วันอังคารที่ 24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2558

กราฟการไทเทรตกรดกำมะถัน (H2SO4) MO Memoir : Tueday 24 February 2558

"ที่พวกคุณเรียนน่ะ บางเรื่องมันอยู่ในระดับปริญญาตรีปี ๒ เลยนะ"

ผมพูดประโยคนั้นหลังจากที่นักเรียนที่เข้ารับการสอบสัมภาษณ์เล่าให้ผมฟังว่าที่ค่ายโอลิมปิกวิชาการระดับชาติที่พวกเขาผ่านการคัดเลือกได้เข้าร่วมนั้น เขาได้เรียนกันถึงระดับไหน
  
อันที่จริงงานในเช้าวันนั้น (เมื่อช่วงกลางเดือนที่แล้ว) มันก็ไม่ใช่หน้าที่ของผมหรอก เพียงแต่ว่าพอจะถึงเวลาสอบ กรรมการท่านหนึ่งเกิดมาไม่ได้ ทางส่วนกลางก็ไม่รู้จะทำอย่างไรดี ก็เลยโทรศัพท์กลับเข้ามาที่ภาควิชา และบังเอิญว่าในเวลานั้นผมดันเป็นอาจารย์เพียงคนเดียวที่อยู่ตรงนั้น
 
คือทางคณะ (ผ่านทางมหาวิทยาลัย) เปิดช่องทางพิเศษสำหรับรับนักเรียนที่ได้ผ่านการคัดเลือกให้เข้าร่วมโครงการพัฒนาศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ (สอวน. ระดับชาติ) โดยไม่จำเป็นต้องสอบแข่งขันกับผู้อื่นตามช่องทางการแข่งขันปรกติ เมื่อผ่านการคัดเลือกของทางมหาวิทยาลัยเข้ามาแล้ว นักเรียนเหล่านี้ก็ต้องมาสอบสัมภาษณ์เพื่อการเลือกภาควิชาอีกครั้งหนึ่ง บังเอิญว่าภาควิชาวิศวกรรมเคมีของเรานั้นประกาศรับเพียงแค่ ๕ คน แต่มีนักเรียนที่ผ่านการคัดเลือกจากทางมหาวิทยาลัยนั้นแจ้งความจำนงสนใจเข้าเรียนร่วม ๒๐ คน 
  
ปัญหาของกรรมการสอบสัมภาษณ์ก็คือจะใช้อะไรเป็นเกณฑ์พิจารณาว่า ๕ คนที่จะรับนั้นควรเป็นใคร
 
รูปที่ ๑ กราฟแสดงการคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงค่า pH (ชุดที่ ๑)
 
ในการสอบสัมภาษณ์นั้น ผ่าน-ไม่ผ่าน ค่อนข้างจะขึ้นอยู่กับกรรมการสอบเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะการให้คะแนนด้านพฤติกรรมและการแสดงออกของผู้เข้ารับการสอบ เพราะกรรมการแต่ละคนต่างก็มีความคิดที่แตกต่างกันไป (ขึ้นอยู่กับภูมิหลังของกรรมการแต่ละคน) ตอนที่ผมเดินทางไปถึงห้องประชุมของคณะกรรมการ พอทราบว่าต้องทำหน้าที่อย่างนี้ก็ไม่รู้สึกสนุกเลย ก็เลยตัดสินใจว่าจะลองถามคำถาม "เคมีพื้นฐาน" ที่ไม่เกินความรู้มัธยมปลายกับนักเรียนทุกคนที่เข้าสอบก็แล้วกัน จะได้มีหลักฐานเป็นลายลักษณ์อักษรหน่อยว่าทำไมจึงตัดสินใจเลือกใครและไม่เลือกใคร

และคำถามที่ผมถามเขาก็คือ "ถ้านำกรดกำมะถัน H2SO4 เข้มข้น 0.1 M 25 ml ใส่ในบีกเกอร์ จากนั้นค่อย ๆ หยดสารละลาย NaOH เข้มข้น 0.1 M ลงไป ให้เขียนรูปกราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลายในบีกเกอร์กับปริมาณสารละลาย NaOH ที่หยดลงไป"

ผมเขียนคำถามนี้ลงในกระดาษ A4 และส่งกระดาษเปล่าอีกแผ่นให้เขาวาดกราฟ ผลที่ได้ก็เอามาให้ดูในรูปที่ ๑-๓ ลองดูรูปที่นักเรียนเหล่านั้นวาดกันเองก่อนนะ
  
ในจำนวนนักเรียนที่มาสอบสัมภาษณ์ (ถึงเวลาจริงมาแค่ ๑๕-๑๖ คน) นั้น (ทุกคนเป็นผู้ที่เข้าร่วมโครงการโอลิมปิกวิชาการระดับชาติ สอวน.) เกือบทุกคนเป็นผู้ที่เข้าค่ายวิชาเคมี มีบางคนเท่านั้นที่มาจากค่ายวิชาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ รูปที่ผมคัดมาเกือบทุกคนเป็นผู้ที่ผ่านการเข้าร่วมค่ายวิชา "เคมี" 
  
รูปที่ ๒ กราฟแสดงการคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงค่า pH (ชุดที่ ๒)

เมื่อสิบกว่าปีที่แล้ว ทางคณะวิศวกรรมศาสตร์ยังไม่มีการเปิดช่องทางพิเศษให้กับนักเรียนที่ได้เข้าร่วมการแข่งขันโอลิมปิกวิชาการต่าง ๆ ในการเข้าเรียนต่อในคณะ ตอนนั้นดูเหมือนจะมีเพียงแค่ภาคคอมพิวเตอร์ภาคเดียวเท่านั้น (ถ้าผมจำไม่ผิดนะ) ในที่ประชุมกรรมการคณะก็มีการถกเถียงกันเรื่องนี้ และคำถามที่เป็นประเด็นสำคัญของการพิจารณาก็คือ
  
๑. นักเรียนเหล่านี้ "เก่ง" กว่านักเรียนทั่วไปที่ไม่ได้เข้าร่วมการแข่งขันโอลิมปิกวิชาการจริงหรือไม่ ถ้าเขาเก่งจริง เขาย่อมต้องเหนือกว่าคนอื่นและผ่านการคัดเลือกเข้ามาได้ในการแข่งขันตามช่องทางปรกติที่มีอยู่แล้ว
  
๒. ภาควิชาต่าง ๆ ในคณะวิศวกรรมศาตร์นั้นไม่ได้ต้องการคนที่เก่งวิชาวิทยาศาสตร์เพียงแค่วิชาใดวิชาหนึ่งเพียงวิชาเดียว แต่ต้องการคนที่มีความรู้หลายวิชาประกอบเข้าด้วยกัน โครงการเหล่านี้มุ่งตรงไปที่การพัฒนานักเรียนสำหรับการเรียนต่อทางด้านวิทยาศาสตร์ชั้นสูงเฉพาะสาขา การไปดึงนักเรียนเหล่านี้ให้เข้าเรียนคณะวิศวกรรมศาสตร์จะเป็นการทำให้วัตถุประสงค์ของโครงการนั้นผิดไปหรือไม่

ในช่วงนั้นภาควิชาของเราก็มีนักเรียนที่ได้เข้าร่วมโครงการโอลิมปิกวิชาการ (ทั้งระดับชาติและนานาชาติ) ที่มาด้วยการสอบเข้าทางช่องทางปรกติมาศึกษาที่ภาควิชาของเรา และสิ่งหนึ่ง (ในฐานะผู้สอน) ก็พบว่ามันก็มีนักเรียนที่ "ไม่ได้" เข้าร่วมโครงการโอลิมปิกวิชาการ จำนวนไม่น้อยที่ไม่ได้ด้อยไปกว่านักเรียนที่ได้รับการคัดเลือกให้เข้าร่วมโครงการโอลิมปิกวิชาการ

รูปที่ ๓ กราฟแสดงการคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงค่า pH (ชุดที่ ๓)

ช่วงที่ยังมีวิชาแลปเคมีปี ๒ ให้สอนนั้น ในสัปดาห์แรกของการเรียนผมจะบอกกับนิสิตทุกคนว่า วัตถุประสงค์ของการสอนการทดลองของผมก็คือให้พวกคุณได้มีโอกาส "ทำ" การทดลองด้วยตนเอง เพราะผมเข้าใจว่าการประเมินโรงเรียนนั้นจะเน้นไปที่การสอบเข้ามหาวิทยาลัย ซึ่งเน้นแต่ภาคทฤษฎีเป็นหลัก ไม่มีการสอบภาคปฏิบัติ ดังนั้นผมจะไม่แปลกใจหากพวกคุณจะจบ ม.ปลาย มาโดยที่ไม่เคยทำการทดลองจริง ตอนนี้ก็เป็นโอกาสที่ดีที่จะได้ลงมือทำเอง ไม่ต้องกังวลว่าผลออกมาจะถูกหรือผิด คนเริ่มฝึกหัดทำมันก็ทำผิดพลาดกันได้ทั้งนั้น ถ้าไม่เคยลงมือทำเองเลยมันก็จะทำอะไรไม่เป็นสักที ที่สำคัญคือหลังเรียนแล้วควรจะรู้ว่าที่ถูกต้องนั้นควรทำอย่างไร
  
สิ่งที่ผมเคยเจอก็คือนิสิตที่สมัยเป็นนักเรียนได้ผ่านการเข้าค่ายอบรมมานั้น มักจะกังวลว่าถ้าทำผิดแล้วจะเสียคะแนน และเกรงไปว่าเพื่อร่วมกลุ่ม (ที่ไม่ได้เข้าค่ายเหมือนตนนั้น) จะทำได้ไม่ดีเหมือนตนลงมือทำเอง ก็เลยจะรวบงานทั้งหมดมาไว้ที่ตัวเอง จนผมต้องเข้าไปบอกว่า เพื่อนคุณเขาก็เสียค่าเล่าเรียนเหมือนคุณนะ ดังนั้นเขาควรที่จะมีโอกาสที่จะได้เรียนรู้ด้วยนะ
  
และหนึ่งในการทดลองแรก ๆ ที่ผมสอนก็คือการไทเทรตกรด-เบส วิธีการทดลองก็ไม่มีอะไรมาก ในกรณีของการใช้อินดิเคเตอร์เป็นตัวบอกจุดยุติผมก็แค่บอกว่าเอาสารตัวหนึ่งใสฟลาสค์ แล้วหยดอินดิเคเตอร์ลงไป สารอีกตัวหนึ่งใส่บิวเรตแล้วค่อย ๆ หยดใส่สารที่อยู่ในฟลาสค์ พออินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี (สมบูรณ์) ก็สิ้นสุดการไทเทรต

ครับ สิ่งที่ผมบอกไปมีแค่นั้น แต่พอนิสิตลงมือทำก็มีสารพัดคำถามเข้ามาถามผม เช่น

๑. เอาสารไหนใส่ฟลาสค์ (ตัวอย่างหรือสารมาตรฐาน) และเอาสารใส่บิวเรต
ผมก็จะตอบกลับไปว่าแล้วคุณคิดว่ามันสำคัญไหมที่สารตัวไหนต้องเป็นตัวที่อยู่ในฟลาสค์/บิวเรตเสมอ ถ้าอยากรู้คำตอบก็ลองทำการทดลองดูเอง

๒. สารที่จะใช้ในฟลาสค์ควรใช้ปริมาตรเท่าไร
ผมก็จะตอบกลับไปว่า แล้วคุณคิดว่าปริมาตรของสารที่ใส่ในฟลาสค์จะส่งผลต่อผลการวิเคราะห์ที่ได้หรือไม่ ถ้าอยากรู้คำตอบก็ลองทำการทดลองดูเอง

๓. ใช้อะไรวัดปริมาตรสารที่จะใช้ฟสาค์
ผมก็จะตอบกลับไปว่า อยากได้อะไรเล่าครับ ในแลปนี้มีให้เลือกหลากหลายชนิด ตั้งแต่บีกเกอร์ กระบอกตวง ปิเปตแบบต่าง ๆ ขวดวัดปริมาตร ฯลฯ แล้วคุณคิดว่าถ้าใช้อุปกรณ์ตวงที่แตกต่างกันจะให้ผลออกมาแตกต่างกันไหม ถ้าอยากรู้คำตอบก็ลองทำการทดลองดูเอง

๔. ใช้อินดิเคเตอร์ตัวไหนและควรหยดอินดิเคเตอร์กี่หยด
ผมก็จะตอบกลับไปว่า เราได้จัดไว้ให้แล้ว ๔ ตัว แล้วคุณคิดว่าถ้าใช้อินดิเคเตอร์ที่แตกต่างกันจะให้ผลออกมาแตกต่างกันไหม ส่วนจะหยดกี่หยดนั้นก็ลองดูก็แล้วกัน (แต่ไม่ใช่เททั้งขวด) ถ้าอยากรู้คำตอบก็ลองทำการทดลองดูเอง

๕ ผมถามอะไรอาจารย์ไม่เห็นอาจารย์ตอบผมสักข้อเลย
ผมก็จะตอบกลับไปว่า นี่เป็นวิชาปฏิบัติการ ให้เรียนรู้ด้วยการลงมือปฏิบัติ ไม่ใช่ด้วยการถาม

ในการไทเทรตด้วยการใช้พีเอชมิเตอร์หาจุดยุติ ผมก็จะบอกแต่เพียงว่าให้นำสารตัวอย่างใส่ในบีกเกอร์ ที่สำคัญคือระดับของเหลวในบีกเกอร์นั้นต้องท่วมส่วนหัวของ pH probe ที่ใช้วัดค่าพีเอช ถ้าตัวอย่างเข้มข้นสูงก็ไม่ต้องนำมามาก แต่ใช้การเติมน้ำเจือจางจนระดับของเหลวในบีกเกอร์ท่วมส่วนหัวของ pH probe ก่อนเริ่มการไทเทรต แต่ถ้าสารตัวอย่างนั้นเจือจาง ก็สามารถนำมาในปริมาณมากจนระดับของเหลวท่วมส่วนหัวของ pH probe โดยไม่ต้องมีการเติมน้ำเจือจาง 
  
ตัวอย่างสองตัวอย่างที่ผมนำมาให้นิสิตทำการทดลองเป็นประจำทุกปี (ไม่ว่าจะเป็นการใช้อินดิเตอร์หรือพีเอชมิเตอร์หาจุดยุติ) และก่อให้เกิดปัญหากับนิสิตทุกปีก็คือสารละลายกรด H2SO4 และ H3PO4 ซึ่งการแปลผลตรงนี้ผมเคยอธิบายเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๑๘๔ วันเสาร์ที่ ๑๗ กรกฎาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การอ่านผลการทดลองการไทเทรตกรด-เบส"
 
แล้วกรณีของกรดกำมะถัน (H2SO4) กราฟการไทเทรตจะออกมาหน้าตาอย่างไรหรือครับ คำตอบนั้นอยู่ในรูปที่ ๔ ข้างล่างที่ผมนำมาจากรายงานฉบับหนึ่งที่นิสิตทำส่งหลังเสร็จสิ้นการทดลอง

รูปที่ ๔ กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงค่า pH ระหว่างการทดลองไทเทรตสารละลายกรด H2SO4 ด้วยสารละลาย NaOH ของนิสิตปริญญาตรีปี ๒ ในปีการศึกษา ๒๕๕๔

เป็นไงครับ มันตรงกับที่คุณเคยคิดเอาไว้ไหม :)

ไม่มีความคิดเห็น: