http://update.se-ed.com     หน้าแรก    ฉบับก่อน      แนะนำ     ติดต่อเรา     สมาชิก     ซีเอ็ด      

ฉบับ 192 กันยายน 2546 ประจำฉบับ   o บอกกล่าว   o จดหมายถึงบ.ก.   o มองโลก   o มองไทย   o Space Hotline   o คุยกับชัยคุปต์   o นักวิทย์รุ่นเยาว์   o ประลองปัญญา   o เรื่องจากปก   o บทความ/สารคดี บอกรับจดหมายข่าว โปรดแจ้ง E-Mail ของคุณ Subscribe     Unsubscribe   Powered by YourMailinglist Provider.com   ดูจดหมายข่าวเก่า   Visitors:

สารคดีวิทยาศาสตร์ #192                 เคมีของสิ่งมีชีวิต           เราทราบกันดีว่า ธาตุที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบนโลกคือ ไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน และ ออกซิเจน ซึ่งการประกอบกันเป็นชีวิตขึ้นมานั้น ธาตุใดธาตุหนึ่งเหล่านี้มิได้อยู่อย่างโดดเดี่ยว หากแต่เกาะเกี่ยวกันด้วยพันธะเคมี กลายเป็นสารประกอบโมเลกุลใหญ่น้อย มีทั้งโครงสร้างที่เรียบง่ายและโครงสร้างซับซ้อน ทำหน้าที่และมีบทบาททั้งในการก่อกำเนิด เจริญเติบโต และทำให้ชีวิตยังคงดำรงอยู่ได้อย่างปกติสุข         นับว่าเป็นเรื่องมหัศจรรย์เป็นอย่างยิ่ง ที่ธาตุเพียงสี่ชนิดเท่านั้นที่เป็นต้นกำเนิดของสรรพชีวิต ทั้งสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเพียงเซลล์เดียว มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน ไปจนถึงสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ กลายเป็นสังคม กลายเป็นระบบนิเวศ กลายเป็นความพิสดารพันลึกของโลกสิ่งมีชีวิตที่เชื่อมโยงกันอย่างไม่อาจแยกจากกันได้         ในบทความนี้ เราจะพาท่านผู้อ่านไปทำความรู้จักกับธาตุทั้งสี่ ชนิดเรียงตัวกันเลย [ ไฮโดรเจน ] [ คาร์บอน ] [ ไนโตรเจน ] [ ออกซิเจน ]   ไฮโดรเจน           ไฮโดรเจนเป็นธาตุตัวที่หนึ่งในตารางธาตุ เป็นธาตุที่ซับซ้อนน้อยที่สุด เบาที่สุด และเป็นธาตุที่พบได้มากที่สุดในเอกภพของเรา(ร้อยละ 90) และไฮโดรเจนก็เป็นหนึ่งในธาตุพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย เลขอะตอม 1 น้ำหนักอะตอม 1.00794 สถานะมาตรฐาน ก๊าซที่อุณหภูมิห้อง ความหนาแน่น  0.00008988 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จุดเดือด -252.87 องศาเซลเซียส จุดหลอมเหลว -259.34 องศาเซลเซียส สี ไม่มีสี เป็นธาตุ อโลหะ ค้นพบโดย เฮนรี คาเวนดิช ที่กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ เมื่อ พ.ศ. 2309 ที่มาของชื่อ มาจากภาษากรีก “hydro” และ “genes” แปลว่า “น้ำ” และ “ผู้ก่อกำเนิด”         โรเบิร์ต บอยล์ นักเคมีและฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ตีพิมพ์ผลงานที่เกี่ยวกับการสร้างไฮโดรเจนโดยปฏิกิริยาระหว่างเหล็กกับกรดที่เจือจางไว้ตั้งแต่ พ.ศ. 2214 แต่กว่าที่เราจะทราบว่าก๊าซที่เกิดขึ้นจัดว่าเป็นธาตุชนิดหนึ่งนั้น เวลาก็ล่วงเลยมาจนกระทั่ง พ.ศ. 2309 โดยผู้ที่ได้ชื่อว่าเป็นผู้ค้นพบธาตุไฮโดรเจนก็คือ เฮนรี คาเวนดิช นักเคมีและฟิสิกส์ชาวอังกฤษ โดยเขาได้ให้คำอธิบายถึงธาตุไฮโดรเจนนี้ว่าเป็น “อากาศจากโลหะที่ลุกเป็นไฟได้” คาเวนดิชได้อธิบายถึงสมบัติของไฮโดรเจนไว้โดยละเอียดแต่ก็ยังเข้าใจคลาดเคลื่อนไปว่าก๊าซนี้มีกำเนิดจากโลหะไม่ใช่มาจากกรด ส่วนชื่อ ไฮโดรเจนนั้น ผู้ตั้งชื่อคือ ลาวัวซิเยร์         ในสภาวะปกติ ไฮโดรเจนจะอยู่ในสถานะก๊าซ (H2) ซึ่งมีอยู่ในบรรยากาศของโลกเพียงน้อยนิด แต่ไฮโดรเจนมีมากมายในรูปของน้ำ (H2O) ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต น้ำมีอยู่ทั่วไปทุกหนแห่ง รวมทั้งในแร่ธาตุหลายชนิด ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักของดวงอาทิตย์และดาวส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาเผาผลาญบนดวงอาทิตย์แม้จะเกิดขึ้นด้วยกระบวนการหลายชนิด แต่กระบวนการหลักก็คือ ปฏิกิริยาฟิวชั่น ซึ่งเป็นการรวมตัวของไฮโดรเจน กลายเป็นฮีเลียมแล้วมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา         ก๊าซไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่เบากว่าอากาศและเบาที่สุด มนุษย์เราจึงพยายามนำไฮโดรเจนมาใช้ประโยชน์ โดยนำไฮโดรเจนมาใส่ไว้ในบอลลูนและใส่ไว้ในเรือเหาะ แต่แล้วโศกนาฏกรรมเรือเหาะฮินเดนเบิร์ก ที่ระเบิดกลางอากาศก็ทำให้ไม่มีใครอยากนำไฮโดรเจนมาใช้บรรจุในเรือเหาะอีก        แต่ปัจจุบันนี้ความสนใจในการนำไฮโดรเจนมาใช้ประโยชน์นั้นหวนกลับมาอีกครั้ง นั่นคือการใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานสะอาด        ด้วยสมบัติของไฮโดรเจนที่ว่า เมื่อเผาไฮโดรเจนกับอากาศจะเกิดน้ำ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ยุคปัจจุบันสนใจ เพราะไฮโดรเจนจะเป็นเชื้อเพลิงสะอาดที่ใช้ในรถยนต์ หรือในเซลล์เชื้อเพลิง แทนที่จะต้องขุดพลังงานจากฟอสซิลขึ้นมาใช้เหมือนอย่างที่เป็นอยู่ทุกวันนี้        แต่ทุกวันนี้ก็มีการใช้ประโยชน์อื่นๆ จากก๊าซไฮโดรเจนอยู่แล้ว เช่น ใช้ในการดึงไนโตรเจนจากอากาศโดยผ่านกระบวนการฮาเบอร์แอมโมเนีย (Harbor ammonia process) ใช้ในการปรับสูตรน้ำมันและไขมัน(กระบวนการไฮโดรจีเนชัน) ใช้ในกระบวนการผลิตเมทานอล กระบวนการไฮโดรอัลคิเลชัน(Hydroalkylation) กระบวนการไฮโดรดีซัลเฟอร์ไรเซชัน(hydrodesulphurization) (ทั้งสองกระบวนการนี้เป็นการใช้ไฮโดรเจนในปฏิกิริยาเติมหรือตัดหมู่เคมีบางชนิด เพื่อปรับปรุงสมบัติของสาร) ใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวด ใช้เชื่อมโลหะ  ใช้ในการผลิตกรดไฮโดรคลอริก และใช้ในกระบวนการถลุงแร่โลหะ ส่วนไฮโดรเจนเหลวนั้นมีความสำคัญในกระบวน-การแช่เยือกแข็ง (cryogenics) และมีบทบาทสำคัญในการศึกษาสารตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากจุดหลอมเหลวของไฮโดรเจนสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย         ก๊าซไฮโดรเจนนั้นไม่ถือว่าเป็นสารพิษ แต่ก็มีอันตรายไม่ควรเข้าใกล้ เนื่องจากสามารถระเบิดได้ง่าย  [ ไฮโดรเจน ] [ คาร์บอน ] [ ไนโตรเจน ] [ ออกซิเจน ]   คาร์บอน           สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกใบนี้ถือได้ว่าเป็น สิ่งมีชีวิตในรูปแบบ carbon-based คือ มีคาร์บอนเป็นพื้นฐานของชีวิต หรืออาจกล่าวได้ว่า โมเลกุลที่ได้ชื่อว่าเป็นสารอินทรีย์ทุกชนิดนั้น มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ และหากจะพูดกลับกันก็ไม่ผิดกติกาแต่อย่างใด สิ่งมีชีวิตทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรียที่ซุกตัวอยู่ลึกหลายกิโลเมตรจากผิวโลก จุลินทรีย์จากน้ำพุร้อนหรือปล่องร้อนใต้สมุทรที่ร้อนกว่าอุณหภูมิน้ำดือด หรือแม้แต่ชีวิตเล็กจิ๋วที่เคยชินอยู่แต่กับความเย็นกลางก้อนน้ำแข็งบริเวณขั้วโลก ก็ล้วนแล้วแต่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ          เลขอะตอม 6 น้ำหนักอะตอม 12.0107 สถานะมาตรฐาน ของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ความหนาแน่น 2.2670 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จุดเดือด 3,825 องศาเซลเซียส จุดหลอมเหลว 3,550 องศาเซลเซียส สี กราไฟต์ สีดำ เพชร ไม่มีสี เป็นธาตุ อโลหะ ที่มาของชื่อ มาจาก “carbo” หมายถึง ถ่าน (charcoal) ถึงกระนั้น ที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ก็เป็นเพียงโฉมหน้าเดียวของคาร์บอน แต่เมื่ออยู่ในสภาพคาร์บอนบริสุทธิ์ ธาตุสำคัญชนิดนี้มีโครงสร้างถึงสี่แบบ คือ แบบอสันฐาน แบบกราไฟต์ แบบเพชร และ แบบบัคมินสเตอร์ฟุลเลอรีน         ตัวอย่างโครงสร้างแบบอสันฐานของคาร์บอนก็คือเขม่าควันทั้งหลาย ส่วนโครงสร้างแบบกราไฟต์และแบบเพชรนั้นแตกต่างกันตรงที่ กราไฟต์นั้นเป็นโครงสร้างในลักษณะที่คาร์บอนมาซ้อนกันเป็นแผ่น แต่ละแผ่นสามารถเลื่อนไปมาได้ ส่วนโครงสร้างแบบเพชรนั้นมีการเกาะเกี่ยวกันแน่นเป็นรูปทรงสามมิติ ส่วนโครงสร้างแบบบัคมินสเตอร์ฟุลเลอรีนนั้น มีชื่อเรียกเล่นๆ ว่า บัคกีบอล เป็นโครงสร้างที่เพิ่งค้นพบเมื่อไม่นานมานี้ ประกอบด้วยคาร์บอนจำนวน 60 อะตอมมาต่อกันเป็นทรงกลมกลวง         คาร์บอนมีการกระจายตัวในธรรมชาติในรูปประกอบอย่างหลากหลาย เช่น อยู่ในหินปูน (แคลเซียมคาร์บอเนต) เป็นต้น ส่วนถ่านหิน ปิโตรเลียม และ ก๊าซธรรมชาติ ก็ล้วนแต่เป็นสารประกอบคาร์บอน นอกจากนี้คาร์บอนยังปรากฏในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ และละลายอยู่ในน้ำธรรมชาติทุกชนิด         ประโยชน์ของคาร์บอนนั้นมีอยู่มากมาย ตั้งแต่ใช้เป็นเชื้อเพลิง(ถ่านหิน) ใช้เป็นสารหล่อลื่นหรือเสริมความแข็งแกร่ง (กราไฟต์) ไอโซโทปของคาร์บอน (คาร์บอน-14) ใช้ในการหาอายุวัตถุทางโบราณคดี และสารประกอบคาร์บอนหลายชนิดนั้นมีความสำคัญอยู่ในอุตสาหกรรมเคมีหลายๆ ชนิด         แต่ถึงแม้จะเป็น“เสาหลัก”ของชีวิต สารประกอบคาร์บอนบางอย่างกลับเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) จากท่อไอเสียรถยนต์ และไซยาไนด์ (CN) สารพิษจากการทำเหมือง ล้วนเป็นพิษต่อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ส่วนก๊าซอินทรีย์บางชนิด เช่น ก๊าซมีเทน (CH4) ก๊าซอีทีน (CH2=CH2) และก๊าซอีไทน์ (HCCH) นั้น เป็นอันตรายเนื่องจากเมื่อผสมกับอากาศแล้วจะติดไฟและระเบิด  [ ไฮโดรเจน ] [ คาร์บอน ] [ ไนโตรเจน ] [ ออกซิเจน ]                                                โดย... นิสากร ปานประสงค์   พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/192/chem_life.htm กลับไปหน้าบทความ/สารคดี   UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 60 บาท http://update.se-ed.com อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 720 บาท จัดพิมพ์โดย บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน) อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260 โทร.0-2751-5800, 0-2751-4175 โทรสาร 0-2751-5059 E-mail : update@se-ed.com