สารประกอบและโครงสร้างผลึก

ทางลัด: ความแตกต่างความคล้ายคลึงกันค่าสัมประสิทธิ์การเปรียบเทียบ Jaccardการอ้างอิง

ความแตกต่างระหว่าง สารประกอบและโครงสร้างผลึก

สารประกอบ vs. โครงสร้างผลึก

น้ำ ถือเป็นสารประกอบทางเคมีอย่างหนึ่ง สารประกอบ เป็นสารเคมีที่เกิดจากธาตุเคมีตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมารวมตัวกันโดย พันธะเคมีด้วยอัตราส่วนของส่วนประกอบที่แน่นอน ตัวอย่าง เช่น ไดไฮโรเจนโมน็อกไซด์ หรือ น้ำ มีสูตรเคมีคือ H2Oซึ่งเป็นสารที่ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และ ออกซิเจน 1 อะตอม ในสารประกอบอัตราส่วนของส่วนประกอบจะต้องคงที่และตัวชี้วัดความเป็นสารประกอบที่สำคัญคือ คุณสมบัติทางกายภาพ ซึ่งจะแตกต่างจาก ของผสม (mixture) หรือ อัลลอย (alloy) เช่น ทองเหลือง (brass) ซูเปอร์คอนดักเตอร์ YBCO, สารกึ่งตัวนำ อะลูมิเนียม แกลเลียม อาร์เซไนด์ (aluminium gallium arsenide) หรือ ช็อคโกแลต (chocolate) เพราะเราสามารถกำหนดอัตราส่วนของ ของผสมได้ ตัวกำหนดคุณลักษณะเฉพาะของสารประกอบที่สำคัญคือ สูตรเคมี (chemical formula) ซึ่งจะแสดงอัตราส่วนของอะตอมในสารประกอบนั้น ๆ และจำนวนอะตอมในโมเลกุลเดียว เช่น สูตรเคมีของ อีทีน (ethene) จะเป็นC2H4 ไม่ใช่ CH2) สูตรไม่ได้ระบุว่าสารประกอบประกอบด้วยโมเลกุล เช่น โซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกง, NaCl) เป็น สารประกอบไอออนิก (ionic compound). ''Rose des Sables'' (กุหลาบทราย), ผลึกยิปซัม โครงสร้างผลึก (structure cristalline; Kristallstruktur; crystal structure) ในทางวิทยาแร่และผลิกศาสตร์ (crystallography) คือการจัดเรียงกันของอะตอมเป็นการเฉพาะตัวใน ผลึก โครงสร้างผลึกประกอบด้วย หน่วยเซลล์ (unit cell) ซึ่งเป็นกลุ่มของ อะตอม ที่จัดเรียงกันในทางเฉพาะเป็นโครงสร้างสามมิติ แบบ แลตทิซ โดยที่ว่างระหว่างหน่วยเซลล์ในทิศทางต่างๆ จะถูกเรียกว่า แลตทิซ พารามิเตอร์ (lattice parameters) คุณสมบัติความสมมาตร (symmetry) ของผลึกจะปรากฏในกรุปปริภูมิ (space group) ของมัน โครงสร้างของผลึกและความสมมาตรจะแสดงหน้าที่ของมันในการหาคุณสมบัติหลายๆ อย่าง เช่น การแตกร้าว, แถบโครงสร้าง (band structure) ทางอิเล็คทรอนิกส์ และคุณสมบัติทางแสง (crystal optics) ของผลึก.

อะตอม

อะตอม (άτομον; Atom) คือหน่วยพื้นฐานของสสาร ประกอบด้วยส่วนของนิวเคลียสที่หนาแน่นมากอยู่ตรงศูนย์กลาง ล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกกับนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า (ยกเว้นในกรณีของ ไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นนิวไคลด์ชนิดเดียวที่เสถียรโดยไม่มีนิวตรอนเลย) อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน กลุ่มของอะตอมสามารถดึงดูดกันและกันก่อตัวเป็นโมเลกุลได้ อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มิฉะนั้นแล้วมันอาจมีประจุเป็นบวก (เพราะขาดอิเล็กตรอน) หรือลบ (เพราะมีอิเล็กตรอนเกิน) ซึ่งเรียกว่า ไอออน เราจัดประเภทของอะตอมด้วยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียส จำนวนโปรตอนเป็นตัวบ่งบอกชนิดของธาตุเคมี และจำนวนนิวตรอนบ่งบอกชนิดไอโซโทปของธาตุนั้น "อะตอม" มาจากภาษากรีกว่า ἄτομος/átomos, α-τεμνω ซึ่งหมายความว่า ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป หลักการของอะตอมในฐานะส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไปถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยนักปรัชญาชาวอินเดียและนักปรัชญาชาวกรีก ซึ่งจะตรงกันข้ามกับปรัชญาอีกสายหนึ่งที่เชื่อว่าสสารสามารถแบ่งแยกได้ไปเรื่อยๆ โดยไม่มีสิ้นสุด (คล้ายกับปัญหา discrete หรือ continuum) ในคริสต์ศตวรรษที่ 17-18 นักเคมีเริ่มวางแนวคิดทางกายภาพจากหลักการนี้โดยแสดงให้เห็นว่าวัตถุหนึ่งๆ ควรจะประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไป ระหว่างช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค้นพบส่วนประกอบย่อยของอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอม ซึ่งเป็นการแสดงว่า "อะตอม" ที่ค้นพบตั้งแต่แรกยังสามารถแบ่งแยกได้อีก และไม่ใช่ "อะตอม" ในความหมายที่ตั้งมาแต่แรก กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีที่สามารถนำมาใช้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมได้เป็นผลสำเร็จ ตามความเข้าใจในปัจจุบัน อะตอมเป็นวัตถุขนาดเล็กที่มีมวลน้อยมาก เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยวๆ ได้โดยอาศัยเครื่องมือพิเศษ เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ มวลประมาณ 99.9% ของอะตอมกระจุกรวมกันอยู่ในนิวเคลียสไอโซโทปส่วนมากมีนิวคลีออนมากกว่าอิเล็กตรอน ในกรณีของ ไฮโดรเจน-1 ซึ่งมีอิเล็กตรอนและนิวคลีออนเดี่ยวอย่างละ 1 ตัว มีโปรตอนอยู่ \begin\frac \approx 0.9995\end, หรือ 99.95% ของมวลอะตอมทั้งหมด โดยมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นมวลที่เหลือประมาณเท่า ๆ กัน ธาตุแต่ละตัวจะมีอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทปที่มีนิวเคลียสซึ่งไม่เสถียรและเกิดการเสื่อมสลายโดยการแผ่รังสี ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการแปรนิวเคลียสที่ทำให้จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไป อิเล็กตรอนที่โคจรรอบอะตอมจะมีระดับพลังงานที่เสถียรอยู่จำนวนหนึ่งในลักษณะของวงโคจรอะตอม และสามารถเปลี่ยนแปลงระดับไปมาระหว่างกันได้โดยการดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกับระดับพลังงานที่ต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอม แนวคิดที่ว่าสสารประกอบด้วยหน่วยย่อยๆ ไม่ต่อเนื่องกันและไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กไปได้อีก เกิดขึ้นมานับเป็นพันปีแล้ว แนวคิดเหล่านี้มีรากฐานอยู่บนการให้เหตุผลทางปรัชญา นักปรัชญาได้เรียกการศึกษาด้านนี้ว่า ปรัชญาธรรมชาติ (Natural Philosophy) จนถึงยุคหลังจากเซอร์ ไอแซค นิวตัน จึงได้มีการบัญญัติศัพท์คำว่า 'วิทยาศาสตร์' (Science) เกิดขึ้น (นิวตันเรียกตัวเองว่าเป็น นักปรัชญาธรรมชาติ (natural philosopher)) ทดลองและการสังเกตการณ์ ธรรมชาติของอะตอม ของนักปรัชญาธรรมชาติ (นักวิทยาศาสตร์) ทำให้เกิดการค้นพบใหม่ ๆ มากมาย การอ้างอิงถึงแนวคิดอะตอมยุคแรก ๆ สืบย้อนไปได้ถึงยุคอินเดียโบราณในศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล โดยปรากฏครั้งแรกในศาสนาเชน สำนักศึกษานยายะและไวเศษิกะได้พัฒนาทฤษฎีให้ละเอียดลึกซึ้งขึ้นว่าอะตอมประกอบกันกลายเป็นวัตถุที่ซับซ้อนกว่าได้อย่างไร ทางด้านตะวันตก การอ้างอิงถึงอะตอมเริ่มขึ้นหนึ่งศตวรรษหลังจากนั้นโดยลิวคิพพุส (Leucippus) ซึ่งต่อมาศิษย์ของเขาคือ ดีโมครีตุส ได้นำแนวคิดของเขามาจัดระเบียบให้ดียิ่งขึ้น ราว 450 ปีก่อนคริสตกาล ดีโมครีตุสกำหนดคำว่า átomos (ἄτομος) ขึ้น ซึ่งมีความหมายว่า "ตัดแยกไม่ได้" หรือ "ชิ้นส่วนของสสารที่เล็กที่สุดไม่อาจแบ่งแยกได้อีก" เมื่อแรกที่ จอห์น ดาลตัน ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอม นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเข้าใจว่า 'อะตอม' ที่ค้นพบนั้นไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกแล้ว ถึงแม้ต่อมาจะได้มีการค้นพบว่า 'อะตอม' ยังประกอบไปด้วย โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แต่นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็ยังคงใช้คำเดิมที่ดีโมครีตุสบัญญัติเอาไว้ ลัทธินิยมคอร์พัสคิวลาร์ (Corpuscularianism) ที่เสนอโดยนักเล่นแร่แปรธาตุในคริสต์ศตวรรษที่ 13 ซูโด-กีเบอร์ (Pseudo-Geber) หรือบางครั้งก็เรียกกันว่า พอลแห่งทารันโท แนวคิดนี้กล่าวว่าวัตถุทางกายภาพทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดละเอียดเรียกว่า คอร์พัสเคิล (corpuscle) เป็นชั้นภายในและภายนอก แนวคิดนี้คล้ายคลึงกับทฤษฎีอะตอม ยกเว้นว่าอะตอมนั้นไม่ควรจะแบ่งต่อไปได้อีกแล้ว ขณะที่คอร์พัสเคิลนั้นยังสามารถแบ่งได้อีกในหลักการ ตัวอย่างตามวิธีนี้คือ เราสามารถแทรกปรอทเข้าไปในโลหะอื่นและเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของมันได้ แนวคิดนิยมคอร์พัสคิวลาร์อยู่ยั่งยืนยงเป็นทฤษฎีหลักตลอดเวลาหลายร้อยปีต่อมา ในปี..

สารประกอบและอะตอม · อะตอมและโครงสร้างผลึก · ดูเพิ่มเติม »

ผลึก

Quartz crystal Bismuth Crystal Insulincrystals ผลึก (crystal) เป็นของแข็งที่มีองค์ประกอบเป็นอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน ซึ่งอยู่รวมกันอย่างมีระเบียบ เป็นรูปแบบที่ซ้ำกันและแผ่ขยายออกไปในเนื้อที่สามมิติ โดยทั่วไปสสารที่เป็น ของเหลว จะเกิดผลึกได้เมื่ออยู่ภายใต้กระบวนการโซลิดิฟิเคชัน (solidification) ภายใต้สภาวะที่สมบูรณ์ผลที่ได้จะเป็น ผลึกเดี่ยว (single crystal) ที่ซึ่งทุกอะตอมในของแข็งมีความพอดีที่จะอยู่ใน แลตทิช เดียวกัน หรือ โครงสร้างผลึกเดียวกัน แต่โดยทั่วไปจะเกิดหลายรูปแบบของผลึกในระหว่างโซลิดิฟิเคชัน ทำให้เกิดของแข็งที่เรียกว่า พอลิคริสตัลลีน (polycrystalline solid) ตัวอย่าง เช่น โลหะ ส่วนใหญ่ที่พบเห็นในชีวิตประจำวันจะเป็น พอลิคริสตัล (polycrystals) ผลึกที่โตคู่กันอย่างสมมาตร จะเกิดเป็นผลึกที่เรียกว่า ผลึกแฝด (crystal twins) โครงสร้างผลึกจะขึ้นอยู่กับสารเคมี สภาวะแวดล้อมขณะเกิดการแข็งตัวและความกดดันขณะนั้น กระบวนการเกิดโครงสร้างผลึกเราเรียกว่าคริสตัลไลเซชัน (crystallization) ความสำคัญของผลึก ผลึก สามารถพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ พบมากในการก่อตัวของหิน เช่น อัญมณีต่างๆ หรือแม้แต่รอบตัวเรา ในรูปของน้ำตาล น้ำแข็ง และเกลือเม็ด เป็นต้น ความงดงามของผลึกเหล่านี้เป็นที่สนใจมาแต่ตั้งแต่ โบราณ ทั้งด้านความสมมาตรของรูปทรงและสีสรรที่หลากหลาย นักผลึกศาสตร์ในอดีต ใช้เรขาคณิตในการศึกษารูปทรงของผลึกที่พบได้ตามธรรมชาติ 5 มีคุณสมบัติเป็นคลื่นแสงพลังงานสูง มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า เมื่อรังสีเอกซ์พุ่งกระทบกับวัตถุ อะตอมในวัตถุจะสามารถทำให้รังสีเอกซ์เกิดการกระเจิงได้ นักผลึกศาสตร์พบว่าการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบในผลึก ทำให้รังสีเอกซ์กระเจิงไปในทิศทางที่จำเพาะเท่านั้น จากข้อมูลความเข้มและทิศทางของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างภาพสามมิติของโครงสร้างของสารในผลึกได้ ผลึกจึงเป็นตัวอย่างที่เหมาะสมสำาหรับการศึกษาโครงสร้างของสารที่ให้ความละเอียดในระดับอะตอม ด้วยคุณสมบัติทั่วไปสามประการได้แก่ คุณสมบัติที่เป็นของแข็ง มีสามมิติ และมีการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบมาก และความสมมาตรสูง นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาพันธะเคมี ที่ดึงดูดอะตอมเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น กราไฟท์หรือถ่านที่ทึบแสงและนิ่ม กับเพชรที่โปร่งแสงและแข็งมาก สารทั้งสองนี้มีส่วนประกอบทางเคมีที่เหมือนกัน คือธาตุคาร์บอนเท่านั้น การที่เพชรสามารถกระเจิงแสงได้ เกิดจากพันธะทางเคมีที่เรียงตัวเป็นระเบียบ ทำาให้เพชรแวววาว เรารู้โครงสร้างและพันธะเคมีของเพชร ได้จากศึกษาโครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอก ผลึกที่ฉีกกฎธรรมชาติ ในปี..1984 ดร.แดน เชท์มัน ค้นพบผลึกชนิดพิเศษที่มีรูปแบบการเรียงตัวของอะตอมอย่างไม่ต่อเนื่อง รูปแบบนี้ฉีกกฎที่เคยเชื่อกันว่า ผลึกต้องประกอบขึ้นด้วยรูปแบบสมมาตรชนิด 1, 2, 3, 4 และ 6 ด้านเท่านั้น จึงจะเกิดเป็นรูปทรงสามมิติได้ การค้นพบที่เปลี่ยนแปลงความเชื่อครั้งใหญนี้่ เกิดจากการศึกษาโลหะผสมระหว่างอลูมิเนียมและแมงกานีสด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ดร.แดน เชชท์มัน สังเกตเห็นการจัดเรียงตัวแบบห้าเหลี่ยม ในผลึก และต่อมาผลึกในลักษณะนี้ เป็นที่รู้จักว่าเป็น “ผลึกเสมือน” การค้นพบนี้ทำให้ ดร.แดน เชท์มัน ได้รับ รางวัล โนเบล สาขาเคมี ในปี..

ผลึกและสารประกอบ · ผลึกและโครงสร้างผลึก · ดูเพิ่มเติม »