สอนวิทย์มัธยม1: วัดปริมาณเป็นโมล ดูคลิปอธิบายมายากล

คราวนี้เด็กๆลองเอากล้องจุลทรรศน์ทำเองจากเลนส์เลเซอร์พอยท์เตอร์ต่อกับกล้องโทรศัพท์มือถึอหรือ iPad มาส่องผลึกเกลือกันเล่นครับ ผลึกเกลือนี้เกิดจากการผสมเกลือ 3 ช้อนโต๊ะกับน้ำ 100 cc แล้วถึงไว้สองสัปดาห์ในร่มครับ เราเอาแท่งทองแดงและสังกะสีใส่ทิ้งไว้ด้วยจะรอดูว่าเปลี่ยนหน้าตาหรือเปล่า ให้เด็กๆสังเกตและบันทึกไปว่าเห็นอะไรครับ:

กล้องจุลทรรศน์ทำเอง ดูวิธีทำที่ http://witpoko.com/?p=3029 นะครับ
กล้องจุลทรรศน์ทำเอง ดูวิธีทำที่ http://witpoko.com/?p=3029 นะครับ

img_0328 img_0330

จากนั้นเด็กๆก็ได้ดูคลิปมายากลแสดงทักษะการหลอกของนักมายากลครับ:

ดูคลิปเพิ่มเติมและลดความเร็วการเล่นให้เหลือ 1/2 หรือ 1/4 เพื่อพยายามดูว่ากลทำอย่างไรครับ เป็นการฝึกให้หัดเสนอสมมุติฐานเพื่ออธิบายปรากฎการณ์ต่างๆครับ:

แล้วเราก็เข้าเรื่องการวัดปริมาณเป็นโมลกันครับ เราคุยกันก่อนว่าเวลาเราเตรียมสารละลายเช่นเกลือ 1 กรัมในน้ำ 100 กรัม มันชั่งตวงง่าย แต่เราจะไม่รู้ว่าจำนวนโมเลกุลเกลือหรือโมเลกุลน้ำมันมีกันสักเท่าไร อะไรมากกว่าน้อยกว่ากันแค่ไหน นักวิทยาศาสตร์จึงมีวิธีกำหนดปริมาณสสารต่างๆในหน่วยโมล (mole) ครับ

1 โมลคือปริมาณจำนวนเท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีน้ำหนัก 12 กรัมครับ ด้วยประโยคนี้เราก็ต้องเข้าใจว่าคาร์บอน-12 คืออะไร เราก็ไปเปิดหน้าตารางธาตุดูกันก่อนครับ

ตารางธาตุจากหน้า http://www.ptable.com/ ครับ เข้าไปกดดูได้
ตารางธาตุจากหน้า http://www.ptable.com/ ครับ เข้าไปกดดูได้

ในตารางธาตุเราจะเห็นว่าคาร์บอน (C) มีเลขอะตอม (atomic number) = 6 ซึ่งแปลว่ามันมีโปรตอนอยู่หกตัวอยู่ในนิวเคลียส  และมีมวลอะตอม (atomic mass) เท่ากับ 12.011  สาเหตุที่มวลอะตอมไม่เป็นเลขจำนวนเต็มก็เพราะว่าธาตุต่างๆมีไอโซโทป (isotope) หลายแบบ คือธาตุเดียวกันมีจำนวนโปรตอนเท่าๆกัน แต่อาจมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน เช่นในธรรมชาติคาร์บอนมีสามไอโซโทปคือ คาร์บอน-12, คาร์บอน-13, และคาร์บอน-14 โดยที่คาร์บอน-12 มี 6 โปรตอนและ 6 นิวตรอน (12 = 6+6), คาร์บอน-13 มี 6 โปรตอนและ 7 นิวตรอน (13 = 6+7), และคาร์บอน-14 มี 6 โปรตอนและ 8 นิวตรอน (14 = 6+8)  คาร์บอนส่วนใหญ่ในธรรมชาติประมาณ 98.93% เป็นคาร์บอน-12 อีกประมาณ 1.07% เป็นคาร์บอน-13 ส่วนคาร์บอน-14 จะมีประมาณ 1-1.5 อะตอมต่อทุกล้านล้านอะตอมของคาร์บอนทั้งหมด เมื่อเอามวลอะตอมของแต่ละไอโซโทปมาเฉลี่ยกันจึงได้ 12.011 ไม่ใช่ 12 เป๊ะๆ

เลขอะตอมและมวลอะตอมของคาร์บอน
เลขอะตอมและมวลอะตอมของคาร์บอน

เจ้าคาร์บอน-14 เนี่ยมันเป็นไอโซโทปที่ไม่เสถียร อยู่ไปนานๆมันก็เปลี่ยนร่างเป็นไนโตรเจน-14 ได้โดยนิวตรอนตัวหนึ่งเปลี่ยนเป็นโปรตอนกับอิเล็กตรอนและนิวตริโนได้ (เรียกว่าการแตกตัวแบบ beta decay) ถ้าเรามีคาร์บอน-14 จำนวนหนึ่ง เมื่อรอไปเป็นเวลาประมาณ 5,730 ปี คาร์บอน-14 ครึ่งหนึ่งจะเปลี่ยนไปเป็นไนโตรเจน-14 เวลา 5,730 ปีเรียกว่าครึ่งชีวิต (half-life หรือ t-½) ของคาร์บอน-14  โดยทั่วไปครึ่งชีวิตสำหรับสารกัมมันตภาพรังสีต่างๆก็คือเวลาที่สารเหล่านั้นครึ่งหนึ่งจะเปลี่ยนไปเป็นสารอื่นเช่นครึ่งชีวิตของยุเรเนียม-238 คือประมาณ 4.5 พันล้านปี แสดงว่าถ้าเราเก็บยูเรเนียม-238 ไว้หนึ่งกิโลกรัม เมื่อเวลาผ่านไป 4.5 พันล้านปีเราจะเหลือยูเรเนียม-238 ครึ่งกิโลกรัมเป็นต้น (ลองกดเข้าไปดูครึ่งชีวิตของสารต่างๆดูที่หน้านี้นะครับ)

คาร์บอน-14 ใช้วัดระยะเวลาอารยธรรมต่างๆในทางโบราณคดีได้ เพราะเวลาสิ่งมีชีวิตยังหายใจอยู่จะมีการแลกเปลี่ยนคาร์บอนกับบรรยากาศทำให้อัตราส่วนคาร์บอน-14 ต่อคาร์บอน-12 เท่าๆกับในบรรยากาศ แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายจะไม่มีการแลกเปลี่ยนคาร์บอนกับบรรยากาศอีก อัตราส่วนคาร์บอน-14 จะลดลงไปเรื่อยตามเวลา ถ้าเวลาผ่านไป 5,730 ปีอัตราส่วนก็จะเหลือครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับตอนมีชีวิตอยู่ นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดอัตราส่วนนี้แล้วใช้ประมาณเวลาการตายของสิ่งมีชีวิตที่ตายไปสัก 1,000-30,000 ปีได้ค่อนข้างแม่นยำ ตัวอย่างการประมาณความเก่าแก่ในประเทศไทยก็เช่นแหล่งโบราณคดีบ้านเชียงครับ

เมื่อเราดูตารางธาตุกัน ผมก็เล่าให้เด็กๆฟังด้วยว่าตอนแรกเริ่มจักรวาลมีแต่ธาตุไฮโดรเจน (H) และฮีเลียม (He) เมื่อธาตุเหล่านี้ดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วงกลายเป็นดาวฤกษ์ ความดันและความร้อนภายในดาวฤกษ์ทำให้อะตอมธาตุเบาๆอย่าง H and He ชนกันบ่อยและบางครั้งการชนก็เกิดการรวมนิวเคลียสเปลี่ยนเป็นธาตุที่หนักขึ้นเรื่อยๆ จนถึงเหล็ก (Fe) ธาตุที่หนักกว่าเหล็กนั้นเกิดจากดาวใหญ่ๆตายแล้วระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาปล่อยอะตอมหนักๆต่างๆออกมากลายเป็นดาวฤกษ์และดาวเคราะห์รุ่นต่อไป อะตอมเยอะแยะในร่างกายเราเคยเป็นส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์ที่ระเบิดตายไปแล้วในอดีตครับ

มีตารางบอกว่าธาตุต่างๆเกิดจากกระบวนการอะไรด้วยครับ ว่าเกิดจากการกำเนิดจักรวาล (Big Bang), รังสีคอสมิก (Cosmic rays), ดาวใหญ่ร้อนมาก (Large stars), ดาวเล็กร้อนน้อย (Small stars), ซุปเปอร์โนวา (Supernovae), คนสร้างขึ้น (Man-made):

ธาตุต่างๆเกิดจากไหน ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Supernova_nucleosynthesis
ธาตุต่างๆเกิดจากไหน ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Supernova_nucleosynthesis

ธาตุต่างๆเกิดจากไหน

ผมเล่าอีกว่าเวลาดาวระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา มันจะสว่างได้เท่าๆกับดาวทั้งหมดในแกแล็กซีที่มีเป็นแสนล้านดวงเลย ถ้าเราอยู่ใกล้ๆเราก็ตายหมดแน่ โชคดีที่จักรวาลมันใหญ่ เราจึงยังไม่โดนจังๆ แม้ว่าในอดีตโลกอาจเคยโดนแบบไม่แรงนักจากระยะห่าง 100-200 ปีแสงไปทำให้เกิดการสูญพันธุ์ของสัตว์หลายชนิดเมื่อประมาณ 2.6 ล้านปีที่แล้ว

ถึงตอนนี้มีนักเรียนถามว่าดาวฤกษ์ใกล้ๆเช่น Proxima Centauri ระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาได้ไหม ปรากฎว่าดาวเล็กไป จึงจะไม่ระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาครับ

เมื่อสักประมาณพันปีที่แล้ว นักดาราศาสตร์ชาวจีนบันทึกว่าเห็นแสงสว่างจ้าในท้องฟ้าครับ ตอนนี้เรารู้แล้วว่ามันคือซูเปอร์โนวาที่ห่างไปประมาณ 7,000 ปีแสง ตอนนี้เศษซากของมันเรียกว่า Crab Nebula ดังในรูปครับ:

ซากซูเปอร์โนวาที่ชาวจีนเห็นเมื่อประมาณพันปีที่แล้วครับ เรียกว่า Crab Nebula
ซากซูเปอร์โนวาที่ชาวจีนเห็นเมื่อประมาณพันปีที่แล้วครับ เรียกว่า Crab Nebula

หลังจากออกทะเลท่องอวกาศไปไกลเราก็กลับมาคุยเรื่องโมลกันต่อครับ  นักวิทยาศาสตร์ทำการทดลองวัดพบว่าจำนวน1 โมล (ซึ่งเป็นตัวเลขเท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีน้ำหนัก 12 กรัม) มีค่าประมาณ 6.02 x 1023 ครับ หรือเท่ากับประมาณ 0.6 ล้านล้านล้านล้าน เป็นเลขขนาดใหญ่มากครับ เลข 6.02 x 1023 นี้เรียกว่าเลขอาโวกาโดร (Avogadro number) ตามชื่อนักวิทยาศาสตร์ที่เสนอไอเดียว่าแก๊สต่างๆที่ปริมาตรเท่ากันที่อุณหภูมิและความดันเดียวกันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่าๆกันครับ (สำหรับผู้สนใจว่าวัดเลขนี้มาได้อย่างไรลองอ่านนี่หรือนี่ดูนะครับ หรือลองให้นักเรียนลองคิดดูก็ได้ครับว่าจะหาได้อย่างไรบ้าง)

ถึงตอนนี้ผมให้เด็กๆเดาว่าความสัมพันธ์ระหว่างโมลและน้ำหนักเป็นกรัมคืออะไรครับ ชี้ให้เด็กเห็นว่าน้ำหนักของธาตุทั้งหลายส่วนใหญ่มาจากโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเพราะอิเล็กตรอนเบากว่าโปรตอนประมาณเกือบ 2,000 เท่า และโปรตอนหนักเท่าๆกับนิวตรอน  (เบากว่านิดนึง) หลังจากใบ้ไปมาเด็กๆก็เริ่มเห็นว่าดังนั้นไฮโดรเจน 1 โมล จะมีจำนวนโปรตอนเป็น 1/12 ของจำนวนโปรตอน+นิวตรอนในคาร์บอน-12 ดังนั้นน้ำหนักมันต้องเป็น 1/12 ของน้ำหนักคาร์บอน-12 จำนวน 1 โมล เนื่องจากเรารู้ว่าน้ำหนักคาร์บอน-12 จำนวน 1 โมลเท่ากับ 12 กรัม ดังนั้นไฮโดรเจน 1 โมลต้องหนัก 1/12 x 12 กรัม = 1 กรัมครับ

เราใช้วิธีคิดแบบนี้กับธาตุอื่นๆได้ทำให้เรารู้ว่าน้ำหนักเป็นกรัมของธาตุต่างๆก็จะประมาณเท่ากับจำนวนโปรตอน+นิวตรอนของมันนั่นเอง เช่นออกซิเจนส่วนใหญ่ในโลกมีโปรตอน 8 ตัวและนิวตรอน 8 ตัว (ลองไปหน้านี้แล้วกด O ดูนะครับ) ดังนั้นออกซิเจน 1 โมลจะหนัก 8+8 = 16 กรัม หรือเหล็กส่วนใหญ่มีโปรตอน 26 ตัวและนิวตรอน 30 ตัว เหล็ก 1 โมลก็จะหนัก 26+30 = 56 กรัม

เราคิดแบบเดียวกันกับโมเลกุลต่างๆครับเช่นน้ำคือ H2O มีไฮโดรเจนสองอะตอมอยู่กับออกซิเจนหนึ่งอะตอม จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดมี 2 โปรตอนจากไฮโดรเจนสองอะตอม + 8โปรตอนและ 8 นิวตรอนจากออกซิเจน = 2+16 = 18  ดังนั้นน้ำหนึ่งโมลจะหนัก 18 กรัม

ถึงตอนนี้ผมให้เด็กๆลองคำนวณว่าน้ำดื่มหนึ่งแก้วที่เราดึ่มเท่ากับกี่โมล และมีน้ำกี่โมเลกุลครับ

เราประมาณว่าน้ำหนึ่งแก้วเท่ากับ 300 กรัม น้ำ 1 โมลหนัก 18 กรัม ดังนั้นน้ำ  300 กรัม = 300/18 โมล (หรือประมาณ 16.7 โมล)

น้ำ 1 โมลมีโมเลกุลน้ำประมาณ 6×1023 โมเลกุล ดังนั้นน้ำ 300/18 โมลจะมีน้ำประมาณ 300/18 x 6 x 1023  = 1025โมเลกุล หรือเท่ากับ 10 ล้านล้านล้านล้านโมเลกุล ซึ่งมากกว่าดาวทั้งหมดในจักรวาลที่เราสังเกตได้ประมาณ 10-100 เท่าครับ

สัปดาห์นี้เวลาหมดเราจึงหยุดไว้แค่นี้ก่อนครับ

 

 

Leave a Reply

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