สอนวิทย์มัธยม 1: สารละลาย เรียนวิทย์จากคลิปการสร้าง iPhone 7

สัปดาห์นี้เราเริ่มคุยกันเรื่องสารละลายครับ แต่ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูคลิปนี้ก่อนเลย:

เป็นคลิปที่คนเขาเอาฮีทซิงค์ (Heatsink) ที่ทำจากอลูมิเนียม (Al) มาทาแกลเลียม (Ga) แล้วหยดปรอท (Hg) ลงไปครับ

โลหะอลูมิเนียมปกติจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นอลูมิเนียมออกไซด์ ( Al2O3) เป็นผิวบางๆเคลือบชิ้นอลูมิเนียมอยู่ ชั้นอลูมิเนียมออกไซด์จะป้องกันการกัดกร่อนได้ดี ถ้าเราหยดปรอทลงไปตอนนี้จะไม่เกิดอะไรขึ้น

ปรากฎว่าแกลเลียมจะวิ่งผ่านชั้นผิวอลูมิเนียมออกไซด์เข้าไปผสมกับเนื้ออลูมิเนียมได้ครับ พอเราหยดปรอทตามลงไป ปรอทก็วิ่งเข้าไปผสมกับอลูมิเนียมได้ ทำให้เกิด “อัลลอย” หรือโลหะผสมระหว่างอลูมิเนียมและปรอท เมื่อทิ้งไว้หลายๆชั่วโมงอลูมิเนียมและปรอทก็ผสมกันเป็นสารละลายที่เป็นของแข็ง มีความเปราะเอามือบีบให้แตกเป็นชิ้นๆได้เหมือนเส้นสปาเก็ตตี้แห้ง

คลิปนี้เป็นคลิปให้เด็กๆตื่นเต้นเรื่องสารละลาย และสารละลายเป็นของแข็งก็ได้ครับ

ผมให้เด็กๆอ่านฉลากขวดแอลกอฮอลล้างแผล (Ethyl Alcohol 70% v/v) ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2 3% w/v) น้ำส้มสายชูกลั่น (กรดอเซติก 5% v/v) ให้เห็นการวัดความเข้มข้นของสารละลายเป็น มวล/มวล (w/w) ปริมาตร/ปริมาตร (v/v) และมวลต่อปริมาตร (w/v) ครับ ผมบอกเด็กๆว่าการวัดความเข้มข้นเป็นมวล/มวลน่าจะเข้าท่าที่สุดเพราะไม่ค่อยขึ้นกับความดันและอุณหภูมิตอนผสมสารละลาย แต่ถ้าตวงง่ายๆก็ใช้ v/v หรือ w/v ได้ครับ  สารละลายสามอย่างนี้เป็นตัวอย่างสารละลายที่เป็นของเหลว

ผมถามเด็กๆว่าคิดถึงสารละลายที่เป็นก๊าซได้ไหม เด็กๆบอกว่าอากาศที่เราหายใจก็น่าจะเป็นอย่างนั้น ผมให้เด็กๆหาข้อมูลว่าอากาศเรามีส่วนประกอบก๊าซอะไรบ้าง เด็กๆได้ข้อมูลประมาณนี้ครับ:

ส่วนประกอบของอากาศรอบๆตัวเราครับ จากหน้า https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth แค่ก๊าซสามตัวแรกก็ 99% แล้ว
ส่วนประกอบของอากาศรอบๆตัวเราครับ วัดแบบโดยปริมาตร จากหน้า https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth แค่ก๊าซสามตัวแรกก็ 99% แล้ว

ผมให้เด็กๆดูข้อมูลในเอกสารนี้ด้วยครับ ได้เห็นตารางอ่านง่ายๆหน่อย:

ส่วนผสมอากาศโดยปริมาตรจาก http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/pdf/airgas.pdf ครับ
ส่วนผสมอากาศโดยปริมาตรจาก http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/pdf/airgas.pdf ครับ

ผมให้เด็กๆสังเกตสูตรเคมีของก๊าซต่างๆ ให้เห็นว่าก๊าซเฉื่อยเป็นอะตอมเดี่ยวๆ (Ar, Ne, He, Kr, Xe) ไม่อยากยุ่งกับอะตอมอื่นๆ และอยู่ในคอลัมน์เดียวกันในตารางธาตุครับ

ผมแนะให้เด็กๆอ่านเรื่องเกี่ยวกับสารละลายคร่าวๆที่นี่แบบภาษาอังกฤษ หรือที่นี่แบบภาษาไทยเบื้องต้น หรือที่นี่แบบภาษาไทยแบบมีรายละเอียดมากขึ้นครับ

พวกเราทดลองวัดความต้านทานไฟฟ้าของสารละลายเกลือแกง (NaCl) ในน้ำประปาครับ เราชั่งเกลือ 0, 1, 2 กรัมผสมน้ำประปา 100 กรัมแล้วเอาลวดทองแดงจุ่มให้ห่างกันเท่ากับความกว้างถ้วย เพราะความต้านทานขึ้นกับระยะใกล้ไกลของลวดทองแดงครับ บรรยากาศประมาณนี้:

บรรยากาศวัดความต้านทานสารละลายเกลือแกงในน้ำประปา บรรยากาศวัดความต้านทานสารละลายเกลือแกงในน้ำประปา บรรยากาศวัดความต้านทานสารละลายเกลือแกงในน้ำประปา บรรยากาศวัดความต้านทานสารละลายเกลือแกงในน้ำประปา บรรยากาศวัดความต้านทานสารละลายเกลือแกงในน้ำประปา

ได้ข้อมูลประมาณนี้ครับ:

ปริมาณเกลือ NaCl (g) ในน้ำประปา 100 g ความต้านทาน (Ω)
0 160,000
1 8,300
2 4,000

จะเห็นว่าพอมีเกลือมากขึ้น ไฟฟ้าก็วิ่งผ่านสารละลายได้ง่ายขึ้นครับ

รายละเอียดเรื่องพวกนี้หาอ่านเพิ่มได้ที่นี่ครับ

ผมเอาคลิปโฆษณาการผลิต iPhone 7 มาให้เด็กๆดูด้วยครับ:

ในวิดีโอมีการพูดถึงคำว่า Anodization ซึ่งเป็นการสร้างผิวอลูมิเนียมออกไซด์บนเนื้อโลหะอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้า เพื่อทำให้ทนทานต่อการกัดกร่อนต่างๆ และให้ผิวมีรูพรุนเล็กๆทั่วไปหมดเพื่อให้สีดำที่เป็นของเหลวถูกดูดซึมเข้าไปตามรูพรุนเหล่านี้ด้วยแรงคาปิลลารี่

เราคุยกันเรื่องความแข็งของกระจกหน้าโทรศัพท์ทั้งหลาย กระจกพวกนี้ต้านทานความขีดข่วนได้ดีกว่ากระจกทั่วๆไปเพราะมีความแข็งจากแรงตึงที่เนื้อกระจกภายในดึงกันอยู่ แต่ถ้าแตก จะแตกกระจายหรือเป็นแนวยาวๆ เราทำความเข้าใจโดยการจับมือกันแล้วดึงแน่นๆ แขนเราจะรับน้ำหนักจากด้านบนได้เยอะ แต่ถ้ามือหลุดออกจากกันปุ๊บ เราจะกระเด็นออกจากกันครับ:

จับมือดึงกันไว้ตึงๆเพื่อทำความเข้าใจว่ากระจกแข็งๆทำงานอย่างไร
จับมือดึงกันไว้ตึงๆเพื่อทำความเข้าใจว่ากระจกแข็งๆทำงานอย่างไร

คลิปที่แสดงความแข็งของแก้วด้วยวิธีทำให้มีแรงตึงข้างในมากๆที่สนุกที่สุดน่าจะเป็นคลิปของเล่นแบบนี้ที่เรียกว่า Prince Rupert’s Drop ครับ หน้าตามันเหมือนลูกอ๊อด ส่วนหัวจะแข็งมาก ทุบด้วยฆ้อนไม่แตก แต่ถ้าหนีบให้ส่วนหางเล็กๆหักนิดเดียว แรงตึงภายในจะทำให้แก้วทั้งก้อนระเบิดเป็นผงเลยครับ ผลิตโดยการเผาแก้วให้ร้อนเป็นของเหลวแล้วปล่อยให้หยดลงไปในน้ำเย็นครับ:

นอกจากนี้เรายังดูคลิปเอากระเบื้องจากหัวเทียนปาใส่กระจกรถทำให้กระจกรถแตกละเอียดเนื่องจากกระเบื้องแข็งกว่ากระจกและกระจกรถมีแรงตึงภายในมากครับ เมื่อกระเบื้องทำให้บางส่วนของกระจกแตก แรงตึงภายในจะทำให้กระจกทั้งบานแตกตาม:

เรามีการพูดกันถึงเรื่อง Polarization ของแสงกันนิดหน่อย ให้พอรู้ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีทิศทางการสั่นในแนวต่างๆ ถ้าเราเอาแผ่นกรองที่ยอมให้แสงที่สั่นในทิศทางเจาะจงผ่านได้เท่านั้นไปกั้น เราก็จะกรองแสงบางส่วนออกได้ เช่นแสงสะท้อนจากผิวน้ำหรือถนนจะสั่นในแนวราบที่ขนานกับผิวน้ำหรือถนน แว่นกันแดดที่ให้แสงที่สั่นแนวตั้งเท่านั้นผ่านก็จะกันไม่ให้แสงสะท้อนเข้ามาที่ตาเรามากนักครับ

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *