บ่อยครั้งที่มักพบการนำเสนองานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการใช้ของแข็งที่มีรูพรุนในการดูดซับสารบางชนิดออกจากของเหลว
พารามิเตอร์หนึ่งที่ผู้วิจัยมักทำการเสนอคือผลของอุณหภูมิที่มีต่อความสามารถในการดูดซับของสารดูดซับ
(absorbent)
และผลการวิจัยดังกล่าวมักออกมาในทำนองที่ว่า
เมื่ออุณหภูมิของของเหลว
"เพิ่มสูงขึ้น"
การดูดซับจะเกิดได้
"ดีขึ้น"
ก่อนอื่นเราลองกลับมาทบทวนพื้นฐานเทอร์โมไดนามิกส์เรื่องพลังงานเสรีกิบส์
(Gibbs
free energy) กันสักหน่อยดีกว่า
โดยเริ่มจากสมการ
∆G
= ∆H - T∆S (1)
เมื่อ ∆G
- พลังงานเสรีกิบส์
∆H
- เอนทาลปี
(enthalpy)
∆S
- เอนโทรปี
(entropy)
T
- อุณหภูมิ
ปฏิกิริยาการดูดซับบนพื้นผิวของแข็งนั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้เอง
ดังนั้น ∆G
ของปฏิกิริยาจึงมีค่าเป็น
(-)
แต่เนื่องการในการดูดซับนั้น
โมเลกุลที่อยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบในเฟสแก๊สหรือของเหลวที่อยู่เหนือพื้นผิวตัวดูดซับนั้น
เมื่อมาเกาะบนพื้นผิวตัวดูดซับ
การเคลื่อนที่ของโมเลกุลนั้นจะลดลง
โมเลกุลที่เกาะอยู่บนพื้นผิวจะมีความเป็นระเบียบมากกว่าโมเลกุลที่ล่องลอยอยู่เหนือพื้นผิวของแข็ง
ดังนั้นการดูดซับจึงทำให้ค่า
∆S
ของระบบลดลง
เนื่องจากอุณหภูมิ
(T)
มีค่าเป็น
(+)
เสมอ
ดังนั้นผลคูณ T∆S
จึงมีค่าเป็น
(-)
ดังนั้นเพื่อให้ผลรวม
∆H
- T∆S (ซึ่งเท่ากับ
∆G
นั่นเอง)
ทางด้านขวาของสมการที่
(1)
มีค่าเป็น
(-)
ค่า
∆H
จึงต้องมีค่าเป็น
(-)
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการดูดซับต้องเป็นปฏิกิริยา
"คาย"
ความร้อน
ที่เราเรียนกันมาในวิชาเคมีเรื่องค่าคงที่สมดุลเคมีนั้น
สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน
ถ้าอุณหภูมิระบบเพิ่มสูงขึ้น
ปฏิกิริยาจะไปข้างหน้าได้น้อยลง
ดังนั้นในกรณีของการดูดซับนั้น
ถ้าอุณหภูมิระบบเพิ่มสูงขึ้น
การดูดซับก็ควรที่จะเกิดได้
"น้อยลง"
ถ้าว่ากันตามทฤษฎีที่กล่าวมาข้างต้นนี้
เราจะสรุปได้ทันทีเลยไหมว่าผลการทดลองที่ผู้ทำการทดลองนั้นเห็นว่า
"เมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น
การดูดซับจะเกิดได้ดีขึ้น"
เป็นผลการทดลองที่ผิดพลาด
ก่อนอื่นเรามาพิจารณากันว่าเป็นไปได้ไหมที่ผู้ทำการทดลองจะพบว่า
"เมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น
การดูดซับจะเกิดได้ดีขึ้น"
คำตอบก็คือ
"เป็นไปได้"
แต่สาเหตุที่เป็นไปได้ไม่ได้เกิดจากการที่พื้นผิวของแข็งยึดจับโมเลกุลได้แน่นหนามากขึ้นจนทำให้โมเลกุลหลุดออกจากพื้นผิวได้ยากขึ้น
แต่เกิดจากการที่มี "พื้นผิว"
ของแข็งมากขึ้นสำหรับยึดจับโมเลกุล
ถึงตอนนี้คงมีคนสงสัยว่าพื้นผิวที่มีเพิ่มมากขึ้นนั้นมาจากไหน
ของแข็งที่มีรูพรุนนั้น
เมื่ออยู่ในอากาศก็จะมีอากาศอยู่ในรูพรุน
แต่เมื่อเราเอาของแข็งนั้นใส่ลงไปในน้ำ
(หรือของเหลวอื่นก็ได้
แต่ในที่นี้ขอยกตัวอย่างว่าเป็นน้ำ)
อากาศก็จะยังคงอยู่ในรูพรุนของของแข็งนั้น
ดังนั้นพื้นที่ผิวในรูพรุนของของแข็งจึงไม่ได้สัมผัสกับน้ำโดยตรง
พื้นผิวที่อยู่ในรูพรุนนั้นจึงไม่สามารถดูดซับเอาสารที่ละลายอยู่ในน้ำได้
(ดูรูปที่
๑)
รูปที่
๑ การแทรกของน้ำเข้าไปในรูพรุนของของแข็ง
แต่เมื่อเราให้ความร้อนแก่ของเหลว
แก๊สที่อยู่ในรูพรุนของของแข็งจะขยายตัวออกและเริ่มหลุดรอดออกมา
ทำให้น้ำแทรกเข้าไปในรูพรุนได้มากขึ้น
พื้นที่ผิวของแข็งที่สัมผัสกับน้ำก็มากขึ้นตามไปด้วย
ทำให้เห็นของแข็งนั้นดูดซับสารได้ดีขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น
ที่ผ่านมานั้นผู้ที่ทำปฏิกิริยา
hydroxylation
ของกลุ่มเราก็เคยประสบปัญหาเช่นนี้
ในปัจจุบันจึงต้องกำหนดให้มีการต้มตัวเร่งปฏิกิริยาในน้ำก่อนที่จะเติมสารตั้งต้นเข้าไป
การต้มนี้ก็เพื่อไล่อากาศที่อยู่ในรูพรุนออกให้หมด
และให้น้ำเข้าไปอยู่ในรูพรุนจนเต็ม
ดังนั้นเมื่อเราเติมสารตั้งต้นเข้าไปในน้ำ
สารตั้งต้นก็จะแพร่เข้าไปในรูพรุน
(ไปตามน้ำ)
ได้
ผลการทดลองก็ออกมาคงเส้นคงวามากขึ้น
(กล่าวคือสามารถทำซ้ำได้)
ด้วยเหตุนี้ผมจึงมักย้ำเตือนอยู่เสมอว่าในการทำวิทยานิพนธ์นั้นส่วนที่สำคัญที่สุดคือ
"วิธีการทดลอง"
เพราะถ้าวิธีการทดลองไม่ถูกต้องหรือผิดพลาด
ผลการทดลองนั้นก็ไม่ควรค่าแก่การพิจารณาใด
ๆ
แต่จากประสบการณ์พบว่ามีนักวิจัยจำนวนไม่น้อยสนแต่ว่าได้ผลการทดลองที่
"ดูดี"
หรือไม่
ถ้าได้ผลการทดลองที่ดูดีก็จะรีบนำเสนอทันที
(เช่นเอาไปตีพิมพ์)
โดยที่ไม่ทำการตรวจสอบก่อนว่ามันน่าเชื่อถือหรือไม่
ด้วยเหตุนี้จึงเกิดเหตุการณ์ผลการทดลองที่ดูดีในบทความ
แต่ไม่มีการนำเอาไปใช้งานจริง
เพราะมันเป็นการผลการทดลองที่ไม่มีใครทำซ้ำได้เกิดขึ้น
ถ้ามีการนำผลการทดลองประเภทนี้ไปทำเพียงแค่ตีพิมพ์บทความ
เรื่องมันก็คงจบแค่นั้น
แต่ที่มันเป็นเรื่องก็เพราะมีการนำเอาผลการทดลองเช่นนี้ไปขายให้กับบริษัท
แล้วทางบริษัทเขาพบว่าผลการทดลองดังกล่าวไม่สามารถทำซ้ำได้
