การเกิดปฏิกิริยาเคมี MO Memoir : Wednesday 30 September 2552

Memoir ฉบับนี้นำมาจากเอกสารคำสอนนิสิตภาควิชาวิศวกรรมเคมี ระดับปริญญาตรี ปี ๒ วิชาอินทรีย์เคมี ในหัวข้อเรื่อง "การเกิดปฏิกิริยาเคมี" ที่แจกจ่ายไปเมื่อ ๒๗ ตุลาคม ๒๕๕๑ โดยนำเนื้อหามาปรับปรุงบางส่วน

ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น มักมีคำถามหนึ่งเกิดขึ้นเสมอ (โดยเฉพาะกับโมเลกุลขนาดใหญ่) ว่า "ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นที่ตำแหน่งใดในโมเลกุล" จะว่าไปแล้วถ้าเรามีข้อมูลพื้นฐานเพียงพอและรู้จักประยุกต์ใช้งาน (เพราะว่าถ้ามีแต่ข้อมูลแต่ประยุกต์ใช้ไม่เป็นก็ไม่มีประโยชน์อะไร) เราก็พอจะคาดการณ์ได้ว่าถ้าเอาสารมาทำปฏิกิริยา (อาจมีสารตั้งต้นเพียงตัวเดียวหรือหลายสาร) ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีโอกาสที่จะเป็นสารใดบ้าง (ถ้าเงื่อนไขทางด้านเทอร์โมไดนามิกส์ยอมให้เกิดได้) เรื่องนี้จัดเป็นเรื่องสำคัญเรื่องหนึ่งเมื่อเราเริ่มทดลองสร้างเส้นทางการเกิดปฏิกิริยาใหม่ ๆ แล้วตรวจสอบดูว่าเกิดผลิตภัณฑ์อะไรบ้าง เพราะเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมีหลายชนิดนั้นเราต้องทราบก่อนว่าเรากำลังมองหาสารตัวใดหรือสารในตระกูลใด จากนั้นจึงทำการปรับตั้งเครื่องให้เหมาะสมกับการวิเคราะห์สารชนิดนั้น ถ้าเราปรับตั้งเครื่องไม่เหมาะสมก็จะมองไม่เห็นผลิตภัณฑ์ที่ได้ หรืออาจทำให้ตัวอุปกรณ์/ชิ้นส่วนอุปกรณ์วิเคราะห์เองเกิดความเสียหายได้ ตัวอย่างที่เด่นชัดของเครื่องมือวิเคราะห์ประเภทนี้ได้แก่เครื่อง Gas Chromatograph หรือที่เรียกกันสั้น ๆ ว่า GC และเครื่อง High Performance Liquid Chromatograph (HPCL) เพราะเราต้องเลือก column และชนิด detector ให้เหมาะสมกับสารเคมีที่ต้องการวัด เครื่องประเภท UV-Vis ก็ต้องทำการเลือกความยาวคลื่นแสงที่จะทำการตรวจวัดให้เหมาะสม

เคยพบกรณีของนิสิตที่รายงานผลการทดลองว่าได้ค่าการเลือกเกิด (selectivity) เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการถึง 100% (การเปลี่ยนเบนซีนไปเป็นฟีนอล) แต่พอคำนวณดุลมวลสารปรากฎว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้มามีปริมาณน้อยกว่าสารตั้งต้น พอซักถามถึงพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟที่ใช้ในการวิเคราะห์ก็พบว่าใช้อุณหภูมิคอลัมน์ต่ำเกินไป ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการที่ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (ฟีนอล) ทำปฏิกิริยาต่อไปเป็นสารตัวอื่น (ในกรณีนี้คือการที่ฟีนอลถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นควิโนน) ไม่ออกมาจากคอลัมน์ แต่เนื่องจากผู้ทำการทดลองสนใจแต่ตัวฟีนอลเท่านั้น และถ้าเห็นผลิตภัณฑ์ที่ได้มีแต่ฟีนอล เขาก็จะดีใจมาก ทำให้ไม่สนใจที่จะคำนวณดุลมวลสารว่าฟีนอลเป็นผลิตภัณฑ์เพียงอย่างเดียวที่เกิดขึ้นหรือเปล่า

เพื่อช่วยให้นิสิตสามารถทำความเข้าใจเรื่องการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ดีขึ้น จึงขอสรุปหลักเกณฑ์เบื้องต้นสำหรับใช้ในการคาดการณ์ว่าปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นที่ตำแหน่งใดในโมเลกุลมาสั้น ๆ ดังนี้

1. พลังงานพันธะ

พื้นฐานที่ทุกคนควรจะได้เรียนมาแล้วคือ ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นต้องมีการแตกออกของพันธะเดิม และมีการสร้างพันธะใหม่ขึ้น ความยากง่ายในการแตกออกของพันธะเดิมจะเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาจะเกิดได้ง่ายหรือยาก ถ้าแตกออกได้ง่ายก็จะเกิดปฏิกิริยาได้ง่าย ถ้าแตกออกได้ยากก็จะเกิดปฏิกิริยาได้ยาก พลังงานที่คายออกมาในระหว่างการสร้างพันธะจะเป็นตัวบอกว่าพันธะที่สร้างขึ้นใหม่มีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด ถ้ามีการคายพลังงานออกมามาก พันธะที่สร้างขึ้นมาใหม่ก็จะมีความเสถียรมาก ถ้ามีการคายพลังงานออกมาน้อยก็จะมีความเสถียรน้อย

พันธะของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวนั้นพอจะจำแนกออกได้เป็น 5 ประเภทด้วยกัน คือพันธะ C-C ระหว่างอะตอมคาร์บอน และพันธะ C-H ซึ่งเป็นพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจน ซึ่งพันธะ C-H นี้ยังจำแนกออกได้เป็น 4 ประเภทด้วยกัน คือ C-H ของมีเทน (CH4) พันธะ C-H ของหมู่ methyl (-CH3) ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่ พันธะ C-H ของหมู่ methylene (-CH2-) ที่อยู่ตอนกลางของสารโซ่ และพันธะ C-H ของอะตอมคาร์บอนที่มีอะตอมไฮโดรเจนเกาะอยู่เพียงอะตอมเดียว (tertiary carbon atom - -C|H-) ที่พบในสายโซ่ที่มีกิ่งก้าน ซึ่งถ้าเรียงลำดับพลังงานพันธะของพันธะทั้ง 5 ชนิดจากน้อยสุดไปมากสุดจะพบว่าพลังงานพันธะของ

C-H ของ tertiary carbon < C-H ของ methylene = C-C < C-H ของ methyl < C-H ของ methane

2. พลังงานของการชนและโอกาสของการเข้าถึงกันได้

ทีนี้สมมุติว่าเรานำเอา n-octane ตัวเดิมมาทำปฏิกิริยาออกซิเดชันโดยใช้โมเลกุลออกซิเจน แล้วถามคำถามเดิมว่าในที่สุด n-octane จะเกิดปฏิกิริยาอะไร

กรณีนี้เป็นกรณีที่แตกต่างจากกรณีแรก กล่าวคือเป็นการชนกันระหว่าง 2 โมเลกุล พันธะที่มีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาคือพันธะที่มีโอกาสเกิดการชนกันได้ ซึ่งในกรณีของ n-octane จะมีอยู่ด้วยกัน 2 พันธะคือ พันธะ C-H ของหมู่ methylene (-CH2-) และพันธะ C-H ของหมู่ methyl (-CH3) ส่วนพันธะ C-C ของสายโซ่คาร์บอนนั้นจะถูกกันไว้ด้วยพันธะ C-H ของ (-CH2-) ดังนั้นเราจึงน่าจะคาดหวังว่าผลิตภัณฑ์เริ่มแรกที่เกิดควรเป็นสารประกอบออกซีจีเนต (oxygenate สารประกอบที่มีอะตอมออกซิเจนในโครงสร้าง) หรือพวก alkene ก่อน ปฏิกิริยาการตัดสายโซ่คาร์บอนออกเป็นโมเลกุลเล็กลงน่าจะเกิดขึ้นภายหลังจากที่อะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ล้อมรอบพันธะ C-C ถูกกำจัดออกไปแล้ว

ประเด็นถัดมาคือจะเกิดปฏิกิริยาที่ตำแหน่ง C-H ของ (-CH2-) หรือ C-H ของ (-CH3) ในที่นี้ต้องนำเอาพลังงานพันธะและพลังงานการชนมาพิจารณาร่วม ถ้าโมเลกุลออกซิเจนที่วิ่งเข้ามาชนมีพลังงานไม่สูง ถ้าวิ่งไปชนที่ตำแหน่ง C-H ของ (-CH3) โอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาก็จะน้อยหรือไม่มีเพราะพันธะนี้มีความแข็งแรงสูง แต่ถ้าวิ่งไปชนที่ตำแหน่ง C-H ของ (-CH2-) ก็มีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยามากกว่า เพราะพันธะนี้มีความแข็งแรงน้อยกว่า จึงสามารถแตกพันธะและสร้างพันธะใหม่ได้ง่ายกว่า

นอกจากนี้โมเลกุล n-octane ยังมีจำนวนพันธะ C-H ของ (-CH2-) ถึง 12 พันธะ ในขณะที่มีจำนวนพันธะ C-H ของ (-CH3) เพียงแค่ 6 พันธะ ดังนั้นโอกาสที่จะเห็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการตัดออกของพันธะ C-H ของ (-CH2-) จึงควรมากกว่า

แต่เนื่องจาก n-octane มีหมู่ -CH2- ถึง 6 หมู่ และพันธะ C-H ของหมู่ methylene แต่ละหมู่ก็มีพลังงานพันธะเท่ากัน ดังนั้นเราจึงคาดการณ์ได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแตกออกของพันธะ C-H ของ (-CH2-) มีโอกาสเกิดได้ 3 รูปแบบคือ เกิดที่อะตอมคาร์บอนตัวที่ 2 อะตอมคาร์บอนตัวที่ 3 และอะตอมคาร์บอนตัวที่ 4 (อะตอมคาร์บอนตัวที่ 5 จะเหมือนตัวที่ 4 อะตอมคาร์บอนตัวที่ 6 จะเหมือนตัวที่ 3 และอะตอมคาร์บอนตัวที่ 7 จะเหมือนตัวที่ 2)

สาเหตุหนึ่ง (แต่ไม่ใช่สาเหตุเดียว) ที่ทำให้หมู่คาร์บอนิล (carbonyl C=O) ของสารประกอบอัลดีไฮด์ (R-CO-H) สามารถทำปฏิกิริยาได้ว่องไวกว่าหมู่คาร์บอนิลของสารประกอบคีโตน (R1-CO-R2) เพราะอะตอม H มีขนาดเล็กกว่าหมู่ alkyl ทำให้หมู่อื่นเข้ามาทำปฏิกิริยากับอะตอมคาร์บอนของหมู่คาร์บอนิลของสารประกอบอัลดีไฮด์ได้ง่ายกว่า

3. ความเป็นขั้ว/ประจุ/ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน

มีกติกาง่าย ๆ คือส่วนที่มีความเป็นประจุเป็นบวกอยู่หนาแน่น (หรือขั้วบวก) จะจับคู่กับส่วนที่มีความเป็นประจุลบอยู่หนาแน่น (หรือขั้วลบ) การทำปฏิกิริยาในรูปแบบนี้อาจมองได้ในแง่ของทฤษฎีกรดเบสของลิวอิสในเรื่องของการรับและจ่ายอิเล็กตรอน

ในบางกรณีความเป็นบวกหรือลบในโมเลกุลอาจดูได้ง่าย เช่นในกรณีของหมู่คาร์บอนนิล (C=O) ซึ่งอะตอมออกซิเจนจะดึงอิเล็กตรอนไปจากอะตอมคาร์บอน ทำให้อะตอมคาร์บอนที่สร้างพันธะคู่อยู่กับอะตอมออกซิเจนมีความเป็นขั้วบวก ดังนั้นจึงคาดการณ์ได้ว่าอะตอมคาร์บอนตัวนี้จึงควรที่จะทำปฏิกิริยากับหมู่ที่ให้อิเล็กตรอน แต่ในบางกรณีความเป็นขั้วอาจมองเห็นได้ไม่ชัด เช่นในกรณีของวงแหวนเบนซีน โดยตัววงแหวนเองมีพายอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ วงแหวน ทำให้วงแหวนมีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นมากกว่าบริเวณอื่น การทำปฏิกิริยาของวงแหวนจึงทำปฏิกิริยากับหมู่ที่จะมารับอิเล็กตรอน (วงแหวนเบนซีนจึงเกิดปฏิกิริยา electrophilic substitution)

จะว่าไปแล้วข้อมูลทางเทอร์โมไดนามิกส์ช่วยให้เราทราบว่า "ถ้า" ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้ จะดำเนินไปข้างหน้าได้ไกลเท่าใดที่ภาวะการทำปฏิกิริยานั้น ๆ แต่ไม่ได้บอกว่าจะเกิดปฏิกิริยาได้หรือเปล่า อย่างเช่นถ้าเราคำนวณดูว่าปฏิกิริยาระหว่างมีเทนกับออกซิเจนจะดำเนินไปข้างหน้าได้ไกลเท่าใดที่อุณหภูมิห้อง ผลการคำนวณจากเทอร์โมไดนามิกส์จะบอกว่าไปได้ไกล 100% แต่ในความเป็นจริงนั้นปฏิกิริยานี้ไม่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง เพราะต้องการพลังงานกระตุ้นสูงมาก แต่ถ้ามีตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเปลวไฟช่วยเริ่มปฏิกิริยา ปฏิกิริยาก็จะดำเนินไปข้างหน้าได้สมบูรณ์

เคยพบกรณีของนิสิตที่ศึกษาปฏิกิริยาการกำจัดเบนซีนที่ปนเปื้อนในน้ำด้วยการออกซิไดซ์ด้วยสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เพื่อหาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยใช้โปรแกรมสำเร็จรูปในการคำนวณ (งานทางด้านการประเมินวัฏจักรวงจรชีวิต) โดยในงานนี้สมมุติว่าสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สามารถออกซิไดซ์เบนซีนไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำได้สมบูรณ์ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งโปรแกรมสำเร็จรูปนั้นก็ทำการคำนวณและรายงานผลการประเมินออกมาให้

พวกคุณที่ได้ทำการทดลองศึกษาปฏิกิริยาจริงระหว่างเบนซีนหรืออัลคิลเบนซีนกับสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์คงทราบดีอยู่แล้วนะว่า สารทั้งสองมันทำปฏิกิริยากันหรือไม่ที่ภาวะดังกล่าว

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ MO Memoir : Wednesday 23 September 2552

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ (Oxidation reaction) เป็นปฏิกิริยาที่สำคัญปฏิกิริยาหนึ่งในการสังเคราะห์สาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ทั้งนี้เพราะวัตถุดิบหลักที่เราใช้กันคือไฮโดรคาร์บอนที่มีแต่อะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจน แต่เราต้องการสารที่มีออกซิเจนอยู่ในโมเลกุลด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เพื่อเติมอะตอมออกซิเจนเข้าไปในโมเลกุลสารตั้งต้น

ดังนั้นใน Memoir ฉบับนี้เราจะเน้นและจำกัดอยู่เฉพาะปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับ "สารอินทรีย์" เท่านั้น และจะยกตัวอย่างโดยใช้ออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์เป็นหลัก

เมื่อเราอ่านตำราอินทรีย์เคมีนั้นเรามักพบว่าตำรามักกล่าวว่าสารประกอบบางชนิดสามารถถูกออกซิไดซ์ได้ แต่บางชนิดไม่สามารถถูกออกซิไดซ์ได้ ตัวอย่างเช่นถ้านำอัลเคน (alkane) มาทำปฏิกิริยากับสารละลาย KMnO₄ ในน้ำ จะไม่เกิดการฟอกสีสารละลาย KMnO₄ เพราะอัลเคนไม่ถูกออกซิไดซ์ แต่ถ้านำอัลคีน (alkene) ีที่มีพันธะคู่ C=C มาทำปฏิกิริยากับสารละลาย KMnO₄ ในน้ำ จะพบว่าสีของสารละลาย KMnO₄ เปลี่ยนไป ทั้งนี้เพราะอัลคีนถูกออกซิไดซ์ ได้ด้วยสารละลาย KMnO₄ ที่อุณหภูมิห้อง หรือตำราจะบอกว่าความแตกต่างระหว่างอัลดีไฮด์ (aldehyde R₁-(CO)H) กับคีโตน (ketone R₁-(CO)-R₂) อยู่ตรงที่อัลดีไฮด์สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นกรดอินทรีย์ (carboxylic acid R-COOH) แต่คีโตนจะไม่ถูกออกซิไดซ์ แต่จะว่าไปแล้วสารทุกตัวที่กล่าวมาข้างต้นสามารถถูกออกซิไดซ์ได้ด้วยสารละลาย KMnO₄ ถ้านำไปต้มให้นานพอในสารละลายที่มีค่าพีเอชที่เหมาะสม หรือสามารถทำปฏิกิริยาเผาไหม้กับออกซิเจนในอากาศได้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ซึ่งปฏิกิริยาการเผาไหม้ก็เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันรูปแบบหนึ่งเหมือนกัน แต่ในตำราเคมีอินทรีย์เวลาพูดถึงปฏิกิริยาการออกซิไดซ์มักจะไม่รวมการออกซิไดซ์ชนิดที่โมเลกุสารตั้งต้นแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงดังกล่าวเอาไว้

การที่จะบอกว่าสารใดถูกออกซิไดซ์ได้หรือไม่ได้ในตำราเคมีอินทรีย์นั้น (ที่ไม่เคยเห็นตำราเล่มไหนเขียนเอาไว้เลย แต่คาดหวังไว้ว่าผู้อ่านคงเข้าใจแบบนั้น) มีเงื่อนไขอยู่ว่าเมื่อสารตั้งต้นถูกออกซิไดซ์ โมเลกุลของสารตั้งต้นจะต้องไม่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง เช่นการออกซิไดซ์เอทานอล (CH₃CH₂-OH) ไปเป็นอะเซตัลดีไฮด์ (CH₃COH) หรือการออกซิไดซ์อะเซตัลดีไฮด์ต่อไปเป็นกรดอะซีติก (CH₃COOH) ซึ่งจะเห็นว่าจำนวนอะตอมคาร์บอนในผลิตภัณฑ์จะเท่ากับจำนวนอะตอมคาร์บอนของสารตั้งต้น สารประกอบคีโตนเช่นอะซีโตน (H₃C(CO)CH₃) นั้น ถ้าเราพยายามออกซิไดซ์มัน โมเลกุลจะแตกออกตรงหมู่คาร์บอนิล (-(CO)-) กลายเป็นกรดอินทรีย์ 2 โมเลกุล (CH₃COOH และ HCOOH) แต่ในที่นี้โมเลกุลของผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีขนาดเล็กกว่าโมเลกุลของสารตั้งต้น ซึ่งปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบหลังนี้ไม่ได้อยู่ในนิยามของปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ของตำราเคมีอินทรีย์ทั่วไป

การที่จะดูว่าปฏิกิริยาใดเป็นปฏิกิริยาการออกซิไดซ์หรือไม่นั้น มีหลักสังเกตง่าย ๆ ดังนี้

1. จำนวนอะตอมไฮโดรเจนในผลิตภัณฑ์ลดลง

เช่นการออกซิไดซ์แอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol R-CH₂-OH) ไปเป็นอัลดีไฮด์ (R-COH) ซึ่งจะเห็นว่าจำนวนอะตอมออกซิเจนในผลิตภัณฑ์ยังคงเท่ากับจำนวนอะตอมออกซิเจนในสารตั้งต้น แต่จะนวนอะตอมไฮโดรเจนในผลิตภัณฑ์มีน้อยกว่าจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในสารตั้งต้น

2. จำนวนอะตอมออกซิเจนในผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น

เช่นการออกซิไดซ์อัลดีไฮด์ (R-COH) ไปเป็นกรดอินทรีย์ (R-COOH) ซึ่งจะเห็นว่าจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในผลิตภัณฑ์ยังคงเท่ากับจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในสารตั้งต้น แต่จะนวนอะตอมออกซิเจนในผลิตภัณฑ์มีมากกว่าจำนวนอะตอมออกซิเจนในสารตั้งต้น

ถ้าเราใช้เกณฑ์ 2 เกณฑ์ที่กล่าวมาข้างต้นเป็นเกณฑ์ในการจำแนกปฏิกิริยา เราก็จะพบว่าปฏิกิริยาบางปฏิกิริยาก็จัดว่าเป็นปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เช่นเดียวกัน เพียงแต่มีการใช้ชื่อเรียกเป็นอย่างอื่น หรือบางทีก็ไม่เห็นว่ามีการใช้สารออกซิไดซ์ในการทำปฏิกิริยา ตัวอย่างของปฏิกิริยาเหล่านี้เช่น

- Dehydrogenation และ Oxidativedehydrogenation

ปฏิกิริยาทั้ง 2 เป็นปฏิกิริยาการกำจัดไฮโดรเจน (ถ้ามีคำว่า de- ขึ้นต้นก็คือการกำจัด เช่น dehydration คือการกำจัดน้ำ) ปฏิกิริยา dehydrogenation ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ (เช่น Pt) ดึงไฮโดรเจนออกมาในรูปของแก๊สไฮโดรเจน (H₂) เช่นในปฏิกิริยาการเปลี่ยนโพรเพนเป็นโพรพิลีนบนตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/γ-Al₂O₃ ดังปฏิกิริยา

C₃H₈ → C₃H₆ + H₂

ปฏิกิริยา dehydrogenation เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน เกิดที่อุณหภูมิสูง ถูกควบคุมด้วยสมดุลเคมี จึงทำให้เกิดแนวความคิดเรื่องปฏิกิริยา oxidativedehydrogenation (ODH) คือการใช้ออกซิเจนออกซิไดซ์อัลเคนไปเป็นอัลคีน โดยดึงไฮโดรเจนออกมาในรูปของน้ำ เช่น

C₃H₈ + 0.5O₂ → C₃H₆ + H₂O

จะเห็นว่าทั้งสองปฏิกิริยานั้นต่างก็ให้ผลิตภัณฑ์ (C₃H₆) ที่มีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนลดลงโดยที่ไม่มีการเติมอะตอมออกซิเจนเข้าไปในผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยา ODH เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นตามทฤษฎีแล้วปฏิกิริยาจะเกิดไปข้างหน้าได้ดีที่อุณหภูมิต่ำกว่าปฏิกิริยา dehydrogenation หลายร้อยองศาเซลเซียส และไม่ถูกควบคุมด้วยสมดุลเคมี

แต่ในทางปฏิบัติปฏิกิริยาดังกล่าวมีปัญหามาก ทั้งนี้เป็นเพราะอัลเคนที่เป็นสารตั้งต้นมีความเฉื่อยในการทำปฏิกิริยามากกว่าอัลคีน ดังนั้นภาวะการทำปฏิกิริยาที่ทำให้อัลเคนทำปฏิกิริยาได้จึงทำให้อัลคีนทำปฏิกิริยาได้ด้วย นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น (อัลคีน) มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น (O₂) มากกว่าอัลเคน จากปัจจัยทั้งสองดังนั้นเมื่อเกิดผลิตภัณฑ์ขึ้น อัลคีนที่เกิดขึ้นจึงเข้าทำปฏิกิริยากับออกซิเจนแทนอัลเคน และสูญเสียเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำไป ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้มีการศึกษากันที่พอจะลดปัญหาดังกล่าวได้มักจะเป็นพวกโลหะออกไซด์ที่เป็นเบสหรือเติมเบสเข้าไปหรือใช้ support ที่เป็นเบส (เช่น V₂O₅/MgO)

แต่ความพยายามดังกล่าวก็ยังไม่สามารถลดการสูญเสียโอเลฟินส์ให้ต่ำพอจนยอมรับได้ ปฏิกิริยา ODH ของ อัลคีนจึงไม่มีการพัฒนาต่อ ที่เห็นจะพอทำได้ก็มีแต่ปฏิกิริยา ODH ของสารประกอลอัลคิลแอโรแมติก เช่นเอทิลเบนซีนไปเป็นสไตรีน

(C₆H₅)CH₂-CH₃ + 0.5O₂ → (C₆H₅)CH=CH₂ + H₂O

ถ้าสงสัยว่าทำไมผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาข้างบนจึงคงอยู่ได้ ก็ลองวาดรูปโครงสร้างโมเลกุลและสังเกตตำแหน่งของพันธะคู่ในผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นดูก็แล้วกัน

- Hydroxylation

ชื่อปฏิกิริยานี้ถ้าแปลกันตรง ๆ ก็คงเป็นการเติมหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl หรือ -OH) เข้าไปในโมเลกุลของสารตั้งต้น ตัวอย่างหนึ่งที่ทางกลุ่มเรากำลังทำการทดลองกันอยู่ก็คือการเปลี่ยนเบนซีนไปเป็นฟีนอลและการเปลี่ยนโทลูอีนไปเป็นครีซอลโดยใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารออกซิไดซ์ดังสมการ

C₆H₆ + H₂O₂ → C₆H₅-OH + H₂O

C₆H₅CH₃ + H₂O₂ → C₆H₄(CH₃)(OH) + H₂O

ในปฏิกิริยาทั้งสองนั้นจำนวนอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจนในผลิตภัณฑ์ยังคงเท่ากับที่มีอยู่ในสารตั้งต้น ต่างกันตรงที่ผลิตภัณฑ์มีอะตอมออกซิเจนเพิ่มเข้ามา ส่วนที่ว่าทำไมปฏิกิริยานี้ยังไม่มีการนำเอาไปใช้งานก็ได้เล่าไปแล้วใน Memoir ฉบับก่อนหน้า (๑๕ พฤศจิกายน ๒๕๕๑)

ออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์ที่เราพบและใช้กันมากที่สุด แต่ก็ไม่ใช้ตัวออกซิไดซ์ชนิดเดียว ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการใช้ธาตุฮาโลเจน (เช่น halogenation) ก็ถือได้ว่าเป็นปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ด้วย แต่เวลาที่ฮาโลเจนเข้าไปทำปฏิกิริยากับไฮโดรคาร์บอนนั้นฮาโลเจนจะเข้าไปแทนที่อะตอมไฮโดรเจน ไม่ได้เข้าไปตัดสายโซ่ C-C จนทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง

เคยนั่งฟังคนเสนอหัวข้อวิจัยเกี่ยวกับ Life Cycle Assesment เรื่องผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมถ้าทำการกำจัดเบนซีนด้วยไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ การวิจัยดังกล่าวจะใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์สำเร็จรูปในการคำนวณ

ผมฟังแล้วก็รู้สึกสะดุดใจตรงที่ในงานดังกล่าวกำหนดให้เบนซีนถูกออกซิไดซ์ไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ "ได้สมบูรณ์" ด้วยสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ทั้งนี้อาจเป็นเพราะการคำนวณโดยใช้เทอร์โมไดนามิกนั้นบอกว่าปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ แต่ในความเป็นจริงที่ทราบกันอยู่แล้วก็คือเบนซีนเป็นสารที่เสถียรมากและไม่ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เว้นแต่จะมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมช่วย

เดี๋ยวนี้คนชอบทำ Simulation กันเยอะมาก ส่วนหนึ่งคงเป็นเพราะไม่ต้องมาเหนื่อยกับการทำการทดลอง แต่ถ้าสังเกตดูก็จะพบว่ามีงาน Simulation อยู่ไม่น้อยที่ใช้ข้อสมมุติไม่ตรงกับความเป็นจริง ทั้งนี้อาจเป็นเพราะผู้สร้างแบบจำลองดังกล่าวไม่ได้สนใจหรือค้นคว้าว่าในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นสิ่งใดเป็นไปได้ เป็นไปไม่ได้ ที่น่าแปลกคือเวลาที่ใครนำเสนอผลการทดลองมักจะเจอคำถามว่า ทำการทดลองซ้ำกี่ครั้ง มีความคลาดเคลื่อนเท่าใด แต่ถ้าทำ simulation ละก็กลับไม่มีใครถามว่า ข้อสมมุติที่คุณใช้นั้นน่าเชื่อถือหรือไม่ ถ้าตัดข้อสมมุติดังกล่าวออกไปจะทำให้ผลการคำนวณที่ได้นั้นเปลี่ยนแปลงไปเท่าใด ได้ทดลองทำดูบ้างหรือยัง

Ethylene polymerisation MO Memoir : Sunday 20 September 2552

วันก่อนบังเอิญได้ยินคนที่ทำวิจัยอยู่ที่บริษัทแห่งหนึ่ง (คิดว่าคงทำวิจัยเกี่ยวกับ ethylene polymerisation) มาบ่นให้น้อง ๆ ที่แลปฟังว่า reactor เกิด fouling แก้ปัญหาอย่างไรดี

ผมยืนฟังอยู่ก็เลยถามกลับไปว่าคุณมีปัญหาเรื่องคุมอุณหภูมิไม่ได้ใช่ไหมล่ะ ซึ่งเขาก็ตอบว่าใช่

แล้วทีนี้มันเกี่ยวข้องกันอย่างไร

บันทึกช่วยจำฉบับที่แล้วได้กล่าวถึงผลของรูปร่างโมเลกุลที่มีต่อคุณสมบัติต่าง ๆ ของ HDPE ฉบับนี้ก็จะขอเล่าเรื่องการพอลิเมอร์ไรซ์เอทิลีนเพื่อผลิตเป็น HDPE ก็แล้วกัน

อย่างที่เล่าไปก่อนหน้าแล้วว่าในการผลิต HDPE นั้นสารตั้งต้นมีอยู่ด้วยกัน 3 ตัวคือ เอทิลีนที่เป็นโมโนเมอร์ตัวหลัก 1-โอเลฟินส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเอทิลีนที่ทำหน้าที่เป็นโคโมโนเมอร์และควบคุมความหนาแน่นของพอลิเมอร์ที่ได้ และไฮโดรเจนที่ทำหน้าที่ควบคุมความยาวสายโซ่

และที่ขาดไม่ได้คือตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งประกอบด้วย 2 ส่วนคือ ส่วนที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักซึ่งเป็นไอออนบวกของโลหะทรานซิชัน ซึ่งอาจอยู่ในรูปสารประกอบ (เช่น TiCl₄) หรืออยู่บน support ก็ได้ (เช่น Ti⁴⁺ บน MgCl₂ ที่ทำหน้าที่เป็น support) และสารประกอบ organometallic compound ที่ทำหน้าที่เป็น co-catalyst (ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นสารประกอบของอะลูมิเนียม เช่น Al(CH₃)₃ Al(C₂H₅)₃ Al(C₂H₅)₂Cl ฯลฯ)

จะว่าไปแล้วการใช้สารประกอบ organometallic compound บางตัวเพียงอย่างเดียว (เช่น triethyl aluminium - Al(C₂H₅)₃) ก็สามารถทำให้โมเลกุลเอทิลีนเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเป็นสายโซ่ยาวได้ แต่ยั้งไม่ยาวมากพอที่จะเป็นพอลิเมอร์ระดับ PE อันที่จริงการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ก็ค้นพบโดยบังเอิญในระหว่างการพยายามสังเคราะห์อัลฟาแอลกอฮอล์นั่นเอง

ในการทำปฏิกิริยานั้นจะต้องทำให้สารตั้งต้นทั้งหมดและตัวเร่งปฏิกิริยามาอยู่ร่วมกัน ซึ่งทำให้เกิดรูปแบบการพอลิเมอร์ไรซ์ 2 รูปแบบคือ การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสของเหลว และการพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสแก๊ส

1. การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสของเหลว

เริ่มแรกของการผลิต HDPE ก็ใช้การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสของเหลวนี้ รูปแบบนี้จะใช้ของเหลวที่เฉื่อยเป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยา ของเหลวที่ใช้ก็คือไฮโดรคาร์บอนนั่นเอง อาจจะเป็นไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์ (เช่นเฮกเซน โทลูอีน ฯลฯ) หรือเป็นสารผสมก็ได้ (เช่นแนฟทา น้ำมันก๊าด) โดยจะทำการละลาย (หรือกระจาย) ตัวเร่งปฏิกิริยาในของเหลว และผ่านแก๊สผสมของสารตั้งต้นลงไป โอเลฟินส์และไฮโดรเจนก็จะละลายเข้าไปในตัวทำละลาย แพร่เข้าไปถึงตัวเร่งปฏิกิริยาและเกิดเป็นพอลิเมอร์ขึ้น เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ก็จะเป็นแบบ stirred reactor ทั่วไปนั่นเอง

สิ่งที่พึงระวังคือปฏิกิริยาเกิดขึ้นในเฟสของเหลว ไม่ใช่เฟสแก๊ส ดังนั้นพอลิเมอร์ที่ได้จะมีความยาวโซ่สั้นหรือยาว มีกิ่งก้านมากหรือน้อย จึงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ เอทิลีน โคโมโนเมอร์ และไฮโดรเจน ในเฟส "ของเหลว" ไม่ใช่ในเฟส "แก๊ส" แต่ความเข้มข้นของ เอทิลีน โคโมโนเมอร์ และไฮโดรเจน ในเฟสของเหลวนั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของแก๊สทั้ง 3 ในเฟสแก๊สและ "ตัวทำละลาย" ที่ใช้ ซึ่งถ้าเราเปลี่ยนตัวทำละลายที่ใช้ (โดยที่ยังคงพารามิเตอร์การทำปฏิกิริยาตัวอื่นไว้เหมือนเดิม) ก็จะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่แตกต่างกันออกไปได้

การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสของเหลวยังแบ่งออกได้อีกเป็น 2 รูปแบบ โดยดูว่าพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นอยู่ในสภาพไหน กล่าวคือถ้าพอลิเมอร์ที่ได้เป็นสารละลายอยู่ในตัวทำละลาย ก็จะเรียกว่าเป็น "Solution phase polymerisation" แต่ถ้าเป็นผงของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย ก็จะเรียกว่า "Slurry phase polymerisation"

ในกรณีของ Solution phase polymerisation นั้น พอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นจะต้องละลายอยู่ในตัวทำละลาย ดังนั้นเพื่อให้พอลิเมอร์สามารถละลายในตัวทำละลายได้จึงจำเป็นที่

(ก) สายโซ่ของพอลิเมอร์ไม่ควรที่จะยาวเกินไป และ

(ข) อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาต้องสูง

การที่ใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่สูงทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงไปด้วย แต่การที่ต้องให้พอลิเมอร์ต้องละลายได้ในตัวทำละลาย จึงทำให้มีปัญหากับการสังเคราะห์พอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวได้ เพราะพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวจะละลายได้ยากกว่าพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ที่สั้นกว่า

ดูเหมือนว่า Solution phase polymerisation ไม่ค่อยนิยมเท่าไรนักในการผลิต HDPE เพราะเท่าที่ทราบโรงงานที่ตั้งในบ้านเราเข้าใจว่าจะไม่มีใครใช้กระบวนการแบบนี้

ส่วนกรณีของ Slurry phase polymerisation นั้นเป็นกรณีที่ตรงข้ามกัน พอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นจะเป็นของผงแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย ดังนั้นเพื่อให้พอลิเมอร์เป็นผงของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลายได้จึงจำเป็นที่

(ก) อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะต้องไม่สูงมากเกินไป และ

(ข) สายโซ่ของพอลิเมอร์ต้องมีความยาวเพียงพอ

เท่าที่ทราบคือมีหลายโรงงานในบ้านเราใช้กระบวนการ Slurry phase polymerisation

การที่ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นยิ่งเกิดปฏิกิริยามากขึ้น ความร้อนก็จะคายออกมามากขึ้น ความร้อนที่คายออกมานี้ก็จะไปเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นไปอีก ดังนั้นถ้าไม่สามารถระบายความร้อนออกจากระบบได้ทันเวลา ก็จะเกิดปัญหาในการทำงานได้ ส่วนจะเกิดปัญหาแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับว่าใช้กระบวนการแบบใดในการผลิต

ในกรณีของ Slurry phase polymerisation นั้น ถ้าหากระบายความร้อนไม่ทันก็จะทำให้พอลิเมอร์ที่เป็นของผงแข็งที่แขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย ละลายเป็นของเหลวเข้าไปอยู่ในตัวทำละลาย และถ้าสารละลายนี้เย็นตัวลงเมื่อไร พอลิเมอร์ที่ละลายอยู่ก็จะกลับกลายเป็นของแข็ง แต่ทีนี้จะไม่ได้กลับมาเป็นผงของแข็งเหมือนเดิม จะกลายเป็นก้อนหรือเป็นแผ่นเกาะติดตามผนังเครื่องปฏิกรณ์หรือผนังท่อที่เย็น ทำให้เกิดการอุดตันได้

การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสของเหลวมีข้อดีตรงที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ง่าย การควบคุมอุณหภูมิกระทำโดยการควบคุมความดันที่อยู่เหนือผิวของเหลว โดยตั้งให้ปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิจุดเดือดของตัวทำละลาย ถ้าอยากให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้น ก็เพิ่มความดันเหนือผิวของเหลวให้สูงขึ้น

การระบายความร้อนโดยอาศัยการเดือดของของเหลวนั้นเป็นการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง ประมาณว่าสำหรับ CSTR ที่ใช้ในการผลิต HDPE นั้น ความร้อนที่ระบายออกทางน้ำหล่อเย็นที่ไหลอยู่ใน Jacket ของผนัง CSTR มีเพียง 20-30% เท่านั้นเอง ส่วนที่เหลือจะระบายออกไปกับตัวทำละลายที่ระเหยออกทางด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์ ตัวทำละลายที่ระเหยออกไปจะถูกควบแน่นและป้อนกลับมายังเครื่องปฏิกรณ์ใหม่

แต่การทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลวก็มีข้อเสียเช่นเดียวกันคือ จะมีสายโซ่บางสายโซ่ที่ยาวไม่ถึงระดับที่จะเป็นพอลิเมอร์ได้ สายโซ่พวกนี้มักเรียกว่าเป็นโอลิโกเมอร์ (Oligomer) ซึ่งจะละลายตกค้างอยู่ในตัวทำละลาย จัดว่าเป็นของเสียที่เกิดขึ้นจากการทำปฏิกิริยา ไม่สามารถจำหน่ายเป็นพอลิเมอร์ได้ ต้องหาทางจำหน่ายหรือใช้งานในรูปแบบอื่น ที่ได้ยินมาก็มีเอาไป ผสมเพื่อทำเทียนไข ทำขี้ผึ้ง ผสมในน้ำมันเตาเพื่อเผาเป็นเชื้อเพลิง เป็นต้น ส่วนผลออกมายังไงนั้นก็ไม่รู้เหมือนกัน

2. การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสแก๊ส

การพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสแก๊สเป็นเทคนิคที่พัฒนาขึ้นมาภายหลัง เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้กันก็คือฟลูอิไดซ์เบดนั่นเอง

การเกิดปฏิกิริยาในเฟสแก๊สนี้มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับการเกิดปฏิกิริยาในเฟสของเหลวดังนี้

ก) ไม่มีการใช้ตัวทำละลาย ทำให้ไม่ต้องมีตัวทำละลายไหลหมุนเวียนอยู่ในระบบ (ซึ่งมองในแง่ความปลอดภัยคือปริมาณสารที่เป็นอันตรายในระบบน้อยกว่า) และไม่ต้องมีระบบทำตัวทำละลายให้บริสุทธิ์เพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่

ข) ไม่มีปัญหาเรื่องการเกิดโอลิโกเมอร์ และ

ค) ความเข้มข้นของสารที่อยู่ในเฟสแก๊สเป็นความเข้มข้นเดียวกับความเข้มข้นที่ทำปฏิกิริยา

แต่มันก็มีข้อเสียที่สำคัญอยู่ข้อหนึ่ง ที่อาจลบล้างข้อดีทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นได้ ข้อเสียนั้นก็คือ "การควบคุมอุณหภูมิ" ทำได้ยากกว่า

เป็นที่ทราบกันว่าแก๊สเป็นตัวส่งผ่านความร้อนที่เลว ถ้านึกไม่ออกก็ลองสังเกตดูว่าเดี๋ยวนี้ยังมีรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศใช้กันอยู่ในบ้านเราสักเท่าไร (เท่าที่ทราบก็มีแต่รถโฟล์คเต่าทองรุ่นเก่าเท่านั้น) การระบายความร้อนจากเครื่องยนต์จะใช้น้ำรับความร้อนมาก่อน จากนั้นจึงระบายความร้อนจากน้ำสู่อากาศอีกทีหนึ่ง ดังนั้นการพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสแก๊สจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่เพื่อดึงเอาความร้อนออกจากแก๊สร้อน

ได้ยินมาว่าในโรงงานแห่งหนึ่ง มีปัญหาเรื่องการระบายความร้อนจากแก๊ส ดังนั้นแทนที่จะได้ผงพอลิเมอร์กระโดยโลดเต้นไปมาในฟลูอิไดซ์เบด ผงพอลิเมอร์เหล่านั้นเมื่อกระทบกันก็เลยหลอมติดกัน สุดท้ายก็ได้รูปหล่อ reactor จากพอลิเมอร์ในเครื่องปฏิกรณ์หลอมติดกัน ทำให้โรงงานต้องหยุดเดินเครื่อง และส่งคนผูกเชือกหย่อนลงไปจากทางด้านบน แล้วค่อย ๆ ขุดเอาพอลิเมอร์ที่หลอมติดอยู่ข้างในนั้นออกมา ในการขุดนั้นก็ต้องระวังเหมือนกันว่ามีกระเปาะแก๊สเอทิลีนตกค้างอยู่ในก้อนพอลิเมอร์หรือเปล่า เพราะอาจทำให้เกิดการระเบิดได้ และการที่ต้องเอาเชือกผูกหย่อนลงไปจากด้านบนก็เพราะไม่รู้ว่าพอลิเมอร์ที่หลอมอุดตันอยู่นั้นจะพังถล่มลงมาเมื่อใด

เมื่อประมาณ 20 ปีที่แล้ว มีฝ่ายการตลาดมาเล่าให้ฟังว่าบริษัทคู่แข่งของเขาได้นำพอลิโพรพิลีน (PP) ที่ผลิตขึ้นมาเองออกขาย ซึ่งทางฝ่ายการตลาดนั้นก็ไม่เชื่อ คิดว่าบริษัทนั้นคงนำพอลิโพรพิลีนเข้ามาจากต่างประเทศ แล้วแบ่งบรรจุขายโดยไม่ได้ผลิตเอง เพราะขณะนั้นในบ้านเรายังไม่มีโรงงานผลิตพอลิโพรพิลีน

แต่ในขณะเดียวกันก็มีข้อมูลมาจากผู้ปฏิบัติงานระดับล่าง ที่มีเพื่อนทำงานอยู่ที่โรงงานดังกล่าว ก็กล่าวยืนยังว่ามีการผลิตพอลิโพรพิลีนจริง แต่ข้อมูลดังกล่าวก็ถูกปฏิเสธอีก โดยคิดว่าผู้ปฏิบัติงานระดับล่าง (ที่มีวุฒิแค่ ปวส. หรือ ปวช. และไม่มีความรู้ทางด้านเคมี) คงโดนคนระดับวิศวกรหลอกซะมากกว่า

ปัญหานี้ถูกส่งต่อมายังฝ่ายเดินเครื่องที่ผมทำงานอยู่ให้พิจารณาว่า เป็นไปได้ไหมที่โรงงานที่สร้างและออกแบบมาเพื่อผลิตพอลิเอทิลีนสามารถดัดแปลงเพื่อนำไปผลิตพอลิโพรพิลีนได้

หลังจากที่ได้พิจารณากันแล้ว ก็ได้คำตอบออกมาว่าน่าจะเป็นไป "ได้" โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับระบบที่เป็น slurry phase polymerisation (ซึ่งโรงงานนั้นก็เป็นอย่างนั้น)

แต่ในทางกลับกัน "ไม่" น่าจะเป็นไปได้หรือไม่คุ้มที่จะนำเอาโรงงานที่สร้างและออกแบบมาเพื่อผลิตพอลิโพรพิลีนมาดัดแปลงเพื่อนำไปผลิตพอลิเอทิลีน

สิ่งที่ใช้ตัดสินว่าได้หรือไม่ได้คือ "ความร้อนที่คายออกมา" จากการเกิดปฏิกิริยา

วิธีการผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นก็ใช้เทคนิคเดียวกันกับการผลิตพอลิเอทิลีน กล่าวคือมีทั้งการเกิดปฏิกิริยาในเฟสของเหลวและการเกิดปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส ต่างกันที่สารตั้งต้นที่ใช้และตัวทำละลายที่ใช้ ในกรณีของการผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นอาจใช้ตัวโพรพิลีนเองเป็นตัวทำละลายก็ได้ เพราะเราสามารถอัดโพรพิลีนให้เป็นของเหลว ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้โดยใช้ความดันไม่สูงมาก ไม่เหมือนกับเอทิลีนที่เราไม่สามารถทำให้เป็นของเหลว ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้

การเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์เซชันนั้นเป็นการสร้างพันธะ ซึ่งการสร้างพันธะนั้นจะมีการคายความร้อนออกมา เอทิลีนมีน้ำหนักโมเลกุลน้อยกว่าโพรพิลีน ดังนั้นเพื่อให้ได้พอลิเอทิลีนที่หนักเท่ากับพอลิโพรพิลีน การผลิตพอลิเอทิลีนจึงมีการเชื่อมต่อโมเลกุลมากกว่าการผลิตพอลิโพรพิลีน ความร้อนที่คายออกมาจึงมากกว่าตามไปด้วย ดังนั้นขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนจากการผลิตพอลิเอทิลีน จึงมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนจากการผลิตพอลิโพรพิลีน ดังนั้นถ้านำโรงงานที่ออกแบบมาเพื่อผลิตพอลิเอทิลีนมาผลิตพอลิโพรพิลีนก็จะไม่ต้องกังวลเรื่องระบายความร้อนไม่ทัน แต่ในทางกลับกันจะมีปัญหา

แต่เรื่องนี้ก็จบลงแบบไม่ค่อยดี รายละเอียดที่จะเล่าต่อไปนี้เป็นสิ่งที่ผมได้รับฟังมาจากผู้ที่เข้าไปสอบสวน ไม่ได้คุยกับคนที่ทำงานอยู่ที่นั่นในขณะนั้น ดังนั้นขอให้พึงพิจารณาความเป็นไปได้ของข้อมูลด้วย

กล่าวคือเข้าใจว่าด้วยการลองของใหม่ทำให้ประสบกับปัญหาเรื่องการให้ความร้อนแก่ระบบท่อ ระบบท่อมีการอุดตันเกิดขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิเย็นเกินไป จึงนั้นจึงทำเป็นต้องมีการปิดท่อที่มีปัญหาเพื่อนำเอาสิ่งที่อุดตันออก และเปิดใช้ท่อสำรองแทน

ตรงนี้สงสัยว่าคงไม่ได้มีการปิดกั้นการไหลอย่างเหมาะสมก่อนที่จะทำการถอดท่อออกมาทำความสะอาด แต่ที่ไม่พบการรั่วไหลใด ๆ เมื่อถอดท่อออกมานั้นเป็นเพราะพอลิเมอร์ที่อุดตันอยู่ในท่อทำให้ไม่มีแก๊สและตัวทำละลายใด ๆ รั่วออกมาทางปลายท่อที่เปิดอยู่ ทำให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าใจว่าวาล์วที่ควบคุมท่อนั้นปิดอยู่ แต่เมื่อเวลาผ่าน ก้อนพอลิเมอร์ที่อุดตันอยู่ก็ถูกแรงดันทำให้ค่อย ๆ เคลื่อนออกมาทางปลายท่อที่หลุดอยู่ ทำให้แก๊สและตัวทำละลายฟุ้งกระจายไปทั่วโรงงานก่อนเกิดการระเบิด งานนี้มีผู้เสียชีวิต 2 รายและบาดเจ็บสาหัส 5 รายซึ่งเป็นโอเปอเรเตอร์ที่ทำงานกะนั้นทั้งหมด

ผมมีโอกาสได้พบหนึ่งในผู้รอดชีวิตและพูดจาสอบถามเขาสั้น ๆ ว่าเขาเป็นผู้รอดชีวิตมาจากเหตุการณ์นั้นหรือ ซึ่งเขาก็ตอบว่าใช่ แต่จากสภาพที่เขารอดมาก็ทำให้ผมไม่กล้าซักถามอะไรอีก

อยากฝากข้อคิดให้กับผู้ที่คิดว่าต้องทุ่มเท ชีวิตทั้งชีวิต ครอบครัว เพื่อนฝูง ญาติพี่น้อง ฯลฯ ให้กับงานเพื่อประโยชน์ของ "ผู้ถือหุ้น" ว่า "ไม่ตาย ไม่พิการ เงินกับงานก็ยังหาได้"

พอลิเอทิลีน MO Memoir : Saturday 19 September 2552

เนื่องจากเห็นว่ากำลังจะมีคนที่ไม่ได้จบมาทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (พวก Ziegler-Natta หรือ Metallocene หรืออะไรทำนองนี้) กำลังจะไปทำวิจัยเกี่ยวกับเรื่องนี้ที่ต่างประเทศ บันทึกช่วยจำฉบับนี้ก็เลยขอขุดเอาความรู้เก่า ๆ ที่ไปเรียนมาสมัยที่ไปเรียนการเดินเครื่องโรงงานที่ญี่ปุ่นช่วงราวเดือน พฤษภาคม - มิถุนายน ๒๕๓๑ มาเล่าให้ฟัง

แต่เรื่องที่จะเล่าในวันนี้ไม่ได้เกี่ยวข้องอะไรกับตัวเร่งปฏิกิริยา แต่เกี่ยวข้องกับ โครงสร้างโมเลกุล คุณสมบัติต่าง ๆ และการนำไปใช้งานของพอลิเอทิลีน

ส่วนคนที่จะไปทำวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ทั้ง ๆ ที่ตัวเองก็ไม่ได้จบมาทางด้านนี้ก็ไม่ใช่เรื่องประหลาดอะไร ผมเชื่อเสมอว่าถ้าใครก็ตามได้เรียนรู้และเข้าใจหลักการในการคิดแล้วละก็ ไม่ว่าจะเป็นปัญหาใด ๆ ก็สามารถที่จะจัดการได้ การทำวิทยานิพนธ์เป็นเพียงการฝึกให้แก้ปัญหาเท่านั้น ความแตกต่างอยู่ตรงที่ว่าแต่ละคนมีโจทย์ให้แก้ที่ไม่เหมือนกัน

พอลิเอทิลีน (Polyethylene) หรือโพลีเอทิลีน (เรียกแบบเดิม) หรือที่เรียกย่อสั้น ๆ ว่า PE นั้นที่ใช้กันอยู่ในบ้านเรามีอยู่ด้วยกัน 3 ประเภทคือ

1. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (Low density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า LDPE
2. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำโครงสร้างเส้นตรง (Linear low density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า LLDPE และ
3. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (High density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า HDPE

พอลิเอทิลีนตัวแรกที่นำมาใช้งานกันนั้นคือ LDPE ค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิจัยของ ICI (Imperial Chemical Industry ของอังกฤษ) ในช่วงประมาณทศวรรษ 1930 (ในช่วงแรกนั้นยังไม่มีการจำแนกประเภท PE ออกเป็นพวกความหนาแน่นต่ำหรือสูง ก็เพราะว่ามันมีอยู่เพียงชนิดเดียว) ปฏิกิริยาการเกิด LDPE นั้นเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่กระตุ้นโดยใช้ initiator เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดที่ความดันสูงประมาณ 1500-3000 บรรยากาศ

กระบวนการสังเคราะห์ที่ใช้ความดันกับ initiator นี้สามารถสังเคราะห์พอลิเมอร์จากเอทิลีนได้ แต่ไม่สามารถใช้ตัวโมโนเมอร์ที่ใหญ่กว่า (พวกตั้งแต่โพรพิลีนขึ้นไป)

ต่อมาอีกประมาณ 20 ปีให้หลังในช่วงทศวรรษ 1950 ในระหว่างที่ทำการวิจัยเรื่องการสังเคราะห์อัลฟาแอลกอฮอล์ (แอลกอฮอล์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล -OH อยู่ที่ปลายโซ่ หรือที่ในตำราอินทรีย์เคมีเรียกว่า primary alcohol) Prof. Ziegler ได้ค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำการพอลิเมอร์ไรซ์เอทิลีนได้ที่อุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่า (เกิดที่ความดันบรรยากาศก็ได้)

อันที่จริงแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สังเคราะห์ HDPE นั้นมีอยู่ 2 ตระกูลด้วยกัน แต่ตระกูล Ziegler-Natta และ Metallocene นั้นได้รับความนิยมมากกว่าเพราะสามารถนำไปใช้พอลิเมอร์ของโอเลฟินส์ตัวที่ใหญ่กว่าเอทิลีนได้ (เช่นพอลิโพรพิลีน พอลิบิวทิลีน) แต่ของอีกตระกูลนั้น (ถ้าจำไม่ผิดน่าจะเป็นของ Phillips - ลองไปตรวจสอบดูด้วย) ทำได้แค่พอลิเอทิลีนเท่านั้น

ต่อมาได้มีการค้นพบว่าพอลิเอทิลีนที่ได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานี้มีความหนาแน่นสูงกว่าที่ได้จากกระบวนการเดิม จึงมีการแบ่งพอลิเอทิลีนออกเป็น 2 ประเภทโดยใช้เกณฑ์การแบ่ง 2 เกณฑ์คือความดันที่ใช้ในการผลิตและความหนาแน่นของพอลิเอทิลีนที่ได้

การแบ่งโดยใช้เกณฑ์ความดันในการผลิตจะเรียกพอลิเอทลีนแบบดั้งเดิมว่า High pressure polyethylene และเรียกพอลิเอทิลีนที่สังเคราะห์จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาว่า Low pressure polyethylene การเรียกแบบนี้จะเห็นในหนังสือรุ่นเก่า แต่ปัจจุบันจะไม่ใช้กันแล้ว จะนิยมแบ่งโดยใช้ความหนาแน่นเป็นเกณฑ์ โดยเรียกพอลิเอทลีนแบบดั้งเดิมที่ได้จากกระบวนการความดันสูงว่า Low density polyethylene และพวกที่สังเคราะห์จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ความทดันในการสังเคราะห์ที่ต่ำกว่าว่า High density polyethylene

สาเหตุที่ทำให้พอลิเอทิลีนที่ได้จากกระบวนการทั้งสองมีความหนาแน่นที่แตกต่างกันเป็นเพราะรูปร่างสายโซ่พอลิเมอร์ที่ได้นั้นแตกต่างกัน โครงสร้างสายโซ่โมเลกุลของ LDPE มีลักษณะเป็นกิ่งก้านทำให้สายโซ่โมเลกุล LDPE แต่ละสายโซ่อยู่ห่างจากกัน ส่วนโครงสร้างสายโซ่โมเลกุลของ HDPE มีลักษณะเป็นเส้นตรงที่มีกิ่งก้านน้อยกว่า ทำให้สายโซ่โมเลกุลของ HDPE แต่ละสายโซ่อยู่ใกล้ชิดกันมากขึ้น ช่องว่างระหว่างสายโซ่โมเลกุลจึงน้อยกว่า ทำให้ความหนาแน่นของ HDPEสูงกว่า

โดยปรกติแล้วในการสังเคราะห์ HDPE จะมีการผสมโอเลฟินส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเอทิลีนที่เรียกว่า co-monomerเข้าไปด้วย (เช่นพวก C3= C4= C6= และ C8=) co-monomer จะเป็นพวกที่มีพันธะคู่ C=C อยู่ที่ปลายโซ่ที่เรียกกันว่าอัลฟาโอเลฟินส์ (α-olefin) หรือ 1-โอเลฟินส์ (1-olefin) เพื่อปรับค่าความหนาแน่นของพอลิเมอร์ โดยอัลฟาโอเลฟินส์ที่เติมเข้าไปจะทำให้เกิดกิ่งยื่นออกมาจากสายโซ่พอลิเมอร์ ทำให้โมเลกุลพอลิเมอร์ไม่แนบชิดติดกัน ความหนาแน่นก็เลยลดลง ยิ่งใช้ co-monomer ตัวใหญ่ (ตั้งแต่ C6= ขึ้นไปเช่นเฮกซีนหรือออกทีน) ความหนาแน่นก็ยิ่งลดลงและอาจลดลงเหลือในระดับ LDPE ก็ได้ ซึ่งจะกลายเป็นพอลิเมอร์ที่เรียกว่า LLDPE

แบบจำลองสายโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์ทั้ง 3 แบบแสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง



รูปที่ 1 แบบจำลองสายโซ่โมเลกุลของ LDPE HDPE และ LLDPE

คุณสมบัติของพอลิเมอร์ที่ได้นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับรูปร่างกิ่งก้านโมเลกุล แต่ยังขึ้นอยู่กับความยาวของสายโซ่โมเลกุลด้วย การควบคุมความยาวสายโซ่โมเลกุลทำได้โดยการเติมไฮโดรเจนเข้าไปในระหว่างการพอลิเมอร์ไรซ์ โดยไฮโดรเจนจะทำหน้าที่เป็นตัวปิดการเจริญเติบโตของสายโซ่ ถ้าใส่ไฮโดรเจนมากก็จะได้สายโซ่สั้น ถ้าใส่ไฮโดรเจนน้อยก็จะได้สายโซ่ยาว

สรุปก็คือ ในการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนจะมีสารตั้งต้น 3 ตัวคือ เอทิลีน โอเลฟินส์ที่ใหญ่กว่าเอทิลีน และไฮโดรเจน ส่วนพอลิเมอร์ที่ออกมาจะมีคุณสมบัติอย่างไรก็ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของสาร 3 ตัวนี้ที่ป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์

ที่นี้ลองมาดูกันว่าความเป็นกิ่งก้านของโมเลกุลกับความยาวสายโซ่ของโมเลกุลส่งผลอย่างไรต่อคุณสมบัติของพอลิเอทิลีนที่ได้

เริ่มจากความยาวสายโซ่พอลิเมอร์ พอลิเมอร์ที่มีสายโซ่สั้นจะหลอมเหลวได้ง่ายกว่าพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวกว่า ส่วนพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่าและมีความหนืดมากกว่า ทั้งนี้เพราะความยาวสายโซ่โมเลกุลทำให้สายโซ่ต่างสายโซ่กันพันเข้าด้วยกันได้ พารามิเตอร์หนึ่งที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับความยาวสายโซ่คือค่า "ดัชนีการไหล - Melt Flow Index (MFI)"

ค่าดัชนีการไหลเป็นการวัดความสามารถในการไหลของพอลิเมอร์เมื่อมีแรงกด หลักการวัดคือนำเอาพอลิเมอร์มาให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด จากนั้นให้แรงกดตามที่กำหนดต่อพอลิเมอร์ เพื่อให้พอลิเมอร์ไหลผ่านรูที่มีขนาดที่กำหนด ในเวลาที่กำหนด (ขนาดของน้ำหนักกดต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนดโดยจะขึ้นอยู่กับพอลิเมอร์ว่ามีความหนืดมากน้อยเท่าใด พอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูงจะใช้น้ำหนักกดที่มากกว่าพอลิเมอร์ที่เหลวกว่า) จากนั้นทำการชั่งน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ไหลผ่านรูออกมา พอลิเมอร์ที่มีความหนืดต่ำจะไหลผ่านรูได้มากกว่าพอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูง

พอลิเมอร์ที่ไหลได้ง่ายนั้นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการขึ้นรูปแบบ Injection molding (การฉีดขึ้นรูปในแม่แบบ) เพราะทำให้พอลิเมอร์ไหลเข้าเต็มแม่แบบได้ง่าย และไม่ต้องใช้ความดันสูงในการฉีด ตัวอย่างชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยวิธีการนี้ได้แก่พวก ลังน้ำอัดลม ขัน ถัง กาละมัง ชิ้นงานที่มีความบางและแข็งต่าง ๆ เช่น ปลอกปากกา ฯลฯ พอลิเมอร์ที่ใช้ในการฉีดขึ้นรูปนั้นมักมีความแข็ง คงรูปได้ดี แต่รับแรงกระแทกได้ไม่ดี อาจแตกร้าวเมื่อมีแรงกระแทกได้

ส่วนการขึ้นรูปเป็นถุงพลาสติกหรือแผ่นฟิล์มต่าง ๆ นั้นต้องการพอลิเมอร์ที่มีความเหนียว (Film grade) เพราะถ้าเหลวเกินไปจะไม่สามารถเป่าขึ้นรูปได้ ดังนั้นในการเป่าขึ้นรูปจึงต้องการพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาว แต่การที่มีพอลิเมอร์สายโซ่ยาวเพียงอย่างเดียวจะทำให้อัดผ่านแม่แบบได้ยากเพราะพอลิเมอร์มีความหนืดสูง ดังนั้นในการผลิตจึงอาจต้องให้มีพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่สั้นผสมอยู่ด้วยเพื่อให้ทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นในการอัดผ่านแม่แบบ พอลิเมอร์สำหรับขึ้นรูปด้วยการเป่านั้นจะมีความเหนียว รับแรงกระแทกได้ดี มีความยืดหยุ่น แต่การคงรูปไม่ดี (เพราะมันอ่อนตัวเกินไป) ถ้าเอามาผลิตเป็นขวดก็จะได้ขวดที่ตั้งไม่ได้ ถ้าผลิตเป็นสายยางก็จะได้สายยางที่เมื่อไม่มีน้ำก็จะแบนแฟบ

ผลิตภัณฑ์บางอย่างเช่น ขวดน้ำ ขวดแชมพู สบู่เหลว กระป๋องน้ำมันเครื่อง สายยาง ฯลฯ ที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการอัดผ่านแม่แบบ (Extrusion) แล้วเป่าให้พองตัว (Blow molding) ต้องการพอเมอร์ที่คงรูปได้ (ขึ้นรูปเป็นขวดหรือกระป๋องแล้วสามารถตั้งได้ หรือเวลาที่ยกขวดเทน้ำ ขวดก็ต้องไม่พับลงมาเหมือนกับกรณีของน้ำดื่มบรรจุขวดพลาสติกขุ่นหลายยี่ห้อ) แต่ก็ต้องสามารถรับแรงกระแทกได้ในระดับหนึ่ง ไม่เช่นนั้นพอมีแรงกระแทกหน่อยเดียวภาชนะก็แตกออก ของที่บรรจุข้างในก็หกออกมาหมด พอลิเมอร์สำหรับการขึ้นรูปแบบนี้ก็ต้องมีคุณสมบัติที่อยู่ระหว่างพวก Injection grade และ Film grade

ความสามารถในการรับแรงของพอลิเมอร์และการทนต่อตัวทำละลาย จะขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ที่ส่งผลต่อค่า "ความหนาแน่น - Density" ของพอลิเมอร์ กิ่งก้านที่ยื่นออกมาจากสายโซ่หลักจะทำหน้าที่เป็นเสมือนสปริงรับแรงกระแทก ถ้าระยะห่างระหว่างสายโซ่เพิ่มขึ้นก็จะรับแรงกระแทกได้ดี แต่ระยะห่างที่เพิ่มมากขึ้นก็ทำให้ช่องว่างระหว่างสายโซ่มากขึ้นไปด้วย ตัวทำละลายที่มีขนาดโมเลกุลเล็กก็จะแทรกเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ได้ง่ายขึ้น ทำให้พอลิเมอร์ไม่ทนต่อตัวทำละลาย (พอลิเอทิลีนเกรดทำกระป๋องน้ำมันเครื่องสามารถใช้เก็บน้ำมันได้ แต่เกรดที่ทำเป็นถุงพลาสติกไม่สามารถใช้เป็นภาชนะบรรจุน้ำมันได้) การละลายพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลใกล้ชิดกันก็ทำได้โดยการใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้น เพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้สายโซ่พอลิเมอร์ขยายตัวแยกห่างจากกัน ช่องว่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น ตัวทำละลายจึงสามารถแทรกเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ได้

โดยทั่วไปค่าดัชนีการไหลและความหนาแน่นของพอลิเมอร์จะเปลี่ยนแปลงในทิศทางเดียวกัน กล่าวคือพอลิเอทิลีนที่มีค่าดัชนีการไหลสูงก็มักมีค่าความหนาแน่นสูงตามไปด้วย พวก Injection grade มักใช้พอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลสั้นและมีกิ่งก้านที่สั้นและ/หรือน้อย ในขณะที่พวก Film grade ต้องการพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลที่ยาวและมีกิ่งก้านที่มากกว่าและ/หรือยาวกว่า ส่วนพวก Blow molding เป็นขวดหรือกระป๋องนั้นเป็นพวกที่อยู่ตรงกลาง

การใช้งานบางอย่างนั้นอาจใช้ LDPE HDPE LLDPE หรือ PP แทนกันก็ได้ เช่นการนำไปทำเป็นถุงหูหิ้ว แต่บางงานบางตัวก็ไม่สามารถใช้ได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีของถุงพลาสติกใส่อาหาร เครื่องดื่มที่ร้อน ถุง LDPE จะเป็นถุงพลาสติกใส แต่ไม่สามารถใส่ของร้อนได้ (เช่นก๋วยเตี๋ยวน้ำร้อน ๆ) พลาสติกที่ทนน้ำร้อนได้คือ HDPE แต่ถุง HDPE จะเป็นถุงขุ่น ทำให้เมื่อใส่อาหารแล้วจะดูไม่ดี ผู้ซื้อมักไม่ชอบเลือกซื้อของที่มองไม่เห็นสิ่งที่อยู่ในถุง ถุงพลาสติกที่ใสและทนน้ำร้อนได้คือ PP ซึ่งจะใสเหมือน LDPE แต่ตาเปล่าจะไม่สามารถบอกความแตกต่างระหว่างถุงพลาสติกที่ทำจาก LDPE และ PP ได้ วิธีการง่าย ๆ ในการแยกแยะว่าเป็นแบบไหนคือการใช้เทคนิคอินฟราเรด กล่าวคือ PP จะมีการดูดกลืนคลื่นแสงของหมู่เมทิล (-CH3) ในขณะที่ PE จะมีน้อยมากหรือไม่เห็นเลย

ในบางครั้งความรู้สึกของคนก็อยู่เหนือผลการทดสอบ เคยมีการนำเสนอว่าถ้าเราใช้พอลิเมอร์ที่มีความเหนียวมากขึ้นมาทำเป็นถุงหูหิ้ว ก็จะทำให้ทำถุงที่บางลงได้โดยที่ยังสามารถรับน้ำหนักของได้เท่าเดิม ดังนั้นจึงเป็นการลดปริมาณพลาสติกที่ใช้ในการเป่าถุงและลดต้นทุนการผลิตถุง แต่พอเอาเข้าจริงปรากฏว่าผู้บริโภคตัดสินว่าถุงใดมีความแข็งแรงมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับความหนาของถุง ดังนั้นถ้าเปลี่ยนพอลิเมอร์ที่ใช้ทำถุงเป็นพอลิเมอร์ที่เหนียวมากขึ้น ทำให้ทำถุงหูหิ้วได้บางลงโดยที่ยังรับน้ำหนักได้เท่าเดิม ผู้บริโภคก็ต้องขอถุงหูหิ้วซ้อนกับ 2 ใบอยู่ดี ซึ่งผู้ขายก็ต้องให้ตามนั้นมิฉะนั้นจะโดนมองว่าขี้เหนียวแม้กระทั่งถุงพลาสติกใบเดียว

ว่าแต่ว่าวันนี้คุณได้ลดการใช้ถุงพลาสติกลงบ้างแล้วหรือยัง

ความดันกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี MO Memoir : วันอาทิตย์ที่ ๑๓ กันยายน ๒๕๕๒

ในการทำปฏิกิริยาเคมีนั้น " ความดัน" เป็นปัจจัยหนึ่งที่เราสามารถเปลี่ยนแปลงเพื่อทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่ต้องการได้ แต่การเปลี่ยนแปลงความดันจะส่งผลในแง่ใด และมากน้อยเพียงใดนั้น ขึ้นอยู่กับภาวะการทำปฏิกิริยาและตัวแปรอื่นที่สามารถปรับเปลี่ยนไปได้เมื่อความดันของระบบเปลี่ยนไป เนื่องจากหนึ่งในสมาชิกของกลุ่มเรากำลังจะทำการทดลองโดยมีการเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ ดังนั้น Memoir ฉบับนี้จึงขอกล่าวถึงเรื่องผลของความดันที่จะมีต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี

1. ผลของความดันต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในเฟสแก๊ส

สำหรับปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลต่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊ส ถ้าระบบมีความดันลดลง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สในระบบก็จะเพิ่มขึ้น โอกาสที่โมเลกุลจะชนกันเพื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีก็จะลดลง ในทางกลับกันถ้าระบบมีความดันเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สในระบบก็จะลดลง โอกาสที่โมเลกุลจะชนกันเพื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ดังนั้นในกรณีของการเกิดปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส ผลของการเปลี่ยนความดันที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเห็นได้ชัด

ตรงนี้ขอย้ำไว้นิดนึงว่าอย่าสับสนเรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับค่าคงที่สมดุลเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีแปรเปลี่ยนตามอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารตั้งต้นและ/หรือผลิตภัณฑ์ แต่ค่าคงที่สมดุลเคมีจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีทั้งของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะเพิ่มสูงขึ้นทั้งคู่ ส่วนค่าคงที่สมดุลเคมีจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับว่าเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน

2. ผลของความดันต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในเฟสของเหลว

ในกรณีของปฏิกิริยาในเฟสของเหลวนั้นจะแตกต่างไปจากในกรณีของเฟสแก๊ส ของเหลวนั้นถูกอัดตัวได้น้อยมาก (หรืออาจถือได้ว่าไม่ถูกอัดตัวถ้าความดันเปลี่ยนแปลงไม่สูงมาก) ดังนั้นในกรณีที่สารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ทั้งหมดอยู่ในเฟสของเหลว การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่ส่งผลให้เห็นเด่นชัดต่อการเกิดปฏิกิริยาถ้าหากว่าอุณหภูมิของระบบไม่ได้เปลี่ยนแปลงไป

แต่ถ้ามีสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในเฟสแก๊ส หรือมีผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่งที่เป็นแก๊ส หรือเป็นสารที่ระเหยออกมาจากเฟสของเหลวได้ง่าย การเปลี่ยนแปลงความดันสามารถส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาได้ สิ่งที่เราคาดการณ์ได้ก็คือถ้าเราเพิ่มความดันเหนือผิวของเหลวให้สูงขึ้น ในกรณีของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส สารตั้งต้นนั้นก็น่าจะละลายเข้าไปในเฟสของเหลวได้มากขึ้น ดังนั้นปฏิกิริยาเคมีน่าจะเกิดดีขึ้น แต่ถ้าได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็นแก๊ส การเพิ่มความดันน่าจะลดการระเหยของผลิตภัณฑ์ออกมาจากเฟสของเหลว ทำให้มีผลิตภัณฑ์ละลายอยู่ในเฟสของเหลวมากขึ้น และอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับหรือปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการได้มากขึ้น

สิ่งที่กลุ่มเรากำลังทำการทดลองอยู่ในขณะนี้เป็นกรณีที่เป็นของเหลว 2 เฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน กล่าวคือเป็นกรณีของเฟสน้ำกับไฮโดรคาร์บอน ซึ่งจะว่าไปแล้วความสามารถในการละลายเข้าไปในเฟสน้ำของไฮโดรคาร์บอนหรือการละลายของเฟสน้ำเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมีนัยสำคัญตามความดันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงความดันจึงไม่ควรส่งผลใด ๆ ต่อการเกิดปฏิกิริยาให้เห็น (ซึ่งป๋อมก็ได้ทดลองมาก่อนหน้านี้แล้วที่เยอรมัน ในกรณีของน้ำกับเบนซีน)

ในกรณีของเฟสของเหลว 2 เฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน การเปลี่ยนแปลงความดันก็สามารถทำให้เราปรับแต่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ โดยการไปปรับเปลี่ยนปัจจัยอื่นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อความดันเปลี่ยนไป และปัจจัยหนึ่งที่เราจะทำกันก็คือเปลี่ยนแปลง "อุณหภูมิ" การทำปฏิกิริยา

3. ผลของอุณหภูมิต่อการเกิดปฏิกิริยาในกรณีของเฟสของเหลวสองเฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน

กรณีที่จะยกมาเป็นตัวอย่างในที่นี้คือกรณีของน้ำ (หรือสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) กับไฮโดรคาร์บอน (เบนซีนหรือโทลูอีน)

ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์เบนซีนไปเป็นฟีนอลนั้น เราทำการผสมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (เฟสน้ำ) และเบนซีนเข้าด้วยกัน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาแขวนลอยอยู่ในเฟสน้ำ เนื่องจากเบนซีนมีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจึงถูกจำกัดด้วยจุดเดือดของเบนซีน (จำกัดไว้ที่ประมาณ 78°C) ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาใด ๆ ที่ต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีน เราพบว่าการเกิดปฏิกิริยาจะสูงขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้สูงขึ้น สาเหตุหลักเชื่อว่าเป็นเพราะเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น เบนซีนจะละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้ดีขึ้น (เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงตึงผิวของน้ำจะลดลง พวกไขมันหรือสารประกอบไม่มีขั้วต่าง ๆ จะละลายน้ำได้มากขึ้น เหมือนกับการซักผ้าในน้ำร้อน หรือแต่ก่อนจะทำการต้มผ้าเพื่อทำความสะอาด เพื่อจัดการกับคราบสกปรกที่ซักออกยาก) แต่เมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงกว่าจุดเดือดของเบนซีน อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นศูนย์ เนื่องจากเบนซีนระเหยกลายไปไอออกมาจากเฟสน้ำจนหมด

การทดลองเพิ่มความดันของระบบโดยไม่เพิ่มอุณหภูมินั้นผลการทดลองของป๋อมก็ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าไม่ส่งผลใด ๆ ต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี แต่ถ้าหากเราเพิ่มความดันแล้วเพิ่มอุณหภูมิตามไปด้วย เราก็น่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น เพราะเมื่อความดันสูงขึ้นก็จะทำให้จุดเดือดของเบนซีนเพิ่มสูงขึ้นไปด้วย จึงทำให้ยังคงมีเบนซีนละลายอยู่ในเฟสน้ำ

ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์โทลูอีนไปเป็นครีซอลนั้นก็คล้ายกับกรณีที่กล่าวมาข้างต้น แต่ในที่นี้โทลูอีนมีจุดเดือดสูงกว่าน้ำ การเพิ่มความดันของระบบก็เพื่อเพิ่มอุณหภูมิจุดเดือดของน้ำให้สูงขึ้น ซึ่งก็คาดว่าน่าจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากตามไปด้วย

ข้อสังเกตหนึ่งที่เราได้ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์โทลูอีนไปเป็นครีซอลค่าการเลือกเกิดของผลิตภัณฑ์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ในกรณีที่พื้นผิวเต็มไปด้วยโทลูอีน การเกิดเป็นครีซอลจะเกิดได้มาก (โดยเฉพาะ p-cresol ที่เกิดได้ดีกว่า o-cresol) แต่ถ้าพื้นผิวมีความเข้มข้นของโทลูอีนลดลง ครีซอลที่เกิดจะกลายเป็น o-cresol แทนการเกิด p-cresol หรือไม่ก็ไปเกิดเป็น benzaldehyde แทน (การเกิดเป็น benzaldehyde นั้นต้องการไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์มากกว่าการเกิดครีซอลถึงสองเท่า ดังนั้นถ้าพื้นผิวมีโมเลกุลไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์มาก โอกาสที่จะเกิด benzaldehyde ก็จะมากตามไปด้วย)

ดังนั้นถ้าพิจารณาจากปัจจัยด้านการละลายของโทลูอีนเข้าไปในเฟสน้ำแล้วเพียงด้านเดียวแล้ว เราก็จะคาดการณ์ได้ว่าเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้สูงขึ้น (ซึ่งจะทำได้โดยการเพิ่มความดันของระบบให้สูงขึ้นก่อน) เราก็จะสามารถทำการทดลองในช่วงที่อุณหภูมิสูงเกินกว่า 100°C ได้ ซึ่งน่าจะทำให้โทลูอีนสามารถละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้มากขึ้น ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะเพิ่มมากตามไปด้วย ดังนั้นการเลือกเกิดเป็นครีซอลก็น่าจะเพิ่มขึ้นตามไป

แต่การเพิ่มอุณหภูมิก็ส่งผลทางลบต่อการเกิดปฏิกิริยาเช่นเดียวกัน โดยไปเพิ่มการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และไปเร่งการเกิดเป็น benzaldehdye ผลการทดลองที่นิสิตกลุ่มเราที่จบไปแล้วที่ทำไว้ในช่วงอุณหภูมิ 70°C และ 95°C ที่สัดส่วนโดยโมลของโทลูอีนต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์คือ 1:1 (โทลูอีน 1 ml ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 1 ml และน้ำ 40 ml) แสดงให้เห็นว่าปัจจัยหลังนี้ให้ผลที่มากกว่าปัจจัยแรก (การละลายของโทลูอีนที่เพิ่มมากขึ้น) จึงทำให้เห็นว่าเกิด benzaldehyde มากขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้น

แต่เราก็ยังอาจทำการปรับแต่งได้โดยการเพิ่มปริมาณโทลูอีนในระบบให้สูงขึ้น ผลการทดลองที่เรามีอยู่นั้น (ที่สัดส่วนโดยโมลของโทลูอีนต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์คือ 2:1 หรือโทลูอีน 2 ml ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 1 ml และน้ำ 40 ml) แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มปริมาณโทลูอีนในระบบให้สูงขึ้นจะไปลดการเกิด benzaldehyde ได้ ทั้งนี้เป็นเพราะการเพิ่มโทลูอีนเข้าไปในระบบทำให้ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยามีมากขึ้น แต่การที่ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นนี้คาดว่าไม่ได้เป็นผลมาจากการที่ความสามารถในการละลายของโทลูอีนเข้าไปในเฟสน้ำเพิ่มขึ้น แต่เป็นผลจากการที่อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีโอกาสมากขึ้นที่จะถูกเหวี่ยงมาสัมผัสโดยตรงกับหยดโทลูอีนเหลวที่แขวนลอยอยู่ในเฟสน้ำ (ความสามารถในการละลายของไฮโดรคาร์บอนเข้าไปในเฟสน้ำขึ้นกับอุณหภูมิ ไม่ได้ขึ้นกับปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่มากเกินกว่าที่จะละลายเข้าไปได้)

ตอนนี้คิดว่าผู้ที่กำลังจะทำการทดลองคงเห็นภาพแล้วว่าผมกำลังคิดอะไรอยู่ ส่วนผลลัพท์จะออกมาเป็นอย่างไรนั้นก็ต้องคอยดูกันต่อไป

ลมข้าวเบา ตะวันอ้อมข้าว ฤกษ์ดาวโจร MO Memoir : วันอาทิตย์ที่ ๑๓ กันยายน ๒๕๕๒

บทสนทนาเมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา

ผม : วันนี้มาจอดรถมุมนี้ไม่กลัวแดดส่องทั้งวันหรือครับ
เพื่อนร่วมงาน : ไม่หรอกครับ เดี๋ยวก็ร่มแล้ว ช่วงนี้ "ตะวันอ้อมข้าว" แล้ว
ผม : ไม่ได้ยินคนพูดคำนี้มานานแล้ว เดี๋ยวนี้คนรุ่นใหม่คงไม่รู้จักกันแล้วมั้ง

บทสนทนาในเช้าวันนั้นทำให้ผมนึกถึงคราวที่ได้คุยกับอาจารย์ผู้ใหญ่ท่านหนึ่ง เกี่ยวกับชีวิตและประสบการณ์ของท่านในอดีตที่ผ่านมา ซึ่งก็เกิดขึ้นในช่วงปลายฝนต้นหนาว และยังนึกไปถึงเรื่องราวสมัยที่ยังทำงานก่อสร้างโรงงานที่มาบตาพุด

มีบางครั้งเหมือนกันที่วิถีชีวิตของคนไทย ส่งผลต่อผู้ที่ทำงานโรงงานอุตสาหกรรมปิโตรเคมีกับโรงกลั่นน้ำมัน

แต่ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับความหมายของคำว่า "ลมข้าวเบา" "ตะวันอ้อมข้าว" และ "ฤกษ์ดาวโจร" ทั้งสามคำนี้ก่อนจะดีกว่า

1. ลมข้าวเบา

"ลมข้าวเบา" มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า "ลมว่าว" ลมนี้เป็นลมเย็นที่พัดจากทางเหนือมาตามลุ่มแม่น้ำเจ้าพระยา หรือจากทิศเหนือไปสู่ทิศใต้ในฤดูหนาว โดยจะเกิดระหว่างเดือนกันยายนถึงพฤศจิกายน ซึ่งเป็นระยะมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือพัดปกคลุมประเทศไทย สาเหตุที่เรียกว่า "ลมข้าวเบา" เป็นเพราะลมนี้เกิดในระยะเก็บเกี่ยวข้าวเบา (ข้าวเบาคือข้าวที่ให้ผลเร็วซึ่งจะเก็บเกี่ยวในเดือนสิบสองทางจันทรคติ)

2. ตะวันอ้อมข้าว

ช่วงที่เกิดตะวันอ้อมข้าว จะเป็นช่วงที่ข้าวกำลังสุกพอดี ตำนานเลยกล่าวว่า เมื่อพระเเม่โพสพกำลังตั้งท้อง คือ ข้าวตั้งท้อง พระอาทิตย์แสดงความเคารพคือไม่เดินข้ามศีรษะของพระเเม่โพสพจึงเดินอ้อมแทน
ในช่วงหน้าร้อนนั้นเราจะเห็นดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออก เคลื่อนผ่านเหนือศีรษะและตกทางทิศตะวันตก แต่พอย่างเข้าหน้าหนาวจะเห็นว่าเมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออกแล้ว จะเคลื่อนสูงขึ้นโดยเฉียงไปทางทิศใต้ก่อนที่จะตกทางทิศตะวันตก ในทางดาราศาสตร์ช่วงที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนไปทางใต้มากที่สุดตรงกับช่วงหน้าหนาว ราววันที่ 22 ธันวาคมของทุกปี ซึ่งเป็นวันที่กลางวันสั้นที่สุดและกลางคืนยาวที่สุด ในวันนั้นเส้นรุ้งที่ 23.5 องศาใต้หรือ Tropic of Capricorn จะตั้งฉากกับดวงอาทิตย์
การที่ดวงอาทิตย์ไม่ตรงศีรษะในตอนเที่ยง จึงดูเหมือนว่าดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออกแล้วอ้อมไปทางใต้ไปตกทางทิศตะวันตก โดยไม่ข้ามต้นข้าวในนา จึงเรียกว่าตะวันอ้อมข้าว


3. ฤกษ์ดาวโจร

ดาวโจรหรือที่ฝรั่งเรียกว่าดาวซิริอุส (Sirius) เป็นดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดในตอนกลางคืน (ดาวเคราห์ที่สว่างที่สุดคือดาวศุกร์ รองลงไปคือดาวพฤหัสบดี) สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า มีค่าระดับความสว่างอยู่ที่ -1.47 (ตัวเลขยิ่งติดลบมากก็จะยิ่งสว่างมาก)
ดาวซิริอุสอยู่ในกลุ่มดาวสุนัขใหญ่ (Canis Major เป็นภาษาละตินที่แปลว่าสุนัขใหญ่) ส่วนกลุ่มดาวนี้อยู่ตรงไหนให้ลองมองหากลุ่มดาวไถให้เจอก่อน (ของฝรั่งจะเป็นกลุ่มดาวนายพรานหรือ Orion) กลุ่มดาวสุนัขใหญ่จะอยู่ถัดจากกลุ่มดาวไถ
กลุ่มดาวนี้เราไม่สามารถมองเห็นได้ตลอดทั้งปี พอพ้นช่วงหน้าร้อนก็จะมองไม่เห็น และกลับมาปรากฏใหม่ในช่วงใกล้ปลายปี ซึ่งเป็นช่วงเก็บเกี่ยวข้าว ซึ่งในเวลานั้นชาวนาจะเก็บเกี่ยวและขายข้าวได้ ทำให้มีเงินเก็บไว้ในบ้าน (สมัยก่อนนี้ยังไม่มีธนาคาร) ดังนั้นเมื่อดาวดวงนี้ปรากฏขึ้นบนท้องฟ้าจึงเป็นเสมือนเวลาที่บ้านชาวนาแต่ละหลังมีเงินเก็บอยู่ในบ้านแล้ว โจรผู้ร้ายจึงใช้การปรากฏของดาวดวงนี้เป็นสัญญาณบอกให้เริ่มฤดูการแห่งการปล้น

ช่วงปลายปีหรือช่วงเวลาที่เข้าหน้าหนาวของแต่ละปี จะเป็นช่วงเวลาเก็บเกี่ยวข้าว ผู้มีอาชีพเกษตรกรรมจำนวนไม่น้อยหลังจากที่ทำการปลูกข้าวแล้วก็จะไปขายแรงงานตามที่ต่าง ๆ นอกภูมิลำเนาของตน และเมื่อถึงเวลาเก็บเกี่ยวก็จะเดินทางกลับ การทำงานเกี่ยวกับผลิตผลทางการเกษตรนั้นจะใช้ปฏิทินหรือกำหนดเวลาการทำงานตามแบบราชการหรือบริษัทไม่ได้ เมื่อถึงเวลาเก็บเกี่ยวก็ต้องเก็บเกี่ยว จะผลัดผ่อนไว้เป็นวันถัดไปหรือสัปดาห์หน้าก็ไม่ได้ ช่วงเวลานี้ผู้ที่เดินทางไปขายแรงงานนอกพื้นที่ก็จะเดินทางกลับภูมิลำเนาของตนเองเพื่อไปเกี่ยวข้าว
ผมเห็นเหตุการณ์นี้ครั้งแรกเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๓๑ กับรุ่นพี่โยธาที่คุมการก่อสร้างโรงงาน พอถึงเวลาเกี่ยวข้าวกลุ่มแรงงานก่อสร้างก็จะเดินทางกลับบ้านกัน จะให้ค่าแรงเพิ่มขึ้นเขาก็ไม่ยอมอยู่ ถ้ามีงานก่อสร้างใดเร่งด่วนเข้ามาในช่วงนี้ก็จะไม่คืบหน้า งานนี้ก็ได้แต่รอว่าแรงงานจะกลับมาทำงานเมื่อใด
ครั้งที่สองเกิดขึ้นเมื่อสัก ๑-๒ ปีที่ผ่านมา มีคนมาถามเรื่องต้องการหาแรงงานเพื่อไปทำงานทำความสะอาดถังเก็บน้ำมันของโรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่ง ผมก็ถามกลับไปว่าตอนนี้มีปัญหาเรื่องแรงงานกลับไปเกี่ยวข้าวหมดใช่ไหม เขาก็ถามกลับมาว่ารู้ได้อย่างไร ก็เลยเล่าเรื่องข้างต้นให้ฟัง

หวังว่าเรื่องนี้คงเป็นประโยชน์กับคนที่อาจต้องไปทำงานร่วมกับผู้ใช้แรงงานบ้าง จะได้พึงระวังช่วงเวลาที่อาจมีปัญหาในการหาแรงงานมาทำงาน

ดำหรือขาว MO Memoir : วันพุธที่ ๑๙ สิงหาคม ๒๕๕๒

ลองตอบคำถามต่อไปนี้ทีละข้อก่อนที่จะอ่านคำถามข้อต่อไป คำตอบไม่จำเป็นต้องเขียนออกมา เก็บเอาไว้ในใจก็พอ คำถามเหล่านี้ผมใช้ถามนิสิตที่เรียนวิชาปฏิบัติการเคมีวิเคราะห์ในเรื่องสเปกโตรสคปีเกี่ยวกับ FT-IR เพื่อทดสอบความเข้าใจเรื่องการดูดกลืนและการเปลี่ยนรูปของพลังงานแสง

ข้อ ๑.๑ ถ้าคุณนั่งอยู่ในห้องริมหน้าต่างที่มีแดดส่องเข้ามาทางหน้าต่างโดนตัวคุณ ระหว่างการไม่ติดผ้าม่านกันแดดและการติดผ้าม่านกันแดด แบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๑.๒ ถ้าคุณนั่งอยู่ในห้องริมหน้าต่างที่มีแดดส่องเข้ามาทางหน้าต่างโดนตัวคุณ ระหว่างการติดผ้าม่านสีขาวกันแดดและการติดผ้าม่านสีดำกันแดด แบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๒. ถ้าคุณนั่งอยู่ในรถที่ปิดกระจก ระหว่างรถที่กระจกไม่ติดฟิล์มกันแดดและรถที่ติดฟิล์มกันแดดสีดำ ถ้ารถตากแดด กระจกแบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๓.๑ ถ้าคุณต้องอยู่กลางแดด ระหว่างการใส่เสื้อสีดำกับเสื้อสีขาว ใส่เสื้อสีไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๓.๒ ถ้าคุณต้องอยู่กลางแดด ระหว่างการใส่เสื้อสีดำกับเสื้อสีขาว ใส่เสื้อสีไหนจะป้องกันผิวหนังคุณจากแสงแดดได้ดีกว่ากัน

ข้อ ๔.๑ คำตอบของคุณในข้อ ๒ และ ๓.๑ เหมือนกันไหม ถ้าคำตอบเหมือนกันก็แล้วไป แต่ถ้าคำตอบของคุณแตกต่างกัน คุณจะให้เหตุผลอย่างไร

ข้อ ๔.๒ คำตอบของคุณในข้อ ๓.๑ และ ๓.๒ เหมือนกันไหม ถ้าคำตอบเหมือนกันก็แล้วไป แต่ถ้าคำตอบของคุณแตกต่างกัน คุณจะให้เหตุผลอย่างไร

คำถามเหล่านี้มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน คือสิ่งที่มาขวางกันระหว่างตัวคุณกับแสงแดดคือสิ่งที่ดูดกลืนแสงแดดได้น้อย (ผ้าขาวหรือกระจกใส) หรือสิ่งที่ดูดกลืนแสงแดดได้มาก (ผ้าดำหรือกระจกติดฟิล์ม) แล้วคำตอบของคุณแต่ละข้อเหมือนกันไหม

โดยปรกติแล้วเมื่ออะตอมหรือโมเลกุลรับโฟตอนเข้าไป จะทำให้อะตอมหรือโมเลกุลนั้นถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานสูงขึ้นไปอยู่ที่สถานะถูกกระตุ้น (excited state) อะตอมหรือโมเลกุลนั้นจะคายพลังงานออกมาเพื่อกลับคือสู่สถานะพื้นฐาน (ground state) ตามเดิม ถ้าพลังงานที่รับเข้าไปนั้น

ก) คายออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานเท่าเดิม ก็จะไม่เห็นการดูดกลืนคลื่นแสง

ข) คายออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าจำนวนหลายตัว ก็จะเกิดปรากฏการณ์เรืองแสง เช่นในกรณีของสารที่เคลือบผิวหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่รับโฟตอนที่มีพลังงานในระดับอัลตร้าไวโอเล็ต และคายออกมาในรูปของโฟตอนในช่วงแสงที่ตามองเห็น (พลังงานต่ำกว่า)

ค) เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานเคมี โดยเปลี่ยนสารที่มีพลังงานต่ำให้กลายเป็นสารที่มีพลังงานสูงขึ้น เช่นในกรณี การสังเคราะห์แสงของใบไม้ที่เปลี่ยนน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นน้ำตาล หรือการทำให้โมเลกุลแตกตัวออก

ง) เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานความร้อน

การที่เราเห็นสิ่งของมีสีต่าง ๆ นั้นเป็นเพราะอะตอมหรือโมเลกุลดูดกลืนคลื่นแสงในบางช่วงคลื่นเอาไว้ สีที่เรามองเห็นคือสีที่ไม่ถูกดูดกลืน คลื่นแสงที่หายไปจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานเคมีหรือพลังงานความร้อน

ดังนั้นกระจกใสหรือผ้าขาว จะยอมให้แสงผ่านได้มากกว่ากระจกติดฟิล์มดำหรือผ้าดำ แต่กระจกดำหรือผ้าดำจะเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อนได้มากกว่ากระจกใสหรือผ้าขาว

ทีนี้ลองพิจารณาคำถามต่อไปนี้

ข้อ ๕.๑ ถ้าคุณจุดเตาแก๊สหุงต้ม ระหว่างเปลวไฟสีฟ้ากับเปลวไฟสีแดง เปลวไฟสีไหนให้แก๊สที่มีอุณหภูมิสูงกว่ากัน

ข้อ ๕.๒ ถ้าคุณนั่งอยู่ข้างกองไฟ ระหว่างกองไฟที่มีเปลวไฟสีฟ้ากับเปลวไฟสีแดง เปลวไฟสีไหนทำให้คุณรู้สึกร้อนมากกว่ากัน

ข้อ ๖. รังสีในช่วงไหนที่ทำให้คุณรู้สึกร้อน และรังสีในช่วงไหนที่เป็นอันตรายต่อผิวหนังของคุณ

รังสีที่ทำให้เรารู้สึกร้อนนั้นคือรังสีอินฟราเรด รังสีอินฟราเรดมีพลังงานต่ำกว่าแสงช่วงตามองเห็นหรือรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต เปลวไฟสีแดงนั้นมีอุณหภูมิเปลวไฟต่ำกว่าเปลวไฟสีฟ้า แต่จะแผ่รังสีอินฟราเรดรุนแรงกว่า จึงทำให้เรารู้สึกร้อนมากกว่า ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไปเวลาอยู่ใกล้เตาถ่านที่ร้อนแดงจะรู้สึกร้อนมากกว่าเมื่ออยู่ใกล้เตาแก๊สที่มีเปลวไฟสีฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงมากขึ้นไปอีกเช่นรังสีเอ็กซ์หรือรังสีแกมม่า ไม่ได้ทำให้เรารู้สึกร้อน แต่พลังงานระดับนั้นไปทำให้โมเลกุลแตกตัวออกเป็นอนุมูลอิสระ

ถึงตอนนี้แล้วถ้าคุณกลับไปตอบคำถามข้างต้นใหม่ คุณยังคงคำตอบเดิมเอาไว้ไหม

คำตอบของคำถามต่าง ๆ ข้างต้นไม่มีให้ ขอให้ลองพิจารณาไตร่ตรองด้วยตนเองหรือปรึกษากับเพื่อน ๆ ในกลุ่มดู