Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
1สถานะของสาร (State of matter)                                                         อ.ภก. กรีพล แม่นวิวัฒนกุลเค้าโครงเน...
2                                       แรงระหว่างโมเลกุล         การที่โมเลกุลของสารสามารถรวมกันอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหล...
3          แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (Attractive force) มีหลายชนิด ได้แก่      1. van der Waals forces      2. Ion-dipole an...
4     2. Ion-induced dipole force แรงดึงดูดเกิดจากการที่โมเลกุลที่มีประจุไปเหนี่ยวนําให้โมเลกุลที่ไม่มีขั้วเกิดมีขวขึ้น เช...
5ตารางที่ 1 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและพันธะBond type                                                 Bond energy (kcal...
6        Ideal gas law        Boyle law อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดันของกาซ ถ้านํากาซ 1 โมล เก็บในสภาวะที่ควบ...
7กลายเป็นกาซจนหมด (T) หลังจากนั้นวัดความดันที่เกิดขึ้นในกระเปาะแก้ว (P) ก็จะสามารถคํานวณหามวลโมเลกุล (Mw) ได้จากสมการที่ (...
8        ในกรณีทพบทั่วไป จะมีกาซ n โมล บรรจุอยูในภาชนะที่มีปริมาตร V เพราะฉะนั้นสมการ (13)                  ี่            ...
9ตารางที่ 3 Arterial blood gas                                              ระดับน้ําทะเล                   ที่ความสูง 1 ไ...
10รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับอุณหภูมิ          การเดือดของของเหลว          เมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้กับของเหลว คว...
11ตารางที่ 4 จุดเดือดและ Heat of vaporization, ΔHv ของสารบางชนิด               สาร                    Boiling point (°C)  ...
12        - OA : Vapor pressure curve        - OC : Sublimation curve        - OB : Melting curve        - O : Triple poin...
13ของเหลวจะทําหน้าที่เป็นน้ํากระสายยา ส่วนที่เป็นกาซจะทําให้เกิดความดันในกระป๋อง เมื่อกดหัวพ่นยาให้วาล์วเปิดออก สารขับดันแ...
14          ของแข็งที่เป็นผลึก เช่น น้ําแข็ง, NaCl, Menthol โมเลกุล อะตอม หรือไอออนของสารเหล่านี้จะจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้า...
15        7. Orthorhombic แกน a, b และ c ทํามุม 90° ต่อกัน แต่ไม่มแกนใดเลยที่ยาวเท่ากัน                                   ...
16คุณสมบัติเหล่านี้มีความสําคัญอย่างมากต่อการเตรียมยาและการละลายของยาในร่างกาย ในสภาวะหนึ่งpolymorph ชนิดหนึ่งสามารถเปลี่ย...
17            Theophyline                                                2           Polymorphism and bioavailability     ...
18          Solvate and Hydrate          ของแข็งที่เป็นผลึกจะสามารถจับโมเลกุลของตัวทําละลายไว้ในโครงสร้างผลึก เรียกว่า sol...
19รูปที่ 9 การละลายของ Erythromycin ที่อยู่ในรูปแบบ anhydrous, monohydrate และ dehydrate           การหลอมเหลวของของแข็ง  ...
State of matter
State of matter
State of matter
State of matter
State of matter
State of matter
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

State of matter

3,584 views

Published on

  • Be the first to comment

State of matter

  1. 1. 1สถานะของสาร (State of matter) อ.ภก. กรีพล แม่นวิวัฒนกุลเค้าโครงเนื้อหา 1. แรงระหว่างโมเลกุล ก. Van der Waals force ข. Ion-dipole and ion-induced dipole forces ค. Hydrogen bone 2. สถานะของสาร ก. สถานะกาซ - Ideal gas law - Van der Waals equation for real gas ข. สถานะของเหลว - ความดันไอ - การเดือดของของเหลว - การควบแน่นของกาซ - แรงตึงผิว ค. สถานะของแข็ง - Crystalline - Amorphous - Hydrate and solvate - Polymeric ง. Liquid crystalline - โครงสร้างและคุณสมบัติ - ความสําคัญและการประยุกต์ใช้ จ. Supercritical fluid 3. Phase equilibria และ Phase rule ก. ระบบที่มีส่วนประกอบเดียว ข. ระบบที่มี 2 ส่วนประกอบ ค. ของผสมยูเทคติก
  2. 2. 2 แรงระหว่างโมเลกุล การที่โมเลกุลของสารสามารถรวมกันอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือกาซได้นั้น จะต้องมีแรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular force) เกิดขึ้น ได้แก่ แรงดึงดูด (attractive force) และแรงผลัก(repulsive force) เพราะฉะนั้นความรู้เกียวกับแรงระหว่างโมเลกุลนอกจากจะมีประโยชน์ในการอธิบาย ่คุณสมบัติของสารสถานะต่างๆแล้ว ยังสามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ท่เกียวข้องกับทางเภสัชกรรมได้อีก ี ่ด้วย เช่น คุณสมบัติของยาเตรียมสถานะต่างๆ ปรากฏการณ์ที่ผิวประจัน การเกิดยาน้ําแขวนตะกอนและอิมัลชัน การยึดเกาะของผงยาในการผลิตยาเม็ด การไหลของของสาร เป็นต้น คุณสมบัติท่เกียวข้องกับแรง ี ่ระหว่างโมเลกุลจะมีผลต่อการตังตํารับ การผลิต และการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ยา ้แรงผลักและแรงดึงดูด (Repulsive and attractive forces) เมื่อสาร 2 โมเลกุลอยู่ใกล้กันระดับหนึ่งจะเกิดแรงระหว่างโมเลกุลขึ้น โดยมีทั้งแรงดึงดูดและแรงผลักเกิดขึ้นพร้อมกัน กรณีของแรงดึงดูด โมเลกุลที่มีประจุตรงกันข้ามจะมีแรงดึงดูดกันมากกว่าโมเลกุลที่มีประจุเดียวกัน แรงดึงดูด (FA) จะเพิ่มขึ้นเมือระยะห่างระหว่างโมเลกุลน้อยลง หรือแปรผกผันกับระยะห่าง ่ระหว่างโมเลกุลทั้งสอง (r) นั่นเอง ตามสมการ 1 FA α (1) rnค่า n จะขึ้นกับชนิดของอะตอมในโมเลกุลที่เกิดแรงระหว่างกัน กรณีของแรงผลัก แรงผลัก (FR) จะเพิ่มขึ้นเรือยๆเมื่อโมเลกุลทั้งสองเคลื่อนที่เข้าหากัน และเมื่อ ่โมเลกุลใกล้กันจนกระทั่งชั้นของหมอกอิเลคตรอนของแต่ละโมเลกุลเริ่มสัมผัสกัน จะทําให้เกิดแรงผลักเพิ่มขึ้นอย่างมาก ตามสมการ FR α e1/r (2) จากสมการ (1) และ (2) แรงดึงดูดจะค่อยๆเพิ่มขึ้นเมื่อโมเลกุลเข้าใกล้กัน ส่วนแรงผลักจะเพิ่มขึ้นแบบ Exponential เมื่อโมเลกุลเข้าใกล้กันมากขึ้น และเมื่อโมเลกุลทั้งสองอยู่ห่างกันทีระยะ re ตามรูปที่ 1 ่ -8(3 ถึง 4 x 10 cm) แรงผลักและแรงดึงดูดจะสมดุลกัน ณ ตําแหน่งนี้พลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลทังสอง ้(net energy) จะมีค่าน้อยที่สด ระบบจะอยู่ในสภาวะสมดุล แรงดึงดูดที่เกิดขึ้นจะทําให้โมเลกุลเข้าใกล้กัน มี ุโครงสร้างที่แน่นอน ทําให้สารแสดงสถานะต่างๆ ในขณะทีแรงผลักจะป้องกันมิให้โมเลกุลหลอมรวมกันจน ่เสียสภาพของโมเลกุลดั้งเดิม หลักการนี้นอกจากจะใช้อธิบายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลแล้ว ยังใช้ในกรณีของอะตอมและอนุภาคขนาดใหญ่ได้ด้วยรูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดึงดูดและแรงผลักกับระยะห่างระหว่างโมเลกุล
  3. 3. 3 แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (Attractive force) มีหลายชนิด ได้แก่ 1. van der Waals forces 2. Ion-dipole and ion-induced dipole forces 3. Hydrogen bond van der Waals forces เป็นแรงดึงดูดอย่างอ่อนที่เกิดขึนระหว่างโมเลกุลที่ไม่มประจุ แต่มขั้วไฟฟ้าในโมเลกุล เช่น การเกิด ้ ี ีPeptide bond (รูปที่ 2) ออกซิเจนเป็นธาตุที่มีคา electronegativity สูง จึงดึงอิเลคตรอนจากไนโตรเจน ่ผ่านทางคาร์บอน ทําให้ออกซิเจนเกิดเป็นขัวลบ เพื่อให้อยูในสภาวะสมดุลไนโตรเจนจึงดึงอิเลคตรอนจาก ้ ่ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนจึงเกิดเป็นขั้วบวก ด้วยเหตุนี้จึงทําให้มีขวบวกและลบเกิดขึ้นในโมเลกุล เมื่อโมเลกุลทีมี ั้ ่ขั้ว 2 โมเลกุลอยู่ใกล้กัน จึงเกิดแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลทีเ่ รียกว่าแรง van der Waals นั่นเอง แรงชนิดนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด คือ 1. Dipole-dipole forces (Keesom force) โมเลกุลที่มีขั้วอย่างถาวร (permanent dipole)โมเลกุลจะเรียงตัวโดยหันขั้วลบเข้าหาขั้วบวกของโมเลกุลข้างเคียง ทําให้โมเลกุลมีแรงดึงดูดระหว่างกัน มีแรงดึงดูดประมาณ 1-7 kcal/mole ตัวอย่างของโมเลกุลมีขวอย่างถาวร เช่น น้ํา, hydrochloric acid, ั้alcohol, acetone 2. Dipole-induced dipole (Debye force) โมเลกุลที่มีขวสามารถเหนียวนําให้โมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ั้ ่บางชนิดมีขวเกิดขึ้นได้ ทําให้ทั้งสองโมเลกุลมีแรงดึงดูดต่อกัน มีแรงดึงดูดประมาณ 1-3 kcal/mole ั้ตัวอย่างของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วทีสามารถถูกเหนียวนําให้มขั้วได้ เช่น ethyl acetate, methylene chloride, ่ ่ ีether 3. Induced dipole-induced dipole (London force) โมเลกุลที่ไม่มีขวบางชนิดสามารถมีขั้ว ั้เกิดขึ้นได้เองจากการสั่นของโมเลกุลแล้วไปเหนี่ยวนําให้โมเลกุลอื่นที่ไม่มขั้วมีขั้วเกิดขึ้น จากนั้นจึงเกิดแรง ีดึงดูดระหว่างโมเลกุลขึ้น มีแรงดึงดูดเพียง 0.5-1 kcal/mole โมเลกุลไม่มีขั้วที่สามารถเกิดแรงดึงดูดชนิดนี้เช่น aliphatic hydrocarbon, carbon disulfide, carbon tetrachloride และ hexane แรงดึงดูดชนิดนี้เกี่ยวข้องกับการควบแน่นของกาซเป็นของเหลวอีกด้วยรูปที่ 2 การเกิดแรง van der Waals Ion-dipole and ion-induced dipole forces เป็นแรงดึงดูดทีเ่ กิดจากโมเลกุลที่มีขั้วหรือไม่มขั้วกับโมเลกุลทีมีประจุ ได้แก่ ี ่ 1. Ion-dipole force โมเลกุลที่มีขั้วสามารถเกิดแรงดึงดูดได้ทั้งกับโมเลกุลทีมีประจุบวกหรือลบ มี ่แรงดึงดูด 1-7 kcal/mol เช่น quaternary ammonium กับ tertiary amine R 4 N + − : NR 3 quaternary amine tertiary amine
  4. 4. 4 2. Ion-induced dipole force แรงดึงดูดเกิดจากการที่โมเลกุลที่มีประจุไปเหนี่ยวนําให้โมเลกุลที่ไม่มีขั้วเกิดมีขวขึ้น เช่น ปฏิกิรยาการละลายของ iodine ในสารละลาย potassium iodide ั้ ิ K +I− + I2 ⎯⎯→ K + I3 − iodide anion iodine molecule iodide complex แรงดึงดูดชนิดนีมีเกี่ยวกับการละลายของสารทีสามารถแตกตัวเป็นประจุ โดยสารที่เป็นประจุบวก ้ ่(cation) จะดึงดูดกับขั้วลบของออกซิเจนในโมเลกุลของน้ํา ส่วนสารที่เป็นประจุลบ (anion) จะดึงดูดกับขั้วบวกของไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ํา Hydrogen bond เป็นการเกิดแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมไฮโดรเจนกับอะตอมที่มีค่า electronegativityสูง เช่น ฟลูออรีน ออกซิเจน ไนโตรเจน พันธะชนิดนี้เกิดได้เนื่องจากว่าอะตอมไฮโดรเจน มีขนาดเล็กและมีสนามไฟฟ้า (electrostatic field) ที่แข็งแรง จึงสามารถเคลื่อนที่เข้าไปใกล้ชิดกับอะตอมอืนแล้วเกิดแรงยึด ่เหนี่ยวทางไฟฟ้าขึ้น พันธะชนิดนี้เกิดขึ้นได้กบโมเลกุลหลายชนิด เช่น alcohols, carboxylic acid, ัaldehydes, esters, polypeptides เป็นต้น พันธะไฮโดรเจนสามารถเกิดภายในโมเลกุลเดียวกัน(intramolecular) หรือระหว่างโมเลกุล (intermolecular) ก็ได้ (รูปที่ 3) การเกิดพันธะไฮโดรเจนทําให้สารบางชนิดมีคุณสมบัติบางประการไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ เช่น กรณีของสารประกอบไฮโดรเจนของธาตุหมู่ 6Aได้แก่ H2O, H2S และ H2Se เฉพาะ H2O เท่านั้นที่สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ จึงมีจดเดือดที่ 100°C ซึ่ง ุสูงกว่า H2S และ H2Se ที่มจุดเดือด -100°C และ -60.3°C ตามลําดับ นอกจากนี้แล้วการเกิดพันธะ ีไฮโดรเจนยังทําให้คุณสมบัติบางอย่างของสารละลายเปลี่ยนไป เช่น ค่า dielectric constant ความดันไอและจุดเดือด เป็นต้นรูปที่ 3 การเกิดพันธะไฮโดรเจน
  5. 5. 5ตารางที่ 1 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและพันธะBond type Bond energy (kcal/mole) van der Waals force and other intermolecular forcesDipole-dipole interaction, Keesom force 1-7Dipole-induced dipole interaction, Debye force 1-3Induced dipole-induced dipole interaction, London 0.5-1force 1-7Ion-dipole interactionHydrogen bonding 6 • O-H…O 2-3 • C-H…O 4-7 • O-H…N 2-3 • N-H…O 7 • F-H…F Primary valence bondIonic bond 100-200Covalent bond 50-150 สถานะของสาร (State of matter) สารมี 3 สถานะ คือ กาซ ของเหลว และของแข็ง เมื่อสารอยู่ในรูปของแข็ง โมเลกุลของสารจะอยู่ชิดกันโดยมีแรงยึดเหนี่ยวไว้อย่างแข็งแรง โมเลกุลจะเคลื่อนที่ได้อย่างจํากัด ถ้าอุณหภูมของของแข็งสูงขึน ิ ้โมเลกุลจะมีพลังงานจลน์สงขึ้น สามารถเคลื่อนที่ได้มากขึ้น และมีการจัดเรียงตัวของโครงสร้างใหม่ เปลี่ยน ูสถานะเป็นของเหลว เรียกว่าการหลอมเหลว (melting) และถ้าเพิ่มอุณหภูมให้กับของเหลวเรื่อยๆ โมเลกุล ิจะมีพลังงานจลน์สูงขึ้น จนเปลียนไปเป็นสถานะกาซ เรียกว่าการเดือด (boiling) ของแข็งบางชนิดที่มความ ่ ีดันไอสูง เช่น ไอโอดีนหรือการบูร สามารถเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นกาซโดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการหลอมเหลว เรียกว่าการระเหิด (sublimation) ในบางสภาวะโมเลกุลบางชนิดจะมีสถานะที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างของเหลวกับของแข็ง เรียกว่า liquid crystalline หรือมีสถานะทีมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างของเหลว ่กับกาซ เรียกว่า supercritical fluid สถานะกาซ (Gaseous state) โมเลกุลของสารที่อยูในสถานะกาซจะมีพลังงานจลน์สูงมาก ่ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลต่ําโมเลกุลมีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ทิศทางการเคลื่อนที่ไม่แน่นอน จะชนกับโมเลกุลอื่นๆและผนังภาชนะที่บรรจุกาซนั้นทําให้เกิดเป็นความดัน ซึ่งหมายถึงแรงกระทําต่อหน่วยพื้นที่ มีหน่วยเป็น Dynes/cm2 หรือมีหน่วยเป็น mmHg เมื่อใช้ barometer ในการวัดความดัน กาซมีรูปร่างไม่แน่นอน สามารถบรรจุอยู่ในช่องว่างได้อย่างทั่วถึง และถูกบีบอัดให้มีปริมาตรน้อยลงได้ ปริมาตรของกาซนิยมบอกในหน่วยลิตรหรือลูกบาศก์เซนติเมตร ในการอธิบายคุณสมบัติตางๆของกาซจะใช้อุณหภูมิสัมบูรณ์ (absolute temperature) ่มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)
  6. 6. 6 Ideal gas law Boyle law อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดันของกาซ ถ้านํากาซ 1 โมล เก็บในสภาวะที่ควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ เมื่อความดันของกาซ (P) เพิ่มขึ้น ปริมาตรของกาซ (P) จะลดลง หรือผลคูณของค่าความดันกับปริมาตรของกาซจะเป็นค่าคงที่คาหนึง (k) ดังสมการ ่ ่ 1 Pα หรือ PV = k (3) V Charles and Gay-Lussac Law กล่าวไว้ว่าปริมาตรของกาซจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิของกาซเมื่อกําหนดให้ความดันคงที่ V α T หรือ V = kT (4) จากสมการ (3) และ (4) สามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของกาซได้ดงนี้ ั PV1 = PV 1 2 2 (5) T1 T2 จากสมการ (5) จะพบว่าค่า PV/T ของสภาวะหนึ่งจะเท่ากับค่า PV/T ของอีกสภาวะหนึ่ง นั่นหมายความว่าอัตราส่วนของ PV/T จะเป็นค่าคงที่ แสดงได้ดวยสมการ ้ = R หรือ PV = RT (6) PV TR คือ ค่าคงที่สําหรับอัตราส่วนของ PV/T ในกรณีของ ideal gas แต่เนื่องจากสมการนีจะถูกต้องสําหรับกาซ ้1 โมลเท่านั้น จึงต้องมีจํานวนโมล (n) เข้ามาเกี่ยวข้อง PV = nRT (7)สมการ (7) เรียกว่า General ideal gas law ค่า Molar gas constant, R เป็นค่าที่มีความสําคัญมากค่าหนึ่งทางวิทยาศาสตร์ ค่า R จะมีหลายค่าขึ้นอยู่กับหน่วยของตัวแปรต่างๆในสมการ (5) ตัวอย่างเช่นที่สภาวะ standard condition oftemperature and pressure, STP (0°C, 760 mmHg) กาซ 1 โมลจะมีปริมาตร 22.414 ลิตร 1 atm x 22.414 L = 1 mole x R x 273.16 K R = 0.08205 L atm/mole degถ้าใช้หน่วยของความดันเป็น dyn/cm2 (1 atm = 1.0133 x 10-6 dyn/cm2) และใช้หน่วยของปริมาตรเป็นcm3 PV (1.0133 × 10 6 ) × 22414 R = = = 8.314 × 10 7 erg/mole deg T 273.16 oเมื่อ 1 Joule = 107 erg R = 8.314 Joule/mole degเมื่อ 1 cal = 4.184 Joule R = 1.987 cal/mole deg มวลโมเลกุล (Molecular weight, Mw) ของกาซสามารถคํานวณได้จาก Ideal gas law โดยแทนที่จํานวนโมลของกาซ (n) ด้วยน้ําหนักของกาซหารด้วยมวลโมเลกุล (g/Mw) RT หรือ (8) g gRT PV = Mw = Mw PV การหามวลโมเลกุลของสารที่สามารถกลายเป็นไอได้ง่าย เช่น alcohol สามารถทําได้โดยนําสารที่ทราบน้ําหนักทีแน่นอน (g) ใส่เข้าไปในกระเปาะแก้วที่มปริมาตรคงที่ (V) จากนั้นเพิมอุณหภูมิจนสาร ่ ี ่
  7. 7. 7กลายเป็นกาซจนหมด (T) หลังจากนั้นวัดความดันที่เกิดขึ้นในกระเปาะแก้ว (P) ก็จะสามารถคํานวณหามวลโมเลกุล (Mw) ได้จากสมการที่ (8) วิธีการนี้เรียกว่า Victor Meyer method Kinetic molecular theory สมการต่างๆทีเ่ กี่ยวข้องกับ Ideal gas law จะสามารถใช้ได้กับกาซที่มีคุณสมบัตใกล้เคียงกับกาซ ิในอุดมคติ จึงได้มการสร้างทฤษฎีทใช้อธิบายพฤติกรรมของกาซที่มคุณสมบัติใกล้เคียงกับกาซในอุดมคติ ี ี่ ีเรียกว่า kinetic molecular theory ดังนี้ 1. กาซประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก นั่นคือโมเลกุลของกาซนันเอง ปริมาตรของอนุภาคเหล่านี้ ่ จะถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ คุณสมบัติข้อนี้จะเกิดขึ้นได้เมื่อกาซ มีความดันต่ําและอุณหภูมิสูง ซึ่งที่สภาวะนี้อะตอมหรือโมเลกุลจะอยู่ห่างกันมาก 2. โมเลกุลของกาซจะเป็นอิสระ ไม่ยึดติดกัน ซึ่งจะเกิดขึ้นได้เมื่อกาซมีความดันต่ํา 3. โมเลกุลของกาซจะเคลื่อนที่อย่างไม่เป็นระเบียบ (random motion) ด้วยพลังงานจลน์ของ โมเลกุล โดยพลังงานจลน์จะแปรผันกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของกาซ หรือ E = 3/2 RT 4. โมเลกุลจะต้องมีความยืดหยุดสมบูรณ์ (perfect elasticity) คือ เมื่อโมเลกุลเกิดการชนกัน หรือชนกับผนังของภาชนะบรรจุจะต้องไม่มการสูญเสียความเร็วหรือพลังงานเลย ี จากทฤษฎีดงกล่าวทําให้ได้ Fundamental kinetic equation คือ ั PV = 1/3 nmc2 (9)เมื่อ P คือ ความดันของกาซ, V คือ ปริมาตรของกาซ, n คือ จํานวนโมเลกุลของกาซ, m คือ มวลของกาซ 1โมเลกุล และ c คือความเร็วเฉลียของโมเลกุล (average velocity) ่ จาก Fundamental kinetic equation จะสามารถหาค่า root mean square velocity, (c2)1/2หรือ μ ของกาซอุดมคติได้ จากสมการที่ (9) ทําให้เป็นรากทีสองทัง 2 ข้างของสมการ จะได้ ่ ้ μ= 3PV (10) nm ในกรณีที่มกาซ 1 โมล จะทําให้ PV = RT ตามสมการที่ (5) จะทําให้ n = Avogadro’s number ี(NA) ค่า NA เมื่อคูณกับมวลของกาซ 1 โมเลกุล (m) จะเท่ากับมวลโมเลกุล (Mw) จะได้ μ= 3RT (11) M เนื่องจาก nm/V เท่ากับความหนาแน่น จึงเขียนสมการ (10) ได้เป็น μ= 3P (12) D จากสมการ (12) ทําให้ทราบว่าอัตราการแพร่ของกาซจะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่น (d) ของกาซ van der Waals equation for real gas ในกรณีของกาซจริง (Real gas) ปริมาตรของโมเลกุลไม่ได้น้อยมากจนสามารถตัดออกไปได้ การชนกันระหว่างโมเลกุลก็ไม่ได้เป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ โมเลกุลมีแนวโน้มที่จะจับกลุ่มกัน ปัจจัยต่างๆเหล่านี้มีผลต่อปริมาตรและความดันของกาซจริง เพราะฉะนั้นจาก ideal gas equation สมการที่ (7) จึงนํามาสู่ vander Waals equation ดังนี้ ⎛ ⎜P + a ⎞ ⎟ (V − b ) = RT (13) ⎝ V2 ⎠ 2 a/V คือ ความดันภายในของกาซ เป็นผลมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของกาซ ส่วน b คือincompressibility มีค่าประมาณ 4 เท่าของปริมาตรโมเลกุลกาซ
  8. 8. 8 ในกรณีทพบทั่วไป จะมีกาซ n โมล บรรจุอยูในภาชนะที่มีปริมาตร V เพราะฉะนั้นสมการ (13) ี่ ่เขียนใหม่ได้ดงนี้ ั ⎛ n a⎞ 2 (14) ⎜P + ⎜ ⎟ (V − nb ) = nRT ⎟ ⎝ V2 ⎠ ถ้าปริมาตรของกาซใหญ่มาก โมเลกุลของกาซจะกระจายตัวดี ค่า a/V2 และ b จะน้อยมากเมื่อเทียบกับ P และ V ในกรณีนี้ van der Waals equation ของกาซ 1 โมลจะเหมือนกับ ideal gasequationตารางที่ 2 ค่า van der Waals constant ของกาซบางชนิด กาซ a (L2 atm/mol2) b (L/mol) H2 0.244 0.0266 O2 1.360 0.0318 CH4 2.253 0.0428 H2O 5.464 0.0305 Cl2 6.439 0.0562 CHCl3 15.17 0.1022 กาซในกระแสเลือด (Blood gas) กาซที่อยู่ในกระแสเลือด คือ กาซที่ละลายอยูในพลาสมา (Plasma) ความเข้มข้นของกาซที่อยูใน ่ ่เลือดจะขึ้นอยู่กบความดันของกาซในบรรยากาศ และกระบวนการเมตาบาลิซึมของร่างกาย กาซสําคัญที่อยู่ ัในกระแสเลือดคือออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ปริมาณกาซที่ละลายอธิบายได้ด้วย Henry’s law ofgas solubility คือ ปริมาณกาซแต่ละชนิดที่ละลายในเลือดจะแปรผันตามความดันย่อย (partial pressure)ของกาซชนิดนัน และความดันรวมของกาซทุกชนิดจะเท่ากับผลรวมของความดันย่อยของกาซแต่ละชนิด ้(Ptotal = P1 + P2 + P3 + ….) กาซออกซิเจนในอากาศเข้าสูรางกายผ่านทางปอด กาซที่ละลายในเลือดทําให้เกิดความดัน (PO2) ่่ปริมาณออกซิเจนที่จะไปสู่เนื้อเยื่อต่างของร่างกายจะขึ้นอยู่กบฮีโมโกลบิน และความสามารถของหัวใจใน ัการสูบฉีดเลือด ผู้สงอายุจะมีค่า PO2 และปริมาณกาซที่ละลายในเลือดต่ํากว่าคนวัยหนุ่มสาว ู กาซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีอยูในร่างกาย มาจากกระบวนการออกซิเดชั่นของธาตุคาร์บอนทีมาจาก ่ ่ส่วนประกอบของอาหาร และจะถูกกําจัดออกทางปอดด้วยกระบวนการหายใจ กาซที่ละลายจะรวมกับน้า ํ - +เกิดเป็นกรด carbonic (H2CO3) แล้วแตกตัวเป็น bicarbonate (HCO3 ) และ H กาซที่ละลายในเลือดทําให้เกิดความดัน PCO2 ค่าความดันจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการทํางานของปอดด้วย ถ้าปอดทําหน้าที่แลกเปลี่ยนกาซได้ไม่ดี (hypoventilation) ร่างกายจะกําจัดกาซคาร์บอนไดออกไซด์ออกได้ชา ค่าความดัน ้ +PCO2 จะสูง ผู้ป่วยจะมีภาวะ respiratory acidosis เนื่องจากปริมาณ H ในเลือดสูง แต่ถาปอดทําหน้าที่ ้ +มากเกินไป (hyperventilation) จะเกิดผลตรงกันข้าม คือ PCO2 จะมีค่าต่ํา ปริมาณ H ในเลือดจะต่ํากว่าปรกติ ผู้ป่วยจะมีภาวะ respiratory alkalosis ในร่างกายมนุษย์ กาซออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายอยู่ในเลือดจะทําให้เกิดความดันPO2 และ PCO2 ตามลําดับ ค่า PO2 มีค่าเฉลี่ยประมาณ 80 mmHg ส่วนค่า PCO2 จะมีค่าประมาณ 35-45mmHg ปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในเลือดจะมีความสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนทีมีอยู่ในบรรยากาศ ่ขณะนั้นด้วย
  9. 9. 9ตารางที่ 3 Arterial blood gas ระดับน้ําทะเล ที่ความสูง 1 ไมล์ PO2 > 80 mmHg 70 mmHg O2 saturation of hemoglobin > 95% 93% PCO2 40 mmHg 38 mmHg สถานะของเหลว (Liquid state) ของเหลวจะมีปริมาตรที่แน่นอน รูปทรงขึ้นอยู่กับภาชนะทีบรรจุ มีความหนาแน่นมากกว่ากาซ ่สามารถถูกบีบอัดได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และโมเลกุลมีพลังงานจลน์น้อยกว่ากาซ ของเหลวจะสามารถเกิดการไหลได้ ความสามารถในการไหลจะขึ้นกับแรงเสียดทาน ของเหลวสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งได้และสามารถเดือดแล้วกลายเป็นกาซได้ คุณสมบัติทางกายภาพของของเหลวที่สําคัญและเกี่ยวข้องทางเภสัชกรรมมีดังนี้ 1. ความดันไอของของเหลว 2. การเดือดของของเหลว 3. การควบแน่นของกาซ 4. แรงตึงผิว 5. การไหลและความหนืดของของเหลว ความดันไอของของเหลว (Vapor pressure of liquid) ความดันไอเป็นคุณสมบัตทางกายภาพของของเหลว เมือของเหลวอยู่ในภาชนะที่อุณหภูมคงที่ค่า ิ ่ ิหนึ่ง โมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงพอที่หลุดพ้นจากผิวหน้าของของเหลวกลายเป็นกาซ เรียกว่าการระเหย และขณะเดียวกันก็จะมีโมเลกุลที่เป็นกาซเปลี่ยนกลับมาเป็นของเหลวเรียกว่าการควบแน่น เมื่อถึงสภาวะสมดุลอัตราเร็วการระเหยและการควบแน่นจะเท่ากัน ความดันที่เกิดขึ้นณ จุดนั้นเรียกว่า ความดันไอสมดุล (Equilibrium vapor pressure) ถ้าเพิมอุณหภูมให้กับของเหลวจะทํา ่ ิให้มีโมเลกุลมีพลังงานจลน์สูงมีจํานวนเพิ่มขึ้น โมเลกุลจะเคลื่อนที่หลุดพ้นผิวหน้าของของเหลวกลายเป็นไอได้มากขึ้น ส่งผลให้ความดันไอของของเหลวเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับอุณหภูมิเป็นไปตาม Clausius-Clapeyron equation โดยที่ความดันไปจะแปรผันตรงกับอุณหภูมแบบ exponential แสดงได้ดงสมการ ิ ั VP − ΔH ⎛ 1 ⎞ (15) log2 = V ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ VP1 2.3R ⎝ T2 T1 ⎠เมื่อ P1 และ P2 คือ ความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิ T1 และ T2 ตามลําดับ และ ΔHv คือ heat ofevaporation หรือ พลังงานที่ใช้ทําให้ของเหลว 1 โมล เปลี่ยนสถานะเป็นกาซ จากสมการทําให้สามารถคํานวณความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิต่างๆได้
  10. 10. 10รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับอุณหภูมิ การเดือดของของเหลว เมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้กับของเหลว ความดันไอของของเหลวจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆตามอุณหภูมที่เพิ่มขึ้น ิจนเมื่อความดันไอของเหลวเท่ากับความดันบรรยากาศ ไอของสารจะรวมตัวกันเป็นฟองอากาศเคลื่อนที่ออกจากของเหลวอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิที่ความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันบรรยากาศ เรียกว่า จุดเดือด(boiling point) จากจุดนี้แม้จะให้ความร้อนต่อไปอีกก็ไม่ทําให้อุณหภูมิเพิ่มขึน เนื่องจากพลังงานความร้อน ้ที่ให้ไปจะไปทําให้ของเหลวเปลียนเป็นกาซจนหมด หลังจากนั้นอุณหภูมิจึงจะเพิ่มขึ้น ความดันบรรยากาศที่ ่ระดับน้ําทะเลมีคาประมาณ 760 mmHg น้ําจะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C ถ้าความดันบรรยากาศลดลงจะทํา ่ให้จดเดือดลดลง เช่น ที่ความดันบรรยากาศ 700 mmHg น้ําจะเดือดที่อณหภูมิ 97.7°C ความสัมพันธ์ ุ ุระหว่างจุดเดือดและความดันบรรยากาศอธิบายได้ด้วย Clausius-Clapeyron equation พลังงานความร้อนที่ของเหลวจํานวนหนึ่งต้องใช้เพื่อให้เกิดการระเหยเป็นไอจนหมด เรียกว่า Heatof vaporization, ΔHv มีความสัมพันธ์กับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและน้ําหนักโมเลกุล คือ สารที่มีน้ําหนักโมเลกุลสูง หรือมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากจะมีค่า ΔHv และจุดเดือดสูง และจะมีความดันไอต่ํา ความร้อนทีทําให้ของเหลวเดือด คือ พลังงานที่จะไปทําลายแรงยึดเหนียวระหว่างโมเลกุลของ ่ ่ของเหลว เพราะฉะนั้นจุดเดือดของของเหลวจะเป็นตัวบอกถึงความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลได้เช่นเดียวกับค่า ΔHv และความดันไอ จุดเดือดของสาร n-hydrocarbon, simple alcohol และcarboxylic acid จะเพิ่มขึ้นเมือน้ําหนักโมเลกุลสูงขึ้น เนื่องจากแรง van de Waals จะเพิ่มขึ้นเมื่อจํานวน ่อะตอมในเพิ่มขึน โดยทั่วไปจุดเดือดจะสูงขึ้นประมาณ 18°C เมื่อหมู่ methylene (-CH2-) เพิ่มขึ้นหนึงหมู่ ้ ่ถ้าโมเลกุลมีลักษณะเป็นสายยาวหรือมีสาขา (branch chain) จะทําให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลลดลง เป็นผลให้จดเดือดลดลง สารจําพวก alcohol จะมีจุดเดือดสูงกว่า hydrocarbon ชนิดอื่นที่มน้ําหนักโมเลกุล ุ ีใกล้เคียงกัน เนื่องจาก alcohol สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล กรณีของโมเลกุลที่ไม่มีขว ั้มักจะยึดเหนี่ยวกันด้วยแรง London force จึงทําให้มีจุดเดือดต่ํา ความสัมพันธ์ระหว่างจุดเดือดกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล แสดงในตารางที่ 4
  11. 11. 11ตารางที่ 4 จุดเดือดและ Heat of vaporization, ΔHv ของสารบางชนิด สาร Boiling point (°C) ΔHv (cal/g) Helium -268.9 6 Nitrogen -195.8 47 Propane -42.2 102 Methylene chloride -24.2 102 Isobutane -10.2 88 Butane -0.4 92 Ethyl ether 34.6 90 Carbon disulfide 46.3 85 Ethyl alcohol 78.3 204 Water 100.0 593 การควบแน่นของกาซ (Liquefaction of gases) เมื่อลดอุณหภูมของกาซลง พลังงานจลน์ของโมเลกุลจะสูญเสียไปในรูปความร้อน โมเลกุลของกาซ ิจะเคลื่อนที่ช้าลง ถ้าเพิ่มความดันจะทําให้โมเลกุลของกาซอยู่ใกล้กันมากขึ้น โมเลกุลจะดึงดูดกันด้วยแรงvan der Waals เกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนสถานะจากกาซเป็นของเหลว นอกจากจะขึ้นกับอุณหภูมแล้ว ยังขึ้นอยู่กบความดันอีกด้วย ิ ั เมื่อสารมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด สารจะอยู่ในสถานะกาซ ถ้าเพิ่มความดันให้กับกาซจะทําให้กาซเกิดการควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครังโดยที่ไม่จําเป็นต้องลดอุณหภูมิลงให้ต่ํากว่าจุดเดือด แต่ถ้าเพิม ้ ่อุณหภูมิของกาซให้สูงกว่าค่าหนึ่ง จะไม่สามารถเปลี่ยนกาซให้กลับเป็นของเหลวได้แม้จะเพิ่มความดันมากขึ้นเท่าใดก็ตาม ทั้งนี้เนื่องจากที่อุณหภูมิสูงกว่าค่านั้นพลังงานจลน์ของโมเลกุลจะสูงมาก โมเลกุลจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จนไม่สามารถใช้ความดันบีบอัดให้เป็นโมเลกุลอยู่ใกล้กันจนเป็นของเหลวได้ อุณหภูมิค่านี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต (Critical temperature) ส่วนความดันที่ทําให้กาซเปลี่ยนเป็นของเหลวที่อุณหภูมิวิกฤตเรียกว่า ความดันวิกฤต (Critical pressure) ถ้าลดอุณหภูมิของกาซให้ต่ํากว่าอุณหภูมิวิกฤติ จะใช้ความดันต่ํากว่าความดันวิกฤตก็สามารถเปลี่ยนกาซให้เป็นของเหลวได้ อุณหภูมิวิกฤตของน้ํา คือ 374°Cส่วนความดันวิกฤต คือ 218 atm ขณะทีกาซฮีเลียมจะมีค่าอยู่ที่ -268°C และ 2.26 atm อุณหภูมิวิกฤตจะ ่บอกถึงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของสารได้ น้ํามีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงเนืองจากโมเลกุลของน้ําดึงดูดกัน ่ด้วยด้วยแรง dipole force อย่างแข็งแรง และมีพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลอีกด้วย เพราะฉะนั้นจะต้องใช้พลังงานความร้อนสูงจึงจะทําให้น้ําเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นกาซได้ ในทางกลับกันโมเลกุลของกาซฮีเลียมดึงดูดกันด้วยแรง London force ทําให้โมเลกุลเคลื่อนทีได้ดี โมเลกุลมีพลังงานจลน์สูง ่เพราะฉะนั้นถ้าต้องการให้กาซฮีเลียมเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวจะต้องลดอุณหภูมลงให้ตามากๆ เพื่อลด ิ ่ํพลังงานจลน์ของโมเลกุลลง จึงจะทําให้โมเลกุลมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันมากพอที่จะควบแน่นเป็นของเหลวได้ แต่ถ้าอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวกฤต ฮีเลียมจะเป็นกาซแม้ว่าจะเพิ่มความดันให้เท่าใดก็ตาม ิ
  12. 12. 12 - OA : Vapor pressure curve - OC : Sublimation curve - OB : Melting curve - O : Triple point : 0.0098°C และ 4.58 mmHg (0.006 atm) - A : Critical point : 374°C และ 165680 mmHg (218 atm)รูปที่ 5 แผนภูมิวตภาคแสดงอุณหภูมิและความดันวิกฤตของน้ํา ัตารางที่ 5 อุณหภูมและความดันวิกฤตของสารบางชนิด ิ สาร อุณหภูมิวิกฤต (K) ความดันวิกฤต (atm) Carbon dioxide 304.1 72.8 Water 647.3 218.3 Methane 190.4 45.4 Ethane 305.3 48.1 Propane 369.8 41.9 Ethylene 282.4 49.7 Propylene 364.9 45.4 Methanol 512.6 79.8 Ethanol 513.5 60.6 แอโรซอล (Areosol) จากที่ได้กล่าวมาแล้วว่ากาซสามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวได้ โดยการเพิ่มความดันให้กับกาซที่อุณหภูมิต่ํากว่าอุณหภูมิวิกฤต และเมื่อลดความดันลงหรือเพิ่มอุณหภูมิขึ้นจะทําให้ของเหลวเปลี่ยนกลับเป็นกาซอีกครั้ง กระบวนการเปลี่ยนสถานะนี้เป็นหลักการพื้นฐานของยาเตรียมแบบแอโรซอล โดยตัวยาจะละลายหรือแขวนตะกอนในสารผลักดัน สารประเภทนีเ้ ป็นกาซที่สามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวได้เมื่ออยู่ภายใต้ความดันสูง และจะเปลี่ยนเป็นกาซที่ความดันบรรยากาศปรกติ เช่น Chlorofluorocarbon (CFC),Hydrofluorocarbon (HFC), nitrogen, carbon dioxide เป็นต้น การบรรจุสารขับดันและตัวยาลงในกระป๋อง ทําได้โดยการลดอุณหภูมิส่วนผสมของตัวยากับสารขับดันจนเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวแล้วบรรจุลงในกระป๋องแล้วปิดให้สนิท หรือบรรจุเฉพาะตัวยาที่อุณหภูมิห้องแล้วปิดกระป๋องให้สนิท แล้วจึงอัดสารขับดันทีถูกเปลี่ยนให้เป็นของเหลวแล้วเข้าไปทางรูของ ่วาล์ว ในกระป๋องแอโรซอลสารขับดันที่อยูในกระป๋องจะมีทั้งส่วนที่เป็นของเหลวและกาซ ส่วนที่เป็น ่
  13. 13. 13ของเหลวจะทําหน้าที่เป็นน้ํากระสายยา ส่วนที่เป็นกาซจะทําให้เกิดความดันในกระป๋อง เมื่อกดหัวพ่นยาให้วาล์วเปิดออก สารขับดันและตัวยาที่ผสมกันอยู่จะถูกพ่นออกมาด้วยแรงดัน เมื่อสัมผัสกับบรรยากาศภายนอกสารขับดันจะเปลี่ยนสถานะเป็นกาซแล้วระเหยออกไป ส่วนตัวยาจะเป็นละอองฝอยพุ่งออกไปยังเป้าหมาย ในปัจจุบันยาทีอยู่ในรูปแบบแอโรซอลมีมากขึน เนื่องจากมีขอดีหลายประการ เช่น ในกรณีของยา ่ ้ ้ฆ่าเชื้อ ถ้าเป็นยาเตรียมในรูปแบบแอโรซอล เมื่อทําการพ่นยาลงบนแผลที่ผิวหนังจะไม่ทาให้ผู้ป่วยรู้สึกเจ็บ ํเหมือนการใช้ยาทา หรือกาซ ethyl chloride เมื่อพ่นลงบนผิวหนังจะทําให้รู้สึกเย็นและชา จึงใช้เป็นยาชาบรรเทาอาการเจ็บปวด นอกจากนี้ยาในรูปแบบแอโรซอลยังช่วยให้นําส่งยาเข้าไปยังช่องทางต่างๆของร่างกายได้ง่ายขึน เช่น ปาก คอ จมูก หู ้ แรงตึงผิว (Surface tension) เมื่อพิจารณาพืนผิวของของเหลวเป็น 2 ด้าน คือ ด้านที่ติดอยู่กับของเหลวเอง และด้านที่ตดกับสาร ้ ิชนิดอื่น เช่น อากาศ โมเลกุลของของเหลวที่ถัดจากโมเลกุลที่ผิวหน้าจะยึดกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจากโมเลกุลอื่นๆรอบทิศทาง (Cohesion force) ขณะที่โมเลกุลบริเวณพื้นผิวจะมีแรงยึดเหนี่ยวจากโมเลกุลที่อยู่ด้านล่างและด้านข้างเท่านั้น โดยด้านบนทีเ่ ป็นอากาศจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับอากาศ (Adhesion force) ซึ่งมีความแข็งแรงน้อยกว่า ทําให้โมเลกุลที่ผิวหน้ามีแนวโน้มที่จะถูกดึงลงด้านล่าง ระบบจึงจําเป็นต้องปรับตัวเพื่อให้คงตัวอยู่ได้ โดยการมีแรงต้านการดึงดูดของโมเลกุล ทําให้โมเลกุลที่ผิวหน้าของเหลวยังคงอยู่ที่ผิวหน้าได้ แรงดังกล่าวคือแรงตึงผิว (surface tension) ซึ่งสามารถวัดได้โดยการใช้เครื่องมือรูปที่ 6 การเกิดแรงตึงผิว สถานะของแข็งและผลึก (Solid and crystalline state) ของแข็งมีคุณสมบัติที่เด่นชัด คือ มีรูปร่างที่แน่นอน เนื่องจากแรงยึดเหนียวระหว่างโมเลกุลสูงมาก ่โมเลกุลมีพลังงานจลน์ตํา ของแข็งมีคุณสมบัตทางกายภาพทีสําคัญหลายประการ เช่น รูปร่าง ขนาดอนุภาค ่ ิ ่จุดหลอมเหลว พื้นที่ผิว ความแข็ง ความยืดหยุ่น การอัดตัว ความพรุน เป็นต้น ของแข็งแบ่งออกได้เป็น 3ชนิด คือ 1. Crystalline solid 2. Amorphous solid 3. Polymeric solid ของแข็งผลึก (Crystalline solid)
  14. 14. 14 ของแข็งที่เป็นผลึก เช่น น้ําแข็ง, NaCl, Menthol โมเลกุล อะตอม หรือไอออนของสารเหล่านี้จะจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างที่แน่นอน เรียกว่า Lattice มีโครงสร้างทังหมด 7 แบบ คือ ้ 1. Cubic ทั้ง 3 แกนยาวเท่ากัน และทํามุม 90° ต่อกัน เช่น Sodium chloride 2. Tetragonal มี 2 แกนทียาวเท่ากัน ทุกแกนแกนทํามุม 90° เช่น Urea ่ 3. Monoclinic ไม่มีแกนใดเลยทียาวเท่ากัน มี 2 แกนที่ทํามุม 90° ต่อกัน เช่น Sucrose ่ 4. Triclinic ไม่มีแกนใดเลยที่มีความยาวเท่ากัน และไม่มีแกนใดเลยทีทํามุม 90° ต่อกัน เช่น ่ Boric acid 5. Hexagonal มี 3 แกนทีทํามุม 60° ต่อกัน และมีอีก 1 แกนที่ทํามุม 90° กับ 3 แกนแรก ่ เช่น Iodoform 6. Rhombohedral ทั้ง 3 แกนยาวเท่ากัน มุมทั้ง 3 เท่ากันแต่ไม่เท่ากับ 90°
  15. 15. 15 7. Orthorhombic แกน a, b และ c ทํามุม 90° ต่อกัน แต่ไม่มแกนใดเลยที่ยาวเท่ากัน ี ผลึกของแข็งอาจจะอยู่ในรูปอะตอม โมเลกุล หรือไอออนก็ได้ ตัวอย่างเช่นผลึกของ NaCl (รูปที่ 6)จะมีโครงสร้างเป็นแบบ cubic ที่ประกอบด้วยอะตอมของ sodium เรียงสลับกับอะตอมของ chloride โดยมีแรงยึดเหนี่ยวเป็นแรงทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างประจุตรงข้ามกันรูปที่ 6 โครงสร้างผลึกของ Sodium chloride (NaCl) ผลึกของแข็งได้มาจากกระบวนการตกผลึกของสารละลายอิ่มตัว เมื่อมีการควบคุมปัจจัยบางอย่างระหว่างการตกผลึก เช่น ชนิดของตัวทําละลาย ชนิดของเกลือ อุณหภูมิ ความดัน ก็จะทําให้ได้ผลึกต่างชนิดกันไป ผลึกของแข็งที่บริสทธิ์จะมีจุดหลอมเหลวที่จําเพาะสําหรับสารชนิดนัน และมีช่วงของอุณหภูมิที่สาร ุ ้หลอมเหลวที่แคบเพียง 1-2°C เท่านั้นตารางที่ 6 พันธะชนิดต่างๆในโครงสร้างของของแข็งผลึก Unit Example Bonding Physical characteristic Atom Diamond, Strong covalent Hard large crystal graphite bond Metallic Silver Strong metal bond Positive ion in a field of free moving electron Molecular Menthol Van der Waals force Close packing, weakly held together, low melting point Ionic NaCl Electrostatic ionic Hard, close packing, strongly bond held together, high melting point Polymorphism สารเคมีหลายชนิดรวมทั้งตัวยาและสารที่ใช้ในทางเภสัชกรรมมีผลึกมากกว่า 1 รูปแบบ เรียกปรากฏการณ์นว่า Polymorphism ผลึกแต่ละรูปแบบเรียกว่า Polymorph แต่ละรูปแบบจะมีคุณสมบัติ ้ีทางเคมีที่เหมือนกัน แต่มีคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างที่แตกต่างกัน เช่น จุดหลอมเหลว ค่าการละลาย
  16. 16. 16คุณสมบัติเหล่านี้มีความสําคัญอย่างมากต่อการเตรียมยาและการละลายของยาในร่างกาย ในสภาวะหนึ่งpolymorph ชนิดหนึ่งสามารถเปลี่ยนเป็น polymorph ชนิดอื่นได้และสามารถเปลี่ยนกลับได้ คุณสมบัตินี้เรียกว่า enantropic เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน หรือการตกผลึกในตัวทําละลายต่างชนิด แต่ถ้าเป็นกรณีที่เปลี่ยน polymorph แล้วไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้จะเรียกว่า monotropic ตัวอย่างของสาร polymorphic เช่น คาร์บอนที่อยูในรูปผลึกเพชรและกราไฟท์ ถ้าให้อุณหภูมิและ ่ความดันสูงให้กบคาร์บอน จะทําให้คาร์บอนมีรปผลึกเป็นเพชร ซึ่งเป็นรูปผลึกทีมีความคงตัวต่ํา เมื่อเก็บ ั ู ่เพชรไว้ท่อุณหภูมิและความดันต่ําเป็นเวลานาน เพชรจะเปลียนไปอยู่ในรูปผลึกกราไฟท์ ี ่ Theobroma oil หรือ cocoa butter ที่ใช้เป็นยาพื้นของยาเหน็บทวารหนัก เป็นไขมันที่มหลาย ีรูปผลึก แต่ละรูปผลึกจะมีจดหลอมเหลวที่แตกต่างกันได้แก่ ุ - unstable gamma form มีจดหลอมเหลว 18°C ุ - alpha form มีจุดหลอมเหลว 22°C - beta prime form มีจุดหลอมเหลว 28°C - stable beta form มีจุดหลอมเหลว 34.5°C ในการเตรียมยาเหน็บจะต้องมีการหลอม theobroma oil จนเหลว แล้วผสมกับตัวยาและสารอื่นๆก่อนทีจะเทลงในแม่พิมพ์ยาเหน็บ ในระหว่างการหลอมถ้าใช้อุณหภูมิสูงกว่า 35°C เมื่อ theobroma oil ่แข็งตัวแม่พิมพ์จะเปลี่ยนรูปผลึกจาก stable beta ไปเป็น unstable gamma, alpha และ beta primeทําให้ได้ยาเหน็บที่มีจุดหลอมเหลวประมาณ 23-24°C ยาเหน็บที่ได้จะอ่อนนุ่มที่อุณหภูมห้อง ทําให้สอดยา ิได้ลาบาก เพราะฉะนั้นในการผลิตยาเหน็บจึงต้องหลอม theobroma oil ที่อุณหภูมิต่ํา ไม่เกิน 33°C ํเพื่อให้ theobroma oil ยังเป็นแบบ stable beta ซึ่งจะทําให้ได้ยาเหน็บที่มีคุณสมบัตที่ดี หลอมเหลวที่ ิอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิของร่างกายตารางที่ 7 ลักษณะบางประการของ Cortisone acetate polymorph Form Melting Appearance Crystal Density Hydration point, (°C) (g/cm3) I 241-245 Opaque needle Monoclinic 1.25 Anhydrous II 235-238 Flat plate Orthorhombic 1.21 Anhydrous III 233-251 Prism Orthorhombic 1.25 Anhydrous IV 237-245 Column Orthorhombic 1.26 2H2O V 238-242 Transparent Monoclinic 1.25 2H2O needleตารางที่ 8 ตัวอย่างของยาที่มหลายรูปผลึก ี Drug Number of polymorphic form Acetaminophen 4 Caffeine 2 Chloramphenicol palmitate 4 Cimetidine 3 Nefedipine 2 Phenobarbital sodium 2 Progesterone 2
  17. 17. 17 Theophyline 2 Polymorphism and bioavailability สารแต่ละรูปผลึกจะมีค่าการละลายที่แตกต่างกัน ตัวยาบางตัวมีหลายรูปผลึก รูปผลึกแต่ละชนิดจะมีอัตราเร็วในการละลายและปริมาณยาที่ละลายที่แตกต่างกัน ซึ่งจะส่งผลถึงปริมาณยาที่ถกดูดซึมเข้าสู่ ูร่างกายด้วย (bioavailability) ฉะนั้นยาตัวเดียวกันแต่ต่างรูปผลึกก็อาจจะให้ผลในการรักษาที่แตกต่างกันเช่น ในตํารับยาน้ําแขวนตะกอน Chloramphenical palmitate ตัวยาทีเ่ ป็นแบบ stable α-polymorphจะทําให้ได้ระดับยาในเลือดที่ตากว่า metastable β- polymorph เมื่อรับประทานยาในปริมาณทีเ่ ท่ากัน ่ํ(รูปที่ 7)รูปที่ 7 ระดับยาในเลือดหลังจากรับประทานยาน้ําแขวนตะกอน Chloramphenical palmitate ที่ใช้อัตราส่วนของ α และ β-polymorph ต่างๆกัน ; M = 100% α; N = α 75% + β 25%; O α 50% + β50%; P α 25% + β 75%; L = β 100% ของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid) เป็นของแข็งที่ไม่ได้มีลักษณะเป็นผลึก อะตอมหรือโมเลกุลอยู่รวมกันอย่างไม่เป็นระเบียบ ไม่มีรูปร่างที่แน่นอน การจัดเรียงตัวของโมเลกุลสามารถเปลี่ยนแปลงได้ภายใต้ความดันสูง เป็นลักษณะคล้ายกับของเหลว บางครั้งจึงเรียกว่า Supercooled liquid ของแข็งอสัณฐานจะมีจุดหลอมเหลวไม่แน่นอน และมีช่วงของจุดหลอมเหลวกว้าง และจากการที่โมเลกุลมีการจัดเรียงตัวไม่แน่นอน จึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลต่ํา ทําให้ของแข็งอสัณฐานละลายในน้ําได้ดีกว่าของแข็งทีเ่ ป็นผลึก แต่อย่างไรก็ตามเมื่อของแข็งละลายในตัวทําละลายแล้ว สารละลายที่ได้จะมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการไม่ว่าสารละลายนั้นจะได้จากของแข็งผลึกหรือของแข็งอสัณฐานก็ตาม ในกรณีของยารักษาโรค ไม่ว่าจะเป็นของแข็งผลึกหรือของแข็งอสัณฐานก็มีประสิทธิภาพในการรักษาเท่าเทียมกัน แต่การทีของแข็งอสัณฐานสามารถละลายน้ําได้ดีกว่า ตัวยาจึงมีโอกาสที่จะละลายแล้วถูก ่ดูดซึมจากทางเดินอาหารได้เร็วกว่าและ/หรือมากกว่า เช่น Novobiocin acid ซึ่งเป็นยาปฏิชีวนะ ถ้านําผงยาชนิดของแข็งผลึกมาเตรียมเป็นตํารับ ยาจะเกิดการละลายและดูดซึมได้น้อยมาก แต่ถ้าใช้ผงยาที่เป็นของแข็งอสัณฐานตัวยาจะเกิดการละลายและดูดซึมได้อย่างรวดเร็ว ในการผลิตยาบางตํารับจะมีการใช้ผงยาชนิดของแข็งผลึกและของแข็งอสัณฐานร่วมกัน เพือให้ได้ ่ตํารับที่มคุณสมบัติตามที่ตองการ เช่น ตํารับ Insulin zinc suspension จะมีการใช้ผงยาชนิดของแข็งผลึก ี ้70% และของแข็งอสัณฐาน 30% จะทําให้ได้ตารับที่ออกฤทธิ์ได้เร็วและนานถึง 24 ชั่วโมง ํ
  18. 18. 18 Solvate and Hydrate ของแข็งที่เป็นผลึกจะสามารถจับโมเลกุลของตัวทําละลายไว้ในโครงสร้างผลึก เรียกว่า solvateเช่น ถ้าจับโมเลกุลของ ethanol จะเรียกว่า ethanolate ตัวทําละลายที่ถกจับอยู่ในสารมักเหลือตกค้างมา ูจากกระบวนการสังเคราะห์สาร ในทางเภสัชกรรมจะถือว่าเป็นสิ่งที่ไม่บริสทธิที่เจือปน เพราะตัวทําละลาย ุ ์บางชนิดมีความเป็นพิษต่อร่างกาย ถ้าเป็นการจับโมเลกุลของน้ําในโครงสร้างจะเรียกว่า hydrate จํานวนโมเลกุลของน้ําที่ถกจับไว้มกจะมีสัดส่วนที่แน่นอน เช่น monohydrate หมายถึงมีน้ําถูกจับไว้ 1 โมเลกุลใน ู ั1 โมเลกุลของสาร สารบางชนิดสามารถจับโมเลกุลของน้าไว้ได้หลายระดับ เกิดเป็น monohydrate, ํdihydrate หรือ trihydrate ผลึกของแข็งที่เป็น solvate แบบได้ 2 ประเภท 1. Polymeric solvate มีความคงตัวสูง ไม่สามารถกําจัดโมเลกุลของตัวทําละลายออกจากโครงสร้างผลึกได้ง่าย เพราะโมเลกุลของตัวทําลายได้ทําหน้าทีในการยึดโครงสร้างของโมเลกุลให้เกิดเป็นผลึก ่ถ้ากําจัดตัวทําละลายออกจะทําให้โครงสร้างผลึกเปลี่ยนแปลง 2. Pseudopolymeric solvate สามารถกําจัดโมเลกุลของตัวทําละลายออกได้ง่าย โดยไม่ทําให้โครงสร้างผลึกเปลี่ยนแปลง สารที่เป็นแบบ hydrate จะมีคุณสมบัติบางประการที่แตกต่างจาก anhydrous สารที่เป็นhydrate อาจจะมีอัตราการละลายที่สูงกว่าหรือต่ํากว่า anhydrous ก็ได้ ตัวอย่างของยาที่ anhydrous มีอัตราเร็วการละลายสูงกว่า hydrate เช่น Theophylline (รูปที่ 8) โมเลกุลของน้าจะไปสร้างพันธะ ํไฮโดรเจนระหว่างยา 2 โมเลกุล ทําให้โครงสร้างผลึกมีความแข็งแรงมากยิ่งขึน อัตราการละลายจึงต่ําลง จะ ้เห็นว่าความเข้มข้นของ anhydrous จะสูงในช่วงแรก และหลังจากนั้นจะค่อยๆลดลงจนอยู่ในระดับเดียวกับhydrate แม้ว่ายาที่เป็น anhydrous มักจะละลายได้เร็วกว่า hydrate แต่บางกรณีน้ําทีถกจับไว้ใน ู่โครงสร้างผลึกจะผลักให้โมเลกุลอยู่ห่างกันจนไม่สามารถเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลทีแข็งแรง ทําให้ ่โมเลกุลของน้ําที่เป็นตัวทําละลายสามารถผ่านเข้าไปละลายยาได้ดีขึ้น เช่น ยา Erythromycin (รูปที่ 9)รูปที่ 8 การละลายของ Theophylline ที่อยูในรูปแบบ anhydrous และ hydrate ่
  19. 19. 19รูปที่ 9 การละลายของ Erythromycin ที่อยู่ในรูปแบบ anhydrous, monohydrate และ dehydrate การหลอมเหลวของของแข็ง เมื่อให้พลังงานความร้อนกับสารที่เป็นของแข็ง พลังงานความร้อนที่ให้ไปจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลของของแข็ง โมเลกุลจะเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึงค่าหนึ่ง โมเลกุลจะเคลื่อนที่ได้มากจนกระทั่งสารเริ่มเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว อุณหภูมิ ณ จุดนี้เรียกว่า จุดหลอมเหลว (หรือจุดเยือกแข็ง) และพลังงานความร้อนที่ทําให้ของแข็งเปลี่ยนเป็นของเหลว เรียกว่า Heatof fusion, ΔHf จุดหลอมเหลวและค่า ΔHf ของสารบางตัวแสดงในตารางที่ 9 ค่า ΔHf มีความสัมพันธ์กับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและน้ําหนักโมเลกุลในลักษณะเดียวกับค่าΔHv คือ สารทีมีน้ําหนักโมเลกุลสูงหรือมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากจะมีค่า ΔHf และจุดหลอมเหลว ่สูงตารางที่ 9 จุดหลอมเหลวและค่า Heat of fusion, ΔHf ของสารบางชนิด สาร จุดหลอมเหลว (K) Heat of fusion, ΔHf (cal/mol) H2O 273.1 1440 H2S 187.6 568 NH3 195.3 1424 PH3 139.4 268 CH4 90.5 226 C2H6 90.0 683 n-C3H8 85.5 842 C6H6 278.5 2348 C10H8 353.2 4550 คุณสมบัติบางประการของสารทําให้จุดหลอมเหลวของสารแตกต่างกันไป เช่น สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็น branch chain จะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าพวกที่เป็นเส้นตรง หรือพวกทีมี ่พันธะอิ่มตัวจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าพวกที่มพันธะไม่อิ่มตัว สารที่มีจุดหลอมเหลวสูงมักจะละลายน้ําได้ไม่ดี ีเนื่องจากการทีมีจุดหลอมเหลวสูงแสดงว่าของแข็งนั้นมีพันธะของโครงสร้างผลึกที่แข็งแรง ่

×