ทรูปลูกปญญา หนวยงานเพื่อการศึกษา ภายใตกลุมบริษัท ทรู คอรปอเรชั่น จํากัด (มหาชน) ที่บูรณาการเทคโนโลยีและความ เชี่ยวชาญดานคอนเทนต พัฒนาเปนสื่อไลฟสไตลเพื่อสงเสริม การศึกษาและคุณธรรม สามารถเชื่อมโยงทุกมิติการเรียนรูได อยางครบวงจร www.trueplookpanya.com ทรูปลูกปญญาดอทคอม คลังความรูคูคุณธรรมที่ใหญ ที่สุดในประเทศไทย อัดแนนดวยสาระความรูในรูปแบบมัลติมีเดีย สนุกกับการเรียนรูดวยตัวเอง ทั้งยังเปดโอกาสใหทุกคนสราง เนื้อหา แบงปนความรูรวมกัน โดยไมมีคาใชจาย พบกับความเปนที่สุดทั้ง 4 ดานแหงการเรียนรู • คลังความรู รวบรวมเนื้อหาการเรียนทุกระดับชั้นครบ 8 กลุมสาระการเรียน • คลังขอสอบ ขอสอบออนไลนพรอมเฉลยที่ใหญที่สุดใน ประเทศไทย พรอมการประเมินผลสอบทางสถิติ • แนะแนว ขอมูลการศึกษาตอ พรอมเจาะลึกประสบการณ การเรียนและการทํางาน • ศูนยขาวสอบตรง/Admissions ขาวการสอบทุกสนาม ทุกสถาบัน พรอมระบบแจงเตือนเรียลไทม ชองทรูปลูกปญญา โทรทัศนความรูดูสนุก ทางทรูวิชั่นส 6 ทุกรายการสาระความรู สาระบันเทิง และการปลูกฝงคุณธรรมจริยธรรมตลอด 24 ชั่วโมง พบกับเรื่องราวสรางแรงบันดาลใจ • รายการสอนศาสตร รายการสอนเสริมแนวใหมครบ 8 วิชา ม.3 ม.6 ติวสดทุกวันโดยติวเตอรชื่อดัง • รายการ I AM แนะนําอาชีพนาสนใจโดยรุนพี่ในวงการ • รายการสารสังเคราะห นําขาวสารมาสังเคราะหอัพเดทกัน แบบไมตกเทรนด นิตยสารปลูก plook นิตยสารสงเสริมความรูคูคุณธรรมสําหรับเยาวชนฉบับแรก ในประเทศไทย วางแผงทุกสัปดาหแรกของเดือน หยิบฟรีไดที่ True Coffee TrueMove Shop สถานศึกษา แหลงการเรียนรู หองสมุด และโรงพยาบาล ทั่วประเทศ หรืออานออนไลนใน www.trueplookpanya.com แอพพลิเคชั่น Trueplookpanya.com ตอบโจทยไลฟสไตลการเรียนรูของคนรุนใหม ดวยฟรีแอพพลิเคชั่น “Trueplookpanya.com” ใหคุณพรอมสําหรับการเรียนรูในทุก ที่ทุกเวลา รองรับการใชงานบน iOS (iPhone, iPod, iPad) และ Android : www.trueplookpanya.com : TruePlookpanya
คำนำ หนังสือชุด “ติวเขม O-NET Get 100” สรางสรรคโดย ทรูปลูกปญญา มีเดีย โครงการเพื่อสังคมของบริษัท ทรู คอรปอเรชั่น จํากัด (มหาชน) เลขที่ 46/8 อาคารรุงโรจนธนกุล ตึก B ชั้น 9 ถนนรัชดาภิเษก แขวงหวยขวาง เขตหวยขวาง กรุงเทพฯ 10310 โทร : 02-647-4511, 02-647- 4555 โทรสาร : 02-647-4501 อีเมล : [email protected] : www.trueplookpanya.com : TruePlookpanya หนังสือชุด “ติวเขม O-NET Get 100” ใชสัญลักษณอนุญาตของครีเอทีฟคอมมอนส แบบ แสดงที่มา-ไมใชเพื่อการคา-อนุญาตแบบเดียวกัน 3.0 ประเทศไทย
คำนำ การสอบ O-NET หรือชื่ออยางเปนทางการวา การจัดการทดสอบทางการศึกษาระดับชาติขั้นพื้นฐาน (Ordinary National Educational Test) โดย สทศ. ถือเปนอีกสนามสอบที่สําคัญสําหรับนองๆ ในระดับ ป.6, ม.3, ม.6 เพื่อเปนการประเมินผลการเรียนรูของนองๆ ในระดับชาติเลยทีเดียว และยังเปนตัวชี้วัดคุณภาพการเรียน การสอนของแตละโรงเรียนอีกดวย คะแนน O-NET ก็ยังเปนสวนสําคัญในการคิดคะแนนในระบบ Admissions เพื่อสมัครเขาคณะที่ใจปรารถนา ไดคะแนนดีก็มีชัยไปกวาครึ่ง และเพื่อเปนอีกตัวชวยหนึ่งในการเตรียมความพรอมใหนองๆ กอนการลงสนามสอบ O-NET ทาง ทรูปลูกปญญาจึงไดจัดทําหนังสือชุด “ติวเขม O-NET Get 100” สุดยอดคูมือเตรียมตัวสอบ O-NET สําหรับนองๆ ในระดับ ม.3 และ ม.6 ที่เจาะลึกเนื้อหาที่มักออกสอบบอยๆ โดยเหลารุนพี่เซียนสนามในวงการติว รวบรวมแนว ขอสอบตั้งแตอดีตจนถึงปจจุบัน พรอมเฉลยอยางละเอียด และคําอธิบายที่เขาใจงาย จําไดแมนยํา นํานองๆ Get 100 ทําคะแนนสูเปาหมายในอนาคต หนังสือชุด “ติวเขม O-NET Get 100” โดยทรูปลูกปญญา ประกอบดวยวิชาคณิตศาสตร ภาษาไทย สังคมศึกษา ภาษาอังกฤษ ที่รวบรวมเนื้อหาระดับมัธยมศึกษาตอนตน และมัธยมศึกษาตอนปลาย และวิชา ฟสิกส เคมี ชีววิทยา ของระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย รวมทั้งหมด 11 เลม โดยสามารถศึกษาเนื้อหาหรือทําขอสอบ ออนไลนเพิ่มเติมไดจาก www.trueplookpanya.com ที่มี link ใหในทายบท สามารถดาวนโหลดหนังสือไดฟรี ผานเว็บไซตทรูปลูกปญญา ที่ www.trueplookpanya.com/onet ทีมงานทรูปลูกปญญา
สารบัญ คุยกอนอาน เรื่อง หนา คุยกอนอาน บทที่ 1 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ 7 บทที่ 2 สารชีวโมเลกุลเบื้องตน 26 บทที่ 3 ธาตุและสารประกอบ 53 บทที่ 4 เชื้อเพลิงซากดึกดําบรรพ (Fossil) 71 บทที่ 5 พอลิเมอร (Polymer) 87 บทที่ 6 ปฏิกิริยาเคมี (Chemical reaction) 103
สารบัญ คุยกอนอาน หนังสือติวเขม O-NET Get 100 วิชาเคมีเลมนี้ไดรวบรวมเนื้อหาวิชาเคมีพื้นฐานระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย ที่นองๆจะตองใชในการสอบ O-Net ตอน ม.6 ซึ่งในหนังสือเลมนี้พี่ก็เขียนใหนองอานงายๆ ใชภาษาที่เปนกันเอง เสมือนนองนั่งฟงพี่อธิบาย สําหรับวิชาเคมีพื้นฐานนั้น ก็ไมไดเปนเร� องยากอะไรมาก หากนองตั้งใจ พยายามทําความ เขาใจ ไมตองทองจําอะไรมาก และกอนสอบนองไดทําขอสอบเกามาบาง พี่คิดวานองๆก็น�าจะทําขอสอบไดแลว บทที่ 1 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ ก็จะกลาวถึงความเปนมาของการคนพบธาตุตางๆ การทําการทดลอง ของนักวิทยาศาสตร การรูจักองคประกอบพื้นฐานของธาตุ รูจักการใชตารางธาตุ และอานคาตางๆ เปน ซึ่งบทนี้ถือวา เปนพื้นฐานที่สําคัญสําหรับการเรียนรูในบทตอๆ ไปเลยนะ ขอใหนองทําความเขาใจดีๆนะ บทที่ 2 สารชีวโมเลกุล ในบทนี้จะคอนขางคลายกับวิชาชีววิทยาที่นองเคยเรียนมา เชน คารโบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน กรดนิวคลิอิก แตจะเนนมาทางโครงสรางทางเคมีมากขึ้น ในบทนี้คอนขางจะเปนความรูใหม ซึ่งนองสามารถ นําความรูไปเช� อมโยงกับทางชีววิทยาได ซึ่งจะทําใหนองๆ เรียนไดอยางเขาใจมากขึ้น บทที่ 3 สมบัติธาตุและสารประกอบ บทนี้คอนขางจะเปนบรรยาย นองสามารถอานไปไดเร� อยๆ เหมือนทําความ รูจักกับสมบัติของธาตุตางๆ และที่สําคัญคือเร� องของแนวโนมตามตารางธาตุ ในสวนนี้จะสอนลักษณะที่เหมือนกัน หรือตางกันตามคาบและหมูของตารางธาตุ ซึ่งจะทําใหนองสามารถคาดเดาลักษณะ สมบัติตางๆ ของธาตุได นอกจาก นี้ยังมีเรื่อง ธาตุกัมมันตรังสี ในส่วนนี้ออกข้อสอบทุกปี เช่น การคํานวณหาค่าครึ่งชีวิต การคํานวณอายุของ ซากดึกดําบรรพ ซึ่งตองใชความรูทางดานสารกัมมันตรังสี บทที่ 4 เชื้อเพลิงและซากดึกดําบรรพ ในบทนี้นองๆ จะไดเรียนรูเกี่ยวกับชนิดของเชื้อเพลิงถานหิน นํามัน ปโตรเลียม กระบวนการผลิต การปรับปรุงคุณภาพนํามัน และแกสธรรมชาติ ซึ่งถือไดวาเปนประโยชนอยางยิ่ง เพราะ เชื้อเพลิงเหลานี้นองๆ ก็ใชกันอยูในชีวิตประจําวันอยูแลว บทที่ 5 พอลิเมอร บทนี้จะกลาวถึงวัสดุพอลิเมอรชนิดตางๆ การผลิต ปฏิกิริยาที่เกี่ยวของกับการผลิต ซึ่งพบได ทั่วๆ ไป เชน ขวดพลาสติก ยางรถยนต โดยจะทําใหนองๆ เขาใจถึงรายละเอียดของพอลิเมอรแตละชนิดไดดียิ่งขึ้น
คุยกอนอาน บทที่ 6 ปฏิกิริยาเคมี ในบทนี้ถือไดวาเปนบทที่สําคัญมากหนึ่งบทเลยก็วาได นอกจากจะออกขอสอบในทุกๆ ปแลว เร� องของการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นยังเปนพื้นฐานที่สําคัญ ของการเกิดปฏิกิริยาตางๆ ที่นองๆ อาจจะไดเรียนตอไป หรือ เรียนในวิชาเคมีเพิ่มเติม ในบทนี้นองๆ จะไดรูจัก หลักการของการเกิดปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยา พลังงาน ที่เกี่ยวของ และกฎอัตรา ฟงดูแลวอาจจะคิดวายากมากแน�เลย แตนองๆ อยาเพิ่งทอแท จริงๆ แลวไมไดยากอยางที่ คิดนะ ทุกอยางเปนเหตุเปนผล และดวยเทคนิคตางๆ ที่พี่ๆ ให จะทําใหนองเขาใจไดมากขึ้นครับ พี่เขาใจดีวา “วิชาเคมี” อาจเปนยาขมของนองหลายๆ คน แตนองลองเปดใจรับมัน เขาใจในหลักการและเหตุผล ที่พี่อธิบายในหนังสือเลมนี้ ไมตองทองจํามาก และทําขอสอบเกา เพียงเทานี้พี่ก็เช� อวานองทุกคนจะสามารถเรียนเคมี ไดอยางมีความสุข และประสบความสําเร็จในการสอบแน�นอน ทีมงานทรูปลูกปญญา
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 7 คุยกอนอาน บทที่ 1 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Introduction สําหรับบทที่ 1 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ นับไดวาเปนบทพื้นฐานที่สุดของการเรียนเคมีเลยนะ เพราะฉะนั้นพี่ อยากใหนองๆทําความเขาใจบทนี้ใหดีๆ เพราะเปนพื้นฐานที่สําคัญของบทอื่นๆ ตอไปอีกดวย เนื้อหาในบทนี้ก็จะมีตาม Outlines ในหัวขอตอไปนี้ ซึ่งเปนเสมือนกับจุดประสงคการเรียนรูของบทนี้ ที่นองๆ ตอง เขาใจหลังจากไดอานจบแลว Outlines 1. โครงสรางอะตอม 2. อนุภาคมูลฐาน 3. ไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร ไอโซอิเล็กทรอนิก 4. คลื่นแมเหล็กไฟฟา และ สเปกตรัมเบื้องตน 5. การจัดเรียงอิเล็กตรอน 6. ตารางธาตุและการใชประโยชนจากตารางธาตุ 7. พลังงานไอออไนเซชัน (Ionization Energy : IE) 8. อิเล็กโตรเนกาติวิตี (Electronegativity : EN) 1. โครงสรางอะตอม จริงๆแลวการศึกษาทางดานเคมี มีมาชานาน ตั้งแตยุคกรีกโบราณนับจนบัดนี้ ความรูทางดานเคมีก็ยังไมสิ้นสุด ดังนั้น ในหัวขอนี้ ก็จะเปรียมเสมือนกับการสอนประวัติศาสตรของเคมีนั่นเอง ในสมัยกรีกโบราณมีนักปรัชญาอยูหลายคน ซึ่งหนึ่งในนั้น คือ ลูชิพปุส (Leucippus) และ เดโมคริตุส(Democritus) ได อธิบายไววา “สสารประกอบดวยอนุภาคขนาดเล็กที่มองไมเห็น” เขาจึงใหชื่อวา อะตอม ซึ่งแปลวาไมสามารถแบงแยกไดอีก แตในขณะนั้นมีนักปรัชญาหลายคนไมเห็นดวย จึงยังไมเปนที่ยอมรับ แตแนวความคิดของเดโมคริตุสก็เปนแรงจูงใจในการศึกษา เคมีตอมา เวลาลวงเลยมาหลายพันป ในป ค.ศ. 1808 (พ.ศ. 2351) ก็ไดมีนักเคมีชาวอังกฤษชื่อวา จอหน ดาลตัน (John Dalton) ก็ไดเสนอทฤษฏีเกี่ยวกับรูปแบบของอะตอมไวหลายประการ โดยทฤษฏีของดอลตันไดกลาวไววา 1. สารประกอบดวยอะตอม ซึ่งเปนหนวยที่เล็กที่สุด แบงแยกตอไปอีกไมได และไมสามารถสรางขึ้นหรือทําลายให สูญหายไป 2. ธาตุเดียวกันประกอบดวยอะตอมชนิดเดียวกัน มีมวลและคุณสมบัติเหมือนกัน แตจะแตกตางจากธาตุอื่น 3. สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุตั้งแต 2 ชนิดขึ้นไปดวยสัดสวนที่คงที่ 4. อะตอมของธาตุแตละชนิดจะมีรูปรางและนํ้าหนักเฉพาะตัว 5. นํ้าหนักของธาตุที่รวมกัน ก็คือนํ้าหนักของอะตอมทั้งหลายของธาตุที่รวมกัน ซึ่งทําใหเขาคาดคะเนวารูปแบบของอะตอมนาจะเปน “ทรงกลมตัน” มาถึงตรงนี้ นองๆ หลายคนอาจจะนึกไมออกวาทรงกลม ตันมันเปนอยางไร พี่อยากใหนองนึกถึงลูกบอล นั่นแหละทรงกลมตัน
8 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ซึ่งในปจจุบันก็ไดมีการพิสูจนทฤษฏีของดาลตันมาแลว และก็พบวาบางขอก็ถูกตอง บางขอก็ไมถูกตอง และในเวลาตอ มาก็ไดมีนักวิทยาศาสตรอีกหลายคนสามารถหาเหตุผล การทดลองตางๆ มาลมลางโครงสรางอะตอมของดาลตันได ทรงกลมตัน โครงสรางอะตอมของดาลตัน กอนจะไปถึงโครงสรางอะตอมแบบตอๆ ไป พี่อยากทําความเขาใจกับนองๆ กอนวา ในการศึกษาเรื่องโครงสรางอะตอม ในสมัยนั้นทําไดยากมาก เพราะวาอะตอมเปนสิ่งที่คนมองไมเห็น การที่นักวิทยาศาสตรในสมัยกอนเสนอทฤษฎีขึ้นมาวารูปแบบ ของอะตอมจะเปนอยางไรนั้น มาจากการทําการทดลอง และก็คาดคะเนถึงโครงสรางของอะตอม ดังนั้นหากมีนักวิทยาศาสตร ที่ทดลองและไดขอมูลใหมๆ ซึ่งไมสอดคลองกับนักวิทยาศาสตรที่เสนอทฤษฎีไวกอนหนา ก็จะนําเหตุผลของตนไปลมลาง และ ตั้งทฤษฎีของตนขึ้นมาใหม และจะเปนอยางนี้ไปเรื่อยๆ พี่จึงบอกวาการเรียนในหัวขอนี้ เหมือนกับเรานั่งอานประวัติศาสตร ของการศึกษาเคมีนั่นเอง ตอมามีนักฟสิกสชาวอังกฤษชื่อวา เจ.เจ. ทอม สัน (Sir Joseph John Thomson) ไดทําการทดลองเกี่ยว กับหลอดรังสีแคโทด (นองอาจจะสงสัยวาหลอดรังสี แคโทดมันคืออะไรกันนะ เอาเปนวาเดี๋ยวพี่จะมาอธิบาย ทีหลังแลวกันนะ) และไดผลการทดลองที่ไมสอดคลอง กับทฤษฎีอะตอมของดาลตัน จึงไดตั้งโครงสรางอะตอม ขึ้นมาใหมวา “อะตอมเปนทรงกลม ที่เปนกลางทาง ไฟฟา มีประจุบวก และประจุลบกระจายตัวอยางสมํ่าเสมอและเทาๆ กัน บนผิวของทรงกลม” ลักษณะเปนดังรูป นองๆ เคยสงสัยไหมวา ปกติที่เราเคยเรียนๆ กันมา เกี่ยวกับการนําไฟฟานั้น ประจุไฟฟาจะเคลื่อนที่ได จะตองผานวัสดุที่นํา ไฟฟาได เชน โลหะ แตจะไมเคลื่อนที่ในสิ่งของที่เปนฉนวน เชน อากาศ ยาง ผา เปนตน แตทําไมเวลาฟาแลบ ฟาผา ประจุไฟฟา สามารถเคลื่อนที่ในอากาศได ความสงสัยนี้ไมไดเกิดขึ้นกับนองๆ เทานั้น แตเกิดขึ้นกับ เจ.เจ. ทอมสัน ดวย เพียงแตถาสงสัย แลวปลอยมันผานไปมันก็ไมเกิดประโยชนอะไร แต เจ.เจ. ทอมสัน สงสัยแลวอยากคนหาคําตอบ จึงไดทําการทดลองโดยนํา หลอดแกวที่เปนสุญญากาศ ติดขั้วไฟฟาไวทั้งสองขางปลายหลอด และตอกับแหลงกําเนิดไฟฟาที่มีความตางศักยสูงๆ 10,000 โวลตแลววางฉากเรืองแสงที่เคลือบดวยซิงสซัลไฟด (ZnS) ไวภายในหลอด จะเห็นเสนเรืองแสงสีเขียวพุงจากแคโทด (ขั้วลบ) ไปยังแอโนด(ขั้วบวก) (เปนการจําลองการเกิดฟาแลป ฟาผา) และเรียกหลอดนี้วา “หลอดรังสีแคโทด”
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 9 ที่มา : ch-atom.blogspot.com อุปกรณที่มิลลิแกนพัฒนาขึ้น ปรากฏวาเมื่อปลอยกระแสไฟฟาความตางศักยสูงๆ ประจุไฟฟาจากขั้วไฟฟาแคโทดสามารถเคลื่อนที่ไดในหลอดรังสี แคโทด โดยสังเกตจากรอยบนแผนเรืองแสงที่เขาไดดัดแปลงใสไวในหลอดรังสี และไดมีทอมสันไดทดลองตอ โดยการนําสนาม ไฟฟามาลอประจุนั้น ปรากฏวาประจุชนิดนี้เบนเขาหาขั้วบวก นั่นก็แสดงวาประจุชนิดนี้เปน ประจุลบ (เพราะเปนประจุตางชนิด กัน จะดึงดูดกัน แตถาเปนประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน) ซึ่งในเวลาตอมาประจุลบที่วานั้น ก็ไดถูกตั้งชื่อวา อิเล็กตรอน (electron) นั่นเอง พี่เพิ่มเติมใหสําหรับนองๆ ที่เรียนทางสายวิทยาศาสตรอยูแลว (สําหรับนองๆ สายศิลป ไมตองกังวลหากไมเขาใจเนื้อหา ในยอหนานี้นะ) สําหรับการทดลองของทอมสัน นอกจากจะนําสนามไฟฟามาลอประจุลบนั้นแลว ยังไดใชสนามแมเหล็กมาลอ ดวยเชนกัน ปรากฏวาประจุลบที่เคลื่อนที่ในหลอดรังสีแคโทดเบนเขาหาขั้วใตของแมเหล็ก ทอมสันจึงไดทําการลอประจุลบนั้น ดวยสนามไฟฟาและสนามแมเหล็กพรอมกัน และปรับคาของสนามไฟฟา จนใหประจุลบนั้นไมเบนเขาหาขั้วใดๆ ทั้งนั้น และก็ได แกสมการทางฟสิกส จนไดคาคงที่มาคาหนึ่ง ซึ่งคือคาประจุตอมวล เทากับ 1.76x1011คูลอมบ/กิโลกรัม หรือเทากับ 1.76x108 คูลอมบ/กรัม (คูลอมบ คือ หนวยของประจุไฟฟา) ทอมสันไมสามารถบอกไดวาประจุลบที่พบนั้นมีคาประจุกี่คูลอมบ และไม สามารถบอกไดวาประจุลบนั้นมีมวลเทาใด เขาบอกไดเพียงวาถานําคาประจุมาหารดวยมวลของประจุ จะไดคาคงที่ประจุตอ มวล นองๆ มาถึงตรงนี้แลว ลองคิดถึงสถานการณในสมัยนั้น ทอมสัน ทดลองหลอดรังสีแคโทดมาเยอะแยะ ไดคาประจุตอ มวลมาแลว แตไมรูวาคาประจุเทาไร ไมรูวามวลเทาไร รูแตคาสองคานี้เวลาหารกัน เพราะฉะนั้นหากมีนักวิทยาศาสตรสัก คนหนึ่งที่หาคาใดคาหนึ่งได ก็จะไดอีกคาหนึ่งไปโดยปริยาย (เพราะคานั้นมันหารกันอยู ถาหาคาหนึ่งได อีกคาก็แกสมการหา ไดเชนกัน) โชคดีวามีนักวิทยาศาสตรคนหนึ่งเปนนักวิทยาศาสตรชาวอเมริกันชื่อวา รอเบิรต มิลลิแกน (Robert Millikan) ทําการ ทดลองหาคาประจุอิเล็กตรอนโดยใชเวลาอยู 7 ป ก็สามารถพัฒนาอุปกรณและปรับปรุงวิธีของทอมสันไดสําเร็จ
10 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya มิลลิแกนไดเปลี่ยนจากการใชนํ้ามาใชนํ้ามันเพราะระเหยไดชากวานํ้าและสามารถหาความเร็วปลายของละอองนํ้ามัน และสามารถคํานวณคาประจุแตละละอองนํ้ามันไดเทากับ 1.6x10-19 คูลอมบ ดังนั้นจึงแกสมการหามวลของอิเล็กตรอนไดเทากับ 9.1x10-31กิโลกรัม และเรียกการทดลองนี้วา “การทดลองหยดนํ้ามันของมิลลิแกน” ตอมาในป ค.ศ.1910 (พ.ศ.2453) ไดมีนักวิทยาศาสตรชาวนิวซีแลนด ชื่อวา รัทเทอฟอรด (Rutherford) ไดทําการทดลอง ยิงอนุภาคแอลฟา ซึ่งมีประจุเปนบวกผานแผนทองคําบางๆ (หากนึกไมออก ใหนองๆนึกถึงทองคําเปลว) ซึ่งไดผลการทดลอง ที่ไมสอดคลองกับโครงสรางอะตอมของ เจ.เจ. ทอมสัน ดังนั้นเขาจึงไดตั้งทฤษฎีอะตอมแบบใหมขึ้นมา โดยโครงสรางอะตอม ของรัทเทอฟอรด มีลักษณะเปนที่วางเปนสวนมาก มีของแข็งขนาดใหญอยูตรงกลาง มีประจุบวกอยูภายในและมีอิเล็กตรอน โคจรอยูรอบนอก ซึ่งของแข็งที่วานั้น รัทเทอฟอรดเรียกวา นิวเคลียส (nucleus) และประจุบวกที่พบวาอยูในนิวเคลียสตอมาก็ คือ โปรตอน (proton) นั่นเอง ดังรูป และในเวลาตอมาก็มีนักวิทยาศาสตรชื่อ เจมส แชดวิก คนพบอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่เปนกลางทางไฟฟาอยูภายใน นิวเคลียสเชนเดียวกันกับโปรตอน และไดใหชื่อวา นิวตรอน (neutron) ในตอนนี้อนุภาคของอะตอมที่นองๆ รูจักก็มี 3 อยางแลวนะ ไดแก 1. โปรตอน (proton) เปนประจุบวก อยูภายในนิวเคลียส 2. นิวตรอน (neutron) เปนกลางทางไฟฟา (ไมมีประจุ) อยูภายในนิวเคลียส 3. อิเล็กตรอน (electron) เปนประจุลบ โคจรอยูรอบๆ นิวเคลียส และพวกอนุภาคพวกนี้เราเรียกรวมๆวา “อนุภาคมูลฐาน” 2. อนุภาคมูลฐาน กอนที่จะไปรูจักกับโครงสรางอะตอมอีกสองแบบที่เหลือ ไหนๆ ตอนนี้นองๆก็รูจักกับคําวาอนุภาคมูลฐานแลว พี่ก็จะ ขอสอนเรื่องอนุภาคมูลฐานกอนแลวกัน แตกอนอื่นเราตองไปทําความรูจักกับสัญลักษณของธาตุกอนนะ โครงสรางอะตอมของรัทเทอฟอรด นิวเคลียส ภายในมีโปรตอน อิเล็กตรอน
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 11 ตอนนี้เริ่มมีศัพทใหมที่นองๆ อาจกําลังงงกันอยู แตพี่จะอธิบายใหนองเขาใจเอง ธาตุ คือ สารบริสุทธิ์ซึ่งประกอบดวยอะตอมเพียงหนึ่งชนิด และเปนกลางทางไฟฟา เชน C (คารบอน) , N (ไนโตรเจน) , Na (โซเดียม) เปนตน เลขอะตอม คือ จํานวนโปรตอนที่อยูภายในนิวเคลียสของธาตุ ซึ่งนองๆทุกคนรูแลววา โปรตอนเปนประจุบวก และเมื่อกี้พี่เพิ่ง บอกไปวาธาตุตองเปนกลางทางไฟฟา ดังนั้นถามีประจุบวกก็ตองมีประจุลบ ซึ่งก็คือ อิเล็กตรอน นั่นเอง ดังนั้นนอกจากเลข อะตอมจะบอกถึงจํานวนโปรตอนแลว ยังบอกถึงจํานวนอิเล็กตรอนของธาตุนั้นไดดวย เลขมวล คือ มวลของธาตุนั้นๆ ซึ่งเลขมวลไดมาจากจํานวนโปรตอนรวมกับจํานวนนิวตรอน นองๆ บางคนอาจจะสงสัยวา อาว ก็ไหนพี่บอกวาอนุภาคมูลฐานมีสามอยางอยูในอะตอม แตทําไมพูดถึงมวลของธาตุ ไมรวมอิเล็กตรอนดวยละ? นั่นก็เปนเพราะ วาอิเล็กตรอนมันมีมวลนอยมากๆ เมื่อเทียบกับมวลของโปรตอนและนิวตรอนดังนั้นถาใหนองหาจํานวนนิวตรอน ก็งายมากแค นําจํานวนโปรตอน (เลขอะตอม) ไปลบออกจากเลขมวล นองหลายคนอาจมองไมเห็นภาพวามวลอิเล็กตรอนมันนอยกวามากๆ ยังไง งั้นพี่จะขอบอกมวลของอนุภาคมูลฐานให นองๆไดรู แตไมตองจํานะ แคอยากใหนองๆ เห็นความนอยของมันไดอยางชัดเจน ดูอยางนี้ก็อาจจะยังไมเห็นภาพชัดเจน นองลองนํามวลโปรตอนหรือมวลนิวตรอนหารดวยมวลอิเล็กตรอนดูซิ.... จะได วามวลโปรตอนหรือนิวตรอน หนักกวาอิเล็กตรอนถึง 1,835 เทา นี่แหละคือเหตุผลวาทําไมมวลของธาตุจึงไมคิดอิเล็กตรอน ตอนนี้นองไดรูจักกับสัญลักษณนิวเคลียรของธาตุแลว งั้นพี่จะขอลองนําสัญลักษณจริงๆ มาเปนตัวอยาง ใหนองๆ ฝก ตอบตามแลวกันนะ สัญลักษณที่นองๆ เห็นดานขวามือนี้ เปนสัญลักษณ สากลที่ใชสําหรับบงบอกธาตุ เราเรียกสัญลักษณ ลักษณะนี้วา “สัญลักษณนิวเคลียร” - X คือ ธาตุ เชน O ก็คือ ธาตุออกซิเจน C คือ ธาตุคารบอนเปนตน - Z คือ เลขอะตอม (atomic number) - A คือ เลขมวล (mass number) มวลโปรตอน = 1.67x10-27 กิโลกรัม มวลนิวตรอน = 1.67x10-27 กิโลกรัม มวลอิเล็กตรอน = 9.1x10-31 กิโลกรัม
12 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ธาตุ ออกซิเจน จํานวนโปรตอน 8 จํานวนอิเล็กตรอน 8 จํานวนนิวตรอน 16-8 = 8 ธาตุ ฟลูออรีน จํานวนโปรตอน 9 จํานวนอิเล็กตรอน 9 จํานวนนิวตรอน 19-9 = 10 ธาต โซเดียม จํานวนโปรตอน 11 จํานวนอิเล็กตรอน 11 จํานวนนิวตรอน 23-11 = 12 ดังนั้น “อะตอม” ก็คือ “ธาตุ” นั่นเอง ตองเปนกลางทางไฟฟา อยางที่บอกไปแลวในหนาที่ผานมา แตเนื่องจากอะตอม ไมเสถียรในสภาพธรรมชาติอะตอมหรือธาตุก็จะพยายามเปลี่ยนแปลงตนเองใหอยูในธรรมชาติได โดยการเปลี่ยนแปลงจํานวน อิเล็กตรอนซึ่งจากอะตอมที่เปนกลางทางไฟฟา (โปรตอน = อิเล็กตรอน) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอน ก็จะทําใหมัน ไมเปนกลางทางไฟฟาอีกตอไป และเราจะเรียกวาอะตอมที่มีการเปลี่ยนแปลงอิเล็กตรอนวา “ไอออน (Ion)” ซึ่งลักษณะการ เปลี่ยนแปลงก็จะแบงออกเปน 2 แบบ คือ 1) ไอออนบวก (Cation) คือ อะตอมที่เสียอิเล็กตรอนออกไป ก็จะทําใหมีจํานวนโปรตอนมากกวาจํานวนอิเล็กตรอน (มีความเปนบวกมากกวาลบ) เชน Na+ (โซเดียมไอออน) Ca2+ (แคลเซียมไอออน) เปนตน 2) ไอออนลบ (Anion) คือ อะตอมที่รับอิเล็กตรอนเขาไป ก็จะทําใหมีจํานวนอิเล็กตรอนมากกวาจํานวนโปรตอน (มีความ เปนลบมากกวาบวก) เชน O2- (ออกไซดไอออน) F- (ฟลูออไรดไอออน) เปนตน สิ่งที่เปลี่ยนไปตอนนี้ที่นองๆ คงเห็นไดชัดคือ วิธีการเรียกชื่อไอออน อยางเดิมถาเปนธาตุ Na (โซเดียม) พอมันเปน ไอออน Na+ ก็อานวา โซเดียมไอออน ก็ไมไดแปลกอะไร แตทําไม O (ออกซิเจน) พอเปนไอออน O2-แลวอานวา ออกไซดไอออน หรือ ออกไซด พี่จะอธิบายการเรียกชื่อไอออนใหฟงกอนแลวกันนะ หลักการก็มีงายๆ ดังนี้ 1. ไอออนบวก ใหเรียกเหมือนชื่อธาตุเดิม และเติมคําวา “ไอออน” ไวดานหลังของชื่อเชน Mg2+ อานวา แมกนีเซียมไอออน เปนตน 2. ไอออนลบ ใหเปลี่ยนชื่อธาตุเดิมใหเปนเสียง “ไ_ด (_ide)” เชน S2- อานวา ซัลไฟด , Cl- อานวา คลอไรด เปนตน นองอาจจะเริ่มงงวาแลวทําไมอะตอมที่เปนกลางทางไฟฟาอยูดีๆ มันจะไปเปลี่ยนแปลงจํานวนอิเล็กตรอนทําไมใหยุง ยาก เดี๋ยวพี่จะขอขามเรื่องเหตุผลไปกอนนะ และจะไปอธิบายอีกทีในหัวขอการจัดเรียงอิเล็กตรอน แตตอนนี้รูคราวๆ ไปกอน วา การที่มันตองเปลี่ยนแปลงก็เพื่อใหมันสามารถอยูในธรรมชาติได เพื่อทําใหนองๆเขาใจมากยิ่งขึ้นเกี่ยวกับไอออน ลองดู ตัวอยางตอไปนี้แลวกันนะ
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 13 หลักการ 1. ถาเปนไอออนลบ แสดงวา อะตอมรับอิเล็กตรอนเขาไป 2. ถาเปนไอออนบวก แสดงวา อะตอมเสียอิเล็กตรอนเขาไป นองๆ จะเห็นไดวา “ออกไซด” เปนไอออนลบ ซึ่งหมายความวารับอิเล็กตรอนเขาไป 2 ตัว (เพราะประจุเปน -2) ดังนั้น จํานวนอิเล็กตรอนก็ตองบวกเพิ่มเขาไปอีก 2 จึงกลายเปน 10 นองๆ จะเห็นไดวา “ฟลูออไรด” เปนไอออนลบ ซึ่งหมายความวารับอิเล็กตรอนเขาไป 1 ตัว (เพราะประจุเปน -1 แต มักเขียนยอๆเปน -) ดังนั้นจํานวนอิเล็กตรอนก็ตองบวกเพิ่มเขาไปอีก 1 จึงกลายเปน 10 นองๆ จะเห็นไดวา “โซเดียมไอออน” เปนไอออนบวก ซึ่งหมายความวาเสียอิเล็กตรอนออกไป 1 ตัว (เพราะประจุเปน +1 แตมักเขียนยอๆ เปน +) ดังนั้นจํานวนอิเล็กตรอนก็ตองลบออกไปอีก 1 จึงกลายเปน 10 ไอออน ออกไซด (Oxide) จํานวนโปรตอน 8 จํานวนอิเล็กตรอน 8+2 = 10 จํานวนนิวตรอน 16-8 = 8 ไอออน ฟลูออไรด (Fluoride) จํานวนโปรตอน 9 จํานวนอิเล็กตรอน 9+1= 10 จํานวนนิวตรอน 19-9 = 10 ไอออน โซเดียมไอออน (Sodium ion) จํานวนโปรตอน 11 จํานวนอิเล็กตรอน 11-1= 10 จํานวนนิวตรอน 23-11 = 12
14 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ไอออน อะลูมินัมไอออน (Aluminum ion) จํานวนโปรตอน 13 จํานวนอิเล็กตรอน 13-3= 10 จํานวนนิวตรอน 27-13 = 14 นองๆ จะเห็นไดวา “อะลูมินัมไอออน” เปนไอออนบวก ซึ่งหมายความวาเสียอิเล็กตรอนออกไป 3 ตัว (เพราะประจุ เปน +3) ดังนั้นจํานวนอิเล็กตรอนก็ตองลบออกไปอีก 3 จึงกลายเปน 10 ตัวอยางขอสอบ ไอออนบวกของไฮโดรเจน (H+ ) ขาดอนุภาคมูลฐานใด 1. โปรตอน 2. อิเล็กตรอน 2. โปรตอนและอิเล็กตรอน 4. นิวตรอน และอิเล็กตรอน เฉลย ขอ 4. (hydrogen) มีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว จะเห็นไดวาไมมีนิวตรอนนะ แตถาเปน ก็คือไฮโดรเจน เสียอิเล็กตรอนออกไป 1 ตัว เปนไอออน เพราะฉะนั้นก็จะไมมีอิเล็กตรอนเหลือดวย 3. ไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร ไอโซอิเล็กทรอนิก กอนอื่นเลย นองๆควรรูความหมายของคําวา “ไอโซ (iso)” กอน ซึ่งแปลวา เทากัน ดังนั้นในหัวขอนี้ก็จะเกี่ยวของกับ ความเทากันของอะไรสักอยาง - ไอโซโทป (isotope) คือ ธาตุชนิดเดียวกัน(มีโปรตอนเทากัน) แตมีเลขมวลไมเทากัน หรือกลาวไดวา มีนิวตรอนไมเทา กัน นั่นเองเชน กับ เปนไอโซโทปกัน - ไอโซโทน (isotone) คือ ธาตุสองชนิดที่มีนิวตรอนเทากัน หลักการจํางายๆ คือ โทน น. ก็คือ นิวตรอน เชน กับ เปนไอโซโทนกัน เพราะทั้งคูตางมีนิวตรอนเทากับ 12 - ไอโซบาร (isobar) คือ ธาตุสองธาตุที่มีเลขมวลเทากัน เชน กับ จะเห็นไดวาทั้งสองธาตุมีเลขมวลเทากัน - ไอโซอิเล็กทรอนิก (isoelectronic) คือ ธาตุหรือไอออนที่มีอิเล็กตรอนเทากัน เชน กับ นองๆจะเห็นวา ทั้งโซเดียมไอออนและฟลูออไรดไอออนมีอิเล็กตรอนเทากัน ตัวอยางขอสอบ ธาตุในขอใดที่เปนไอโซโทปกับธาตุที่มีสัญลักษณเปน 1. 2. 3. 4. เฉลย ขอ 2. ไอโซโทป มันตองเปนธาตุเดียวกันใชปะ แตมีเลขมวลไมเทากัน (มีนิวตรอนไมเทากัน) ซึ่งสิ่งที่บอกวาเปนธาตุเดียวกัน ก็คือ เลขอะตอม (จํานวนโปรตอน) นั่นเอง ดังนั้น นองก็ตองเลือกกอนวา ตองเปน B ที่มีเลขอะตอมเปน 5 เหมือนกัน แตใหมี เลขมวลตางกัน
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 15 กลับมาที่เรื่องโครงสรางอะตอมของเราอีกรอบนะ จากที่พี่ได ขามไปอธิบายเรื่องสัญลักษณนิวเคลียรของธาตุและไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร และไอโซอิเล็กทรอนิก สําหรับโครงสรางอะตอมในรูปแบบถัด ไปที่จะสอนนองๆ นั้น เรียกไดวาเกิดความเปลี่ยนแปลงอยางมากจาก 3 แบบที่เราไดรูจักกันไปกอนหนานี้ เพราะวา 3 แบบกอนหนานี้ ทั้งของ ดาลตัน ทอมสัน และรัทเทอฟอรด อธิบายทฤษฎีของตนดวยการทดลอง ทางเคมีและฟสิกสแบบสมัยเกา แตตั้งแตแบบจําลองอะตอมตอไปนี้ เปนตนไปจะเขาสูชวงที่การศึกษาทางฟสิกสและเคมีกาวหนาขึ้นอยาง มาก อาจจะมีหลายสาเหตุ แตสาเหตุหนึ่งพี่คิดวาเปนเพราะอยูในชวง สงครามโลก จึงทําใหการศึกษาทางดานฟสิกสและเคมีกาวหนากวาใน อดีต นองๆ คงจะกําลังงงสิวา ทําไมการศึกษาในชวงสงครามโลกถึงไดรุงเรือง ทั้งๆ ที่แตละประเทศนาจะตั้งหนาตั้งตากับการ ทําสงคราม นั่นก็เปนเพราะวาในชวงการทําสงครามโลก แตละประเทศก็ทําการวิจัยอาวุธยุทโธปกรณที่ทันสมัยมาตอสูกัน ใน ชวงนั้นมีการติดตอสื่อสารแบบไรสายเปนครั้งแรก เชน พวกวิทยุสื่อสาร โทรศัพทมือถือ และที่สําคัญที่สุดก็มีนักวิทยาศาสตร ที่สามารถคิดคนอาวุธที่รายแรงที่สุดได นั่นก็คือ ระเบิดนิวเคลียร จะเห็นไดวาในชวงสงครามโลก มีการคนควาวิจัย เกิดองค ความรูใหมๆ ขึ้นมามากมาย และในชวงเวลานั้นเองก็มีนักฟสิกสชื่อวา “นีลส โบร (Niels Bohr)” ไดเสนอทฤษฎีอะตอมแบบ ใหมขึ้นมา โดยทําการทดลองเกี่ยวกับสเปกตรัมของไฮโดรเจน (สเปกตรัม คือ แถบรังสีของคลื่นแมเหล็กไฟฟา ขอใหนองๆ เขาใจไปกอนวาเปนรูปแบบหนึ่งของพลังงานแลวกัน) และไดขอสรุปเปนโครงสราง ดังรูป โดยหลักการที่เขาเสนอพี่ขออธิบายใหเขาใจงายๆ นะ คือวา เขาทําการทดลองโดยการนําอะตอมของไฮโดรเจนมาแลว ใหพลังงานเขาไปในอะตอม ปรากฏวาอะตอมสามารถคายพลังงานที่เขาใสเขาไปออกมาได โดยเขาสามารถสังเกตเห็นพลังงาน ที่อะตอมไฮโดรเจนคายออกมาได และเขาเรียกพลังงานที่มันคายออกมาวา “สเปกตรัม (spectrum)” โบรอธิบายวา การที่เขาใหพลังงานเขาไปในอะตอมของไฮโดรเจน ทําใหอิเล็กตรอนที่โคจรอยูในวงโคจรชั้นลาง (ground state) ถูกกระตุนใหขึ้นไปอยูในวงโคจรที่สูงขึ้น (excited state) ทําใหอิเล็กตรอนนั้นไมเสถียร จึงคายพลังงานที่รับเขาไปออก มา เพื่อจะไดกลับมาอยูในวลโคจรเดิม โดยพลังงานที่คายออกมาก็คือ สเปกตรัม นั่นเอง พี่เชื่อวาตอนนี้นองหลายคนกําลังไมเขาใจวาอะไรคือ สเปกตรัม พอพี่บอกวา สเปกตรัมคือแถบรังสีของ คลื่นแมเหล็กไฟฟา ก็จะเกิดคําถามตอไปอีกวา แลวอะไรคือคลื่นแมเหล็กไฟฟา? ดังนั้นพี่จะขออธิบายใหนองๆเขาใจเกี่ยวกับ คลื่นแมเหล็กไฟฟาเบื้องตนกอนนะ 4. คลื่นแมเหล็กไฟฟาและสเปกตรัมเบื้องตน คลื่นแมเหล็กไฟฟา คือ คลื่นชนิดหนึ่งที่ไมตองอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เชน คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด คลื่นแสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ เปนตน สามารถเคลื่อนที่ไดในสุญญากาศ เชน แสงและความรอนจากดวงอาทิตยสามารถ เคลื่อนที่ผานสุญญากาศเขามาในโลกได ตางจากคลื่นเสียงที่เปนคลื่นที่ตองอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ซึ่งก็คืออนุภาคของ อากาศ เสียงไมสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได เชน ถานองไปพูดบนดวงจันทร นองก็จะไมไดยินเสียงตัวเอง เพราะบนดวง จันทรไมมีอากาศ
16 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ที่มา : wiki.stjohn.ac.th จากภาพนี้นองจะเห็นไดวา คลื่นแมเหล็กไฟฟามีเยอะมาก เรียงจากความถี่นอย (ซาย) ไปความถี่มาก (ขวา) แตที่พี่ อยากใหนองสังเกตคือ ชองที่เขียนวา visible หรือ “แสงที่มองเห็นไดดวยตาเปลา” ซึ่งก็คือแสงที่เรามองเห็นไดอยูในชีวิต ประจําวัน ซึ่งก็มีสี มวง คราม นํ้าเงิน เขียว เหลือง แสด และแดง ทําไมพี่ถึงใหนองสังเกต visible เปนพิเศษ ก็เพราะจะบอก วา จริงๆแลวแสงหรือสีที่เรามองเห็นนั้นก็คือ คลื่นแมเหล็กไฟฟาชวงๆหนึ่ง นั่นเอง แตคลื่นแมเหล็กไฟฟาไมไดมีแคแสงที่เรา มองเห็นยังมีอีกเยอะ เชน ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด (คลื่นความรอน) รังสีอัลตราไวโอเลต ฯลฯ ทั้งหมดนี้ก็เปนคลื่นแมเหล็กไฟฟา ทั้งสิ้น แตที่เราเห็นไดดวยตาเปลา มีเพียงแตคลื่นชวง visible light เทานั้น สิ่งที่ตางกันของคลื่นแมเหล็กไฟฟาก็คือ ความถี่ (frequency) ความยาวคลื่น (wave length) ซึ่งคลื่นแมเหล็กไฟฟาที่ เรามองเห็นได จะมีความความยาวคลื่นอยูในชวง 400 – 700 nm (นาโนเมตร) ซึ่งถาไมไดอยูในชวงนี้มนุษยก็ไมสามารถมอง เห็นได โดยถาคลื่นที่มีความยาวเกิน 700 nm ก็จะเปนชวงของรังสีอินฟราเรด (infrared) ซึ่งเราไมเห็นแตสัมผัสไดดวยความ รอน เพราะรังสีอินฟราเรดคือรังสีความรอน ในขณะที่คลื่นที่มีความยาวคลื่นตํ่ากวา 400 nm ก็จะเปนชวงของรังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งเราก็มองไมเห็นเชนกัน ตอนนี้พี่เชื่อวานองๆ นาจะเขาใจหลักการเบื้องตนของคลื่นแมเหล็กไฟฟาบางแลว พี่ขออธิบายไวคราวๆ หากนอง ตองการรูเพิ่มเติม นองสามารถไปสืบคนจากแหลงตางๆ ไดนะ กลับมาที่โครงสรางอะตอมของเรากอนดีกวา จากการที่นีลส โบร เสนอโครงสรางอะตอมของเขามา ทําใหสรุปไดวา ลักษณะอะตอมของเขาคลายๆ กับของรัทเทอฟอรด ตางกันตรงที่รัทเทอฟอรดไมไดอธิบายเกี่ยวกับวงโคจรของอิเล็กตรอน โคจรมากนัก เพียงแคบอกวาอิเล็กตรอนอยูในวงโคจรที่อยูรอบนอกเทานั้น แตโครงสรางอะตอมของโบร เนนไปที่ลักษณะวง โคจรของอิเล็กตรอนที่มีลักษณะเปนชั้นๆ โดยอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ขึ้น – ลงระหวางชั้นได แตตองอาศัยพลังงานในการ เปลี่ยนแปลงวงโคจร (ระดับพลังงาน) ซึ่งหากเปนการเปลี่ยนระดับพลังงานจากชั้นลาง (ground state) ไปอยูในระดับพลังงาน ที่สูงกวาจะเปนการดูดพลังงาน แตหากเปนการเปลี่ยนระดับพลังงานจากชั้นบน (excited state) กลับมาอยูในระดับพลังงาน ที่ตํ่ากวา จะเปนการคายพลังงานออกมา เนื่องจากวาแบบจําลองอะตอมของโบรสามารถอธิบายเสนสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนไดดีแตไมสามารถอธิบายเสน สเปกตรัมที่มีหลายอิเล็กตรอนได จึงไดมีการศึกษาเพิ่มเติมทางกลศาสตรควอนตัม มาถึงโครงสรางอะตอมแบบสุดทายเลยดีกวา โครงสรางนี้มีชื่อวา “โครงสรางอะตอมแบบกลุมหมอก” คิดคนโดยกลุม นักวิทยาศาสตร ซึ่งประกอบไปดวยนักเคมีและนักฟสิกส โดยหลักการของโครงสรางอะตอมแบบนี้คอนขางยากและซับซอน เพราะใชหลักการของควอนตัมฟสิกสมาอธิบาย แตพี่ขอพูดคราวๆ ใหนองๆไดพอจะรูจักแลวกันนะ สวนนองคนไหนที่สนใจเพิ่ม เติมก็ลองไปหาขอมูลเพิ่มเติมไดนะ
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 17 สําหรับหลักการคราวๆ ของโครงสรางอะตอมแบบกลุมหมอก คือ ตรง กลางของอะตอมเปนนิวเคลียสที่ประกอบดวยโปรตอนและนิวตรอน สวนรอบ นอกจะเปนกลุมหมอก โดยที่กลุมหมอกหมายถึงความนาจะเปนที่จะพบ อิเล็กตรอนบริเวณนั้น นองๆ จะเห็นไดวาใกลๆ กับนิวเคลียสจะมีความหนา แนนของกลุมหมอกมากกวาดานนอก นั่นหมายความวา มีโอกาสที่จะพบ อิเล็กตรอนบริเวณใกลๆ กับนิวเคลียสไดมากกวารอบนอกนั่นเองโดยใน ปจจุบันเรายึดถือ โครงสรางอะตอมแบบกลุมหมอกนี้ในการอธิบาย ปรากฏการณตางๆ ของอะตอม 5. การจัดเรียงอิเล็กตรอน หลังจากที่เราไดเรียนเรื่องโครงสรางอะตอมไปแลว เราก็ไดรูจักกับ อนุภาคมูลฐานไปแลว ซึ่งไดแก โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน สําหรับ โปรตอนและนิวตรอนมันก็อยูภายในนิวเคลียส แตอิเล็กตรอนมันจะโคจรอยู รอบนอก ซึ่งอะตอมหนึ่งๆ ก็มีวงโคจร (ระดับพลังงาน) หลายชั้นมาก ดังนั้นในหัวขอนี้เราจะมาเรียนวาในแตละระดับพลังงาน มีอิเล็กตรอนอยูกี่ตัว และทําไมมันถึงตองอยูแบบนั้น และก็จะสามารถอธิบายการเกิดพันธะเคมีกับอะตอมธาตุอื่นๆ ไดอีกดวย เพราะฉะนั้นพี่อยากใหนองตั้งใจเรียนหัวขอนี้ดีๆ เพราะเปนหัวขอที่สําคัญมากและเชื่อมโยงกับหัวขออื่นๆ อีกมากมาย สําหรับการจัดเรียงอิเล็กตรอน จริงๆ แลว มีอยูหลายวิธี แตพี่จะขออธิบายวิธีที่พื้นฐานที่สุด เพื่อใหนองๆ เขาใจไดงาย และนําไปใชไดจริง จากรูปที่นองเห็นทางดานขวามือนี้ คือรูปแบบของอะตอมที่มีนิวเคลียส ตรงกลาง และมีระดับพลังงานลอมรอบนิวเคลียสอยู กอนอื่นที่เราจะรูไดวา อิเล็กตรอนมันจัดเขาไปอยูในระดับพลังงาน เราตองรูกอนวาในแตละชั้นของ ระดับพลังงานสามารถบรรจุอิเล็กตรอนเขาไปอยูไดกี่ตัว โดยมีวิธีคํานวณ ดังนี้ จํานวนอิเล็กตรอนในแตละชั้น = 2n2 เม� อ n คือระดับพลังงาน n = 1 : 2(12 ) = 2 n = 5 : 2(52 ) = 50 n = 2 : 2(22 ) = 8 n = 6 : 2(62 ) = 72 n = 3 : 2(32 ) = 18 n = 7 : 2(72 ) = 98 n = 4 : 2(42 ) = 32 นองๆจะเห็นจากกรอบดานขวามือ นี้นะนั่น คือ จํานวนอิเล็กตรอนที่มากที่สุด ที่จะบรรจุในชั้นตางๆได ดังนั้นเราลองมา ดูตัวอยางกันนะ
18 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ตัวอยางที่ 1 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (คารบอน) ขั้นตอนการทํา พออานโจทยเสร็จ นองๆก็ตองรูกอนวา มีอิเล็กตรอนเทาไหร จะไดวา มีอิเล็กตรอน เทากับ 6 เนื่องจาก ระดับพลังงานที่ 1 (n=1) บรรจุอิเล็กตรอนไดมากสุด 2 ตัว เพราะฉะนั้น อิเล็กตรอนอีก 4 ตัว ก็ตองไปอยูในระดับพลังงานที่ 2 (n=2) สรุปวา จัดเรียงอิเล็กตรอนไดเปน 2,4 ตัวอยางที่ 2 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (นีออน) จากสัญลักษณของธาตุ ทําใหรูวา Ne มีอิเล็กตรอน 10 ตัว เนื่องจาก ระดับพลังงานที่ 1 (n=1) มีอิเล็กตรอนไดมากสุด 2 ตัว ดังนั้น อิเล็กตรอนอีก 8 ตัว จะอยูในระดับพลังงานที่ 2 (n=2) สรุปวา Ne จัดเรียงอิเล็กตรอนเปน 2 , 8 ตัวอยางที่ 3 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (โซเดียม) จากสัญลักษณ ทําใหรูวา มีอิเล็กตรอน 11 ตัว เนื่องจาก ระดับพลังงานที่ 1 (n=1) มีอิเล็กตรอนไดมากสุด 2 ตัว และระดับพลังงานที่ 2 (n=2) มีอิเล็กตรอนไดมากสุด 8 ตัว ดังนั้น อิเล็กตรอนอีก 1 ตัว ตองอยูในระดับพลังงานที่ 3 (n=3) สรุปวา จัดเรียงอิเล็กตรอนเปน 2 , 8 , 1 ตัวอยางที่ 4 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (โปแตสเซียม) จากสัญลักษณ ทําใหรูวา มีอิเล็กตรอน 19 ตัว เนื่องจาก ระดับพลังงานที่ 1 (n=1) มีอิเล็กตรอนไดมากสุด 2 ตัว และระดับพลังงานที่ 2 (n=2) มีอิเล็กตรอนไดมากสุด 8 ตัว ดังนั้น อิเล็กตรอนอีก 9 ตัว ตองอยูในระดับพลังงานที่ 3 (n=3) สรุปวา จัดเรียงอิเล็กตรอนไดเปน 2 , 8 , 9 แตจริงๆ แลว ไมไดจัดอยางนี้!!! แตกลับจัดเปน 2 , 8 , 8 , 1 ทําไมละ? นองคงจะสงสัยกัน ก็ในเมื่อระดับพลังงานที่ 3 (n=3) บรรจุอิเล็กตรอนได 18 ตัว ไมใชหรอ เราใสเขาไป 9 ตัว เปน 2, 8, 9 ก็ไมนาจะผิดหนิ เดี๋ยวพี่จะอธิบายเหตุผลใหนะ ในตัวอยางดานบนที่นองๆ ไดเรียนไปนั้น เราเรียกวาเปนการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก (shell) ก็คือ n=1, 2, 3, 4… ซึ่งแทจริงแลวยังมีระดับพลังงานยอย (subshell) ลงไปอีก ไดแก s, p, d, f ดังเชน ในรูปนี้
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 19 จากรูปนี้นองจะเห็นไดชัดเจนขึ้น คือระดับพลังงานยอยจะซอนทับ กันที่ระดับพลังงานที่ 3 (n=3) โดยไปซอนทับกับระดับพลังงานที่ 4 (n=4) ทีนี้นองคงงงวา แลวจะจัดเรียงอิเล็กตรอนได อยางไร แคระดับพลังงานหลักยังจัดไมคอยเปนเลย ยัง มีขอยกเวนอีก พี่ก็อยากจะแนะนําวา นองลองลืมการ จัดเรียงอิเล็กตรอนแบบระดับพลังงานหลักไปกอนนะ มาเรียนการจัดระดับพลังงานยอยดีกวา เพราะวาแทบ จะไมมีขอยกเวน และถาเราจัดเรียงแบบระดับพลังงาน ยอยไดแลว การจัดระดับพลังงานหลักก็งายมาก ระดับพลังงานยอย (subshell) ในหัวขอที่แลว ระดับพลังงานหลักเราเรียกชื่อแตละชั้นเปน 1 , 2 , 3… ใชไหมครับ และแตละชั้นมีอิเล็กตรอนไดไมเกิน 2n2 แตพอมาเรียนระดับพลังงานยอย มีชื่อระดับพลังงานที่นองตองจําใหม ดังนี้ ทีนี้พอนองจําไดแลววาระดับพลังงานยอยมี s , p , d , f แลว ขอใหนองๆดูแผนภาพขางลางนี้ใหชินตาไวนะ และควร จะเขียนใหได s มีอิเล็กตรอนไดไมเกิน 2 ตัว p มีอิเล็กตรอนไดไมเกิน 6 ตัว d มีอิเล็กตรอนไดไมเกิน 10 ตัว f มีอิเล็กตรอนไดไมเกิน 14 ตัว
20 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya แผนภาพนี้นองควรจะจําได และเขียนได เพราะนองตองใชไป ตลอดการเรียนเคมีเลยก็วาได พี่เชื่อวานองทุกคนจําไดอยูแลว ไมไดยาก เลยใชไหม? พอนองจําแผนภาพดานบนไดแลว พี่อยากใหนองนําปากกาแดงมาขีด ลูกศรตามภาพนี้นะ นองหลายคนคงถามวาจะขีดลูกศรไปทําไม? คําตอบก็คือ วา เสนลูกศรเหลานี้คือลําดับการบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานยอย สังเกตดีๆ นะ ลูกศรทุกเสนขนานกันนะ ถานองลากลูกศรผิด คําตอบก็จะผิดนะ เพราะฉะนั้นระวังใหดีละ ถานองจําแผนภาพไดแลว และลากลูกศรไดถูกตองแลว ตอมาเราจะ ลองมาจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานยอยกัน งั้นพี่ขอใชโจทยเหมือนกับ ตัวอยางที่ผานมากอน เพื่อจะใหนองเห็นชัดๆ วามันใชแทนกันได ตัวอยางที่ 1จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (คารบอน) โดยจัดในระดับพลังงานยอย ตอนนี้เรารูแลววา มีอิเล็กตรอน 6 ตัวขั้นตอนตอมาก็คือเราตองมานั่งดูแผนภาพ อานตามทิศทางของลูกศร ถาจบลูกศรเสนหนึ่งแลวใหอานอีกเสนลงมาเรื่อยๆ และคอยบวกเลขที่อยูดานบน s p d f ใหไดครบตามจํานวนอิเล็กตรอนที่ เราตองการ ดังนี้ จัดเรียงไดเปน 1s2 2s2 2p2 (สังเกตวาเลขดานบนบวกกันได 6 แลว) และเมื่อตอนตนพี่บอกวาถานองจัดเรียง อิเล็กตรอนแบบระดับพลังงานยอยได นองจะสามารถแปลงกลับไปเปนระดับพลังงานหลักได ดังนี้ 1s 2 2s 2 2p2 n=1 มี 2 en=2 มี 4 e-ดังนั้น จึงจัดเปน 2 , 4 ตัวอยางที่ 2 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (โซเดียม) โดยจัดในระดับพลังงานยอย เนื่องจาก เรารูวา มีอิเล็กตรอนเทากับ 11 ตัว ดังนั้น จัดเรียงอิเล็กตรอนไดเปน 1s2 2s2 2p6 3s1 1s 2 2s 2 2p6 3s 1 n=1 มี 2 en=2 มี 8 en=3 มี 1 e-ดังนั้น จึงจัดเปน 2 , 8 , 1
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 21 ตัวอยางที่ 3 จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ (โปแตสเซียม) โดยจัดในระดับพลังงานยอย เนื่องจาก เรารูวา มีอิเล็กตรอน 19 ตัว ดังนั้น จัดเรียงอิเล็กตรอนไดเปน 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 เพราะฉะนั้น จัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักไดเปน 2, 8, 8, 1 นองๆ จะเห็นไดวาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานยอย (subshells) มีประโยชนมาก เพราะมีกฎเกณฑ ขอ ยกเวนนอยมาก และยังสามารถแปลงใหเปนในรูปพลังงานหลักไดอีกดวย แตสําหรับขอยกเวนในการจัดเรียงอิเล็กตรอนใน subshells พี่ขอไมอธิบายเหตุผลนะ เพราะวามันจะลึกเกินไปสําหรับนองๆ ที่เรียนทางดานศิลป-ภาษา และศิลป-คํานวณ เพราะ หนังสือเลมนี้ทําขึ้นมาเพื่อใหครอบคลุมเนื้อหา O-net เทานั้น แตหากนองๆ ตองการรูเพิ่มเติม นองๆสามารถไปสืบคนไดนะ 6. ตารางธาตุและการใชประโยชนจากตารางธาตุ สิ่งที่สําคัญมากๆ ในการเรียนเคมี ก็คือ “ตารางธาตุ (periodic table)” เพราะตารางธาตุสามารถบอกรายละเอียดคราวๆของ แตละธาตุใหเราทราบได ดังนั้นเราจึงตองเรียนรูการใชประโยชนจากตารางธาตุ ขอยกเวนในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานยอย จะไมพบการจัดเรียงเปน 4s2 3d4 และ 4s2 3d9 แตจะเปลี่ยนเปน 4s1 3d5 และ 4s1 3d10 ตามลําดับ เสมอ ขอควรรู อิเล็กตรอนที่อยูวงนอกสุด เรามักเรียกวา เวเลนซอิเล็กตรอน (valence electron)
22 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 6.1 การอานตารางธาตุ 6.2 สวนประกอบของตารางธาตุ Carbon 6 C 12.011 ชื่อธาตุ เลขอะตอม (atomic number) สัญลักษณของธาตุ เลขมวล (mass number) คําศัพทที่ควรรู คาบ คือ แนวนอนของตารางธาตุ ซึ่งจะเรียงตามเลขอะตอมไปเรื่อยๆ ซึ่งจะมีคาบที่ 1–7 สมบัติของธาตุในแตละธาตุในคาบ เดียวกันนั้นมีลักษณะคอนขางแตกตางกันมาก หมู คือ แนวตั้งของตารางธาตุ โดยธาตุที่อยูในหมูเดียวกันจะอิเล็กตรอน วงนอกสุด (valence electron) เทากัน และแตละ ธาตุมีสมบัติคลายๆกันโดยในตารางธาตุจะแบงออกเปนได 2 หมูใหญๆ ไดแก - หมู A (representative) ซึ่งมีทั้งสิ้น 8 หมู (ตั้งแต IA – VIIIA) - หมู B (transition) คือ ธาตุทั้งหมดที่เหลือที่ไมใชหมู A เปนโลหะทั้งหมด บางครั้งเราเรียกวา โลหะแทรนซิชัน เสนขั้นบันได คือ เสนที่กั้นระหวางธาตุที่เปนโลหะและธาตุที่เปนอโลหะ โดยธาตุที่อยูทางดานขวาของเสนขั้นบันได คือ ธาตุ อโลหะธาตุที่อยูทางดานซายมือของเสนขั้นบันได คือ ธาตุโลหะ สวนธาตุที่อยูใกลๆกับเสนขั้นบันได คือ ธาตุกึ่งโลหะ Inner Transition Transition IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA IA คาบ 1 คาบ 2 คาบ 3 คาบ 4 คาบ 5 คาบ 6 คาบ 7 เสนขั้นบันได
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 23 ตัวอยางที่ 1 จงบอกตําแหนงของธาตุ Na (โซเดียม) ในตารางธาตุ เนื่องจากเรารูวา Na มีอิเล็กตรอน 11 ตัว มีการจัดเรียงเปน ตัวอยางที่ 2จงบอกตําแหนงของธาตุ Br (โบรมีน) ในตารางธาตุ เนื่องจากเรารูวา Br มีอิเล็กตรอน 35 ตัว มีการจัดเรียงเปน 6.3 การบอกตําแหนงของธาตุในตารางธาตุ จากหัวขอสวนประกอบของตารางธาตุ นองๆก็นาจะรูจักกับคําวา “คาบ” และ “หมู” แลว ซึ่งเราจะใชประโยชนใน การบอกตําแหนงของธาตุในตารางธาตุได เชน หากเราจะระบุตําแหนงของ Na (โซเดียม) เราก็จะพูดวา Na อยู หมูที่ IA คาบที่ 3 หรือ ตําแหนงของ Ca (แคลเซียม) เราจะไดพูดวา Ca อยูหมูที่ IIA คาบที่ 4 (นองดูไดจากรูปตารางธาตุ) เปนตน พี่คิดวานองคงจะเขาใจหลักการการบอกตําแหนงธาตุแลวนะ ก็คือ ตองบอกทั้งหมู และ คาบ แตสิ่งที่นองๆ จะตองแปลกใจกับความอัศจรรยก็คือ “การจัดเรียงอิเล็กตรอนสามารถบอกตําแหนงของธาตุได” ไมตอง แปลกใจนะนองๆ ก็ที่เราตองมานั่งเรียน งงแลวงงอีกกับเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอน และพี่ก็ยํ้าอยูนั่นแหละวามันสําคัญ ใน ที่สุดนองๆก็ไดเห็นถึงความสําคัญของมันแลว เพราะฉะนั้นใครที่ยังไมเขาใจเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอน ยอนกลับไปอาน ทบทวนเลยนะ พี่ขอบอกไวกอนนะวา “การจัดเรียงอิเล็กตรอน” ที่บอกวาสามารถบอกตําแหนงธาตุไดเนี่ย มันคือ “การจัด เรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก” นะ แตก็คงไมใชปญหาของนองๆ แลวละ เพราะตอนนี้เราจัดแบบ subshells ใหได นั้น มันจะตองแปลงมาเปนแบบระดับพลังงานหลักได งั้นเราลองมาดูตัวอยางดีกวาวา การจัดเรียงอิเล็กตรอนมันบอกตําแหนงของธาตุไดอยางไร?? หลักการ 1. ตัวเลขตัวสุดทาย (อิเล็กตรอนวงนอกสุด หรือ เวเลนซอิเล็กตรอน) คือ หมู ที่ธาตุนั้นอยู 2. จํานวนตัวเลข (จํานวนระดับพลังงาน) คือ คาบ ที่ธาตุนั้นอยู 3. การบอกตําแหนงของธาตุดวยการจัดเรียงอิเล็กตรอน บอกไดแคหมู A เทานั้น เวเลนซอิเล็กตรอน เทากับ 1 ดังนั้น Na อยูหมู IA คาบที่ 3 มีระดับพลังงาน 3 ระดับ Na อยูคาบที่ 3 2 , 8 , 1 2 , 8 , 18 , 7 เวเลนซอิเล็กตรอน เทากับ 7 ดังนั้น Br อยูหมู VIIA คาบที่ 4 มีระดับพลังงาน 4 ระดับ Br อยูคาบที่ 4
24 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 7. พลังงานไอออไนเซชัน (Ionization Energy: IE) ไหนๆ นองก็ไดเรียนเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอนแลว เราก็นาจะรูคาพลังงานบางอยางเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลง อิเล็กตรอนภายในธาตุกันหนอยเนอะ พี่พูดคราวๆ นะ หากนองอยากรูเพิ่มเติม สามารถไปสืบคนเพิ่มเติมได พลังงานไอออไนเซชัน (IE) คือ พลังงานนอยที่สุดที่ธาตุรับเขาไปจนทําใหธาตุนั้นเสียอิเล็กตรอนออกไปไดโดยมันจะมี ลําดับนิดหนอย เชน IE1 (ไอออไนเซชันลําดับที่ 1) คือ พลังงานที่นอยที่สุดที่จะทําใหอิเล็กตรอนตัวที่หนึ่ง (นับจากเวเลนซเขาไป ถึงชั้นในสุด) หลุดออกไปจากอะตอม เชน IE5 (ไอออไนเซชันลําดับที่ 5) ก็คือ พลังงานนอยที่สุดที่จะทําใหอิเล็กตรอนตัวที่ 5 (นับจากเวเลนซ) หลุดออกไปจากอะตอม ถายังไมเขาใจ ลองมาดูภาพนะ จากรูป นองจะเห็นวาเปนอะตอมของ Na ซึ่งจัดเรียง อิเล็กตรอนเปน 2,8,1 เพราะฉะนั้น IE1 ก็จะเปนพลังงานที่ Na ดูดเขาไป เพื่อทําใหอิเล็กตรอนตัวที่ 1 นั้นหลุดออกไป และ ก็เปนเชนนี้ไปเรื่อยๆ โดย IE1<<IE2<IE3 … ทําไมระหวาง IE1และ IE2จึงเปนสัญลักษณ <<(นอยกวามากๆ) ก็เปนเพราะวา พออิเล็กตรอนตัวที่ 1 หลุดออกไปแลว การจะใชพลังงานมาดึงอิเล็กตรอนอีกตัวนึงที่อยูคนละระดับ พลังงานจะตองใชพลังงานเยอะมากๆ ดังนั้น คาพลังงานที่ตองใชมันเลยตางกันมาก Idea นี้มีประโยชนดวยนะนอง เพราะ เราสามารถดูคา IE และสามารถทํานายไดวาธาตุนั้นอยูหมูอะไร อยางตัวอยางนี้ IE1<<IE2แสดงวามีเวเลนซ 1 ตัว ก็เทากับ วาอยูหมู IA อีกสิ่งหนึ่งที่สําคัญก็คือวา เมื่อกี้มีคําวา “ธาตุรับพลังงาน” หรือ “ธาตุดูดพลังงาน” เขาไป นั่นหมายความ พลังงาน ไอออไนเซชัน (IE) เปนการเปลี่ยนแปลงแบบ ดูดพลังงาน (endothermic) และในเมื่อมันเปนพลังงาน ดังนั้นหนวยของ IE ก็ ตองเปนหนวยของพลังงาน เชน จูล (J) แคลอรี (cal) เปนตน ดังนั้น ธาตุที่มี IE นอยๆ ก็หมายความวา “ใชพลังงานนอยในการทําใหอิเล็กตรอนหลุดออกไป” ซึ่งก็แปลวา ธาตุนั้น มีแนวโนมเปนไอออนบวก (cation) สูง เชน พวกโลหะ ในทางกลับกัน ถาธาตุใดมี IE มากๆ หมายความวา ธาตุนั้นเสีย อิเล็กตรอนยาก ซึ่งมันจะรับอิเล็กตรอนไดดี (เปนไออนลบไดดี) เชนพวกอโลหะ ซึ่งเราจะไปเรียนกันในหัวขอตอไปนะ 8. อิเล็กโตรเนกาติวิตี (Electronegativity: EN) อิเล็กโตรเนกาติวิตี หรือ EN ตรงกันขามกับ IE อยางสิ้นเชิงเลยนะ EN คือ ความสามารถในการรับอิเล็กตรอน พี่ยํ้า นะวาเปน “ความสามารถ” ไมใชพลังงานนะ เพราะฉะนั้นมันไมมีหนวย เพียงแตไวเปรียบเทียบความสามารถในการรับ อิเล็กตรอนกับธาตุอื่นเทานั้น ถาธาตุใดมี EN สูงๆ แปลวา มีความสามารถรับอิเล็กตรอนไดดี ก็คือเปนไอออนลบไดดี เชนพวกอโลหะ ในทางกลับ กัน พวกโลหะ รับอิเล็กตรอนไดไมดี เพราะฉะนั้น EN ของโลหะจะตํ่า IE2 IE3 IE3
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 25 นองๆ สามารถศึกษาเพิ่มเติมไดที่ Tag : สอนศาสตร เคมี อะตอม โครงสรางอะตอม ตารางธาตุ อนุภาคมูลฐาน • 01 : โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-1 • สอนศาสตร : ม.ปลาย : เคมี : โครงสรางอะตอม http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-3 • โครงสรางอะตอม+ตารางธาตุ ตอนที่ 1 http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-4 • โครงสรางอะตอม+ตารางธาตุ ตอนที่ 2 http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-5 • โครงสรางอะตอม+ตารางธาตุ ตอนที่ 3 http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-6 • 02 : ตารางธาตุ http://www.trueplookpanya.com/book/m6/onet-chemistry/ch1-2
C P 26 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya บทที่ 2 สารชีวโมเลกุลเบื้องตน Introduction สําหรับในบทสารชีวโมเลกุลนี้ พี่ขอยํ้ากับนองๆ ทุกคนวาเปนบทที่สําคัญมาก เพราะเปนบทที่ออกขอสอบ O-Net มาก ที่สุด ในทุกๆปนะ โดยเนื้อหาจะแตกตางจากเนื้อหาวิชาเคมีที่นองไดเรียนมาในบทอื่นๆ เพราะบทอื่นๆ สวนมากเปนเคมีที่เรียก วาเคมีอนินทรีย (Inorganic Chemistry) ซึ่งก็คือเคมีที่ไมเกี่ยวของกับสิ่งมีชีวิต แตสารชีวโมเลกุลจะเปนอีกสาขาหนึ่งของเคมี คือเปนเคมีอินทรีย (Organic Chemistry) ที่เกี่ยวของกับสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย แตนองๆ ทําใจสบายๆนะ ไมไดยากเกินไป ถานอง เรียนบทนี้ไดดี พี่รับรองวาในการสอบ O-Net ในสวนวิชาเคมี นองทําไดดีอยางแนนอน Outlines 1. คารโบไฮเดรต 2. โปรตีน 3. ลิพิด 4. กรดนิวคลิอิก 5. ตัวอยางขอสอบ 1. คารโบไฮเดรต (Carbohydrates) คารโบไฮเดรต เปนสารชีวโมเลกุลที่พบไดมากที่สุดในโลก มีตนกําเนิดมาจากการสังเคราะหดวยแสง (photosynthesis) ซึ่งหนาที่ของมันก็มีมากมาย แตหลักๆ ก็คือเปนแหลงสะสมพลังงานของสิ่งมีชีวิต โดยคารโบไฮเดรต 1 กรัม ใหพลังงาน 4 กิโลแคลอรี ซึ่งหากเราพูดคําวา “คารโบไฮเดรต” มันจะมีความหมายที่กวางมาก ที่รวมถึงสารจําพวก นํ้าตาล แปง ไกลโคเจน เซลลูโลส เปนตน ที่จริงคารโบไฮเดรตยังมีอีกมากมาย แตพี่ขอพูดถึงเนื้อหาเบื้องตนที่เราตองใชในการสอบแลวกันนะ งั้นเรา มาดูกันที่หัวขอแรกกันเลย 1.1 นํ้าตาล (Saccharides) พี่เชื่อวานองๆ คงรูจักนํ้าตาลเปนอยางดี นํ้าตาลที่ใชในการปรุงอาหารนั้น ที่นองรูจักนั้น มันเปนแคสวนหนึ่งของนํ้าตาลที่พี่จะ สอนในหัวขอนี้ เดี๋ยวเราจะไดมาดูกันวา นํ้าตาล มีอะไรบาง กอนอื่นนองตองรูจักกอนวานํ้าตาลนั้นเปนสารประกอบประเภทอะไร นํ้าตาลมี 2 ประเภท ใหญๆ คือ นํ้าตาลอัลโดส และนํ้าตาลคีโตส นํ้าตาลอัลโดส คือ นํ้าตาลที่เปน “สารประกอบของพอลิไฮดรอกซีอัลดีไฮด” (polyhydroxyaldehydes) นํ้าตาลคีโตส คือ นํ้าตาลที่เปน “สารประกอบของพอลิไฮดรอกคีโตน” (polyhydroxyketones) โห!!! นี่มันสารประกอ บอะไรเนี่ย ชื่อยาวมาก แตเพื่อความงาย นองดูรูปโครงสรางของนํ้าตาลทั้งสองนี้นะ
C P ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 27 จากรูปโครงสรางของนํ้าตาลสองชนิด ที่มีคารบอน 5 ตัว เหมือนกัน นองจะเห็นวามีความแตกตางกันตรงที่พี่ทํากรอบ สี่เหลี่ยมเอาไว ตรงนั้นเราเรียกวา “หมูฟงกชัน” (functional group) ซึ่งหมูฟงกชันนี้เองจะเปนตัวกําหนดสมบัติตางๆของสาร อินทรีย หากเปนนํ้าตาลอัลโดส (aldose) ก็จะมีหมูอัลดีไฮดในสารประกอบ สวนนํ้าตาลคีโตส (ketose) ก็จะมีหมูคีโตนใน สารประกอบ แตสิ่งที่เหมือนกันของนํ้าตาลทั้งสองชนิดคือ มีหมูไฮดรอกซี (hydroxy: -OH) เหมือนกัน ซึ่งนองๆ จะเห็นไดจาก ที่ชื่อสารมีคําวา “พอลิไฮดรอกซี” คําวา “พอลิ (poly)” หมายถึง จํานวนมาก นอกจากการแบงนํ้าตาลตามประเภทของหมูฟงกชันแลว ยังแบงไดตามขนาดไดอีกดวย ดังนี้ 1.2 นํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยว (Monosaccharides) นํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยว หรือ นํ้าตาลเชิงเดี่ยว คือ คารโบไฮเดรตที่มีนํ้าตาลเพียง 1 หนวย มีคารบอนตั้งแต 3 อะตอมขึ้น ไป มีสูตรอยางงายคือ (CH2 O)n ที่สําคัญๆ อยากใหนองรูจักคือ กลูโคส ฟรุกโทส กาแลกโทส ไรโบส ไรบูโลส เปนตน หมูอัลดีไฮด หมูคีโตน H H H H OH CH 2 OH C C C C HO HO O CH 2 OH C O H OH H OH C C CH 2 OH กลูโคส ฟรุกโทส กาแลกโทส
28 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya นองอาจจะงงวา กลูโคสกับกาแลกโทสตางกันอยางไร? ดูดีๆ นะ จะเห็นวาหมู OH ตําแหนงคารบอนที่ตําแหนงที่ 4 มันสลับกันใชไหมเอย?? การสลับกันเพียงเล็กนอยของโครงสราง ทําใหเปลี่ยนเปนนํ้าตาลคนละชนิดกันเลยนะ แตเรื่อง โครงสรางที่มันสลับกันแบบนี้นองไมตองไปเครียดมากนะ มันจะลึกเกินไป ไวไปเรียนในมหาวิทยาลัยแลวกันนะ แตพี่กลัวนอง จะไมเห็นความแตกตาง ก็เลยบอกเฉยๆ ออ มีอีกเรื่องนึง นองหลายคนอาจจะสงสัยวาทําไมเมื่อกี้พี่พูดถึงนํ้าตาลอัลโดสกับคี โตส โครงสรางมันเปนเสนตรง แลวทําไมตอนนี้นํ้าตาลมันเปนโครงสรางวงแหวนปด พี่พูดคราวๆ แลวกันนะวา ในโครงสราง ที่มันเปนเสนตรง บังเอิญวามันมีหมูฟงกชันบางตัวในเสนตรงนั้นทําปฏิกิริยากันเองได มันก็เลยทําปฏิกิริยากันจนทําใหเปนรูป วงปดนะ แตนองไมตองสนใจมาก เผื่อนองบางคนสงสัยพี่เลยอธิบายไว นํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยวนี้สําคัญมากเลยนะนองๆ เพราะเดี๋ยวพอเรียนตอไป เราจะพบวามันเปนหนวยยอยของคารโบไฮเดรต อื่นๆ อีกเยอะแยะเลยแหละ การที่มันเปนหนวยยอยเรามีศัพทไวเรียกดวยนะ เรียกวามันเปน “มอนอเมอร (monomer)” หมายความวาถาพวก กลูโคส ฟรุกโทส กาแลกโทส มันมารวมตัวกัน ตอเปนสายยาวๆ มันจะไดสารใหมขึ้นมานะ ซึ่งสารใหมที่ เกิดขึ้นมาจากหนวยยอยพวกนี้เราก็จะเรียกวา “พอลิเมอร (polymer)” นองเริ่มสงสัยแลวใชไหมวามันรวมตัวตอกันยาวๆ แลว ไดสารอะไร งั้นเราไปดูกันในหัวขอตอไปเลย 1.3 ออลิโกแซ็กคาไรด (Oligosaccharides) ออลิโกแซ็กคาไรด คือ นํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยวตั้งแต 2 – 10 โมเลกุล มาตอกันดวยพันธะไกลโคซิดิก (ไมตองจําชื่อพันธะ ก็ได แตพี่อยากใหนองคุนๆชื่อเอาไว) และเสียนํ้า (H2 O) ออกไป 1 โมเลกุล แตในที่นี้พี่ขออธิบายเฉพาะที่นํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยว ตอกัน 2โมเลกุล เปนนํ้าตาลโมเลกุลคู (Disaccharides) ซึ่งนองๆนาจะไดเคยรูจักมาบางจากการเรียน ม.ตน เชน ซูโครส (นํ้าตาล ทราย) มอลโทส และแลกโทส คุนๆ ไหม งั้นเรามาทบทวนกันนะ กลูโคส + ฟรุกโทส กลูโคส + กลูโคส แลกโทส + กลูโคส ซูโครส (sucrose) หรือนํ้าตาลทราย แลกโทส (lactose) มอลโทส (maltose) นํ้าตาลโมเลกุลคูเหลานี้ที่พี่ยกมาเปนตัวอยาง สามารถแตกตัวกลับไปเปนนํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยวไดนะนองๆ ซึ่งมีหลาย วิธี ยกตัวอยางเชน ใหความรอนและใชกรดเปนตัวเรงใชเอนไซมเปนตน
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 29 1.4 พอลิแซ็กคาไรด (Polysaccharides) พอลิแซ็กคาไรด ก็คือ การนํานํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharides) หลายๆตัว (มากกวา 10 โมเลกุล) มาตอเขาดวยกัน ดวยพันธะไกลโคซิดิก ทําใหเกิดเปนสารตางๆ ที่มีสมบัติแตกตางกันออกไป ในที่นี้พี่จะอธิบายแค แปง(starch) เซลลูโลส (cellulose) และ ไกลโคเจน (glycogen) 1) แปง (starch) นองๆ คงจะรูจักแปงเปนอยางดี แปงก็คือ อาหารจําพวกแปง แบบที่เราเรียนกันตั้งแตประถมอะนะ เชน ขาว แปงมัน สําปะหลัง เปนตน แตตอนนี้เราจะมาเรียนรูโครงสรางกันหนอยนะ เนื่องจากแปงเปนพอลิแซ็กคาไรดที่ใหญมาก จึงประกอบ ดวยพอลิแซ็กคาไรดยอยๆ อีก 2 ชนิด ไดแก ก.อะไมโลส (Amylose) อะไมโลส เปนพอลิแซ็กคาไรดชนิดหนึ่ง มีหนวยยอยๆเปนกลูโคส มีลักษณะเปนเสนตรง เปนองคประกอบของแปงประมาณ 20% ทดสอบกับสารละลายไอโอดีนไดสีนํ้าเงิน ข. อะไมโลเพกติน (Amylopectin) อะไมโลเพกติน เปนพอลิแซ็กคาไรดสวนใหญของแปง คือประมาณ 80% มีหนวยยอยเปนกลูโคสเหมือนกับอะไมโลสแหละ แต วามันเปนโครงสรางที่ตอกับอะไมโลสแลวเปนกิ่งแยกยอยออกมา ทดสอบกับสารละลายไอโอดีนไดสีนํ้าตาลแดง ทําใหโครงสราง ของแปงเปนโครงสรางแบบกิ่งนะนองๆ การยอยสลายแปง การยอยสลาย (Hydrolysis) ของแปง ทําไดหลายวิธี เชน เติมกรด นํ้าลาย (มีเอนไซมยอยอยู) ยีสต ตมใหรอน เปนตน และเนื่องจากแปงมีขนาดโมเลกุลใหญมาก การสลายตัวเลยไมไดกลูโคสในตอนแรก แตจะเปนลําดับยอยสลายลงมา เรื่อยๆ ดังนี้ แปง เด็กซตริน มอลโทส กลูโคส 2) ไกลโคเจน (glycogen) ไกลโคเจน เปนคารโบไฮเดรตที่สะสมในเซลลของสัตว มักจะพบในตับและกลามเนื้อไกลโคเจนมีลักษณะเปนโซกิ่ง แต มีขนาดและมวลโมเลกุลมากกวา อะไมโลเพกตินมีหนวยยอยเปนกลูโคสเชนกัน
30 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 3) เซลลูโลส (cellulose) เซลลูโลส เปนคารโบไฮเดรตที่พบมากที่สุดในโลกเลยนะนองๆ เพราะวามันเปนสวนประกอบของผนังเซลล (cell wall) ของสาหรายสีเขียวและพืช เซลลูโลสมีพอลิเมอรของกลูโคสโครงสรางเปนเสนตรง และเซลลูโลสเปนโครงสรางที่แข็งแรงมาก ในชีวิตประจําวันของเราก็มีการใชประโยชนจากเซลลูโลสเยอะนะ เชน สําลี กระดาษทิชชู ฝาย เปนตน เซลลูโลสทําหนาที่เปนโครงสรางของพืช เมื่อยอยสลายเซลลูโลสจะได Disaccharides ที่มีชื่อวา “เซลโลไบโอส” ซึ่ง เปนไอโซเมอรของมอลโทส และถายอยตอไปอีกก็จะไดกลูโคส การทดสอบคารโบไฮเดรต กอนอื่นเราตองรูกอนวา “การทดสอบ” คืออะไร และทําไปเพื่ออะไร เพราะวาอีกสามหัวขอที่ตอจากนี้เราก็จะตองเรียน เรื่องการทดสอบ พี่เลยขออธิบายความหมายและจุดประสงคไปกอนดีไหม? นองๆ จะไดเขาใจกันวาเราเรียนทําไม ถาสมมติวานองเขาไปทําแล็ปในหองแล็ป มีสารใสอยูในบีกเกอรหลายใบ เรามองแลวก็ดูเหมือนๆ กัน ไมตางกัน ไมสามารถ แยกแยะออกไดวาคือสารอะไร เพราะฉะนั้นเราจึงตองเรียนวิธีการทดสอบดวยวิธีตางๆ เพื่อจะไดสรุปวาสารที่อยูในบีกเกอร ตางๆ คืออะไร นองๆ จะสังเกตเห็นไดวาจริงๆ แลวหนวยยอยที่สุดของคารโบไฮเดรตก็คือ นํ้าตาล นั่นเอง เพราะฉะนั้นเราก็ ตองรูวิธีการทดสอบนํ้าตาล เราจะใช “สารละลายเบเนดิกต” ในการทดสอบนํ้าตาล โดยไมใชวานํ้าตาลทุกชนิดจะทดสอบได แตพี่อยากใหนองจํา ไวแคตัวเดียวที่ทดสอบกับเบเนดิกตไมได คือ ซูโครสหรือนํ้าตาลทรายนั่นเอง สวนสาเหตุพี่ขออธิบายสั้นๆ งายๆ วา ซูโครสมัน
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 31 ไมมีหมู Aldehyde group ที่ใชในการเกิดปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกตเหมือนกับตัวอื่น เลยทําใหทดสอบไมได แลวเราจะรูไดอยางไรวาสารในบีกเกอรของเรามันเปนสารละลายนํ้าตาล?? หลังจากที่นําสารนั้นมาตมกับเบเนดิกต (สารสีฟา) แลว สารละลายในบีกเกอรจะมีตะกอนสีแดงอิฐ เกิดขึ้น สมการที่เห็นขางบนนี้ นองไมตองจํานะ รูแควาถาสารที่เราทดสอบเปลี่ยนสีสารละลายเบเนดิกตจากสีฟาเปนตะกอน สีแดงอิฐ ก็แสดงวาสารนั้นเปนนํ้าตาล โจทยตัวอยาง พิจารณาขอมูลของสาร A B และ C ตอไปนี้ สาร A B และ C นาจะเปนสารอะไร สาร ตัวเลือก 1 2 3 4 A B C แหลงที่พบ A ไกลโคเจน ไกลโคเจน ไกลโคเจน เซลลูโลส เซลลูโลส ไกลโคเจน เซลลูโลส เซลลูโลส แปง แปง แปง แปง B C ในคนและสัตว ในพืชเทานั้น ในพืชที่เปนเมล็ดและหัว สายยาว ไมละลาย โซกิ่ง ไมละลาย โครงสราง การละลายนํ้า โซตรงและโซกิ่ง ละลายนํ้าไดเล็กนอย
32 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ตอบขออะไรนองๆ?? เฉลยก็คือ ..... ขอ 1. มาดูวิธีการคิดกันนะ พี่เลือกดู B กอน เขาบอกวามีแตในพืชเทานั้น ก็แสดงวาตองเปน “เซลลูโลส” เพราะเซลลูโลสเปนสวน ประกอบของผนังเซลลของพืช ซึ่งมาดูที่ตัวเลือก B เปนเซลลูโลสก็มี 2 ขอ เหลือสาร A และ C ที่ตองคิด ซึ่งนองจะเลือกดู จากอะไรก็ได พี่วาก็พอๆ กัน เชน สาร A เขาบอกวาพบในคนและสัตว พี่ก็คิดวาตองเปน “ไกลโคเจน” แนเลย เพราะวาไกลโคเจน เปนคารโบไฮเดรตที่สะสมในกลามเนื้อและตับของคนและสัตว และสาร B ก็ตองเปนแปง ซึ่งอาจจะดูไดจากพบในพืชที่เปนหัว และเมล็ด 2. โปรตีน (Protein) เปนสารชีวโมเลกุลที่มีมวลโมเลกุลมาก ประกอบดวยธาตุ C H O N เปนหลัก โดยหนวยที่เล็กที่สุดของโปรตีนคือ “กรด อะมิโน (Amino acid)” หมายความวาโปรตีนเปนพอลิเมอรของกรดอะมิโนนั่นเองนะนองๆ นอกจากนี้โปรตีนก็เปนแหลงพลังงาน ของรางกายเชนกันกับคารโบไฮเดรต และโปรตีน 1 กรัมใหพลังงาน 4 กิโลแคลอรี เหมือนกับคารโบไฮเดรต กรดอะมิโนคืออะไร?? คําถามที่ตามมาของนองๆใชไหม กรดอะมิโนก็คือ กรดอินทรียชนิดหนึ่ง ที่มีหมูคารบอกซิล (-COOH) กับ อะมิโน (-NH2 ) เกาะอยูที่คารบอนเดียวกัน ( -amino อานวา แอลฟาอะมิโน) ดังรูป โดยพื้นฐานของกรดอะมิโน ก็คือจะมีหมูคารบอกซิลและหมูอะมิโนเกาะที่คารบอนเดียวกัน ( -amino) แบบนี้นะ แตวาที่ ทําใหกรดอะมิโนแตกตางกันก็คือ หมูโซขางที่จะเขามาเกาะนั่นเอง รูปดานลางนี้เปนชื่อและโครงสรางของกรดอะมิโนมาตรฐานนะ ทําไมถึงตองมีคําวา “มาตรฐาน” นั่นก็เปนเพราะวามี กรดที่มีสมบัติตางๆ เหมือนกรดอะมิโน คือ มีหมูคารบอกซิลและหมูอะมิโนเกาะอยูที่คารบอนเดียวกัน ( -amino) แตไมไดเปน สวนประกอบของโปรตีนแตในระดับเรารูเทานี้ก็พอแลว ใครอยากรูเพิ่มไปลองหาอานไดนะ ดังนั้นเราจะเรียกกรดอะมิโนที่เปน สวนประกอบของโปรตีนวา “กรดอะมิโนมาตรฐาน” นองๆ ไมตองจําโครงสรางของมัน อานชื่อใหพอคุนหูคุนตาก็พอแลว หมูอะมิโน หมูโซขาง หมูคารบอกซิล R H COOH 2 N H C
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 33 ที่มา : www.proteinsynthesis.org 2.1 กรดอะมิโนจําเปน (Essential Amino Acid: EAA) คือ กรดอะมิโนที่รางกายไมสามารถสังเคราะหขึ้นเองได ตองรับจากภายนอก ไดแก เมไทโอนิน ทรีโอนิน ไลซีน เวลีน ลิวซีน ไอโซลิวซีน ฟนิลอะลานีน ทริปโตเฟน ฮิทิดีน (สําหรับในเด็กทารกมี อารจีนีน เพิ่มดวย) และถาโปรตีนที่เรารับประทานเขาไป มีกรดอะมิโนจําเปนครบ เราจะเรียกวา “โปรตีนสมบูรณ (complete proteins)” เชน เนื้อ ปลา เปด ไก ไข นม แตถาโปรตีนที่มี EAA ไมครบเราจะเรียกวา “โปรตีนไมสมบูรณ (incomplete proteins)” เชน พืชตระกูลถั่ว ธัญพืช เปนตน 2.2 พันธะเพปไทด (peptide bond) พันธะเพปไทด ก็คือ พันธะที่เชื่อมระหวางกรดอะมิโนตั้งแต 2 โมเลกุลขึ้นไป ตอกันไปเรื่อยๆ จนเปนพอลิเมอรของกรดอะมิโน ซึ่งก็คือ โปรตีน นั่นเอง
34 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya H2N N N N H H H H H H H3C CH3 C C C C O O O O O จากรูป นองๆเห็นไหมวา มีกรดอะมิโนอยู 2 โมเลกุล (ดานบน) มันจะมาตอกันดวยพันธะเพปไทด มันตองมีการสูญเสีย นํ้า (H2 O) ออกไป 1 โมเลกุล จึงจะเกิดพันธะเพปไทดได ขอสังเกตจากรูปนะนองๆ อันนี้พี่เสริมใหนะ คือ เนื่องจากกรดอะมิโนมันมีปลาย 2 ฝง ก็คือ ปลาย –COOH (เราเรียก วา C-terminus) และปลาย –NH2 (เราเรียกวา N-terminus) การสูญเสียนํ้า (H2 O) จะมีการดึง OH ออกจาก C-terminus และ ดึง H ออกจาก N-terminus เมื่อมารวมกันก็จะไดนํ้า (H2 O) 1 โมเลกุล พอดีและตอจากนี้นองๆ ก็คงดูตําแหนงของพันธะ เพปไทดเปนแลวใชไหม?? ซึ่งก็คือตําแหนง –CO-NH- งั้นเราลองมาดูตัวอยางโมเลกุลของโปรตีน และใหนองๆ ลองแยกออก มาใหเปนกรดอะมิโนยอยๆ โดยการตัดที่ตําแหนงพันธะเพปไทดนะ นองลองมาคอยๆ ตัดที่ตําแหนงพันธะเพปไทด (-CO-NH-) ดูซิวาโมเลกุลโปรตีนที่เห็นนี้ประกอบดวยกรดอะมิโนยอยๆ กี่โมเลกุล จากรูปที่พี่ตัดใหดูนี้ นองๆก็จะเห็นไดวาโมเลกุลโปรตีนที่ใหไปนั้น ประกอบไปดวยกรดอะมิโนยอยๆ 4 โมเลกุล (เททระเพปไทด) 2.2.1 การเรียกชื่อพอลิเพปไทด เนื่องจากโปรตีนก็คือกรดอะมิโนที่มาเรียงตอกันดวยพันธะเพปไทด โปรตีนบางตัวก็อาจจะมีกรดอะมิโนมาตอกันเพียงสอง โมเลกุล โปรตีนบางตัวก็อาจจะมีกรดอะมิโนมาตอกัน 3 4 5 … โมเลกุล ใชไหม? ทีนี้เราจะเรียกชื่อมันยังไงละ? สมมติพี่ให แทนสัญลักษณของกรดอะมิโน และแทนพันธะเพปไทดแลวกันนะถามีกรดอะมิโน 2 โมเลกุล เชื่อมกันดวยพันธะเพปไทด เรา เรียกวา ไดเพปไทด ไตรเพปไทด เททระเพปไทด H2N N N N H H H H H H H3C CH3 C C C C O O O O O
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 35 นองๆ หลายคนมักจะงงกับจุดนี้ เพราะวา การอานมันจะขึ้นตนดวย จํานวนที่เปนภาษาละตินและกรีก (โมโน ได ไตร เททระ...) และตามดวยคําวา “เพปไทด” ซึ่งถานองลองยอนกลับไปดูรูป Sense มันมักจะบอกวา มันบอกจํานวนพันธะเพปไทด ใชไหม? เชน เททระเพปไทดมันมี 3 พันธะเพปไทด มันก็นาจะชื่อวา “ไตรเพปไทด” แตจริงๆ ไมใชนะ จํานวนที่ระบุนั้นเปนจํานวน ของกรดอะมิโนเลย เพราะฉะนั้น มีกรดอะมิโน 4 โมเลกุล ก็ชื่อวา “เททระเพปไทด” เลย ระวังดีๆนะ!! เฉลย ถานองลองวงกลมตัดที่พันธะเพปไทด จะไดรูปอยางที่พี่วงนี้นะ ซึ่งมีพันธะเพปไทด 2 พันธะ มีกรดอะมิโน 3 โมเลกุล แตมีกรด อะมิโนเพียง 2 ชนิด เพราะโมเลกุลแรกและโมเลกุลที่สอง เปนกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน จากรูป มีพันธะเพปไทดกี่พันธะ มีกรดอะมิโนกี่โมเลกุล และมีกรดอะมิโนกี่ชนิด ตัวอยางขอสอบ ตัวเลือก 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 จํานวนพันธะเพปไทด กรดอะมิโน (โมเลกุล) กรดอะมิโน (ชนิด) O O O C C C C N C N C C N H H H H H H H H H H H O O O C C C C N C N C C N H H H H H H H H H H H
36 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 2.3 โครงสรางของโปรตีน โครงสรางปฐมภูมิ (Primary structure) โครงสรางปฐมภูมิก็คือโครงสรางที่งายๆมีกรดอะมิโนมา เรียงตอกันเปนสายยาวๆ อาจจะมีพันธะที่เกิดขึ้นระหวาง กรดอะมิโนดวยกันเองนอกเหนือจากพันธะเพปไทดได เชน พันธะไดซัลไฟดที่เกิดระหวางกรดอะมิโนซิสเทอีน (Cysteine) ที่มา : http://imgarcade.com/1/collagen-primary-structure/ ที่มา: http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/tertiary_structure.jpg\ โครงสรางทุติยภูมิ (Secondary structure) ประกอบดวย 2 ลักษณะ ไดแกเกลียวแอลฟาและแบบจีบเบตา เปนเสนออนนุม เชน Fibrin พบเปนโครงสรางหลักในเคอราทิน โครงสรางตติยภูมิ (Tertiary structure) เกิดจากโครงสรางแบบเกลียวแอลฟา แตสวนที่ ไมใชเกลียวแอลฟา มวนตัวเขาหากันเพราะมีแรง ยึดเหนี่ยวออนๆ โครงสรางแบบนี้จะมีลักษณะ จําเพาะขึ้นอยูกับการเรียงตัวของกรดอะมิโนและ พรอมที่จะทําหนาที่ตางๆ ในสิ่งมีชีวิต ที่มา : https://lebiochemblog.wordpress.com/2013/02/25/amino-acids-proteins-p2/
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 37 ที่มา : https://lebiochemblog.wordpress.com/2013/02/25/amino-acids-proteins-p2/ โครงสรางจตุรภูมิ (Quaternary structure) เกิดจากการรวมตัวของหนวยยอยชนิดเดียวกัน หรือตางชนิดกันของโครงสรางแบบตติยภูมิ โดยอาจจะรวมตัวเปนโปรตีนกอนกลมหรือ โปรตีนเสนใย 2.4 การทดสอบโปรตีน เชนเดียวกับการทดสอบคารโบไฮเดรตนะนองๆ โปรตีนเราก็ตองรูวิธีการทดสอบเชนกันนะ โดยการทดสอบโปรตีนเรา จะใช “สารละลาย CuSO4 ในสารละลายเบส NaOH” ซึ่งมีสีฟาโดยเมื่อทดสอบแลวถามีโปรตีนจะไดสีมวง - ชมพู วิธีการนี้เรา เรียกวา “การทดสอบไบยูเร็ต” ซึ่งการทดสอบนี้ก็มีขอจํากัดนะ คือ ทดสอบไดแตโปรตีนที่มีพันธะเพปไทดตั้งแต 2 พันธะขึ้นไป (ไตรเพปไทดขึ้นไป) ดังนั้นการทดสอบไบยูเร็ตนี้จึงไมสามารถใชทดสอบกรดอะมิโนได จากรูปดานบนนี้ สารสีมวง – ชมพู ที่ไดจากการทดสอบโปรตีน ก็เปนเพราะวาเปนสีของสารเชิงซอนของ Cu นั่นเอง คําถามตอมานองคงสงสัยวาแลวถาเราอยากจะทดสอบกรดอะมิโนจะทําไง?? มันก็มีอีกวิธีหนึ่งที่ใชในการทดสอบกรดอะมิโน นั่นก็คือ เราจะใชสารนินไฮดริน ในการทดสอบ โดยถามีกรดอะมิโน จะไดสีมวงในการทดสอบดวยนินไฮดริน 2.5 การเสียสภาพโปรตีน (Protein Denaturation) กอนอื่นนองตองเขาใจหลักการของ “การเสียสภาพ” กอนนะ คือ การเสียสภาพของโปรตีน มันตางจากการไฮโดรไลส (Hydrolyse) เพราะการไฮโดรไลสคือการสลายพันธะไปเลย ซึ่งสําหรับโปรตีนก็คือการสลายพันธะเพปไทด แตถาเปนการไฮ โดรไลสของคารโบไฮเดรตก็จะเปนการสลายพันธะไกลโคซิดิกที่เชื่อมระหวางโมเลกุลของนํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยว แตการเสียสภาพ ของโปรตีนคือการที่โปรตีนสูญเสียสภาพโครงสรางจตุรภูมิ ตติยภูมิ ทุติยภูมิ มาเปน ปฐมภูมิ กลาวคือ พันธะเพปไทดยังคงอยู แตสภาพการทํางานของโปรตีนนั้นๆ อาจจะเสียสภาพไป งั้นเรามาดูปจจัยที่ทําใหโปรตีนเสียสภาพกัน มีดังนี้ 1) ความรอน 2) สารละลายกรด 3) สารละลายเบส 4) แอลกอฮอล 5) โลหะหนัก
38 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 2.6 ประเภทและหนาที่ของโปรตีน จริงๆ แลวประเภทและหนาที่ตางๆ ของโปรตีนยังมีอีกเยอะแยะเลยนะ แตพี่เลือกที่สําคัญๆ มาใหนองดูกันนะ 2.7 คุณคาทางชีววิทยา คุณคาทางชีววิทยา คือ โปรตีนจากแหลงอาหารที่รางกายสามารถนําไปใชสรางเนื้อเยื่อได เชน ไข มีคุณคาทาง ชีววิทยา 100 แสดงวา ไข มีแหลงโปรตีนที่รางกายสามารถนําไปสรางเนื้อเยื่อได 100% เราลองมาดูตารางคุณคาทาง ชีววิทยากันนะ ประเภท หนาที่ ตัวอยางของโปรตีน เอนไซม โครงสราง ลําเลียงสาร ฮอรโมน แอนติบอดี ไข 100 93 75 86 72 56 44 นมวัว เนื้อสัตวและปลา ขาว ขาวโพด ถั่วลิสง ขาวสาลี โปรตีนจากแหลงอาหาร คุณคาทางชีววิทยา - ยอยสลายซูโครส - ยอยสลายโปรตีน - สรางเอ็นและกระดูกออน - สรางผม ขน และผิวหนัง - ลําเลียงออกซิเจน - เพิ่มประสิทธิภาพการเผาผลาญกลูโคสใน รางกาย - ทําใหรางกายเจริญเติบโตไดปกติ - ภูมิคุมกัน - ซูเครส - ทริปซิน - คอลลาเจน - เคราติน - ฮีโมโกลบิน - อินซูลิน - ฮอรโมนเจริญเติบโต (Growth Hormone) - อิมมูโนโกลบูลิน ที่มา : หนังสือสาระการเรียนรูพื้นฐานสารและสมบัติของสาร
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 39 3. ลิพิด (Lipid) ลิพิด คืออะไร? ลิพิดก็คือ ไขมัน (Fat) หรือนํ้ามัน (Oil) ฟอสโฟลิพิด (Phospholipid) ไข (Wax) และสารสเตียรอยด (Steroid) นั่นเอง นองหลายคนอาจจะสงสัยวาไขมันและนํ้ามัน ตางกันอยางไร? เดี๋ยวบทนี้เราจะมาเฉลยคําตอบแลวกันนะ 3.1 ไขมันและนํ้ามัน (Fat and Oil) ไขมันและนํ้ามัน มีสวนประกอบที่เหมือนกันก็คือ เปนสารประเภทเอสเทอร (Ester) ที่เกิดปฏิกิริยาเอส เทอริฟเคชัน (Esterification) จากกลีเซอรอลและกรดไขมัน นองหลายคนอาจจะงงกับยอหนานี้.... อะไรคือเอสเทอร? และ เอสเทอริฟเคชัน มันคืออะไรเนี่ย? เอาเปนวาพี่จะอธิบายคราวๆ นะ ในทางเคมีอินทรียเรามีการศึกษาปฏิกิริยาหลายๆ อยาง แตปฏิกิริยาที่สําคัญปฏิกิริยาหนึ่ง เรียกวา “ปฏิกิริยาเอส เทอริฟเคชัน (Esterification)” เปนปฏิกิริยาที่เกิดจาก การนําสารที่เปนแอลกอฮอล (Alcohol) มาทําปฏิกิริยากับ สารที่เปนก รดอินทรียหรือเรียกวา กรดคารบอกซิลิก (Carboxylic acid) โดยมีตัวเรงปฏิกิริยาเปนกรดแก จะทําใหเกิดสารประเภทหนึ่ง ขึ้น เราเรียกวาสารประเภท “เอสเทอร (Ester)” อันนี้เปนหลักการคราวๆ นะ ซึ่งเราลองกลับมาดูที่รูปดานบนของเรากันนะ จะเห็นไดวาแอลกอฮอลที่นํามาทําปฏิกิริยานี้คือ กลีเซอรอล (Glycerol) มาทําปฏิกิริยากับกรดไขมัน ซึ่งก็คือกรดอินทรีย นั่นเอง มีตัวเรงและความรอน ทําใหไดไขมันและนํ้ามันออกมาเปนผลิตภัณฑทางดานขวา ซึ่งไขมันและนํ้ามันก็คือสารประ เภทเอสเทอรนั่นเองหรือบางทีเรามักเรียกไขมันหรือนํ้ามันวา “ไตรกลีเซอไรด (Triglyceride)” คํานี้นองนาจะเคยคุนๆหูบาง เนอะ เพราะฉะนั้นตอไปนี้หากไดยินคํานี้อีก ก็ใหเขาใจวาเปนไขมันและนํ้ามันแลวกัน ทีนี้สิ่งที่ตามมาก็คือ แลวอะไรละที่เปนตัวแบงแยกวาปฏิกิริยาไหนจะเกิดไขมัน และปฏิกิริยาไหนจะเกิดนํ้ามัน? คํา ตอบก็คือ กรดไขมัน นั่นเอง แลวจะดูไดยังไงละ? เราลองมาดูกันในหัวขอถัดไปนะ 3.2 กรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไมอิ่มตัว (Saturated and Unsaturated Fatty Acid) สิ่งที่จะบอกเราไดวาผลิตภัณฑของเราที่ไดหลังเกิดปฏิกิริยาสะปอนนิฟเคชัน วาจะไดไขมัน หรือ นํ้ามัน ขึ้นอยูกับกรด ไขมัน เพราะเราสามารถแบงกรดไขมันออกเปน 2 ชนิด ดังนี้ 1) กรดไขมันอิ่มตัว (Saturated Fatty Acid) กรดไขมันอิ่มตัว คือ กรดไขมันที่ไมมีพันธะคูอยูภายในโครงสรางโมเลกุลเลย มีแตพันธะเดี่ยว (Single bond) ที่เรา
40 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya เรียกวาอิ่มตัว เพราะวาโครงสรางของมันอิ่มตัวไปดวยไฮโดรเจน (H) ไมสามารถเติมอะไรลงไปไดอีก มีสูตรเคมีเปน Cn H2n+1COOHเพราะฉะนั้นเวลามันเกิดปฏิกิริยากับกลีเซอรอล จะได “ไขมัน (Fat)” ซึ่งจะมีลักษณะเปนของแข็งที่อุณหภูมิ หอง เชน พวกไขมันสัตว เปนตน 2) กรดไขมันไมอิ่มตัว (Unsaturated Fatty Acid) กรดไขมันไมอิ่มตัว คือ กรดไขมันที่มีพันธะคูอยางนอย 1 ตําแหนงในโครงสราง ทําใหโครงสรางไมไดอิ่มตัวดวย ไฮโดรเจน (H) เวลาเกิดปฏิกิริยากับกลีเซอรอลก็จะได “นํ้ามัน” ซึ่งมีลักษณะเปนของเหลวที่อุณหภูมิหอง เชน นํ้ามันพืช เปนตน ลองมาดูรูปนี้ นองๆ จะเห็นวาถาเปนโครงสรางที่อิ่มตัว โครงสรางจะเปนเสนตรง ดูคอนขางหนาแนน แตถาเปนโครงสราง ไขมันที่ไมอิ่มตัว ตําแหนงที่เปนพันธะคูจะทําใหเกิดมุมงอมุมบิดในโครงสราง ทําใหโครงสรางไมหนาแนนนะ ดังนั้นหลักการจํางายๆ ก็คือ ถาโครงสรางมันหนาแนน (อิ่มตัว) เวลาเกิดปฏิกิริยา ผลิตภัณฑที่ไดจะเปนของแข็ง (ไข มัน) แตถาเปนโครงสรางที่ไมหนาแนน (ไมอิ่มตัว) จะไดผลิตภัณฑที่เปนของเหลว (นํ้ามัน) นองๆ ควรจะรูจักกรดไขมันอิ่มตัวและไมอิ่มตัวไวบางนะ ดูจากตารางขางลางนี้ หมูฟงกชันของ กรดไขมัน พันธะคูนี้ ไมนับนะนองๆ ที่มา : vichakarn.triamudom.ac.th ลอริก (C11H23COOH) โอเลอิก (C17H33COOH) ไมรีสติก (C13H27COOH) ไลโนเลอิก (C17H31COOH) ปาลมิติก (C15H31COOH) ไลโนเลนิก (C17H29COOH) สเตียริก (C17H35COOH) กรดไขมันจําเปน กรดไขมันอิ่มตัว กรดไขมันไมอิ่มตัว
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 41 หยดมาก ไมอิ่มตัว หยดนอย อิ่มตัว สาเหตุที่ไลโนเลอิกและไลโนเลนิก เปนกรดไขมันจําเปนเพราะวารางกายไมสามารถสังเคราะหขึ้นมาไดเอง จึงตองรับมาจาก อาหาร 3.3 การทดสอบความอิ่มตัวของกรดไขมัน ก็เหมือนกับหัวขอที่ผานมา เราตองรูวิธีการทดสอบ สําหรับการทดสอบความอิ่มตัวของกรดไขมัน ไมยากเลย แตวาพี่ ยํ้ากับนองๆ ทุกคนนะวา หัวขอนี้ออกขอสอบทุกป ยํ้า!! ออกทุกป ปละ 1-2 ขอ เพราะฉะนั้นนองๆ ตองเรียนรูอยางตั้งใจ และทําความเขาใจ และเดี๋ยวทายบทเราลองมาดูขอสอบดวยกัน วิธีการที่เราใชทดสอบความอิ่มตัวของกรดไขมัน ที่เราเรียนในชั้น ม.ปลายนี้ จะบอกไดแควาอะไรอิ่มตัวหรือไมอิ่มตัว มากกวากัน คือเปนแคการเปรียบเทียบความอิ่มตัวของกรดไขมันตั้งแต 2 ชนิดขึ้นไป แตเราไมสามารถบอกไดวาอิ่มตัวหรือไม อิ่มตัวมากนอยขนาดไหนนะอานแลวอาจจะงง ไวลองไปดูตัวอยางดวยกันนาจะเขาใจขึ้น สําหรับวิธีที่เราใช และเปนวิธีงายๆ คือ การทดสอบดวยการหยดนํ้าคลอรีน (Cl2) นํ้าโบรมีน (Br2) หรืออาจจะเปน สารละลายไอโอดีน (I2) ก็ได (ใชสารประกอบของธาตุหมู VIIA เพราะมีสมบัติรับอิเล็กตรอนไดดี) โดยพวกสารประกอบหมู VIIA นี้ มีสมบัติที่เห็นไดชัดคือมันเปนสารที่มีสี เชน คลอรีนมีสีเขียวเหลือง โบรมีนมีสีนํ้าตาล ไอโอดีนมีสีมวง เมื่อหยดสาร พวกนี้ลงไปในสารละลายกรดไขมันที่เตรียมไว มันจะถูกฟอกจางสี (สีของสารจะหายไป) เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาการแทนที่ หรือปฏิกิริยาการเติมกับสารละลายกรดไขมัน (ไมตองซีเรียสเรื่องชื่อของปฏิกิริยานะ) ซึ่งเราจะดูความอิ่มตัว-ไมอิ่มตัวไดจาก จํานวนหยดที่เราหยดสารประกอบหมู VIIA จนกวาสารละลายกรดไขมันจะไมสามารถฟอกจางสีได พูดงายๆ ก็คือ เราจะนับ จํานวนหยดที่เราหยดพวกสารประกอบหมู VIIA ไปเรื่อยๆ จนกวาสีมันจะไมจางหายไปนั่นเองโดยถาจํานวนหยดที่หยดลงไป จนกวาสีจะไมหายเปนจํานวนมาก หมายความวา กรดไขมันนั้นมีความไมอิ่มตัวมากในทางกลับกันถาจํานวนหยดที่หยดลงไป จนกวาสีจะไมหาย เปนจํานวนนอย หมายความวา กรดไขมันนั้นมีความอิ่มตัวมาก 3.4 สมบัติตางๆ ของกรดไขมัน 1. กรดไขมันที่เสถียรมักจะมี C เปนเลขคู สวนใหญพบ C 16 อะตอม และ C 18 อะตอม 2. ในกรณีที่มีจํานวนคารบอนเทากัน ไขมันจะมีจุดเดือดสูงกวานํ้ามัน เพราะกรดไขมันอิ่มตัวจะมีมวลโมเลกุลสูงกวา และมีรูป รางที่มีความหนาแนนสูง จึงทําใหมีจุดเดือดสูงกวา 3. ในกรณีที่มีจํานวนคารบอนเทากัน การเผาไหมนํ้ามันจะเกิดเขมามากกวาไขมัน 4. ไขมันและนํ้ามันจะละลายในตัวทําละลายอินทรีย เพราะเปนสารที่ไมมีขั้ว 5. การเหม็นหืน นํ้ามันจะเหม็นหืนไดงายกวาไขมัน เพราะการเหม็นหืนเกิดจาก O2 ในอากาศเขาทําปฏิกิริยากับตําแหนง พันธะคู ไดแอลดีไฮด และกรดไขมันเล็กๆ ซึ่งเหม็นหืน ** ในปจจุบัน นํ้ามันพืช มักเติมสาร BHA BHT หรือวิตามิน E ทําใหไมเหม็นหืน 6. ในรางกายของคนและสัตว มีกรดไขมันอิ่มตัวเปนสวนมาก 7. หากรับประทานไขมันอิ่มตัวมากๆ อาจจะสงผลใหเปนโรคเสนเลือดหัวใจอุดตัน
42 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya ตัวอยางขอสอบ ตาราง ปริมาณกรดไขมันชนิดตางๆ ในนํ้ามันบางชนิด จากขอมูลในตาราง นํ้ามันชนิดใดฟอกจางสีนํ้าโบรมีนใหหายไปไดมากที่สุด ................? เฉลย นํ้ามันชนิด D เพราะวา มีความไมอิ่มตัวสูงที่สุด โดยดูจากรอยละของกรดไขมันที่มันมี เนื่องจากนองๆ รูวา สูตรเคมีของกรดไขมันที่อิ่มตัวคือ CnH2n+1COOH จะเห็นไดวากรดไขมันที่ไมอิ่มตัวก็จะมี C17H33CO2H C17H3 1CO2 H C17H29CO2 H ใชไหม? และนํ้ามันชนิด D ก็มีรอยละของกรดไขมันพวกนี้สูงที่สุด ก็เลยตองใชนํ้าโบรมีนในการ ฟอกสีมากที่สุด 3.6 การทดสอบไขมันและนํ้ามัน อันนี้ตางจากการทดสอบความอิ่มตัวนะ โดยการทดสอบไขมันและนํ้ามันนั้นงายมากๆ เพียงแตทดสอบดวยกระดาษ หากเปนไขมันและนํ้ามันจะทําใหกระดาษที่ทดสอบโปรงแสง 3.7 สบูและผงซักฟอก นองรูหรือไมวาสบูและผงซักฟอกหรือผลิตภัณฑทําความสะอาดเกือบทุกชนิด ทํามาจากอะไร? แนนอนวาพี่เอามาสอน ในหัวขอนี้ นองก็คงตอบไดแลววา..... สบูและผงซักฟอกมันมีที่มาจากลิพิดแนนอน เฉลยนะ สบูและผงซักฟอกที่เราใชกันอยู ทุกวันทํามาจากไขมันหรือนํ้ามัน ขึ้นอยูกับประเภท ชนิด ของผลิตภัณฑ เพราะฉะนั้นในหัวขอนี้เราก็จะมาดูโครงสรางและหลัก การทํางานของผลิตภัณฑทําความสะอาดที่เราใชกันทุกๆ วัน สบู/ผงซักฟอก ไขมัน (Triglyceride) กลีเซอรอล เกลือโซเดียมคารบอกซิเลต รอยละของกรดไขมัน นํ้ามัน A 43.8 23.4 13.6 9.6 4.3 2.3 0.0 0.0 1.4 6.1 22.7 11.5 19.0 26.0 8.0 7.9 32.1 46.9 17.6 40.3 2.1 10.5 3.4 26.0 0.0 0.0 0.0 0.0 B C D C11H23C O2 H C13H27C O2 H C15H31C O2 H C17H35C O2 H C17H33C O2 H C17H31C O2 H C17H29C O2 H
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 43 ดูจากสมการดานบนนี้นะ สบูและผงซักฟอกทั่วๆ ไปเปน เกลือของกรดไขมัน นองคงจะงงวา “อาว สบูที่เราใชทุกวัน เปนเกลือหรอเนี่ย?” อาๆ มาดูสมการกันกอนแลวกัน เริ่มจากเรามีไขมันซึ่งก็คือ ไตรกลีเซอไรด ทําปฏิกิริยากับเบสแก (ในที่นี้ คือโซเดียมไฮดรอกไซด : NaOH) ตมใหรอน เราจะไดผลิตภัณฑเปนสบู ซึ่งเปนเกลือของกรดไขมัน 3 โมล (หนวยของการวัด ปริมาณสาร) และไดกลีเซอรอลออกมาดวย โดยสวนมากเบสที่เรานํามาใชตมก็มักจะเปนโซเดียมไฮดรอกไซด (NaOH) หรือ โซดาไฟ หรืออาจจะใชโพแทสเซียมไฮดรอกไซด (KOH) หรือดางคลี ก็ได 3.7.1 สบูกอน VS. สบูเหลว นองๆ เคยสงสัยไหมวา.... สบูกอนและสบูเหลวตางกันอยางไร หรือมีวิธีการผลิตตางกันอยางไร ..... จริงๆ แลวกรรมวิธี ไมแตกตางกันเลยนะ ก็ใชสมการเมื่อกี้นี้แหละ แตถาตองการสบูกอน เราจะใชไตรกลีเซอไรดที่เปน “ไขมัน (Fat)” จําไดไหม.. ไขมัน พี่สอนไปแลววามันเปนของแข็ง เพราะโครงสรางมันหนาแนน (ถาลืมกลับไปอานใหมเลยนะ) สวนถาเปนสบูเหลวจะใช “นํ้ามัน (Oil)” เพราะโครงสรางไมหนาแนน เวลาไดเปนสบูออกมาก็จะไดสบูเหลวนั่นเอง 3.7.2 การทํางานของสบูและผงซักฟอก สบูและผงซักฟอกมันทําความสะอาด รางกายและเสื้อผาของเราไดอยางไร? เราลองมาดูที่โครงสรางของสบูกันกอน แลวกัน จากรูป นองจะเห็นโครงสรางของ สบู ซึ่งเราจะแบงเปน 2 สวน คือ สวนหัวที่ มีขั้ว (polar head) และสวนหางที่ไมมีขั้ว (nonpolar tail) ซึ่งลักษณะที่โครงสรางของ มันมีทั้ง สวนที่มีขั้วและไมมีขั้ว จึงทําใหมัน สามารถทําความสะอาดสิ่งสกปรกได ขั้วในที่นี้หมายถึง ขั้วของโมเลกุล ซึ่งเปนสภาพทางไฟฟานะ นองไมตองซีเรียสมาก เอาเปนวา Na+ เปนหัวของโครงสราง เราจะเห็นวา Na+ มีประจุบวกอยู นั่นแหละ เราเรียกวามันมีขั้ว สวนหางที่ไมมีขั้วก็จะเปนสวนที่เปนไฮโดรคารบอน (สารประกอบ ที่มีแต H และ C) ของกรดไขมัน สวนนี้จะไมมีขั้วนะ ทีนี้ความพิเศษมันอยูตรงที่ อะไรก็ตามที่มีขั้วมันจะละลายไดในสารที่มีขั้ว และอะไรก็ตามที่ไมมีขั้วจะละลายไดในสารที่ ไมมีขั้ว เราเรียกหลักการนี้วา “like dissolve like” โดยสบูเนี่ยมันมีสวนที่มีขั้วและไมมีขั้วอยูภายในโมเลกุลเดียวกัน เลยทําให มันละลายนํ้าได (นํ้ามีขั้ว) และสามารถดึงคราบไขมัน (ไขมันไมมีขั้ว) ออกจากรางกายได
44 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 3.7.3 ทําไมนํ้ากระดางทําใหสบูหมดประสิทธิภาพ? นองๆ คงจะรูจัก “นํ้าออน” และ “นํ้ากระดาง” กันตั้งแตสมัย ม.ตน แลวใชปะ ลืมกันไปหรือยัง งั้นพี่จะทวนใหนิดหนอย แลวกันนะ แตกอนเราเรียนกันมาวา “นํ้ากระดาง” คือนํ้าที่ทําใหสบูไมมีฟอง แตมา ม.ปลาย แลว เราตองรูเพิ่มขึ้น ก็คือการที่มัน ทําใหสบูไมเกิดฟอง เปนเพราะวามันไปทําใหสบูหมดประสิทธิภาพการทําความสะอาด โดยการไปทําใหสบูตกตะกอน แตไมใช ตะกอนแบบกอนหินนะ แตมันจะเปนตะกอนเบา ที่เราเรียกวา “ไคลสบู” คลายเปนคราบโดยที่นํ้ากระดางมันจะมี Mg2+ , Ca2+ งั้นเราลองมาดูสมการกันดีกวา 2C 17 H 35 COOH + Ca2+ C 17 H 35 COOH Ca + Na+ สบู สบูที่ถูกแทนที่ดวย Ca2+ มีลักษณะเปนของแข็ง 3.7.4 ผงซักฟอก โครงสรางของผงซักฟอกก็คลายๆสบูแตตางกันตรงที่ Polar Head เวลาเราอาบนํ้า สบูมันจะละลายนํ้า และอยูในรูป “ไมเซลล (micelle)” ดังรูปดานขวานี้ นองจะเห็นคําวา “Hydrophillic head” ซึ่งมันก็คืออันเดียวกับคําวา “polar head” คือมันเปน สวนที่ชอบนํ้า ซึ่งคําวา (phil แปลวา ชอบ) ดังนั้นมันก็จะหัน หัวออกไปในนํ้า ทําใหสบูสามารถละลายนํ้าได สวนหางที่หันไป รวมกันดานใน “Hydrophobictail” (pho แปลวา ไมชอบ) คืออัน เดียวกับ “nonpolar tail” มันเปนสวนที่ไมชอบนํ้า หรือสวนที่ ไมมีขั้ว มันก็จะหันตัวเองหนีนํ้า ซึ่งทําใหสามารถไปดึงเอาพวก คราบสกปรก คราบไขมันออกมาได (ไขมันไมมีขั้ว ก็จะละลาย อยูในสวน nonpolar tail)
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 45 ผงซักฟอกมีหลายชนิด ดังนี้ โครงสรางที่ 1 : เปนโซตรง จุลินทรียสามารถยอยสลายไดทั้งหมด กอใหเกิดปญหาสิ่งแวดลอมนอย โครงสรางที่ 2 : เปนโซกิ่งและมีวงเบนซีน จุลินทรียสามารถยอยสลายไดเปนสวนใหญ กอใหเกิด ปญหาสิ่งแวดลอม โครงสรางที่ 3 : เปนโซกิ่งมากและมีวงเบนซีน จุลินทรียไมสามารถยอยสลายได กอใหเกิดปญหา สิ่งแวดลอม 3.7.5ปญหาของผงซักฟอก 1. โครงสรางบางชนิดสลายตัวไดยาก ทําใหเกิดปญหาตอสิ่งแวดลอม 2. ในผงซักฟอกมีสารประกอบพวกฟอสเฟต (PO4 3-) จากสาร Na5 P3 O10 (โซเดียมไตรฟอสิฟอสเฟต) ซึ่งเปนสารชวย ทําความสะอาด และลดความกระดางของนํ้า สารนี้จะทําใหพืชเจริญเติบโตไดดี เพราะเหมือนเราเติมปุย P ใหพืช และเมื่อพืช เหลานี้ตายลงตองยอยสลายดวย O2 ทําใหนํ้ามี O2 ไมเพียงพอทําใหเกิดปญหานํ้าเนาได 3.7.6 การทดสอบฟอสเฟต การตรวจสอบฟอสเฟตทําไดโดยเติมสารละลายแอมโมเนียมโมลิบเดต (NH4 ) 2 MoO4 ลงไปในนํ้าตัวอยาง ถานํ้านั้นมีฟอสเฟตจะ ไดตะกอนสีเหลือง ลองดูสมการนิดนึงแลวกันนะ 3NH4 + + 12MoO4 2- + PO4 3- + 24H+ (NH4 ) 3 PO4 12MoO3 + 12H2 O นอกจากไขมันและนํ้ามันที่เรารูแลววาคือลิพิดแลว ยังมีสารอีกหลายชนิดที่ก็เปนชนิดหนึ่งของลิพิดดวย แตในชั้น ม.ปลาย พี่จะขอพูดถึงแค ฟอสโฟลิพิด ไข และสเตียรอยด นะ 3.8 ฟอสโฟลิพิด (Phospholipid) ฟอสโฟลิพิด คือ ไตรกลีเซอไรด (ไขมันหรือนํ้ามัน) ที่ถูกแทนที่ดวยฟอสเฟต (PO4 3-) 1 ตําแหนง โดยสวนของกรดไขมัน ก็จะเปนสวนที่ไมมีขั้ว (nonpolar tail) ซึ่งไมชอบนํ้าในขณะที่ฟอสเฟต (PO4 3-) เปนโมเลกุลที่มีขั้ว เพราะฉะนั้นก็จะเปน (polar head) ซึ่งชอบนํ้า อานแลวก็คลายๆกับเรื่องสบูเลยใชไหม? หลักการคลายๆกัน เราลองมาดูโครงสรางกันกอน
46 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya อันนี้เปนโครงสรางของ ไตรกลีเซอไรด หรือไขมัน ที่เรารูจักกัน จะเห็นไดวามีกลีเซอรอล 1 โมเลกุล และมีกรด ไขมัน 3 โมเลกุลมาเกาะ ถาเปนฟอสโฟลิพิด ก็จะเปนฟอสเฟต มาเกาะแทนที่กรดไขมันไป 1 ตําแหนง ที่มา:http://homepage.smc.edu/wissmann_paul/anatomy2textbook/phospholipids.html
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 47 ที่มา: http://cnx.org/resources/4e1c51290fa732e94a25cbdf7bf159df/Figure_09_01_08.jpg เราจะพบฟอสโฟลิพิดอยูที่เยื่อหุมเซลล (Cell membrane) โดยเปนโครงสรางที่หันสวนที่มีขั้ว (polar head) ออกไป สองฝง (ฝงในเซลลและนอกเซลล) และหันสวนที่ไมมีขั้ว (nonpolar tail) เขาหากัน นอกจากเยื่อหุมเซลลแลวยังพบไดที่ เซลลประสาท อีกดวย 3.9 ไข (Waxes) ไข คือ ไขมันชนิดหนึ่ง แตเปนไขมันที่เกิดจากกรดไขมันที่มีโซยาว (C14– C30) และแอลกอฮอลที่มีโซยาว (C16– C30) ตัวอยาง ไข เชน ขี้ผึ้ง 3.10 สเตียรอยด (Steroids) สเตียรอยด คือ ลิพิดที่ไมมีกลีเซอรอล และกรดไขมัน มีโครงสรางเปนวง C 15 H 31 COOH + C 30 H 61 OH C 15 H 31 COOC 30 H 61 + H 2 O สเตียรอยด จะมีโครงสรางหลักๆ ที่ เหมือนๆ กันก็คือ รูปนี้นะ เราเรียกวา “สเตีย รอยด นิวเคลียส (steroid nucleus)” สวนสิ่ง ที่ทําใหสารส เตียรอยดตางกันก็คือหมูที่จะ มาเกาะที่ตําแหนงตางๆ ของสเตียรอยด นิวเคลียส
48 ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya จากแผนภาพสเตียรอยดนี้ นองก็จะเห็นวาสารสเตียรอยดมีเยอะมาก แตหลักๆ ก็จะมีสเตียรอยด นิวเคลียสเหมือนกัน และ ตางกันที่หมูที่มาเกาะ ก็จะทําใหชื่อและหนาที่มันเปลี่ยนไปแลว ที่เอามาใหดูนั้นเปนฮอรโมนในรางกายมนุษย จริงๆยังมีสารส เตียรอยดอีกเยอะแยะ ใครอยากรูเพิ่มเติมไปคนเพิ่มได 4. กรดนิวคลิอิก (Nucleic Acid) นองคงรูจักกับ “กรดนิวคลิอิก” แลวนะ เพราะเรียนมาในชีวะ ตั้งแต ม.4 แลว และเราจะเอามาเรียนในเคมีดวย เพื่อ เปนการตอกยํ้า แตการเรียนในวิชาเคมีไมไดละเอียดเทากับในชีวะนะ เราเนนเฉพาะลักษณะทั่วๆ ไป อยางที่นองๆ รูกรดนิวคลิอิก เปนกรดที่เปนสวนประกอบของสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต กรดนิวคลิอิกมี 2 ชนิด ก็คือ 1) DNA (Deoxyribonucleic Acid) 2) RNA (Ribonucleic Acid) DNA เปนรหัสพันธุกรรมในรางกายที่ควบคุมลักษณะตางๆ บนรางกายเรา มันก็จะมีอยูทุกๆ เซลลอะนะ สวน RNA ก็ จะมีอีกหลายประเภท ซึ่งนองๆ เรียนมาในชีวะ (สําหรับเด็กสายวิทย) สําหรับขอสอบ O-Net ก็ไมไดออกยากขนาดนั้น งายๆ ก็ คือ RNA ทําหนาเกี่ยวกับการสังเคราะหโปรตีนเพื่อนํามาใชประโยชนในเซลลและรางกายของเรา 4.1 DNA (Deoxyribonucleic acid) รูปทางดานขวามือนี้ก็คือหนาตาของ DNA ที่เปนสาร พันธุกรรมของรางกายสิ่งมีชีวิตก็จะมีลักษณะเปน เกลียวบันไดเวียนขวา และนองเห็นราวบันไดที่เปนเม็ด กลมๆ สีฟาและสีแดงไหม และเห็นขั้นบันไดแตละขั้น ไหมพี่ใหนองทายวามันคืออะไร….? เดี๋ยวอานไปเรื่อยๆ นองก็จะรูคําตอบเอง ที่มา : www.astrochem.org 4.1.1 โครงสรางและองคประกอบของ DNA DNA มีหนวยยอยๆ (มอนอเมอร) เปน “นิวคลีโอไทด (nucleotide)” เพราะฉะนั้นเวลามันเปนสายยาวๆ ก็คือมันเปนพอลิเมอรของนิวคลีโอไทด เพราะฉะนั้นเราก็อาจจะเรียกวา “พอลินิวคลีโอไทด (polynucleotide)” งั้นเรา มาดูโครงสรางของนิวคลีโอไทด ก็จะรูโครงสรางของ DNA โครงสรางพื้นฐานของนิวคลีโอไทดก็จะเปนแบบรูปดานขวานี้ก็คือ มีเบส (base), นํ้าตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose sugar) และฟอสเฟต (phosphate) แตนอง ก็คงจะรูมาจากชีวะแลววา นิวคลีโอไทดมี 4 แบบ ซึ่งตัวที่ทําใหตางกันก็คือเบส (ไนโตรจีนัสเบส) ที่มาเกาะนั่นเองที่มี A (adenine) , T (thymine) , G (guanine) ,และ C (cytosine) แตหลักๆก็คือ นํ้าตาลดีออกซีไรโบส และฟอสเฟตก็เหมือนกันนะ
ติวเขม O-NET Get 100 by TruePlookpanya 49 ที่มา : http://www.bio.miami.edu/tom/courses/protected/MCB6/ch02/2-17.jpg ที่มา: http://legacy.owensboro.kctcs.edu/gcaplan/lab/Image173.gif หมายเหตุ Uracil เปนเบสที่พบใน RNA โดยทําหนาที่แทน Thymine ที่อยูใน DNA 4.1.2 เบสคูสม (complementary base) และโครงสรางแบบเกลียวของ DNA จริงๆ แลวตอนแรกๆ ที่นักวิทยาศาสตรศึกษา DNA เขาไมรูหรอกวา DNA มีลักษณะเปนเกลียวคูอยางที่เราเห็นในรูป แตเผอิญวามีนักวิทยาศาสตรคนนึงเขาตั้งขอสังเกตวาเบส A และ T มีสัดสวนเทาๆกัน และเบส G และ C ก็มีสัดสวนเทาๆ กัน ประกอบกับตอมานักวิทยาศาสตรอีกคนก็ไดใชเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ (ไมตองจําชื่อการทดลองนะ) ปรากฏวา พบวา DNA มันเรียงตัวเปนเกลียวคู เหมือนขั้นบันได โดยขั้นบันไดก็คือเบสคูสมกัน (complementary base) เกิดพันธะ ไฮโดรเจนกัน โดยเปน A จับกับ T ดวย 2 พันธะไฮโดรเจน และ C จับกับ G ดวย 3 พันธะไฮโดรเจนและบริเวณราวบันได (DNA Backbone) ก็คือ นํ้าตาลดีออกซีไรโบสและฟอสเฟต