ทำความเข้าใจโมเลกุลคืออะไร ต่างจากอะตอมอย่างไร หนึ่งในเนื้อหาหมวดฟิสิกส์ (Physical Science) ในข้อสอบ GED Science

ก่อนหน้านี้พี่กริฟฟินได้พาน้อง ๆ ไปทำความรู้จักกับหัวข้อการสอบของรายวิชา GED Science ในส่วนหัวข้อของ “โครงสร้างเซลล์” ที่เป็นหนึ่งในโจทย์สำคัญของข้อสอบ Biology (ชีววิทยา) และเนื้อหาเรื่อง “วิทยาศาสตร์โลกและอวกาศ” (Earth & Space Science) กันไปเป็นที่เรียบร้อย วันนี้ก็มาถึงคิวของหัวข้อ “ฟิสิกส์” (Physical Science) ซึ่งหัวข้อที่จะมาเจาะลึกในวันนี้ก็ได้แก่เรื่องของ “โมเลกุล” และ “อะตอม” นั่นเอง ถ้าใครอยากทราบว่าโมเลกุลคืออะไร ต่างจากอะตอมอย่างไร และจำเป็นยังไงกับการสอบ GED Science ก็ไปอ่านกันต่อได้เลย

ข้อสอบ GED Science หัวข้อ Physical Science ออกสอบอะไรบ้าง

สำหรับข้อสอบ GED Science ในหัวข้อ Physical Science ก็ถือว่าเป็นหนึ่งในหัวข้อใหญ่ของการสอบ GED Science เลย เพราะมีจำนวนข้อสอบถึง 40% ของตัวข้อสอบทั้งหมด ซึ่งเมื่อคิดจากสัดส่วนของข้อสอบทั้งหมดที่มีจำนวน 38 ข้อ ก็จะมีข้อสอบ Physical Science อยู่ที่ 13 – 16 ข้อเลยทีเดียว โดยข้อสอบในหัวข้อฟิสิกส์ก็จะประกอบไปด้วยคำถามเกี่ยวกับอะตอม โมเลกุล กระบวนการทางเคมี พลังงาน มวล การเคลื่อนที่และแรง คลื่น ไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก ตลอดจนสสารและสถานภาพของสสารต่าง ๆ 

มาถึงตรงนี้ น้องบางคนอาจจะสงสัยว่าทำไมในหัวข้อ “ฟิสิกส์” (Physics) ของข้อสอบ GED Science ถึงมีเนื้อหาที่เกี่ยวข้องกับเคมี (Chemistry) อยู่หลายส่วน นั่นก็เป็นเพราะการแบ่งหัวข้อการสอบใน GED Science ได้รวมเอาเนื้อหาด้านเคมีและฟิสิกส์เข้าด้วยกัน เนื่องจากสูตรทางเคมีหลายอย่างก็ต้องอาศัยการคิดคำนวณมารวมอยู่ด้วยนั่นเอง และในวันนี้พี่กริฟฟินก็จะพาน้อง ๆ มาเจาะลึกในหัวข้อ “อะตอมและโมเลกุล” กัน

อะตอมคืออะไร ?

Atom หรือ อะตอม คือ อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุที่ยังแสดงลักษณะของธาตุนั้น ๆ ออกมาได้อย่างครบถ้วน โดยคำว่า atom มาจากภาษากรีกว่า “atomos” ซึ่งคำว่า “a” แปลว่า “ไม่” ส่วน “tomos” แปลว่า “แบ่งได้” นั่นเอง และเนื่องจาก “อะตอม” มีขนาดเล็กมาก จึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แม้จะมีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูงหลายแสนเท่าจากกล้องปกติก็ยังไม่สามารถถ่ายภาพของอะตอมออกมาได้ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีการสันนิษฐานผ่านข้อมูลต่าง ๆ ที่ได้จากการทดลองมาสร้าง “แบบจำลองอะตอม” ขึ้นมา ซึ่งส่วนใหญ่แล้วมักพูดถึงอะตอมในลักษณะของ “ทรงกลม” เป็นหลัก แต่เนื่องจากยังไม่สามารถพิสูจน์รูปร่างที่แท้จริงของอะตอมออกมาได้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้มีการจำลองแบบอะตอมขึ้นมาเป็นจำนวนมากตามทฤษฎีความเชื่อของแต่ละบุคคล หากในอนาคตมีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูงกว่าเดิมจนสามารถมองเห็นอนุภาคของอะตอมได้ก็คาดว่าเราน่าจะได้เห็นแบบจำลองรูปร่างที่แท้จริงของอะตอมกันต่อไป

อะตอมประกอบด้วยอะไรบ้าง

ในเบื้องต้นนักวิทยาศาสตร์ได้มีการคาดการณ์ว่า “อะตอม” ประกอบไปด้วยอนุภาคไฟฟ้าพื้นฐาน 3 อย่าง ได้แก่

โปรตอน (Proton) ที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+1) โดยจะแทนด้วยสัญลักษณ์ p หรือ p+

นิวตรอน (Neutron) ที่มีค่าเป็นกลาง (0) และมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน แทนด้วย n หรือ $ n^0 $

อิเล็กตรอน (Electron) ที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ (-1) มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับโปรตอนและนิวตรอน แทนด้วย e หรือ e–

โดยส่วนของนิวเคลียสที่หนาแน่นมากตรงจุดศูนย์กลางจะประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอน ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่ถูกดึงดูดให้อยู่ใกล้กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอะตอมที่มีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีประจุบวก (โปรตอน) เท่ากับประจุลบ (อิเล็กตรอน) 

ทั้งนี้ ในอะตอมที่มีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า จะมีจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนเท่ากัน และมีค่าเท่ากับจำนวน “เลขอะตอม (Atomic Number)” ส่วน “เลขมวล (Mass Number)” คือ จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน ซึ่งเราจะสามารถเขียนสัญลักษณ์เพื่อระบุเลขอะตอมและเลขมวลได้ ดังนี้ ${}^{Z}_{A}\mathrm{X}$

โดยที่ A แทนเลขมวล Z แทนเลขอะตอม และ X แทนสัญลักษณ์ของธาตุ ตัวอย่างเช่น ${}^{11}_{23}\mathrm{Na}$

จะเห็นได้ว่า ธาตุโซเดียม (Na) มีเลขอะตอม = 11 คือ มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอน 11 ส่วนเลขด้านบนที่เป็นเลขมวล แสดงถึงจำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน ดังนั้นแล้วจำนวนนิวตรอนจะเท่ากัน 23-11 = 12

แปลว่าธาตุโซเดียมมีจำนวนโปรตอน, อิเล็กตรอน และนิวตรอนเท่ากับ 11, 11 และ 12 ตามลำดับ

โดยธาตุแต่ละธาตุก็จะมีจำนวนโปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันออกไป ทำให้แต่ละธาตุมีสมบัติทางเคมีต่างกันตามไปด้วยนั่นเอง

โมเลกุลคืออะไร ?

Molecule หรือ โมเลกุล คือ กลุ่มของอะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไปที่ยึดติดกันด้วย “พันธะทางเคมี” (Chemical Bonds) ที่เป็นตัวก่อให้เกิดการรวมตัวกันของอะตอมจนก่อเกิดเป็นโมเลกุล และเกิดการจับตัวกันกลายเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้นและมีปริมาณมากขึ้นจนกลายเป็นสสาร ก่อเกิดเป็นสารประกอบ เนื้อเยื่อ อวัยวะ ส่วนผสมต่าง ๆ ที่ก่อให้เกิดทั้งสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตต่าง ๆ ที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าและจับต้องได้ โดยพันธะทางเคมีของอะตอมที่ก่อให้เกิดโมเลกุล จะมี 3 รูปแบบ ได้แก่

1. พันธะไอออนิก (Ionic Bond)

เป็นพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างไอออนซึ่งมีประจุตรงข้ามกัน ถูกดึงดูดเข้าหากันจากการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า โดยที่อิเล็กตรอนซึ่งอยู่วงนอกสุดของอะตอมหนึ่งไปเกาะกลุ่มอยู่ร่วมกับกลุ่มอิเล็กตรอนวงนอกสุดของอีกหนึ่งอะตอม และจับคู่กันเพื่อให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของทั้งสองอะตอมครบออกเตต (Octet)

การจับคู่พันธะแบบไอออนิกนี้เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของโลหะกับอะตอมของอโลหะ โดยอะตอมโลหะให้อิเล็กตรอนแก่อะตอมของอโลหะ ยกตัวอย่างเช่น อะตอมโซเดียม (Na) และอะตอมคลอรีน (Cl) กลายเป็นโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) หรือเกลือ โซเดียมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1 ตัว จึงยกอิเล็กตรอนตัวนี้ให้แก่อะตอมคลอรีน ทำให้ไอออนโซเดียมมีประจุเป็นบวก เนื่องจากมีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน 1 ตัว ในฝั่งของอะตอมคลอรีนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 7 ตัว เมื่อได้รับอิเล็กตรอนเข้ามาเพิ่มอีก 1 ตัว ทำให้ไอออนคลอรีนมีประจุเป็นลบ (มีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปร  ตอนในอะตอมของตัวเองอยู่ 1 ตัว)

2. พันธะโคเวเลนท์ (Covalent Bond)

เป็นพันธะที่เกิดจากการใช้คู่อิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมร่วมกัน โดยมากมักเป็นอะตอมของธาตุอโลหะ ที่มีค่า Electronegativity สูง หรือมีค่าพลังงาน Ionization (ionization energy) สูง ทำให้อะตอมที่มาจับคู่ด้วยมีการแบ่งปันอิเล็กตรอนกับอีกอะตอมหนึ่งในจำนวนเท่า ๆ กัน เพื่อให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอมจับคู่กันครบตามกฎออกเตต (Octet) โดยอาจเป็นพันธะเดี่ยว (ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่), พันธะคู่ (ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่) หรือพันธะสาม (ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่) ก็เป็นได้
ตัวอย่างเช่น การเกิดพันธะโคเวเลนท์ของโมเลกุลน้ำ เกิดจากการจับคู่กันของอะตอมไฮโดรเจน (H) เข้ากับอะตอมออกซิเจน (O) โดยมีลักษณะเป็นพันธะเดี่ยวแบบมีขั้ว (ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่ต่อ 1 พันธะ)

3. พันธะโลหะ (Metallic Bond)

เป็นพันธะซึ่งเกิดขึ้นกับอะตอมของธาตุที่เป็นโลหะเท่านั้น เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของโลหะแบ่งกันใช้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอม โดยที่อิเล็กตรอนที่แบ่งกันใช้ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยสมบูรณ์และมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอยู่ตลอดเวลา จึงทำให้ธาตุโลหะไม่มีสูตรโมเลกุลเหมือนกับธาตุอื่น ๆ 

ยกตัวอย่างเช่น อะตอมของเหล็ก (Fe) อยู่รวมกันเป็นจำนวนมากจะสามารถกลายเป็นแท่งเหล็กได้ โดยแท่งเหล็กนี้ไม่มีการกำหนดตัวเลขจำนวนอะตอมในหนึ่งโมเลกุล เมื่อมีการต่อไฟฟ้าเข้าที่จุดใดจุดหนึ่งของแท่งเหล็กก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งไปทั่วบริเวณแท่งเหล็กนั้น ทำให้เมื่อสัมผัสกับส่วนใดก็ตามของแท่งเหล็กก็จะเกิดการวิ่งของกระแสไฟฟ้าจากแท่งเหล็กไปสู่ผิวหนังบริเวณที่สัมผัสโดน ทำให้เกิดการช็อกของกระแสไฟฟ้าได้นั่นเอง

จากตัวอย่างที่ยกมาจะเห็นได้ว่าอะตอมที่ยึดติดกันจนก่อเกิดเป็นโมเลกุล อาจเป็นอะตอมของธาตุเดียวกัน หรือต่างธาตุกันก็ได้ จะสามารถสังเกตได้จาก “สูตรโมเลกุล” หรือสูตรเคมีที่แสดงชนิดและจำนวนธาตุที่เป็นองค์ประกอบของโมเลกุลนั้น ๆ โดยโมเลกุลที่ประกอบด้วยการรวมตัวกันของธาตุมากกว่า 1 ชนิดจะเรียกว่า “สารประกอบ” (Compound)

โมเลกุล C₂ ประกอบไปด้วย คาร์บอน (C) จำนวน 2 อะตอม

สารประกอบ H₂O ประกอบไปด้วย ไฮโดรเจน (H) จำนวน 2 อะตอม และออกซิเจน (O) จำนวน 1 อะตอม

โมเลกุลกับอะตอมต่างกันอย่างไร

ความแตกต่างกันของทั้งสองสิ่งนี้ สามารถสรุปสั้น ๆ ได้ว่า “อะตอม” เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด ซึ่งเมื่อเกิดการรวมตัวกันโดยยึดติดกันด้วยพันธะทางเคมีจะก่อเกิดเป็น “โมเลกุล” ขึ้น และเมื่อเกิดการรวมตัวกันในปริมาณมากก็จะกลายเป็นสสารที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าขึ้นมา เช่น น้ำ เกิดจากอนุภาคจำนวนมหาศาลของ H₂O รวมตัวกันจนกลายเป็นหยดน้ำที่เรามองเห็นได้

ตัวอย่างข้อสอบ GED Science ในหัวข้อโมเลกุลและอะตอม

Which of the following is NOT a subatomic particle found inside the atom?

1. Protons
2. Neutrons
3. Ions
4. Electrons

ข้อนี้ตอบ C เพราะ “อะตอม” ประกอบไปด้วยอนุภาคพื้นฐานทางไฟฟ้า 3 อย่าง ได้แก่ โปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน นั่นเอง

เทคนิคสำคัญพิชิตข้อสอบ GED Science อะตอมและโมเลกุล ในหัวข้อ Physical Science

เป็นยังไงบ้างกับการทำความเข้าใจความต่างและความหมายว่าทั้งอะตอมและโมเลกุลคืออะไร พี่กริฟฟินหวังเป็นอย่างยิ่งว่าน้อง ๆ จะทำข้อสอบ GED Science ที่ไม่ใช่ข้อสอบแบบ “ท่องจำ” แต่จะเน้นการวัดทักษะด้านการตีความ การจับใจความสำคัญ และการอนุมานสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์ได้คล่องขึ้น สิ่งสำคัญคือไม่จำเป็นต้องท่องตารางธาตุหรือส่วนประกอบของธาตุต่าง ๆ เพื่อเตรียมสอบ แต่ให้ใช้ความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องหมายและสัญลักษณ์ต่าง ๆ ในเชิงวิทยาศาสตร์ที่เป็นส่วนประกอบเป็นหลัก นอกจากนี้ข้อสอบบางข้อยังเป็น Passage หรือบทความที่มีคำตอบซ่อนอยู่ภายในเนื้อหาอยู่แล้ว หากเข้าใจว่า “โจทย์ต้องการถามอะไร” ก็สามารถหาคำตอบได้ไม่ยาก นอกจากทำความเข้าใจโจทย์ให้ดีแล้ว น้อง ๆ อย่าลืมแบ่งเวลาการอ่านสอบให้ครอบคลุมเนื้อหาการสอบทั้ง 3 หัวข้อของข้อสอบ GED Science ให้ครบถ้วน เพื่อที่จะได้ลงสอบผ่านได้ในครั้งเดียวแบบไม่ต้องลงสอบซ้ำ

สามารถดู Study Guide ของข้อสอบ GED Science พร้อมตัวอย่างข้อสอบและเฉลยเบื้องต้นได้ ที่นี่

ติวเสริมเพิ่มความมั่นใจก่อนลงสอบจริงไปกับ House of Griffin

หากใครไม่มั่นใจและต้องการผู้ช่วยติวสอบ GED ก็สามารถลงติวเสริมกับ House of Griffin สถาบันติวสอบ GED ที่มีประสบการณ์กว่า 14 ปีและผ่านการรับรองมาตรฐานหลักสูตรจาก GED Official ของสหรัฐอเมริกาให้เป็น Authorized GED Test Prep Provider แห่งแรกในประเทศไทยและในเอเชีย มีคอร์สติว GED แบบครอบคลุมทั้ง 4 รายวิชา ทั้ง GED Science, GED RLA, GED Math และ GED Social Studies เก็บครบทุกเทคนิคพิชิตข้อสอบ พร้อมตะลุยคลังโจทย์ข้อสอบฝึกการบริหารเวลาและการทำความเข้าใจโจทย์แบบลึกซึ้ง สอบผ่านครบจบในครั้งเดียว การันตีคว้าวุฒิ GED มาครองได้ในระยะเวลาเพียง 2 เดือน (เงื่อนไขเป็นไปตามที่สถาบันกำหนด)