วิทยาศาสตร์ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 : การแยกสาร


ระดับชั้น : ม.1






สารต่างๆ ในชีวิตประจำวันรอบๆ ตัวเรา มีทั้งอยู่ในรูปของสารเนื้อผสมและสารเนื้อเดียว เมื่อเราต้องการนำสารใดสารหนึ่งมาใช้ประโยชน์โดยตรง จึงจำเป็นต้องมีวิธีการแยกสารที่เราต้องการออกมา โดยอาศัยสมบัติที่แตกต่างจากสารอื่นแยกออกมา วิธีการแยกสารนั้นมีด้วยกันหลายวิธี เบื้องต้นจะแยกเป็น 2 กลุ่ม คือ การแยกสารเนื้อผสมกับการแยกสารเนื้อเดียว เพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจ


การแยกสารเนื้อผสม

การแยกสารเนื้อผสมโดยวิธีการทางกายภาพ จะทำให้สารที่แยกได้มีสมบัติเหมือนเดิมทุกประการ ได้แก่

  1. การกรอง (filtration) เป็นวิธีการแยกสารออกจากกัน โดยแยกสารที่ไม่ละลายในตัวทำละลายออกจากตัวทำละลาย หรือเป็นการแยกของแข็งออกจากของเหลวโดยของแข็งนั้นต้องไม่ละลายในของเหลว นิยมใช้กันมากทางเคมี

    ในการแยกของผสมที่เป็นของแข็งผสมกันอยู่โดยการกรอง จะใช้ตัวทำละลายที่พอเหมาะละลายสารชนิดหนึ่งแต่ไม่ละลายสารอีกอย่างหนึ่ง ก็จะสามารถแยกสารชนิดที่ไม่ละลายออกมาได้ ในการกรองนั้นจะต้องเทสารผ่านกระดาษกรอง ของแข็งที่ลอดผ่านกระดาษกรองไม่ได้จะอยู่บนกระดาษกรอง ขณะที่น้ำและสารที่ละลายน้ำได้ จะผ่านกระดาษกรองสู่บีกเกอร์ เช่น การกรองน้ำกะทิออกจากกาก การกรองเอาฝุ่นผงหรือเปลือกไข่ออกจากน้ำเชื่อม




  2. การใช้กรวยแยก เป็นวิธีที่ใช้แยกสารเนื้อผสมที่เป็นของเหลว 2 ชนิดที่ไม่ละลายออกจากกัน โดยของเหลวทั้งสองนั้นแยกเป็นชั้นเห็นได้ชัดเจน เช่น น้ำกับน้ำมัน ฯลฯ การแยกโดยวิธีนี้จะนำของเหลวใส่ในกรวยแยก แล้วไขของเหลวที่อยู่ในชั้นล่างซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นบนออกสู่ภาชนะจนหมด แล้วจึงค่อยๆ ไขของเหลวที่ที่เหลือใส่ภาชนะใหม่




  3. การใช้อำนาจแม่เหล็ก เป็นการแยกสารเนื้อผสมโดยองค์ประกอบหนึ่งมีสมบัติในการถูกแม่เหล็กดูดได้ เช่น การแยกผงกำมะถันกับผงตะไบเหล็กที่ผสมกันออกจากกัน สามารถแยกได้โดยใช้แม่เหล็กเป็นตัวดูดผงตะไบเหล็กออกมา ส่วนผงกำมะถันจะไม่มีผลต่ออำนาจแม่เหล็ก จึงทำให้แยกร่างส่วนผสมทั้งสองออกจากกันได้




  4. การระเหิด เป็นการแยกสารเนื้อผสมที่เป็นของแข็งออกจากกัน การระเหิดเป็นการเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งไปเป็นก๊าซหรือไอ โดยไม่มีการเปลี่ยนเป็นของเหลวก่อน เช่น พวกการบูร ลูกเหม็น ตัวอย่างเช่น ของผสมระหว่างการบูรกับเกลือแกงซึ่งเป็นของแข็งมีสีขาวทั้งคู่ เมื่อเรานำสารดังกล่าวไปให้ความร้อน การบูรจะระเหิดกลายเป็นไอแยกออกจากเกลือแกง หรือของผสมระหว่างลูกเหม็นกับเกลือแกง เมื่อถูกความร้อนลูกเหม็นจะระเหิดออกจนหมดเหลือแต่เกลือแกง




  5. การตกตะกอน ใช้แยกของผสมเนื้อผสมที่เป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในของเหลว ทำได้โดยนำของผสมนั้นวางทิ้งไว้ให้สารแขวนลอยค่อยๆ ตกตะกอนนอนก้น ในกรณีที่ตะกอนเบามากถ้าต้องการให้ตกตะกอนเร็วขึ้นอาจทำได้โดยใช้สารตัวกลางเพื่อให้อนุภาคของสารที่ต้องการตกตะกอนมาเกาะ เมื่อตะกอนมีมวลมากขึ้น น้ำหนักจะมากขึ้นจะตกตะกอนได้เร็วขึ้น เช่น ใช้สารส้มแกว่ง อนุภาคของสารส้มจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางให้โมเลกุลของสารที่ต้องการตกตะกอนมาเกาะ ตะกอนจะตกเร็วขึ้น


  6. การเขี่ยออกหรือใช้มือหยิบ เป็นวิธีการแยกของผสมที่เป็นของแข็งที่มีขนาดใหญ่ สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน โดยใช้การเลือกหยิบหรือเขี่ยออกจากกัน เช่น การเลือกข้าวเปลือกออกจากข้าวสาร ฯลฯ


การแยกสารเนื้อเดียว

การแยกสารเนื้อเดียวสามารถทำได้หลายวิธีเช่นกัน ดังนี้

  1. การกลั่น (distillation) เป็นกระบวนที่ทำให้ของเหลวได้รับความร้อนจนกลายเป็นไอ กรณีที่เป็นของเหลวทั้งคู่ จะใช้ความแตกต่างของจุดเดือดของของเหลวเป็นตัวแยกตัวทำละลายและตัวถูกละลายได้ สารที่มีจุดเดือดต่ำจะกลายเป็นไอออกมาก่อน ของเหลวสุดท้ายที่ได้จะเป็นสารบริสุทธิ์ ในการกลั่นของเหลวที่บริสุทธิ์จะพบว่า จุดเดือดของของเหลวจะคงที่เสมอ เมื่อนำไปเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลา จะได้กราฟเป็นเส้นตรง ดังรูป




    การกลั่นมีหลายวิธี ในที่นี้จะกล่าวถึง 2 วิธี คือ

    1. การกลั่นแบบธรรมดา หรือการกลั่นอย่างง่าย (simple distillation) เป็นการการแยกสารละลายที่เป็นของเหลวหรือทำสารให้บริสุทธิ์ (Purification) จากสารละลายผสม โดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ กัน เพื่อทำให้สารละลายที่มีจุดเดือดต่ำกว่าระเหยกลายเป็นไอ จากนั้นไอจะเกิดการเคลื่อนที่ผ่านเครื่องควบแน่น (Condenser) ที่อุณหภูมิต่ำ จึงเกิดการควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งในภาชนะอีกอันหนึ่ง การกลั่นแบบนี้นิยมใช้กับของเหลวที่มีจุดเดือดต่างกันมากๆ

      การกลั่นแบบธรรมดา


      ประโยชน์ในการกลั่นนี้สามารถนำไปใช้ในการแยกน้ำจากน้ำทะเล การแยกน้ำจากน้ำคลอง หรืการแยกน้ำจากน้ำเกลือหรือน้ำเชื่อม ฯลฯ

      แต่ในกรณีที่สารละลายประกอบด้วยของเหลวละลายในของเหลว และของเหลวทั้งสองมีจุดเดือดที่ต่างกันไม่มาก ต้องใช้วิธีการกลั่นลำดับส่วน


    2. การกลั่นลำดับส่วน (fractional distillation) เป็นการกลั่นเพื่อแยกของเหลวที่ระเหยได้ในสารละลายที่มีของเหลวหลายชนิดผสมอยู่ หลักการกลั่นจะเหมือนกับการกลั่นแบบธรรมดา สิ่งที่แตกต่างกันคือ ของเหลวที่นำมากลั่นลำดับส่วนนั้นจะมีจุดเดือดต่างกันไม่มาก ขั้นตอนการกลั่นคือ จะใช้คอลัมน์สำหรับการกลั่นลำดับส่วนซึ่งมีลูกแก้วบรรจุอยู่ ไอของของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำจะเคลื่อนที่ขึ้นสู่ส่วนบนของคอลัมน์เข้าสู่เครื่องควบแน่นและกลั่นตัวออกมาเป็นของเหลวก่อน ส่วนไอของสารที่มีจุดเดือดสูงกว่าเมื่อกระทบกับลูกแก้วจะมีอุณหภูมิลดต่ำลงและควบแน่นเป็นของเหลวตกกลับสู่ขวดกลั่น เมื่อได้รับความร้อนสูงขึ้นจะกลายเป็นไอขึ้นไปตามคอลัมน์ได้ใหม่และไปควบแน่นตกลงมาอีก คล้ายกับการกลั่นซ้ำหลายๆ ครั้ง จนกระทั่งของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำกว่ากลายเป็นไอหมดและอุณหภูมิของลูกแก้วสูงขึ้น ไอของของเหลวที่มีจุดเดือดสูงขึ้นจึงเคลื่อนที่ผ่านลูกแก้วขึ้นไปในคอลัมน์ และผ่านเข้าเครื่องควบแน่นกลั่นตัวออกมาเป็นของเหลวต่อไป




      การกลั่นลำดับส่วนนี้มักใช้ในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียมซึ่งเป็นส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอน เป็นของเหลวที่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน

      การกลั่นน้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่น



      จากภาพ เป็นหลักการที่ใช้ในการกลั่นน้ำมันดิบ เนื่องจากปริมาณน้ำมันดิบที่กลั่นได้ในแต่ละครั้งจะมีจำนวนมาก ประกอบด้วยสารหลายชนิด จึงต้องใช้หอกลั่นและเตากลั่นที่มีความร้อนประมาณ 500 องศาเซลเซียส ทำให้สารกลายเป็นไอขึ้นไปบนหอกลั่น แล้วควบแน่นเป็นของเหลวชนิดต่างๆ ตามลำดับ สารที่มีจุดเดือดต่ำจะอยู่ส่วนบนสุดของหอกลั่น ส่วนสารที่มีจุดเดือดสูงจะอยู่ด้านล่างของหอกลั่น


  2. การตกผลึก (crystallization) หมายถึง เป็นกระบวนการแยกของแข็งที่ละลายได้ในตัวทำละลายที่เป็นของเหลว โดยทำให้สารละลายอิ่มตัวที่อุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิลดลงทำให้ความสามารถในการละลายลดลง ส่วนของตัวถูกละลายที่มีมากเกินพอจะแยกตัวออกจาสารละลายกลายเป็นของแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิต เรียกว่า ผลึก (crystal) หลังจากการตกผลึก ในภาชนะจะประกอบด้วยสารละลายอิ่มตัวและผลึก

      ผลึก หมายถึง ของแข็งที่เป็นเนื้อเดียวกัน มีรูปทรงเรขาคณิตตามชนิดของสาร มีเหลี่ยมมุมชัดเจน ผลึกเกิดจากสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่ง (supersaturated solution) ที่มีอุณหภูมิลดลงหรือเย็นลงนั่นเอง

      สารละลายอิ่มตัว หมายถึง สารละลายที่ไม่สามารถละลายตัวถูกละลายได้อีก เนื่องจากมีตัวถูกละลายอยู่มากที่สุดที่อุณหภูมิห้อง

      สารละลายอิ่มตัวยวดยิ่ง (supersaturated solution) หมายถึง สารละลายที่มีตัวถูกละลายอยู่ในปริมาณที่เกินกว่าอัตราที่ละลายได้ที่อุณหภูมิห้อง




  3. โครมาโทกราฟี (chromatography) หมายถึง วิธีการแยกสารผสมที่มีสีให้เป็นสารที่บริสุทธิ์ ด้วยการแยกสารออกเป็นสีๆ

    วิธีโครมาโทกราฟี เป็นวิธีการแยกสารเนื้อเดียวจำพวกสารละลายที่มีสีต่างๆ โดยอาศัยสมบัติในการละลายของสารและการดูดซับบนตัวกลางที่ต่างกัน ตัวกลางที่ใช้ในการทดลองนี้จะเป็นตัวกลางที่มีเนื้อพรุนและสามารถดูดซับของเหลวได้ดี เช่น ชอล์ก กระดาษกรอง

    เทคนิคโครมาโทกราฟี เป็นเทคนิคที่อาศัยสมบัติของสาร คือ สารที่ละลายในตัวทำละลายได้ดีและถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับได้น้อยจะเคลื่อนที่ไปได้เร็ว ส่วนสารที่ละลายในตัวทำละลายได้น้อยและถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับได้มากจะเคลื่อนที่ไปได้ช้า ดังเช่นการทดลองต่อไปนี้

      การทดลองที่ 1 นำน้ำหมึกดำเทลงในถ้วยขนาดเล็ก แล้วนำแท่งชอล์กสีขาววางลงในถ้วย ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 1-2 ชั่วโมง จะพบว่า บนแท่งชอล์กประกอบด้วยสีต่างๆ มากมายเรียงเป็นชั้นๆ แยกออกจากกัน ถ้าแท่งชอล์กปรากฏ 3 สี แสดงว่า น้ำหมึกประกอบด้วยตัวถูกละลาย 3 ชนิด แต่ถ้าปรากฏสีเดียว แสดงว่า น้ำหมึกประกอบด้วยตัวถูกละลายชนิดเดียว




      จากภาพ สรุปผลการทดลองได้ว่า

      1. สารที่แท่งชอล์กดูดซับได้น้อย คือ สารสีเหลือง เพราะเคลื่อนที่ไปได้มากที่สุด (เคลื่อนได้เร็วที่สุด ไปได้ไกลที่สุด)


      2. สารที่แท่งชอล์กดูดซับได้ดี คือ สารสีน้ำเงิน เพราะเคลื่อนที่ได้น้อย (เคลื่อนที่ช้า ไปได้ไม่ไกล)

      สรุป สารเนื้อเดียวที่มีสีสามารถนำมาทดลองว่าเป็นสารบริสุทธิ์หรือสารละลายได้ โดยใช้หลักการที่ว่า สารที่แยกได้ปรากฏสีบนแท่งชอล์กมากกว่า 1 สี แสดงว่า สารเนื้อเดียวเป็นสารละลาย แต่ถ้ามีสีเดียวแสดงว่าเป็นสารบริสุทธิ์

      การทดลองที่ 2 ให้ตัดกระดาษกรองออกเป็นแถบขนาดพอประมาณ ความยาวเท่ากับรัศมีของวงกลมของกระดาษกรอง จากนั้นพับหักงอลง แล้วหยดของเหลวที่มีสี ณ บริเวณจุดหักงอ 1 หยด หลังจากนั้นนำไปแช่ในน้ำทิ้งไว้ 1-2 ชั่วโมง จะพบว่า มีแถบสีปรากฏขึ้นบนกระดาษกรองแยกเป็นชั้นๆ ซึ่งสีก็คือ สารที่เป็นองค์ประกอบของสารเนื้อเดียว





      ประโยชน์ของโครมาโทกราฟี

      1. ใช้แยกสารเนื้อเดียวที่มีส่วนผสมหลายๆ ชนิด ให้ได้เป็นสารบริสุทธิ์


      2. ใช้ในการวิเคราะห์หาปริมาณและชนิดของสาร


      3. ใช้ทดสอบสารตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยๆ ได้


      4. ใช้แยกสารได้ทั้งสารที่มีสีและไม่มีสี


นอกจากนี้ ยังมีวิธีการแยกสารอื่นๆ ด้วยวิธีการสกัดเพื่อใช้ประโยชน์ได้อีก ได้แก่


การสกัดโดยการกลั่นด้วยไอน้ำ (stream distillation)

เป็นการกลั่นเพื่อแยกสารที่ไม่ละลายน้ำ ระเหยง่าย สารที่มีจุดเดือดต่ำจะแยกได้ดีกว่าสารที่มีจุดเดือดสูง นิยมใช้สกัดพวกน้ำมันหอมระเหยออกจากส่วนต่างๆ ของพืช เช่น กาบใบตะไคร้หอม ผิวมะกรูด ใบยูคาลิปตัส ดอกกุหลาบ ฯลฯ โดยใช้หลักการคือ ใช้ไอน้ำช่วยทำให้น้ำมันหอมระเหยกลายเป็นไอปนออกมากับไอน้ำ และควบแน่นที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของน้ำมันหอมระเหย ของเหลวที่กลั่นได้จะแบ่งตัวเป็น 2 ชั้น โดยมีน้ำอยู่ชั้นล่าง น้ำมันหอมระเหยอยู่ชั้นบน


ภาพ : แสดงการสกัดโดยการกลั่นด้วยไอน้ำ



จากภาพ เป็นการสกัดโดยการกลั่นด้วยไอน้ำ โดยอาศัยไอน้ำให้ทำหน้าที่เป็นตัวละลายสารที่เราต้องการจะแยกออกมา ใช้แยกสารที่ระเหยง่าย ไม่ละลายน้ำ และไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ เช่น การแยกสารหอมระเหยออกจากผิวมะกรูด นอกจากมะกรูดแล้ว ยังมีพืชอีกหลายชนิดที่นิยมนำมาสกัดเพื่อทำเป็นน้ำมันหอมระเหย โดยใช้ส่วนต่างๆ ของพืช เช่น


ตัวอย่างพืช
ส่วนที่มีน้ำมันหอมระเหย
ตะไคร้ ตะไคร้หอม
กาบใบ
ยูคาลิปตัส กระเพรา โหระพา
ใบ
กุหลาบ มะลิ การะเวก จำปา
ดอก
จันทน์เทศ
ผล
มะกรูด มะนาว ส้ม
เปลือกของผล
กระวาน กานพลู เร่ว
เมล็ด
จันทน์ สน กฤษณา
เนื้อไม้
อบเชย สีเสียด
เปลือกไม้
แฝกหอม
ราก
ขิง ข่า ไพร
เหง้า



การสกัดด้วยตัวทำละลาย (solvent extraction)

เป็นวิธีการแยกสารที่ใช้กันมากในชีวิตประจำวัน โดยเป็นการแยกสารออกจากส่วนต่างๆ ของพืชหรือแยกจากของผสม โดยมีหลักคือ ต้องเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมในการสกัดสารที่ต้องการ

หลักการเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมมีดังนี้

  1. ต้องสามารถละลายสารที่ต้องการสกัดได้ดี


  2. ไม่ทำปฏิกิริยากับสารที่ต้องการสกัดหรือกับตัวทำละลายอื่นที่จะใช้ร่วมกัน


  3. ถ้าต้องการแยกสี ตัวทำละลายจะต้องไม่มีสี ถ้าต้องการแยกกลิ่น ตัวทำละลายต้องไม่มีกลิ่น


  4. ไม่ควรติดไฟง่าย และราคาไม่แพง


  5. ต้องไม่มีพิษ มีจุดเดือดต่ำเพื่อที่จะกำจัดออกไปจากสารที่ต้องการได้ง่ายหลังการสกัด

การสกัดด้วยตัวทำละลายเป็นวิธีหนึ่งที่มีประโยชน์มากในการแยกสารและทำให้สารบริสุทธิ์ นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในวงการอุตสาหกรรม เช่น การสกัดแยกสารประกอบบางชนิดออกจากใบไม้ ดอกไม้ การสกัดแยกสารผลิตภัณฑ์ออกจากของผสมหลังทำปฏิกิริยา หรือการสกัดน้ำมันเพื่อใช้ในการประกอบอาหาร โดยนำวัตถุดิบจากเมล็ดของพืชชนิดต่างๆ ได้แก่ ถั่วเหลือง เมล็ดทานตะวัน ปาล์ม ข้าวโพด ถั่วลิสง งา เมล็ดบัว และรำข้าว

ในการสกัดน้ำมันพืชนิยมใช้เฮกเซน เป็นตัวทำละลาย หลังการสกัดจะได้สารละลายไปกลั่นลำดับส่วนเพื่อแยกเฮเซนออกมา จะได้น้ำมันพืชซึ่งต้องนำไปฟอกสี ดูดกลิ่น และกำจัดสารอื่นๆ ออกก่อน จึงจะได้น้ำมันพืชสำหรับปรุงอาหาร

นอกจากนี้ ในชีวิตประจำวันเรายังใช้น้ำสกัดสีและกลิ่นจากใบเตยหอม ใช้เอธานอลสกัดตัวยาสมุนไพร เช่น สกัดตัวยาจากโสม สกัดโพลีฟีนจากเมล็ดองุ่น ฯลฯ

โดยทั่วไปแล้วการสกัดสารจะต้องทำให้ได้สารที่ต้องการมากที่สุดโดยใช้ปริมาณตัวทำละลายน้อยที่สุด ถ้าใช้ตัวทำละลายที่สกัดในปริมาตรที่เท่าๆ กัน การสกัดที่ใช้ตัวทำละลายครั้งละไม่มาก แต่ทำหลายๆ ครั้ง จะมีประสิทธิภาพของการสกัดสูงกว่าเมื่อเทียบกับการสกัดที่ทำน้อยครั้งแต่ใช้ตัวทำละลายครั้งละมากๆ

การแยกสารเป็นเรื่องที่มีความสำคัญในชีวิตประจำวันที่สามารถนำไปสู่การพัฒนาด้านเศรษฐกิจของประเทศได้ เนื่องจากประเทศไทยเรายังมีทรัพยากรธรรมชาติอีกมากมาย เช่น สมุนไพรต่างๆ แร่ธาตุ หิน ฯลฯ ถ้าเราสามารถแยกสารที่เป็นประโยชน์ได้ ก็จะสามารถนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ในกิจการต่างๆ ทั้งในทางอุตสาหกรรม เกษตรกรรม การแพทย์ การพาณิชย์ ฯลฯ









ที่มาข้อมูล : - หนังสือแบบเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ
- คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ

    เรื่อง : บทเรียนวิทยาศาสตร์
    เข้าชม : 160196