วันอาทิตย์ที่ 27 ธันวาคม พ.ศ. 2552

ดัชนี MO Memoir ปีที่ ๑ ตั้งแต่ฉบับที่ ๑ (พุธ ๙ กรกฎาคม ๒๕๕๑) ถึงฉบับที่ ๔๒ (เสาร์ ๔ กรกฎาคม ๒๕๕๒)

ดัชนีรายการ MO Memoir ปีที่ ๑ ตั้งแต่ฉบับที่ ๑ (พุธ ๙ กรกฎาคม ๒๕๕๑) ถึงฉบับที่ ๔๒ (เสาร์ ๔ กรกฎาคม ๒๕๕๒)

On line - ปรากฏบนบล็อกโดยไม่มีการแก้ไขหรือแก้ไขเพียงเล็กน้อย
Partial - เนื้อหาบางส่วนไม่นำขึ้นแสดงบนบล็อก
Restricted - แจกจ่ายในสมาชิกของกลุ่มเท่านั้น ไม่มีเนื้อหาปรากฏบนบล็อก







จำนวน
ฉบับที่ พ.ศ. เดือน วันที่ วัน เรื่อง หน้า Status
1 2551 Jul 9 Wed (1) กรด-เบส อะไรควรอยู่ในบิวเรต 1 On line
2 2551 Jul 9 Wed (2) ความเข้มข้นของสารละลาย M N หรือ F 2 On line
3 2551 Jul 11 Fri นานาสาระเรื่องไฟฟ้ากำลัง วางเพลิงแลปไม่ใช่เรื่องยาก 3 On line
4 2551 Jul 25 Fri นานาสาระเรื่องการใช้อุปกรณ์ สารพัดวิธีทำของเสียหาย 3 On line
5 2551 Aug 16 Sat การวัดปริมาตรของเหลว 5 On line
6 2551 Aug 19 Tue น้ำบริสุทธิ์ (Purified water) 3 On line
7 2551 Aug 21 Thu การทำน้ำให้บริสุทธิ์สำหรับห้องปฏิบัติการ 1 On line
8 2551 Sep 5 Fri Infrared spectrum interpretation 6 On line
9 2551 Sep 20 Sat การเขียนเอกสารอ้างอิง 3 On line
10 2551 Sep 25 Thu เชื้อเพลิงและการเผาไหม้ (1) คุณสมบัติทั่วไป 5 On line
11 2551 Sep 30 Tue เชื้อเพลิงและการเผาไหม้ (2) การเผาไหม้และการระเบิด 4 On line
12 2551 Oct 2 Thu เท่ากับเท่าไร 2 On line
13 2551 Oct 8 Wed ตายสิบเกิดแสน 2 Restricted
14 2551 Oct 15 Wed เครื่องกระสุน 4 On line
15 2551 Oct 25 Sat Pyrophoric substance 5 On line
16 2551 Nov 11 Tue ทอดไข่เจียวให้อร่อยต้องใช้น้ำมันหมู 3 On line
17 2551 Nov 15 Sat Hydroxylation-Partial oxidation by H2O2 (ตอนที่ 1) 4 Restricted
18 2551 Nov 21 Fri ทำให้แห้ง (ไม่มีน้ำ) 2 On line
19 2551 Dec 3 Wed เดินหน้าหรือถอยหลัง 2 Restricted
20 2551 Dec 8 Mon การละลายเข้าด้วยกันของโมเลกุลมีขั้ว-ไม่มีขั้ว 3 On line
21 2551 Dec 9 Tue ลากให้ผ่านหรือไม่ให้ผ่าน 3 On line
22 2552 Jan 7 Wed ปรับ 1 วินาที 2 On line
23 2552 Jan 21 Wed เครื่องยนต์เบนซิน 5 On line
24 2552 Jan 22 Thu เครื่องยนต์ดีเซล 4 On line
25 2552 Jan 24 Sat ศัพท์เทคนิค-เคมีวิเคราะห์ 7 On line
26 2552 Jan 30 Fri Thermal conductivity detector 4 On line
27 2552 Feb 3 Tue Thermal conductivity detector ภาค 2 2 On line
28 2552 Feb 4 Wed Flame Ionisation Detector 3 On line
29 2552 Feb 6 Fri การเขียนวิทยานิพนธ์ 4 On line
30 2552 Apr 3 Fri ทำให้เรียบร้อย 5 On line
31 2552 Apr 4 Sat สรุปคำถาม-ตอบวันศุกร์ที่ ๓ เมษายน ๒๕๕๒ 3 On line
32 2552 Apr 27 Mon วาล์วและการเลือกใช้ (ตอนที่ 1) 9 On line
33 2552 Apr 29 Wed วาล์วและการเลือกใช้ (ตอนที่ 2) 4 On line
34 2552 May 22 Fri เอกสารพื้นฐาน Chromatograph 1 On line
35 2552 May 29 Fri อย่าคิดว่าคนอื่นจะคิดเหมือนเราเสมอไป 3 On line
36 2552 Jun 20 Sat มุมมองที่ถูกจำกัด 2 On line
37 2552 Jun 22 Mon สัมมนา - มันคืออะไร 3 On line
38 2552 Jun 26 Fri อย่าคิดว่าคนอื่นจะคิดเหมือนเราเสมอไป (2) 1 On line
39 2552 Jun 27 Sat แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ 6 Restricted
40 2552 Jul 1 Wed pH probe 4 On line
41 2552 Jul 3 Fri ทำความรู้จักกับ Chromatogram (ตอนที่ 1) 4 On line
42 2552 Jul 4 Sat แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๒) 4 Restricted

ดัชนี MO Memoir ปีที่ ๒ ตั้งแต่ฉบับที่ ๔๓ (ศุกร์ ๑๐ กรกฎาคม ๒๕๕๒) ถึงฉบับที่ ๙๔ (อาทิตย์ ๒๗ ธันวาคม ๒๕๕๒)

ดัชนีรายการ MO Memoir ปีที่ ๒ ตั้งแต่ฉบับที่ ๔๓ (ศุกร์ ๑๐ กรกฎาคม ๒๕๕๒) ถึงฉบับที่ ๙๔ (อาทิตย์ ๒๗ ธันวาคม ๒๕๕๒)


On line - ปรากฏบนบล็อกโดยไม่มีการแก้ไขหรือแก้ไขเพียงเล็กน้อย
Partial - เนื้อหาบางส่วนไม่นำขึ้นแสดงบนบล็อก
Restricted - แจกจ่ายในสมาชิกของกลุ่มเท่านั้น ไม่มีเนื้อหาปรากฏบนบล็อก







จำนวน
ฉบับที่ พ.ศ. เดือน วันที่ วัน เรื่อง หน้า Status
43 2552 Jul 10 Fri ทำความรู้จักกับ Chromatogram (ตอนที่ 2) + ดัชนี 6 On line
44 2552 Jul 13 Mon ผี 3 On line
45 2552 Jul 14 Tue น้ำมันพืช 3 On line
46 2552 Jul 27 Mon Interferometer 3 On line
47 2552 Aug 1 Sat Kjeldahl nitrogen determination method 3 On line
48 2552 Aug 12 Wed ปลาหมึก ปลาวาฬ ปลาโลมา 3 On line
49 2552 Aug 13 Thu กรด-เบส : ่อ่อน-แก่ 1 On line
50 2552 Aug 19 Wed ดำหรือขาว 2 On line
51 2552 Aug 28 Fri น่าคิดนะ 2 On line
52 2552 Aug 29 Sat ให้ตัวเลขออกมาสวยก็พอ 3 On line
53 2552 Aug 29 Sat การบันทึกการทดลอง 2 Restricted
54 2552 Sep 6 Sun สรุปปัญหาระบบ DeNOx 4 Restricted
55 2552 Sep 13 Sun ลมข้าวเบา ตะวันอ้อมข้าว ฤกษ์ดาวโจร 2 On line
56 2552 Sep 13 Sun ความดันกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี 3 On line
57 2552 Sep 19 Sat พอลิเอทิลีน 4 On line
58 2552 Sep 20 Sun Ethylene polymerisation 4 On line
59 2552 Sep 23 Wed ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ 3 On line
60 2552 Sep 25 Fri รายงานความก้าวหน้าและแผนดำเนินการ 1 Restricted
61 2552 Sep 30 Wed การเกิดปฏิกิริยาเคมี 3 On line
62 2552 Oct 1 Thu เห็นแล้วคิดบ้างไหม 2 On line
63 2552 Oct 4 Sun ตัวเลขมันสวย แต่เชื่อไม่ได้ 5 On line
64 2552 Oct 6 Tue แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๓) 4 Restricted
65 2552 Oct 10 Sat โครงงานนิสิตปี ๔ ปีการศึกษา ๒๕๕๒ 5 On line
66 2552 Oct 13 Tue เกลียวแบบไหน 2 On line
67 2552 Oct 15 Thu เสียงอะไรดัง 3 On line
68 2552 Oct 16 Fri แต่ละจุดควรต่างกันเท่าใด 5 On line
69 2552 Oct 17 Sat แก๊สเข้าทางไหน 4 On line
70 2552 Oct 20 Tue เรื่องของสุญญากาศกับ XPS 4 On line
71 2552 Oct 30 Fri ลอย ลอยกระทง 2 On line
72 2552 Nov 3 Tue จี้หรือนั่งแท่น 3 On line
73 2552 Nov 6 Fri GHSV หรือ WHSV 2 On line
74 2552 Nov 7 Sat ตัวไหนดีกว่ากัน (Catalyst) 2 On line
75 2552 Nov 8 Sun การปรับ WHSV 4 On line (partial)
76 2552 Nov 9 Mon ผลของแก๊สเฉื่อยต่อการเกิดปฏิกิริยา 1 On line
77 2552 Nov 13 Fri น้ำหนักหายได้อย่างไร 5 On line
78 2552 Nov 14 Sat Esterification of hydroxyl group 3 On line
79 2552 Nov 20 Fri Reactions of hydroxyl group 5 On line
80 2552 Nov 21 Sat ปฏิริยาเอกพันธ์และปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ในเบดนิ่ง 7 On line
81 2552 Nov 27 Fri ทำความรู้จักกับ Chromatogram (ตอนที่ 3) 7 On line
82 2552 Nov 28 Sat แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๔) 3 Restricted
83 2552 Dec 1 Tue เกิดขึ้นตอนกี่โมง 3 On line
84 2552 Dec 3 Thu Bhopal 2 On line
85 2552 Dec 8 Tue Vulcanisation 2 On line
86 2552 Dec 10 Thu ไม่มีสัมมนา มีแต่พักกินกาแฟ 2 On line
87 2552 Dec 12 Sat แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๕) 4 Restricted
88 2552 Dec 13 Sun ข้อควรปฏิบัติในการใช้เครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ 3 On line
89 2552 Dec 16 Wed BOD และ COD 2 On line
90 2552 Dec 18 Fri การสอบปากเปล่า 2 On line
91 2552 Dec 19 Sat ตอบคำถามให้ชัดเจนและครอบคลุม 2 On line
92 2552 Dec 21 Mon ฟลูออรีนหายไปไหน 2 On line
93 2552 Dec 25 Fri Encapsulated homogeneous catalyst 2 On line
94 2552 Dec 27 Sun การเผาแก๊สธรรมชาติ 5 On line


วันเสาร์ที่ 26 ธันวาคม พ.ศ. 2552

การเผาแก๊สธรรมชาติ MO Memoir : Sunday 27 December 2552


จากประสบการณ์ที่ได้ไปเป็นกรรมการสอบหัวข้อวิทยานิพนธ์หรือสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ มักพบว่าผู้ทำวิทยานิพนธ์ส่วนใหญ่นั้นเห็นหรือสนใจแต่ภาพหัวข้องานที่ตนเองทำ (ทำนองว่าทำตามอาจารย์บอกให้ทำนั่นแหละ โดยไม่ได้สนใจเลยว่าอาจารย์นั้นเขาคิดอะไรอยู่) ไม่ได้เห็นภาพกว้างหรือที่มาที่ไปของหัวข้องานที่ตัวเองทำ ทำให้ไม่สามารถตอบคำถามได้ว่าสิ่งที่กำลังทำอยู่หรือได้ทำไปนั้นมีประโยชน์อะไร นำไปใช้ประโยชน์อะไรได้ (ในด้านวิชาการหรือประยุกต์ใช้งานจริง) ทำไมจึงต้องทำการทดลองที่ภาวะการทดลองดังกล่าว ฯลฯ และที่สำคัญคือไม่สามารถอธิบายให้กรรมการสอบที่ไม่ได้ทำวิจัยลึกในเรื่องนั้นสามารถมองเห็นภาพของงานที่ผู้เข้าสอบกำลังนำเสนออยู่ได้
บันทึกฉบับนี้จึงขอเล่าเรื่องราวเกี่ยวกับการเผาไหม้เชื้อเพลิง เพื่อให้ผู้ที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับการกำจัด NOx ในแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้ของแหล่งอยู่กับที่ (stationary source) ทราบที่มาที่ไปของงานที่กำลังทำอยู่

องค์ประกอบหลักของแก๊สธรรมชาติคือมีเทน (methane - CH4) ซึ่งหาทางนำไปใช้ประโยชน์ได้ยาก ทั้งนี้เพราะพันธะ C-H ของมีเทนมีความแข็งแรงสูงมาก (มากกว่าพันธะ C-H ในสารประกอบตัวอื่น) ทำให้มีเทนมีความเฉื่อยในการทำปฏิกิริยา ที่เห็นเอาไปใช้งานกันเยอะในอุตสาหกรรมก็คือเอาไปใช้ผลิตไฮโดรเจนด้วยปฏิกิริยาที่เรียกว่า steam reforming

ด้วยการที่มีเทนเอาไปใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้ยาก จึงทำให้มีเทนส่วนใหญ่ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งการใช้มีเทนเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีรูปแบบการเผาอยู่ ๒ รูปแบบด้วยกันคือ เผาในเตาเผา (furnace) และเผาในเครื่องยนต์กังหันแก๊ส

การเผาเชื้อเพลิงในเตาเผานั้น (ไม่ว่าจะเป็นน้ำมันหรือแก๊สธรรมชาติ) จะใช้ประโยชน์จากความร้อนที่เกิดจากการเผาเชื้อเพลิง ความร้อนที่ได้นั้นอาจอยู่ในรูปของการแผ่รังสีความร้อน (เช่นในเตา cracker ต่าง ๆ) หรือการนำความร้อนจากแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ ดังนั้นเพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงให้มากที่สุดจึงต้องหาทางเผาเชื้อเพลิงให้ได้แก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิสูงที่สุด

ในทางทฤษฎีแล้ว ความร้อนของเปลวไฟที่ได้จากการเผาไหม้จะมีอุณหภูมิสูงสุดก็ต่อเมื่อปริมาณอากาศที่ใช้เผานั้น "พอดี" กับปริมาณเชื้อเพลิงที่ใส่เข้าไป (ลองกลับไปค้นดูในตำราเทอร์โมไดนามิกดูเอง) ถ้าใส่อากาศน้อยเกินไป ก็จะทำให้เผาไหม้เชื้อเพลิงได้ไม่สมบูรณ์ กล่าวคือดึงพลังงานออกมาจากเชื้อเพลิงได้ไม่หมด ในทางตรงกันข้ามถ้าใส่อากาศมากเกินไปจะทำให้ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ส่วนหนึ่งต้องเฉลี่ยไปให้อากาศส่วนเกิน ทำให้อุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ได้ลดลงไป ยิ่งมีอากาศส่วนเกินมากก็ยิ่งทำให้อุณหภูมิแก๊สร้อนลดต่ำลงไปมาก

ในทางปฏิบัตินั้นจะใช้อากาศ "มากเกินพอเล็กน้อย" ทั้งนี้เพื่อป้องกันการเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ พึงสังเกตว่าการเผาเชื้อเพลิงในแหล่งกับที่นั้นจะไม่มีปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือมี CO ในแก๊สปล่อยทิ้งเพราะว่ามีการใช้อากาศมากเกินพอและเชื้อเพลิงมีเวลาเผาไหม้ได้นานในเตาเผา แต่ภาวะที่ได้แก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิสูงสุดนี้ เป็นภาวะที่ทำให้แก๊สไนโตรเจนในอากาศทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ต่าง ๆ ได้ดีเพราะปฏิกิริยานี้ชอบเกิดที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นภาวะการเผาเชื้อเพลิงที่ทำให้ประสิทธิภาพของเตาเผาสูงสุด จึงเป็นภาวะที่ทำให้เกิดมลพิษ (NOx) สูงสุดเช่นเดียวกัน

ถ้าเราคิดค่าใช้จ่ายโดยรวมของระบบการเผาไหม้คือตัวเตาเผาและระบบกำจัด NOx ถ้าเตาเผาทำงานในภาวะที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เราใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงได้มากที่สุด ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงก็จะต่ำสุด แต่ภาวะนี้จะเกิด NOx มากที่สุด จึงทำให้ค่าใช้จ่ายด้านการกำจัด NOx ก็สูงสุดด้วย แต่ถ้าเราลดประสิทธิภาพการเผาเชื้อเพลิงลง (เช่นลดอุณหภูมิการเผาไหม้ลง) ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงของเตาเผาก็จะเพิ่มขึ้น แต่ปริมาณ NOx ที่ลดลงก็ทำให้ค่าใช้จ่ายด้านการกำจัด NOx ลดลง ดังนั้นเรื่องนี้จึงเป็นโจทย์ให้คิดกันว่าควรทำงานที่ภาวะใดจึงจะให้ค่าใช้จ่ายโดยรวมต่ำสุด

ในการใช้ประโยชน์จากแก๊สร้อนให้มากที่สุดนั้น จำเป็นต้องมีการดึงเอาความร้อนออกจากแก๊สร้อนให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ก่อนที่จะปล่อยแก๊สร้อนออกสู่บรรยากาศ ปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดของแก๊สร้อนที่จะปล่อยทิ้งได้คืออุณหภูมิที่ทำให้ไอน้ำในแก๊สร้อนนั้นเกิดการควบแน่น (dew point) เพราะถ้าไอน้ำในแก๊สร้อนเกิดการควบแน่นเมื่อใด แก๊ส NOx SOx และ CO2 ก็จะละลายลงไปในน้ำนั้น กลายเป็นสารละลายที่เป็นกรดและกัดกร่อนระบบท่อที่แก๊สร้อนนั้นไหลผ่านได้ ปริมาณ ความชื้น NOx SOx และ CO2 ในแก๊สปล่อยทิ้งนั้นขึ้นอยู่กับชนิดเชื้อเพลิงที่ใช้ ถ่านหินนั้นมีปริมาณไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงต่ำ (แต่อาจมีความชื้นในรูปของน้ำที่ถ่านหินดูดซับเอาไว้) จึงทำให้เกิดน้ำน้อย ส่วนแก๊สธรรมชาตินั้นมีสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงสูง จึงทำให้มีปริมาณไอน้ำสูงในแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้

การนำแก๊สธรรมชาติไปใช้เป็นเชื้อเพลิงอีกรูปแบบหนึ่งนั้นคือการนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับกังหันแก๊ส (gas turbine) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยวัฏจักรกำลังที่มีชื่อว่า Brayton cycle (ดูรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ประกอบ) ในวัฏจักรนี้แก๊สจะถูกอัดให้มีปริมาตรลดลงและความดันสูงขึ้น (จุด 1 ไปยังจุด 2) จากนั้นจึงให้ความร้อนแก๊สแก๊สนั้นเพื่อให้มีปริมาตรมากขึ้นที่ความดันคงที่ (จุด 2 ไปยังจุด 3) และให้แก๊สความดันสูงที่ได้นั้นขยายตัว ซึ่งการขยายตัวของแก๊สจะไปหมุนกังหันแก๊สได้พลังงานออกมา (จุด 3 ไปยังจุด 4) พลังงานที่ได้มานั้นส่วนหนึ่งจะถูกนำกลับไปใช้หมุนกังหันของเครื่องอัดแก๊ส (compressor) ที่ใช้ในขั้นตอนการอัดแก๊ส และพลังงานส่วนที่เหลือจึงถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างอื่น งานที่ได้จากวัฏจักรดังกล่าวคือบริเวณที่ล้อมรอบด้วยรูปปิด 1-2-3-4-1 หรือบริเวณที่แรงเงาใน P-V diagram ของรูปที่ 1

ถ้าเราสามารถเพิ่มพื้นที่รูปปิด 1-2-3-4-1 ดังกล่าวได้ เราก็จะได้ประโยชน์จากวัฏจักรกำลังดังกล่าวมาขึ้น (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น) ขนาดของพื้นที่ดังกล่าวถูกจำกัดด้วยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนกับแหล่งให้พลังงานความร้อน แหล่งระบายความร้อนที่สามารถระบายความร้อนจากแก๊สร้อนในปริมาณมากได้ทันเวลาก็มีแต่น้ำหล่อเย็น ดังนั้นอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนจึงถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็น (ซึ่งขั้นกับสภาพอากาศในแต่ละวัน) ส่วนอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สร้อนนั้นถูกจำกัดด้วยตัวเชื้อเพลิงที่ใช้หรือตัววัสดุ (โลหะ) ที่ใช้ทำกังหันแก๊ส แต่ดูเหมือนว่าวัสดุที่ใช้ทำกังหันแก๊สจะเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สร้อนที่จะผลิตได้ ใบพัดของกังหันแก๊สนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว (tip speed) ที่สูงมาก (ถ้าจำไม่ผิดดูเหมือนว่าจะอยู่ในระดับความเร็วเสียง) ซึ่งทำให้เกิดความเค้นบนตัวใบพัดสูงมาก และอุณหภูมิที่สูงก็ทำให้ความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำใบพัดลดลงไปอีก วิธีการหนึ่งที่สามารช่วยลดความร้อนของแก๊สที่ร้อนเกินไปคือการผสมไอน้ำเข้าไป ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยป้องกันความเสียหายให้กับใบพัดแล้วก็ยังช่วยลดการเกิด NOx ลงด้วย

รูปที่ 1 Brayton cycle (ซ้าย) P-V diagram (ขวา) T-S diagram
(ภาพจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)

ถ้าแก๊สร้อนที่ออกมาจากกังหันแก๊สนั้นถูกลดอุณหภูมิให้เย็นตัวลงจนมีปริมาตรลดลง และนำกลับไปอัดเพิ่มความดันใหม่ Brayton cycle ก็จะมีลักษณะเป็นวงจรปิด (รูปบนของรูปที่ 2) แต่ในเครื่องยนต์กังหันแก๊สนั้นการให้ความร้อนกระทำโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงกับอากาศที่ถูกอัดโดยตรง จึงไม่สามารถนำแก๊สที่ออกมาจากกังหันแก๊สเวียนกลับไปใช้ใหม่ได้ (เพราะไม่มีออกซิเจนสำหรับการเผาไหม้เหลืออยู่แล้ว) จึงจำเป็นต้องระบายแก๊สที่ออกจากกังหันแก๊สออกไปจากระบบ Brayton cylce ก็จะมีลักษณะเป็นวงจรเปิด (รูปล่างของรูปที่ 2)

รูปที่ 2 เครื่องจักรวัฏจักรกังหันแก๊สอย่างง่าย (Brayton cycle) รูปบนเป็นวัฏจักรวงจรปิด ส่วนรูปล่างเป็นวัฏจักรวงจรเปิดที่ใช้กันในการผลิตกระแสไฟฟ้าทั่วไป (ภาพจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)

แต่เนื่องจากแก๊สร้อนที่ออกมาจากกังหันแก๊สนั้นยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงมีการหาทางเอาแก๊สร้อนนั้นไปใช้ประโยชน์ต่อไปอีก หนทางที่นิยมนำไปใช้กันคือนำไปให้ความร้อนแก่น้ำเพื่อผลิตไอน้ำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำต่อไป กลายเป็นระบบการผลิตไฟฟ้าที่เรียกว่า combined-cycle
ก่อนที่เราจะไปรู้จักกับ combined-cycle นั้น ลองมาทำความรู้จักกับ Rankine cycle ซึ่งเป็นวัฏจักรกำลังของการผลิตไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์กังหันไอน้ำกันก่อน

รูปที่ 3 วัฏจักร Rankine อย่างง่ายของเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ (ซ้าย) แผงผังของวัฏจักร (ขวา) T-S diagram ของวัฏจักร (รูปจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)

ตามวัฏจักร Rankine นั้น น้ำที่เป็นของเหลวจะถูกเพิ่มความดันให้มีความดันสูงขึ้น (จาก 1 ไปยัง 2 ในรูปที่ 3) จากนั้นน้ำจะถูกทำให้ร้อนจนเดือดกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว (2-2'-3') หรือ saturated steam ไอน้ำอิ่มตัวนั้นเหมาะสมสำหรับการนำไปใช้เป็นตัวกลางในการให้ความร้อน เพราะค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการควบแน่นนั้นสูงมาก แต่ไม่เหมาะที่จะนำมาใช้ขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ เพราะเครื่องยนต์กังหัน (ไม่ว่าจะเป็นกังหันแก๊ส กังหันไอน้ำ หรือ compressor แบบกังหัน) นั้นถูกออกแบบมาเพื่อทำงานกับของไหลที่เป็นแก๊สที่ "ไม่มี" หยดของเหลวหรือของแข็งผสมอยู่ด้วย เพราะจะทำให้ใบพัดกังหันเสียหายได้ (เว้นแต่ว่าจะมีการออกแบบมาเป็นพิเศษ เช่นพวกที่ใช้กับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียส์) ดังนั้นจึงต้องมีการให้ความร้อนแก่ไอน้ำอิ่มตัวให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด (บางที่เรียกว่า "ไอดง" หรือ superheated steam) ซึ่งคือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของน้ำที่ความดันนั้น ๆ (3'-3) จากนั้นจึงให้ไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิและความดันสูงนั้นขยายตัวในกังหันไอน้ำก็จะได้พลังงานออกมา โดยให้ไอน้ำนั้นออกมาก่อนที่จะเกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ (3-4) ไอน้ำที่ออกมาจากกังหันน้ำจะเข้าสู่เครื่องควบแน่นเพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวก่อนที่จะป้อนกลับเข้าสู่ปั๊มเพิ่มความดันอีกต่อไป (4-4'-1)
งานที่ได้จากกังหันไอน้ำนั้นคือพื้นที่รูปปิด 1-2-2'-3'-4-4'-1 ซึ่งขนาดของพื้นที่ดังกล่าวถูกจำกัดด้วยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนกับอุณหภูมิสูงสุดของไอน้ำที่สามารถผลิตได้ อุณหภูมิต่ำสุดถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นเช่นเดียวกันกับกรณีของวัฏจักร Brayton แต่อุณหภูมิสูงสุดนั้นถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ของน้ำ ซึ่งมีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดของวัฏจักร Brayton อยู่มาก ดังนั้นจะว่าไปแล้วเครื่องยนต์กังหันไอน้ำจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเครื่องยนต์กังหันแก๊ส แต่เครื่องยนต์กังหันไอน้ำก็มีข้อดีตรงที่สามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทถ่านหินและน้ำมันเตาที่มีราคาถูกได้

การนำวัฏจักรกังหันแก๊สและวัฏจักรกังหันไอน้ำมารวมกันกลายเป็นวัฏจักรร่วม (combined-cycle) จะได้ประสิทธิภาพของวัฏจักรสูงกว่าการใช้วัฏกังหันแก๊สหรือกังหันไอน้ำตัวใดตัวหนึ่งเพียงตัวเดียว รูปแบบอย่างง่ายของวัฏจักรนี้แสดงในรูป 4 ซึ่งเป็นการนำเอาแก๊สร้อนที่ออกมาจากังหันแก๊สไปให้ความร้อนแก่น้ำให้กลายเป็นไอน้ำขับเคลื่อนกังหันไอน้ำต่อไป มีการกล่าวอ้างว่าประสิทธิภาพของวัฏจักรร่วมนี้สามารถสูงได้ถึง 60% โรงไฟฟ้าที่ใช้แก๊สธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงจึงมักใช้วัฏจักรร่วมนี้ในการผลิตไฟฟ้า

รูปที่ 4 วัฏจักรร่วม (combined-cycle) ของการผลิตไฟฟ้า
(ภาพจาก http://www.cogeneration.net/Combined_Cycle_Power_Plants.htm)

Memoir ฉบับนี้คงเป็นฉบับสุดท้ายของปีพ.ศ. ๒๕๕๒ นับจากฉบับแรกที่ออกเมื่อวันอังคารที่ ๙ กรกฎาคม ๒๕๕๑ ก็ออกมาถึง ๙๔ ฉบับ รวมกันก็กว่า ๓๐๐ หน้าแล้ว ถัดจากฉบับนี้ก่อนสิ้นปีก็จะนำเอารายการ Memoir ทั้งหมดที่ออกในช่วงเดือนกรกฎาคม ๒๕๕๒-ธันวาคา ๒๕๕๒ มาทำเป็นหน้าดัชนีสำหรับให้สืบค้น

หวังว่าทุกคนคงจะไม่มาทำงานกันในคืนวันปีใหม่ (อย่าบ้างานมากถึงขนาดนั้นเลย) ขอให้ทุกคนเที่ยวปีใหม่กันให้สนุกก็แล้วกัน ผมเองก็จะไปนอนกางเต็นท์ดูจันทร์เต็มดวงบนเชิงเขาอยู่เหมือนกัน

สวัสดี

วันศุกร์ที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2552

Encapsulated homogeneous catalyst MO Memoir : Friday 25 December 2552

เมื่อวันจันทร์ที่ ๒๑ ธันวาคมที่ผ่านมา มีนิสิตเก่าที่ปัจจุบันกำลังทำวิจัยระดับปริญญาเอกอยู่ที่เยอรมันมาเยี่ยม (และมาถามปัญหา) เห็นว่าเป็นเรื่องน่าสนใจก็เลยขอเอามาเล่าสู่กันฟัง

หัวข้อที่เขากำลังทำวิจัยอยู่คือการหาทางเปลี่ยนระบบตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (homogeneous catalyst) ให้กลายเป็นระบบตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์เทียม (Pseudo-heterogeneous catalyst ชื่อนี้ผมตั้งเองนะ) โดยการห่อหุ้มตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (ที่เป็นของเหลว) เอาไว้ด้วยเมมเบรนที่เป็นของแข็ง ซึ่งผมก็พึ่งจะเคยได้ยินเรื่องนี้เป็นครั้งแรกก็เมื่อวันนั้นแหละ

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (เช่นไอออนบวกของโลหะ หรือโปรตอน) นั้นมีข้อดีตรงที่ทุก ๆ อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยา (อาจเป็น ไอออนของอะตอมเดียว หรือหลายอะตอมรวมกัน) จะเหมือนกันหมด ดังนั้นพฤติกรรมการทำปฏิกิริยาก็ควรจะเหมือนกันหมด ค่าการเลือกเกิด (selectivity) ก็ควรที่จะสูงมากตามไปด้วย ถ้านึกภาพไม่ออกลองนึกภาพว่าถ้าเราเอา NaCl ไปละลายน้ำ NaCl จะแตกตัวออกเป็น Na+ และ Cl- ซึ่งแต่ละไอออนของ Na+ ก็จะเหมือนกันหมด และแต่ละไอออนของ Cl- ก็จะเหมือนกันหมดเช่นกัน ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ที่เป็นของแข็งนั้นแต่ละอะตอมหรือไอออนบนพื้นผิวของแข็งจะไม่เหมือนกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่อยู่ เช่น อยู่บนระนาบ บนขอบ หรือตำแหน่งมุมของผลึก และยังขึ้นอยู่กับชนิดและจำนวนของอะตอม/ไอออนที่อยู่ข้างเคียงด้วย ทำให้มีตำแหน่งที่ว่องไวหลายรูปแบบอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา จึงทำให้เกิดปฏิกิริยาได้หลายปฏิกิริยา ค่าการเลือกเกิดจึงต่ำกว่า

แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ก็มีข้อเสียตรงที่ไม่สามารถแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากระบบทำปฏิกิริยาได้ ทำให้ต้องสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาไปกับผลิตภัณฑ์ที่เกิด

กรดอนินทรีย์เช่น H2SO4 หรือ HCl นั้นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีสำหรับบางปฏิกิริยาของสารอินทรีย์ แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นคือกรดเหล่านี้เป็นสารละลายในน้ำในขณะที่สารอินทรีย์ที่มันต้องเข้าทำปฏิกิริยา เช่นไฮโดรคาร์บอน นั้นไม่ละลายในน้ำ ทำให้ระบบการทำปฏิกิริยาเป็นแบบวิวิธพันธุ์โดยมีไฮโดรคาร์บอนลอยอยู่บนผิวหน้าของสารละลายกรด การเกิดปฏิกิริยาจึงเกิดที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสสารละลายกรด (เฟสมีขั้ว) และเฟสสารตั้งต้นไฮโดรคาร์บอน (เฟสไม่มีขั้ว)

เพื่อแก้ปัญหาที่ได้กล่าวมาข้างต้น จึงมีผู้นำเสนอแนวความคิด (ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นใคร) ที่จะห่อหุ้ม (encapsulate) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของเหลวนี้เอาไว้ด้วยเมมเบรนที่เป็นของแข็ง จากนั้นจึงนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการห่อหุ้มแล้ว (encapsulated liquid catalyst) มาใช้ทำปฏิกิริยา ซึ่งก็จะเสมือนกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว แนวความคิดดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง


รูปที่ 1 แนวความคิดของ encapsulated homogeneous catalyst ที่ทำการห่อหุ้มสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา (สีเหลือง) ไว้ในเมมเบรนที่มีรูพรุน (สีแดง) แล้วนำไปแขวนลอยในสารละลายสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว


ประเด็นที่เขามาปรึกษาผมคือหลักการของระบบนี้เป็นอย่างไร และควรจะนำปฏิกิริยาใดมาใช้ทดลอง ซึ่งผมก็ได้ให้มุมมองของผมซึ่งพอจะแยกเป็นข้อ ๆ ได้ดังนี้

1. เหตุผลที่ว่าทำไมต้องหาเมมเบรนมาห่อหุ้มสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้

ก็ได้อธิบายไปแล้วข้างต้น

2. เมมเบรนที่ใช้ควรมีคุณสมบัติอย่างไร

ตรงจุดนี้ผมได้ให้มุมมองไว้ว่า

- สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะต้องสามารถแพร่ผ่านเมมเบรนได้

- ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องไม่สามารถแพร่ผ่านเมมเบรน

- เมมเบรนจะต้องทนต่อสารละลายของสารตั้งต้นและสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือต้องไม่ละลายในตัวทำละลายของเฟสสารตั้งต้นและตัวทำละลายของเฟสตัวเร่งปฏิกิริยา เมมเบรนที่เป็นสารอนินทรีย์ (เช่นสารประกอบออกไซด์ต่าง ๆ) อาจทนต่อความมีขั้วหรือไม่มีขั้วของสารละลาย แต่ต้องพิจารณากรณีที่เฟสใดเฟสหนึ่งเป็นกรดหรือเบส ส่วนเมมเบรนที่เป็นสารอินทรีย์ (เช่นพอลิเมอร์ต่าง ๆ) อาจไม่ต้องกังวลเรื่องความเป็นกรด-เบส แต่ต้องระวังเรื่องความมีขั้วหรือไม่มีขั้วของสารละลาย

- กลไกการแพร่ผ่านเมมเบรนนั้นใช้กลไกใด เช่น รูปร่างโมเลกุล ขนาดโมเลกุล น้ำหนักโมเลกุล หรือความเป็นขั้วของโมเลกุล

- หาจุดร่วมที่สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มี และหาจุดต่างระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้น/ผลิตภัณฑ์ และใช้ข้อมูลจุดร่วม/จุดต่างนั้นเป็นตัวกำหนดว่าเมมเบรนควรมีคุณสมบัติอย่างไร จึงจะทำให้เฉพาะสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์แพร่ผ่านได้ โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่สามารถแพร่ผ่านได้ ตัวอย่างเช่นถ้าสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีส่วนโครงสร้างโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นไอออนบวก เราก็ควรลองเลือกใช้เมมเบรนที่โมเลกุลโครงสร้างเมมเบรนเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว (รายละเอียดเพิ่มเติมเคยกล่าวไว้ใน MO Memoir 2551 Dec 8 Mon การละลายเข้าด้วยกันของโมเลกุลมีขั้ว-ไม่มีขั้ว)

- กรณีที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นไอออนบวกของโลหะ เป็นไปได้ไหมที่เราจะใช้สารคีเลต (chelating agent) บางตัวมาจับไอออนบวกนั้นเอาไว้ เพื่อให้กลายเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ไอออนบวกของตัวเร่งปฏิกิริยาแพร่ผ่านเมมเบรนไปได้

- ความดันระหว่างสารละลายภายนอกกับสารละลายที่อยู่ภายใน encapsulated homogeneous catalyst นั้นจะส่งผลต่อการแพร่ผ่านของสารละลายหรือไม่ เช่นถ้าเราเตรียม encapsulated homogeneous catalyst ไว้ที่ความดันต่ำ (เช่นที่ความดันบรรยากาศ) แต่นำไปใช้ที่ความดันสูง (เช่นนำไปใช้ที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ) ความดันภายนอกที่สูงกว่านั้นจะส่งผลอย่างไรต่อโครงสร้างเมมเบรน เช่นอาจทำให้เมมเบรนยุบตัวลง หรือดันให้สารละลายภายนอกไหลเข้าไปผสมกับสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยภายใน หรือในทางตรงกันข้ามถ้าความดันของระบบการทำปฏิกิริยานั้นต่ำกว่าความดันที่ใช้ในการเตรียม encapsulated homogeneous catalyst ความดันภายนอกที่ต่ำกว่านั้นจะทำให้สารละลายที่อยู่ข้างใน encapsulated homogeneous catalyst รั่ว (หรือระเหย) ออกมาหรือไม่

- เครื่องปฏิกรณ์ที่จะนำเอาอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ไปใช้นั้นเป็นแบบไหน ถ้าเป็น fixed-bed ตัวอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ก็ต้องมีความแข็งแรงที่จะรองรับน้ำหนัก (แรงกด) ที่เกิดขึ้นในเบดได้ ถ้าเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบปั่นกวน ตัวอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ก็ต้องทนการกระแทกที่เกิดขึ้นในระหว่างปั่นกวนได้


ในขณะนี้คงช่วยได้แค่นี้ ส่วนผลจะออกมาเป็นอย่างไรก็ขอให้คนทำวิจัยเรื่องดังกล่าวโชคดีก็แล้วกัน

พอสามีกลับเมืองไทยแล้วก็คงจะมีสมาธิทำแลปดีขึ้นนะ :) คงได้เที่ยวน้อยลงแล้ว

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)

วันเสาร์ที่ 19 ธันวาคม พ.ศ. 2552

ตอบคำถามให้ชัดเจนและครอบคลุม MO Memoir : Saturday 19 December 2552

Memoir ฉบับนี้นำมาจากเอกสารคำสอนวิชา ๒๑๐๕-๒๗๒ เคมีอินทรีย์ ที่สอนนิสิตชั้นปีที่ ๒ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี และแจกจ่ายให้แก่นิสิตในวันเสาร์ที่ ๑๙ ธันวาคม ๒๕๕๒ เพื่อให้นิสิตได้เตรียมการสอบกลางภาค


มีคำถามอยู่ข้อหนึ่งที่เห็นนักเรียนถามกันทางอินเทอร์เนต คำถามนั้นดูเหมือนจะง่าย ๆ ไม่มีอะไร แต่ผู้ตอบคำถามก็มักตอบคำถามนั้นแบบไม่ค่อยถูกต้องนักเสมอ

คำถามดังกล่าวคือ "ทำไมน้ำมันจึงลอยน้ำ"

ส่วนคำตอบที่มักจะตอบกันคือ "เพราะน้ำมันมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ"

คำตอบดังกล่าวยังเปิดช่องให้โต้เถียงได้ เพราะมีสารอินทรีย์หลายชนิดที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำแต่ "ไม่" ลอยน้ำ ตัวอย่างง่าย ๆ คือเมทานอลและเอทานอล แอลกอฮอล์สองตัวนี้ในสภาพสารบริสุทธิ์จะมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ แต่ถ้าเอาไปเทลงในน้ำ มันจะ "ละลาย" เข้าเป็นเนื้อเดียวกันกับน้ำได้โดยไม่ลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำ ดังนั้นคำตอบที่ถูกต้องสำหรับคำถาม "ทำไมน้ำมันจึงลอยน้ำ" จึงควรเป็น "เพราะมันมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ และไม่ละลายน้ำ"


ทีนี้มาลองพิจารณาคำถามอีกข้อหนึ่งคือ "สารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ควรมีลักษณะอย่างไร"

คำตอบที่มักจะได้รับคือ "โมเลกุลของสารอินทรีย์นั้นต้องมีขั้ว"

คำตอบดังกล่าวก็ยังเปิดช่องให้โต้เถียงได้เหมือนตัวอย่างข้างต้น เพราะสารอินทรีย์หลายชนิดเป็นโมเลกุลที่มีขั้วแต่ไม่ละลายน้ำ เช่นแอลกฮอล์และกรดอินทรีย์ที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนสูง (ประมาณตั้งแต่ ๔ ถึง ๕ อะตอมขึ้นไป)

ถ้าเช่นนั้นคำตอบที่ชัดเจนและครอบคลุมคืออะไร


ก่อนที่จะตอบคำถามดังกล่าวขอย้อนกลับไปยังเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในห้องเรียนก่อน ตอนที่ผมถามคำถามนี้แล้วได้คำตอบดังที่กล่าวมาข้างต้น (ที่บอกเพียงแค่ว่าโมเลกุลต้องมีขั้ว) แล้วผมก็แย้งกลับไปอีกทีหนึ่งว่านั่นไม่ใช่เหตุผลที่เพียงพอโดยยกตัวอย่างข้างต้นประกอบ ดูเหมือนว่าเกือบทุกคน (หรือทุกคน) ที่อยู่ในห้องตอนนั้นมองเห็นปัญหาของคำตอบที่พวกเขาตอบแล้ว แต่ยังมองไม่เห็นว่าคำตอบที่ชัดเจนและครอบคลุมกว่านั้นเป็นอย่างไร

ในการตอบคำถามใด ๆ นั้น ผมมักจะแนะนำว่าถ้ามีปัญหาในการหาคำตอบ ให้กลับไปเริ่มต้นโดยการตั้งคำถามพื้นฐานก่อน ดังเช่นในกรณีของคำถามดังกล่าว ถ้าเรากลับไปมองดูคำถามพื้นฐานก่อนว่า

(๑) โมเลกุลของสารอินทรีย์ว่าประกอบด้วยอะไรบ้าง

(๒) เวลาปรกติในสภาพที่เป็นของเหลวนั้นมันอยู่กันอย่างไร และ

(๓) การละลายเข้าไปในตัวทำละลายนั้นมีเหตุการณ์ใดเกิดขึ้น

จากนั้นจึงค่อยนำเอาข้อมูลต่าง ๆ ที่ได้จากการตอบคำถามพื้นฐานเหล่านั้นมาประมวลเข้าด้วยกัน ก็จะทำให้เราพอมองเห็นคำตอบของปัญหาที่ต้องการตอบได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีนี้


คำถามข้อ () โมเลกุลของสารอินทรีย์ว่าประกอบด้วยอะไรบ้าง

โครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์นั้นสามารถแบ่งออกได้เป็น ๒ ส่วนคือ ส่วนที่ไม่มีขั้วและส่วนที่มีขั้ว

ส่วนที่ไม่มีขั้วที่เห็นกันอยู่ทั่วไปคือส่วนที่มีโครงสร้างแบบหมู่ไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ (เช่น alkyl (CnH2n-1-), phenyl (C6H5-)) ไม่ว่าจะเป็นโครงสร้างทื่อิ่มตัวหรือไม่อิ่มตัวก็ตาม สารประกอบพวกไฮโดรคาร์บอนที่อะตอมไฮโดรเจนทุกอะตอมถูกแทนที่ด้วยอะตอมเฮไลด์ก็จัดเป็นพวกไม่มีขั้วด้วย

ส่วนที่มีขั้วคือส่วนที่มีพันธะที่มีขั้ว และความเป็นขั้วของพันธะนั้นก็ไม่ถูกหักล้างกันไปหมด (ตัวอย่างเช่นพันธะ C-H เป็นพันธะที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นโมเลกุล CH4 จึงเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ส่วนพันธะ C-Cl เป็นพันธะที่มีขั้ว ถ้าเราแทนที่อะตอม H จำนวน ๑-๓ อะตอมของ CH4 เราจะได้โมเลกุลที่มีความเป็นขั้วอยู่บ้าง แต่ถ้าเราแทนที่อะตอม H ทั้ง ๔ อะตอมของ CH4 จนกลายเป็น CCl4 เรากลับได้โมเลกุลที่ไม่มีขั้วอีกครั้ง) ตัวอย่างหมู่ฟังก์ชันที่มีขั้วได้แก่ -OH, -O-, -COOH, -NH2 เป็นต้น


คำถามข้อ (๒) เวลาปรกติในสภาพที่เป็นของเหลวนั้นมันอยู่กันอย่างไร

ในกรณีที่สารอินทรีย์นั้นมีแต่โครงสร้างที่ไม่มีขั้ว โมเลกุลสารอินทรีย์นั้นก็จะยึดเกาะเข้าด้วยกันโดยอาศัยแรงวาลเดอวาลล์เพียงอย่างเดียว แต่ถ้าสารอินทรีย์นั้นมีโครงสร้างทั้งส่วนที่ไม่มีขั้วและส่วนที่มีขั้ว สารอินทรีย์นั้นก็จะสามารถยึดเกาะเข้าหากันด้วยแรงวาลเดอวาลล์และ/หรือแรงดึงดูดทางไฟฟ้า (ที่เกิดจากส่วนที่ขั้ว)

ที่น้ำหนักเท่ากัน แรงดึงดูดทางไฟฟ้าจะแรงกว่าแรงวาลเดอวาลล์ แต่ส่วนที่มีขั้วนั้นมักมีขนาดเล็ก (ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือหมู่ไฮดรอกซิล -OH กับอีเทอร์ -O-) ในขณะที่ส่วนที่ไม่มีขั้ว (เช่นหมู่อัลคิล) นั้นมีขนาดใหญ่โตขึ้นได้เรื่อย ๆ เมื่อส่วนที่ไม่มีขั้วของโมเลกุลมีขนาดใหญ่โตขึ้น แรงวาลเดอวาลล์ก็จะเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้การที่ส่วนที่ไม่มีขั้วของโมเลกุลมีขนาดใหญ่โตขึ้นก็ไปทำให้ส่วนที่มีขั้วของโมเลกุลแยกออกห่างจากกัน แรงดึงดูดทางไฟฟ้าจึงลดลง สำหรับโมเลกุลสารอินทรีย์ที่ส่วนไม่มีขั้วมีขนาดใหญ่แล้ว เราจึงพอจะถือได้ว่าโมเลกุลเหล่านั้นยึดติดกันด้วยแรงวาลเดอวาลล์เป็นหลัก


คำถามข้อ () การละลายเข้าไปในตัวทำละลายนั้นมีเหตุการณ์ใดเกิดขึ้น

ในการละลายนั้น โมเลกุลของตัวทำละลายจะต้องสามารถแทรกเข้าไประหว่างโมเลกุลของตัวถูกละลายได้ และทำการแยกโมเลกุลตัวถูกละลายออกจากกัน ถ้าหากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลตัวถูกละลายด้วยกันเองนั้นสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลตัวถูกละลายและตัวทำละลาย ตัวทำละลายก็จะไม่สามารถแยกโมเลกุลตัวถูกละลายออกจากกันได้ ในทางกลับกันถ้าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายเองสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลตัวถูกละลายและตัวทำละลาย ตัวถูกละลายก็จะไม่สามารถแทรกเข้าไปอยู่ในเฟสตัวทำละลายได้ การละลายก็จะไม่เกิดขึ้น

วิธีการหนึ่งในการซักผ้าให้สะอาดคือซักด้วยน้ำร้อน สิ่งที่ทำกันก็คือจะเอาเสื้อผ้าไปต้ม (เชื่อว่าที่บ้านของพวกคุณหลายคนก็คงยังทำเช่นนี้อยู่บ้าง) ที่นี้พอจะลองอธิบายเองได้ไหมว่าทำไมเมื่อน้ำร้อนขึ้นจึงทำให้สามารถชะล้างเอาคราบสกปรก (ซึ่งมักเป็นคราบสารอินทรีย์) ออกได้ดีขึ้น (ลองตั้งคำถามดูว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จะเกิดอะไรขึ้นกับโมเลกุลของตัวทำละลายและตัวถูกละลาย)


หลังจากตอบคำถามพื้นฐานทั้ง ๓ ข้อแล้ว ไม่ทราบว่าพอจะมองเห็นคำตอบหรือยังว่าโมเลกุลสารอินทรีย์ที่จะละลายน้ำได้นั้นต้องมีคุณสมบัติอะไรบ้าง

คุณสมบัติข้อแรกที่ขาดไม่ได้คือ "โมเลกุลนั้นต้องมีขั้ว" และอีกข้อที่สำคัญคือ "แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลส่วนที่ไม่มีขั้วนั้นต้องไม่เด่นกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของส่วนที่มีขั้ว"