การเเยกสาร: วิทยาศาสตร์ PDF

หนวยที่ 2 การเเยกสาร หน ว ยที่ 2 01 การเเยกสารเเละการนําไปใช วิ ธีการเเยกสาร การเเยกสาร การนําความรู้ เรื่ องการเเยกสาร...

หนวยที่ 2 การเเยกสาร หน ว ยที่ 2 01 การเเยกสารเเละการนําไปใช วิ ธีการเเยกสาร การเเยกสาร การนําความรู้ เรื่ องการเเยกสาร ไปใช้ ประโยชน์ จุ ดประสงค การเรี ยนรู 1. อธิบายการแยกสารผสมโดยระเหยแห้ง การตกผลึก การกลั่นอย่างง่าย โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ เเละการสกัดด้วยตัวทําละลาย 2. เเยกสารโดยการระเหยเเห้ง การตกผลึก การกลั่นอย่างง่าย โครมาโทกราฟีเเบบกระดาษ เเละการสกัดด้วยตัวทําละลาย 3. นําวิธีการเเยกสารไปใช้เเก้ปัญหาในชีวิตประจําวันโดยบูรณาการวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ เทคโนโลยี เเละกระบวนการออกเเบบเชิงวิศวกรรม ผสม  ทบทวนความรู กอนเรี ยน ก................ 1. เหรี ยญสิ บบาทกั บเหรี ยญบาท ก, ข................ 2. ก้ อนกรวดกั บทราย จ................ 3. นํ้ามั นกั บนํ้า ค................ 4. เเป้ งมั นกั บนํ้า ก, ฉ................ 5. เศษเหล็ กในถั งขยะ * วิ ธี แยก สาร เนื ้อผสม  วิ ธี ก ารเเยกสาร ( สารผสมเนื ้อ เดี ยว) เป็ นการทําให้ สารบริ สุทธิ์ โดยการเเยกองค์ ประกอบของสารผสมออกจากกั น การกลั่นอย่างง่าย การระเหยเเห้ง การตกผลึก โครมาโทกราฟีเเบบกระดาษ การสกัดด้วยตัวทําละลาย  การระเหยเเหง ตัว ละลาย ตัวทําละลาย แยกของแข็งออกจากของเหลวโดยใชความรอน ของแข็งที่ไดอาจมีการเจือปนสารอื่น หากตองการใหสารบริสุทธิ์ขึ้นตองนําไปตกผลึก (dry evaporation) ใช้แยกสารที่ประกอบด้วยตัวละลายที่เป็นของแข็งในตัวทําละลายที่เป็นของเหลวโดยใช้ความร้อน ทําให้ของเหลวระเหย อย่างช้าๆจนหมด แล้วเหลือแต่ของแข็ง หลักการของการระเหยแห้ง คือ สารที่มีจุดเดือดตํ่ากว่าจะระเหยกลายเป็นไอได้ดีกว่าสารที่มีจุดเดือดสูงกว่า ดังนั้น สารที่ระเหยออกมาก่อนจึงเป็นของเหลว ส่วนสารที่เหลืออยู่จะเป็นของแข็ง ประกอบ ด้วย ตัว ละลาย ตัวทําละลาย , ตัว ละลาย เกลื อ น=าระเหย กลาย เป็ นไอ เมื่ อน=าระเหย เป็ นไอ จนหมด ตัวอย่ าง น=า เกลื อ < ตัวทํา ละลาย นํา ะ ดํากว่ า เกลื อ ของ แข็ ง ที่ เหลื อ คื อ เกลื อ เพราะ มี จุ ดเดื อด สาร ละลาย การผลิตเกลือสมุทร (นาเกลือ) + - 1. สูบนํ้าทะเลเข้าสู่นาเกลือ นํ้าทะเลมีโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ละลายอยู่ในรูปโซเดียมไอออน (Na ) และคลอไรด์ไอออน (Cl ) 2. นํ้าทะเลได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ นํ้าซึ่งมีจุดเดือดตํ่ากว่า NaCl จึงระเหยกลายเป็นไอออกไปหมด 3. เหลือเฉพาะ NaCl ที่มีจุดเดือดสูงกว่า (1,413 °C) อยู่ในรูปผลึกของแข็ง ซึ่งเป็นผลึกของเกลือสมุทร  การตกผลึก แยกของแข็งออกจากของเหลวที่อยูในสภาพสารละลายอิ่มตัว ผลึกที่ไดเปนสารเดิมที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นมีองคประกอบเพียงชนิดเดียว (crystallization) คื อ สาร ที่ ตัวละลายไม่ สามารถ ละลายใน ตัวทําละลาย เพิ่ มได้ สังเกต จาก การ ตก ตะกอนของ ตัวละลาย 6 ใช้แยกตัวละลายที่เป็นของแข็งออกจากสารละลายอิ่มตัว โดยการนําตัวละลายที่เป็นของแข็งมาละลายในตัวทําละลายจน กลายเป็นสารละลายอิ่มตัว จากนั้นให้ความร้อนจนของแข็งละลายหมด แล้วปล่อยให้อุณหภูมิของสารละลายลดลงช้าๆ ตัวละลายจะค่อยๆ แยกออกจากสารละลาย ในลักษณะของแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอนเฉพาะตัว เรียกว่า “ผลึก (crystal)” ซึ่งผลึกที่ได้ยังคงเป็นสารชนิดเดิมที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น เช่ น การ ตก ผลึ ก เกลื อ จาก สาร ละลายโซเดี ยม คไร ดี ( Nacl ) จะได้ ผลึ ก เกลื อ ที่ มี ความ บริ สุทธิ ์สูง ตัวอย่ าง : การ ตกผลึ ก เกลื อ เกลื อ [ น=า → ในน=า จน เป็น ละลาย เกลื อ ปล่ อยให้อุ ณหภู มิ สารละลาย ลดลง ให้ ความ ร้อนแก่ สารละลาย จน เกลื อละลายหมด สาร ละลายอิ่ ม ตัว ที่ อุ ณหภู มิห้อง ความสามาในการละลาย ของ เกลื อลด ลง ก็ จได้ สาร ละลาย อิ่ ม ตัวที่ ะ อุ ณหภู มิสูง เกลื อ จะ ค่ อย ๆ แยก ตัว ออกจาก สาร ละลายในรู ป ผลึ กเกลื อ " "  การกลั่น หรือแยกของเเข็งออกจากของเหลว เชน การกลั่นเเยกนํ้าออกจากนํ้าเกลือ (distillation) r ใช้แยกสารที่ประกอบด้วยของเหลว 2 ชนิดขึ้นไปที่มีจุดเดือดต่างกันโดยใช้ความร้อน ของเหลวที่มีจุดเดือดตํ่ากว่าจะ เหยกลายเป็นไอ แล้วควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งเมื่ออุณหภูมิลดลง การกลั่นอย่างง่าย การกลั่นด้วยไอนํ้า การกลั่นลําดับส่วน  การกลั่นอยางงาย (simple distillation) ใช้แยกสารที่ตัวทําละลายและตัวละลายมีจุดเดือดต่างกันมาก เมื่อให้ความร้อนแก่สารละลาย ของเหลวที่มีจุดเดือดตํ่ากว่า จะระเหยกลายเป็นไอออกมาก่อน แล้วควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งเมื่ออุณหภูมิลดลง และสามารถใช้แยกสารผสมที่มี ของแข็งละลายอยู่ในของเหลวได้ โดยแยกของเหลวที่มีจุดเดือดตํ่ากว่าให้ระเหยเป็นไอออกมาก่อน ส่วนของแข็งที่มีจุดเดือด สูงกว่าจะเหลืออยู่ในขวดกลั่น  การกลั่นนํ้า ออกจากนํ้าเกลือ สารที่กลั่นได้: นํ้า สารที่เหลืออยู่ในขวดกลั่น: เกลือ 1. เมื่อให้ความร้อนเเก่นํ้าเกลือ นํ้าจะระเหยกลายเป็นไอก่อน เพราะจุดเดือดตํ่ากว่าเกลือ 2. เมื่อไอนํ้าผ่านถึงเครื่องควบเเน่นจะทําให้ไอนํ้าควบเเน่นเป็นหยดนํ้าที่บริสุทธิ์ 3. ส่วนเกลือจะอยู่ในขวดกลั่นเพราะยังไม่ถึงจุดเดือดของเกลือ จึงไม่สามารถระเหยกลายเป็นไอได้  การกลั่นดวยไอนํ้า (steam distillation) ใช้แยกสารที่มีจุดเดือดตํ่า ระเหยง่าย และไม่ละลายนํ้า เช่น นํ้ามันหอมระเหยจากมะกรูด ตะไคร้หอม ดอกกุหลาบ โดยอาศัยความดันจากไอนํ้าเป็นตัวทําให้สารเดือดจนกลายเป็นไอ และถูกกลั่นออกมาพร้อมกับไอนํ้าแล้วควบแน่นกลับเป็น ของเหลวอีกครั้ง  การกลั่นนํ้ามัน หอมระเหยมะกรูด เริ่มจากการต้มนํ้าจนระเหยกลายเป็นไอ ส่งผ่านไอนํ้าไปยังส่วนของพืช นํ้ามันหอมระเหยจะเปลี่ยนสถานะเป็นเเก๊สเคลื่อนที่ ออกมาพร้อมกับไอนํ้า แล้วผ่านไปยังเครื่องควบแน่นแล้วควบเเน่นกลายเป็นของเหลวออกมา ซึ่งของเหลวที่ได้จะแบ่งเป็น 2 ชั้น โดยชั้นล่างจะเป็นนํ้า ส่วนชั้นบนเป็นนํ้ามันหอมระเหย  การกลั่นลําดับสวน (fractional distillation) ใช้แยกสารที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกัน เช่น การกลั่นนํ้ามันดิบเพื่อแยกนํ้ามัน ออกเป็นชนิดต่างๆ เมื่อนํ้ามันดิบเข้าสู่หอกลั่น นํ้ามันจะระเหยกลายเป็นไอ โดยไอของสารที่มีจุดเดือดตํ่าจะควบแน่นออกมาก่อน ส่วนไอของสารที่มี จุดเดือดสูงกว่าจะควบแน่นออกทีหลัง  การกลั่นแยก เอทานอลออกจากนํ้า จุดเดือดของนํ้า: 100 °C จุดเดือดเอทานอล: 78 °C เมื่อเอทานอลที่ผสมนํ้าได้รับความร้อน ขณะเดือดเอทานอลจะระเหยกลายเป็นไอก่อน เมื่อไอลอยขึ้นสู่หอกลั่นอุณหภูมิ จะตํ่าลงเรื่อยๆ ทําให้ไอนํ้าควบเเน่นกลับมาเป็นเเอลกอฮอล์อีกครั้ง เน่ื่องจากเอทานอลเเละนํ้ามีจุดเดือดใกล้เคียงกัน จึงต้องผ่านการกลั่นซํ้าหลายๆครั้ง เพื่อให้ได้เอทานอลที่บริสุทธิ์  โครมาโทกราฟเเบบกระดาษ (paper chromatography) ใช้แยกสารละลายที่ประกอบด้วยสารมากกว่า 1 ชนิด โดยอาศัยความสามารถในการละลายของสารในตัวทําละลาย และความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับที่ต่างกัน เหมาะกับสารที่มีปริมาณน้อย เช่น หมึก สีย้อม สีผสมอาหาร สีที่สกัดจากใบไม้ โครมาโทกราฟเเบบกระดาษ (paper chromatography) ทําหน้าที่ละลายและพาสารให้เคลื่อนที่ โดยสารที่ ละลายในตัวทําละลายได้ดีกว่าจะเคลื่อนที่แยกออก ตัวดูดซับ มาก่อน ส่วนสารที่ละลายได้น้อยกว่าจะแยกตัวออก มาทีหลัง ตัวทําละลายที่นิยมใช้มักเป็นของเหลวใส ทําหน้าที่ดูดซับสารและเป็นตัวกลางให้สาร เช่น นํ้า แอลกอฮอล์ สารละลายโซเดียมคลอไรด์ เคลื่อนที่ผ่านโดยสารที่ถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับ ได้ดีจะเคลื่อนที่ช้า ส่วนสารที่ถูกดูดซับได้ไม่ดี จะเคลื่อนที่เร็ว ตัวดูซับที่นิยมใช้ เช่น ตัวทําละลาย กระดาษโครมาโทรกราฟี กระดาษกรอง  ระยะทางที่ตัวทําละลาย เคลื่อนที่ผาน หยดสารละลายลงบนตัวดูดซับ แล้วนําไปวางลงในภาชนะที่บรรจุตัวทําละลายอยู่ โดยให้ระดับของตัวทําละลายตํ่ากว่าระดับของ สารละลายที่หยดบนตัวดูดซับ จากนั้นตัวทําละลายจะเคลื่อนที่ผ่านตัวดูดซับ ซึ่งจะพาสารที่เป็นองค์ประกอบของสารละลายเคลื่อนที่ไปด้วย สารแต่ละชนิดจะเคลื่อนที่ได้เร็วช้าต่างกัน โดย - สารที่ละลายในตัวทําละลายได้ดี + ถูกดูดซับน้อย จะเคลื่อนที่ได้เร็วเเละเคลื่อนที่ได้ระยะทางไกลจากจุดเริ่มต้นมาก - สารที่ละลายในตัวทําละลายได้ไม่ดี + ถูกดูดซับมาก จะเคลื่อนที่ได้ช้าเเละอยู่ใกล้จุดเริ่มต้น หากในสารละลายมีองค์ประกอบมากกว่า 1 ชนิด สามารถสังเกตได้จากจํานวนแถบสีที่แยกออกตามระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ผ่าน  อัตราการเคลื่อนที่ของสาร (Retention factor; R f ) ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ได (cm) Rf = ระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ได (cm) เป็นค่าเฉพาะตัวของสารแต่ละชนิด ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายของสาร ในตัวทําละลาย และการถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับสารนั้นๆ เป็นค่าที่ไม่มีหน่วย และมีค่าไม่เกิน 1  วิ ธี ทํา ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ได (cm) Rf = ระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ได (cm) 0.2 * Rf สาร A = 20 / 20 cm Rf สาร A 0.2 # * สาร ที่ สามารถ ละลได้ดี + ถู ก ดู ดซับน้อย จะมี อัตราการเคลื่ อนที่ สู ง * = ดังนั้น สาร 13 มี ความสามาในการละลายมาก กว่ า สาร A 48 Rf สาร B = 20 B ถู ก ดู ดซับน้อยกว่ า สาร A Rf สาร B = 0.24 และ สาร #  solvent front ระยะทาง ที่ องค์ประกอบ เคลื่ อนที่ Ccm) Rf = 10 cm ระยะ ทาง ที่ ตัว ทําละลายเคลื่ อนที่ com) blue 8 cm Rf สี อ 0.2 purple = = แดง 6 cm Rf สีม่วง = % = 0.6 red 2 cm Rf สีนําเงิ น = % = 0.8 origin  1. จํานวนองค์ประกอบของสีที่เเยกได้ : 3 องค์ประกอบ 10 cm C 2. เรียงลําดับการถูกดูดซับจากมากไปน้อย : สาร A > B > C 3. เรียงลําดับการถูกละลายจากมากไปน้อย : สาร C > B > A ที่ องค์ ประกอบ เคลื่ อนที่ ccm) B ระยะทาง 9 cm 4. Rf = ระยะทาง ที่ ตัว ทําละลายเคลื่ อนที่ com) 5 cm Rf (A) อ A = = 0.3 Rf (B) 5 0.5 3 cm = = 10 Rfm = % = 0.9  การวิเคราะห์ชนิดของสาร โดยใช้ค่า Rf โดยนําค่า Rf ของสารที่สงสัยเปรียบเทียบกับค่า Rf ของสารอ้างอิง โดยใช้ตัวทําละลายเเละตัวดูดซับเดียวกัน ถ้ามีค่า Rf เท่ากัน สารที่สงสัยมีเเน้วโน้มว่าจะเป็นสารชนิดเดียวกับสารอ้างอิง R f = 0.75 R f = 0.57 R f = 0.57 R f = 0.22 สาร X สาร A สาร B สาร C  การสกัดดวยตัวทําละลาย (solvent extraction) ใช้แยกสารผสมที่มีความสามารถในการละลายไม่เท่ากัน โดยการใส่ตัวทําละลายที่เหมาะสมลงในวัตถุดิบที่ต้องการสกัด เช่น ส่วนต่างๆของพืช แล้วเขย่าแรงๆ หรือนําไปต้ม เพื่อให้สารที่ต้องการละลายออกมา ซึ่งสารแต่ละชนิดสามารถละลายในตัวทํา ละลายแต่ละชนิดได้ต่างกัน และละลายได้ในปริมาณที่ต่างกัน ดังนั้นในการสกัดสารต้องเลือกตัวทําละลายที่เหมาะสม ลักษณะตัวทําละลายที่เหมาะสม มีดังนี้ ละลายสารที่ต้องการได้มาก ละลายสารอื่นได้น้อย/ไม่ละลายสารอื่นที่ไม่ต้องการ ไม่ทําให้สารที่ต้องการเปลี่ยนเป็นสารใหม่ สามารถแยกออกจากสารละลายได้ง่าย ตัวทําละลายที่นิยมใช้ในการสกัดสาร เช่น นํ้า เอทานอล อีเทอร์ เบนซีน โทลูอีน เฮกเซน การสกัดนํ้ามัน จากเมล็ดพืช 1. นําเมล็ดพืชชนิดต่าง ๆ เช่น ทานตะวัน ถั่วลิสง รําข้าว องุ่น ปาล์ม มาสกัดในตัวทําละลาย เช่น เฮกเซน 2. นําเฮกเซนที่มีนํ้ามันจากเมล็ดทานตะวันละลายอยู่มากรอง เพื่อแยกกากของเมล็ดออก 3. นําเฮกเซนจากขั้นตอนที่ 2 มากลั่นเพื่อแยกเฮกเซนออก จะได้นํ้ามันเมล็ดทานตะวันออกมา แต่ต้องนําไปฟอกสี ดูดกลิ่น กําจัดสารอื่นออกก่อนนําไปใช้  กรณีของผสมเปน กรณีของผสมเปน ของเเข็ง กับ ของเเข็ง ของเหลว กับ ของเหลว ต้องเลือกตัวทําละลายที่ละลายของเเข็งได้เพียงชนิดเดียว นําสารละลายใส่ในกรวยเเยก เเล้วเติมตัวทําละลายที่ หลังจากนั้นใช้วิธีการกรอง การตกผลึก เพื่อเเยกเอาสารที่ เหมาะสมลงไปเขย่า เเล้วปล่อยให้สารละลายเเยกเป็น 2 ชั้น ต้องการออกมา จากนั้นไขสารละลายออกมาเฉพาะส่วนที่มีสารที่ต้องการ การเเยกการบูรออกจากเกลือเเกง หลังจากนั้นนําไปกลั่นเเยกตัวทําละลายออกไป ก็จะได้สารที่ ต้องการ กรวย แยก สาร ↳ นําการบูรเเละเกลือมาละลายนํ้า คนให้เกลือละลายนํ้าจนเหลือ เเต่การบูร จากนั้นกรองการบูรออก เเล้วนํานํ้าเกลือที่ได้ตกผลึก  การนํา ความรู เ รื่ อ งการเเยกสาร ไปใช ป ระโยชน การผลิตนํ้าตาลกรวด (การตกผลึก) สกัดสีใบเตย (การสกัดด้วยตัวทําละลาย) นํ้ามันหอมระเหย (การกลั่นด้วยไอนํ้า) การทํานาเกลือ (การระเหยเเห้ง+การตกผลึก) นํ้ามันเมล็ดทานตะวัน กลั่นนํ้ามันดิบ (การกลั่นลําดับส่วน) (การสกัดด้วยตัวทําละลาย) การตรวจสอบหมึกปากกา (วิธีโครมาโทกราฟี)  การนํา ความรู เ รื่ อ งการเเยกสาร ไปใช ป ระโยชน การเลือกใชวิธีการเเยกสาร ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ ปริมาณ อุปกรณ์หาได้ง่าย ปลอดภัย คุณภาพของสารที่ต้องการ เเละราคาไม่เเพง เเยกเกลือออกจากนํ้าทะเล 1 ลิตร วิธีการระเหยเเห้ง ได้เกลือเเกงประมาณ 40 กรัม วิธีการตกผลึก ได้เกลือเเกงประมาณ 20-30 กรัม มีลักษณะเป็นผงสีขาวขุ่น มีฝุ่นผงเจือปนเล็กน้อย มีลักษณะเป็นผลึกสีขาว