วันอาทิตย์ที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2553

Reactions of hydroxyl group (ตอนที่ ๒) MO Memoir : Sunday 14 November 2553

ผมเคยเล่าเรื่องเกี่ยวกับปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl หรือ -OH) เอาไว้ใน memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๑๔ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Esterification of hydroxyl group" และฉบับวันศุกร์ที่ ๒๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Reactions of hydroxyl group" ตอนนี้เวลาก็ผ่านมาร่วมครบปีแล้วและเห็นว่ามีตัวอย่างเพิ่มเติมที่น่าสนใจ ก็เลยเขียนมาเล่าสู่กันฟัง


. ปฏิกิริยาระหว่างมีเทนกับกำมะถัน

สำหรับผู้ที่เรียนเคมีนั้นก็จะทราบกันอยู่แล้วว่ามีเทน (CH4) สามารถทำปฏิกิริยาการเผาไหม้กับออกซิเจนได้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำดังสมการที่ (1)

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1)

กำมะถัน (S) ซึ่งเป็นธาตุในหมู่เดียวกันกับออกซิเจนก็สามารถทำปฏิกิริยากับมีเทนได้คาร์บอนไดซัลไฟด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้ดังสมการที่ (2) ข้างล่างโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาพวก silica gel หรือ alumina ร่วม

CH4 + 0.5S8 → CS2 + 2H2S (2)

ปฏิกิริยาที่ (2) เป็นปฏิกิริยาหลักที่ใช้ในการผลิตคาร์บอนไดซัลไฟด์ในปัจจุบัน ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างปฏิกิริยาที่ (1) และ (2) อยู่ตรงที่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ) ไม่สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปได้ แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการทำปฏิกิริยากับกำมะถัน (คาร์บอนไดซัลไฟด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์) ยังสามารถถูกออกซิไดซ์ต่อได้ด้วยออกซิเจนกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และน้ำ ดังสมการ

CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2 (3)

H2S + 1.5O2 → SO2 + H2O (4)

ปฏิกิริยาตั้งแต่ (1) ถึง (4) ต่างก็เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน


. คาร์บอนไดซัลไฟด์

ที่อุณหภูมิห้อง คาร์บอนไดซัลไฟด์มีสถานะเป็นของเหลว (จุดเดือด 46.3 องศาเซลเซียส) ละลายน้ำได้น้อย (2.9 กรัมต่อกิโลกรัมที่ 20 องศาเซลเซียส) มีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำ (ความถ่วงจำเพาะ 1.261) เป็นสารที่มีจุดวาบไฟต่ำ (flash point -30 องศาเซลเซียส) และอุณหภูมิจุดติดไฟด้วยตัวเองก็ต่ำด้วย (autoignition temperature 90 องศาเซลเซียส) โดยอาศัยคุณลักษณะดังกล่าววิธีการหนึ่งในการเก็บคาร์บอนไดซัลไฟล์เหลวให้ปลอดภัยคือการบรรจุถังที่มีน้ำลอยอยู่บนผิวหน้า เพราะน้ำที่ลอยอยู่บนผิวหน้าจะป้องกันการระเหยของคาร์บอนไดซัลไฟด์

และถึงแม้ว่าจะมีโครงสร้างแบบเดียวกันกับคาร์บอนไดออกไซด์ แต่คาร์บอนไดซัลไฟด์จัดเป็นสารที่มีความไวไฟสูง และเนื่องจากพันธะ C=S ไม่ได้แข็งแรงเหมือนพันธะ C=O ในคาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนไดซัลไฟด์จึงทำปฏิกิริยาได้ง่ายกว่าโดยตัวอะตอม C เองจะมีประจุเป็นบวก (เนื่องจาก S ดึงเอาอิเล็กตรอนออกไป) และจะจับเข้ากับตำแหน่งที่มีประจุลบของโมเลกุลอื่นได้ (แม้ว่าความเป็นขั้วบวกที่อะตอม C ของคาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่าอะตอม C ของคาร์บอนได้ซัลไฟด์ แต่พันธะ C=O แข็งแรงมาก จึงทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เฉื่อยต่อการทำปฏิกิริยากว่ามาก)

คาร์บอนไดซัลไฟด์ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเส้นใย viscose rayon ในอดีตยังเคยถูกนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตคาร์บอนเททระคลอไรด์ (carbon tetrachloride - CCl4)


. Viscose rayon

เส้นใยฝ้ายที่ได้จากธรรมชาตินั้นเป็นสารประกอบเซลลูโลส (cellulose) ซึ่งเซลลูโลสนั้นเป็นพอลิเมอร์ของน้ำตาลกลูโคส (glucose) เชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่ยาวด้วยพันธะ beta glycosidic linkage (glycosidic linkage เป็นยังไงนั้นให้ไปดูในอินทรีย์เคมีเรื่องคาร์โบไฮเดรต เอาเป็นว่าถ้าโมเลกุลกลูโคสเชื่อมต่อแบบ beta จะได้เซลลูโลสที่ร่ายกายคนย่อยไม่ได้ แต่ถ้าเชื่อมต่อแบบ alpha glycosidic linkage จะได้โมเลกุลแป้งที่ร่างกายคนย่อยและดูดซึมได้)

การที่โมเลกุลเซลลูโลสมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เหลืออยู่มาก (3 หมู่ต่อ 1 หน่วยกลูโคส) จึงทำให้เส้นใยเซลลูโลสซึมซับน้ำได้ดี ทำให้ผู้สวมใส่รู้สึกสบายตัวเมื่อเหงื่อออก แต่การที่ซึมซับน้ำได้ดีนั้นทำให้ความแข็งแรงของเส้นใยลดลงเมื่อเปียกน้ำ ทำให้เส้นใยเมื่อเปียกน้ำนั้นขาดง่ายขึ้น (เมื่อเส้นใยแห้ง เส้นใยแต่ละเส้นจะยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เกิดจากหมู่ -OH แต่เมื่อเปียกน้ำ น้ำจะเข้าไปแทรกอยู่ระหว่างสายเส้นใย ซึ่งเป็นการทำลายพันธะไฮโดรเจนที่ยึดระหว่างเส้นใยเข้าด้วยกัน ความแข็งแรงจึงลดลง)

การปรับสภาพโครงสร้างโมเลกุลเซลลูโลสอาศัยการทำปฏิกิริยากับหมู่ -OH ที่อยู่ในโมเลกุล ด้วยวิธีการเช่นนี้จึงทำให้สามารถผลิตเส้นใยกึ่งสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเส้นใยฝ้ายตามธรรมชาติได้ เส้นใยกึ่งสังเคราะห์ตระกูลเรยอน (rayon) ได้จากการทำเอาเซลลูโลส (จากฝ้ายหรือไม้) มาทำปฏิกิริยากับสารเคมีต่าง ๆ เช่นถ้าทำปฏิกิริยากับอะซีติกแอนไฮดราย (acetic anhydride) ก็จะได้เส้นใยอะซีเทต (acetate fibre) ถ้าทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกก็จะได้เซลลูโลสไนเทรต และถ้าทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดซัลไฟด์ก็จะได้เส้นใยที่เรียกว่า "viscose rayon" ดังรูปที่ ๑ ข้างล่าง


รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาระหว่างหมู่ -OH ในโมเลกุลเซลลูโลสกับคาร์บอนไดซัลไฟด์ โดยมี NaOH ร่วมทำปฏิกิริยาด้วย (ภาพจาก http://www.en.wikipedia.org ในหัวข้อ viscose rayon)

เส้นใย rayon ที่ได้จะมีลักษณะมันวาวคล้ายเส้นใยไหม นอกจากนี้ยังสามารถย้อมสีได้สดกว่าเส้นใยฝ้าย จึงนิยมนำไปใช้ทำเครื่องแต่งกายต่าง ๆ ที่จัดว่าเส้นใยกลุ่มนี้เป็นเส้นใยกึ่งสังเคราะห์ก็เพราะมีการใช้เซลลูโลสที่ได้จากธรรมชาติเป็นวัตถุดิบ ส่วนเส้นใยสังเคราะห์เช่นพอลิเอสเทอร์หรือไนลอนนั้นวัตถุดิบที่ใช้เป็นสารตั้งต้นได้มาจากอุตสาหกรรมปิโตรเคมีทั้งหมด


เมื่อตอนปลายปี ๒๕๕๒ ที่ผ่านมา ผมได้รับชวนให้ไปร่วมงานในโครงการหนึ่งช่วงยวันหยุดปีใหม่ ผมก็เลยปฏิเสธไป แต่ก็ได้พบปะและพูดคุยกับผู้ที่เข้าร่วมงานดังกล่าวก่อนที่เขาจะลงไปดูสถานที่จริง (ดู MO Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๙๖ วันศุกร์ที่ ๑ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การเสียชีวิตเนื่องจากแก๊ส" ประกอบด้วย ในขณะที่เขียนบันทึกฉบับนั้นทางผู้เข้าร่วมงานดังกล่าวยังไม่ได้ไปยังสถานที่จริง เป็นเพียงรับฟังคำบอกเล่าต่อมาเท่านั้น)

หลังจากที่พวกเขากลับมาแล้ว ผมก็ได้รับทราบเรื่องราวคร่าว ๆ ว่าในวันที่เกิดเหตุนั้นมีเหตุผิดปรกติเกิดขึ้นในกระบวนการ จึงต้องมีการระบายคาร์บอนไดซัลไฟด์จากหน่วยผลิตลงถังเก็บ แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นทำให้มีไฮโดรเจนซัลไฟด์ระบายลงไปถังเก็บคาร์บอนไดซัลไฟด์ด้วย แต่ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นแก๊สที่ละลายน้ำได้น้อย ผลที่เกิดขึ้นตามมาคือชั้นน้ำที่ปิดคลุมผิวคาร์บอนไดซัลไฟด์นั้นไม่สามารถกักเก็บไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้ ทำให้ไฮโดรเจนซัลไฟด์รั่วไหลออกมาเหนือผิวน้ำและออกมาข้างนอกถังและทำให้มีผู้เสียชีวิตเกิดขึ้น

ผู้ที่เล่าให้ฟังนั้นเล่าว่า เมื่อเกิดสัญญาณเตือนภัยดังขึ้น เจ้าหน้าที่ปฏิบัติงานก็รีบเดินทางไปตรวจ พอเข้าไปในกลุ่มแก๊สที่รั่วไหลอยู่ก็ล้มลงหมดสติทันที (เป็นกันหลายราย) ส่วนประเด็นที่ว่าการหมดสตินั้นเกิดจาก (ก) ความเป็นพิษของแก๊สนั้นเอง หรือ (ข) การที่แก๊สนั้นเข้าไปแทนที่อากาศจนทำให้อากาศนั้นขาดออกซิเจน นั้นไม่มีความชัดเจน


รูปที่ ๒ รายงานข่าวจาก matichon online หน้าเว็บนี้ได้จากการค้นข้อมูลย้อนหลังในวันที่ ๑๓ พฤศจิกายน ๒๕๕๓ (ค้นด้วย google โดยใช้คำค้นหา "แก๊สรั่ว สระบุรี")

รูปที่ ๓ รายงานข่าวจาก thairath.co.th ข่าวนี้เขียนสูตรโมเลกุลคาร์บอนไดซัลไฟด์ผิดคือเขียนเป็น CH2 แทนที่จะเป็น CS2 หน้าเว็บนี้ไม่ได้บันทึกไว้ในวันที่นำเสนอข่าว แต่เป็นการค้นข้อมูลย้อนหลังจึงทำให้เห็นวันที่บนหัวข้อข้างบน (ใต้ชื่อไทยรัฐสีเขียว) เป็นวันที่ ๗ พฤศจิกายน ๒๕๕๓ (ค้นด้วย google โดยใช้คำค้นหา "แก๊สรั่ว สระบุรี")

ไม่มีความคิดเห็น: