การละลายเข้าด้วยกันของโมเลกุลมีขั้ว-ไม่มีขั้ว MO Memoir : วันจันทร์ที่ ๘ ธันวาคม ๒๕๕๑

เวลาที่เราเรียนวิชาเคมีอินทรีย์ ในส่วนการทดลองเกี่ยวกับสารอินทรีย์นั้น มักจะมีการทดสอบการละลายของสารตัวอย่างในตัวทำละลายต่างกัน 3 ชนิด คือ

1. น้ำ ซึ่งเป็นตัวแทนของตัวทำละลายที่มีขั้วเพียงอย่างเดียว

2. แอลกอฮอล์ เช่นเอทานอล (C₂H₅OH) ซึ่งเป็นตัวแทนของตัวทำละลายที่โมเลกุลมีส่วนที่มีขั้น (-OH) และส่วนที่ไม่มีขั้ว (C₂H₅-) และ

3. คาร์บอนเททระคลอไรด์ (CCl₄) หรือไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นตัวแทนของตัวทำละลายที่โมเลกุลไม่มีขั้ว

ในการเรียนนั้น การที่เราจะระบุว่าสารตัวอย่างสามารถละลายได้ในตัวทำละลายชนิดไหน เราจะใช้การมองเห็นเป็นตัวกำหนด กล่าวคือถ้าเราเอาตัวทำละลายใส่หลอดทดลอง แล้วหยดสารตัวอย่างลงไปแล้วเขย่าหลอด ผลการทดลองที่เห็นอาจเป็นดังนี้

1. ไม่เห็นการแยกเฟสก็จะถือว่าละลายเข้าด้วยกันได้

2. เห็นการแยกเฟสเกิดขึ้นตั้งแต่หยดแรกก็จะถือว่าไม่ละลายเข้าด้วยกัน

3. จากข้อ (1) ถ้าทำการหยดสารตัวอย่างต่อไปเรื่อย ๆ แล้วพบว่ามีการแยกเฟสเกิดขึ้นเมื่อหยดสารตัวอย่างเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง ก็จะถือว่าสารตัวอย่างกับตัวทำละลายสามารถละลายเข้าด้วยกันได้บางส่วน

4. จากข้อ (1) ถ้าทำการหยดสารตัวอย่างต่อไปเรื่อย ๆ จนปริมาณสารตัวอย่างมากกว่าตัวทำละลายที่ใช้ (หรือเปลี่ยนเป็นหยดสารละลายใส่สารตัวอย่างแทน) แล้วไม่พบการแยกเฟสเลย ก็จะถือว่าสามารถละลายเข้าด้วยกันได้ทุกสัดส่วน

เวลาที่เราหยดไฮโดรคาร์บอนเช่นเฮกเซน (C₆H₁₄) ลงในน้ำนั้น เราจะเห็นเฮกเซนลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำ และก็สรุปว่าเฮกเซนไม่ละลายในน้ำ ซึ่งถ้าใช้การมองเห็นเป็นวิธีการกำหนด เราก็จะเห็นเช่นน้ำ แต่ถ้าใช้เครื่องมือวิเคราะห์ (เช่นแก๊สโครมาโทกราฟที่ติดตั้งตัวตรวจวัดแบบ FID - Flame ionisation detector) เราก็จะเห็นว่าเฮกเซนสามารถละลายอยู่ในน้ำได้ในระดับ ppm

เคยเห็นเด็กนักเรียนถามคำถามในบางเวปบอร์ดว่า "ทำไมน้ำมันจึงลอยน้ำ" แล้วก็มีคนตอบว่า "เป็นเพราะว่าน้ำมันมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ" ซึ่งเป็นคำตอบที่ไม่สมบูรณ์ ที่ว่าไม่สมบูรณ์เพราะการที่ของเหลว (ก) จะลอยอยู่บนผิวของของเหลว (ข) ได้นั้น ไม่เพียงแต่ของเหลว (ก) ที่ลอยอยู่บนผิวหน้าจะต้องมีความหนาแน่นต่ำกว่าความหนาแน่นของของเหลวชนิด (ข) เท่านั้น แต่จะต้อง "ไม่ละลายเข้าไปในของเหลว (ข)" ด้วย การตอบด้วยความหนาแน่นที่แตกต่างกันจึงยังเป็นคำตอบที่ไม่สมบูรณ์ เพราะยังมีเปิดช่องให้มีข้อโต้แย้งได้ เช่นเอทานอลมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ แต่ถ้าหยดเอทานอลลงไปในน้ำจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันกับน้ำได้ทุกสัดส่วนโดยไม่มีการแยกชั้นเกิดขึ้น

การทำให้สารที่โมเลกุลมีแต่ส่วนที่มีขั้วและสารที่โมเลกุลมีแต่ส่วนที่ไม่มีขั้ว สามารถละลายเข้าด้วยกันได้นั้นจำเป็นต้องมีสารตัวที่สามเข้าร่วม สารตัวที่สามนี้จะมีโครงสร้างโมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและส่วนที่ไม่มีขั้ว (เช่น แอลกอฮอล์ กรดอินทรีย์ สารลดแรงตึงผิว (surfactant) ต่าง ๆ) ขั้วของโมเลกุลอาจอยู่ในรูปของพันธะที่มีขั้ว เช่น หมู่ไฮดรอกซิล (-OH) อีเทอร์ (-O-) หรือในรูปของส่วนที่มีประจุ เช่น คาร์บอกซิล (-COO^-) ที่อยู่ในสบู่ ซัลโฟนิล (-SO₃^-) ที่อยู่ในผงซักฟอก น้ำยาล้างจาน เป็นต้น โดยสารตัวที่สามนี้จะใช้โครงสร้างส่วนที่ไม่มีขั้วในการจับกับโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว และใช้โครงสร้างส่วนที่มีขั้วจับกับโมเลกุลที่มีขั้ว

แก๊สโซฮอล์เป็นสารผสมระหว่างน้ำมันเบนซินกับแอลกอฮอล์ โดยแอลกอฮอล์ที่ใช้มักจะเป็นเอทานอล ถ้าพิจารณาจากค่าออกเทนของแอลกอฮอล์แล้วจะพบว่าแอลกอฮอล์ตัวเล็กจะมีค่าออกเทนสูงกว่าแอลกอฮอลตัวใหญ่ (ค่าออกเทนของ เมทานอล > เอทานอล > โพรพานอล)  เอทานอลที่ไม่มีน้ำปน (ที่เรียกว่า anhydrous) ละลายเข้ากับน้ำมันเบนซินได้ทุกสัดส่วน  แต่ในทางปฏิบ้ตินั้นเอทานอลที่นำมาผสมน้ำมันจะมีน้ำปนอยู่เล็กน้อย  และด้วยความเป็นขั้วของโมเลกุลแอลกอฮอล์จะสามารถดึงน้ำให้ละลายเข้ามาปนในน้ำมันได้มากขึ้น  ถ้ามีน้ำปนอยู่ไม่มาก  แก๊สโซฮอล์จะยังคงเป็นสารละลายเนื้อเดียว  แต่ถ้ามีน้ำปนอยู่มากเกินไปก็จะเกิดการแยกเฟสเป็นสองเฟสได้  นอกจากนี้ปริมาณน้ำที่ละลายได้และยังคงทำให้น้ำม้นแก๊สโซฮอล์ไม่เกิดการแยกเฟสยังขึ้นกับอุณหภูมิ  กล่าวคือจะละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง

นอกจากนี้ความสามารถในการละลายเป็นเนื้อเดียวกันระหว่าง เอทานอล + น้ำ + ไฮโดรคาร์บอน ยังขึ้นกับโครงสร้างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนด้วย โดยช่วงการละลายเข้าเป็นเนื้่อเดียวกันในกรณีที่ไฮโดรคาร์บอนคือเบนซีน (พวก aromatic) จะกว้างกว่ากรณีที่ไฮโดรคาร์บอนคือเฮกเซน (พวก aliphatic) และเนื่องจากน้ำมันเบนซินเป็นสารผสมของไฮโดรคาร์บอนทั้งสองกลุ่ม  ด้วยเหตุนี้การเลือกสัดส่วนผสมระหว่างเอทานอลกับน้ำมันเบนซินสำหรับการใช้งานในแต่ละท้องถิ่นนอกจากต้องคำนึงถึงช่วงอุณหภูมิอากาศแล้ว ยังควรต้องคำนึงถึงองค์ประกอบของน้ำมันเบนซินที่นำมาผสมด้วย

ด้วยเหตุนี้ปัญหาหนึ่งที่ต้องยอมรัรบของการเติมเอทานอลเข้าไปในน้ำมันคือการที่ต้องยอมให้มีน้ำเข้าไปปนในน้ำมันแก๊สโซฮอล์ได้เล็กน้อย (ลองพิจารณาข้อกำหนดคุณลักษณะของน้ำมันเบนซินที่เพิ่มค่าออกเทนด้วยสารออกซีจีเนตหรือเอทานอล จะเห็นว่าจะยอมให้มีน้ำปนอยู่ในน้ำมันได้เล็กน้อย แต่ถ้าเป็นน้ำมันเบนซินที่ไม่ได้เพิ่มค่าออกเทนด้วยสารออกซีจีเนตหรือเอทานอล (เบนซิน 91) จะไม่ระบุปริมาณน้ำที่ยอมให้มีในน้ำมันได้ - ประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่องกำหนดคุณลักษณะและคุณภาพของน้ำมันเบนซิน พ.ศ. ๒๕๔๙ รายการที่ ๑๔ และ ๑๕ ในตาราง) น้ำที่อยู่ในน้ำมันนั้นอาจมาจาก ตัวเอทานอลที่ใช้ผสมเอง น้ำที่อยู่ในถังเก็บน้ำมัน หรือไอน้ำจากอากาศที่ไหลเข้าไปในถังน้ำมันของรถเวลาที่รถใช้น้ำมันไป (ถังน้ำมันรถจะมีรูระบายอากาศเพื่อรักษาความดันในถังไม่ให้ลดลงเมื่อปริมาตรน้ำมันในถังลดลง และไว้ระบายอากาศออกจากถังเมื่อเติมน้ำมันเข้าไปในถัง)

ความรู้เรื่องการละลายนี้ยังสามารถนำมาใช้อธิบายการที่ของเหลวสามารถแทรกตัว (หรือละลาย) เข้าไปในของแข็งได้ การที่ของเหลวชนิดหนึ่งสามารถซึมเข้าไปในของแข็งได้จะขึ้นอยู่กับ (ก) การมีขั้ว/ไม่มีขั้วของโมเลกุลของเหลวและของแข็ง และ (ข) ช่องว่างระหว่างโมเลกุลของของแข็ง

โดยทั่วไปเราพอคาดได้ว่า ของเหลวที่มีขั้วจะสามารถซึมเข้าไปในของแข็งที่มีขั้วได้ และของเหลวที่ไม่มีขั้วจะสามารถซึมเข้าไปในของแข็งที่ไม่มีขั้วได้ (แบบเดียวกันกับของเหลวมีขั้วละลายผสมกับพวกมีขั้วได้ และพวกไม่มีขั้วละลายผสมกับพวกไม่มีขั้วได้) ตัวอย่างเช่น กระดาษซึ่งมีโครงสร้างโมเลกุลเป็นเซลลูโลส โครงสร้างของเซลลูโลสเป็นสายโซ่พอลิเมอร์ของน้ำตาลกลูโคส (glucose) ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) อยู่เป็นจำนวนมาก เมื่อกระดาษสัมผัสกับน้ำจึงทำให้น้ำสามารถซึมเข้าไปในเนื้อกระดาษได้ ทำให้กระดาษเปื่อยยุ่ย (เนื่องจากน้ำเข้าไปแทรกตรงพันธะไฮดรอกซิลระหว่างสายโซ่โมเลกุล แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงลดลง ความแข็งแรงของกระดาษจึงลดลง - ดูรูปที่ 1 ประกอบ) แต่ถ้าเรานำกระดาษไปซับน้ำมัน (เช่นกระดาษห่อโรตี) จะเห็นว่ากระดาษดูดซับน้ำมันได้ไม่ค่อยดีเท่าไร และไม่เปื่อยยุ่ยมากเหมือนเวลาเปียกน้ำ อีกตัวอย่างได้แก่กรณีที่เราเอาน้ำมันเบนซินใส่ถุงพลาสติก (ซึ่งมักทำจากพอลิเอทิลีน (PE) หรือพอลิโพรพิลีน (PP)) น้ำมันจะซึมเข้าไปในเนื้อถุงพลาสติกและละลายถุงพลาสติกได้

เมื่อยกตัวอย่างถุงพลาสติกใส่น้ำมัน อาจทำให้บางคนสงสัยได้ว่าแล้วทำไปกระป๋องน้ำมันเครื่อง น้ำมันเบรค น้ำมันหล่อลื่น ฯลฯ ที่ขายกันอยู่ในปัจจุบัน จึงใช้พลาสติกพวกพอลิโอเลฟินส์ (เช่น PE) ทำเป็นภาชนะบรรจุได้ ทั้งนี้เป็นเพราะพลาสติกที่นำมาขึ้นรูปเป็นกระป๋องเหล่านี้แตกต่างไปจากพวกที่นำไปขึ้นรูปเป็นถุง เม็ดพลาสติกพวกที่นำมาขึ้นรูปเป็นขวดหรือเป็นกระป๋องจะมีความเป็นผลึกของโมเลกุลสูงกว่า ความเป็นผลึกของโมเลกุลเป็นตัวบอกให้ทราบถึงการเรียงชิดกันเป็นระเบียบของโมเลกุลในโครงสร้าง ถ้าพอลิเมอร์มีความเป็นผลึกสูง โมเลกุลจะเรียงตัวชิดกันมาก ทำให้ของเหลวไม่สามารถแทรกเข้าไประหว่างโมเลกุลของแข็งได้ แต่ถ้าเราให้ความร้อนแก่ของแข็งนั้น โมเลกุลของของแข็งก็จะแยกห่างจากกัน ของเหลวก็จะสามารถแทรกเข้าไปข้างในได้ ส่วนพลาสติกที่ใช้ทำถุงใส่นั้นเป็นเกรดทำฟิล์ม ซึ่งจะเป็นพวกที่มีความเป็นอสัณฐาน (amorphous) สูง พลาสติกพวกที่มีความเป็นอสัณฐานสูงจะมีความเหนียวและใส ในขณะที่พวกที่มีความเป็นผลึกสูงจะมีความแข็งและเปราะ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 รูปที่ 1 พันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโซ่โมเลกุลเซลลูโลส

ตอนที่มีการนำน้ำมันแก๊สโซฮอล์ออกขาย จึงจำเป็นต้องมีการระบุว่ารถยนต์รุ่นไหนใช้ได้หรือไม่ได้ ตัวหลักที่เป็นปัญหาไม่ใช่ชิ้นส่วนที่เป็นโลหะ แต่เป็นชิ้นส่วนที่เป็นพอลิเมอร์ต่าง ๆ เช่น สายยาง ประเก็น ฯลฯ ที่มีอยู่ตั้งแต่ถังน้ำมันไปจนถึงหัวฉีด น้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ ถือว่าเป็นของเหลวที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อยมาก (จากอีเทอร์ที่เติมลงไปเพิ่มค่าออกเทน) ดังนั้นการเลือกใช้ชิ้นส่วนพอลิเมอร์จึงสามารถเลือกใช้พวกที่ทนต่อของเหลวไม่มีขั้วเท่านั้นก็พอ แต่เอทานอลที่อยู่ในแก๊สโซฮอล์เป็นโมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้ว พอลิเมอร์ที่ใช้จึงต้องทนต่อของเหลวที่มีขั้วและไม่มีขั้วไปพร้อม ๆ กัน ถึงตอนนี้หวังว่าน่าจะพอมองเห็นภาพบ้างแล้วว่าทำไมถึงต้องมีการกำหนดว่ารถยนต์/มอเตอร์ไซค์รุ่นไหนบ้างที่ใช้น้ำมันแก๊สโซฮอล์ได้

ว่าแต่ว่าคุณพอจะอธิบายได้ไหมว่า ทำไมมีความพยายามจะเลิกขายเบนซิน 95 แล้วให้ใช้แก๊สโซฮอล์ 95 แทน แต่ในกรณีของเบนซิน 91 กลับไม่มีความคิดที่จะเลิกขายแล้วให้ใช้แก๊สโซฮอล์ 91 แทนเหมือนกรณีเบนซิน 91

ในการทำปฏิกิริยา hydroxylation ของเบนซีนไปเป็นฟีนอล หรือโทลูอีนไปเป็นครีซอลนั้น ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น (ฟีนอลหรือครีซอล) ต่างก็มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุล ดังนั้นผลิตภัณฑ์นี้จะทำหน้าที่เป็นตัวประสานเฟสมีขั้วและไม่มีขั้วเข้าด้วยกัน กล่าวคือจะดึงให้เบนซีน/โทลูอีนละลายเข้ามาอยู่ในชั้นน้ำ + ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และจะดึงเอาน้ำ/ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ให้ละลายเข้าไปในชั้นเบนซีน/โทลูอีนได้ ด้วยเหตุนี้ในการวิเคราะห์หาปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดและ/หรือสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป จึงจำเป็นต้องมีการรวมเฟสทั้งสองให้กลายเป็นเฟสเดียวกันก่อน วิธีการที่เราใช้กันขณะนี้คือการเติมเอทานอลในปริมาณที่เหมาะสม โดยคาดหวังว่าปริมาตรของสารละลายเฟสเดียวที่ได้จะเท่ากับปริมาตรของสารละลาย 2 เฟสเดิม + ปริมาตรเอทานอลที่เติมเข้าไป (ในความเป็นจริงแล้วการผสมกันระหว่างเอทานอลกับน้ำจะได้สารผสมที่มีปริมาตรลดลงเล็กน้อย กล่าวคือ น้ำ 100 ml + เอทานอล 100 ml จะได้สารผสมที่มีปริมาตรน้อยกว่า 200 ml อยู่เล็กน้อย