วันอาทิตย์ที่ 17 กรกฎาคม พ.ศ. 2554

การอ่านผลการทดลองการไทเทรตกรด-เบส ตอนที่ ๒ MO Memoir : Sunday 17 July 2554


เท่าที่ผมสังเกตมาผมรู้สึกว่า บรรดาโจทย์ปัญหาหรือวิธีการทดลองต่าง ๆ ที่อยู่ในตำรานั้น มักออกแบบมาเพื่อความสะดวกของผู้ตรวจ ในการตรวจว่าผู้ทำโจทย์ทำได้ถูกต้องหรือไม่ นอกจากนี้โจทย์ตัวอย่างที่ปรากฎในตำราต่าง ๆ นั้นมักจะได้รับการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล เพื่อให้มีคำตอบที่เป็นไปได้และถูกต้องเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น ซึ่งทำให้ผู้เรียนเกิดความเคยชินว่าเมื่อเห็นตัวเลขข้อมูลดิบจากการวิเคราะห์ก็ให้ทำการคำนวณหาคำตอบเลย โดยไม่เคยสนใจพิจารณาว่าตัวเลขที่ได้มาและ/หรือวิธีการวิเคราะห์ที่ใช้นั้นมันมีปัญหาหรือไม่
จากประสบการณ์ที่ได้สัมผัสกับการทำการวิเคราะห์โดยตรงและการอ่านข้อมูลดิบที่ได้จากการทดลองนั้นพบว่า มีหลายสิ่งหลายอย่างจากการวิเคราะห์จริงที่ไม่ปรากฎในตำรา และไม่มีปรากฏเป็นโจทย์ตัวอย่างในหนังสือ ซึ่งทำให้เป็นปัญหามากสำหรับผู้ที่ขาด "ประสบการณ์ตรง" โดยเฉพาะการอ่านข้อมูลดิบที่ได้ก่อนว่ามีความน่าเชื่อถือเพียงใด และถ้าพบจุดสงสัยในตัวข้อมูล ควรตั้งสมมุติฐานอย่างไรเพื่อทำการทดสอบ
ตรงนี้ผมขอย้ำตรง "ประสบการณ์ตรง" นะ เพราะบางคนอาจดูเหมือนว่ารู้เยอะแต่เป็นเพราะว่าอ่านหรือฟังคนอื่นเล่าให้ฟังอีกที แต่เชื่อเถอะว่าสิ่งที่เขียนเป็นลายลักษณ์อักษรนั้นมันมีไม่ครบหรอก หรือเรื่องที่เล่านั้นมันก็มีรายละเอียดไม่ครบ ผมถึงบอกพวกคุณว่าการเรียนนั้นเพียงแค่จะคอยอ่านบันทึกที่ผมเขียนมันไม่พอ มันต้องอยู่ในเหตุการณ์ขณะที่สิ่งนั้นเกิด แต่เมื่อเราบอกไม่ได้ว่ามันจะมีอะไรเกิดขึ้นเมื่อไร เราก็ต้องมาคอยมัน ผมถึงย้ำให้พวกปี ๑ หาโอกาสแวะมาที่แลปทุกครั้งที่มีโอกาส
คนที่ขาดประสบการณ์ตรงนั้น ถ้าให้เข้าไปตรวจสอบการทำงานจริงจะโดนหลอกเอาได้ง่าย ๆ ด้วยข้อมูลที่สร้างขึ้นมาเองโดยไม่มีการทดลองจริง ผมมีโอกาสได้เห็นนิสิตโท-เอกเอาข้อมูลประเภทนี้ไปหลอกอาจารย์ที่ปรึกษาของเขาว่าได้ผลการทดลองออกมาดี และเห็นอาจารย์เอาผลงานประเภทนี้ไปหลอกบริษัทที่รับจ้างทำวิจัยว่างานออกมาได้ผลดี ซึ่งเรื่องพวกนี้คงไม่แดงถ้าหากไม่มีการทำซ้ำ

ใน Memoir ฉบับนี้ผมขอยกตัวอย่างง่าย ๆ (เรื่องการไทเทรตกรด-เบส) ที่แสดงให้เห็นถึงผลการทดลองที่มีปัญหา และลองมาดูว่าในมุมมองของผม (พวกคุณมีสิทธิที่จะมองต่างออกไปได้) ผมคิดอย่างไรกับผลการทดลองนั้น

จากข้อมูลการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ที่กำหนดให้ข้างล่าง

อินดิเคเตอร์
ช่วง pH ที่เปลี่ยนสี
สีที่เปลี่ยน
Indicator X
3.0-4.2
น้ำเงิน-ส้มเหลือง
Indicator Y
8.0-9.7
เขียว-แดง

เมื่อทำการไทเทรตสารตัวอย่างที่เป็นกรดที่ไม่ทราบองค์ประกอบที่แน่นอน ด้วยสารละลาย NaOH 0.1 M โดยผู้ทำการทดลองคนที่หนึ่งใช้ indicator X เป็นอินดิเคเตอร์พบว่าต้องใช้สารละลาย NaOH 37.5 ml แต่เมื่อผู้ทำการทดลองคนที่สองใช้ indicator Y พบว่าต้องใช้สารละลาย NaOH 38.5 ml โดยที่จุดยุติของการไทเทรตด้วยอินดิเคเตอร์แต่ละชนิด จะใช้สารละลาย NaOH เพียง 0.05 ml ก็ทำให้อินดิเคเตอร์ทั้งสองชนิดเปลี่ยนสีได้อย่างสมบูรณ์
จากผลการทดลองนี้ มีการตั้งสมมุติฐานขึ้นมา ... ข้อดังนี้
ก. .....
ข. .....
ให้ท่านวิจารณ์ว่า สมมุติฐานแต่ละข้อนั้น มีความเป็นไปได้มากน้อยเพียงใด
โจทย์ข้างบนเป็นข้อสอบวิชาเคมีวิเคราะห์ที่ผมเคยเอาเป็นข้อสอบ ซึ่งโจทย์ดังกล่าวจะก่อปัญหาให้กับพวกที่เรียนมาแบบเห็นตัวเลขต้องเข้าสูตรคำนวณทันทีเพื่อหาคำตอบ ซึ่งพอเจอข้อมูลที่มีปัญหาดังตัวอย่างข้างต้นก็จะทำไม่ได้

ทีนี้เราลองมาดูข้อมูลการทดลองที่ละจุดว่าในมุมมองของผมนั้นเป็นอย่างไร

(๑) คนที่ ๑ ใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงกรด พบว่าใช้สารละลาย NaOH 37.5 ml โดยตรงจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีนั้นใช้สารละลาย NaOH เพียง 0.05 ml

(๒) คนที่ ๒ ใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงกรด พบว่าใช้สารละลาย NaOH 38.5 ml โดยตรงจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีนั้นใช้สารละลาย NaOH เพียง 0.05 ml

(๓) ตรงจุดนี้อาจทำให้คิดได้ว่า ก็ในเมื่อคนที่ ๒ ใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงเบส ก็ควรที่จะต้องใช้สารละลาย NaOH ในปริมาตรที่มากกว่า ดังนั้นถ้าจะคำนวณหาความเข้มข้นของกรดตัวอย่าง ก็ควรเอาปริมาตรที่ได้จากการวิเคราะห์สองครั้งมาหาค่าเฉลี่ย

(๔) การสรุปตามข้อ (๓) ไม่ได้มีการนำข้อมูลตัวหนึ่งมาพิจารณาคือ "ปริมาตรที่ทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์" ซึ่งข้อมูลที่ให้มานั้นบอกว่าเปลี่ยนสีได้รวดเร็วมากหรือทันที ปริมาตร 0.05 ml ก็ประมาณครึ่งหยดเท่านั้นเอง หรือเป็นปริมาตรที่น้อย (ที่สุด) ที่เราสามารถหยดและอ่านค่าได้จากบิวเรตขนาด 25 ml 50 หรือ 100 ml ซึ่งตรงจุดนี้คนที่ไม่เคยทำการทดลองหรือไม่เคยสังเกต จะไม่ทราบข้อมูลตรงจุดนี้

(๕) พฤติกรรมการเปลี่ยนสีอย่างรวดเร็วนี้เป็นลักษณะของการไทเทรตกรดแก่-เบสแก่ โดยในกรณีนี้สารตัวอย่างควรเป็นกรดแก่ที่มีความเข้มข้นสูงมากพอ (pH เริ่มต้นน่าจะน้อยกว่า 3) ซึ่งบริเวณจุดยุติจะเห็นการเปลี่ยนแปลง pH อย่างรวดเร็ว เช่นกระโดดจากไม่ถึง 3 ไปเป็นเกือบ 10 ดังนั้นถ้าใช้อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงดังกล่าวก็จะเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (หรือปริมาตร NaOH ที่ทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์นั้นน้อยมาก)
อีกกรณีที่อาจเป็นไปได้คือเป็นกรดอ่อนที่แตกตัวได้ดีมาก (เกือบ 100%) แต่ไม่ควรเป็นกรดอ่อนที่มีแตกตัวไม่ใกล้ 100% (แต่ไม่เท่ากับ 100%) เพราะถ้าเป็นกรดอ่อนที่แตกตัวห่างจาก 100% แล้ว ไม่ควรจะเห็นอินดิเคเตอร์ X เปลี่ยนสีอย่างรวดเร็ว เพราะจุดยุติของการไทเทรตกรดอ่อนจะเคลื่อนไปทางด้านที่เป็นเบส

(๖) แต่ถ้าเป็นกรณีตามข้อ (๕) ไม่ว่าจะใช้อินดิเคเตอร์ X หรือ Y ก็ควรจะให้สารละลาย NaOH ในปริมาตรที่เท่ากัน แต่ข้อมูลที่ให้มานั้นบอกว่าแตกต่างกันอยู่ 1.0 ml (คนหนึ่งใช้ 37.5 ml ในขณะที่อีกคนใช้ 35.8 ml)

(๗) ตรงนี้คือข้อขัดแย้งของข้อมูล ถ้าเราเชื่อว่าตัวเลขปริมาตร NaOH ของผู้ทำการวิเคราะห์ของทั้งสองคนถูกต้อง "ทั้งคู่" เราก็จะต้องตอบให้ได้ว่าทำไมจึงเห็นอินดิเคเตอร์ทั้งสองตัวเปลี่ยนสีอย่างรวดเร็วได้ แต่ถ้าเราเชื่อว่าพฤติกรรมการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ทั้งสองตัวนั้นถูกต้อง นั่นก็แสดงว่าผู้ทำการทดลองสองคนนั้น ต้องมีอย่างน้อยคนหนึ่งที่ทำผิดพลาด (ที่บอกว่าอย่างน้อยหนึ่งคนเพราะอาจผิดทั้งคู่ก็ได้)

ตรงจุดนี้ถ้าเป็นการทดลองจริงแล้วมีคนเอาตัวเลขอย่างนี้มาให้ผมดู ผมก็จะบอกว่าให้ไปทำมาใหม่ โดยใช้เหตุผลดังที่กล่าวมาข้างต้น แต่โดยส่วนตัวแล้วผมในกรณีที่พบว่าอินดิเคเตอร์มีการเปลี่ยนสีอย่างรวดเร็ว ผมจะไว้ใจพฤติกรรมการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์มากกว่าปริมาตร titrantที่ใช้

ไม่มีความคิดเห็น: