วันพฤหัสบดีที่ 2 มีนาคม พ.ศ. 2560

ค้างที่ปลายปิเปตไม่เท่ากัน MO Memoir : Thursday 2 March 2560

เวลาที่เราเอาท่อขนาดเล็ก (พวก capillary tube) จุ่มลงในของเหลว เราจะเห็นของเหลวนั้นไต่สูงขึ้นมาตามผิวท่อด้านใน หรือยุบตัวต่ำลงไป หรือถ้าเราให้ของเหลวในปริมาณหนึ่งไหลผ่านท่อขนาดเล็ก (เช่นที่ปลายของบิวเรตหรือปิเปต) ด้วยแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว เราก็จะเห็นของเหลวส่วนหนึ่งค้างอยู่ในท่อขนาดเล็กนั้น ในทั้งสองกรณี ปริมาตรของเหลวที่จะไต่ขึ้นมาตามผิวท่อด้านใน (หรือจมยุบลงไป) และที่สามารถค้างอยู่ในท่อขนาดเล็กได้ ขึ้นอยู่กับแรงตึงผิวและความหนาแน่นของของเหลวนั้น
 
รูปที่ ๑ ปริมาตรของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลาย graduated pipette (ซ้าย) น้ำมันถั่วเหลือง (กลาง) น้ำกลั่น (ขวา) เอทานอล

ปิเปตที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการนั้นมีอยู่สองแบบ แบบแรกคือ transfer pipette ที่มีลักษณะเป็นท่อแก้วเล็ก ๆ ยาว ๆ มีกระเปาะอยู่ตรงกลาง แบบที่สองคือ graduated pipette ที่มีลักษณะเป็นท่อแก้วทรงกระบอกปลายเรียวแหลม มีขีดบอกปริมาตรตามความยาวปิเปต ตัว transfer pipette แต่ละชิ้นนั้นได้รับการสอบเทียบความถูกต้องมาที่ค่าใดค่าหนึ่งเพียงค่าเดียว จะใช้ตวงของเหลวปริมาตรอื่นนอกเหนือไปจากค่าที่สอบเทียบไว้ไม่ได้ เช่น transfer pipette ขนาด 10 ml ก็จะตวงของเหลวได้ถูกต้องที่ปริมาตร 10 ml เพียงค่าเดียวเท่านั้น ในขณะที่ตัว graduated pipette ขนาด 10 ml จะมีขีดบอกปริมาตรข้างลำตัวตั้งแต่ 0 ml (อยู่ด้านบนสุด) ไปจนถึง 9 ml ที่อยู่ล่างสุด และถ้าปล่อยให้ไหลออกจนหมดก็จะได้ปริมาตร 10 ml (ต่ำกว่า 9 ml มันทำขีดบอกปริมาตรไม่ได้ เพราะเป็นส่วนที่ปลายมันเรียวแหลม ไม่ได้เป็นส่วนลำตัวทรงกระบอก ดังแสดงในรูปข้างบน)
 
ทีนี้สมมุติว่าเราต้องการตวงของเหลวปริมาตร 3 ml ซึ่งก็แน่นอนว่าต้องใช้ graduate pipette (เพราะตัว transfer pipette มันไม่มีขนาดปริมาตร 3 ml) คำถามก็คือเราควร (ก) ดูดของเหลวขึ้นมาจนถึงตำแหน่ง 0 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนถึงขีด 3 ml หรือ (ข) ดูดขึ้นมาจนถึงตำแหน่ง 7 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนหมด
 
ที่ปลายปิเปตนั้นมันเป็นท่อเล็ก ๆ ดังนั้นเมื่อเราปล่อยให้ของเหลวในปิเปตไหลออกอย่างอิสระด้วยแรงโน้มถ่วง ก็จะมีของเหลวค้างอยู่ที่ส่วนที่เป็นท่อเล็ก ๆ นั้นในปริมาตรหนึ่ง แม้ว่าหลังจากนั้นเราจะเอาปลายปิเปตปัจจุบันแตะกับผิวภาชนะรองรับของเหลว ของเหลวที่ค้างอยู่ในส่วนที่เป็นท่อเล็ก ๆ นั้นก็จะไหลออกมาเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ยังคงมีอีกส่วนหนึ่งค้างอยู่ที่ปลายปิเปต ปัญหาที่มักเกิดขึ้นก็คือเราจำเป็นต้องไล่ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้ออกมาไหม
 
ปิเปตที่มีใช้กันในปัจจุบันมีทั้งชนิดที่ "ไม่ต้องไล่" และ "ต้องไล่" ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปต โดยส่วนตัวเท่าที่เคยเห็นมานั้น ปิเปตที่ใช้กันในบ้านเราจะเป็นชนิดที่ "ไม่ต้องไล่" ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปต เพราะในการสอบเทียบความถูกต้องของปริมาตรของเหลวที่ปิเปตปล่อยออกมานั้น เขาไม่ได้รวมเอาปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้เข้าไปด้วย ดังนั้นถ้าเราไปไล่เอาของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้ออกมา เราจะได้ของเหลวในปริมาตรที่มากเกินจริง
 
ที่กล่าวมาเป็นสิ่งที่สอนกันอยู่ทั่วไปในการเรียนปฏิบัติการเคมี แต่มีสิ่งหนึ่งที่มักไม่ได้มีการเน้นย้ำความสำคัญก็คือ ในการสอบเทียบความถูกต้องนั้น เขาใช้ "น้ำ" เป็นตัวสอบเทียบ ดังนั้นถ้าเราเอาปิเปตนั้นไปตวงของเหลวชนิดอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ที่ปลายปิเปตก็จะเปลี่ยนไปด้วย สำหรับท่อที่มีขนาดเท่ากัน ปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ในท่อได้ขึ้นอยู่กับแรงตึงผิวและความหนาแน่นของของเหลวนั้น
 
รูปที่ ๑ เป็นการทดลองด้วยการใช้ graduated pipette ดูดของเหลวขึ้นมา แล้วปล่อยให้ไหลออกอย่างอิสระ จากนั้นจึงนำปลายปิเปตแตะกับผิวบีกเกอร์ ปริมาตรของเหลวที่เห็นค้างอยู่คือปริมาตรหลังจากที่แตะปลายปิเปตเข้ากับผิวบีกเกอร์แล้ว ตัวซ้ายคือน้ำมันถั่วเหลือง กลางคือน้ำกลั่น และขวาคือเอทานอล (analar grade) อันที่จริงการทดลองนี้ถ้าจะให้ดีที่สุดก็ควรต้องใช้ปิเปตตัวเดิม (จะได้มั่นใจว่าขนาดรูที่ปลายปิเปตเหมือนกันหมดทุกการทดลอง) จะได้หมดข้อโต้เถียง แต่ก็คิดว่าด้วยการใช้ปิเปตที่มีขนาดปลายท่อใกล้เคียงกัน ก็น่าจะเพียงพอที่จะทำให้เห็นปัญหาที่ต้องการแสดง คือของเหลวแต่ละชนิดกัน จะค้างอยู่ที่ปลายปิเปตไม่เท่ากัน
 
สำหรับของเหลวที่เปียกผิวแก้วได้นั้น ผลของแรงตึงผิวสูงกับความหนาแน่นที่มีต่อปริมาตรของเหลวที่จะค้างอยู่ในหลอดแก้วได้นั้นจะตรงข้ามกัน กล่าวคือแรงตึงผิวที่สูงจะช่วยในการยึดเกาะกับผิวแก้ว ส่วนความหนาแน่นที่สูงจะเป็นตัวดึงให้ของเหลวไหลลงล่าง ดังนั้นการแปลผลที่เห็นในรูปที่ ๑ จึงต้องใช้ความระมัดระวัง (เช่นน้ำมีแรงตึงผิวสูงกว่าเอทานอล แต่ก็มีความหนาแน่นมากกว่าด้วย)
 
ทีนี้ถ้าเราย้อนกลับไปที่คำถามเกี่ยวกับ graduated pipette ที่กล่าวมาข้างต้น จะเห็นว่าถ้าเราดูดของเหลวจนถึงขีด 0 ml แล้วปล่อยให้ของเหลวไหลออกมาจนถึงขีด 3 ml นั้น ของเหลวไม่ว่าจะมีแรงตึงผิวหรือความหนาแน่นเท่าใดที่ไหลออกมา กล่าวได้ว่าจะมีปริมาตรเท่ากัน แต่ถ้าเราใช้วิธีดูดของเหลวขึ้นมาจนถึงเลข 7 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนหมด อาจเกิดปัญหาที่ของเหลวต่างชนิดกันจะมีปริมาตรที่ค้างอยู่ที่ปลายไม่เท่ากันได้ ปัญหานี้ก็เกิดกับ transfer pipette ด้วยเช่นกัน 
  
ดังนั้นการเตรียมสารละลายเจือจาง เช่นการเจือจางของเหลวที่เป็นสารอินทรีย์ในตัวทำละลาย หรือเจือจางกรดเข้มข้น จึงควรต้องคำนึงถึงปัญหาข้อนี้ ในบางครั้งการใช้การชั่งน้ำหนักของเหลวที่ต้องการเจือจางให้ได้น้ำหนักที่แน่นอน แล้วค่อยเติมตัวทำละลายจนได้สารละลายที่มีปริมาตรตามต้องการ อาจให้ความถูกต้องมากกว่า (แต่มีข้อแม้ว่าของเหลวนั้นต้องไม่ระเหยเร็วนะ แล้วค่อยคำนวณหาปริมาตรเอาจากความหนาแน่น) แต่สำหรับกรณีของสารละลายที่เจือจางในน้ำ อาจถือได้ว่าความแตกต่างนี้ไม่มีนัยสำคัญได้
 
ท้ายนี้ต้องขอขอบคุณคุณโจ ผูเป็นเจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการของภาควิชา ที่ช่วยเตรียมอุปกรณ์และจัดการทดลองนี้เพื่อให้ผมถ่ายรูปได้

ไม่มีความคิดเห็น: