วันอังคารที่ 22 ธันวาคม พ.ศ. 2552

ฟลูออรีนหายไปไหน MO Memoir : Monday 21 December 2552

ในการอ่านตำรานั้น ผู้อ่านมักสนใจแต่ว่าเนื้อหาในตำรานั้นมีอะไรบ้าง ซึ่งตำราแต่ละเล่มนั้นจะเน้นไม่เหมือนกัน และตัวผู้เรียนเองก็มักต้องการมีตำราเพียงเล่มเดียวที่ครอบคลุมเนื้อหาการเรียนทั้งหมดในวิชานั้น แต่การอ่านตำราหลาย ๆ เล่มและพึงสังเกต ก็อาจทำให้เห็นในบางสิ่งที่ตำราทุกเล่ม (หรือเกือบทุกเล่ม) "ไม่ได้เขียน" เอาไว้ หรือ "ละ" เอาไว้โดยไม่มีการกล่าวถึง ในที่นี้จึงขอยกปฏิกิริยาหนึ่งที่หายไปจากตำราอินทรีย์เคมีมาเป็นตัวอย่าง

ในวิชาเคมีอินทรีย์หรือในตำราเคมีอินทรีย์นั้น สารประกอบอินทรีย์ตัวแรกที่เรียน/กล่าวถึงกันก็คือ อัลเคน (alkane) ซึ่งเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว และปฏิกิริยาเคมีปฏิกิริยาแรก ๆ ที่มักเรียนกันก็คือปฏิกิริยาการเติมฮาโลเจนของอัลเคน (halogenation of alkane)

ในตำราจะกล่าวไว้เหมือน ๆ กันว่าในภาวะปรกติอัลเคนจะไม่ทำปฏิกิริยากับฮาโลเจน แต่จะทำปฏิกิริยาได้ก็ต่อเมื่อมีแสงแดด (อันที่จริงก็รังสี UV ในแสงแดดนั่นแหละ) หรือให้ความร้อน ซึ่งแสงแดดหรือความร้อนนั้นจะไปทำให้โมเลกุลฮาโลเจนแตกตัวออกเป็นอะตอม (สมการ 1) จากนั้นอะตอมฮาโลเจนจึงไปแทนที่อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลอัลเคน กลายเป็นสารประกอบอัลคิลเฮไลด์และ HX (สมการ 2)

Br2 --> 2Br (1)
H3C-CH3 + 2Br --> H3C-CH2Br + HBr (2)

สารอินทรีย์ตัวที่สองที่มักเรียนกันคืออัลคีน (alkene) หรืออันที่จริงก็คือพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอน C=C พันธะ C=C นี้มีความว่องไวในปฏิกิริยาการเติมฮาโลเจนสูงกว่าพันธะเดี่ยว C-C ดังนั้นเมื่อพันธะคู่นี้เจอกับโมเลกุลฮาโลเจน โมเลกุลฮาโลเจนก็จะเข้าไปที่ตำแหน่งพันธะคู่ C=C ดังกล่าวได้ทันที (โดยไม่ต้องแตกตัวเป็นฮาโลเจนอะตอมก่อน) และเปลี่ยนพันธะคู่ C=C ให้กลายเป็นพันธะเดี่ยว C-C โดยไม่มีการเกิดสารประกอบ HX (สมการ 3)

H2C=CH2 + Br2 --> H2BrC-CH2Br (3)

ปฏิกิริยาการเติมฮาโลเจนเข้าไปที่พันธะคู่ได้โดยไม่ต้องมีแสงแดดหรือความร้อนนั้น (สมการ 3) ถูกใช้เป็นปฏิกิริยาแยกแยะความแตกต่างระหว่างอัลเคนและอัลคีน กล่าวคืออันคีนสามารถทำปฏิกิริยาได้โดยไม่ต้องเอาไปตากแดด แต่อัลเคนจะเกิดการฟอกสีก็ต่อเมื่อเอาไปตากแดด

ที่น่าสนใจคือในปฏิกิริยากับฮาโลเจนนี้ ไม่ว่าจะเป็นบทอัลเคนหรืออัลคีน หรือไม่ว่าจะเป็นตำราไหนก็ตาม มักจะยกตัวอย่างโดยใช้คลอรีน (Cl2) กับโบรมีน (Br2) เป็นตัวแทนฮาโลเจน ในการเรียนปฏิบัติการนั้นก็จะใช้สารละลาย Br2 ใน CCl4 กัน ส่วนไอโอดีน (I2) นั้นไม่ได้ถูกกล่าวถึงในบทอัลเคน (ทั้ง ๆ ที่เป็นธาตุฮาโลเจนเหมือนกัน) ส่วนบทอัลคีนอาจมีบางเล่มกล่าวถึงปฏิกิริยาระหว่าง I2 กับพันธะ C=C บ้าง ที่แน่ ๆ ก็คือจะกล่าวถึงปฏิกิริยาระหว่าง I2 กับพันธะ C=C กันในเรื่องการวัดความไม่อิ่มตัวของกรดไขมันของน้ำมันพืช แต่การที่ปฏิกิริยาระหว่าง I2 กับหายไปนั้นก็เพราะ I2 ไม่ทำปฏิกิริยากับอัลเคน

แล้วฟลูออรีน F2 หายไปไหน

แม้ว่าฟลูออรีนจะถูกแยกออกมาเป็นสารบริสุทธิ์ได้ตั้งแต่ปีพ.ศ. 2429 (ค.ศ. 1886) แต่การผลิตฟลูออรีนขึ้นมาใช้เป็นจำนวนมากก็มาเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เพื่อใช้ในการแยก U-235 ออกจาก U-238 เพื่อผลิตระเบิดนิวเคลียร์โดยอาศัยหลักการที่ว่าสารประกอบ UF6 ของไอโซโทป U-235 นั้นแพร่ได้เร็วกว่าของไอโซโทป U-238 ดังนั้นในช่วงแรกเทคโนโลยีการทำงานเกี่ยวกับฟลูออรีนจึงค่อนข้างปกปิด (กลัวว่าประเทศอื่นจะสามารถแยกไอโซโทปยูเรเนียมได้ ก็จะสามารถผลิตระเบิดนิวเคลียร์ตามได้)

แต่ปัญหาที่สำคัญของการใช้ฟลูออรีนคือการที่มันมีความว่องไวที่สูงมาก

ฟลูออรีนจัดว่าเป็นธาตุที่มีค่า Electronegativity (En) สูงสุดคือ 3.98 จัดเป็นสารออกซิไดซ์ (oxidising agent) ที่ว่องไวมาก และสามารถทำปฏิกิริยาได้กับแก๊สเฉื่อยเช่น Ar Kr Xe และ Rn ในที่มืดและในสภาพที่เป็นของแข็ง (อุณหภูมิต่ำ) ฟลูออรีนก็ยังสามารถทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับไฮโดรเจนเหลวได้ ด้วยความรุนแรงดังกล่าวจึงทำให้เป็นการยากที่จะนำเอาแก๊ส F2 มาใช้ทำปฏิกิริยาโดยตรง ปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรคาร์บอนกับแก๊ส F2 เจือจางมักทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ได้หลายอย่างปนกันและมีการคายความร้อนสูงมาก การเตรียมผ่านทางสารประกอบ HF จะควบคุมการเกิดปฏิกิริยาได้ง่ายกว่า

ก่อนจบเรื่องนี้ขอย้อนกลับไปตรงปฏิกิริยาระหว่าง I2 กับพันธะ C=C ในเรื่องการวัดความไม่อิ่มตัวของกรดไขมันของน้ำมันพืช I2 นั้นไม่สามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H ของพันธะ C-H ได้เหมือน Cl2 หรือ Br2 ดังนั้นเมื่อนำสารละลาย I2 มาหยดลงไปในน้ำมันพืช จึงทำให้มั่นใจได้ว่าสีของ I2 ที่หายไปนั้นเกิดจากการที่ Cl2 เข้าไปทำปฏิกิริยาตรงตำแหน่งพันธะคู่เท่านั้น การใช้ Br2 นอกจากจะมีปัญหาเรื่องการดูสีแล้ว (สีของสารละลายโบรมีนกับน้ำมันพืชก็ออกไปทางเหลืองเหมือนกัน) ยังอาจเกิดปฏิกิริยาแทนที่อะตอม H ของพันธะ C-H ร่วมด้วย (ก็เราไม่ได้ทำการทดลองให้ห้องมืดนี่นา) ทำให้ผลการวัดที่ได้มีความคลาดเคลื่อนสูงได้

เอกสารฉบับนี้ทำขึ้นในวันจันทร์ที่ ๒๑ ธันวาคม ๒๕๕๒ เพื่อเฉลยข้อสอบจำนวน ๒ ข้อของการสอบวิชาเคมีอินทรีย์ในการสอบกลางภาคในช่วงบ่ายของวันอังคารที่ ๒๒ ธันวาคม ๒๕๕๒ (เผยแพร่บ่ายวันที่ ๒๒ ธันวาคม)

ไม่มีความคิดเห็น: