ความสัมพันธ์ระหว่างสีกับชนิดและปริมาณธาตุ MO Memoir : Monday 31 October 2554

เท่าที่ทราบจากเพื่อนบ้านที่ยังคงอยู่ในพื้นที่  ทราบมาว่าหน้าบ้านตอนนี้น้ำสูงระดับประมาณ ๑ เมตรแล้ว  ตอนนี้ก็ได้แต่หวังว่าระดับมันจะลดลงพอให้ลุยเข้าไปได้ก่อนลูก ๆ เปิดเรียน  จะได้เข้าไปเอาชุดนักเรียนกับหนังสือเรียนมาให้เขา  ไม่เช่นนั้นก็คงต้องไปหาของใหม่มาให้พวกเขาใช้ชั่วคราวก่อน

          เมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมาผมได้รับอีเมล์ฉบับหนึ่งจากสาวน้อยหน้าใสซึ่งตอนนี้ได้งานทำแล้ว  ผมขอนำเนื้อหาบางส่วนของอีเมล์ดังกล่าวมาย่นย่อดังแสดงข้างล่าง

สวัสดีค่ะอาจารย์

          ตอนนี้หนูทำงานที่นิคมบางปู  โรงงานมีโปรเจ็คให้ทำโดยมีปืนเอกเซเรย์เป็นเครื่องมือให้ใช้  เพื่อที่จะแยกความแตกต่างขององค์ประกอบของธาตุในแต่ละสีของผงโทเนอร์ คือ ดำ ฟ้า ชมพู และเหลือง (โดยหัวหน้าคิดว่าแต่ละสีต้องมีความแตกต่างกันของธาตุ)

          ซึ่งปืนเอกซเรย์นี้รายงานผล เป็น% ของธาตุทั้งหมดในผงโทนเนอร์ เช่น %a25 %b50 %c10 %d15 รายงานเป็นกราฟ ระหว่าง count(y) กับ eV(x) ดูแล้วคล้ายๆกับgraphจาก XRD

          โดยการยิงเบื้องต้นสามารถแยกสีดำออกจากสีอื่นได้โดยสิ้นเชิง เพราะมีองค์ประกอบของธาตุแตกต่างจากสีอื่น เช่นสีดำ มี ธาตุ a b c d ส่วนสีฟ้า สีชมพู และสีเหลืองมีธาตุชนิดเดียวกัน เช่นธาตุ a b c

          โดยสีฟ้ามี %ธาตุแต่ละธาตุแตกต่างจากสีชมพู และสีเหลือง ก็สามารถแยกออกจากสีชมพูและ สีฟ้าได้เช่นกัน แต่สีชมพูและสีเหลือง เมื่อยิงปืนเอกซเรย์แล้ว พบว่า ความแตกต่างของ%ธาตุแทบจะไม่แตกต่างกันจึงติดปัญหาว่าแยกจากกันไม่ออก

          จึงอยากขอความคิดเห็นอาจารย์ ว่าจะทำอย่างไรดีคะ เผื่อที่จะแยกสีชมพูและสีเหลืองได้ หรืออาจารย์เห็นสมควรไหมที่จะใช้เครื่องมือนี้ในการตรวจสอบ และมีวิธีไหนอีกบ้างที่เหมาะสมในการตรวจสอบ

ขอบคุณค่ะ

          ก่อนอื่นเรามาลองทำความเข้าใจเรื่องสี แม่สี และการมองเห็นสีกันก่อนดีกว่า (ตามความรู้พื้นฐานที่ผมมีนะ  เพราะผมเองก็ไม่ใช่ศิลปินหรือผู้เชื่ยวชาญด้านแสง)

          ถ้าเป็นเรื่องของการระบายสีหรือการผสมสี  แม่สีจะมีอยู่ ๓ สีคือ แดง เหลือง น้ำเงิน  คุณมีเพียงแค่ ๓ สีนี้ก็สามารถสร้างสีอื่นขึ้นมาได้  เช่นถ้าผสมกันระหว่างแดงกับเหลืองก็จะได้ส้ม  ผสมกันระหว่างเหลืองกับน้ำเงินก็จะได้เขียว  ผสมกันระหว่างแดงกับน้ำเงินก็จะได้ม่วง 

          นอกจากนี้ยังมีอีกสองสีที่ไม่จัดให้เป็นแม่สีคือ สีขาวกับสีดำ  ถ้าอยากให้สีมันอ่อนลงก็ไปหาสีขาวมาผสมเพิ่มเติม  เช่นถ้าต้องการสีชมพูก็เตรียมได้จากการผสมสีแดงกับสีขาว  ส่วนสีดำเท่าที่เคยเจอคือผสมลงไปกับสีอะไรมันก็ออกดำไปหมด

          ส่วนแม่สีทางแสงนั้นก็มี ๓ สีเช่นเดียวกัน  แตกต่างกันตรงที่แม่สีทางแสงจะเป็น แดง เขียว น้ำเงิน (เปลี่ยนจากเหลืองเป็นเขียว)  การผสมแสงให้ได้แสงสีต่าง ๆ กันก็ใช้ ๓ สีนี้  ถ้าคุณมองจอภาพโทรศัพท์ (พวกจอหลอดภาพหรือ CRT จะเห็นได้ชัด) จะเห็นว่าบนจอมีจุดสีอยู่เพียง ๓ สีคือ แดง เขียว น้ำเงิน เขาจึงเรียกว่าจอ RGB (ย่อมาจาก Red Green และ Blue)  โดยการปรับสัดส่วนความสว่างของแสงสีแดง เขียว และน้ำเงิน ก็จะทำให้เห็นแสงสีต่าง ๆ เปล่งออกมา

          ทีนี้เรามาลองดูเรื่องการมองเห็นสี  อันนี้มีประเด็นที่ควรต้องพิจารณา

          แม่สีที่เป็นสีแดงเราเห็นเป็นสีแดงเพราะเมื่อเราฉายแสงสีขาวลงไป  สารนั้นจะดูดกลืนสีอื่นเอาไว้ยกเว้นสีแดง  ทำให้คลื่นแสงสีแดงส่องมาถึงดวงตาเราได้  เราเลยมองเห็นสารนั้นมีสีแดง

          แม่สีที่เป็นสีน้ำเงินเราเห็นเป็นสีน้ำเงินเพราะเมื่อเราฉายแสงสีขาวลงไป  สารนั้นจะดูดกลืนสีอื่นเอาไว้ยกเว้นสีน้ำเงิน  ทำให้คลื่นแสงสีน้ำเงินส่องมาถึงดวงตาเราได้  เราเลยมองเห็นสารนั้นเป็นสีน้ำเงิน

          ใบไม้เป็นสีเขียวเพราะคลอโรฟิลในใบไม้ดูดกลืนแสงสีแดงและน้ำเงินเอาไว้  เหลืองแต่แสงสีเขียวที่ไม่ดูดกลืน  ทำให้เราเห็นใบไม้เป็นสีเขียว

          ทีนี้เราลองมาพิจารณาการเกิดสีม่วงโดยผมจะลองยกตัวอย่างให้พิจารณา ๒ ตัวอย่างดังนี้

         ตัวอย่าง (ก) เอาแม่สีที่เป็นสีแดงและสีน้ำเงินมาผสมเข้าด้วยกัน (คือใช้สารสองชนิดผสมกันโดยที่มันไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกัน)  เมื่อเราฉายแสงสีขาวลงไปแม่สีสีแดงก็ไม่ดูดกลืนสีแดง  โดยปล่อยให้แสงสีแดงเดินทางมาถึงดวงตาเรา  แม่สีสีน้ำเงินก็ไม่ดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน  แต่ปล่อยให้แสงสีน้ำเงินเดินทางมาถึงดวงตาเรา  ดังนั้นสีที่เราเห็นก็ควรเป็น "สีม่วง"

          ตัวอย่าง (ข) ที่นี้ถ้าเรามีสารชนิดหนึ่งเพียงชนิดเดียวที่ไม่ดูดกลืนสีม่วง  แต่ดูดกลืนสี น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง  เมื่อเราฉายแสงสีขาวลงไป  สารนั้นจะไม่ดูดกลืนคลื่นแสงสีม่วง  จะปล่อยให้แสงสีม่วงเดินทางมาถึงดวงตามเรา  ดังนั้นเราก็ควรมองเห็นสารนั้นมี "สีม่วง" เช่นเดียวกัน

          จะเห็นว่าการมองเห็น "สีม่วง" นั้นเป็นไปได้สองกรณี  คือการที่มีคลื่นแสง "สีแดง" และ "สีน้ำเงิน" เดินทางมาถึงดวงตาเราโดยไม่จำเป็นต้องมีคลื่นแสงสีม่วงดังตัวอย่าง (ก)  และการที่มีคลื่นแสง "สีม่วง" เดินทางมาถึงดวงตาเราโดยไม่จำเป็นต้องมีคลื่นแสงสีแดงและสีน้ำเงินดังตัวอย่าง (ข)

          ทีนี้ลองกลับมาที่คำถามที่มีถามมาในอีเมล์ข้างต้น

          จากข้อมูลที่เขาให้มานั้นผมเดาว่าตัวที่ทำให้เกิดสีในผงโทเนอร์สีต่าง ๆ นั้นน่าจะมีองค์ประกอบที่เป็นโลหะทรานซิชันอยู่  และวิธีการตรวจวัดปริมาณโลหะที่เขาใช้คือเทคนิค XRF (X-ray fluorescence)

          เทคนิค XRF นั้นใช้การฉายรังสีเอ็กซ์พลังงานสูงลงไปบนตัวอย่าง  รังสีเอ็กซ์ที่ฉายลงไปจะทำให้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรในของอะตอมหลุดออก  เช่นไปทำให้อิเล็กตรอนในชั้นวงโครจร K (วงที่อยู่ในสุด) หลุดออกไป  เกิดเป็นที่ว่างในวงโคจร K   อิเล็กตรอนในชั้นวงโครจรถัดไปที่อยู่สูงกว่า (เช่นวง L ที่เป็นวงที่สองนับจากข้างใน) เคลื่อนตัวลงมาแทนที่  แต่เนื่องจากชั้นวงโคจร L มีระดับพลังงานสูงกว่าชั้นวงโคจร K  ดังนั้นอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจร L จะต้องคายพลังงานออกส่วนหนึ่งเพื่อที่จะมาอยู่ในชั้นวงโคจร K ได้  พลังงานที่คายออกมาจะอยู่ในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานในระดับรังสีเอ็กซ์

          รังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากกลไกนี้เป็นลักษณะเฉพาะตัวของธาตุแต่ละธาตุ  ดังนั้นเราจึงสามารถใช้พลังงานของรังสี (ความยาวคลื่นหรือพลังงานในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ - eV) มาเป็นตัวระบุชนิดธาตุได้  และใช้ความเข้ม (หน่วยเป็นcount ซึ่งแปรผันกับจำนวนประจุที่เกิดขึ้นจากการแตกตัวของธาตุที่อยู่ในหลอดตรวจวัดรังสี) ของรังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นหรือระดับพลังงานนั้นเป็นตัวบอกให้ทราบปริมาณของธาตุนั้น

          สิ่งที่ต้องพึงระลึกคือ XRF นั้นตรวจวัดปริมาณธาตุโดยไม่สนว่าธาตุนั้นอยู่ในสารประกอบใดหรือมีเลขออกซิเดชันเท่าใด

          โลหะกลุ่มที่ทำให้เกิดสีมักเป็นโลหะทรานซิชัน  ซึ่งไอออนโลหะทรานซิชันต่างธาตุกันมักจะมีสีที่แตกต่างกัน  แต่นั้นก็ไม่ได้หมายความว่าถ้าตัวอย่างมีสีแตกต่างกันจะต้องประกอบด้วยโลหะที่แตกต่างกัน  เพราะเป็นเรื่องปรกติที่โลหะทรานซิชันที่มีเลขออกซิเดชันต่างกันจะมีสีแตกต่างกันด้วย  ตัวอย่างเช่น Cu¹⁺ มีสีเขียวในขณะที่ Cu²⁺ มีสีน้ำเงิน  ดังนั้นการที่สรุปว่าตัวอย่างที่มีสีที่แตกต่างกันจะต้องประกอบด้วยธาตุที่แตกต่างกันจึงไม่ค่อยถูกต้องนัก

          เช่นถ้าคุณมีตัวอย่างสองตัวอย่างที่มีปริมาณ Cu เท่ากัน  แต่ในตัวอย่างแรก Cu อยู่ในรูปของ Cu¹⁺ แต่ตัวอย่างที่สองอยู่ในรูปของ Cu²⁺ คุณจะเห็นตัวอย่างทั้งสองมีสีต่างกัน  แต่ถ้าวิเคราะห์ด้วย XRF จะพบว่าตัวอย่างทั้งสองมีปริมาณ Cu เท่ากัน  ดังนั้นถ้าเป็นกรณีทำนองนี้การใช้เทคนิค XRF จะไม่สามารถบ่งบอกถึงสีของตัวอย่างได้

          แต่ไอออนของโลหะทรานซิชันที่มีเลขออกซิเดชันเดียวกันและจับกับโครงสร้างอื่นที่แตกต่างกันก็สามารถให้สีที่แตกต่างกันได้เช่นกัน

          เช่น Fe³⁺ ที่อยู่ในรูปของไอออนในสารละลายในน้ำจะมีสีออกเหลืองส้ม  แต่ถ้าจับเข้ากับ SCN^- กลายเป็นไอออนเชิงซ้อน Fe(SCN)²⁺ จะกลายเป็นสีแดง (เรื่องนี้ลองไปอ่านเพิ่มเติมในเรื่องการไทเทรตหาปริมาณ Cl^- ด้วย Volhard method) ซึ่งในกรณีนี้ไอออนของ Fe ยังคงมีเลขออกซิเดชันเป็น 3+ อยู่แต่กลับให้สีที่แตกต่างกัน

          อีกตัวอย่างคือพวกซิลิกาเจลที่มี Co เป็นองค์ประกอบ  เมื่อซิลิกาเจลแห้งจะมีสีน้ำเงิน  แต่เมื่อดูดซับไอน้ำเข้าไปจะกลายเป็นสีชมพู  ทั้ง ๆ ที่ปริมาณ Co และเลขออกซิเดชันของ Co ยังเหมือนเดิม

          สารที่ทำให้เกิดสีอีกพวกหนึ่งคือสารอินทรีย์บางชนิด  ตัวอย่างที่ใกล้ตัวทุกคนและน่าจะมีประสบการณ์กันมาแล้วก็คืออินดิเคเตอร์ที่ใช้ในการไทเทรต  พวกอินดิเคเตอร์เหล่านี้เมื่ออยู่ในภาวะรูปที่เป็นกรดหรือเบสก็จะให้สีที่แตกต่างกันออกไปได้  การให้สีโดยสารอินทรีย์นั้นไม่เกี่ยวกับปริมาณโลหะทรานซิชัน

          ในกรณีของปัญหาของสาวน้อยหน้าในจากบางละมุงนั้น  เนื่องจากผมเองก็ไม่ได้รู้เรื่องเทคนิคและวิธีการทำให้ผงหมึกมีสีต่าง ๆ กัน  แต่จากมุมมองที่กล่าวมาข้างต้นถ้าให้ผมพิจารณาปัญหาดังกล่าวผมก็จะขอลองตั้งสมมุติฐานอธิบายว่าทำไมเขาจึงไม่สามารถแยกสีชมพูและสีเหลืองออกจากกันได้ดังนี้

          (ก) การเกิดสีชมพูและสีเหลืองไม่เกี่ยวกับชนิดและปริมาณโลหะที่ใช้  อาจเกิดจากสารประกอบพวกสารอินทรีย์  ดังนั้นเมื่อมุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์ความแตกต่างของปริมาณธาตุที่คิดว่าเป็นตัวทำให้เกิดสี  จึงทำให้ไม่สามารถแยกแยะได้

          (ข) การเกิดสีชมพูและสีเหลืองเกิดจากการใช้ธาตุเดียวกัน  แต่มีเลขออกซิเดชันต่างกัน  หรือมีเลขออกซิเดชันเดียวกันแต่เกาะอยู่กับโครงสร้างอื่นที่แตกต่างกัน  ดังนั้นแม้ตัวอย่างทั้งสองจะมีโลหะตัวที่ทำให้เกิดสีในปริมาณเดียวกัน  ตัวอย่างทั้งสองก็มีสีที่แตกต่างกันได้  การใช้ XRF ซึ่งระบุเพียงชนิดและปริมาณจึงไม่สามารถนำมาบ่งบอกสีที่ตัวอย่างควรจะเป็นได้

          (ค) จากข้อ (ข) อันที่จริงธาตุตัวที่ทำให้เกิดสีนั้นอาจเป็นตัวที่ทำให้เกิดสีแดงและสีเหลือง  แต่ที่เห็นเป็นสีชมพูก็เพราะมีองค์ประกอบอื่นที่ให้สีขาวรวมอยู่ด้วย  ทำให้เราเห็นสีแดงมีความเข้มอ่อนลง  เราก็เลยเรียกสีชมพู (เหมือนกับที่เราเอาสีน้ำสีแดงมาผสมกับสีขาว เราก็จะได้สีชมพู)

          ในความเห็นผมเมื่อเราต้องการวัดอะไรนั้นเราควรจะใช้เครื่องมือที่สามารถวัดสิ่งนั้นได้โดยตรงจะดีที่สุด  ในกรณีนี้สิ่งที่ต้องการวัดคือ "สี" ที่ตามองเห็น  ดังนั้นเครื่องที่ควรนำมาใช้วัดคือเครื่องที่สามารถวัด "สี" ที่ตามองเห็น  ซึ่งก็คือการวัดสเปกตรัมคลื่นแสงในช่วงที่ตามองเห็น  ซึ่งควรเป็นเครื่องตระกูล UV-Vis มากกว่า XRF

          หวังว่าคำอธิบายเหล่านี้พอจะช่วยในการทำงานของสาวน้อยหน้าใสได้บ้างไม่มากก็น้อย