เคมี ม.4: ธาตุ

ธาตุและสารประกอบในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

นักเรียนได้ศึกษาเกี่ยวกับธาตุและสมบัติของธาตุต่างๆ มาแล้ว ต่อไปนี้จะศึกษาธาตุและสารประกอบของธาตุที่สำคัญบางชนิด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการดำรงชีวิตของมนุษย์สัตว์และพืช พร้อมทั้งศึกษาถึงผลกระทบที่จะมีต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

3.8.1 ธาตุอะลูมิเนียม

อะลูมิเนียมพบมาในเปลือกโลกประมาณ 7.5% โดยมวล รูปของสารประกอบ เช่น บอกไซต์ $(Al_2 O_3 \cdot 2H_2 O)$ ไครโอไลต์ (Na_3 AlF_6)

โลหะอะลูมิเนียมเตรียมได้จากการหลอมเหลวแร่บอกไซต์แล้วแยกด้วยกระแสไฟฟ้าจะได้โลหะอะลูมิเนียมที่แคโทด โลหะอะลูมิเนียมมีสีเงิน มีความหนาแน่นต่ำ เหนียวและแข็ง ดัดโค้งงอได้ ทุบให้เป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้นได้ นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีมาก
สารประกอบออกไซด์ของอะลูมิเนียมคือ Al_2 O_3

มีจุดหลอมเหลวสูงมาก ทนความร้อนสูง ละลายได้ทั้งในกรดและเบส ออกไซด์ที่เกิดในธรรมชาติเรียกว่า คอรันดัม มีความแข็งมากและมีหลายสี จึงนิยมใช้ทำเครื่องประดับ สารประกอบซัลเฟตของอะลูมิเนียมที่ตกผลึกร่วมกับหะแอลคาไลน์ จะได้ผลึกของอะลัม (Alum) ชนิดหนึ่งซึ่งมีสูตรทั่วไปคือ $MAl(SO_4 )_2 \cdot 12H_2 O$ โดย M ในที่นี้คือไอออนบวกของโลหะ เช่น N^+

หรือ

ส่วนสารส้มที่ใช้ตามบ้านคือสารส้มโพแทส มีสูตร $KAl(SO_4 )_2 \cdot 12H_2 O$ มีลักษณะเป็นผลึกใส ใช้มากในกระบวนการผลิตกระดาษและกระบวนการทำน้ำประปา

คอรันดัม หรือ กะรุน สูตรเคมีคือ Al_2 O_3

มีรูปผลึกหกเหลี่ยม ตรงกลางป่องและค่อยๆเรียวลงจนถึงปลายทั้ง 2 ด้าน มีความแข็งรองจากเพชร ส่วนมากมีสีเทาเขียว เทาฟ้า และเทาดำ ถ้ามีสีอื่นๆ จะเรียกชื่อต่างๆ กัน เช่น สีแดงหรือม่วงเรียกทับทิม สีฟ้าหรือน้ำเงินเรียกไพลินหรือแซฟไฟร์ถ้ามีรูปดาว 6 แฉกจะรวมเรียกว่าพลอยสาแหรก คอรันดัมมีสีต่างๆ กัน เนื่องจากมีโลหะแทรนซิชันต่างชนิดกันปนอยู่ เช่น มีสีแดงเพราะมีโครเมียม สีน้ำเงินเพราะมีเหล็กกับไทเทเนียม

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีประโยชน์มากในทางอุตสาหกรรม ใช้ทำอุปกรณ์ไฟฟ้า เครื่องครัว ของใช้ในบ้านห่ออาหาร และห่อของใช้ ทำโลหะเจือหลายชนิดที่นำไปเป็นส่วนประกอบของเครื่องบิน เรือ รถไฟ และรถยนต์

3.8.2 ธาตุแคลเซียม พบในเปลือกโลกประมาณ 5.4% โดยมวล พบในรูปของสารประกอบที่มี Al_2 O_3

เป็นองค์ประกอบ เช่น หินงอก หินย้อย เปลือกหอย ดินมาร์ล และพบในสารประกอบซัลเฟต เช่น ยิปซัม แคลเซียมเตรียมได้โดยการแยกสารประกอบคลอไรด์ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้าแคลเซียมเป็นโลหะที่มีความแข็ง มีจุดหลอมเหลว จุดเดือดและความหนาแน่นสูงกว่าโลหะแอลคาโลน์ สารประกอบของแคลเซียมที่น่าสนใจ ได้แก่ ออกไซด์ของแคลเซียม คือ CaO (ปูนดิบ) เมื่อผสมกับน้ำจะได้ Ca(OH)_2

(ปูนสุก)สารละลาย Ca(OH)_2

เรียกว่า น้ำปูนใส
ประโยชน์ของสารประกอบแคลเซียมในรูป CaCO_3

จากหินปูน ใช้ทำปูนขาว ชอล์ก ดินสอพอง ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอช Na_2 CO_3

สำหรับ $CuCaSO_4  \cdot 2H_2 O$ หรือ ยิปซัม ใช้ผลิตแผ่นยิปซัมบอร์ด เป็นวัสดุก่อสร้าง ใช้ทำเครื่องปั้นดินเผาชนิดโบนไชนา (Bone china) ซึ่งมีคุณภาพดีราคาแพง นอกจากนี้แคลเซียมยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน ถ้าร่างกายขาดธาตุแคลเซียมจะทำให้เป็นโรคกระดูกเสื่อม กระดูกผุ และฟันไม่แข็งแรง

รูป 3.9 หินงอก หินย้อย

รูป 3.10 แร่ยิปซัม $(CaSO_4 \bullet 2H_2 O)$

3.8.3 ธาตุทองแดง
พบในเปลือกโลกประมาณ 0.0007% โดยมวลพบในแร่ธาตุหลายชนิด ได้แก่ คาลโคไพไรต์ (CuFeS_2

คิวไพรต์

มาลาไคต์

คาลโคไซต์

อาจพบในรูปธาตุอิสระเป็นเม็ดปนอยู่ในหินและทราย การถลุงโลหะทองแดงทำได้โดยนำแร่ซัลไฟด์ของทองแดงมาเผาในอากาศ จะได้โลหะทองแดง และทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกด้วยไฟฟ้า ทองแดงเป็นโลหะที่มีสีแดงมีความหนาแน่น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีรองจากเงิน เมื่อทิ้งไว้ในอากาศชื้นนานๆ จะเกิดสารประกอบคาร์บอเนตสีเขียวคลุมผิวทองแดงไว้ซึ่งเป็นการป้องกันการผุกร่อนของทองแดงได้อีกชั้นหนึ่ง
ประโยชน์ของทองแดง ใช้ทำสายไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้า โลหะผสมระหว่างทองแดงกับสังกะสี ซึ่งเรียกว่าทองเหลือง ใช้ทำกลอนประตู กุญแจ ใบพัดเรือ ปลอกกระสุนปืน กระดุม โลหะผสมของทองแดงกับดีบุก ซึ่งเรียกว่าทองบรอนซ์ ใช้ทำลานนาฬิกา ระฆัง ปืนใหญ่
สารประกอบเชิงซ้อนของทองแดงเป็นองค์ประกอบในเลือดปู ปลาหมึก หอยโข่ง แมงป่อง และทำให้เลือดเป็นสีน้ำเงิน ร่างกายของคนต้องการทองแดงเพื่อใช้ในกระบวนการทางชีวเคมี ถ้าขาดจะทำให้เกิดความบกพร่องในการสังเคราะห์ไขมันบางชนิด และทำให้เกิดโรคโลหิตจาง

รูป 3.11 แร่ที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบ

3.8.4 ธาตุโครเมียม
พบในเปลือกโลกประมาณ 0.02% โดยมวล พบในรูปของแร่โครไมต์ $(FeO \cdot Cr_2 O_3 )$ การถลุงแร่โครเมียมทำได้โดยการเผาแร่โครไมต์กับโพแทสเซียมคาร์บอเนตในอากาศ จะเกิดโพแทสเซีมโครเมต แล้วนำไปเผารวมกับคาร์บอนและอะลูมิเนียมจะได้โครเมียมซึ่งเป็นโลหะสีขาวเงิน มีความมันวาว และแข็งมาก ต้านทานการผุกร่อนและคงความเป็นมันเงาได้นานในอากาศ
สารประกอบของโครเมียมที่อยู่ในรูปโครเมียมออไซด์ชนิดต่างๆ เช่น โครเมียม (III) ออกไซด์ CrO โครเมียม (II) ออกไซด์ (CrO) โครเมียมเกิดสารประกอบเชิงซ้อนได้หลายชนิดและมีสีต่างๆ กัน เช่น K_2 Cr_2 O_7

มีสีส้ม

สีเหลือง $KCr(SO_4 )_2  \cdot 12H_2 O$ สีม่วงแดง
ประโยชน์ของโครเมียมใช้เคลือบผิวเหล็กหรือโลหะอื่นๆ โดยการชุบด้วยไฟฟ้า เพื่อป้องกันการผุกร่อนและมีผิวเป็นเงางาม เป็นส่วนผสมในเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมีสมบัติทนต่อการผุกร่อนและทนสารเคมีชนิดต่างๆ ได้ดี เป็นส่วนประกอบในเหล็กกล้าผสมที่ใช้ทำตู้นิรภัย เครื่องยนต์เกราะกันกระสุน เป็นโลหะเจือโคบอลต์ใช้ทำกระดูกเทียมเพราะมีความแข็งแรงและมีปฏิกิริยาต่อร่างกายน้อย

รูป 3.12 แร่โครไมต์ $(FeO \cdot Cr_2 O_3 )$

รูป 3.13 โครเมียมใช้เคลือบผิวรถยนต์เพื่อป้องกันการผุกร่อนและมีสีผิวเป็นเงางาม

3.8.5 ธาตุเหล็ก
พบในเปลือกโลกประมาณ 4.7% โดยมวลและพบในรูปของแร่ชนิดต่างๆ ได้แก่ แร่ฮีมาไทต์ แร่แมกนีไทต์ (Fe_2 O_3)

และแร่ไพไรต์ (Fe_2 O_4)

การถลุงเหล็กใช้การรีดิวซ์ออกไซด์ของเหล็ก (Fe_2 O_3)

ด้วยถ่านโค้ง (C ) เหล็กเป็นโลหะสีเทา มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง ถูกดูดด้วยแม่เหล็กได้และคงอำนาจแม่เหล็กได้อย่างถาวร สารประกอบออกไซด์ของเหล็กมีหลายชนิด เช่น FeO Fe_2 O_3

เหล็กสามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อนและไอออนเชิงซ้อนได้หลายชนิดและมีสีต่างๆ เช่น K_4 Fe(CN)_6

มีสีเหลือง K_4 Fe(CN)_6

มีสีเหลืองอมส้ม $NH_4 Fe(SO_4 )_2 \cdot 12H_2 O$ มีสีม่วงอ่อน
ประโยชน์ของเหล็ก เหล็กกล้าเป็นโลหะเจือของเหล็กกับคาร์บอนในปริมาณต่างๆ กัน บางชนิดอาจเติมโลหะอื่นเพิ่มลงไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพเรียกว่า เหล็กกล้าเจือโลหะใช้ในงานก่อสร้าง ผลิตเครื่องยนต์ ทำตัวถังรถยนต์ ทำลวด ตะปู เหล็กเคลือบผิวด้วยสังกะสีใช้มุงหลังคา เหล็กเคลือบผิวด้วยดีบุกใช้ทำกระป๋องบรรจุอาหาร เหล็กกล้าที่ผสมนิกเกิล 3% โครเมียม 1% ใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรประเภทเฟือง เกียร์ เพลา ข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครเมียม 18 % นิกเกิล 8% และคาร์บอน 0.4% ใช้ทำมีด ช้อนส้อม เรือนนาฬิกา นอกจากนี้เหล็กเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเม็ดเลือดแดง ถ้าร่างกายได้รับเหล็กไม่เพียงพอจะทำให้เป็นโรคโลหิตจาง

รูป 3.14 แร่ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ

3.8.6 ธาตุไอโอดีน
พบในปริมาณเล็กน้อยในน้ำทะเล ในสาหร่ายทะเลบางชนิด และพบในสินแร่ที่มีโซเดียมไนเตรตอยู่ในรูปของโซเดียมไอโอเดตไอโอดีนเป็นอโลหะที่มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นเกล็ดมันวาวสีม่วง ระเหิดได้ง่ายละลายน้ำได้น้อยมากแต่ละลายได้ในตัวทำละลายชนิดอื่นๆ ได้ดี เช่น สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ เอทานอลเฮกเซน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ เกิดสารประกอบไอออนิกกับโลหะทั่วไปได้สารประกอบประเภทเกลือ
ประโยชน์ของไอโอดีน ไอโอดีนละลายในเอทานอลเรียกว่าทิงเจอร์ไอโอดีน ใช้ทาแผลฆ่าเชื้อโรค ไอโอไดด์ไอออนเป็นส่วนประกอบของฮอร์โมนไทรอกซินในต่อมไทรอยด์ ซึ่งควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมของร่างกายถ้าขาดไอโอดีนจะทำให้เป็นโรคคอพอก สารประกอบของไอโอดีน เช่น โซเดียมไอโอไดด์ โพแทสเซียมไอโอไดด์ ใช้ผสมในเกลือสินเธาว์ เป็นการเพิ่มไอโอไดด์ไอออนให้ได้สัดส่วนที่เหมาะสมต่อการใช้บริโภค

รูป 3.15 เกล็ดไอโอดีน

3.8.7 ธาตุไนโตรเจน
พบมากทั้งในรูปของธาตุอิสระและสารประกอบ ในอากาศมีแก๊สไนโตรเจนอิสระประมาณ 78% การแยกแก๊สไนโตรเจนออกจากอากาศทำได้โดยทำอากาศให้เป็นของเหลวแล้วนำไปกลั่นลำดับส่วน จะได้ไนโตรเจนเหลวออกมา ไนโตรเจนเป็นแก๊สไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ที่อุณหภูมิปกติไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น(ยกเว้นลิเทียม) แต่จะทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น เนื่องจากเป็นแก๊สที่เสถียร ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยา ออกไซด์ของไนโตรเจนมีหลายชนิด เช่น NO N_2 O_3

และ

สำหรับ NO เป็นออกไซด์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับกรดหรือเบส รวมกับออกซิเจนได้อย่างรวดเร็วให้ NO_2

ซึ่งเป็นแก๊สสีน้ำตาลแดงละลายน้ำได้ดี
ประโยชน์ของไนโตรเจน ใช้ในอุตสาหกรรมทำแอมโมเนียและกรดไนตริก แอมโมเนียใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอช แอมโมเนียมซัลเฟตและยูเรียเพื่อทำปุ๋ยส่วนกรดในตริกใช้ในอุตสาหกรรมทำสี ไหมเทียม วัตถุระเบิด พลุสี และในการบวนการพิมพ์ผ้า ไนโตรเจนที่อยู่ในรูปของกรดอะมิโนและโปรตีนมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ พืชส่วนใหญ่สังเคราะห์โปรตีนโดยใช้ไนเตรดไอออนจากดินและสำหรับพืชตระกูลถั่วสามารถเปลี่ยนไนโตรเจนจากอากาศเป็นสารอาหารได้
การหมุนเวียนของไนโตรเจนที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ ศึกษาได้จากรูป 3.16

รูป 3.16 การหมุนเวียนของไนโตรเจนในระบบนิเวศ

จากรูป 3.16 อธิบายได้ว่าไนโตรเจนในอากาศจะถูกตรึงด้วยกระบวนการต่างๆ ได้แก่ กระบวนการทางอุตสาหกรรมการผลิตปุ๋ย กระบวนการทางธรรมชาติจากการเกิดฟ้าแลบ ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า จากสิ่งมีชีวิต เช่น สาหร่ายและจุลินทรีย์ในดิน เช่น แบคทีเรียไรโซเบียมในปมรากถั่วไนโตรเจนในกระบวนการดังกล่าวจะถูกแบคทีเรียบางชนิดที่อยู่ในดินเปลี่ยนเป็นสารประกอบของไนโตรเจนที่พืชสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้คือ สารประกอบไนไตรต์ (NO_2^ - )

และไนเตรต

ซึ่งพืชจะดูดไปใช้สร้างโปรตีนในพืช เมื่อสัตว์กินพืชก็จะนำไปใช้ในการสร้างโปรตีนในสัตว์ และเมื่อพืชและสัตว์ตายลงจะมีแบคทีเรียบางชนิดทำหน้าที่เป็นผู้ย่อยสลายซากพืชซากสัตว์ จนได้เป็นสารประกอบ NO_2^ -

และ

ซึ่งบางส่วนพืชสามารถนำไปใช้ได้และขณะเดียวกันในดินจะมีแบคทีเรียบางชนิดเปลี่ยนสารประกอบ NO_2^ -

และ

ที่อยู่ในดินให้เป็นไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ นอกจากนี้ไนโตรเจนบางส่วนอาจได้มาจากการขับถ่ายของสัตว์ กระบวนการใช้และสร้างไนโตรเจนออกสู่บรรยากาศจะเกิดหมุนเวียนเช่นนี้ตลอดเวลา

3.8.8 ธาตุออกซิเจน

พบในเปลือกโลกในปริมาณมากที่สุดประมาณ 49.5% โดยมวล พบในธรรมชาติทั้งในสภาพอิสระและในรูปสารประกอบออกซิเจนในอากาศมีประมาณ 21% โดย ปริมาตร และเป็นองค์ประกอบในสารอาหารจำนวนมาก เช่น น้ำตาล แป้ง และไขมัน ในทางอุตสาหกรรมจะผลิตออกซิเจนจากอากาศเหลว โดยการกลั่นลำดับส่วนที่อุณหภูมิห้อง ออกซิเจนเป็นแก๊สไม่มีสี ไม่มีกลิ่น มีสมบัติช่วยให้ไฟติด ช่วยในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งมนุษย์ สัตว์ และพืช ออกซิเจนเกิดสารประกอบกับธาตุต่างๆ ทั้งโลหะและอโลหะได้อย่างดี เช่น สารประกอบออกไซด์สามารถเกิดกับธาตุโดยทั่วไป สารประกอบเปอร์ออกไซด์เกิดกับโลหะหมู่ IA และ IIA เช่น BaO_2

สารประกอบซุปเปอร์ออกไซด์เกิดกับโลหะหมู่ IA เช่น KO_2

และ

และเกิดสารประกอบกับไฮโดรเจนได้สารประกอบไฮโดรด์ เช่น น้ำ (H_2 O)

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H_2 O_2)

นอกจากนี้ยังเกิดสารประกอบกับแก๊สเฉื่อยได้ในภาวะที่เหมาะสมเช่น XeO_3

ประโยชน์ของออกซิเจน เป็นแก๊สที่ช่วยในกระบวนการหายใจของสิ่งมีชีวิต ช่วยให้เกิดการเผาไหม้ในร่างกายและเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ในสารต่างๆ เมื่อรวมกับแก๊สอะเซทิลีน (C_2 H_2)

จะให้เปลวไฟที่ร้อนแรง ใช้ตัดและเชื่อมโลหะ ออกซิเจนในรูปโอโซนใช้ฟอกสีกระดาษและฆ่าเชื้อโรคในน้ำ สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ใช้ฟอกสีขนสัตว์ ผม ฟาง เยื่อกระดาษ สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 3% ใช้เป็นยาฆ่าเชื้อโรค ออกซิเจนเหลวใช้สันดาปกับไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในจรวดและยานอวกาศ

โอโซน (Ozone) เป็นแก๊สพิษไม่มีสี มีกลิ่นรุนแรงเฉพาะตัวมีจุดเดือด-112.4 $^\circ C$ จุดหลอมเหลว -249.7 $^\circ C$

3.8.9 ธาตุฟอสฟอรัส

พบอยู่ในรูปของสารประกอบ ส่วนใหญ่เป็นแร่หินฟอสเฟต เช่น แคลเซียมฟอสแฟต [Ca_3(PO_4)_2]

ฟลูออโรอะปาไตต์ [Ca_5 F(PO_4)_3]

ฟอสฟอรัสเตรียมจากการเผาแร่หินฟอสเฟตกับซิลิกาและถ่านโค้กที่อุณหภูมิสูงประมาณ $^\circ C$ จะได้ไอฟอสฟอรัสออกมา ฟอสฟอรัสมีหลายรูปเช่น
ฟอสฟอรัสขาว มีสูตรโมเลกุลเป็น P_4

มีลักษณะนิ่มคล้ายขี้ผึ้ง มีจุดหลอมเหลวต่ำ ระเหยง่าย เป็นพิษ ไม่ละลายน้ำ ไม่เสถียร ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยามาก จึงต้องเก็บไว้ในน้ำ เพราะถูกออกซิไดส์ได้ง่ายในอากาศ และลุกไหม้ได้เองที่อุณหภูมิ 40 - 45 $^\circ C$ ละลายได้ในคาร์บอนไดซัลไฟด์ (CS_2)

เฮกเซน

และตัวทำละลายอินทรีย์อื่นๆ ถ้าให้ฟอสฟอรัสขาวทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่มีปริมาณจำกัดจะได้สารประกอบออกไซด์มีสูตรเป็น P_4 O_6

แต่ถ้าใช้ออกซิเจนในปริมาณมาก จะได้สารประกอบออกไซด์มีสูตรเป็น P_4 O_10

ดังรูป 3.17 ก.
ฟอสฟอรัสแดง เป็นรูปที่เสถียรกว่าฟอสฟอรัสขาวเป็นผงสีแดงเข้ม ไม่ละลายใน CS_2

และในตัวทำละลายอินทรีย์ ไม่ระเหย ไม่เป็นพิษ และไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยามีโครงสร้างเป็นพอลิเมอร์ของ P_4

   ดังรูป 3.17 ข.
                  ฟอสฟอรัสดำ มีโครงสร้างและสมบัติคล้ายแกรไฟต์เป็นของแข็งสีเทาเข้ม เป็นแผ่นมีเงาโลหะ นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ ดังรูป 3.17 ค.
                  ประโยชน์ของฟอสฟอรัส เป็นธาตุที่จำเป็นแก่พืชในรูปของปุ๋ยฟอสเฟตและปุ๋ยซูเปอร์ฟอสเฟต ซึ่งเป็นของผสมระหว่าง Ca(H_2 PO_4)_2

กับ

เป็นสารอาหารที่สำคัญของพืช ทำหน้าที่ควบคุมความเป็นกรด-เบสในเลือดและของเหลวในร่างกายของสิ่งมีชีวิต ส่วนฟอสฟอรัสแดงใช้ทำระเบิดเพลิง ระเบิดหมอกควัน และไม้ขีดไฟ

รูป 3.17 โครงสร้างของฟอสฟอรัส

3.8.10 ธาตุซิลิคอน
พบในเปลือกโลกประมาณ 25.67% โดยมวล มีปริมาณมากเป็นที่สองรองจากออกซิเจนพบในแร่ควอตซ์และทรายในรูปของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO_2)

ที่เรียกว่าซิลิกาและในรูปสารประกอบซิลิเกต ซิลิคอนเตรียมได้จากการรีดิวซ์ SiO_2

ด้วยถ่านโค้ก (C) ที่อุณหภูมิสูงจะได้ซิลิคอนเป็นผลึกสีเทา เป็นมันวาว มีโครงสร้างคล้ายกับเพชรแต่มีความแข็งน้อยกว่าเพชร อะตอมยึดกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เป็นโครงผลึกร่างตาข่าย ดังรูป 3.18

รูป 3.18 โครงสร้างของ SiO_2

ประโยชน์ของซิลิคอนใช้ในอุตสาหกรรมทำแก้วเส้นใยแก้วและเส้นใยนำแสง ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำใช้ทำวงจรไฟฟ้าขนาดเล็ก และใช้ทำอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ไมโครคอมพิวเตอร์ วิทยุ โทรทัศน์ เซลล์สุริยะ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความแข็งแรงมาก ใช้ทำเครื่องบด เครื่องโม่ ซิลิโคนเป็นพอลิเมอร์ของซิลิคอน มีสมบัติไม่รวมตัวกับน้ำไม่นำไฟฟ้า ทนความร้อน และไม่ว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมี ใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าและเคลือบผิววัสดุ เพื่อป้องกันมิให้เกิดปฏิกิริยาเคมี นอกจากนี้ซิลิกาใช้ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์

รูป 3.19 ผลึกควอตซ์หรือเขี้ยวหนุมาน

3.8.11 ธาตุสังกะสี
พบในเปลือกโลกประมาณ 0.01% โดยมวล พบในรูปของแร่หลายชนิดคือ แร่สฟาเลอไรต์หรือซิงค์เบลน (ZnS) แร่เฮมิมอร์ไฟต์ [Zn_4 (Si_2 O_7 )(OH)_2 H_2 O]

แร่สมิทโซไนต์ ZnCO_3

   สังกะสีเตรียมได้โดยนำแร่มาเผาในอากาศเพื่อเปลี่ยนซัลไฟด์เป็นออกไซด์แล้วรีดิวซ์ออกไซด์ด้วยถ่านโค้กที่อุณหภูมิสูง จะได้ไอของสังกะสี เมื่อผ่านการควบแน่นจะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง สังกะสีเป็นโลหะค่อนข้างอ่อนมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ เป็นไอได้ง่าย สารประกอบของสังกะสี   เช่น ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) เป็นสารประกอบที่สำคัญของสังกะสี มีลักษณะเป็นผงสีขาว และจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองเมื่อเผาให้ร้อน ซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) มีสีขาว เรืองแสงได้ ใช้ทำจอโทรทัศน์ สังกะสีจะเกิดสารประกอบเบสิกคาร์บอเนต $[Zn(OH)_2 \cdot ZnCO_3 ]$ ปกคลุมผิวหน้าเป็นฟิล์มบางๆ เมื่อมีอากาศชื้น
                  ประโยชน์ของสังกะสี เช่น ใช้เป็นสารเร่งปฏิกิริยาในการผลิตยางรถยนต์ ใช้ในอุตสหกรรมเซรามิกส์ ใช้เป็นส่วนผสมยาต่างบาดแผลหรือแผลไฟไหม้ ใช้ทำเหล็กอาบสังกะสีที่เรียกว่า Galvanized iron เพื่อป้องกันมิให้เหล็กเป็นสนิมหรือสึกกร่อนได้ เนื่องจากสังกะสีเกิดออกไซด์และเบสิกคาร์บอเนตปกคลุมผิวหน้าไว้อีกชั้นหนึ่งจึงนิยมใช้ทำท่อน้ำ แผ่นสังกะสีมุงหลังคาและถังบรรจุน้ำ แผ่นสังกะสีบริสุทธิ์ใช้ทำกล่องถ่านไฟฉายและทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าสังกะสีเป็นองค์ประกอบของเอนไซม์บางชนิดในร่างกายที่ช่วยย่อย และสังเคราะห์โปรตีน ถ้าขาดจะทำให้ผิวหยาบกร้าน เป็นโรคเหน็บชา ตับแข็ง ม้ามโต และเจริญเติบโตช้า

3.8.12 ธาตุเรเดียม
                เป็นธาตุกัมมันตรังสี เตรียมจากกระบวนการแยกสลายสารประกอบแฮไลด์ของเรเดียมด้วยไฟฟ้าโดยใช้ปรอทเป็นขั้ว ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ Ra-226 การสลายตัวของเรเดียมจะให้รังสีแกมมาซึ่งใช้ยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็ง ธาตุนี้เรืองแสงได้ในที่มืด
จากการศึกษาเรื่องธาตุและตารางธาตุ สามารถนำความรู้เกี่ยวกับสมบัติต่างๆ ของธาตุในบทนี้ไปใช้ในการศึกษาเรื่องอื่นๆ ของวิชาเคมีในบทต่อไปได้

ภาพแร่ในบทเรียนนี้ได้รับความเอื้อเฟื้อจากกรมทรัพยากรธรณี

แบบฝึกหัดท้ายบท
1. ธาตุสมมติ M   N   O   P   Q   R   S และ T เป็นธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันของตารางธาตุเรียงลำดับจากหมู่ IA ถึง VIIIA ตามลำดับ
                  ก. ธาตุใดควรมีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ต่ำที่สุด
                  ข. ธาตุใดควรมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด
                  ค. ธาตุใดรวมกับคลอรีนได้สารประกอบที่มีสูตร displaystyle XCl_3

   (เมื่อ X แทนสัญลักษณ์ของธาตุ)
                  ง. ออกไซด์ของธาตุใดเมื่อละลายน้ำแล้วสารละลายจะมีสมบัติเป็นเบส
                  จ. คลอไรด์ของธาตุใดเมื่อหลอมเหลวแล้วนำไฟฟ้าได้

2. คอลไรด์ต่อไปนี้ RbCI LiCI และ   NCl_3

ชนิดใดควรมีจุดหลอมเหลวต่ำที่สุด เพราะเหตุใด

3. สารประกอบออกไซด์ต่อไปนี้ B_2 O_3

BeO

และ

   เมื่อละลายน้ำ สารละลายของออกไซด์ชนิดใดจะแสดงสมบัติเป็นกรด

4. ออกซิเจนกับกำมะถันเป็นธาตุหมู่ VIA อยู่ในคาบที่ 2 และคาบที่ 3 ตามลำดับเหตุใดจุดหลอมเหลวของธาตุคู่นี้จึงแตกต่างกันมาก

5. เพราะเหตุใดธาตุซิลิคอนจึงมีจุดหลอมเหลวสูงเป็นพิเศษ เมื่อเทียบกับธาตุอื่นในคาบเดียวกัน

6. ธาตุ X ทำปฏิกิริยากับน้ำร้อน ได้สารประกอบไฮดรอกไซด์กับแก๊สไฮโดรเจน ดังสมการ
                    $X(s) + 2H_2 O(1) \to X(OH)_2 (aq)+H_2(g)$
                  ก. ธาตุ X ควรอยู่ในหมู่ใดของตารางธาตุ
                  ข. สารละลายของ displaystyle X(OH)_2

ประกอบด้วยไอออนอะไรบ้าง
                  ค. ธาตุ X ในสถานะของแข็งนำไฟฟ้าหรือไม่

7. ธาตุ A ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเกิดสารประกอบมีสูตร HA เมื่อละลายน้ำสารละลายมีสมบัติเป็นกรด
                  ก. ธาตุ A ควรอยู่ในหมู่ใดของตารางธาตุ
                  ข. สารละลายของ HA นำไฟฟ้าได้หรือไม่ ถ้านำไฟฟ้าได้ สารละลายควรประกอบด้วยไอออนใดบ้าง

8. เหตุใดจึงจัดให้ธาตุไฮโดรเจนอยู่ตรงตำแหน่งระหว่างหมู่ IA กับหมู่ VIIA ของตารางธาตุคาบที่ 1

9. ให้นักเรียนทำนายสมบัติต่อไปนี้ของธาตุ A ซึ่งมีเลขอะตอม 56
                  ก. ธาตุ A อยู่ในหมู่ใดและคาบใดในตารางธาตุ
                  ข. ธาตุ A ควรจัดเก็บโลหะหรืออโลหะ
                  ค. ธาตุ A ควรมีสมบัติทางกายภาพเป็นอย่างไร
                  ง. สารประกอบคลอไรด์ของธาตุ A ควรมีสูตรและสมบัติเป็นอย่างไร
                  จ. สารประกอบออกไซด์ของธาตุ A ควรมีสูตรและสมบัติเป็นอย่างไร

จงตอบคำถามต่อไปนี้
                  ก. M เป็นธาตุแทรนซิชันหรือไม่
                  ข. การทดลองในข้อใดที่สนับสนุนคำตอบของข้อ ก.

10. ธาตุ P และธาตุ Q ควรอยู่ตรงตำแหน่งใดในตารางธาตุ ถ้าสมบัติบางประการของธาตุ P และ Q เป็นดังนี้
ธาตุ P
                  - เป็นของแข็งเนื้ออ่อนที่ใช้มีดตัดได้
                  - ลอยบนผิวน้ำ
                  - มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า 100 $^\circ C$
                  - เกิดสารประกอบไฮไดรด์ มีสูตร PH และเป็นสารประกอบไอออนิก

ธาตุ Q
                  - มีความหนาแน่นมากกว่า 7 g/ cm^3

- มีจุดหลอมเหลว> 1500 $^\circ C$
- เกิดสารประกอบออกไซด์ มีสูตรเป็น QO Q_2 O_3 QO_3

หน้าหลัก

วันอังคารที่ 6 กันยายน พ.ศ. 2559

ธาตุ

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น