นานาสาระเคมีวิเคราะห์ MO Memoir : Thursday 7 July 2554

ก่อนอื่นก็ขอแสดงความยินดีกับมหาบัณฑิตของกลุ่มเพียงหนึ่งเดียว (สาวน้อยหน้าใสจากบางละมุง) ที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในช่วงเช้าของวันนี้ และขออวยพรให้ประสบความสุขความสำเร็จในชีวิตส่วนตัวและหน้าที่การงาน และ Memoir ฉบับนี้ก็จะเป็นฉบับสุดท้ายที่จะส่งไปยังอีเมล์ของผู้ที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตร และเป็นฉบับสุดท้ายของปีที่ ๓ เพราะฉบับต่อไปจะเริ่มขึ้นต้นปีที่ ๔ แล้ว

และพิเศษสำหรับสมาชิกของกลุ่ม (เท่านั้น) คนใดก็ตามที่จบการศึกษาไปแล้วและถ้าอยากได้ฉบับ pdf ก็ขอตรงมาที่อีเมล์ของผมได้ ให้ได้ทุกฉบับยกเว้นพวกที่ระบุว่า "เผยแพร่เป็นการภายใน"

แต่อย่างไรก็ตามก็หวังว่าคงจะแวะมาเยี่ยม blog นี้บ้างเพื่อจะได้รู้ว่ารุ่นน้อง "ก่อเรื่อง" อะไรเอาไว้บ้าง

Memoir ฉบับนี้เป็นการรวบรวมคำถามที่คิดว่าเกี่ยวข้องกับงานเคมีวิเคราะห์ คำถามแต่ละคำถามมีที่มาจากการที่นิสิตประสบจากการไปฝึกงาน หรือเกิดขึ้นในระหว่างการเรียนปฏิบัติการ

๑. อะไรทำให้เกิดสี

นิสิตกลุ่มหนึ่งไปฝึกงานที่โรงงานแถว อ. บ้านค่าย จ. ระยอง (ผมเองก็ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นโรงงานอะไร) ได้รับมอบหมายให้ศึกษาปัญหาที่เกิดขึ้นกับน้ำเสียของโรงงาน คือน้ำเสียของโรงงานมี "สีเหลือง" และโรงงานต้องการทราบว่าเกิดจากสาเหตุใด

อันที่จริงผมก็ไม่ได้เป็นคนดูแลการฝึกงานของเขาหรอก เพียงแต่พอเขาเอาปัญหานี้ไปปรึกษาอาจารย์ผู้ดูแล ก็ได้คำตอบกลับมาสั้น ๆ ว่า "ผมไม่ถนัด" ให้ไปลองถามคนอื่นดู

อันที่จริงในโครงการฝึกงานที่นิสิตผู้นั้นไปฝึกงานนั้น (ผมไม่ได้อยู่ในโครงการนี้) อาจารย์ผู้ดูแลนิสิตฝึกงานจะเป็นผู้ให้คำปรึกษาและช่วยแก้ไขปัญหาให้กับนิสิตที่ตัวเองดูแลอยู่ และมีค่าตอบแทนให้ด้วย พอเจอคำตอบอย่างนี้เข้านิสิตกลุ่มนี้ก็เลยไม่รู้ว่าจะทำยังไงดี ก็เลยแวะหาโอกาสเข้ามาถามผม คำแนะนำของผมที่ได้ให้เขาไปก็คือให้ตั้งคำถามพื้น ๆ ขึ้นมาก่อน อย่างเช่นในกรณีนี้คือ "อะไรทำให้เกิดสี"

ในทางเคมีนั้น สารเคมีที่ทำให้เกิดสีในน้ำได้ก็มี

(ก) ไอออนของโลหะทรานซิชัน และ

(ข) สารประกอบอินทรีย์บางตระกูล

ในกรณีนี้ผมก็แนะนำให้เข้าไปค้นดูว่าไอออนของโลหะทรานซิชันตัวไหนที่ให้ "สีเหลือง" แล้วไปตรวจสอบดูว่าในโรงงานนั้นมีการปล่อยสารเคมีที่มีโลหะทรานซิชันตัวนั้นลงน้ำทิ้งหรือเปล่า ที่ให้ลองดูที่โลหะทรานซิชันก่อนก็เพราะว่าไอออนโลหะทรานซิชันที่ให้สีเหลืองได้มันมีจำนวนสารอินทรีย์ ซึ่งถ้าพบว่าต้นเหตุไม่น่าจะเป็นโลหะทรานซิชันจึงค่อยไปดูว่าโรงงานนั้นมีการปล่อยสารอินทรีย์ตัวไหนบ้างลงสู่น้ำทิ้ง

ทีนี้ถ้าสมมุติว่าน้ำทิ้งมี "สีเขียว" ล่ะ คำแนะนำข้างต้นยังคงใช้ได้อยู่หรือไม่

ในทางสีนั้น แม่สีมี ๓ สีคือสี แดง เหลือง และน้ำเงิน (แตกต่างจากแม่สีในทางแสงซึ่งมี ๓ สีเช่นเดียวกัน แต่เป็นสี แดง เขียว และน้ำเงิน) ในกรณีที่น้ำทิ้งเป็น "สีเขียว" นั้นไม่จำเป็นที่ในน้ำทิ้งมีสารที่มีสีเขียว แต่อาจมีสารที่มี "สีเหลือง" และ "สีน้ำเงิน" ปนกันอยู่ก็ได้ เพราะ สีเหลือง + สีน้ำเงิน = สีเขียว ถ้านึกภาพไม่ออกลงนึกภาพตอนที่คุณไทเทรตกรด-เบสโดยใช้อินดิเคเตอร์ ซึ่งจะเห็นว่าก่อนที่อินดิเคเตอร์จะเปลี่ยนสีสมบูรณ์นั้น จะมีอยู่ช่วงหนึ่งที่เป็นสีผสมระหว่างสีของช่วงที่เป็นกรดและสีของช่วงที่เป็นเบส

ดังนั้นความเป็นไปได้จะต้องขยายออกให้ครอบคลุมไปยัง "มีสารที่ให้สีเขียวละลายอยู่" หรือ "มีสารที่ให้สีเหลือง + สีน้ำเงินละลายร่วมกันอยู่" ส่วนสารนั้นจะเป็นไอออนของโลหะทรานซิชันหรือสารอินทรีย์นั้นก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง

๒. กรดอะไรที่กินได้

คำถามนี้เกิดขึ้นระหว่างการทำแลปเคมีวิเคราะห์ ในขณะที่นิสิตทำการไทเทรตวัดความเป็นกรดของน้ำอัดลม คือนิสิตถามผมมาว่าทำไมจึงเห็นกราฟการไทเทรต (ค่า pH กับปริมาณ NaOH ที่หยดลงไป) มีลักษณะคล้ายเป็นเส้นตรงลาดเอียงสูงขึ้นไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีลักษณะการเพิ่มขึ้นกระทันหันที่แสดงตำแหน่งจุดยุติเหมือนกราฟการไทเทรตกรด-เบสที่แสดงในหนังสือ ผมก็เลยตอบเขาไปว่า แล้วคุณคิดว่ามีกรดอะไรบ้างที่คุณกินได้

ตำราเคมีวิเคราะห์ในส่วนของการไทเทรตกรด-เบสนั้น มักจะยกกราฟตัวอย่างการไทเทรตสารละลายกรดที่

(ก)เป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว หรือ

(ข) สารละลายกรดที่แตกตัวให้โปรตอน ๒ ตัว หรือ

(ค) สารละลายกรดที่เป็นสารผสมระหว่างกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว + กรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนตัวเดียว

แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือ ตัวอย่างที่เขายกมานั้นมันจะมีจุดสมมูลของการไทเทรตที่ค่า pH เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วให้เห็นอย่างชัดเจน ทั้งนี้เพราะชนิดของกรดที่เขานำมาเป็นตัวอย่าง (ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจน) และจำนวนชนิดของกรดในสารละลายที่เขานำมาเป็นตัวอย่าง (ซึ่งมักจะมีไม่เกิน ๒ ชนิด)

ผมสงสัยว่าด้วยเหตุนี้หรือไม่ จึงทำให้คนจำนวนไม่น้อย (หรือเกือบทั้งหมด) ที่ไม่ค่อยมีประสบการณ์กับการไทเทรตจึงคิดว่า กราฟการไทเทรตสารละลายกรดด้วยเบสนั้น "จะต้องมีตำแหน่งที่ค่า pH เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วให้เห็นอย่างชัดเจน" ดังเช่นที่เห็นในตำราต่าง ๆ

เกณฑ์การจำแนกชนิดกรดเกณฑ์หนึ่งนั้นจะแบ่งกรดออกเป็น ๒ ประเภทคือ

(i) กรดแร่ (mineral acid) และ

(ii) กรดอินทรีย์ (organic acid) แต่ถ้าจะพูดถึงสารอินทรีย์ที่มีฤทธิ์เป็นกรดแล้ว สารที่มีหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) หรือไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ก็ต่างแสดงฤทธิ์เป็นกรดได้แม้ว่าชื่อสารจะไม่มีคำว่ากรดก็ตาม

แต่สารเคมีที่มีฤทธิ์เป็นกรดที่อยู่ในอาหารที่เราบริโภคกันนั้นจะเป็นพวกกรดอินทรีย์ซะมากกว่า (ยกเว้นพวกที่มี CO₂ ละลายอยู่) และกรดเหล่านี้ต่างก็เป็นกรดอ่อน และที่สำคัญคือในอาหารและสารปรุงแต่ง (กลิ่น สี รส) นั้นมักประกอบด้วยสารอินทรีย์หลากหลายชนิด (อาจมีข้อยกเว้นบางตัวเช่นน้ำส้มสายชูที่มี CH₃COOH เป็นองค์ประกอบหลัก) ดังนั้นการไทเทรตสารละลายอาหารจึงไม่ควรคาดหวังว่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วดังที่เห็นในตำรา

๓. สมมุติฐานที่เป็นไปได้

ในการทดลองหนึ่งนั้น ผู้ทำการทดลอง ๒ กลุ่มได้รับตัวอย่างสารละลายกรดที่มีสูตรโมเลกุล H₂A เมื่อทำการไทเทรตแล้วได้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างค่า pH กับปริมาตร NaOH (ml) ที่ใช้ดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง โดยพบว่าผู้ทำการทดลองทั้ง ๒ กลุ่มนั้นพบการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัด ที่แสดงจุดสมมูลของการไทเทรตเพียงตำแหน่งเดียว แต่ผู้ทำการทดลองทั้ง ๒ กลุ่มนั้นให้กราฟในช่วงท้ายที่ไม่เหมือนกัน กล่าวคือกลุ่มหนึ่งพอพบว่าค่า pH เริ่มเปลี่ยนแปลงอย่างช้า ๆ ก็ยุติดการทดลอง (รูปซ้าย) ส่วนอีกกลุ่มหนึ่งนั้นทดลองเติม NaOH ต่อไปเรื่อย ๆ (รูปขวา)

รูปที่ ๑ กราฟการไทเทรตกรด H₂A กับ NaOH

ด้วยข้อมูลที่มีเพียงแค่ "มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดเพียงตำแหน่งเดียว" ได้มีการนำมาสร้างสมมุติฐานอธิบายผลการทดลองดังกล่าวได้ ๔ ข้อดังนี้

(ก) กรดดังกล่าวเป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอน ๒ ตัวออกมาพร้อม ๆ กันหรือไล่เลี่ยกันมาก

(ข) กรดดังกล่าวเป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น ไม่มีการแตกตัวครั้งที่สอง

(ค) กรดดังกล่าวแตกตัวให้โปรตอนได้ ๒ ตัว แต่ผลการทดลองที่เห็นนั้นเป็นของโปรตอนตัวที่ ๑ เพียงตัวเดียว ยังไทเทรตไม่ถึงตำแหน่งโปรตอนตัวที่สอง หรือ

(ง) กรดดังกล่าวเป็นกรดอ่อนที่แตกตัวให้โปรตอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น ไม่มีการแตกตัวครั้งที่สอง

การที่จะบอกว่าข้อมูลที่มีอยู่นั้นสนับสนุนสมมุติฐานข้อใดหรือหักล้างสมมุติฐานข้อใดจำเป็นที่จะต้องดูให้ละเอียดลงไป ข้อมูลตัวถัดไปที่จะดูกันคือ "ค่า pH ของตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัด"

ถ้าหากพบว่าค่า pH ของตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดนั้นอยู่ประมาณ 7 ก็แสดงว่าสมมุติฐานข้อ (ก) และ (ข) มีความเป็นไปได้ แต่ไม่น่าจะเป็นไปตามสมมุติฐานข้อ (ค) หรือ (ง) เพราะตามสมมุติฐานข้อ (ค) นั้นค่า pH ของจุดยุติของการไทเทรตโปรตอนตัวแรกจะอยู่ในช่วงที่เป็นกรด และตามสมมุติฐานข้อ (ง) นั้นค่า pH จะอยู่ในช่วงที่เป็นเบส

ดังนั้นถ้าพบว่าค่า pH ของตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดนั้นมีค่าน้อยกว่า 7 (คืออยู่ในช่วงที่เป็นกรด) ก็แสดงว่าน่าจะเป็นไปตามสมมุติฐานข้อ (ค) และถ้าพบว่าค่า pH ของตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดนั้นมีค่ามากกว่า 7 (คืออยู่ในช่วงที่เป็นเบส ) ก็แสดงว่าน่าจะเป็นไปตามสมมุติฐานข้อ (ง)

ข้อมูลอีกตัวหนึ่งที่ควรนำมาพิจารณาคือปริมาตรสารละลาย NaOH ที่ใช้ตั้งแต่เริ่มการไทเทรตไปจนพบตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัด ซึ่งตามรูปคือ a ml ซึ่งถ้าหากหลังจากพบตำแหน่งการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดตำแหน่งแรกแล้ว และยังเติมสารละลาย NaOH ต่อไปอีกอย่างน้อย a ml แล้วยังไม่พบการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่เด่นชัดตำแหน่งที่สอง (เช่นในรูปด้านขวา) ก็แสดงว่าไม่น่าจะเป็นไปตามสมมุติฐานของ (ค)

การพิจารณาว่าควรแปลผลการทดลองอย่างไรนั้น จำเป็นที่ต้องมีการมองจากหลายมุมมอง ตั้งสมมุติฐานที่เป็นกลางขึ้นมาก่อนโดยพิจารณาจากความเป็นไปได้ทั้งหมด โดยไม่ด่วนเอาผลสรุปที่ต้องการเป็นตัวกำหนดสมมุติฐานที่จะตั้ง จากนั้นจึงค่อยนำผลการทดลองที่มีอยู่มาพิจารณาที่ละประเด็นว่าสมมุติฐานข้อไหนใช้อธิบายผลการทดลองได้ก็เก็บสมมุติฐานข้อนั้นไว้ และสมมุติฐานข้อไหนใช้อธิบายไม่ได้ก็ตัดข้อนั้นทิ้งไป

๔. คุณภาพไม่สม่ำเสมอ

เหตุเกิดในระหว่างการฝึกงานภาคฤดูร้อนของนิสิต ณ โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่ง โดยมีข้อร้องเรียนมาจากลูกค้าของโรงกลั่นว่า "น้ำมันเตาที่ส่งไปให้นั้นมีคุณภาพไม่สม่ำเสมอ" โดยไม่มีคำอธิบายอื่นเพิ่มเติม

ทางโรงกลั่นจึงได้มอบหมายให้นิสิตฝึกงานหาวิธีการผสมน้ำมันเตาที่อยู่ในถังเก็บ เพื่อที่จะให้น้ำมันมีความ "สม่ำเสมอ" ก่อนที่จะส่งให้ลูกค้า

แต่ปัญหาก็คืออะไรที่มัน "ไม่สม่ำเสมอ"

น้ำมันเตานั้นจะเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิง ในการใช้งานจะใช้หัวฉีดฉีดน้ำมันเตาให้แตกออกเป็นละอองฝอยเล็ก ๆ (หยดของเหลว) การเผาไหม้จะเกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสระหว่างหยดน้ำมันและอากาศรอบ ๆ

ถ้าเป็นละอองฝอยเล็ก ๆ พื้นที่ผิวก็จะสูง การเผาไหม้ก็จะดี แต่ถ้าเป็นละอองฝอยใหญ่ ๆ พื้นที่ผิวก็จะลดลง ถ้าให้เวลาเผาไหม้ไม่พอ ก็จะเกิดปัญหามีเชื้อเพลิงและ/หรือผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์หลุดรอดออกจากไปเตาเผา

ปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อขนาดละอองฝอยที่ได้ (ถ้าไม่มีการปรับการทำงานของหัวฉีด) ก็คือ "ความหนืด" ของน้ำมัน

น้ำมันที่มีความหนืดต่ำจะแตกตัวออกเป็นละอองฝอยเล็ก ๆ ได้ดีกว่าน้ำมันที่มีความหนืดสูง แต่สิ่งที่ลูกค้าต้องการก็คือน้ำมันที่มีความหนืดคงเส้นคงวา เพื่อที่เขาจะได้ปรับการทำงานของหัวฉีดไว้เพียงครั้งเดียว ไม่จำเป็นต้องทำการปรับทุกครั้งที่มีการรับน้ำมันเข้ามาใหม่

โรงกลั่นน้ำมันนั้นทำการวัดค่าความหนืดของน้ำมันอยู่เป็นประจำอยู่แล้ว แต่การวัดค่าความหนืดนั้นจะใช้เวลาค่อนข้างมาก เขาจึงได้หาทางวัดค่าอื่นที่วัดได้เร็วกว่าและค่าดังกล่าวต้องสัมพันธ์กับความหนืดของน้ำมัน ค่าที่เขาเลือกวัดก็คือ "ความหนาแน่น"

กล่าวโดยคร่าว ๆ คือถ้าผสมน้ำมันที่จะส่งให้ลูกค้าในแต่ละครั้งให้มีความหนาแน่นเท่า ๆ กัน ความหนืดก็จะใกล้เคียงกัน

รูปที่ ๒ การผสมน้ำมันที่ความหนาแน่นแตกต่างกัน (รูปซ้าย) ถ้านำน้ำมันความหนาแน่นสูงเข้าทางด้านบนและน้ำมันความหนาแน่นต่ำเข้าทางด้านล่าง จะได้น้ำมันในแทงค์ที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอกว่าการที่นำน้ำมันความหนาแน่นต่ำเข้าทางด้านบนและน้ำมันความหนาแน่นสูงเข้าทางด้านล่าง (รูปขวา)

การผสมน้ำมันในกรณีนี้เป็นการนำน้ำมันที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันที่อยู่ต่างแทงค์กันมาผสมรวมกันในอีกแทงค์หนึ่ง โดยจะนำน้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำเข้าทางด้านล่างของแทงค์และนำน้ำมันที่มีความหนาแน่นสูงเข้าทางด้านบนของแทงค์ ด้วยวิธีการนี้จะทำให้น้ำมันที่มีความเคลื่อนตัวลงเบื้องล่างและผสมกับน้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าได้ ทำให้น้ำมันที่ระดับความลึกต่าง ๆ กันของแทงค์มีความหนาแน่นที่สม่ำเสมอ

แต่ถ้าทำกลับกันคือนำน้ำมันที่มีความหนาแน่นสูงเข้าทางด้านล่างของแทงค์และนำน้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำเข้าทางด้านบนของแทงค์ น้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำจะลอยอยู่บนชั้นน้ำมันที่มีความหนาแน่นสูง น้ำมันที่ระดับความลึกต่าง ๆ กันในแทงค์จะมีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน

Memoir ปีที่ ๓ เริ่มจากฉบับที่ ๑๘๒ วันศุกร์ที่ ๙ กรกฎาคม ๒๕๕๓ นับถึงฉบับนี้ก็เป็นจำนวนทั้งสิ้น ๑๔๘ ฉบับ ๔๒๕ หน้ากระดาษ A4 ฉบับที่ ๓๓๐ ก็จะเป็นฉบับเริ่มต้นปีที่ ๔ ซึ่งคงจะขอเปลี่ยนสีสันหัวกระดาษบ้าง จะได้สะดวกเวลาค้นหา