ อมเขียนกราฟระหว่าง V1 กบั m และ V2 กบั m ในกราฟ

เดียวกนั

9. ทําตารางบนั ทกึ คา่ d, M, m, 1000 . W- W0 , V0 ,V', V10 , V0' , dV' ให้เหมาะสมพร้อมระบหุ นว่ ย
m W0 - We dm

ด้วย

คาํ ถาม (Questions)

1. dV1 กบั dV2 มคี วามสมั พนั ธ์กนั อย่างไร

2. อภิปรายกราฟของ V1และ V2 กบั m ให้สอดคล้องกบั คําตอบของข้อ

3. พิกโนมิเตอร์ (Pycnometer) คืออะไร (ให้วาดรูปประกอบด้วย) สามารถใช้วดั ความหนาแน่นได้

อยา่ งไร

4. ทําไมความหนาแน่นจงึ ขนึ a กบั อณุ หภมู ิ ความหนาแน่นของของเหลว (liquid) ปกติ และนําa (water)

เปลยี นแปลงกบั อณุ หภมู ิอย่างไร

5. บอกวิธีมา 1 วิธี ในการหาความหนาแน่นของแก๊ส (Gases) ของเหลว (Liquids) และของแข็ง

(solids)

6. บอกนิยาม (Definition) และหนว่ ย (Unit) ของคําศพั ท์ตอ่ ไปนี a

ก. โมล (Mole) ข. โมลาร์ริตี (Molarity)

ค. โมแลลลิตี (Molality) ง. ปริมาตรโมลาร์ (Molar volume)

จ. ปริมาตรโมลาร์ยอ่ ย (Partial molar volume) ฉ. มวลโมเลกลุ (Molar mass)

เอกสารอ้างองิ (References)
1. C.W. Garland, J.W. Nibler and D.P. Shoemaker, “Experiments in Physical Chemistry”, 7th

ed., 2003, McGraw-Hill Inc., New York. 172-178.
2. Millero, F.J., Apparent and partial molal volume of aqueous sodium chloride solutions at

various temperatures, J. Phys. Chem. 1970, 74(2), 356-62.
3. Density table for distilled water: source: https://www.simetric.co.uk/si_water.htm

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 18

ตารางที 1 ความหนาแนน่ ของนําa บริสทุ ธuิ (หนว่ ย g/cm3) จาก 0 oC ถงึ 30.9 oC

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0 0.999841 0.999847 0.999854 0.999860 0.999866 0.999872 0.999878 0.999884 0.999889 0.999895
1 0.999900 0.999905 0.999909 0.999914 0.999918 0.999923 0.999927 0.999930 0.999934 0.999938
2 0.999941 0.999944 0.999947 0.999950 0.999953 0.999955 0.999958 0.999960 0.999962 0.999964
3 0.999965 0.999967 0.999968 0.999969 0.999970 0.999971 0.999972 0.999972 0.999973 0.999973
4 0.999973 0.999973 0.999973 0.999972 0.999972 0.999972 0.999970 0.999969 0.999968 0.999966
5 0.999965 0.999963 0.999961 0.999959 0.999957 0.999955 0.999952 0.999950 0.999947 0.999944
6 0.999941 0.999938 0.999935 0.999931 0.999927 0.999924 0.999920 0.999916 0.999911 0.999907
7 0.999902 0.999898 0.999893 0.999888 0.999883 0.999877 0.999872 0.999866 0.999861 0.999855
8 0.999849 0.999843 0.999837 0.999830 0.999824 0.999817 0.999810 0.999803 0.999796 0.999789
9 0.999781 0.999774 0.999766 0.999758 0.999751 0.999742 0.999734 0.999726 0.999717 0.999709
10 0.999700 0.999691 0.999682 0.999673 0.999664 0.999654 0.999645 0.999635 0.999625 0.999615
11 0.999605 0.999595 0.999585 0.999574 0.999564 0.999553 0.999542 0.999531 0.999520 0.999509
12 0.999498 0.999486 0.999475 0.999463 0.999451 0.999439 0.999427 0.999415 0.999402 0.999390
13 0.999377 0.999364 0.999352 0.999339 0.999326 0.999312 0.999299 0.999285 0.999272 0.999258
14 0.999244 0.999230 0.999216 0.999202 0.999188 0.999173 0.999159 0.999144 0.999129 0.999114
15 0.999099 0.999084 0.999069 0.999054 0.999038 0.999023 0.999007 0.998991 0.998975 0.998959
16 0.998943 0.998926 0.998910 0.998893 0.998877 0.998860 0.998843 0.998826 0.998809 0.998792
17 0.998774 0.998757 0.998739 0.998722 0.998704 0.998686 0.998668 0.998650 0.998632 0.998613
18 0.998595 0.998576 0.998558 0.998539 0.998520 0.998501 0.998482 0.998463 0.998444 0.998424
19 0.998405 0.998385 0.998365 0.998345 0.998325 0.998305 0.998285 0.998265 0.998244 0.998224
20 0.998203 0.998183 0.998162 0.998141 0.998120 0.998099 0.998078 0.998056 0.998035 0.998013
21 0.997992 0.997970 0.997948 0.997926 0.997904 0.997882 0.997860 0.997837 0.997815 0.997792
22 0.997770 0.997747 0.997724 0.997701 0.997678 0.997655 0.997632 0.997608 0.997585 0.997561
23 0.997538 0.997514 0.997490 0.997466 0.997442 0.997418 0.997394 0.997369 0.997345 0.997320
24 0.997296 0.997271 0.997246 0.997221 0.997196 0.997171 0.997146 0.997120 0.997095 0.997069
25 0.997044 0.997018 0.996992 0.996967 0.996941 0.996914 0.996888 0.996862 0.996836 0.996809
26 0.996783 0.996756 0.996729 0.996703 0.996676 0.996649 0.996621 0.996594 0.996567 0.996540
27 0.996512 0.996485 0.996457 0.996429 0.996401 0.996373 0.996345 0.996317 0.996289 0.996261
28 0.996232 0.996204 0.996175 0.996147 0.996118 0.996089 0.996060 0.996031 0.996002 0.995973
29 0.995944 0.995914 0.995885 0.995855 0.995826 0.995796 0.995766 0.995736 0.995706 0.995676
30 0.995646 0.995616 0.995586 0.995555 0.995525 0.995494 0.995464 0.995433 0.995402 0.995371

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 19

การทดลองที 2
การหาค่าความเข้มข้นวกิ ฤตขิ องการเกดิ ไมเซลส์โดยใช้สีย้อมอะคริดีนออร์เรนท์
(Determination of Critical Micelle Concentration Using Acridine Orange Dye Probe)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
วัตถุประสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) เพือให้นิสติ สามารถ
1. เตรียมสารละลายของสารลดแรงตงึ ผิวและสารละลายสีย้อมตามความเข้มข้นทีกําหนดได้
2. ใช้เครือง UV – Visible Spectrophotometer เพือวดั สเปคตรัมค่าการดดู กลนื แสงของสารละลายได้
3. หาคา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์ของสารลดแรงตงึ ผิวด้วยวิธีการวดั คา่ การดดู กลนื แสง
โดยการย้อมสดี ้วยอะคริดีนออเรนท์ได้

หลักการและทฤษฏี (Theoretical background)
ไมเซลล์ (Micelles) เกิดจากการทีสารลดแรงตงึ ผิว (Surfactants) มารวมกันจนเกิดเป็ นโครงใหมท่ ี

มีความเป็ นระเบียบมากกว่าเดิมในระดบั โมเลกุลทีความเข้มข้นทีเหมาะสมทีสดุ คา่ หนึง เรียกว่า ค่าความ
เข้มข้นวกิ ฤติของการเกิดไมเซลส์ (Critical Micelle Concentration, CMC) โดยพบว่าทีความเข้มข้นนี aจะ
ทําให้สมบตั ิทางกายภาพ (Physical property) ของสารละลายเปลียนไปจากเดิมมากจนเห็นได้ชดั เจน
เช่น แรงตงึ ผิว (Surface tension) ความดนั ออสโมติก (Osmotic pressure) ความขุ่น (Turbidity)
ความสามารถในการละลาย (Solubilization) ความหนืด (Viscosity) สมบัติการนําไฟฟ้ า (Conductivity)
สมบัตกิ ารหกั เหแสง (Refractive index) สมบัตกิ ารเรืองแสง (Fluorescence) และสมบัติการดดู กลืนแสง
(Absorption) เป็ นต้น แสดงดงั รูปที 1

รูปที 1 แสดงการเปลยี นแปลงสมบตั ทิ างกายภาพ (Physical property) ของสารละลายเมือเพิม
ความเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิวจนถงึ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 20

จากรูปที 1 ความเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิว สามารถแบง่ ออกได้เป็ น 3 ชว่ ง คือ
ช่วงที 1 คือ ช่วงทคี วามเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิวมคี ่าน้อยกวา่ คา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิด
ไมเซลส์ [Surfactant] < CMC การจดั เรียงตวั ของสารลดแรงตงึ ผิวจะเป็ นแบบกระจายตวั อย่างไมเ่ ป็ น
ระเบียบในสารละลาย
ช่วงที 2 คือ ช่วงทีความเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิวมคี า่ เท่ากบั คา่ ความเข้มข้นวิกฤตขิ องการเกิด
ไมเซลส์ [Surfactant] = CMC การจดั เรียงตวั ของสารลดแรงตงึ ผิวจะมกี ารเปลียนการจดั เรียงตวั จากทีไมม่ ี
ความเป็ นระเบียบเป็ นมีความเป็ นระเบียบอยา่ งมากในสารละลาย โดยสมมตุ ิฐานส่วนใหญ่จะจดั เรียงตวั
กนั เป็นทรงกลม (spherical) การเปลียนแปลงเช่นนี aจะมีผลทาํ ให้สมบตั ิทางกายภาพตา่ งๆ ของสารละลาย
เปลียนแปลงไปอย่างเหน็ ได้ชดั
ชว่ งที 3 คือ ช่วงทีความเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิวมคี ่ามากกวา่ คา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิด
ไมเซลส์ [Surfactant] > CMC การจดั เรียงตวั ของสารลดแรงตงึ ผิวอาจจะมีการเปลยี นการจดั เรียงตวั จาก
ทรงกลม (Spherical) ไปเป็ นแบบทรงกระบอก (Cylinder) หรือมีการเพิมจํานวนไมเซลส์มากขึนa แต่การ
เปลียนแปลงเช่นนี aจะมีผลทําให้สมบตั ทิ างกายภาพตา่ งๆ เช่น แรงตงึ ผิว แรงดนั ออสโมตกิ ค่าการดดู กลืน
แสง ค่าการเรืองแสง ของสารละลายเปลียนแปลงเพียงเลก็ น้อยเทา่ นนัa
สารลดแรงตงึ ผิว (Surfactants) เป็ นชือทีย่อมาจากคําเตม็ คือ Surface active agent มีลกั ษณะ
เป็ นโมเลกุลทีมีโครงสร้ างโมเลกุลทีประกอบด้วยส่วนทีสําคัญ 2 ส่วนอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน คือ ส่วนที
สามารถดงึ ดดู กบั ตวั ทําละลาย (Solvent) ได้น้อย เรียกวา่ Lyophobic group (ในกรณีทีตวั ทําละลายเป็ น
นําa จะเรียกวา่ Hydrophobic group) เชน่ สว่ นทีเป็นสายโซย่ าวของคาร์บอน เพราะมีความเป็ นขวัa น้อย มกั
เรียกว่า ส่วนหางทีไม่มีขัวa (Non-polar tail group) และส่วนทีสามารถดึงดดู กับตัวทําละลายได้มาก
เรียกวา่ Lyophilic group (ในกรณีทีตวั ทําละลายเป็ นนําa จะเรียกว่า Hydrophilic group) เช่น หม่ไู อออนิก
ตา่ งๆ มกั เรียกวา่ สว่ นหวั ทีมีขวัa (Polar head group) การทีสารมีโครงสร้างโมเลกลุ ทีประกอบด้วยทงัa สว่ นที
มีขวั a และไมม่ ีขวัa อยู่ในโมเลกลุ เดียวกนั นี aจะเรียกสารชนิดนีวa ่า Amphipathic or Amphiphilic molecules
โครงสร้างพืนa ฐานของสารลดแรงตงึ ผิวแสดงได้ดงั รูปที 2

รูปที 2 โครงสร้างพืนa ฐานของสารลดแรงตงึ ผวิ (Surfactants)

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 21

สารลดแรงตึงผิว จดั เป็ นสารทีมีความสําคญั อย่างมากในอุตสาหกรรมผลิตภณั ฑ์หลายชนิดเช่น

ผงซกั ฟอก (Detergents), แชมพู (Shampoos) และนําa มนั (Oils) โดยทีสารลดแรงผิวสามารถแบ่งตาม

ลกั ษณะของประจทุ อี ย่สู ว่ นหวั ของโมเลกลุ ได้เป็ น 4 ประเภท คอื

1. สารลดแรงตงึ ผิวทีมปี ระจลุ บ (Anionic surfactants) คอื สารลดแรงตงึ ผิวทสี ่วนหวั ของโมเลกลุ

เป็ นประจเุ ป็นลบ เช่น สบู่ (Soap, RCOO- Na + ), Alkylbenzenesulfonate ( RC6H 4S O - N a + )
3

2. สารลดแรงตงึ ผิวทีมีประจบุ วก (Cationic surfactants) คอื สารลดแรงตงึ ผิวทีสว่ นหวั ของ

โมเลกลุ มปี ระจเุ ป็ นบวก เชน่ salt of a long-chain amine ( R N H + C l − ), quaternary ammonium
3

chloride, ( RN(CH 3 )3+Cl− )

3. สารลดแรงตงึ ผิวทีมที งัa ประจบุ วกและลบ (Zwitterionic surfactants) คือ สารลดแรงตงึ ผิวทีสว่ น

หวั ของโมเลกลุ ทมี ีทงั a ประจเุ ป็ นบวกและลบ เช่น long-chain amino acid ( RN+H2CH2COO- ),

sulfobetain ( R N + (C H ) C H C H 2S O - )
3
3 2 2

4. สารลดแรงตงึ ผิวทีไมม่ ปี ระจุ (Non-ionic surfactants) คอื สารลดแรงตงึ ผิวทีสว่ นหวั ของโมเลกลุ ไม่

มีประจุ เชน่ monoglyceride of long-chain fatty acid ( RCOOCH2CHOHCH2OH ), polyoxyethylenate
alkylphenol ( RC6H4(OC2H4)xOH ),polyoxyethylenate alcohol ( R(OC2H4)xOH )

การจําแนกประเภทของสารลดแรงตงึ ผิวตามลกั ษณะของประจุทีอยู่ส่วนหวั ของโมเลกุล แสดงดงั

รูปที 3 และตวั อย่างโครงสร้างทางเคมขี องสารลดแรงตงึ ผิวประเภทตา่ งๆ แสดงดงั รูปที 4

Hydrophobic group (tail) Hydrophilic group
(Polar head)
Cationic Surfactant
+-

Anionic Surfactant -+
Zwitterionic Surfactant +-

Nonionic Surfactant 0

รูปที 3 แสดงการจําแนกประเภทของสารลดแรงตึงผิวตามลกั ษณะของประจุทีอยู่ส่วนหัวของ
โมเลกลุ

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 22

รูปที 4 ตวั อยา่ งโครงสร้างทางเคมขี องสารลดแรงตงึ ผิวประเภทตา่ งๆ
คา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์ (CMC) ขึนa อยู่กบั โครงสร้างทางเคมีของสารลดแรงตงึ
ผิว เช่น ความยาวของสายโซไ่ ฮโดรคาร์บอนทีเป็ นส่วนทีไม่มีขวัa ของสารลดแรงตงึ ผิว อุณหภูมิ ชนิดของตวั
ทําละลาย (Solvents) และการมีตัวถูกละลายร่วม (Cosolutes) ในตัวทําละลาย โดยทัวไปไมเซลส์
(Micelle) คือ การรวมตวั กนั เองอย่างเป็ นระเบียบ (Self-Assembly) ของสารลดแรงตงึ ผิวทีความเข้มข้นที
เหมาะสมค่าหนึง ในตวั ทําละลายทีมขี วั a (Polar solvent) เช่น นําa แตใ่ นกรณีทีเป็ นตวั ทําละลายทีไม่มีขัวa
(Non-polar solvent) เช่น นําa มนั หรือตวั ทําละลายอินทรีย์ทีไมม่ ีขวัa ก็จะเกิดเป็ นรีเวิดร์ไมเซลส์ (Reverse
micelle) ขนึ a ดงั แสดงตามรูปที 5

รูปที 5 แสดงโครงสร้างการจดั เรียงตวั กนั ของสารลดแรงตงึ ผิวเพือเกิดเป็นไมเซลส์ทีขึนa กบั ชนิด
ของตวั ทําละลาย

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 23

ในการทดลองนี aต้องการหาคา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์ (CMC) ของสารลดแรงตงึ ผิว
(Surfactant) ทีมีส่วนหัวเป็ นประจุลบ (Anionic surfactant) คือ โซเดียมโดเดกซิลซลั เฟต (Sodium
Dodecyl Sulfate, SDS) ทีมีนําa เป็ นตวั ทําละลาย ด้วยวิธีการวดั ค่าดดู กลืนแสง โดยใช้อะคริดนี ออเรนท์
(Acridine Orange, AO) เป็ นสยี ้อม ตามสมมตฐิ านทีว่าเมือสารละลายมีความเข้มข้นของสารลดแรงตงึ ผิว
ทีเหมาะสมของการเกิดไมเซลส์ คา่ การดูดกลืนแสงของสารละลายจะมีการเปลียนแปลงอย่างมากเมือ
เทียบกบั บริเวณความเข้มข้นอืนๆ อย่างชดั เจน

อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipment) จํานวน 2 ขวด
1. ขวดปรับปริมาตร (Volumetric flask) ขนาด 100 ml จํานวน 15 ขวด
2. ขวดปรับปริมาตร (Volumetric flask) ขนาด 25 ml จํานวน 1 อนั
3. ปิ เปตแบบกระเปาะ (Bulb-pipette) ขนาด 5.0 ml จํานวน 1 อนั
4. ปิ เปตปรับปริมาตร (Graduated pipette) ขนาด 25.0 ml จํานวน 1 เครือง
5. เครือง UV-Vis Spectrophotometer

สารเคมี (Materials)
1. สารลดแรงตงึ ผิว (Surfactant): โซเดียมโดเดกซวิ ซลั เฟต (Sodium Dodecyl Sulphate, SDS)
2. สยี ้อม (Dye): อะคริดีนออเรนท์ (Acridine Orange, AO)

วธิ ีการทดลอง (Procedure)
1.เตรียมสารละลายของสีย้อม AO ทคี วามเข้มข้น 5.9 × 10-5 M
ซงึ เตรียมได้จากการชงั สีย้อมนี a0.0026 g แล้วนําไปละลายในนําa ในขวดวดั ปริมาตร (Volumetric flask)
100 ml
(หมายเหต:ุ การชงั สารในปริมาณน้อยมาก ควรใช้กระดาษชงั สารและทําด้วยความระมดั ระวงั เป็ นพิเศษ)
2. เตรียมสารละลายของ SDS ทคี วามเข้มข้น 0.0205 M
ซงึ เตรียมได้จากการชังสารนี a0.5918 g แล้วนําไปปรับปริมาตรด้วยนําa ในขวดวดั ปริมาตร (Volumetric
flask) 100 ml
3. ปิ เปตสารละลายสีย้อม AO (ข้อ 1) ปริมาตร 5.0 ml ลงในขวดวดั ปริมาตรขนาด 25.0 mlจํานวน 15 ใบ
โดยใช้ปิ เปตแบบกระเปาะ (Bulb-pipette) ขนาด 5.0 ml

4. ปิ เปตสารละลาย SDS (ข้อ 2) ทีได้เตรียมไว้ใสต่ ามลงไปในขวดทงัa 15 ใบ ด้วยปริมาตรตามตารางที 1 โดย
ใช้ปิเปตแบบปรบั ปริมาตรได้ (Graduated pipette) แล้วปรับปริมาตรทุกขวดเป็ น 25 ml ด้วยนําa กลนั พร้อมทงั a
บนั ทกึ สีของสารละลาย

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 24

ตารางที 1 ปริมาตรของ SDS ทีต้องเตมิ ในแตล่ ะขวด

Flask 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
No:

AO 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
(ml)

SDS 0.0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 13.0 15.0
(ml)

[SDS]

(M)

หมายเหตุ: ให้นิสิตคาํ นวณความเข้มข้นของ SDS ทีมใี นแตล่ ะขวด โดยใช้สตู ร C1V1 = C2V2 แล้วเติมลง
ในตารางทีว่างไว้

5. นาํ สารละลายทเี ตรียมได้จากข้อ 4 ใสล่ งในควิ เวต (Cuvette) แล้วสเกนสเปคตรัมในชว่ งความยาวคลนื
400 - 800 nm ด้วยความเร็ว 1,000 รอบ/นาที
6. จากสเปคตรัมทีได้ ให้เลอื กบนั ทกึ คา่ การดดู กลนื แสงที 3 คา่ คอื ทีความยาวคลืนทีมกี ารดดู กลืนแสง
สงู สดุ ( λmax ), ความยาวคลืน 500 nm และ 550 nm
7. ถ่ายรูปสเปคตรัมทงัa 15 สเปคตรัมจากหน้าจอคอมพิวเตอร์

การวิเคราะห์ข้อมูล (Treatment of Data)
1. นําสเปคตรัมทังa 15 สเปคตรัมทีได้จากข้อ 7 มาวเิ คราะห์แล้วตอบคาํ ถามวา่ สเปคตรัมของสารละลายที
เกิดไมเซลส์แตกตา่ งจากสเปคตรัมอืนๆ อย่างไร
2. นําข้อมลู ทีได้จากข้อ 6 มาเขียนกราฟแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งปริมาตรของสารละลาย SDS (ml) กบั
คา่ การดดู กลนื แสง ทีความยาวคลืนทีมีการดดู กลนื แสงสงู สดุ ( λmax ), ความยาวคลนื 500 nm และ 550
nm พร้อมวิจารณ์กราฟทีได้
3. หาคา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์ (CMC) ของสารลดแรงตงึ ผิว โดย 2 วธิ ี คอื

3.1 เขียนกราฟแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งปริมาตรของสารละลาย SDS (ml) กบั ค่าการดดู กลืนแสงที
500 nm กราฟทีได้จะมีลกั ษณะเป็ นโค้งคล้ายตวั เอส (Sigmoidal curve) ตําแหน่งกงึ กลางของกราฟก็คือ
ปริมาตรของ SDS ทีพอดีในการเกิดไมเซลส์ของสารลดแรงตงึ ผิว ปริมาตรค่านีนa ําไปคํานวณเป็ นความเข้มข้น
เพือเปรียบเทียบกบั คา่ ความเข้มข้นทหี าได้ตามวิธีข้อ 3.2

3.2 เขียนกราฟแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งความเข้มข้นของสารละลาย SDS (M) กบั คา่ การดดู กลนื
แสงที 500 nm กราฟทีได้จะมีลกั ษณะเป็ นโค้งคล้ายตวั เอส (Sigmoidal curve) ตําแหน่งกงึ กลางของกราฟก็

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 25

คือ ความเข้มข้นของ SDS ทีพอดใี นการเกิดไมเซลส์ของสารลดแรงตงึ ผิว เรียกจดุ นีวa า่ ความเข้มข้นที
เหมาะสมของการเกิดไมเซลส์ (CMC)

3.3 เปรียบเทียบคา่ CMC ทีหาได้จากวธิ ีในข้อ 3.1 และ 3.2 พร้อมวิจารณ์ผล
4. เปรียบเทียบคา่ CMC ทีได้จากการทดลองครังa นี aกบั คา่ ทีมีรายงานไว้ในเอกสารอ้างอิง (J. Chem.
Educ., 1978, 55, 342.) คํานวณหาคา่ ความคลาดเคลือน พร้อมวจิ ารณ์ผล

คาํ ถาม (Questions)
1. ให้เขียนโครงสร้างทางเคมขี องสารลดแรงตงึ ผิว (SDS) และสยี ้อม (AO)
2. ไมเซลส์ (Micelle) คืออะไร และให้นยิ ามพร้อมอธิบายคําวา่ คา่ ความเข้มข้นวิกฤติของการเกิดไมเซลส์
(Critical Micelle Concentration, CMC)
3. ให้อธิบายวา่ ทําไมถงึ เกิดการเปลียนแปลงของค่าการดดู กลืนแสงของสารละลายทีตําแหนง่ CMC และ
ทําไมคา่ การดดู กลืนแสงไมเ่ พิมขนึ a เมือความเข้มข้นของ SDS เพิมขนึ a
4. มีวิธีการใดอีกบ้างทีใช้หาคา่ CMC ได้ บอกมา 3 วิธี
5. เพราะเหตใุ ด การทดลองนีจa งึ เลือกบนั ทกึ คา่ การดดู กลนื แสงทีความยาวคลนื 500 nm
6. ปิ เปตแบบกระเปาะ (Bulb-pipette) และปิ เปตแบบปรับปริมาตรได้ (Graduated pipette) คืออะไร (ให้
วาดรูปประกอบ) มีความแตกต่างกนั หรือไม่ อย่างไร

เอกสารอ้างองิ (References)
1. C. Tanford, “The hydrophobic Effect”, 1973, J. Wiley, New York.
2. E.H. Cordes(Ed.), “Reaction Kinetics in Micelle”, 1973, Plenum Press, New York.
3. D.J. Fendlar and J.H. Fendlar, Micellar. Catalysis in Organic Reactions: Kinetic and
Mechanistic Implications. Adv. Phys. Org. Chem., 1970, 8, 271-406.
4. M. Rujimethabhas and P. Wilairat, Determination of critical micelle concentration using
acridine orange dye probe. An undergraduate experiment. J. Chem. Educ., 1978, 55, 342.
5. A. Dominguez, A. Fernandez, N. Gonzalez, E. Iglesias and L. Montenegro. Determination of
Critical Micelle Concentration of Some Surfactants by Three Techniques. J. Chem. Educ.,
1997, 74 (10), 1227.

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 26

การทดลองที 3
ผลของอุณหภูมติ ่ออัตราการเกดิ ปฏกิ ริ ิยา
(Effect of Temperature on The Rate of Reaction)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ (Learning objectives) เพือให้นิสติ สามารถ
1. วดั อตั ราการเกิดปฏิกิริยา (Rate of reaction) ทีอณุ หภูมติ า่ งกนั 2 อณุ หภูมไิ ด้

2. ใช้สมการอาร์เรเนียส (Arrhenius Equation) เพือคํานวณหาคา่ พลงั งานกระต้นุ (Activated

energy, Ea ) ของปฏิกิริยาได้

หลักการและทฤษฏี (Theoretical background) (1)
พิจารณาปฏิกิริยาเคมที ีอย่ใู นรูปทวั ไป ภายใต้อณุ หภูมแิ ละความดนั คงทีค่าหนงึ คือ

aA + bB → cC + dD

อตั ราการเกิดปฏิกิริยา (Rate of reaction) ของปฏิกิริยานี aเขียนได้ดงั นี aคอื

rate = - 1 d[A] = - 1 d[B] = + 1 d[C] = + 1 d[D] (2)
a dt b dt c dt d dt

ถ้าปฏิกิริยานีเa ป็ นปฏิกิริยาทีเกิดได้ขนัa ตอนเดียว (Elementary reaction) แล้วสมการกฎอตั รา (Rate law)
ของปฏิกิริยานี aเขียนได้ คือ

rate = k[A][B] (3)

จากสมการกฎอตั ราจะสามารถบอกได้วา่ ปฏิกิริยามีอนั ดับรวมของปฏิกิริยา (Overall order of
reaction) เป็ นปฏิกิริยาอนั ดบั สอง (Second order reaction) โดยจะเป็ นปฏิกิริยาอนั ดบั หนงึ (First order
reaction) เมือเทียบกบั A อย่างเดียว หรือเป็ นปฏิกิริยาอนั ดบั หนงึ (First order reaction) เมือเทียบกบั B
อย่างเดียวได้เชน่ กนั

สมการอตั ราการเกิดปฏิกิริยาขนัa เริมต้น (The initial reaction rate) เขียนได้เป็น

rate = - d[A] = - d[B] = + d[C] = + d[D] = k[A][B] (4)
dt dt dt dt

ในการหาค่าคงทีอตั รา (Rate constant, k) โดยวิธีการแยก (Isolation Method) ทําได้โดย
กําหนดให้สารตงัa ต้น ชนิดมคี วามเข้มข้นมากๆ จนสมมตุ ิได้วา่ ความเข้มข้นคงทีตลอดปฏิกิริยา ในทีนีจa ะ

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 27

กําหนดให้ B มีความเข้มข้นมากๆ จนถือว่าความเข้มข้นของ B ไมเ่ ปลียนแปลงไม่ว่าเวลาจะผ่านไปนาน
เทา่ ใดกต็ ามหรือคงทีตลอดปฏิกิริยา เขียนใหมไ่ ด้เป็น

rate = - d[A] = - d[B] = + d[C] = + d[D] = k'[A] ; k' = k[B] (5)
dt dt dt dt

ปฏิกิริยาทีมีสมการกฎอตั ราตามสมการที (5) จะเรียกว่า ปฏิกิริยาอนั ดบั หนงึ เทียม (Pseudo first-
order reaction) หมายถึง อตั ราการเกิดปฏิกิริยาขึนa กบั ความเข้มข้นของสารเพียงชนิดเดียว โดยสมมตุ ิให้
อีกสารหนงึ มีความเข้มข้นทีคงทีไม่เปลียนกบั เวลา คา่ คงทีอตั รา (k’) คือ ผลคณู ของค่าคงทีอตั รากับความ
เข้มข้นของสารทีความเข้มข้นไมเ่ ปลยี นกบั เวลา

เมือพิจารณาผลของอณุ หภมู ติ อ่ อตั ราการเกิดปฏิกิริยาตามสมมตุ ฐิ านของอาร์เรเนียส (Arrhenius)
ในปี __Q ดงั นี a

- Ea (6)

k = A e RT

เมอื A คอื พรีเอก็ ซโ์ ปรเนลเซยี สแฟกเตอร์ (Pre-exponential factor)
Ea คอื พลงั งานกระต้นุ (Activation energy)
R คือ คา่ คงทีของแก๊ส (Gas constant) 8.3143 J K-1mol-1
T คอื อณุ หภมู สิ มั บรู ณ์ (Temperature, K)

จากสมการที (6) ข้างต้นเขียนให้อยใู่ นรูปลอการิทมึ (Logarithm) ได้ดงั นี a (7)

ln k = ln A - Ea
RT

ทดลองทีอณุ หภมู ติ า่ งๆ เชน่ T1 และ T2 จะได้

ln k1 = ln A - Ea (8)
RT1 (9)

ln k2 = ln A - Ea
RT2

นําสมการ (9) ลบด้วยสมการ (8) จะได้วา่

ln k2 = Ea  1 − 1  (10)
. 
k1 R  T1 T2 

ปฏิกิริยาทีใช้ในสําหรับการทดลองนี aเรียกว่า Iodine clock reaction คอื การศกึ ษาจลนศาสตร์

ของปฏิกิริยาระหวา่ งไฮโดรเจนเปอออกไซด์ (Hydrogen peroxide, H2O2) กบั กรดไฮโดรไอออดกิ
(Hydroiodic acid, HI) ตามปฏิกิริยาข้างลา่ งนี a

H2O2 (aq) + 2HI(aq) →I2 (aq) + 2H2O(l) (11)

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 28

หรือ H2O2 (aq) + 2H+(aq) + 2I-(aq) →I2 (aq) + 2H2O(l)
สมการกฎอตั ราดฟิ เฟอเรนเซียว (Differential rate law) ของปฏิกิริยานี aเขียนได้ดงั นี aคอื

rate = - d[H2O2 ] = - 1 d[HI] = + d[I2 ] = + d[H2O] (12)
dt 2 dt dt dt

หรือ rate = - d[H2O2 ] = - 1 d[H+ ] = - 1 d[I− ] = + d[I2 ] = + d[H2O]
dt 2 dt 2 dt dt dt

สมการกฎอัตราของปฏิกิริยานี a จะประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ส่วนทีไม่มีการเร่งปฏิกิริยา
(Noncatalyst) และส่วนทีมีการเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ดงั นี a

rate = kobs[H2O2 ][I- ] = knoncat[H2O2 ][I- ] + kcat[H+ ][H2O2 ][I- ] (13)

อาจเขียนให้อย่ใู นรูปอย่างงา่ ย ได้เป็น

rate = k[H2O2 ][HI] (14)

สมการกฎอตั รา เป็ นไปตามสมการ (14) แสดงว่า ปฏิกิริยามีอนั ดบั รวมของปฏิกิริยาเป็ นปฏิกิริยา
อนั ดบั สอง โดยมกี ลไก (Mechanism) ทีอาจเป็ นไปได้ 5 ขนั a ตอน โดยขนัa ตอนที 1-3 เป็ นขนัa ตอนทียงั ไม่มี
การเร่งปฏิกิริยา และขนัa ตอนที 4-5 เป็ นขนัa ตอนทีมกี ารเร่งปฏิกิริยา ดงั นี aคอื

ขนั a ตอนที 1: I- + H-O-O-H → H-O-I + −O-H (slow)
ขนั a ตอนที 2: I- + H-O-I → I2 + −O-H (fast)
ขนั a ตอนที 3: − O-H + H+ → H-O-H (fast)
ขนั a ตอนที 4: H+ + H-O-O-H ⇌ H-O-O-H2+ (fast)
ขนั a ตอนที 5: I- + H-O-O-H+2 → H-O-I + H-O-H (fast)

ขนัa ตอนที 1 เป็ นขนัa ทีเกิดปฏิกิริยาได้ช้า (Slow) ถือเป็ นขนัa กําหนดอตั รา (The rate determining step) และ
ขนัa ตอนที 4 เป็ นขนัa การเกิดโปรโตเนชนั (Protonation) ของ H2O2 จะมีคา่ ∆H= +17.6 kJ/mol

ถ้าในการทดลองนีเa ราจะให้ [HI] = [I-] มีอยู่มากเกินพอจนถือว่าคงทีไม่เปลียนกับเวลา ดังนันa
ปฏิกิริยานีจa ะกลายเป็ นปฏิกิริยาอนั ดบั หนึงเทียม (Pseudo first order reaction) เมือเทียบกบั H2O2 คอื
เขียนสมการกฎอตั ราใหมไ่ ด้เป็ น

rate = k'[H2O2 ] ; k' = k[HI] (15)

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 29

ในการทดลองนีเa ราสามารถหาอตั ราการเกิดปฏิกิริยาได้ โดยการทําปฏิกิริยาระหว่างสารละลาย

H2O2 กบั สารละลาย HI ให้เกิดเป็ น I2(aq) แล้วหยดนําa แป้ ง(Starch) ลงในสารละลายนี aเพือให้นําa แป้ งจบั
กบั I2(aq) เกิดเป็ นสารประกอบเชิงซ้อนทําให้ได้สารละลายมีสีนําa เงินเข้ม (Dark blue) เกิดขึนa จากนนัa เติม
สารละลาย Na2S2O3 ทีทราบปริมาตรแนน่ อนลงไปในสารละลาย จะทําให้สารละลายเปลียนจากสีนําa เงิน
เป็ นไมม่ สี ี (Colorless) เกิดขนึ a ดงั ปฏิกิริยาข้างลา่ งนี a

I2 - starch + 2Na2S2O3 → 2NaI + Na2S4O6 (16)

(dark blue) (colorless)

จบั เวลาทีใช้ในการเปลยี นจากสารละลายไมม่ สี เี ป็นมสี ีอกี ครังa ดงั นนั a เราสามารถหาอตั ราการเกิดปฏิกิริยา

ได้ โดยคิดความเข้มข้นของ [Na2S2O3] เทียบกบั เวลาทีใช้ไป

ทําการทดลองเพือหาพลงั งานกระต้นุ (Activation energy, Ea) ของปฏิกิริยาโดยเปลยี นจากทําที
อณุ หภมู ิห้อง เป็นทําทีอณุ หภมู ิประมาณ 2 0C

คา่ คงทีอตั รา ( k1' ) ทีอณุ หภมู หิ ้อง และคา่ คงทีอตั รา ( k ' ) ทีอณุ หภูมปิ ระมาณ 2 0C จะเป็ นสว่ น
2

กลบั กบั เวลาทใี ช้ในการเกดิ ปฏิกิริยา

เมอื ได้คา่ k1' และ k ' กส็ ามารถหาคา่ Ea ได้ตามสมการ (10)
2

อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipment) ขนาด 1 L จํานวน 1 ขวด
1. ขวดรูปกรวย (Wide-month conical flask) จํานวน 1 เครือง
2. เครืองคนสาร (Stirrer)
3. เทอร์โมมิเตอร์ (Thermometer) ขนาด 10 mL
4. บิวเรต (Burette) ขนาด 50 mL
5. กระบอกตวง (Measuring cylinder)
6. หลอดทดลอง (Test-tube) ขนาด 10 mL
7. ปิ เปต (Pipette) ขนาด 100 mL
8. ขวดปรับปริมาตร (Volumetric flask)
9. นาฬิกาจบั เวลา (Stop clock)
10. อา่ งนําa แข็ง (Ice bath)
11. แมเ่ หลก็ คนสาร (Magnetic stirrer)
12. บีกเกอร์ (Beaker)

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 30

สารเคมี (Materials)
1. กรดซลั ฟิ วริกเข้มข้น (conc. Sulfuric acid, H2SO4)
2. สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (Hydrogen peroxide, H2O2) เข้มข้น 30% v/v
3. สารละลายโซเดยี มไธโอซลั เฟต (Sodium thiosulphate, Na2S2O3) เข้มข้น 0.2 M
4. นําa แป้ ง (Starch solution)
5. สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ (Potassium iodide, KI)

วิธีการทดลอง (Procedure)
1. ละลาย KI P. g ด้วยนําa กลนั mL แล้วเทใส่ wide conical flask ขนาด 1 L
2. ผสม H2SOU conc. ปริมาณ S. mL กบั นําa กลนั PN mL ใสใ่ น beaker ตงั a รอไว้
3. เตรียม P% H2O2 ปริมาณ mL แล้วนํามา P mL ใสใ่ น test tube จากนนั a นําไปแช่เยน็
4. เตรียม .P M Na2S2O3 ใน burette ขนาด mL
5. เมืออณุ หภูมิของสารละลาย KI ในข้อ 1 คงที ทีอณุ หภมู หิ ้อง (T1)
6. เทสารข้อ 3 ลงในสารข้อ " แล้วหยดนําa แป้ ง P-S หยด สงั เกตสีของสารละลายหลงั จากหยดนํา
แป้ ง จากนนัa เปิ ดให้ stirrer ทํางาน
7. เท H2O2 ลงในสารข้อ 6 พร้อมปลอ่ ย Na2S2O3 ทีเตรียมไว้ใน burette S. mL แล้วเริมจบั เวลา
ทนั ที
8. บนั ทกึ เวลาทีสารละลายเริมมีสี (สงั เกตสีของสารละลายทีได้) พร้อมกบั ปลอ่ ย Na2S2O3 ทนั ทีอีก

S. mL แล้วสงั เกตการเปลยี นแปลงสลี ะลายทีได้ (สีของสารละลายจะจางหายไป) บนั ทกึ เวลาทีสีของ
สารละลายเริมกลบั มาอีกครังa พร้อมกบั ปลอ่ ย Na2S2O3 อกี S. mL จนครบ Q. mL บนั ทกึ เวลาทีใช้ และ
วดั อณุ หภมู ิอกี ครังa

9. ทําการทดลองเหมอื นเดมิ โดยใช้ 0.2 M Na2S2O3 และทําทอี ณุ หภูมิประมาณ 5 ๐C

คาํ ถาม (Questions)
1. จงคํานวณหาคํานวณหาความเข้มข้นเริมต้นของ HI, H2O2, Na2S2O3 ทีใช้ในการทดลองแตล่ ะครังa
2. จงหาคา่ Ea ของปฏิกิริยานี a
3. จากผลการทดลองจดั เป็นปฏิกริ ิยาอนั ดบั ใด จงอธิบาย
4. คา่ คงทีอตั รากบั อณุ หภมู ิมีความสมั พนั ธ์กนั อย่างไร จงอธิบาย
5. เพราะเหตใุ ด ในปฏิกริ ิยานีคa า่ คงทอี ตั ราจึงมีคา่ เทา่ กบั สว่ นกลบั ของเวลาทีใช้ในการเกิดปฏิกิริยา
6. เพราะเหตใุ ด ปฏิกิริยานีจa ึงเรียกว่า Iodine-Clock Reaction จงอธิบาย

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 31

เอกสารอ้างองิ (References)
1. Christine L. Copper, and Edward Koubek. A Kinetics Experiment To Demonstrate the Role of
a Catalyst in a Chemical Reaction: A Versatile Exercise for General or Physical Chemistry
Students. J. Chem. Educ., 1998, 75 (1), 87-89.
2. Prem D. Sattsangi. A Microscale Approach to Chemical Kinetics in the General Chemistry
Laboratory: The Potassium Iodide Hydrogen Peroxide Iodine-Clock Reaction. J. Chem. Educ.,
2011, 88, 184-188.
3. J.M. Carraher, Sarah M. Curry, and Jean-Philippe Tessonnier. Kinetics, Reaction Orders, Rate
Laws, and Their Relation to Mechanisms: A Hands-On Introduction for High School Students
Using Portable Spectrophotometry. J. Chem. Educ., 2016, 93 (1), 172–174.

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 32

การทดลองที 4
การหามวลโมเลกุลของพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ โดยการวัดความหนืด
(Determination of the Molar Mass of Polyvinyl Alcohol by Viscosity Measurement)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) เพือให้นิสิตสามารถ
1. เตรียมสารละลายพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (Polyvinyl alcohol, PVOH) ทีมีความเข้มข้นตงัa แต่ 0.19 %w/v
ถงึ 1.50 %w/v ได้
2. ใช้เครืองวดั ความหนืดแบบออสวาลด์ (Ostwald viscometer) เพือวดั ความหนืดของสารละลายพอลิไว
นิลแอลกอฮอล์ (Polyvinyl alcohol, PVOH) ทมี คี วามเข้มข้นตงั a แต่ 0.19 %w/v ถงึ 1.50 %w/v ได้
3. ใช้สมการทีเกียวข้อง เพือคํานวณหามวลโมเลกุลของสารพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (Polyvinyl alcohol,
PVOH) ได้

หลักการและทฤษฏี (Theoretical background)
การไหลของของเหลวเปรียบเสมือนว่าประกอบด้วยชนัa บางๆ ทีเรียกว่า ลามินา (Lamina) ไหล

ผ่านกนั โดยแต่ละชันa จะมีความเร็วคงที แต่แตกต่างกัน ซงึ การไหลของของเหลวจะมีความต้านทานการ
ไหล เรียกว่า ความหนืด (Viscosity) การเคลือนทีของแต่ละชันa ของของเหลวจะเป็ นแบบการเคลือนทีที
สมั พนั ธ์ระหวา่ งของเหลวสองชนั a พิจารณารูป . ซงึ แสดงถงึ สว่ นหนงึ ของของไหล

รูป " แสดงถงึ สว่ นหนงึ ของของไหลในแนวแกน x

โดยของเหลวมีทิศทางการไหลในแนวแกน x สว่ นแกน z จะตงั a ฉากกบั ชนัa ของลามิน่า โดย vx เป็ น
ความเร็วของของเหลวในแนวแกน x ในขณะทีของเหลวแตล่ ะชนัa เคลือนที จะเกิดแรงเสยี ดทาน fx ภายใน
ระหว่างชนัa โดยจะเป็ นไปตามกฎการไหลของนิวตนั (Newton’s Law) ซงึ แรงเสียดทาน fx ดงั กลา่ วจะแปร

ผนั โดยตรงกบั อตั ราการเปลียนแปลงความเร็ว (Velocity gradient, ∂vx/∂z) และพืนa ทีของชนัa ของเหลวที
เคลือนที

Fx ∝ A ∂vx (1)
∂z

fx = Fx = η ∂v x
A ∂z

ค่มู ือปฏบิ ัติการเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 33

เมอื Fx = แรงเสยี ดทานบนพืนa ที A
fx = แรงเสยี ดทานต่อหนงึ หน่วยพืนa ที
∂vx/∂z = อตั ราการเปลยี นแปลงความเร็วในแนวแกน z
η = สมั ประสทิ ธuิของความหนืด (Viscosity coefficient)

คา่ สมั ประสิทธuิของความหนืด (Viscosity coefficient, η ) (อกั ษรกรีก η อา่ นวา่ อีต้า (eta)) หรือ
เรียกว่า ความหนืด (Viscosity) จะขึนa กบั อณุ หภูมิ ความดนั และองค์ประกอบของของเหลว ซงึ มีหน่วยใน
ระบบ cgs เป็ น พอยส์ (centipoise, cP) และมหี นว่ ยในระบบ SI เป็ น kg m-1 s-1 โดยที

1 cP = 1 x 10-3 kg m-1 s-1 = 1 x 10-3 Pa s

ตารางที 1 ความหนืดของของเหลว (The viscosities of liquids) ทีอณุ หภูมิ 25 oC (298 K)

ของเหลว (Liquids) สูตรเคมี (Chemical formula) ( )η 10-3 kg m-1 s-1

กรดซลั ฟิ วริก (Sulfuric acid) H2SO4 27
ปรอท (Mercury) Hg 1.550
เอธานอล (Ethanol) CH3CH2OH 1.06
นําa (Water) H2O 0.891
คาร์บอนเตตะคลอไรด์ CCl4 0.880
(Carbon tetrachloride)
เบนซนิ (Benzene) C6H6 0.601
โพรเพน (Propane) CH3CH2CH3 0.224
เพนเทน (Pentane) CH3(CH2)3CH3 0.224

หมายเหตุ จากตารางข้างต้น แสดงให้เหน็ วา่ ความหนืดของนําa ทีอณุ หภูมิ 25 oC มีคา่ เทา่ กบั 0.891 cP

การหาความหนืดโดยวิธีไหลผ่านในหลอดคะปี ลารี (Capillary-flow Method)
การหาความหนืดโดยวิธีนีงa ่ายและสะดวก ซึงจะเป็ นการหาอตั ราการไหลของปริมาตรของของเหลวผ่าน
หลอดยาวๆ ทมี ีพืนa ทีหน้าตดั เป็นวงกลม เพือให้งา่ ยตอ่ การพิจารณาจงึ จะตงัa ข้อสมมตฐิ าน ดงั นี a

. ของเหลวจะมลี กั ษณะทีไมส่ ามารถบีบหรือขยายได้ และจะมีลกั ษณะเป็ นชนัa ลามนิ าบางๆ
P. การไหลของชนัa ลามินา จะขนานกบั ผนงั ของหลอด ดงั นนัa แตล่ ะชนัa ของลามินาจะมลี กั ษณะเป็ น
รูปทรงกระบอกทีมแี กนร่วมเดยี วกบั หลอด พิจารณาจากรูปที P
S. ชันa ลามินาทีถดั จากผนงั สมมตุ ิว่าเป็ นชนัa ทีติดกบั ผนงั ดงั นนัa ความเร็วของชนั a ลามินาทีผนังจะมี
คา่ เป็ นศนู ย์ และจะเพิมขนึ a เรือยๆ จนมคี ่าสงู สดุ เมือเคลอื นทีถงึ จุดศนู ย์กลางของหลอด

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 34

U. การไหลของของเหลวจะเป็ นไปอย่างสมําเสมอ ซงึ หมายความว่าความเร็วของของไหล ณ จุด
ตา่ งๆจะมคี า่ คงที

รูปที 3 (ก) การไหลของของเหลว (ข) แสดงชนัa ลามนิ า่ ทีมีแกนร่วมเดียวกบั หลอด

ความเร็วของชนัa ลามนิ าภายในหลอดจะมีคา่ สงู กวา่ ความเร็วของชนัa ลามินาทีผนงั แรงดนั P ทีใช้ขบั
ของเหลวให้เคลอื นจากจดุ a ไปยงั จดุ b ในแนวทิศการไหลของของเหลวสามารถหาได้จากสมการ (2)

Pa = Pa − Pb + ρg (ha − hb ) (2)

เมอื Pa และ Pb = ความดนั ภายนอกทจี ดุ a และ b
ha และ hb = ความสงู ทีอ้างองิ กบั ระดบั ใดๆ
ρ = ความหนาแนน่ ของของเหลว
g = แรงโน้มถ่วงของโลก (Gravitational constant) 6.674x10-11 m3 kg-1 s-1

ค่า P จะมีคา่ เป็ นบวก ถ้าเป็ นการไหลจากจุด a ไปยงั จุด b ในกรณีการไหลอย่างสมําเสมอของ

ของเหลวผา่ นหลอดรูปทรงกระบอก คา่ แรงดนั P จะเป็ นค่าของแรงต่อหนึงหนว่ ยพืนa ทีทีกระทําตอ่ ของเหลว

เพือให้มอี ตั ราการไหลอยา่ งสมําเสมอนนั a เอง ดงั นนัa แรงดงึ ลง → ทีกระทําต่อชนั a ลามินา่ รูปทรงกระบอกสอง

F

ชนัa ทมี รี ัศมี r และ r + dr จะมคี า่ เทา่ กบั πr2P

→ (3)

F = πr 2 P

ในขณะทีของเหลวไหลลงจะเกิดแรงเสียดทานของการไหลขึนa แรงเสียดทาน ← ทีเกิดขึนa ระหว่าง

F

ชนัa ลามนิ ารูปทรงกระบอกทีมพี ืนa ที 2πrl (โดยที l คือความยาวของหลอด) หาได้จากสมการ ( )

← = η(2πrl) ∂v (4)

F ∂r

ค่มู ือปฏิบัติการเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 35

คา่ ∂v/∂r คอื การเปลยี นความเร็วไปเลก็ น้อย เมอื r เปลียนไปเลก็ น้อยจากสมมติฐานที S จะได้ว่า

ความเร็วลดลงในขณะที r มคี า่ เพิมขนึ a ดงั นนัa คา่ ∂v/∂r จงึ มีค่าเป็ นลบทําให้สมการ (U) ต้องตดิ คา่ ลบ จึงจะ

ได้คา่ ← เป็ นบวกสําหรับการไหลอย่างสมาํ เสมอจะได้วา่

F

แรงดงึ ลง → = แรงเสียดทาน ←

F F

πr 2 P = η(2πrl) ∂v
∂r

เมือ v เป็ นความเร็วของของไหลในชันa ลามินาทีมีรัศมี r ค่าความเร็วนีจa ะมีค่าเป็ นบวกในทิศ
ทางการไหล ทําการแยกคา่ ตวั แปร r และ v พร้อมทงัa ทําการอินทิเกรท จากผนงั หลอด (r=R , v=0) จนถึง
รัศมไี ดๆ จะได้คา่ ความเร็ว v ดงั สมการ ( )

∫ ∫v P r

dv = rdr
0 2ηl R
(5)
v = P (R2 − r2 )
4ηl

ปริมาตรของของเหลวทีผ่านพืนa ทีหน้าตดั 2πrdr (ดูรูปที P) ในหน่วยเวลา  dV  มีค่าเท่ากับ
 dt 

(2πrdr) ดงั นนั a ปริมาตรทงัa หมดหาได้จากการอนิ ทิเกรทดงั นี a

∫dV = R (2πrdr ) = πpR 4 (6)
dt 0 8ηl

คา่ P จะมีคา่ คงทีในเวลาหนงึ ๆ ดงั นนัa ปริมาตร V ทีไหลผา่ นพืนa ทีหน้าตดั ใดๆ ในหนว่ ยเวลา t จะมีคา่

V = πpR4t (7)
8ηl

สมการ (N) เรียกวา่ “สมการฮากาน-พอยส์อลิ เล (Hagan-Poiseuille equation)”

วิสโคมเิ ตอร์ (Viscometer)
เครืองมือวดั คา่ ความหนืดเรียกว่า วิสโคมิเตอร์ มีอยู่หลายแบบแตใ่ นการทดลองนีใa ช้แบบการไหล

ผา่ นในหลอดคาปิ ลารี (Capillary) โดยใช้วิสโคมิเตอร์แบบออสวาลด์ (Ostwald viscometer) แสดงดงั รูป S
เครืองมือจะเป็ นรูปหลอดตวั U ประกอบด้วยกระเปาะ D และ E ทางตอนบนและตอนลา่ งของกระเปาะ E
จะมเี ครืองหมายขีดไว้สองตําแหนง่ คอื A และ B และทางปลายกระเปาะ E จะมีหลอดคาปิ ลารีตดิ อยู่

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 36
Measuring lines
Capillary

รูป 3 วสิ โคมเิ ตอร์แบบออสวาลด์ (Ostwald viscometer)

ของเหลวจํานวนแน่นอนจะถกู บรรจทุ างด้านปลาย C แล้วใช้ลกู ยางดดู สารทางปลายกระเปาะ E
ให้ของเหลวไปอยู่เหนือระดบั A ปริมาตรทีเหมาะสมในการทดลองคือ ปริมาตรตงัa แตร่ ะดบั A ลงไปจนถึง
ตอนลา่ งของกระเปาะ D ปริมาตรทีใช้ทกุ ครังa จะต้องเท่ากนั จากนนัa จบั เวลาทีของเหลวไหลจากระดบั A ถงึ
ระดบั B เรียกเวลาในการไหลว่า flow-time (t) แรงดนั P จากสมการ (P) จะมคี า่ ρgh เมือ h หมายถงึ
ความสูงของผิวหน้าของของเหลวทีแตกต่างกนั ในกระเปาะทงัa สอง โดยคิดว่าความดนั ภายนอกทีผิวของ
ของเหลวทีกระเปาะทงัa สองมีคา่ เท่ากนั ดงั นันa จากสมการของ กาฮาน-พอยส์อิลเล สมการ (N) จะสามารถ
คาํ นวณหาคา่ η ได้จากสมการ (_)

η = πR 4 ρght (8)
8vl

เพือหลีกเลยี งความย่งุ ยากในการหาคา่ η โดยตรงจากสมการ (_) จะกําหนดให้

A = πR 4 ght
8vl

ซงึ เป็ นค่าคงทีของวิสโคมิเตอร์แต่ละอนั โดยขึนa กับขนาดของวิสโคมิเตอร์นนั a ๆ ทําให้สมการ (_) สามารถ
เขียนได้ง่ายๆ เป็นสมการ (Q) ได้ดงั นี a

η = Aρt (9)

เมือกําหนดสมการ (Q) ขึนa มาดงั นันa ในการทดลองหาคา่ ความหนืด η ของของเหลวใดๆ จึงเป็ น
การเปรียบเทียบกับความหนืดของของเหลวทีรู้ค่า และจะต้องทําการทดลองในวิสโคมิเตอร์อนั เดียวกัน
สมมตถิ ้ามขี องเหลวสองชนิดแล้วทําการหาความหนืด η โดยใช้วิสโคมิเตอร์อนั เดยี วกนั จะได้วา่

ของเหลวชนิดที 1 = η1 = Aρ1t1
ของเหลวชนิดที 2 = η2 = Aρ 2t2

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 37

ดงั นนั a η1 = ρ1t1 (10)
η2 ρ2t2

ในสมการ (10) ถ้าทราบคา่ η2 , ρ1, ρ2, t1 และ t2 ก็จะหาคา่ η1 ได้

การหามวลโมเลกุลของแมคโครโมเลกุล (Macromolecule)
การหามวลโมเลกุลของสารทีมีมวลโมเลกุลสงู พวกแมคโครโมเลกุลตงัa แต่ , ถึง , ,

อาจหาได้จากคา่ การวดั คา่ การลดตําลงของจุดเยือกแข็ง (Freezing point depression) การวดั คา่ สงู ขึนa

ของจุดเดือด (Boiling point elevation) หรือการวดั หาคา่ การลดลงของความดนั ไอ (Vapor pressure

lowering) ของสารละลาย แต่ค่าทีได้ด้วยวิธีการข้างต้นนีไa ม่ค่อยจะดีนกั มีอีกวิธีหนึงทีนิยมใช้คือ วดั หา

ความดนั ออสโมติค (Osmotic pressure) ของสารละลาย แต่วิธีการนีใa ช้เวลาในการทดลองคอ่ นข้างนาน

ส่วนวิธีทีสะดวก ให้ผลค่อนข้างดีและเป็ นทีนิยมทํากันมากคือ การวัดความหนืด (Viscosity) ของ

สารละลาย

ในการหามวลโมเลกลุ ของสารโดยการวดั ความหนืดของสารละลายนี aจะเป็นการเปรียบเทียบความ

หนืดของสารละลาย (η ) (สญั ลกั ษณ์ η อา่ นว่า อีต้า (eta)) กบั ความหนืดของตัวทําละลายบริสุทธxิ

(η0 ) เรียกความสมั พนั ธ์ทีได้ว่า ความหนืดสัมพทั ธ์ (Relative viscosity, ηr )

ηr = η (11)
η0

จากสมการ (Q) และสมการ ( ) สามารถหาความสมั พนั ธ์ของค่าความหนืดสมั พทั ธ์ ได้ดงั สมการ

( P)

η = Aρt (12)
Aρ0t0

โดย A คือ คา่ คงทีของวิสโคมิเตอร์ ในกรณีทีสารละลายเจือจางมากๆ (ความเข้มข้นน้อยกว่า 2%

w/v) พอจะอนุมานได้ว่าความหนาแน่นของสารละลาย (Density of solution, ρ0) มีค่าเท่ากับความ
หนาแน่นของตวั ทําละลายบริสทุ ธuิ (Density of pure solvent, ρ ) ดงั นนัa สมการจะถูกลดรูปเหลือดงั

สมการ ( S)

ηr =η = t (13)
η0 t0

เมือสารละลายมีความเข้มข้นเพิมขึนa ความหนืดจะมีค่าเพิมขึนa ตามไปด้วย สามารถหาค่าการ
เพิมขนึ a ของความหนดื ได้ โดยการเปรียบเทียบคา่ ความหนืดทีความเข้มข้นตา่ งๆ กบั คา่ ความหนืดของตวั ทํา
ละลายบริสทุ ธuิ เรียกความสมั พันธ์นีวa า่ ความหนืดจาํ เพาะ (Specific viscosity, ηsp ) ซงึ เขียนเป็ นสมการ
ได้ดงั นี a

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 38

η sp = η −η0 = t − t0 = ηr −1 (14)
η0 t0

ผลของความหนืดทีความเข้มข้นต่างๆ พบว่า ถ้าความเข้มข้นของสารละลายทีเพิมขึนa ค่าความ
หนืดจะเพิมขึนa ด้วย ดงั นันa ถ้าจะไม่คํานึงถึงผลของความเข้มข้น ก็คือพิจารณาค่าความหนืดจําเพาะใน

หน่วยความเข้มข้น (c) นันเอง เรียกความสัมพันธ์อันใหม่ทีได้นีวa ่า ความหนืดลดทอน (Reduced
viscosity, η red ) หรือ เรียกว่า จาํ นวนความหนืด (Viscosity number)

η red = η sp (15)
c

เมือ c = ความเข้มข้นของสารละลายในหน่วยกรัมของตวั ถกู ละลายต่อ 100 cm3 ของสารละลาย (g/100
cm3)

แต่อยา่ งไรก็ตามความหนืดลดทอน η red ยังคงขึนa อยู่กบั ความเข้มข้นของสารละลายอีกเล็กน้อย
ดงั นนัa ถ้าจะทําการแก้ปัญหานี aสามารถทําได้โดยการเขียนกราฟระหว่างค่าความหนืดลดทอน η red กบั ค่า
ความเข้มข้น c (ดงั รูป U) แล้วตอ่ เส้นกราฟไปทีความเข้มข้นเทา่ กบั ศนู ย์ เรียกความสมั พนั ธ์ของความหนืด
นีวa า่ ความหนืดภายใน (Intrinsic viscosity, [η ]) ซงึ เป็ นไปตามสมการของ อกั กินส์ (Huggins)

η sp = [η ] + k '[η ]2 c (16)
c

[η ] = lim η sp  (17)
 
c→0 c 

นอกจากนียa งั พบวา่ ค่าความหนืดภายใน [η ] สามารถหาได้จากกราฟความสมั พนั ธ์ระหว่างค่า
ความหนืดแท้ (Inherent viscosity, )η inh กบั ค่าความเข้มข้น c ดงั รูป U โดยมีความสมั พนั ธ์ดงั สมการ
ของ เครเมอร์ (Kraemer)

η inh = lnηr = [η] + k"[η]2 c (18)
c

[η ] = lim c→0  lnη r  (19)
 c 

ค่า k ' และ k" ในสมการฮกั กินส์ และ เครเมอร์ เป็ นคา่ คงทีของพอลเิ มอร์ในตวั ทําละลายหนงึ ๆ และค่า
ความสมั พนั ธ์ของคา่ คงทีทงัa 2 นีคa อื k'−k" = 0.5

รูปกราฟทีเขียนระหวา่ ง ηsp/c กบั ความเข้มข้น c โดยมากมกั จะได้ค่าความชนั เป็ นบวก และ คา่ ที
ได้คอ่ นข้างสงู ในขณะทีกราฟความสมั พนั ธ์ระหวา่ งคา่ ηsp/c กบั ความเข้มข้น c คา่ ความชนั ทีได้จะเป็ นลบ

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 39

น้อยๆ แต่อย่างไรกต็ าม กราฟทังa สองเส้นเมอื ลากต่อไปยังความเข้มข้นเท่ากับศูนย์ จะพบทีจุดเดียวกนั ก็
คอื คา่ ความหนืดภายใน [η ] แสดงดงั รูป U

รูป 4 กราฟความสมั พนั ธ์ระหวา่ งคา่ ของ (ก) ηsp/c และ (ข) (lnηr )/c กบั ความเข้มข้น (c)

ความสัมพนั ธ์ของค่าความหนืดภายใน (Intrinsic viscosity, [η ]) กบั มวลโมเลกุล (Molar mass)
คา่ ความหนืดภายใน (Intrinsic viscosity, [η ]) กบั มวลโมเลกลุ (Molar mass) ของสารพอลิเมอร์

มีความสัมพันธ์กัน ดังสมการของ มาร์ ค-คุณ-โฮวินค์-ซากุราดะ (Mark-Kuhn-Houwink-Sakurada

equation)

[η ] = KM a (20)

เมือ K = คา่ คงทีสําหรับพอลเิ มอร์ในตวั ทําละลายทกี ําหนด หนว่ ยเป็ น cm3/g

a = ค่าคงทีขึนa อยู่กบั รูปร่างของพอลิเมอร์ ซึงจะมีค่าเปลียนแปลงตงัa แต่ 0.5 ซงึ ถือว่า

รูปร่างของสายโซโ่ มเลกลุ พอลิเมอร์มีลกั ษณะขดกนั เป็ นก้อน (Well-coiled polymer moleculesr) จนถึง a

มีคา่ มากทีสดุ เป็ น 1.7 ซงึ ถือว่ารูปร่างของสายโซ่โมเลกลุ พอลิเมอร์มีการยืดตวั ออกจนมีลกั ษณะคล้ายเป็ น

แทง่ (Rod-like polymer molecules)

M = มวลโมเลกุลของพอลิเมอร์ ซึงเป็ นมวลโมเลกุลเฉลียโดยความหนืด (The

viscosity-average molar mass) และจะเขียนอยใู่ นรูป M a
v

ดงั นนัa [η ] = KM a (21)
v

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

ตารางที 2 คา่ K และ a ของพอลเิ มอร์บางชนดิ | 40

Polymer Solvents T (oC) K (cm3 /g) a
0.74
Polystyrene Benzene 25 9.5 x 10-3 0.50
Cyclohexane 34 8.1 x 10-2 0.50
23 8.3 x 10-2 0.50
Polyisobutylene Benzene 34 2.6 x 10-2
Cyclohexane 25 11.3 x 10-2 0.66
0.76
Amylose 0.33 M KCl(aq) 25 7.2 x 10-3

Various proteins Guanidine hydrochloride + 2.0 x 10-4
HSCH2CH2OH

Polyvinyl alcohol Water

สาํ หรับกรณีของพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ ทีละลายในนําa ที P C̊ Flory และ Leutner ได้ทดลองหาค่า

K และ a แล้วเขียน Mark-Kuhn-Houwink-Sakurada equation ได้ดงั สมการ (PP)

[η ] = 2.0 ×10 −4 M 0.76 (PP)
v

หรือ Mv = 7.6 ×104[η]1.32

เมือ M v = คา่ มวลโมเลกลุ เฉลียโดยความหนืด (The viscosity-average molar mass)

มวลโมเลกุลเฉลียโดยจาํ นวน ( Mn ) , โดยนํา~ หนัก ( Mw) และโดยความหนืด ( Mv )
โดยปกติมวลโมเลกุลของพอลิเมอร์ชนิดหนงึ ๆ จะเป็ นค่าเฉลีย เนืองจากพอลิเมอร์ทีเตรียมได้จะมี

ความยาวของสายพอลเิ มอร์ไมเ่ ทา่ กนั ทงัa หมด ดงั นนัa ในการหามวลโมเลกุลของพอลิเมอร์จึงต้องคิดเฉลีย ซงึ

อาจคดิ เฉลยี จากจํานวน หรือคิดเฉลียจากนําa หนกั ก็ได้ ในกรณีทีคดิ เฉลียจากจํานวนเรียกวา่ มวลโมเลกุล

เฉลียโดยจาํ นวน (Number-average molecular weight, M n ) และถ้าคิดเฉลียจากนําa หนกั เรียกมวล
โมเลกุลเฉลียโดยนํา~ หนัก (Weight-average molecular weight, M w ) สามารถเขียนเป็ นสมการทาง
คณิตศาสตร์ ได้ดงั นี a

∑∑M n = NiM i (23)
Ni

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 41

∑∑M w = wi M i (24)
wi

เมือ Ni = จํานวนโมเลกลุ ของสายพอลิเมอร์ i

Mi = มวลโมเลกลุ ของสายพอลเิ มอร์ i

wi = นําa หนกั ของสายพอลเิ มอร์ i

สําหรับมวลโมเลกุลเฉลียโดยความหนืด (Viscosity-average molecular weight, M v ) เป็ น

การหามวลโมเลกุลซงึ มีการพิจารณาทางจํานวน และขนาดโมเลกุลประกอบกัน ด้วยเหตนุ ีจa ึงให้ค่า M v

และเนืองจากค่า M v ขึนa กบั ค่าคงที a ซงึ ขึนa อยู่กบั รูปร่างของพอลิเมอร์ในตวั ทําละลายอีกด้วยดงั นันa

ความสมั พนั ธ์ทางคณิตศาสตร์ของ M v เขียนได้ดงั สมการ (P )

∑ 1

wi M a  a (P )
i 
=∑M v
 wi 

แตน่ ําa หนกั ทงัa หมดหาได้จาก

∑ ∑w = wi = Ni M i

ดงั นนัa สมการ (24) และ (25) เขียนใหมไ่ ด้เป็ น

∑∑M w = N i M 2 (26)
i (27)

NiM i

∑ 1

Ni M 1+ a  a
i 
∑M v=
 N i M i 

จากสมการ (PK) และ (PN) เมือพิจารณาจะเห็นว่าคา่ M v จะมีคา่ เทา่ กบั คา่ Mw เมือค่า a = 1
สาํ หรับ PVA คา่ a = 0.76 Flory และ Leutner ได้หาความสมั พนั ธ์ระหวา่ งคา่ M v และ Mw ได้ดงั สมการ
(P_)

M v = 1.89M n (28)

อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipment) จํานวน 1 เครือง
1. เครืองวสิ โคมเิ ตอร์แบบออสวาลด์ (Ostwald viscometer) จํานวน 1 เครือง
2. นาฬิกาจบั เวลา (Stop watch)
3. ขวดปรับปริมาตร (Volumetric flask) ขนาด 100 ml
4. ปิ เปต (Pipette) ขนาด 10 ml และขนาด 50 ml
5. อา่ งควบคมุ อณุ หภมู ิ (Water bath)
6. ลกู ยางดดู สารละลาย

ค่มู อื ปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 42

สารเคมี (Materials)
1. พอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ (Polyvinyl alcohol, PVOH)
2. นําa กลนั (Distilled water)

วธิ ีการทดลอง (Procedure)
1. เตรียมสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ (Polyvinyl alcohol, PVOH) ทีความเข้มข้นตา่ งๆ ดงั นี a
1.50 % w/v, 0.75 % w/v, 0.38 % w/v และ 0.19 % w/v
1.1. เตรียมสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 1.50 % w/v จํานวน 100 cm3

ชงั พอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ จํานวน 1.50 กรัม ในขวดชงั สาร แล้วคอ่ ยๆ เทพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ลง
ในบีกเกอร์ จากนนัa เติมนําa กลนั ประมาณ 80.0 cm3 คนสารละลายเบาๆ ระวงั อยา่ ให้เกิดฟอง เพือให้การ
ละลายของ PVOH ดขี ึนa ควรอนุ่ สารละลายทีอณุ หภูมปิ ระมาณ 70 – 80 ̊C เมอื PVOH ละลายหมดตงัa ทิงa
ไว้ให้สารละลาย PVOH เยน็ ทีอณุ หภูมหิ ้อง จากนนั a เทสารละลาย PVA ลงในขวดวดั ปริมาตรแล้วปรับ
ปริมาตรด้วยนําa กลนั จนมปี ริมาตรเป็ น 100 cm3
1.2. เตรียมสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.75 % w/v จํานวน 100 cm3

ปิ เปตสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 1.50 % w/v จํานวน 50 cm3 ใสล่ งในขวดวดั
ปริมาตรขนาด 100 cm3 ทําการเจือจางสารละลายด้วยนําa กลนั จนถงึ ขีดปริมาตร จะได้สารละลายพอลไิ ว
นิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.75 % w/v จํานวน 100 cm3 ตามต้องการ

• ระวัง อย่าให้เกิดฟองในขณะทีทําการทดลอง
1.3. สาํ หรับสารละลายพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.38 % w/v และ 0.19 % w/v
สามารถเตรียมได้โดยวธิ ีเดียวกบั ข้อ 1.2 โดยทีเป็นการเจือจางสารละลายด้วยนําa กลนั ลงครึงหนงึ ดงั นี a

• เจือจางสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.75 % w/v จะได้สารละลายเข้มข้น 0.38 % w/v
• เจือจางสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.38 % w/v จะได้สารละลายเข้มข้น 0.19 % w/v
2. ล้างวสิ โคมิเตอร์แบบออสวาลด์ให้สะอาดด้วยนําa กลนั
3. เชด็ ผิวแก้วด้านนอกของวิสโคมเิ ตอร์ให้แห้ง แล้วทําความสะอาดผิวแก้วด้านในให้แห้งโดยการกลวัa
ด้วยอะซิโตน (Acetone) ครังa ละเลก็ น้อย 2 ครังa จากนนัa ให้ผ่านอากาศเยน็ เข้าไปเพือให้อะซโิ ตนระเหยออก
จนหมด แล้วนําไปอบทีอณุ หภมู ิ 100 ̊C เป็นเวลา 2 ชวั โมง
หมายเหตุ สาํ หรับข้อ 2 และ 3 เจ้าหน้าทีทําการเตรียมไว้ให้นกั ศกึ ษาแล้ว
4. ยดึ วสิ โคมเิ ตอร์ให้อยู่ในแนวดงิ ในอา่ งนําa (Water bath) ควบคมุ อณุ หภูมใิ ห้แนน่ อน 25 ± 1 C̊ โดยให้ระดบั
นําa ในอ่างทว่ มเลยระดบั A ของวิสโคมเิ ตอร์เลก็ น้อย (ดงั รูป 5) จากนนั a ปิ เปตนําa กลนั จํานวน 10.00 cm3 ใสล่ ง
ในวิสโคมิเตอร์ทางปลาย C (ระวงั อย่าให้เกิดฟอง) แล้วดดู นําa กลนั ขนึ a ไปจนเลยขีดระดบั A เลก็ น้อย ถ้าระดบั
นําa กลนั ทีปลายอีกข้างหนงึ ยงั ไม่ถงึ ระดบั ลา่ งของกระเปาะ D ให้ปิ เปตนําa กลนั ทีทราบปริมาตรทีแน่นอนลงไป

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 43

อีก จนระดบั ของสารละลายอย่ทู ีระดบั ลา่ งของกระเปาะ D บนั ทกึ ปริมาตรของนําa กลนั ทเี ติมลงไปทงั a หมด
พร้อมทงัa จดอณุ หภมู ิของนําa ในอา่ งนําa ขณะทําการทดลองไว้ด้วย

รูป 5 การจดั เครืองมือในการทดลองวดั คา่ ความหนืดโดยวิธีวสิ โคมเิ ตอร์
5. จบั เวลาทีนําa กลนั ไหลจากระดบั A ถงึ B ของกระเปาะ E แล้วทําซําa อีก 2 ครังa เวลาทีของเหลวไหลจาก
ระดบั A ถึง B เรียกวา่ flow-time ของของเหลว และคา่ flow-time ทีได้จากการทดลองในแตล่ ะครังa ไมค่ วร
ตา่ งจากคา่ เฉลียเกิน 2%
6. หา flow-time ของสารละลายพอลไิ วนลิ แอลกอฮอล์ เข้มข้น 0.19 % w/v, 0.38 % w/v, 0.75 % w/v
และ 1.50 % w/v ด้วยวิธีการเดยี วกบั ข้อ 4-5 โดยใช้ปริมาตรของสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ ทีเตมิ ลง
ในวิสโคมิเตอร์เท่ากบั ปริมาตรของนําa กลนั ทีเติมลงไปทกุ ครังa ในขณะทีเติมสารละลายพอลไิ วนลิ
แอลกอฮอล์ พยายามอย่าให้เกิดฟองในวสิ โคมเิ ตอร์ และควรเริมหา flow-time ของสารละลายเจือจางสดุ
ไปยงั สารละลายทีเข้มข้นสดุ ตามลาํ ดบั
หมายเหตุ ถ้าหากสารละลายพอลไิ วนลิ แอลกอฮอล์ ขุ่น ควรทําการกรองสารละลายก่อนทีจะปิ เปตใสล่ ง
ในวิสโคมิเตอร์
7. เมือเสร็จสนิ a การทดลองให้ทําการล้างวิสโคมเิ ตอร์ให้ละอาดด้วยนําa กลนั หลายๆ ครังa เพือป้ องกนั ไมใ่ ห้
สารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ แห้งติดค้างอยใู่ นวิสโคมิเตอร์
8. ทําวิธีการเดยี วกบั ข้อ 2 และ 3

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 44

การวิเคราะห์ข้อมูล (Treatment of data)
1. คาํ นวณหาความหนืด η ของแตล่ ะสารละลายพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ จากสมการ (13) โดยทีคา่ ความ
หนืดของนําa กลนั η0 ทีอณุ หภูมิขณะทําการทดลอง สามารถค้นคว้าได้จากหนงั สืออ้างอิง
2. คาํ นวณคา่ ความหนืดรูปแบบตา่ งๆ แล้วเสนอรายงานเป็ นรูปตารางดงั นี a

ความเข้มข้น Flow-time, t (s) ηr = t ηsp = ηr −1 η red = η sp η inh = ln η r
t0 c c
PVA (%w/v) 1 2 3 เฉลีย

0 (นําa กลนั ) t0 =
0.19

0.38

0.75

1.50

หมายเหตุ η0 หาจากหนงั สืออ้างอิง

3. ใช้โปรแกรม Microsoft Excel เขียนกราฟระหวา่ ง η red และ η inh กบั ความเข้มข้น C % (v/w) ลงกราฟ
รูปเดียวกนั แล้วทําการลากกราฟไปทคี วามเข้มข้น C = 0 จะสามารถหาคา่ ความหนืดภายใน (Intrinsic

viscosity, [η ]) ได้

4. คํานวณหามวลโมเลกลุ เฉลียโดยความหนืด ( M v ) ของพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ จากสมการ Mark-

Kuhn-Houwink-Sakurada, [η] = KM a โดยในกรณีของพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ ในนําa ที 25 C̊ คา่ K =
v

2.0 x 10-4 cm3/g และคา่ a = 0.76

5. คาํ นวณหามวลโมเลกุลเฉลียโดยจาํ นวน ( M n ) ของพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ จากสมการ (28)

คาํ ถาม (Questions)
1. การทีความหนดื ของของเหลวมีค่าตา่ งกนั นนัa มปี ัจจยั มาจากสาเหตใุ ดบ้าง? อธิบายพร้อมทงัa บอกเหตผุ ล
มาโดยละเอยี ด
2. ขีดจํากดั ของวธิ ีการหามวลโมเลกลุ โดยการวดั ค่าความหนืดมอี ะไรบ้าง
3.จงเขียนโครงสร้างทางเคมขี องพอลิไวนลิ แอลกอฮอล์และแสดงการหานําa หนกั โมเลกลุ ของมอนอเมอร์นีดa ้วย

4. จงคาํ นวณหานําa หนกั โมเลกลุ เฉลยี โดยจํานวน ( M n ) ของพอลไิ วนิลแอลกอฮอล์ เมอื ทราบวา่ พอลไิ ว

นิลแอลกอฮอล์ทีใช้ในการทดลองมีคา่ Degree of polymerization ( DPn ) เทา่ กบั 1,700 -1,800

(โดยใช้สมการ DPn = Mn , เมือ M0 คอื นําa หนกั โมเลกลุ ของมอนอเมอร์)
M0

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สกิ ส์และการประยุกต์ (242111)

| 45

เอกสารอ้างองิ (References)
1. C.W. Garland, J.W. Nibler and D.P. Shoemaker. Experiments in Physical Chemistry. 7th ed.
McGraw-Hill. 2003. 318-327.

ค่มู ือปฏิบัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 46

การทดลองที 5
การหาค่าพลังงานกระตุ้นของปฏิกริ ิยาโบรไมด์และโบรเมตไอออนในสารละลายกรด

(Determination of the Activation Energy for the Reaction of Bromide and Bromate Ions in Acid Solution)

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

จุดประสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) เพือให้นิสติ สามารถ
1. วดั อตั ราการเกิดปฏิกริ ิยา (Rate of reaction) ทีอณุ หภูมติ า่ งๆ ได้

2. ใช้สมการอาร์เรเนียส (Arrheniuus equation) เพือหาคา่ พลงั งานกระต้นุ (Activation energy, Ea)
ของปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox reaction) ระหว่างไอออนโบรไมด์ (Bromide ion, Br- ) และไอออนโบรเมต

(Bromate ion, BrO - ) ในสารละลายกรดได้
3

หลักการและทฤษฏี (Theoretical background)
การทีปฏิกิริยาเคมใี ดๆ จะเกิดขึนa ได้นนัa ตามทฤษฏีการชน (Collision theory) กลา่ วว่า จะต้องเกิด

การชนกันของโมเลกุลอย่างน้อยสองชนิดทีวอ่ งไวต่อการเกิดปฏิกิริยา โดยการชนกันต้องมีความแรงมาก
พอทีจะเกิดการแตกออกของพนั ธะและ/หรือการสร้างพนั ธะจนทําให้เกิดผลิตภณั ฑ์ได้ อย่างไรก็ตามการชน
กนั อยา่ งเดยี วกอ็ าจไมเ่ พียงพอ จําเป็นต้องมกี ารชนทีทําให้เกิดพลงั งานมากกวา่ หรือเท่ากบั พลงั งานกระต้นุ
(Activation energy, Ea) ซงึ ในแตล่ ะปฏิกิริยาจะมคี ่า Ea ไมเ่ ทา่ กนั และพบว่าปฏิกิริยาทีตา่ งกนั ยงั สามารถ
เกิดขนึ a ทีความเร็วหรืออตั ราเร็วทีแตกตา่ งกนั อีกด้วย

ในการทดลองนีคa ือ จะศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาระหว่างโบรไมด์และโบรเมตไอออนใน
สารละลายกรด ซงึ จดั ว่าเป็ นปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox reaction) ทีเกิดได้ช้าทีอุณหภูมิห้อง เนืองจากมี
พลงั งานกระต้นุ สงู ประมาณ 56.67 kJ/mol ดงั สมการ (1)

KBrO3 + 5KBr + 3H2SO4 → 3K2SO4 + 3Br2 + 3H2O (1)

และสามารถเขียนให้อยใู่ นรูปไอออนของปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox reaction) ได้เป็น

B rO - + 5Br- + 6H + → 3Br2 + 3H 2O (2)
3

โดยไอออน K + และไอออน S O 2 − ทําหน้าทีสเปคเตเตอร์ไอออน (Spectator ion) คือ เป็ น
4

ไอออนทีไมม่ ีสว่ นเกียวข้องในปฏิกิริยาเนืองจากมอี ยใู่ นทงัa สองข้างของปฏิกิริยาเท่ากนั สมการที (2) มาจาก

การรวมกนั ของ 2 ครึงปฏิกิริยาคือ ครึงปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) และครึงปฏิกิริยารีดกั ชัน

(Reduction) ดงั นี a

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 47

oxidation: 10Br- → 5Br2 + 10e-

reduction: 2BrO3- + 10e- + 12H+ → Br2 + 6H2O

redox: 2BrO3- + 10Br- + 12H+ → 6Br2 + 6H2O

or redox: BrO3- + 5Br- + 6H+ → 3Br2 + 3H2O

อตั ราการเกิดปฏิกิริยาสามารถหาได้โดยการวดั อตั ราการเกิดของโบรมีน (Br2) ซงึ ทําได้โดยเติม ฟี
นอล (Phenol) และเมทิลเรด (Methyl red) ในปริมาณทีแนน่ อนลงในสารละลายผสมของไอออนโบรไมด์
(Br-) และไอออนโบรเมต (BrO3-) ทีมสี ภาวะเป็ นกรดทีเกิดจากการเติมกรดซลั ฟิ วริก (H2SO4)

การเติมฟี นอล (Phenol) ทีทราบปริมาณทีแน่นอน เพือต้องการให้ฟี นอล (Phenol) เข้าทําปฏิกิริยา

แทนทีได้อย่างรวดเร็วกบั โบรมีน (Br2) (phenol สามารถเข้าทําปฏิกิริยากบั Br2 ได้เร็วกวา่ methyl red ถงึ
ล้านเท่า) เนืองจาก phenol มีหมู่ –OH ทีเป็ นหมวู่ ่องไว (Active group) สามารถให้อิเลก็ ตรอน (Donate

electron) เข้าไปในวงเบนซิน ทําให้ทีตําแหน่งออโท (-Ortho) และตาํ แหน่งพารา (-Para) ของวงเบนซิน มี

ความว่องไวอย่างมากทีจะเกิดปฏิกิริยาแทนทีกบั Br2 เกิดเป็ นสาร 2,4,6-Tribromophenol ขึนa ดงั สมการ
ข้างลา่ งนี a

หลงั จากทีฟี นอล (Phenol) กบั ปฏิกิริยากบั โบรมนี (Br2) หมดอย่างสมบูรณ์แล้ว โบรมนี (Br2) ที
เหลือจงึ จะสามารถเข้าทําปฏิกริ ิยากบั เมทิลเรด (Methyl red) ทีเตมิ ลงไปได้ จะเกิดปฏิกิริยาดงั นี a

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 48

สิงทีเราสงั เกตได้จากการทดลอง คอื ตอนเริมต้นสารละลายจะมีสีชมพู (Pink solution) เนืองจาก

การใช้ Methyl red เป็ นอินดิเคเตอร์ (Methyl red เปลียนสีในช่วง pH 4.4 - 6.2 จากสีแดงเป็ นสีเหลือง

หมายความวา่ เมอื อยใู่ นสารละลายทีมี pH < 4.4 จะมีสีแดงและเมืออยู่ในสารละลายทีมี pH > 6.2 จะมีสี

เหลือง) เมือโบรมีน (Br2) ทีเหลือเริมทําปฏิกิริยากับ Methyl red จะทําให้สีของสารละลายค่อยๆ จาง
หายไปจนเป็นสารละลายไมม่ สี ี (Colorless solution) ดงั ปฏิกิริยาข้างต้น ซงึ ในการทดลองครังa นีจa ะจบั เวลา

ทีใช้ในการทีสารละลายเปลียนจากสีชมพูเป็ นไมม่ ีสี ทีอณุ หภมู ิต่างๆ ตงัa แต่ 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75 0C

:ซงึ โดยทวั ไปแล้วมกั พบว่า อตั ราการเกิดปฏิกิริยา (Rate of reaction) จะเพิมขึนa เป็ นสองเท่า เมืออณุ หภูมิ

เพิมขึนa 10 0C เนืองจากตามทฤษฏีการชน กลา่ วว่า เมืออณุ หภูมิสงู ขึนa พลงั งานจลน์ของโมเลกลุ (Kinetic

energy of molecules) ก็จะสูงขึนa ด้วย ทําให้โมเลกุลเคลือนทีได้เร็วขึนa เมือโมเลกุลเคลือนทีได้ด้วย

ความเร็ว (Speed) สงู ขึนa ทําให้เกิดความถีในการชน (Collision frequency) สงู ขึนa ด้วย การชนกันของ

โมเลกุลก็จะมีพลงั งานมากพอทีจะเอาชนะพลงั งานกระตุ้นได้ จึงทําให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึนa เมือ

อณุ หภมู ิสงู ขนึ a นนั เอง จากข้อมลู ทีได้ก็จะสามารถนาํ ไปหาคา่ พลงั งานกระต้นุ (Activation energy, Ea) ของ
ปฏิกิริยานีไa ด้

ในการหาค่าพลังงานกระตุ้น (Activation energy, Ea) ของปฏิกิริยา สามารถทําได้โดยอาศยั
สมการของอาร์เรเนียส (Arrhenius equation) ซงึ ได้เสนอไว้เมือปี ค.ศ. 1889 ตามสมการ (3) และ (4)

- Ea (3)

k = Ae RT

หรือ ln k = ln A - Ea (4)

RT

โดยที k คือ คา่ คงทีอตั รา (Rate constant) ของปฏิกิริยา

Ea คือ พลงั งานกระต้นุ (Activation energy, Ea) ของปฏิกิริยา (kJ/mol)
R คอื คา่ คงทขี องแก๊ส (Gas constant) มีคา่ 8.314 J K-1 mol-1 หรือ 0.082 L.atm.K-1 mol-1

T คือ อณุ หภมู ิ (Temperature, K)

A คอื ปัจจยั ทีไมข่ นึ a กบั อณุ หภูมิ (Independent of temperature)

เมือพิจารณาปฏิกิริยาระหว่าง methyl red กบั Br2 ทีเป็นกลไกขนัa ทีเกิดช้า (Slow) จงึ ถือเป็นขนัa กําหนด
อตั รา (Rate determining step)

ค่มู ือปฏบิ ัตกิ ารเคมีเชิงฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)

| 49

เมือปฏิกิริยานีเaป็ นปฏิกิริยาอนั ดบั หนงึ (first order reaction) เทียบกบั ความเข้มข้นของ Br2 เราจะเขียน
สมการกฎอตั ราได้เป็น

rate = - d[Br2 ] = k[Br2 ] (5)
dt

จากสมการ (5) ทําให้เราทราบวา่ เวลา (time, t(s) ) ทีใช้สาํ หรับเสร็จสนิ a การเกิดปฏิกิริยาจะเป็ น

สว่ นกลบั กบั คา่ คงทีอตั รา (rate constant, k ) กลา่ วคือ k = 1 ดงั นนั a หากแทนคา่ นีลa งในสมการ (4) จะได้

t

สมการ (6) คอื

ln 1 = ln A - Ea (6)
t RT (7)

หรือ ln t = Ea - ln A

RT

หรืออาจเขียนเป็ น log เมอื ln x = 2.303log x จะได้

log t(s) = Ea  1  (8)
  - log A
2.303R  T(K) 

เพราะฉะนนัa จากสมการ (8) หากสร้างกราฟความสมั พนั ธ์ระหว่าง log t(s) เทียบกบั 1 ก็จะ

T(K)

ได้ความชนั (slope) เป็ น Ea ซงึ สามารถนําไปหาคา่ Ea ตอ่ ไปได้
2.303R

อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipment) จํานวน 1 อนั
1. บีกเกอร์ (Beaker) ขนาด 1 L จํานวน 3 อนั
2. บีกเกอร์ (Beaker) ขนาด 100 mL จํานวน 2 หลอด
3. หลอดทดลอง (Test tube) จํานวน 1 อนั
4. ปิ เปต (Pipette) ขนาด 10 mL จํานวน 1 อนั
5. ปิ เปต (Pipette) ขนาด 5 mL จํานวน 1 อนั
6. เทอร์โมมเิ ตอร์ (Thermometer) จํานวน 1 เครือง
7. นาฬิกาจบั เวลา (Stop watch)

สารเคมี (Materials)
1. สารละลายฟี นอล (Phenol) เข้มข้น 0.01 M

2. สารละลายโบรเมต/โบรไมด์ ( Br- /BrO3- )
3. กรดซลั ฟิ วริก (Sulfuric acid, H2SO4)
4. อนิ ดเิ คเตอร์ (Methyl red)

ค่มู อื ปฏิบัตกิ ารเคมีเชงิ ฟิ สิกส์และการประยุกต์ (242111)