บันทึกนี้นำมาจากเอกสารที่แจกจ่ายให้แก่นิสิตปี ๒ ที่ได้ทำการทดลองเรื่องการไทเทรตกรด-เบส โดยใช้พีเอชมิเตอร์และอินดิเคเตอร์ในการหาจุดยุติของการไทเทรตในวันเดียวกันนี้ ตัวอย่างที่นำมาให้นิสิตทดลองนั้นมีทั้งสารละลายกรดที่แตกตัวให้โปรตอนมากกว่า 1 ตัวคือกรดกำมะถัน กรดฟอสฟอริก และกรดมาเลอิก และตัวอย่างที่ไม่ทราบองค์ประกอบชัดเจนคือน้ำอัดลมและยาลดกรด โดยการไทเทรตยาลดกรดนั้นทำโดยการละลายยาลดกรดด้วยสารละลายกรด HCl ก่อน แล้วจึงไทเทรตหรือปริมาณ HCl ที่เหลือด้วยสารละลาย NaOH
สิ่งที่เกิดขึ้นคือแม้ว่านิสิตจะได้เรียนภาคทฤษฎีมาอย่างมากมายตั้งแต่มัธยมปลาย และได้ลงมือปฏิบัติมาแล้วบ้างในระหว่างการศึกษาในชั้นปีที่ ๑ แต่นิสิตก็ไม่สามารถหักล้างข้อโต้แย้งง่าย ๆ ที่ยกขึ้นมาถาม และนิสิตยังประสบปัญหามากในการลงมือปฏิบัติในสภาพที่ต้องควานหาภาวะต่าง ๆ ที่ต้องใช้ในการทดลอง ซึ่งในที่นี้คือค่าประมาณของความเข้มข้นของกรดในสารตัวอย่าง ซึ่งจะต้องนำมาใช้ประมาณปริมาตรสารตัวอย่างที่ควรต้องนำมาใช้ไทเทรต รวมทั้งอินดิเคเตอร์ที่มีให้เลือกใช้หลายชนิด ชนิดไหนจะเหมาะกับการไทเทรตตัวอย่างไหน และจุดที่เห็นอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีในการไทเทรตกรดที่ให้โปรตอนมากกว่าหนึ่งตัวนั้น เป็นการไทเทรตโปรตอนตัวที่เท่าใดของกรดตัวนั้น และจะรู้ได้อย่างไร
จากการทดลองที่ผ่านมานั้น นิสิตคงได้เห็นผลการทดลองของตัวเองแล้วว่าเป็นอย่างไร ที่สำคัญคือจะแปลผลผลการทดลองที่ได้ออกมาได้อย่างไร เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้จะให้แนวทางในการวิเคราะห์ผลการทดลองที่นิสิตทำโดยใช้อินดิเคเตอร์และพีเอชมิเตอร์หาจุดยุติของการไทเทรต และเนื่องจากในการทดลองของเรานั้นเราใช้สารละลายกรดเป็นตัวอย่าง ดังนั้นเนื้อหาในที่นี้จากจุดนี้ไปจะอิงการไทเทรตกรดด้วยสารละลายมาตรฐานเบสเป็นหลัก เว้นแต่จะมีการระบุเป็นอย่างอื่น (ในกรณีของการไทเทรตเบสก็จะกลับกัน)
แม้ว่าเราจะสามารถใช้อินดิเคเตอร์และพีเอชมิเตอร์ในการประมาณค่าความเข้มข้นของตัวอย่างได้ แต่สิ่งที่ต้องย้ำเตือนไว้คือ การแสดงผลของอินดิเคเตอร์และพีเอชมิเตอร์นั้นจะขึ้นอยู่กับปริมาณกรดที่ "แตกตัว" กรดที่ไม่แตกตัวจะมองไม่เห็น ต้องหาจากการไทเทรต
๑. การไทเทรตโดยใช้อินดิเคเตอร์
ถ้าเรามีอินดิเคเตอร์อยู่หลายตัว เราสามารถใช้อินดิเคเตอร์เหล่านั้นประมาณค่าความเข้มข้นของสารละลายกรดได้โดยทดลองหยดอินดิเคเตอร์ลงไปในตัวอย่าง แล้วดูสีของอินดิเคเตอร์ ตัวอย่างเช่น อินดิเคเตอร์ที่ใช้ในการทดลองนั้นมีอยู่ ๔ ตัวด้วยกัน ซึ่งช่วงพีเอชที่เปลี่ยนและสีที่เปลี่ยนมีดังนี้
Methyl orange แดง 3.1 - 4.4 ส้มเหลือง
Methyl red แดง 4.4 - 6.2 เหลือง
Bromthymolblue เหลือง 6.0 - 7.6 น้ำเงิน
Phenolphthalein ไม่มีสี 9.3 - 10.5 ชมพูสด
ถ้าหยด methyl orange ลงไปแล้วอินดิเคเตอร์กลายเป็นสีแดงก็แสดงว่าสารละลายมีพีเอชน้อยกว่า 3.1 หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีความเข้มข้นของกรดที่แตกตัวประมาณ 0.0008 M เป็นอย่างน้อย (ค่าความเข้มข้นคำนวณได้จากนิยามของค่าพีเอช) ที่ต้องบอกว่าเป็นอย่างน้อยก็เพราะถ้าสารละลายตัวอย่างเป็นกรดอ่อน จะยังมีกรดส่วนที่ไม่แตกตัวอยู่ในสารละลายตัวอย่างด้วย
ในทำนองเดียวกันถ้าหยด methyl red ลงไปแล้วได้สารละลายสีแดง แต่ถ้าหยด methyl orange ลงไปแล้วได้สารละลายสีส้ม (สีแดงผสมสีส้มเหลือง) แสดงว่าสารละลายตัวอย่างมีค่าพีเอชมากกว่า 3.1 (ค่าช่วงกรดของ methyl orange) แต่น้อยกว่า 4.4 (ค่าช่วงกรดของ methyl red) ดังนั้นความเข้มข้นของกรดที่แตกตัวในสารละลายตัวอย่างน่าจะอยู่ในช่วงจาก 0.00004 - 0.0008 M
การทดสอบเบื้องต้นทำให้เราทราบได้ว่าสารละลายตัวอย่างของเรานั้นมีความเข้มข้นของกรดอยู่อย่างน้อยเท่าใด แต่ไม่ได้บอกให้เราทราบว่ากรดที่ละลายอยู่นั้นเป็นกรดอ่อน กรดแก่ หรือกรดผสม หรือแตกตัวให้โปรตอนได้กี่ตัว
สิ่งที่เกิดขึ้นคือนิสิตไปเอาวิธีทดลองของการทดลองก่อนหน้าในเรื่องการตกตะกอน ที่ให้ทำการเจือจางตัวอย่างที่เป็นน้ำปลาก่อน แล้วจึงค่อยปิเปตออกมา ในการทดลองนั้นที่ต้องให้ทำการเจือจางก่อนก็เพราะตัวอย่างมีความเข้มข้นของเกลือสูงมาก แต่ในการทดลองเรื่องกรด-เบสนี้ เราไม่ได้ให้ตัวอย่างที่มีความเข้มข้นสูง บางกลุ่มทำการเจือจางตัวอย่างอีก 10 เท่า แล้วดึงออกใช้ไทเทรตเพียง 1 ใน 10 จึงทำให้ความเข้มข้นของสารละลายที่นำมาไทเทรตนั้นต่ำมาก จนอาจต่ำเกินกว่าที่จะใช้อินดิเคเตอร์หาจุดยุติได้
ปัญหาถัดไปคืออินดิเคเตอร์ที่เราเลือกใช้นั้นตรงกับตำแหน่งจุดยุติของการไทเทรตหรือไม่
สิ่งที่พอจะช่วยบอกเราได้ตรงนี้คือปริมาตรด่างที่ใช้ เริ่มตั้งแต่เริ่มเห็นอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี ไปจนถึงสีเปลี่ยนสมบูรณ์
ตรงจุดนี้ลองกลับมาพิจารณาความจริงที่ว่า
ถ้าสารตัวอย่างเป็นสารละลายกรดแก่แตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว หรือเป็นสารละลายผสมของกรดแก่หลายตัวที่แต่ละตัวแตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว ช่วงพีเอชของจุดยุติจะอยู่ที่ 7 และการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชช่วงจุดยุตินั้นจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมาก (แต่มีข้อแม้นะว่าความเข้มข้นของกรดในสารละลายตัวอย่างต้องมากพอ)
ถ้าสารละลายตัวอย่างเป็นสารละล่ายกรดอ่อนแตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว ช่วงพีเอชของของจุดยุติจะมากกว่า 7 แต่จะเลย 7 ไปเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน ถ้าค่าคงที่การแตกตัวสูงหรือค่อนข้างสูง จุดยุติก็จะมาอยู่ใกล้ 7 แต่ถ้าค่าคงที่การแตกตัวต่ำ จุดยุติก็จะอยู่ห่าง 7 ออกไปทาง 14 (แต่ถ้าต่ำมากก็อาจมองไม่เห็น)
รูปที่ 1 กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของการไทเทรตกรดแก่ที่ให้โปรตอนตัวเดียวด้วยเบสแก่ (เส้นสีแดง) และกรดอ่อนที่ให้โปรตอนตัวเดียวด้วยเบสแก่ที่มีความเข้มข้นเดียวกัน (เส้นประสีเขียว) โดยที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของกรดทั้งสองเท่ากัน
รูปที่ 1 ข้างบนเป็นตัวอย่างกราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของการไทเทรตกรดแก่ที่ให้โปรตอนตัวเดียวด้วยเบสแก่และกรดอ่อนที่ให้โปรตอนตัวเดียวด้วยเบสแก่ ถ้าความเข้มข้นเริ่มต้นของกรดทั้งสองเท่ากัน สารละลายกรดอ่อนจะมีค่าพีเอชน้อยกว่าสารละลายกรดแก่ แต่ค่าพีเอชสุดท้ายจะเหมือนกันเพราะถูกควบคุมไว้ด้วยพีเอชของสารละลายเบสที่ใช้ในการไทเทรต ดังนั้นช่วงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของสารละลายกรดแก่จะ "กว้างกว่า" ของสารละลายกรดอ่อน แต่ช่วง ml ของสารละลายเบสที่ทำให้ค่าพีเอชเปลี่ยนแปลงกระทันหันของสารละลายกรดแก่ (สี่เหลี่ยมประสีแดง) จะ "แคบกว่า" ของสารละลายกรดอ่อนมาก (สีเหลี่ยมประสีเขียว)
ถ้าในการไทเทรตเราใช้อินดิเคเตอร์ 3 ตัวที่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชต่าง ๆ กันคือ อินดิเคเตอร์ 1 (สีแดง) ที่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชที่เป็นกรด อินดิเคเตอร์ 2 (สีเหลือง) ทื่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชที่คร่อมระหว่างกรดและเบส และอินดิเคเตอร์ 3 (สีม่วง) ที่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชที่เป็นเบส ถ้าสารละลายกรดนั้นมีความเข้มข้นมากพอ ในกรณีของกรดแก่ไม่ว่าเราจะใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงใดก็ตาม เราจะเห็น
(ก) ml ของสารละลายเบสจากจุดที่ทำให้อินดิเคเตอร์เริ่มเปลี่ยนสีไปจนถึงจุดที่ทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์จะแคบมาก ในบางครั้งอาจเป็นเพียงหยดเดียวก็ได้
(ข) ไม่ว่าจะใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงที่พีเอชที่เป็น กรด คร่อมทั้งกรดและเบส และเบส จะพบว่า ml ของสารละลายเบสที่ทำให้อินดิเคเตอร์เริ่มเปลี่ยนสีจะเป็นจุดเดียวกันหรือใกล้กันมาก
ส่วนในกรณีของการไทเทรตกรดอ่อนนั้น ถ้าใช้อินดิเคเตอร์ 1 ที่เปลี่ยนสีในช่วงที่เป็นกรด อาจพบว่าการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ 1 (นับจาก ml ของเบสที่เริ่มเห็นสีเปลี่ยนไปจนถึงสีเปลี่ยนสมบูรณ์) จะไม่เกิดขึ้นกระทันหัน ส่วนช่วงดังกล่าวจะกว้างเท่าไรนั้นขึ้นอยู่กับการแตกตัวของกรดอ่อน ถ้ากรดอ่อนนั้นแตกตัวได้น้อย อินดิเคเตอร์ 1 ช่วงการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ 1 อาจไม่อยู่ในช่วงจุดยุติเลยก็ได้ แต่ถ้าใช้อินดิเคเตอร์ 3 ซึ่งเปลี่ยนสีในช่วงที่เป็นเบสจะพบว่าช่วง ml ของเบสที่เริ่มเห็นอินดิเคเตอร์ 3 เปลี่ยนสีไปจนถึงสีเปลี่ยนสมบูรณ์จะแคบ
วิธีอาศัยการดูการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์จากเมื่อเริ่มเปลี่ยนสีไปจนถึงเปลี่ยนสมบูรณ์นั้น ใช้ไม่ค่อยได้เมื่อใช้ฟีนอฟทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์ ทั้งนี้เพราะฟีนอฟทาลีนเปลี่ยนสีระหว่างไม่มีสีกับสีชมพู ดังนั้นสิ่งที่เราเห็นคือตำแหน่งที่เริ่มเห็นสีชมพูและเห็นสีชมพูนั้นเข้มขึ้นเรื่อย ๆ แต่การบอกว่าเข้มจนถึงจุดสุดท้ายหรือยังนั้นดูได้ยากกว่าการดูการเปลี่ยนสีจากสีหนึ่งไปเป็นอีกสีหนึ่ง สายตาคนเราดูความแตกต่างของสี เช่น สีเปลี่ยนจากเหลืองไปเป็นเขียวและสุดท้ายไปเป็นสีน้ำเงินได้ดีกว่าการดูว่าสีเข้มสุดแล้วหรือยัง เพราะมันมีปัจจัยเรื่องความเข้มข้นของอินดิเคเตอร์ในสารละลายด้วย ที่ค่าพีเอชเดียวกัน สารละลายไหนมีอินดิเคเตอร์มากกว่าก็จะเห็นสีเข้มกว่า
ต่อไปจะพิจารณากรณีของกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้มากกว่า 1 ตัว ปัญหาคือเราไม่ทราบว่าการไทเทรตโปรตอนตัวที่หนึ่งหรือตัวที่สองนั้นอยู่บริเวณใด แต่เราพอจะสังเกตได้จาก ml Base ที่ทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์ ถ้าอินดิเคเตอร์ที่เราใช้นั้นเปลี่ยนสีได้ค่อนข้างรวดเร็ว แสดงว่าอินดิเคเตอร์ตัวนั้นน่าจะเปลี่ยนสีในช่วงที่ตรงกับตำแหน่งการไทเทรตโปรตอน เพราะถ้าอยู่นอกช่วงดังกล่าวจะเห็นว่าต้องใช้ ml Base จำนวนมากก่อนที่อินดิเคเตอร์จะเปลี่ยนสีสมบูรณ์ (ลองกลับไปดูผลการทดลองของพวกคุณ จะเห็นว่าอินดิเคเตอร์บางตัวใช้เบสหลายมิลลิลิตรกว่าจะเปลี่ยนสีสมบูรณ์ นั่นแสดงว่าอินดิเคเตอร์ดังกล่าวไม่ได้ทำงานในช่วงที่ตรงกับจุดยุติของการไทเทรตโปรตอน แต่ตัวที่เปลี่ยนสีโดยใช้เบสเพียงไม่ถึง 1 มิลลิลิตรน่าจะจับตรงจุดยุติการไทเทรตโปรตอน)
ในกรณีของกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้มากกว่า 1 ตัวนี้ จุดยุติของการไทเทรตโปรตอนตัวแรกจะอยู่ในช่วงพีเอชที่เป็นกรด (เพราะยังมีโปรตอนจากการแตกตัวครั้งที่สองจ่ายมาให้) ส่วนจุดยุติของการไทเทรตโปรตอนตัวที่สองจะอยู่ในช่วงพีเอชที่เป็นเบส (ลองกลับไปดูผลการทดลองกรณีของกรด H3PO4 ซึ่งคุณอาจเห็นว่ามีอินดิเคเตอร์อยู่ 2 ตัวที่เปลี่ยนสีสมบูรณ์โดยใช้เบสในปริมาณไม่มาก และระหว่างอินดิเคเตอร์สองตัวนี้ ปริมาณเบสที่ใช้ในกรณีของอินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงเบสจะมีค่าประมาณ 2 เท่าของปริมาณเบสที่ใช้ในกรณีของอินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงกรด
๒. การไทเทรตโดยพีเอชมิเตอร์
การใช้พีเอชมิเตอร์หาจุดยุติของการไทเทรตกรดแก่หรือกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนเพียงตัวเดียวนั้นมักไม่มีปัญหาในการอ่านผล กรณีที่น่าสนใจคือและนำมาพิจารณากันคือกรณีของกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 2 ตัว หรือสารละลายผสมระหว่างกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัวกับกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัว
รูปกราฟการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของกรณีนี้จะขึ้นอยู่กับความสามารถในการแตกตัวสัมพัทธ์ระหว่างโปรตอนตัวแรกกับโปรตอนตัวที่สอง โดยการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกจะเป็นการไทเทรตโปรตอนตัวแรก (ในกรณีกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 2 ตัว) หรือของกรดแก่ (ในกรณีสารละลายผสมระหว่างกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัวกับกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัว)
ส่วนการเปลี่ยนแปลงครั้งที่สองเป็นการไทเทรตโปรตอนตัวที่สอง (ในกรณีกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 2 ตัว) หรือของกรดอ่อน (ในกรณีสารละลายผสมระหว่างกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัวกับกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัว)
ถ้าหากโปรตอนตัวที่สองแตกตัวได้ดีมาก เราจะมองเห็นการเปลี่ยนแปลงในการไทเทรตโปรตอนตัวแรกไม่ชัดเจน (เช่นในกรณีกรดผสมระหว่างกรด HCl และ CH3COOH) และถ้าแตกตัวได้ดีมาก ๆ (เช่นในกรณีของกรด H2SO4) เราจะมองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งแรก แต่จะเห็นเพียงครั้งเดียวซึ่งเป็นการไทเทรตโปรตอนทั้งสองตัว และจะเกิดที่ค่าพีเอชประมาณ 7 เหมือนการไทเทรตกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนเพียงตัวเดียว
รูปที่ 2 กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของสารละลายที่กรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 2 ตัว หรือสารละลายผสมระหว่างกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัวกับกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้ 1 ตัว
ถ้าหากโปรตอนตัวที่สองแตกตัวได้น้อยมาก เราจะมองเห็นการแตกตัวครั้งแรกได้ชัดเจน ส่วนการแตกตัวของโปรตอนตัวที่สองจะมองไม่ชัดหรือมองไม่เห็น (ถ้าจะยกตัวอย่างกรณีนี้ก็คือการแตกตัวครั้งที่ 2 และครั้งที่ 3 ของกรด H3PO4 ซึ่งเรามองไม่เห็นการแตกตัวครั้งที่ 3)
ข้อมูลอีกจุดที่ควรให้ความสนใจคือปริมาตรเบสที่ต้องใช้จนเห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งแรก (ให้เป็นปริมาตร A) และปริมาตรเบสที่ต้องใช้จากจุดที่เห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกไปจนถึงจุดที่เห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งที่สอง (ให้เป็นปริมาตร B) ถ้าหากพบว่า
(ก) A เท่ากับ B ก็เป็นไปได้ว่า
- ตัวอย่างเป็นกรดเพียงชนิดเดียวที่แตกตัวให้โปรตอนได้สองครั้ง หรือ
- ตัวอย่างเป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้เพียงตัวเดียว (อาจมีกรดแก่หลายชนิดก็ได้) และกรด
อ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้เพียงตัวเดียว ผสมกันอยู่ โดยความเข้มข้นของส่วนที่เป็นกรดแก่และ
ส่วนที่เป็นกรดอ่อนนั้นเท่ากัน
(ข) A ไม่เท่ากับ B
- ตัวอย่างเป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้เพียงตัวเดียว (อาจมีกรดแก่หลายชนิดก็ได้) และกรด
อ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนได้เพียงตัวเดียว ผสมกันอยู่ โดยความเข้มข้นของส่วนที่เป็นกรดแก่และ
ส่วนที่เป็นกรดอ่อนนั้นไม่เท่ากัน
ที่พวกคุณเรียนกันมาและเชื่อกันว่า H2SO4 นั้นแตกตัวได้สองครั้งเป็นเรื่องที่ถูกต้องแล้ว และเรื่องคำอธิบายว่าสาเหตุที่ทำให้เห็นการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชเกิดขึ้นเพียงตำแหน่งเดียวก็ได้กล่าวมาข้างต้นแล้ว สมมุติฐานที่ผมยกขึ้นมาเพื่ออธิบายการเห็นค่าพีเอชเปลี่ยนแปลงกระทันหันเพียงตำแหน่งเดียวว่า H2SO4 แตกตัวเพียงครั้งเดียวโดยที่ไม่มีการแตกตัวครั้งที่สองนั้นเป็นสมมุติฐานที่ผิด ว่าแต่ว่าพวกคุณหาทางทำการทดลองหักล้างสมมุติฐานดังกล่าวได้ไหม
ผลการทดลองตรงนี้กับคำถามที่ผมถามขึ้นมาทำให้หลายกลุ่มถึงกับไขว้เขวไปเลย สังเกตได้จากการคำนวณความเข้มข้นสารละลายกรด H2SO4 ที่บอกว่าจุดยุติของการไทเทรตนั้นเป็นการไทเทรตโปรตอนเพียงตัวเดียว
๓. น้ำอัดลม
เราเรียนรู้กันว่าน้ำอัดลมนั้นมีการอัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้ละลายเข้าไปในน้ำ ทำให้น้ำอัดลมมีค่าพีเอชเป็นกรด
คาร์บอนไดออกไซด์ละลายได้ดีในน้ำเย็น เมื่ออุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะแยกตัวออกมาจากน้ำ
ถ้าอยู่ในภาชนะปิด ถ้าเราเอาน้ำอัดลมที่ไม่เย็นไปแช่เย็นใหม่ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ก็จะละลายกลับเข้าไปน้ำ แต่ถ้านำมาทิ้งไว้ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแยกตัวออกมา (ตรงนี้พอจะนึกออกไหมว่าทำไมถึงมีคนบอกว่าน้ำอัดลมจากขวดที่แช่เย็นนั้นจะซ่ากว่าขวดที่ไม่แช่เย็น)
ความดันก็ส่งผลถึงการละลาย คนที่ทำการปิเปตน้ำอัดลมจะเห็นว่าเมื่อปล่อยลูกยางเพื่อให้ของเหลวไหลขึ้นมาในปิเปตนั้นจะเกิดฟองแก๊สขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะในขณะที่เราปล่อยลูกยาง ความดันอากาศเหนือผิวของเหลวในปิเปตจะต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ทำให้แก๊สที่ละลายอยู่ได้ที่ความดันบรรยากาศระเหยออกมา
นอกจากนี้การกวนหรือการเขย่าก็ส่งผลถึงการละลายของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย ถ้านึกไม่ออกก็ลองซื้อน้ำอัดลมที่แช่เย็นมาสักขวดหรือสักกระป๋อง และทำการเขย่าแรง ๆ ก่อนเปิด ก็จะเห็นว่าเกิดอะไรขึ้น
ปัญหาแรกที่เราประสบกันในการไทเทรตน้ำอัดลมคือเราไม่ได้คุมอุณหภูมิของน้ำให้เย็นตลอดเวลา ดังนั้นในระหว่างการไทเทรตเมื่ออุณหภูมิของน้ำอัดลมค่อย ๆ สูงขึ้นเข้าหาอุณหภูมิห้อง แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนก็ระเหยออกมาจากตัวอย่างด้วย
ปัญหาที่สองคือในระหว่างการไทเทรตเรามีการปั่นกวนด้วยแท่งแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเหมือนการเขย่าขวดน้ำอัดลมก่อนเปิด
ปัญหาที่สามคือในน้ำอัดลมยังมีสารปรุงแต่งกลิ่น สี และรส อีก ซึ่งเราก็ไม่ทราบว่าสารเหล่านี้เป็นสารอะไร (ที่แน่ ๆ คือถ้าเป็นกลิ่นส้มหรือมะนาวมักจะเป็นกรดอินทรีย์ชนิดใดชนิดหนึ่ง) ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้สูงที่น้ำอัดลมที่เราไทเทรตนั้นเป็นสารละลายผสมของกรดหลากหลายชนิด
๔. ยาลดกรด
ยาลดกรดมีหลายสูตร ที่เลือกมาให้ทำการทดลองนั้นมีองค์ประกอบที่สำคัญอยู่สองตัวคือแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ (Mg(OH)2) และอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (Al(OH)3)
เมื่อบอกว่าเป็นยาลดกรด คนส่วนใหญ่คงคิดว่ามันต้องเป็นเบส เพื่อที่จะได้สามารถสะเทินกรด HCl ในกระเพาะอาหาร ดังนั้นถ้าละลายยาลดกรดด้วยสารละลาย HCl ที่มากเกินพอ แล้วนำมาไทเทรตหาว่าเหลือ HCl อยู่เท่าใด ก็ควรจะสามารถคำนวณหาความเป็นเบสของยาลดกรดได้
แต่ที่พบกันคือกราฟการไทเทรต HCl ที่เหลือจากการสะเทินยาลดกรดนั้นมันไม่เหมือนกับกราฟการไทเทรต HCl โดยตรง กล่าวคือกราฟการไทเทรต HCl ที่เหลือจากการสะเทินยาลดกรดไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชที่มากเพียงจุดเดียวและขึ้นแบบกระทันหัน แต่มีรูปแบบที่ค่อย ๆ ไต่ขึ้นเรื่อย ๆ และบางครั้งอาจเห็นว่ามีการกระโดดขึ้นเล็กน้อยถึง 2 ตำแหน่ง (ดูจากรายงานที่พวกคุณส่งมาให้)
แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์เป็นสารประกอบที่ละลายน้ำได้น้อย แต่เมื่อละลายแล้วจะแตกตัวได้ 100% ดังนั้นจึงจัดได้ว่าแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์เป็นเบสแก่
ตัวที่ทำให้เกิดปัญหาคืออะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งสารประกอบตัวนี้ในภาวะที่เป็นกรดจะแสดงฤทธิ์เป็นเบสโดยการจ่ายไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) แต่ในภาวะที่เป็นเบสจะแสดงฤทธิ์เป็นกรด โดยจะจับไฮดรอกไซด์ไอออนกลายเป็นสารประกอบ Al(OH)4+ สารประกอบประเภทนี้เราเรียกว่า amphoteric (แสดงฤทธิ์เป็นได้ทั้งกรดและเบส ขึ้นอยู่กับว่าอยู่ในสภาพแวดล้อมอย่างไร)
บางรายนั้นพอเติมเบสเข้าไปมาก ๆ แทนที่จะเห็นค่าพีเอชเพิ่มสูงขึ้น กลับเห็นค่าพีเอชลงลง ซึ่งนั่นเป็นการทำปฏิกิริยาระหว่างไฮดรอกไซด์ไอออนที่เติมเข้าไปกับอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์
เนื่องจากสารละลาย NaOH ที่เราใช้นั้นเข้มข้น 0.1 M ดังนั้นค่าพีเอชสูงสุดที่จะได้จากการไทเทรตคือเข้าใกล้ 13 แต่จะน้อยกว่า
และในรายงานของหลายกลุ่มยังแสดงให้เห็นว่าค่าพีเอชสุดท้ายของการไทเทรต HCl ที่เหลือจากการสะเทินยาลดกรดนั้นจะต่ำกว่าค่าพีเอชสุดท้ายของการไทเทรตสารละลาย HCl โดยตรง ทั้งนี้เพราะสารละลาย HCl ที่เหลือจากการสะเทินยาลดกรดนั้นมีอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์อยู่ และอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ตัวนี้แหละที่จะเข้ามาสะเทินเบสในช่วงค่าพีเอชที่สูง ทำให้เห็นค่าพีเอชสุดท้ายที่ได้นั้นต่ำกว่า
เอกสารอ่านเพิ่มเติม
ดู MO Memoir จาก blog www.tamagozzilla.blogspot.com ฉบับต่อไปนี้ด้วย
เรื่อง มุมมองที่ถูกจำกัด วันเสาร์ที่ ๒๐ มิถุนายน ๒๕๕๒
เรื่อง pH probe วันพุธที่ ๑ กรกฎาคม ๒๕๕๒
เรื่อง กรด-เบส : อ่อน-แก่ วันพฤหัสบดีที่ ๑๓ สิงหาคม ๒๕๕๒
เรื่อง แต่ละจุดควรอยู่ห่างกันเท่าใด วันศุกร์ที่ ๑๖ ตุลาคม ๒๕๕๒
เรื่อง ตอบคำถามให้ชัดเจนและครอบคลุม วันเสาร์ที่ ๑๙ ธันวาคม ๒๕๕๒
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น