สรุปเนื้อหา เคมี ม.5 แก๊และสมบัติของแก๊ส ฉบับเข้าใจง่าย ปูพื้นฐานแน่น!

บทแรกของเคมี ม.5 เทอม 1 เปิดฉากมาด้วยเรื่อง "แก๊สและสมบัติของแก๊ส" ซึ่งน้องหลายคนพอเปิดหนังสือมาปุ๊บก็ต้องกุมขมับเลย เพราะเจอชื่อนักวิทยาศาสตร์เพียบเลย ไม่ว่าจะบอยล์ ชาร์ล เกย์-ลูสแซก อาโวกาโดร แถมยังมีสูตรคำนวณที่ดูเหมือนจะเยอะเต็มไปหมดจนจำสลับกันไปหมด บางคนท่องสูตรได้ก็จริง แต่พอเจอโจทย์จริงกลับนึกไม่ออกว่าต้องหยิบสูตรมาใช้ยังไง

แต่พี่หมอเตอร์ขอบอกเลยว่า หัวใจของบทนี้จริงๆ แล้วมีแค่การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของ "เพื่อนซี้ 4 ตัว" เท่านั้น คือ P (ความดัน), V (ปริมาตร), T (อุณหภูมิ) และ n (จำนวนโมล) ถ้าน้องเข้าใจหลักการว่าตัวแปรไหนคงที่ ตัวแปรไหนแปรผันตามหรือแปรผกผันกัน สูตรทุกสูตรที่ดูเยอะแยะจะเชื่อมโยงกันเป็นภาพเดียว และบทนี้จะกลายเป็นบทที่เก็บคะแนนได้ง่ายที่สุดบทหนึ่งเลยครับ

บทความนี้พี่หมอเตอร์จะพาน้องมาย่อยเนื้อหาแก๊ส ม.5 ให้เป็นภาพจำที่เข้าใจง่าย มัดรวมทุกสูตรที่ต้องใช้ไว้ในที่เดียว พร้อมทริคจับจุดหลอกในห้องสอบที่ข้อสอบชอบเอามาดักบ่อยๆ อ่านจบปุ๊บ พื้นฐานแน่นเป๊ะ พร้อมลุยโจทย์ A-Level NETSAT และ สอวน.เคมี ได้เลยครับ

ทำความรู้จัก "สมบัติของแก๊ส" และตัวแปรสำคัญที่ต้องรู้

แก๊ส คืออะไร

แก๊ส คือ สถานะของสารที่อนุภาคเคลื่อนที่อย่างอิสระ ไม่มีรูปร่างและปริมาตรที่แน่นอน จะขยายตัวเต็มภาชนะที่บรรจุอยู่เสมอ เพราะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของแก๊สอ่อนมากเมื่อเทียบกับของแข็งและของเหลว อนุภาคแก๊สจึงเคลื่อนที่ชนกันและชนผนังภาชนะไปมาตลอดเวลา ซึ่งการชนผนังนี่แหละครับคือที่มาของ "ความดัน" ซึ่งเราจะนำไปใช้ในการคำนวณกันต่อไป

แก๊สจริง (Real Gas) vs แก๊สอุดมคติ (Ideal Gas) ต่างกันอย่างไร?

• แก๊สจริง (Real Gas) คือแก๊สที่มีอยู่จริงในธรรมชาติ ซึ่งอนุภาคยังมีปริมาตรของตัวเองอยู่บ้าง และยังมีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคหลงเหลืออยู่เล็กน้อย โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำหรือความดันสูงมากๆ
• แก๊สอุดมคติ (Ideal Gas) คือแก๊สสมมุติที่นักเคมีตั้งขึ้นเพื่อให้คำนวณง่าย โดยตั้งสมมุติฐานว่าอนุภาคของแก๊สไม่มีปริมาตร และไม่มีแรงดึงดูดระหว่างกันเลย

ในสภาวะทั่วไป (อุณหภูมิห้อง ความดันปกติ) แก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมาก จนเราสามารถใช้สูตรของแก๊สอุดมคติมาคำนวณแก๊สจริงในข้อสอบได้แบบไม่ต้องกังวลครับ

4 ตัวแปรหัวใจสำคัญในการคำนวณ: ความดัน (P), ปริมาตร (V), อุณหภูมิ (T) และ จำนวนโมล (n)

อย่างที่พี่หมอเตอร์ได้บอกไปตอนต้นครับ ทุกสูตรของบทนี้จะเจอตัวแปร 4 ตัวนี้เท่านั้น:

• P (Pressure) ความดัน หน่วยที่ใช้ในการคำนวณ คือ atm
• V (Volume) ปริมาตร หน่วยที่นิยมใช้ในการคำนวณ คือ ลิตร (L) หรือ dm³
• T (Temperature) อุณหภูมิ หน่วยที่ต้องใช้ในการคำนวณ คือ เคลวิน (K)
• n (Number of moles) จำนวนโมลของแก๊ส

กฎของแก๊สแต่ละข้อที่น้องจะได้เรียนต่อไป จริงๆ แล้วคือการกำหนดตัวแปร 2 ใน 4 ตัวนี้ให้คงที่ แล้วดูว่าอีก 2 ตัวที่เหลือมีความสัมพันธ์กันอย่างไรเท่านั้นเองครับ ^ ^

[ข้อสอบชอบหลอกบ่อย!] จำไว้ให้ขึ้นใจเลยนะครับว่า หน่วยของอุณหภูมิ ที่ใช้ในการคำนวณสูตรแก๊สทุกสูตรต้องใช้เป็นหน่วย เคลวิน (K) เสมอ โดยหลักการแปลงหน่วยคือ 

K = °C + 273

ถ้าโจทย์ให้อุณหภูมิมาเป็นองศาเซลเซียส แล้วน้องลืมบวก 273 ก่อนแทนสูตร คำตอบที่ได้จะผิดทันทีถึงแม้ขั้นตอนอื่นจะถูกหมดก็ตาม เพราะแบบนี้พี่ถึงอยากให้น้องฝึกเป็นนิสัยว่า เห็นอุณหภูมิเมื่อไรให้ถามตัวก่อนเลยว่าหน่วยเป็นเคลวินรึยัง?

สรุป 4 กฎของแก๊สเบื้องต้น (จำง่าย ไม่มีสับสน)

กฎของบอยล์ (Boyle's Law): เมื่อ T และ n คงที่ (P แปรผกผันกับ V)

เมื่ออุณหภูมิและจำนวนโมลคงที่ ความดันจะแปรผกผันกับปริมาตร หมายความว่ายิ่งบีบปริมาตรให้เล็กลง ความดันก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น เขียนเป็นสูตรได้ว่า

P1V1 = P2V2

กฎของชาร์ล (Charles's Law): เมื่อ P และ n คงที่ (V แปรผันตรงกับ T)

เมื่อความดันและจำนวนโมลคงที่ ปริมาตรจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิ (หน่วยเคลวิน) หมายความว่ายิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น แก๊สก็จะขยายตัวทำให้มีปริมาตรมากขึ้นตามไปด้วย เขียนเป็นสูตรได้ว่า

V1/T1 = V2/T2

กฎของเกย์-ลูสแซก (Gay-Lussac's Law): เมื่อ V และ n คงที่ (P แปรผันตรงกับ T)

เมื่อปริมาตรและจำนวนโมลคงที่ ความดันจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิ (หน่วยเคลวิน) เขียนเป็นสูตรได้ว่า

P1/T1 = P2/T2

กฎของอาโวกาโดร (Avogadro's Law): เมื่อ P และ T คงที่ (V แปรผันตรงกับ n)

เมื่อความดันและอุณหภูมิคงที่ ปริมาตรจะแปรผันตรงกับจำนวนโมล หมายความว่ายิ่งโมลของแก๊สมีมากขึ้น ก็ยิ่งต้องใช้ปริมาตรมากขึ้นตามไปด้วย เขียนเป็นสูตรได้ว่า

V1/n1 = V2/n2

Tips & Tricks By พี่หมอเตอร์ (ทริคจำแบบไม่สับสน): ให้น้องจำ "สิ่งที่คงที่" ของแต่ละกฎแทนการท่องสูตรตรงๆ ครับ

• บอยล์ (Boyle) ให้นึกถึงคำว่า Boil (ต้มน้ำ) → อุณหภูมิ (T) คงที่
• ชาร์ล (Charles) นึกถึงคนชื่อชาร์ลที่รับแรงกดดันเก่ง → ความดัน (P) คงที่
• เกย์-ลูสแซก (Gay-Lussac) ตัวที่เหลือคือ ปริมาตร (V) คงที่

กฎรวมแก๊ส และ กฎแก๊สอุดมคติ (สูตรครอบจักรวาล)

ถ้าโจทย์ให้ตัวแปรเปลี่ยนแปลงพร้อมกันหลายตัว (เช่น ทั้ง P, V, T เปลี่ยนพร้อมกัน แต่ n คงที่) เราสามารถรวม 3 กฎแรกเข้าด้วยกันเป็น กฎรวมแก๊ส (Combined Gas Law) ได้เลยครับ

P1V1/T1 = P2V2/T2

แต่ถ้าโจทย์ให้ข้อมูล ณ สภาวะใดสภาวะหนึ่งเพียงจุดเดียว (ไม่มีสภาวะที่ 1 กับสภาวะที่ 2 มาเทียบกัน) เราจะใช้ กฎแก๊สอุดมคติ (Ideal Gas Law) ซึ่งเป็นสูตรครอบจักรวาลที่รวมตัวแปรทั้ง 4 ตัวไว้ในสมการเดียว

PV = nRT

โดย R คือค่าคงที่ของแก๊ส ซึ่งค่าที่นิยมใช้ในระดับ ม.ปลายคือ 0.0821 L·atm/(mol·K)

สูตรนี้มีประโยชน์มากครับ เพราะใช้หาได้ทั้งความดัน ปริมาตร จำนวนโมล และอุณหภูมิ รวมถึงยังใช้หามวลโมเลกุลของแก๊สได้ด้วย (โดยแปลง n = มวลสาร/มวลโมเลกุล เข้าไปในสูตร)

Tips & Tricks By พี่หมอเตอร์ 💡: วิธีเช็กง่ายๆ ว่าโจทย์ข้อนี้ควรใช้กฎรวมแก๊สหรือ PV=nRT ให้ดูว่าโจทย์ให้ "จำนวนโมล (n)" มาหรือเปล่า ถ้าโจทย์ไม่ได้พูดถึง n เลยและให้ข้อมูลเป็นคู่เปรียบเทียบ (ก่อน-หลัง) ให้ใช้กฎรวมแก๊ส แต่ถ้าโจทย์ให้ n มาด้วยหรือถามหา n ให้ใช้ PV=nRT ได้เลยครับ

ความดันย่อย และ การแพร่ของแก๊ส (จุดเก็บคะแนน A-Level)

กฎความดันย่อยของดอลตัน (Dalton's Law of Partial Pressures):

“ความดันรวม = ผลรวมของความดันย่อย”

เมื่อเรานำแก๊สหลายชนิดมาผสมกันในภาชนะเดียวกัน (โดยที่แก๊สแต่ละชนิดไม่ทำปฏิกิริยากัน) ความดันรวมของระบบจะเท่ากับผลรวมของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิด เขียนเป็นสูตรได้ว่า

Pรวม = P1 + P2 + P3 + ...

โดย "ความดันย่อย (Partial Pressure)" ของแก๊สแต่ละชนิด คือความดันที่แก๊สชนิดนั้นจะสร้างขึ้นได้ ถ้ามันอยู่ในภาชนะนั้นเพียงลำพังตัวเดียว

กฎการแพร่ของเกรแฮม (Graham's Law of Effusion) : แก๊สไหนเบากว่า..ไปเร็วกว่า!

เกรแฮม ได้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการแพร่ (การเคลื่อนที่ของแก๊ส) กับมวลโมเลกุลของแก๊ส โดยหลักการคือ แก๊สที่มีมวลโมเลกุลน้อยกว่าจะแพร่ได้เร็วกว่าแก๊สที่มีมวลโมเลกุลมากกว่า เมื่ออยู่ในสภาวะอุณหภูมิและความดันเดียวกัน เขียนเป็นสูตรได้ว่า

สังเกตว่ามวลโมเลกุลจะอยู่ "สลับข้าง" กับอัตราการแพร่นะครับ เพราะเป็นความสัมพันธ์แบบแปรผกผันกัน

Tips & Tricks By พี่หมอเตอร์ 💡: จำง่ายๆ ด้วยประโยคที่ว่า "คนผอมวิ่งเร็วกว่าคนอ้วน" แก๊สที่เบากว่า (มวลโมเลกุลน้อยกว่า) จะแพร่ได้เร็วกว่าเสมอครับ

3 จุดหลอกยอดฮิต ในข้อสอบแก๊สและสมบัติของแก๊ส

1. ลืมบวก 273 เพื่อปรับอุณหภูมิเป็นเคลวิน — จุดนี้เป็นจุดที่น้อง ๆ เสียคะแนนบ่อยที่สุด โจทย์มักให้อุณหภูมิมาเป็นองศาเซลเซียสเพื่อทดสอบว่าน้องจะแปลงหน่วยก่อนคำนวณหรือเปล่า
2. ลืมดุลสมการก่อนหาจำนวนโมล — ในโจทย์ที่มีปฏิกิริยาเคมีเข้ามาเกี่ยวข้อง (เช่น หาปริมาตรแก๊สที่เกิดจากปฏิกิริยา) ถ้าน้องลืมดุลสมการให้ถูกต้องก่อน อัตราส่วนโมลที่ใช้คำนวณจะผิดไปทั้งหมด
3. ใช้หน่วยความดันไม่ตรงกับค่า R — ถ้าน้องใช้ค่า R = 0.0821 L·atm/(mol·K) ความดัน (P) ในโจทย์ต้องแปลงให้อยู่ในหน่วย atm เสมอ ถ้าโจทย์ให้มาเป็น mmHg หรือ kPa แล้วน้องลืมแปลงหน่วยก่อนแทนสูตร คำตอบจะผิดทันที

ตัวอย่างข้อสอบ แก๊สและสมบัติของแก๊ส

โจทย์ข้อที่ 1 : แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 4.0 ลิตร ที่ความดัน 2.0 atm ถ้าอัดแก๊สนี้จนมีปริมาตรเหลือ 1.0 ลิตร โดยอุณหภูมิคงที่ตลอด ความดันสุดท้ายของแก๊สจะเป็นเท่าไร?

หลักคิด

ขั้นที่ 1 พิจารณาว่าควรใช้กฎไหน: โจทย์บอกว่าอุณหภูมิคงที่ และให้ข้อมูล P กับ V สองสภาวะมาเทียบกัน → ใช้กฎของบอยล์ P1V1 = P2V2

ขั้นที่ 2 แทนค่า: P1 = 2.0 atm, V1 = 4.0 L, V2 = 1.0 L

(2.0)(4.0) = P2(1.0)

ขั้นที่ 3 แก้สมการหา P2 : P2 = 8.0/1.0 = 8.0 atm

สรุป: ความดันสุดท้ายของแก๊สคือ 8.0 atm ซึ่งสมเหตุสมผลครับ เพราะปริมาตรลดลง 4 เท่า ความดันจึงต้องเพิ่มขึ้น 4 เท่าตามหลักของการแปรผกผัน

โจทย์ข้อที่ 2 : แก๊สออกซิเจน (O₂) จำนวน 0.50 โมล บรรจุอยู่ในถังปิดปริมาตร 5.0 ลิตร ที่อุณหภูมิ 27°C แก๊สนี้จะมีความดันเท่าไร (กำหนด R = 0.0821 L·atm/(mol·K))

หลักคิด

ขั้นที่ 1 แปลงหน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวิน: T = 27 + 273 = 300 K

ขั้นที่ 2 เลือกสูตร: โจทย์ให้จำนวนโมล (n) มาโดยตรงและถามหา P ที่สภาวะเดียว → ใช้ PV = nRT

ขั้นที่ 3 แทนค่าในสูตร:

P(5.0) = (0.50)(0.0821)(300)

P(5.0) = 12.315

ขั้นที่ 4 แก้สมการหา P: P = 12.315/5.0 ≈ 2.46 atm

สรุป: แก๊สออกซิเจนในถังนี้มีความดันประมาณ 2.46 atm

โจทย์ข้อที่ 3 : แก๊ส 1 มีมวลโมเลกุล 4 g/mol และแก๊ส 2 มีมวลโมเลกุล 16 g/mol ถ้าให้แก๊สทั้งสองแพร่ผ่านรูเล็กๆ ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน แก๊ส 1 จะแพร่ได้เร็วกว่าแก๊ส 2 กี่เท่า?

หลักคิด

ขั้นที่ 1 ตั้งสูตรกฎการแพร่ของเกรแฮม:

ขั้นที่ 2 แทนค่า:

= √(16/4) = √4 = 2

สรุป: แก๊ส 1 ซึ่งเบากว่า จะแพร่ได้เร็วกว่าแก๊ส 2 ถึง 2 เท่า สอดคล้องกับหลักการที่ว่าแก๊สที่เบากว่าจะแพร่ได้เร็วกว่าเสมอ

อยากฝึกโจทย์แนวนี้เพิ่มเติมอีกไหมครับ พี่หมอเตอร์รวมแนวข้อสอบ A-Level เรื่องแก๊สและสมบัติของแก๊สพร้อมเฉลยละเอียดไว้ให้แล้วที่ แจกข้อสอบเคมี พร้อมเฉลย ลองไปฝึกทำดูก่อนเข้าห้องสอบจริงได้เลยครับ

💗 ดูคลิปเฉลยข้อสอบอื่น ๆ ได้ทาง Youtube : เคมี - พี่หมอเตอร์ Aeroplane+

สรุป: เก็บคะแนนเคมี ม.5 บทแก๊สให้เต็ม พร้อมลุยทุกสนามสอบกับ Aeroplane

สรุปสั้นๆ ให้น้องจำไว้ว่า บทนี้ทั้งบทหมุนรอบตัวแปร P, V, T, n แค่ 4 ตัวเท่านั้น กฎแต่ละข้อคือการบังคับให้ตัวแปร 2 ตัวมีค่าคงที่ แล้วดูความสัมพันธ์ของอีก 2 ตัว ถ้าน้องเข้าใจภาพนี้ชัดเจน ต่อให้โจทย์จะซับซ้อนแค่ไหน น้องก็แค่ต้องดูว่าตัวแปรไหนคงที่ ตัวแปรไหนให้มา แล้วเลือกสูตรที่เหมาะสมมาใช้ได้เลย

ถ้าน้องอยากปูพื้นฐานเคมี ม.5 ให้แน่น พร้อมลุยทุกสนามสอบ ที่ Aeroplane Center พี่หมอเตอร์มีคอร์สให้เลือกเรียนตามเป้าหมายของน้องเลยครับ:

• Final Call Chemistry : Entrance เคมี เนื้อหา ม.4-6 พร้อมตะลุยโจทย์ทุกปี
• Adventure Chemistry : ตะลุยโจทย์เคมี พิชิตทุกสนามสอบ (ฟันคะแนน 80+ สบายๆ)
• [New] Fast Track Chemistry (เคมี) : พิชิต A-Level เคมีฉบับรวบรัด
• พิชิต สอวน. เคมี ค่าย 1

น้องคนไหนสนใจ ลองดูรายละเอียดคอร์สเพิ่มเติมได้ที่ Aeroplane Center นะครับ พี่รอเจอน้องในคลาสครับ ^ ^

FAQ (คำถามที่พบบ่อย)

Q1: ทำไมการคำนวณเรื่องแก๊ส ต้องใช้หน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวิน (K) เสมอ?

A: เพราะหน่วยองศาเซลเซียส (C°) สามารถมีค่าติดลบได้ ซึ่งปริมาตรหรือความดันของแก๊สในความเป็นจริงไม่สามารถมีค่าติดลบได้ การใช้หน่วยเคลวินซึ่งเป็น "อุณหภูมิสัมบูรณ์" (เริ่มต้นที่ 0 K และไม่มีค่าติดลบ) จึงทำให้ผลการคำนวณถูกต้องตามความเป็นจริงครับ

Q2: มีวิธีจำกฎของบอยล์ ชาร์ล และเกย์-ลูสแซก ให้ไม่สับสนไหม?

A: ทริคจำง่ายๆ คือจำสิ่งที่ "คงที่" ครับ บอยล์ให้อารมณ์เหมือนต้มน้ำ (Boil) ต้องใช้ "อุณหภูมิ" (T) คงที่ ชาร์ลนึกถึงคนชื่อชาร์ลที่ชอบรับแรงกดดันเก่งๆ คือ "ความดัน" (P) คงที่ ส่วนเกย์-ลูสแซกที่เหลือตัวสุดท้ายคือ "ปริมาตร" (V) คงที่

Q3: ค่า R ในสูตร PV = nRT มีค่าเท่าไหร่ และต้องใช้หน่วยอะไรบ้าง?

A: ค่าคงที่ของแก๊ส (R) ที่นิยมใช้ในระดับ ม.ปลาย คือ 0.0821 L·atm/(mol·K) โดยมีเงื่อนไขว่า ความดัน (P) ต้องเป็น atm, ปริมาตร (V) ต้องเป็นลิตร (L) หรือ dm³, จำนวนโมล (n) เป็น mol และอุณหภูมิ (T) ต้องเป็นเคลวิน (K) เสมอ

Q4: กฎการแพร่ของแก๊ส (เกรแฮม) สังเกตอย่างไรว่าแก๊สชนิดไหนแพร่ได้เร็วกว่ากัน?

A: หลักการจำง่ายๆ คือ "คนผอมวิ่งเร็วกว่าคนอ้วน" แก๊สที่มีมวลโมเลกุลน้อยกว่า (เบากว่า) จะมีอัตราการแพร่ที่เร็วกว่าแก๊สที่มีมวลโมเลกุลมาก (หนักกว่า) เมื่ออยู่ในสภาวะอุณหภูมิและความดันเดียวกัน