วิทยาศาสตร์

โครงสร้างอะตอม

หลังจากมีการค้นพบว่า อิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม ทำให้ขัดแย้งกับทฤษฎีอะตอมในอดีตที่เข้าใจว่า อะตอมแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงได้เสนอแนวความคิดเกี่ยวกับแบบจำลองของอะตอมขึ้นมา เรียงตามความเชื่อถือดังนี้

1. แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
2. แบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
3. แบบจำลองอะตอมของโบร์

ตารางธาตุในปัจจุบัน

เนื่องจากปัจจุบันนักเคมีพบว่า การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุมีส่วนสัมพันธ์กับสมบัติต่าง ๆ ของธาตุ กล่าวคือ ถ้าเรียงลำดับธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก จะพบว่าธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันเป็นช่วง ๆ ตามลักษณะของการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุนั้น ดังนั้นในปัจจุบันจึงจัดตารางธาตุโดยเรียงตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก ดังในรูปที่ 5.13

รูปที่ 5.13 ตารางธาตุในปัจจุบัน

ตารางธาตุในรูปที่ 5.13 เป็นแบบที่ใช้กันอยู่มากในปัจจุบัน แบ่งธาตุในแนวตั้งออกเป็น 18 แถวหรือ 18 หมู่ โดยธาตุทั้งหมด 18 แถว แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือกลุ่ม A และ B กลุ่ม A มี 8 หมู่ คือหมู่ IA ถึง VIIIA ส่วนกลุ่ม B ซึ่งอยู่ระหว่างหมู่ IIA และ IIIA มี 8 หมู่เช่นเดียวกัน คือ หมู่ IB ถึง VIIIB (แต่มี 10 แนวตั้ง) เรียกธาตุกลุ่ม B ว่า ธาตุทรานซิชัน

ธาตุในแต่ละหมู่ ของกลุ่ม A ถ้ามีสมบัติคล้ายกันจะมีชื่อเรียกเฉพาะหมู่ เช่น

• ธาตุหมู่ IA เรียกว่า โลหะอัลคาไล (alkali metal) ได้แก่ Li , Na , K , Rb , Cs , Fr
• ธาตุหมู่ IIA เรียกว่า โลหะอัลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth) ได้แก่ Be Mg Ca Sr Ba Ra
• ธาตุหมู่ VIIA เรียกว่า ธาตุเฮโลเจน (halogen) ได้แก่ F Cl Br I At
• ธาตุหมู่ที่ VIIIA เรียกว่า ก๊าซเฉื่อย (Inert gas) ได้แก่ He Ne Ar Kr Xe Rn

สำหรับการแบ่งธาตุเป็นคาบ ธาตุทั้งหมดในตารางธาตุแบ่งเป็น 7 คาบ ซึ่งในแต่ละคาบอาจจะมีจำนวนธาตุไม่เท่ากัน เช่น

สำหรับคาบต่าง ๆ ในตารางธาตุแบ่งเป็น 7 คาบดังนี้

• คาบที่ 1 มี 2 ธาตุ คือ H , He
• คาบที่ 2 มี 8 ธาตุ คือ ตั้งแต่ Li ถึง Ne
• คาบที่ 3 มี 8 ธาตุ คือ ตั้งแต่ Na ถึง Ar
• คาบที่ 4 มี 18 ธาตุ คือ ตั้งแต่ K ถึง Kr
• คาบที่ 5 มี 18 ธาตุ คือ ตั้งแต่ Rb ถึง Xe
• คาบที่ 6 มี 32 ธาตุ คือ ตั้งแต่ Cs ถึง Rn
• คาบที่ 7 มี 19 ธาตุ คือ ตั้งแต่ Fr ถึง Ha

รวมทั้งหมด 105 ธาตุ เป็นก๊าซ 11 ธาตุ คือ H , N , O , F , Cl , He , Ne , Ar , Kr , Xe และ Rn เป็นของเหลว 5 ธาตุ คือ Cs , Fr , Hg , Ga และ Br ที่เหลือเป็นของแข็ง

สำหรับ 2 แถวล่างเลขอะตอม 58 - 71 และ 90 - 103 เป็นธาตุกลุ่มย่อยที่แยกมาจากหมู่ IIIB ในคาบที่ 6 และ 7 เรียกธาตุในกลุ่มย่อยนี้รวม ๆ ว่า กลุ่มธาตุเลนทาไนด์ และกลุ่มธาตุแอกทิไนด์

นอกจากนี้เมื่อพิจารณาธาตุหมู่ IIIA ไปทางขวามือ จะพบเส้นหนักหรือเส้นทึบเป็นแบบขั้นบันได เส้นหนักนี้จะเป็นเส้นแบ่งกลุ่มธาตุโลหะและอโลหะ กล่าวคือ ธาตุทางขวาของเส้นขั้นบันไดจะเป็นอโลหะ ธาตุทางซ้ายมือของเส้นขั้นบันไดจะเป็นโลหะ ธาตุที่อยู่ชิดกับเส้นขั้นบันได เป็นธาตุกึ่งโลหะ ซึ่งมีทั้งสมบัติของโลหะและอโลหะ เช่น ธาตุ B , Si , Ge , As , Sb , Te

การจัดเรียงอิเล็กตรอนกับหมู่และคาบของธาตุ

จากการพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ พบว่ามีส่วนสัมพันธ์กับการจัดหมู่และคาบของตารางธาตุในปัจจุบัน

สำหรับธาตุกลุ่ม A ธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุในแต่ละหมู่จะตรงกับเลขประจำหมู่

จำนวนระดับพลังงานที่มีอิเล็กตรอนอยู่ จะเท่ากับเลขที่คาบ นั่นคือธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันจะมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน

เช่น 11Na = 2 , 8 , 1

12Mg = 2 , 8 , 2

19K = 2 , 8 , 8 , 1

ทั้ง Na และ K ต่างก็มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน แสดงว่าเป็นธาตุในหมู่เดียวกัน เนื่องจากมี 1 เวเลนซ์อิเล็กตรอน จึงจัดเป็นธาตุหมู่ที่ 1 เหมือนกัน

Na มี 3 ระดับพลังงาน จึงจัดอยู่ในคาบที่ 3 ของตารางธาตุ

K มี 4 ระดับพลังงานจึงจัดอยู่ในคาบที่ 4 ของตารางธาตุ

Mg มี 3 ระดับพลังงานจึงจัดอยู่ในคาบที่ 3 ของตารางธาตุ

ดังนั้น Na และ Mg จัดเป็นธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันคือคาบที่ 3 แต่ต่างหมู่กันเพราะมีเวเลนต์อิเล็กตรอนต่างกัน คือ หมู่ 1A และ 2A ตามลำดับ

การตั้งชื่อธาตุที่ค้นพบใหม่

จากตารางธาตุในรูปที่ 5.13 จะพบว่ามีธาตุอยู่ 106 ธาตุ ซึ่งยังมีการค้นพบธาตุใหม่ ๆ เพิ่มขึ้นอีกหลายธาตุ แต่ยังไม่ได้กำหนดสัญลักษณ์ที่แน่นอนไว้ในตารางธาตุ ธาตุบางธาตุถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์หลายคณะ ทำให้มีชื่อเรียกและสัญลักษณ์ต่างกัน

เช่น ธาตุที่ 104 ค้นพบโดยคณะนักวิทยาศาสตร์ 2 คณะ คือ คณะของนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกา ซึ่งเรียกชื่อว่า รัทเทอร์ฟอร์เดียม (Ratherfordium) และใช้สัญลักษณ์ Rf ในขณะที่คณะนักวิทยาศาสตร์สหภาพโซเวียตเรียกชื่อว่าเคอร์ซาโตเวียม (Kurchatovium) และใช้สัญลักษณ์ Ku

ธาตุที่ 105 ค้นพบโดยคณะนักวิทยาศาสตร์ 2 คณะเช่นเดียวกัน คือคณะนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกาเรียกชื่อว่า ฮาห์เนียม (Hahnium) และใช้สัญลักษณ์ Ha ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์สหภาพโซเวียตใช้ชื่อว่า นิลส์บอห์เรียม (Neilbohrium) และใช้สัญลักษณ์เป็น Ns

การที่คณะนักวิทยาศาสตร์ต่างคณะตั้งชื่อแตกต่างกัน ทำให้เกิดความสับสน International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) จึงได้กำหนดระบบการตั้งชื่อขึ้นใหม่ โดยใช้กับชื่อธาตุที่มีเลขอะตอมเกิน 100 ขึ้นไป ทั้งนี้ให้ตั้งชื่อธาตุโดยระบุเลขอะตอมเป็นภาษาละติน แล้วลงท้ายด้วย ium

ระบบการนับเลขในภาษาละตินเป็นดังนี้

0 = nil (นิล) 1 = un (อุน)

2 = bi (ไบ) 3 = tri (ไตร)

4 = quad (ควอด) 5 = pent (เพนท์)

6 = hex (เฮกซ์) 7 = sept (เซปท์)

8 = oct (ออกตฺ) 9 = enn (เอนน์)

เช่น

ธาตุที่ 104 ตามระบบ IUPAC อ่านว่า อุนนิลควอเดียม (Unnilquadium) สัญลักษณ์ Unq

ธาตุที่ 105 ตามระบบ IUPAC อ่านว่า อุนนิลเพนเทียม (Unnilpentium) สัญลักษณ์ Unp

การจัดตารางธาตุเป็นหมู่เป็นคาบ ทำให้ศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของธาตุได้ง่ายขึ้น สามารถทำนายสมบัติบางประการของธาตุบางธาตุได้ กล่าวคือธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันจะมีสมบัติต่าง ๆ คล้าย ๆ กัน และธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกัน จะมีแนวโน้มของการเปลี่ยนแปลงสมบัติต่าง ๆ ต่อเนื่องกันไป ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดต่อไป

พันธะเคมี

พันธะเคมี (Chemical Bonding)
กฎออกเตต เป็นการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมให้ได้ครบ 8 ตัว
พันธะเคมี เป็นแรงยึดเหนี่ยวภายในและภายนอกระหว่างอะตอม โมเลกุล หรือไอออน พันธะเคมีเกิดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุด) ของอะตอมนั้นมีจำนวนอิเล็กตรอนครบ 8 ตัว ซึ่งเป็นไปตามกฎออกเตต ทำให้ธาตุนั้นเสถียร ด้วยวิธีการต่างๆ คือ
1. ให้อิเล็กตรอนกับอะตอม
2. รับอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่น
3. ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกับอะตอมอื่น
ซึ่งแบ่งออกได้ 6 ชนิด คือ พันธะไอออนิก พันธะโควาเลนต์ พันธะโควาเลนต์ พันธะไฮโดรเจน พันธะโลหะ และแรงแวนเดอร์วาลส์

พันธะไอออนิก (Ionic bond) คือ แรงยึดเหนี่ยวที่เกิดในสาร โดยที่อะตอมของธาตุที่มีค่าพลังงาน
ไอออไนเซชันต่ำ ให้เวเลนต์อิเล็กตรอนแก่อะตอมของธาตุที่มีค่าพลังงานไอออนไนเซชันสูง กลายเป็นไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบ เมื่อไอออนทั้งสองเข้ามาอยู่ใกล้กันจะเกิดแรงดึงดูด
ทางไฟฟ้าที่แข็งแรงระหว่างประจุไฟฟ้าตรงข้ามเหล่านั้น ทำให้ไอออนทั้งสองยึดเหนี่ยวกัน

เช่น การเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) จากโซเดียม (Na) อะตอมคลอรีน (Cl) อะตอม
อะตอมโลหะ Na เลขอะตอม = 11 มีการจัดเรียงอิเล็กตรอน 2,8,1
อะตอมโลหะ Cl เลขอะตอม = 17 มีการจัดเรียงอิเล็กตรอน 2,8,7
ดังนั้น Na จะสูญเสียอิเล็กตรอน 1 ตัว ส่วน Cl จะรับอิเล็กตรอน ทำให้มีการจัดเรียงเป็น 2, 8 , 8
เมื่อโลหะรวมกับอโลหะด้วยพันธะไอออนิก เกิดเป็นสารประกอบไอออนิกโดยอะตอมโลหะให้อิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนบวก และอะตอมของอโลหะรับอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนลบ ซึ่งเป็นสารที่แข็งแต่เปราะ มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงเพราะอยู่ในสภาพไอออน สามารถละลายน้ำได้ดี ไม่นำไฟฟ้าอยู่ในสถานะของแข็ง แต่ถ้าไปทำให้หลอมจนเป็นของเหลวจะนำไฟฟ้าได้

ตัวอย่าง โครงสร้างสารประกอบไอออนิก NaCl
โครงสร้างสารประกอบไอออนิก NaCl


พันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) หมายถึง พันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน ดังเช่น ในกรณีของไฮโดรเจน ดังนั้นลักษณะที่สำคัญของพันธะโคเวเลนต์ก็คือการที่อะตอมใช้เวเลนต์อิเล็กตรอน
ร่วมกันเป็นคู่ ๆสารประกอบที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เรียกว่า สารโคเวเลนต์
โมเลกุลของสารที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เรียกว่า โมเลกุลโคเวเลนต์

พันธะโคออร์ดิเนตโควาเลนต์ คล้ายกับพันธะโควาเลนต์ คือ มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแต่ต่างกันที่พันธะพันธะโคออร์ดิเนตโควาเลนต์มี อะตอมใดอะตอมหนึ่งเป็นตัวให้อิเล็กตรอน
ถึง 2 ตัว ส่วนอีกอะตอมหนึ่งเข้ามาใช้คู่อิเล็กตรอนเท่านั้น ไม่ต้องนำอิเล็กตรอนมาด้วย

แรงแวนเดอวาลส์ (van der waals Force) บาง ทีเรียกว่า แรงลอนดอน เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ซึ่งเป็นแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสที่มีประจุบวกของโมเลกุลกับกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนของโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง แรงนี้เป็นแรงที่อ่อนมากเมื่อเทียบกับแรงในพันธะไอออนิกและพันธะโควาเลนต์ ถ้าโมเลกุลยิ่งห่างกันมาก
แรงนี้จะยิ่งน้อยจนแทบไม่มีเลย แรงแวนเดอวาลส์จะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนและน้ำหนักโมเลกุลเพิ่ม แรงชนิดนี้จะพบในโมเลกุลทุกตัว มีความสำคัญกับแก๊สเป็นอย่างมาก ด้วยเหตุที่ว่าแก๊สมีจุดหลอมเหลวและ
จุดเดือดต่ำก็เพราะโมเลกุลของแก๊สยึดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์

พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เกิดจากอะตอมของไฮโดรเจนในสารประกอบหนึ่งกับธาตุที่มีขนาดอะตอมเล็กๆ แต่มีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองได้สูง เช่น F , O และ N ที่อยู่ในอีกสารประกอบหนึ่ง

** เมื่อนำมาเรียงลำดับ ความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวของโมเลกุลต่าง ๆ จากน้อยไปหามาก เป็น
แรงแวนเดอร์วาลส์ < พันธะไฮโดรเจน < พันธะโคเวเลนต์

พันธะโลหะ (Metallic bond) คือ พันธะที่เกิดเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกซึ่งเรียงชิดกันกับ
เวเลนต์อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่โดยรอบทั้งก้อนโลหะ และการที่เวเลนต์อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ เพราะโลหะเป็นธาตุที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยและมีค่าพลังงานไอออนไนเซชันต่ำ จึงทำให้เกิดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน
และไอออนบวกได้ง่ายโดยที่คุณสมบัติของโลหะนั้นจะเป็นธาตุที่เป็นของแข็ง (ยกเว้นปรอทที่เป็นของเหลว) นำไฟฟ้าได้ดีมากกว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปมาตลอดเวลา มีผิวมันวาว มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง นำความร้อนได้ดี และสามารถตีแผ่เป็นแผ่นบางๆได้

ปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมี (Chemical reaction) คือกระบวนการที่เกิดจากการที่สารเคมีเกิด การเปลี่ยนแปลงแล้วส่งผลให้เกิดสารใหม่ขึ้นมาซึ่งมีคุณสมบัติเปลี่ยนไปจาก เดิม การเกิดปฏิกิริยาเคมีจำเป็นต้องมีสารเคมีตั้งต้น 2 ตัวขึ้นไป (เรียกสารเคมีตั้งต้นเหล่านี้ว่า "สารตั้งต้น" หรือ reactant)ทำปฏิกิริยาต่อกัน และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติทางเคมี ซึ่งก่อตัวขึ้นมาเป็นสารใหม่ที่เรียกว่า "ผลิตภัณฑ์" (product) ในที่สุด สารผลิตภัณฑ์บางตัวอาจมีคุณสมบัติทางเคมีที่ต่างจากสารตั้งต้นเพียงเล็กน้อย แต่ในขณะเดียวกันสารผลิตภัณฑ์บางตัวอาจจะแตกต่างจากสารตั้งต้นของมันโดยสิ้น เชิง แต่เดิมแล้ว คำจำกัดความของปฏิกิริยาเคมีจะเจาะจงไปเฉพาะที่การเคลื่อนที่ของประจุอิเล็กตรอน ซึ่งก่อให้เกิดการสร้างและสลายของพันธะเคมีเท่านั้น แม้ว่าแนวคิดทั่วไปของปฏิกิริยาเคมี โดยเฉพาะในเรื่องของสมการเคมี จะรวมไปถึงการเปลี่ยนสภาพของอนุภาคธาตุ (เป็นที่รู้จักกันในนามของไดอะแกรมฟายน์แมน)และยังรวมไปถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์อีกด้วย แต่ถ้ายึดตามคำจำกัดความเดิมของปฏิกิริยาเคมี จะมีปฏิกิริยาเพียง 2 ชนิดคือปฏิกิริยารีดอกซ์ และปฏิกิริยากรด-เบส เท่านั้น โดยปฏิกิริยารีดอกซ์นั้นเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของประจุอิเล็กตรอนเดี่ยว และปฏิกิริยากรด-เบส เกี่ยวกับคู่อิเล็กตรอน

ในการสังเคราะห์สารเคมี ปฏิกิริยาเคมีต่างๆ จะถูกนำมาผสมผสานกันเพื่อให้เกิดสารผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ในสาขาวิชาชีวเคมี เป็นที่ทราบกันว่า ปฏิกิริยาเคมีหลายๆ ต่อจึงจะก่อให้เกิดแนวทางการเปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาอินทรีย์เคมีและปฏิกิริยาอนินทรีย์เคมี (metabolic pathway) ขึ้นมาเนื่องจากการที่จะสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์โดยตรงนั้นไม่สามารถทำได้ในตัว เซลล์ในคราวเดียวเนื่องจากพลังงานในเซลล์นั้นไม่พอต่อการที่จะสังเคราะห์ ปฏิกิริยาเคมียังสามารถแบ่งได้เป็น

ชนิดของปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมีนั้นสามารถจำแนกได้เป็นหลายชนิดและประเภท โดยหลักในการจำแนกนั้นขึ้นอยู่กับหลักเกณฑ์ที่จะนำไปใช้ในการจัดกลุ่มจำแนก แต่ส่วนมากแล้วจะแบ่งได้เป็น 5 ชนิดใหญ่ๆ ได้แก่

• ปฏิกิริยาการรวมตัว หรือการสังเคราะห์ (Combination reaction หรือ synthesis) คือการที่สารบริสุทธิ์หรือสารประกอบทางเคมี รวมสารเข้าด้วยกันและก่อให้เกิดสารผลิตภัณฑ์ตัวใหม่ที่ซับซ้อนกว่า

โครงสร้าง: A+Z → AZ

ตัวอย่าง: N₂ + 3H₂ → 2NH₃

• ปฏิกิริยาการสลายตัว หรือการวิเคราะห์ (Decomposition reaction หรือ analysis) คือการที่สารประกอบสลายตัวมาเป็นสารประกอบหรือสารบริสุทธิ์ที่เล็กกว่า

โครงสร้าง: AZ → A+Z

ตัวอย่าง: 2H₂O → 2H₂ + O₂

• ปฏิกิริยาการแทนที่เชิงเดี่ยว (Single displacement reaction หรือ substitution) คือการที่สารบริสุทธิ์ถูกแทนที่ด้วยสารประกอบ
• ปฏิกิริยาการแทนที่เชิงคู่ (Double displacement reaction)
• ปฏิกิริยาสะเทินบก (Combustion)

สารชีวโมเลกุล

สารชีวโมเลกุล (อังกฤษ: biomolecule) หมายถึง สารอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ขึ้นเท่านั้น เช่น ไขมันน้ำมัน โปรตีน คาร์โบไฮเดรต กรดนิวคลีอิก จัดเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอาหารที่จำเป็นต่อร่างกาย มีโมเลกุลตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึงขนาดใหญ่มาก มีธาตุไฮโดรเจนและคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักแต่ละชนิดมีโครงสร้าง สมบัติและปฏิกิริยาที่ต่างกัน ทำให้มีหน้าทีและประโยชน์ต่อร่างกายแตกต่างกันไป

ประโยชน์

ชีวโมเลกุลมีความจำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของชีวิต ตัวอย่างเช่นมนุษย์ มีผิวหนังและขน ส่วนประกอบหลักของขนคือเคอราติน (keratin) ที่เกิดจากการจับกลุ่มกันเป็นก้อนของโปรตีน ซึ่งตัวมันเองก็เป็นพอลิเมอร์ที่ถูกสร้างจากกรดอะมิโน โดยกรดอะมิโนนั้นเปรียบเสมือนก้อนอิฐที่สำคัญในธรรมชาติที่จะประกอบ กันเป็นโมเลกุล ใหญ่ รูปแบบของก้อนอิฐอีกตัวหนึ่งคือ นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งมีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วนคือ

• พูรีน (purine) หรือ ไพริมิดีน(pyrimidine) ซึ่งเป็นด่าง
• น้ำตาล เพนโตส
• ฟอสเฟตกรุป

นิวคลีโอไทด์เหล่านี้มีหน้าที่สร้าง กรดนิวคลีอิก (nucleic acid)

ความหมายของสารชีวโมเลกุล

ลักษณะที่สำคัญของสารชีวโมเลกุลเป็นดังนี้

• ประกอบด้วยธาตุขนาดเล็ก มีมวลโมเลกุลต่ำ เช่น C, H, O, N, S, P ธาตุชนิดอื่นมีพบบ้าง (เช่น Fe, Cu, Zn) แต่จัดว่าน้อยเมื่อเทียบกับน้ำหนักของร่างกาย แต่ก็มีความจำเป็นต่อการดำรงชีวิตด้วย
• เป็นสารประกอบของคาร์บอน โดยคาร์บอนจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์เกิดเป็นโครงร่างคาร์บอน จากนั้นอะตอมอื่นๆจะเติมเข้ามาในโครงร่างคาร์บอนนี้
• อะตอมที่เติมเข้ามาเรียกว่าหมู่ฟังก์ชัน (functional group) ซึ่งเป็นตัวกำหนดลักษณะเฉพาะของโมเลกุลนั้นๆ
• สารชีวโมเลกุลจะมีโครงสร้างสามมิติซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงาน
• สารชีวโมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในรูปอสมมาตร
• สารชีวโมเลกุลจะเกิดจากหน่วยขนาดเล็ก (monomer) ที่มีโครงสร้างใกล้เคียงกัน จัดเรียงตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น (polymer) การรวมตัวกันนี้ต้องใช้พลังงาน ส่วนการย่อยสลายโพลีเมอร์จะได้พลังงาน

ประเภทของชีวโมเลกุล

ชีวโมเลกุลขนาดต่างๆ ที่พบในธรรมชาติมีดังนี้:

• โมเลกุลขนาดเล็ก:
  • ลิพิด, ฟอสโฟลิพิด, ไกลโคลิพิด, สเตอรอล
  • ไวตามิน
  • ฮอร์โมน, นิวโรทรานสมิตเตอร์
  • คาร์โบไฮเดรต, น้ำตาล
  • ไดแซคคาไรด์
• โมโนเมอร์:
  • กรดอะมิโน
  • นิวคลีโอไทด์
  • ฟอสเฟต
  • โมโนแซคคาไรด์
• พอลิเมอร์:
  • เปปไทด์, โอลิโกเปปไทด์, พอลิเปปไทด์, โปรตีน
  • กรดนิวคลีอิก, ได้แก่ DNA, RNA
  • โอลิโกแซคคาไรด์, พอลิแซคคาไรด์
• แมคโครโมเลกุล:
  • พรีออน (Prion)
  • เอนไซม์

พอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (อังกฤษ: polymer) ความหมายของพอลิเมอร์นั้นก็มาจากรากศัพท์กรีกสำคัญ 2 คำ คือ PolyMeros (ส่วน หรือ หน่วย) พอลิเมอร์เป็นสารโมเลกุลขนาด ใหญ่ (Macromolecule) พอลิเมอร์จะประกอบไปด้วยหน่วยซ้ำกัน (repeating unit) ของมอนอเมอร์ (Monomer) หลายๆหน่วยมาทำปฏิกิริยากัน มอนอเมอร์นี้จัดเป็นสารไมโครโมเลกุล (Micromolecule) ชนิดหนึ่ง พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ชนิดเดียวกันทั้งหมด จัดเป็นโฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) แต่ถ้ามีมอนอเมอร์ต่างกันตั้งแต่ 1 ชนิดขึ้นไป จัดเป็นโคพอลิเมอร์ (Copolymer) สารบางอย่างที่มีสมบัติอย่างพอลิเมอร์ เช่น สารพวกไขมันที่มีแต่ละหน่วยที่ไม่ซ้ำกันนั้นจะเป็นเพียงแค่สารแมคโครโมเลกุล เท่านั้น ไม่จัดเป็นพอลิเมอร์ (จำนวนมาก) และ

พอลิเมอร์มีทั้งที่เกิดเองในธรรมชาติ (Natural polymer) และพอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic polymer) ตัวอย่างของ โพลิเมอร์ธรรมชาติ ได้แก่ แป้ง เซลลูโลส โปรตีน กรดนิวคลีอิก และยางธรรมชาติ ส่วนพอลิเมอร์สังเคราะห์ เช่น พลาสติก เส้นใย โฟม และกาว พอลิเมอร์ทั้งสองชนิดนี้เข้ามามีบทบาทมากในชีวิตประจำวัน เราต้องใช้ประโยชน์จากพอลิเมอร์เพราะพอลิเมอร์แต่ละชนิดมีสมบัติต่างกัน จึงนำหน้าที่หรือนำไปใช้งานที่ต่างกันได้

พอลิเมอร์ที่เป็นที่นิยมใช้มากที่สุดคือพลาสติก ซึ่งเป็นคำที่ใช้อ้างถึงกลุ่มของวัสดุธรรมชาติและสังเคราะห์กลุ่มใหญ่ที่มี คุณสมบัติและการใช้งานต่างกัน พอลิเมอร์ธรรมชาติเช่นชแล็กและอำพันที่ ใช้มาเป็นเวลากว่าศตวรรษ พอลิเมอร์ชีวภาพ เช่น โปรตีนและกรดนิวคลีอิกที่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพ พอลิเมอร์ธรรมชาติอื่นๆ เช่นเซลลูโลสที่เป็นองค์ประกอบหลักของกระดาษและไม้ พอลิเมอร์สังเคราะห์ที่เป็นที่รู้จักกันดี ได้แก่ บาเกไลต์, นีโอพรีน, ไนลอน, พีวีซี, พอลิสไตรีน, พอลิอคริโลไนไตรล์ และพีวีบี การศึกษาเกี่ยวกับพอลิเมอร์ได้แก่ เคมีพอลิเมอร์, ฟิสิกส์พอลิเมอร์และวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์

พอลิเมอร์สังเคราะห์ในปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเกือบทุกชนิด พอลิเมอร์มีการใช้ในการยึดเกาะและการหล่อลื่นอย่างกว้างขวาง เช่นเดียวกับการใช้เป็นโครงสร้างตั้งแต่ของเด็กเล่นจนถึงยานอวกาศ มีการใช้เป็นยาทางชีวภาพในฐานะเป็นตัวขนส่งยาในสิ่งมีชีวิต พอลิเมอร์เช่น พอลิ เมทิล เมทาคริเลต ที่ใช้ในกระบวนการโฟโตเรซิสในอุตสาหกรรมกึ่งตัวนำ และสารไดอิเล็กทริกโปแทสเซียมต่ำสำหรับใช้ในคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง ปัจจุบันยังมีการพัฒนาพอลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นได้สำหรับอิเล็กทรอนิกส์

สูตรโครงสร้างของพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ที่พอไม่ว่าจากในธรรมชาติ และที่สังเคราะห์ขึ้น มีโครงสร้างได้หลายรูปแบบ ทั้งนี้ขึ้นกับการเข้าเกาะของมอนอเมอร์ จึงทำให้พอลิเมอร์มีโครงสร้างอยู่ 3 รูปแบบด้วยกัน คือ

1.พอลิเมอร์สายตรง (Linear polymer) พอลิเมอร์ชนิดนี้จะเป็นโซ่ตรงยาว ถ้าให้ A และ B แทนมอนอเมอร์ โครงสร้างอย่างง่ายของโฮโมพอลิเมอร์จะเป็นดังนี้

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A linear homopolymer

ส่วนโคพอลิเมอร์มีรูปแบบดังนี้

1.A-B-A-B-A-B-A-B-A-B Alternating copolymer (เป็นพอลิเมอร์ ที่มีมอนอเมอร์ A และ B เรียงสลับกันเป็นช่วง หน่วยต่อหน่วย)

2.A-A-B-B-B-B-A-A-A-A Block copolymer (เป็นกลุ่มของมอนอเมอร์ A และ B ที่เรียงสลับกันเป็นกลุ่ม)

3.A-A-A-B-A-B-A-A-B-B Random copolymer (เป็นมอนอเมอร์ A และ B เรียงสลับกันอย่างอิสระ)

2.พอลิเมอร์กิ่งสาขา (graft polymer) พอลิเมอร์ชนิดนี้จะมีส่วนประกอบสองส่วน คือ ส่วนที่เป็นโซ่หลัก และส่วนที่เป็นโซ่กิ่ง โดยโซ่หลักจะต้องประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวเท่านั้น ส่วนมอนอเมอร์อีกชนิด จะเป็นโซ่กิ่ง

3.พอลิเมอร์ร่างแห (Cross-link polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เป็นร่างแหมีสายหลายสายเชื่อมต่อกัน ซึ่งเป็นได้ทั้งโฮโมพอลิเมอร์และโคพอลิเมอร์

ปิโตเลียม

กำเนิดปิโตรเลียม

นักโบราณคดีเชื่อ ว่าประมาณ 2,500 ปีก่อนคริสตกาล พวกชนเผ่าบาบิโลเนียน (Babylonian) เริ่มใช้น้ำมัน (ปิโตรเลียม) เป็นเชื้อเพลิงแทนไม้และเมื่อประมาณ 1,000 ปีก่อนคริสตกาล ชาวจีนเป็นชาติแรกที่ทำเหมืองถ่านหินและขุดเจาะบ่อก๊าซธรรมชาติลึกเป็นร้อย เมตรได้ก่อนใคร

น้ำมันประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดต่าง ๆ หลายชนิดมากมายจนมีคำพูดว่าไม่มีน้ำมันจากบ่อไหนเลยในโลกที่มีการผสมผสาน ส่วนประกอบได้คล้ายกัน แต่จะเห็นว่าส่วนประกอบกว้าง ๆ คล้ายกัน ซึ่งตรงกันข้ามกับก๊าซธรรมชาติที่ประกอบด้วยก๊าซที่สำคัญคือ มีเทน (Methane) เป็นหลักที่เหลือซึ่งมีปริมาณน้อยกว่าได้แก่ อีเทน (Ethane) โปรเพน (Propane) และบิวเทน (Buthane) ปิโตรเลียมจัดได้ว่าเป็นผลิตภัณฑ์ทางธรรมชาติที่ได้จากการสลายตัวของสิ่งมี ชีวิตทั้งพืชและสัตว์รวมกัน

ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นเรื่อย ๆ ในน้ำมันดิบที่เคลื่อนตัวเข้ามาก่อนถึงโครงสร้างกักเก็บเป็นเวลายาวนานหลาย ล้านปีซึ่งอาจะเป็นเหตุผลที่อธิบายได้ว่าทำไมน้ำมันจากบ่อต่าง ๆ จึงไม่เหมือนกัน

ตะกอนที่ปนอินทรีย์วัตถุหรือที่จะให้น้ำมันสะสมตัวอยู่ในปัจจุบันนี้คือ ตะกอนที่มีแร่ดินเหนียวอยู่ด้วยมากขณะที่กักเก็บน้ำมันจริง ๆ คือ หินทรายซึงประกอบด้วยแร่เขี้ยวหนุมานเป็นส่วนใหญ่หรือไม่ก็เป็นหินปูนที่มี แร่แคลไซต์มากหรือพวกหินที่มีรอยแตกมากมาย จึงดูเหมือนว่าน้ำมันเกิดอยู่ที่หนึ่งและต่อมาจึงเปลี่ยนเคลื่อนย้ายไปสะสม ตัวอยู่อีกที่ซึ่งความจริงการเคลื่อนย้ายตัวของน้ำมันก็มีหลักการคล้าย ๆ กับการเคลื่อนย้ายของน้ำใต้ดินหินทรายที่มีความสามารถยอมให้ของเหลวไหลผ่าน สูงกว่าหินดินดานมากขึงยอมให้น้ำมันผ่านเข้ามาได้และที่สำคัญคือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างน้ำมันกับแร่เขี้ยวหนุมานหรือแร่แคลไซต์มีน้อยกว่าน้ำ กับแร่ดังกล่าว น้ำมันจึงผ่านไปได้แต่น้ำยังคงยึดเกาะอยู่ น้ำยึดเกาะข้างเม็ดแร่อย่างมากส่วนน้ำมันอยู่ตรงกลางช่องว่างโดยไม่ยอมผสม กันและเบากว่าน้ำมาก ดังนั้นน้ำมันจึงลอยสูงขึ้นมาเจอแหล่งกักเก็บและสะสมตัวอยู่ได้เหนือน้ำใต้ ดินและโอกาสที่จะสะสมอยู่ได้ในตะกอนมีเพียง 0.1% ของน้ำมันที่เกิดมา จึงไม่แปลกใจเลยที่พบน้ำมันอยู่ได้มากกว่า 60% ของปริมาณน้ำมันทั้งหมดจากหินตะกอนยุคใหม่ไม่เกิน 2.5 ล้านปีเป็นส่วนใหญ่คือมหายุคนวชีวิน (Cenozoic) ประเทศไทยเราก็เช่นกัน น้ำมันทั้งหมดเกิดอยู่ในหินยุคใหม่ ๆ ทั้งนั้น จากการขุดเจาะน้ำมันพบว่ายิ่งเจาะลึกมากเท่าใด โอกาสที่จะพบน้ำมันก็น้อยลงเท่านั้น ที่เป็นเช่นนี้อาจเป็นเพราะหินยิ่งลึกมากความพรุนยิ่งน้อยลง อัดตัวกันมากขึ้นและเกิดแรงดันใหม่น้ำมันเคลื่อนไปข้างบนได้มาก

ปริมาณคิดเป็นร้อยละของน้ำมันทั่วโลกที่พบในที่หินกักเก็บที่สำคัญ ซึ่งหินทรายเป็นหินกักเก็บได้ดีกว่าหินปูน

แหล่งกำเนิดปิโตรเลียม

น้ำมันและก๊าซธรรมชาติมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซและเบากว่าน้ำ น้ำมันผลิตได้จากบ่อน้ำมัน (oil pools) ซึ่งหมายถึงแหล่งสะสมน้ำมันและก๊าซธรรมชาติใต้ดินในแหล่งกักเก็บที่มีตัวปิดกั้นทางธรณีวิทยา บ่อน้ำมันจึงอาจเป็นคำพูดที่ใช้ผิดๆ จริงๆ แล้วไม่ใช่เป็นทะเลสาปที่มีน้ำมันแต่หมายถึง ส่วนของหินที่มีน้ำมันบรรจุอยู่เต็มช่องว่างในหินนั้น ดังนั้นบ่อน้ำมันหลายๆ บ่อที่มีลักษณะ-โครงสร้างของการกักเก็บคล้ายๆ กันหรือบ่อเดียวโดยๆ แยกจากบ่ออื่นที่ไหลออกไปอาจเรียกรวมๆ กันว่า แหล่งน้ำมัน (oil field) แหล่งน้ำมันจึงอาจประกอบด้วยบ่อที่อยู่เรียงๆ กันไปอยู่ข้างๆ กันหรืออยู่บนล่างตามแนวดิ่งก็ได้

ปัจจุบันปัจจัยควบคุมการสะสมน้ำมันมีอยู่ด้วยกัน 5 ประการด้วยกัน คือ

ต้องมีหินที่ทำหน้าที่ให้น้ำมันมายึดเกาะอยู่ได้เรียกว่า หินอุ้มน้ำมันหรือหินกักเก็บ (reservoir rock) ซึ่งมีคุณสมบัติเดิมคือ ต้องมีรูพรุนมากพอที่จะให้น้ำมันไหลผ่านได้ หินกักเก็บจะต้องถูกปิดทับด้วยชั้นหินที่ไม่ยอมให้น้ำมันไหลซึมออกไปซึ่งเรียกว่า หินปิดกั้น (roof rock) เช่นหินดินดาน ทำให้น้ำมันลอยตัวอยู่เหนือน้ำบาดาลโดยไม่หนีหายไป ทั้งหินกักเก็บและหินปิดกั้นจะประกอบขึ้นมาเป็นโครงสร้างหรือรูปแบบการกักเก็บน้ำมัน (trap หรือ trap rock) ในแบบต่างๆ กัน ในการกักเก็บที่ดีขนาดไหนก็ไม่ได้รับประกันว่าจะมีน้ำมันได้ถ้าไม่มีหินที่เป็นต้นกำเนิดน้ำมันที่เรียกว่า หินกำเนิด (source rock) ถ้าจะมีการเกิดการเสียรูปโครงสร้าง (structural deformation) เมื่อสร้างรูปแบบการกักเก็บก็ต้องเกิดขึ้นก่อนที่น้ำมันจะหลบหนีออกจากหินกักเก็บจนหมด


ที่มาของข้อมูลทั้งหมด

http://th.wikipedia.org