เรื่องที่ 8 ธาตุและสารประกอบในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

ธาตุอะลูมิเนียม

        อะลูมิเนียมพบมาในเปลือกโลกประมาณ  7.5% โดยมวล รูปของสารประกอบ เช่น บอกไซต์ ไครโอไลต์โลหะอะลูมิเนียมเตรียมได้จากการหลอมเหลวแร่บอกไซต์แล้วแยกด้วยกระแสไฟฟ้าจะได้โลหะอะลูมิเนียมที่แคโทด โลหะอะลูมิเนียมมีสีเงิน มีความหนาแน่นต่ำ เหนียวและแข็ง ดัดโค้งงอได้ ทุบให้เป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้นได้ นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีมาก
      อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีประโยชน์มากในทางอุตสาหกรรม ใช้ทำอุปกรณ์ไฟฟ้า เครื่องครัว ของใช้ในบ้านห่ออาหาร และห่อของใช้ ทำโลหะเจือหลายชนิดที่นำไปเป็นส่วนประกอบของเครื่องบิน เรือ รถไฟ และรถยนต์

ธาตุแคลเซียม
                     พบในเปลือกโลกประมาณ 5.4% โดยมวล พบในรูปของสารประกอบที่มี เป็นองค์ประกอบ เช่น หินงอก  หินย้อย เปลือกหอย  ดินมาร์ล  และพบในสารประกอบซัลเฟต  เช่น  ยิปซัม  แคลเซียมเตรียมได้โดยการแยกสารประกอบคลอไรด์ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้าแคลเซียมเป็นโลหะที่มีความแข็ง มีจุดหลอมเหลว จุดเดือดและความหนาแน่นสูงกว่าโลหะแอลคาโลน์ สารประกอบของแคลเซียมที่น่าสนใจ ได้แก่ ออกไซด์ของแคลเซียม คือ CaO (ปูนดิบ) เมื่อผสมกับน้ำจะได้ (ปูนสุก)สารละลาย เรียกว่า น้ำปูนใส
                  ประโยชน์ของสารประกอบแคลเซียมในรูปจากหินปูน ใช้ทำปูนขาว ชอล์ก ดินสอพอง ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอชสำหรับ  หรือ ยิปซัม ใช้ผลิตแผ่นยิปซัมบอร์ด เป็นวัสดุก่อสร้าง ใช้ทำเครื่องปั้นดินเผาชนิดโบนไชนา (Bone china) ซึ่งมีคุณภาพดีราคาแพง นอกจากนี้แคลเซียมยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน ถ้าร่างกายขาดธาตุแคลเซียมจะทำให้เป็นโรคกระดูกเสื่อม กระดูกผุ และฟันไม่แข็งแรง

หินงอก หินย้อย

แร่ยิปซัม

ธาตุทองแดง
      พบในเปลือกโลกประมาณ 0.0007% โดยมวลพบในแร่ธาตุหลายชนิด ได้แก่ คาลโคไพไรต์ คิวไพรต์มาลาไคต์   คาลโคไซต์อาจพบในรูปธาตุอิสระเป็นเม็ดปนอยู่ในหินและทราย การถลุงโลหะทองแดงทำได้โดยนำแร่ซัลไฟด์ของทองแดงมาเผาในอากาศ จะได้โลหะทองแดง และทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกด้วยไฟฟ้า ทองแดงเป็นโลหะที่มีสีแดงมีความหนาแน่น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีรองจากเงิน เมื่อทิ้งไว้ในอากาศชื้นนานๆ จะเกิดสารประกอบคาร์บอเนตสีเขียวคลุมผิวทองแดงไว้ซึ่งเป็นการป้องกันการผุกร่อนของทองแดงได้อีกชั้นหนึ่ง
       ประโยชน์ของทองแดง ใช้ทำสายไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้า โลหะผสมระหว่างทองแดงกับสังกะสี ซึ่งเรียกว่าทองเหลือง ใช้ทำกลอนประตู กุญแจ ใบพัดเรือ ปลอกกระสุนปืน กระดุม โลหะผสมของทองแดงกับดีบุก ซึ่งเรียกว่าทองบรอนซ์ ใช้ทำลานนาฬิกา ระฆัง ปืนใหญ่
     สารประกอบเชิงซ้อนของทองแดงเป็นองค์ประกอบในเลือดปู ปลาหมึก หอยโข่ง แมงป่อง และทำให้เลือดเป็นสีน้ำเงิน ร่างกายของคนต้องการทองแดงเพื่อใช้ในกระบวนการทางชีวเคมี ถ้าขาดจะทำให้เกิดความบกพร่องในการสังเคราะห์ไขมันบางชนิด และทำให้เกิดโรคโลหิตจาง

ธาตุโครเมียม
                   พบในเปลือกโลกประมาณ 0.02% โดยมวล พบในรูปของแร่โครไมต์  การถลุงแร่โครเมียมทำได้โดยการเผาแร่โครไมต์กับโพแทสเซียมคาร์บอเนตในอากาศ จะเกิดโพแทสเซีมโครเมต แล้วนำไปเผารวมกับคาร์บอนและอะลูมิเนียมจะได้โครเมียมซึ่งเป็นโลหะสีขาวเงิน มีความมันวาว และแข็งมาก ต้านทานการผุกร่อนและคงความเป็นมันเงาได้นานในอากาศ
สารประกอบของโครเมียมที่อยู่ในรูปโครเมียมออไซด์ชนิดต่างๆ เช่น โครเมียม (III) ออกไซด์  CrO โครเมียม (II) ออกไซด์ (CrO) โครเมียมเกิดสารประกอบเชิงซ้อนได้หลายชนิดและมีสีต่างๆ กัน เช่น    มีสีส้ม    สีเหลือง  สีม่วงแดง
                  ประโยชน์ของโครเมียมใช้เคลือบผิวเหล็กหรือโลหะอื่นๆ โดยการชุบด้วยไฟฟ้า เพื่อป้องกันการผุกร่อนและมีผิวเป็นเงางาม เป็นส่วนผสมในเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมีสมบัติทนต่อการผุกร่อนและทนสารเคมีชนิดต่างๆ ได้ดี เป็นส่วนประกอบในเหล็กกล้าผสมที่ใช้ทำตู้นิรภัย เครื่องยนต์เกราะกันกระสุน เป็นโลหะเจือโคบอลต์ใช้ทำกระดูกเทียมเพราะมีความแข็งแรงและมีปฏิกิริยาต่อร่างกายน้อย

โครเมียมใช้เคลือบผิวรถยนต์เพื่อ           แร่โครไมต์  ป้องกันการผุกร่อนและมีสีผิวเป็นเงางาม

ธาตุเหล็ก
                  พบในเปลือกโลกประมาณ 4.7% โดยมวลและพบในรูปของแร่ชนิดต่างๆ ได้แก่ แร่ฮีมาไทต์  แร่แมกนีไทต์และแร่ไพไรต์การถลุงเหล็กใช้การรีดิวซ์ออกไซด์ของเหล็ก ด้วยถ่านโค้ง (C ) เหล็กเป็นโลหะสีเทา มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง ถูกดูดด้วยแม่เหล็กได้และคงอำนาจแม่เหล็กได้อย่างถาวร สารประกอบออกไซด์ของเหล็กมีหลายชนิด เช่น  FeO     เหล็กสามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อนและไอออนเชิงซ้อนได้หลายชนิดและมีสีต่างๆ เช่น มีสีเหลือง มีสีเหลืองอมส้ม  มีสีม่วงอ่อน
                 ประโยชน์ของเหล็ก เหล็กกล้าเป็นโลหะเจือของเหล็กกับคาร์บอนในปริมาณต่างๆ กัน บางชนิดอาจเติมโลหะอื่นเพิ่มลงไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพเรียกว่า เหล็กกล้าเจือโลหะใช้ในงานก่อสร้าง ผลิตเครื่องยนต์  ทำตัวถังรถยนต์  ทำลวด  ตะปู  เหล็กเคลือบผิวด้วยสังกะสีใช้มุงหลังคา เหล็กเคลือบผิวด้วยดีบุกใช้ทำกระป๋องบรรจุอาหาร เหล็กกล้าที่ผสมนิกเกิล 3% โครเมียม 1% ใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรประเภทเฟือง เกียร์ เพลา ข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครเมียม 18 % นิกเกิล 8% และคาร์บอน 0.4% ใช้ทำมีด ช้อนส้อม เรือนนาฬิกา นอกจากนี้เหล็กเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเม็ดเลือดแดง ถ้าร่างกายได้รับเหล็กไม่เพียงพอจะทำให้เป็นโรคโลหิตจาง 

ธาตุไอโอดีน
                   พบในปริมาณเล็กน้อยในน้ำทะเล ในสาหร่ายทะเลบางชนิด และพบในสินแร่ที่มีโซเดียมไนเตรตอยู่ในรูปของโซเดียมไอโอเดตไอโอดีนเป็นอโลหะที่มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นเกล็ดมันวาวสีม่วง ระเหิดได้ง่ายละลายน้ำได้น้อยมากแต่ละลายได้ในตัวทำละลายชนิดอื่นๆ ได้ดี เช่น สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ เอทานอลเฮกเซน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ เกิดสารประกอบไอออนิกกับโลหะทั่วไปได้สารประกอบประเภทเกลือ
                  ประโยชน์ของไอโอดีน ไอโอดีนละลายในเอทานอลเรียกว่าทิงเจอร์ไอโอดีน ใช้ทาแผลฆ่าเชื้อโรค ไอโอไดด์ไอออนเป็นส่วนประกอบของฮอร์โมนไทรอกซินในต่อมไทรอยด์ ซึ่งควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมของร่างกายถ้าขาดไอโอดีนจะทำให้เป็นโรคคอพอก สารประกอบของไอโอดีน เช่น โซเดียมไอโอไดด์ โพแทสเซียมไอโอไดด์ ใช้ผสมในเกลือสินเธาว์ เป็นการเพิ่มไอโอไดด์ไอออนให้ได้สัดส่วนที่เหมาะสมต่อการใช้บริโภค

เกล็ดไอโอดีน

ธาตุไนโตรเจน
       พบมากทั้งในรูปของธาตุอิสระและสารประกอบ ในอากาศมีแก๊สไนโตรเจนอิสระประมาณ 78% การแยกแก๊สไนโตรเจนออกจากอากาศทำได้โดยทำอากาศให้เป็นของเหลวแล้วนำไปกลั่นลำดับส่วน จะได้ไนโตรเจนเหลวออกมา ไนโตรเจนเป็นแก๊สไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ที่อุณหภูมิปกติไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น(ยกเว้นลิเทียม) แต่จะทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น เนื่องจากเป็นแก๊สที่เสถียร ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยา ออกไซด์ของไนโตรเจนมีหลายชนิด เช่น NO         และ  สำหรับ NO เป็นออกไซด์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับกรดหรือเบส รวมกับออกซิเจนได้อย่างรวดเร็วให้ซึ่งเป็นแก๊สสีน้ำตาลแดงละลายน้ำได้ดี
      ประโยชน์ของไนโตรเจน ใช้ในอุตสาหกรรมทำแอมโมเนียและกรดไนตริก แอมโมเนียใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอช แอมโมเนียมซัลเฟตและยูเรียเพื่อทำปุ๋ยส่วนกรดในตริกใช้ในอุตสาหกรรมทำสี ไหมเทียม วัตถุระเบิด พลุสี และในการบวนการพิมพ์ผ้า ไนโตรเจนที่อยู่ในรูปของกรดอะมิโนและโปรตีนมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ พืชส่วนใหญ่สังเคราะห์โปรตีนโดยใช้ไนเตรดไอออนจากดินและสำหรับพืชตระกูลถั่วสามารถเปลี่ยนไนโตรเจนจากอากาศเป็นสารอาหารได้
       การหมุนเวียนของไนโตรเจนที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์

การหมุนเวียนของไนโตรเจนในระบบนิเวศ

ธาตุออกซิเจน
       พบในเปลือกโลกในปริมาณมากที่สุดประมาณ 49.5% โดยมวล พบในธรรมชาติทั้งในสภาพอิสระและในรูปสารประกอบออกซิเจนในอากาศมีประมาณ 21% โดย ปริมาตร และเป็นองค์ประกอบในสารอาหารจำนวนมาก เช่น น้ำตาล แป้ง และไขมัน ในทางอุตสาหกรรมจะผลิตออกซิเจนจากอากาศเหลว โดยการกลั่นลำดับส่วนที่อุณหภูมิห้อง ออกซิเจนเป็นแก๊สไม่มีสี ไม่มีกลิ่น มีสมบัติช่วยให้ไฟติด ช่วยในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งมนุษย์ สัตว์ และพืช ออกซิเจนเกิดสารประกอบกับธาตุต่างๆ ทั้งโลหะและอโลหะได้อย่างดี เช่น สารประกอบออกไซด์สามารถเกิดกับธาตุโดยทั่วไป สารประกอบเปอร์ออกไซด์เกิดกับโลหะหมู่ IA และ IIA เช่นสารประกอบซุปเปอร์ออกไซด์เกิดกับโลหะหมู่ IA เช่น   และ และเกิดสารประกอบกับไฮโดรเจนได้สารประกอบไฮโดรด์ เช่น น้ำ    ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ นอกจากนี้ยังเกิดสารประกอบกับแก๊สเฉื่อยได้ในภาวะที่เหมาะสมเช่น    ประโยชน์ของออกซิเจน เป็นแก๊สที่ช่วยในกระบวนการหายใจของสิ่งมีชีวิต ช่วยให้เกิดการเผาไหม้ในร่างกายและเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ในสารต่างๆ เมื่อรวมกับแก๊สอะเซทิลีน  จะให้เปลวไฟที่ร้อนแรง ใช้ตัดและเชื่อมโลหะ ออกซิเจนในรูปโอโซนใช้ฟอกสีกระดาษและฆ่าเชื้อโรคในน้ำ สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ใช้ฟอกสีขนสัตว์ ผม ฟาง เยื่อกระดาษ สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 3% ใช้เป็นยาฆ่าเชื้อโรค ออกซิเจนเหลวใช้สันดาปกับไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในจรวดและยานอวกาศ
     โอโซน (Ozone) เป็นแก๊สพิษไม่มีสี มีกลิ่นรุนแรงเฉพาะตัวมีจุดเดือด-112.4 จุดหลอมเหลว -249.7

ธาตุฟอสฟอรัส
     พบอยู่ในรูปของสารประกอบ ส่วนใหญ่เป็นแร่หินฟอสเฟต เช่น แคลเซียมฟอสแฟต   ฟลูออโรอะปาไตต์   ฟอสฟอรัสเตรียมจากการเผาแร่หินฟอสเฟตกับซิลิกาและถ่านโค้กที่อุณหภูมิสูงประมาณ จะได้ไอฟอสฟอรัสออกมา ฟอสฟอรัสมีหลายรูปเช่น
     ฟอสฟอรัสขาว มีสูตรโมเลกุลเป็น   มีลักษณะนิ่มคล้ายขี้ผึ้ง มีจุดหลอมเหลวต่ำ ระเหยง่าย เป็นพิษ ไม่ละลายน้ำ ไม่เสถียร ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยามาก จึงต้องเก็บไว้ในน้ำ เพราะถูกออกซิไดส์ได้ง่ายในอากาศ และลุกไหม้ได้เองที่อุณหภูมิ 40 - 45 ละลายได้ในคาร์บอนไดซัลไฟด์     เฮกเซน     และตัวทำละลายอินทรีย์อื่นๆ ถ้าให้ฟอสฟอรัสขาวทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่มีปริมาณจำกัดจะได้สารประกอบออกไซด์มีสูตรเป็น   แต่ถ้าใช้ออกซิเจนในปริมาณมาก จะได้สารประกอบออกไซด์มีสูตรเป็น   ดังรูป 3.17 ก.
     ฟอสฟอรัสแดง เป็นรูปที่เสถียรกว่าฟอสฟอรัสขาวเป็นผงสีแดงเข้ม ไม่ละลายใน   และในตัวทำละลายอินทรีย์ ไม่ระเหย ไม่เป็นพิษ และไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยามีโครงสร้างเป็นพอลิเมอร์ของ   ดังรูป 3.17 ข.
     ฟอสฟอรัสดำ  มีโครงสร้างและสมบัติคล้ายแกรไฟต์เป็นของแข็งสีเทาเข้ม เป็นแผ่นมีเงาโลหะ นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ ดังรูป 3.17 ค.
     ประโยชน์ของฟอสฟอรัส เป็นธาตุที่จำเป็นแก่พืชในรูปของปุ๋ยฟอสเฟตและปุ๋ยซูเปอร์ฟอสเฟต ซึ่งเป็นของผสมระหว่าง   กับ   เป็นสารอาหารที่สำคัญของพืช ทำหน้าที่ควบคุมความเป็นกรด-เบสในเลือดและของเหลวในร่างกายของสิ่งมีชีวิต ส่วนฟอสฟอรัสแดงใช้ทำระเบิดเพลิง ระเบิดหมอกควัน และไม้ขีดไฟ

ธาตุซิลิคอน
     พบในเปลือกโลกประมาณ 25.67% โดยมวล มีปริมาณมากเป็นที่สองรองจากออกซิเจนพบในแร่ควอตซ์และทรายในรูปของซิลิคอนไดออกไซด์   ที่เรียกว่าซิลิกาและในรูปสารประกอบซิลิเกต ซิลิคอนเตรียมได้จากการรีดิวซ์   ด้วยถ่านโค้ก (C) ที่อุณหภูมิสูงจะได้ซิลิคอนเป็นผลึกสีเทา เป็นมันวาว มีโครงสร้างคล้ายกับเพชรแต่มีความแข็งน้อยกว่าเพชร อะตอมยึดกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เป็นโครงผลึกร่างตาข่าย ดังรูป 3.18
     ประโยชน์ของซิลิคอนใช้ในอุตสาหกรรมทำแก้วเส้นใยแก้วและเส้นใยนำแสง ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำใช้ทำวงจรไฟฟ้าขนาดเล็ก และใช้ทำอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ไมโครคอมพิวเตอร์ วิทยุ โทรทัศน์ เซลล์สุริยะ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความแข็งแรงมาก ใช้ทำเครื่องบด เครื่องโม่ ซิลิโคนเป็นพอลิเมอร์ของซิลิคอน มีสมบัติไม่รวมตัวกับน้ำไม่นำไฟฟ้า ทนความร้อน และไม่ว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมี ใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าและเคลือบผิววัสดุ เพื่อป้องกันมิให้เกิดปฏิกิริยาเคมี นอกจากนี้ซิลิกาใช้ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์

ผลึกควอตซ์หรือเขี้ยวหนุมาน

ธาตุสังกะสี
       พบในเปลือกโลกประมาณ 0.01% โดยมวล พบในรูปของแร่หลายชนิดคือ แร่สฟาเลอไรต์หรือซิงค์เบลน (ZnS) แร่เฮมิมอร์ไฟต์ แร่สมิทโซไนต์     สังกะสีเตรียมได้โดยนำแร่มาเผาในอากาศเพื่อเปลี่ยนซัลไฟด์เป็นออกไซด์แล้วรีดิวซ์ออกไซด์ด้วยถ่านโค้กที่อุณหภูมิสูง จะได้ไอของสังกะสี เมื่อผ่านการควบแน่นจะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง สังกะสีเป็นโลหะค่อนข้างอ่อนมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ เป็นไอได้ง่าย สารประกอบของสังกะสี   เช่น ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) เป็นสารประกอบที่สำคัญของสังกะสี มีลักษณะเป็นผงสีขาว และจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองเมื่อเผาให้ร้อน ซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) มีสีขาว เรืองแสงได้ ใช้ทำจอโทรทัศน์ สังกะสีจะเกิดสารประกอบเบสิกคาร์บอเนต ปกคลุมผิวหน้าเป็นฟิล์มบางๆ เมื่อมีอากาศชื้น
        ประโยชน์ของสังกะสี เช่น ใช้เป็นสารเร่งปฏิกิริยาในการผลิตยางรถยนต์ ใช้ในอุตสหกรรมเซรามิกส์ ใช้เป็นส่วนผสมยาต่างบาดแผลหรือแผลไฟไหม้ ใช้ทำเหล็กอาบสังกะสีที่เรียกว่า Galvanized iron เพื่อป้องกันมิให้เหล็กเป็นสนิมหรือสึกกร่อนได้ เนื่องจากสังกะสีเกิดออกไซด์และเบสิกคาร์บอเนตปกคลุมผิวหน้าไว้อีกชั้นหนึ่งจึงนิยมใช้ทำท่อน้ำ แผ่นสังกะสีมุงหลังคาและถังบรรจุน้ำ แผ่นสังกะสีบริสุทธิ์ใช้ทำกล่องถ่านไฟฉายและทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าสังกะสีเป็นองค์ประกอบของเอนไซม์บางชนิดในร่างกายที่ช่วยย่อย และสังเคราะห์โปรตีน ถ้าขาดจะทำให้ผิวหยาบกร้าน เป็นโรคเหน็บชา ตับแข็ง ม้ามโต และเจริญเติบโตช้า

ธาตุเรเดียม
       เป็นธาตุกัมมันตรังสี เตรียมจากกระบวนการแยกสลายสารประกอบแฮไลด์ของเรเดียมด้วยไฟฟ้าโดยใช้ปรอทเป็นขั้ว ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ Ra-226 การสลายตัวของเรเดียมจะให้รังสีแกมมาซึ่งใช้ยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็ง ธาตุนี้เรืองแสงได้ในที่มืด
จากการศึกษาเรื่องธาตุและตารางธาตุ สามารถนำความรู้เกี่ยวกับสมบัติต่างๆ ของธาตุในบทนี้ไปใช้ในการศึกษาเรื่องอื่นๆ ของวิชาเคมีในบทต่อไปได้
ที่มา : http://www.vcharkarn.com