การจัดเรียงอนุภาคของแข็ง

การจัดเรียงอนุภาคในของแข็ง

            ของแข็งที่เกิดจากการจัดเรียงอนุภาคอย่างมีระเบียบ มีรูปร่างเฉพาะตัวเรียกว่าผลึก  ผลึกของของแข็งแต่ละชนิดจะมีผิวหน้าที่เรียบ  ซึ่งทำมุมกันด้วยค่าที่แน่นอนและเป็นลักษณะเฉพาะตัว  ผลึกที่มีขนาดใหญ่  เมื่อทำให้เล็กลง เช่น  โดยการบด  ส่วนเล็ก ๆ ที่เกิดขึ้นก็ยังคงรักษารูปผลึกแบบเดิมอยู่ โดยทั่วๆ ไปของแข็งชนิดเดียวกันจะมีการจัดเรียงตัวของอนุภาคเป็นแบบเดียวกัน ไม่ว่าของแข็งนั้นจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติ หรือสังเคราะห์ขึ้น  ผลึกของแข็งจะมีจุดหลอมเหลวคงที่  และมีช่วงของการหลอมเหลวสั้น  คือเมื่อให้ความร้อนแก่ผลึกจนถึงอุณหภูมิค่าหนึ่ง (ที่จุดหลอมเหลว)  ของแข็งจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวทันทีทำให้อ่านจุดหลอมเหลวได้แน่นอน  ผลึกของแข็งชนิดเดียวกันอาจจะมีสมบัติบางอย่างต่างกัน  เช่น ดัชนีหักเห  การนำไฟฟ้า  อาจจะแตกต่างกัน

            การที่ของแข็งมีการจัดเรียงโมเลกุลที่ต่างกัน  ทำให้เกิดผลึกที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นผลให้สมบัติทางกายภาพ  เช่น  จุดเดือด  จุดหลอมเหลว  และความหนาแน่นแตกต่างกัน

            ในกรณีที่ของแข็งชนิดหนึ่งมีผลึกได้หลายแบบเรียกว่ามีรูป  (Polymorphism) 

            ในกรณีของธาตุชนิดเดียวกัน  แต่มีการจัดโครงสร้างของโมเลกุล หรือโครงสร้างผลึกต่างกัน  ก็เรียกว่ารูป  (Allotrope)  เช่นเดียวกัน

            ตัวอย่างเช่น  ผลึกกำมะถัน  มี    2  รูป  แต่ละรูปมีสมบัติทางกายภาพต่างกันคือ

            ก.  กำมะถันรอมบิก (Rhombic  Sulfur)  เป็นผลึกเหลี่ยมโปร่งใส  สีเหลืองอ่อน  มีความถ่วงจำเพาะ  2.06  หลอมเหลวที่   112.8  ⁰C  ประมาณ  (113 ⁰C)  ละลายได้ดีใน  CS₂    เบนซีน หรือน้ำมันสนที่ร้อน ๆ  ไม่ละลายน้ำ  มีความคงตัวที่อุณหภูมิปกติ  (หรือต่ำกว่า  95.5 ⁰C)    ดังนั้นจึงเป็นรูปที่คงตัวที่สุดของกำมะถัน

            กำมะถันรอมบิก เตรียมได้โดยนำกำมะถันมาบดให้เป็นผงแล้วนำไปละลายใน CS₂  กรอง  หลังจากปล่อยให้ CS₂  ระเหยไปจะได้ผลึกกำมะถันรอมบิกแยกออกมา

            ข.  กำมะถันโมโนคลินิก  (Monoclinic  Sulfur)  ลักษณะเป็นผลึกโปร่งใส  มีสีเหลืองเข้มกว่ากำมะถันรอมบิก  เป็นของแข็งผลึกรูปเข็ม  มีความถ่วงจำเพาะ  1.96   หลอมเหลวที่  119  ⁰C ละลายได้ดีใน CS₂   แต่ไม่ละลายน้ำ กำมะถันโมโนคลินิกคงตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า  96  ⁰C  ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่านี้จะกลับไปเป็นกำมะถันรอมบิก  ดังนั้นจึงอาจเตรียมกำมะถันรอมบิกได้จากกำมะถันโมโนคลินิกโดยการลดอุณหภูมิลงให้ต่ำกว่า  96  ⁰C

            กำมะถันโมโนคลินิก  เตรียมได้โดยนำกำมะถันผงไปละลายในโทลูอีนร้อน ๆ  จนได้สารละลายอิ่มตัว  กรอง  หลังจากทิ้งไว้ให้เย็นจะได้ผลึกแยกออกมา

            ทั้งกำมะถันรอมบิกและกำมะถันโมโนคลินิก  ต่างก็มีสูตรโมเลกุลเป็น  S₈  เหมือนกัน  แต่มีการจัดเรียงโมเลกุลต่างกัน

  

            นอกจากกำมะถันรูปผลึกทั้ง   2  แบบแล้ว  ยังมีกำมะถันที่ไม่มีรูปผลึกอีกหลายชนิด  เช่น  กำมะถันพลาสติก (plastic  sulfur)  กำมะถันขาว  (white   amorphous  sulfur)  และกำมะถันคอลลอยด์ (collidal  sulfur)

 นอกจากกำมะถันแล้ว  ธาตุอื่น ๆ ก็มีรูปร่างและสมบัติต่างกันได้เช่น  คาร์บอน  ฟอสฟอรัส  ออกซิเจน   ดีบุก  เป็นต้น

ตาราง สมบัติบางประการของรูปต่าง  ๆ ของธาตุบางชนิด

ชื่อธาตุ	รูป	ลักษณะภายนอก	จุดหลอมเหลว (0C)	จุดเดือด (0C)	ความหนาแน่น   (g/cm3)	การนำไฟฟ้า
คาร์บอน	แกรไฟต์ เพชร	ของแข็งสีดำ ของแข็งไม่มีสี	3652 สูงกว่า 3500	4827 -	2.25 3.51	นำ
ฟอสฟอรัส	ฟอสฟอรัส (ขาวหรือเหลือง)	ของแข็งสีขาว (หรือเหลือง)(เป็นพิษ)	44	280	1.82	ไม่นำ
	ฟอสฟอรัสแดง	ของแข็งสีแดง (ไม่เป็นพิษ)	590	445	2.34	ไม่นำ
กำมะถัน	รอมบิก โมโนคลินิก	ผลึกรูปเหลี่ยม ผลึกรูปเข็ม	113 119	445	2.07 2.07	ไม่นำ ไม่นำ
ออกซิเจน	ก๊าซ  O2 ก๊าซ  O3	ก๊าซไม่มีสี ก๊าซไม่มีสีมีกลิ่นเฉพาะ	-219 -193	-183 -111	1.51* 1.61 *	ไม่นำ ไม่นำ
ดีบุก	ดีบุกเทา ดีบุกขาว	ผลึกแบบเพชร ของแข็ง	ความถ่วงจำเพราะ  5.77  คงตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 13.2 0C นำไฟฟ้าได้เล็กน้อยแบบกึ่งโลหะ ความถ่วงจำเพาะ  7.28  คงตัวระหว่าง  13.2 - 161 0C นำไฟฟ้าได้

*  หมายถึง ความหนาแน่นในขณะที่เป็นของเหลว

            ในกรณีที่เป็นของแข็งต่างชนิดกันแต่มีรูปผลึกเหมือนกันเรียกว่า  ไอโซมอร์ฟิซึม (Isomorphism)  เช่น  NaCl ,  NaF ,  KCl ,  CaS  ,  MgO  ต่างก็มีรูปผลึกเหมือนกัน  ในทำนองเดียวกัน  CaF₂  ,  SrCl₂ , CdF₂  ,  และ  PbF₂  ต่างก็มีรูปผลึกเหมือนกัน

            ในกรณีของแข็งนั้นไม่มีรูปผลึกเรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน  เช่น  พลาสติก  แก้ว  ยาง  สารดังกล่าวนี้จะมีสมบัติเหมือนของแข็งทั่ว ๆ  ไป คือมีความแข็งแกร่ง  มีปริมาตรแน่นอน  รูปร่างไม่ขึ้นกับภาชนะบรรจุ  เพียงแต่ขาดลักษณะของการจัดเรียงอนุภาคตามรูปทรงเรขาคณิตเท่านั้น  พวกของแข็งอสัณฐานจะมีสมบัติเกี่ยวกับดัชนีหักเห  การนำไฟฟ้าและสมบัติอื่น ๆ เหมือนกันหมด  ในทุกทิศทางและอาจจะมีจุดหลอมเหลวที่ไม่เด่นชัด  คือจะค่อย ๆอ่อนตัวลงและกลายเป็นของเหลวที่ไหลได้ ซึ่งทำให้สังเกตจุดหลอมเหลวได้ยาก

            การศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างของผลึกนอกจากจะดูภายนอกแล้ว  ยังมีการศึกษาโครงสร้างของการจัดเรียงอนุภาคในผลึกด้วย  ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องมือเรียกว่า  X-ray  diffraction