แลปการไทเทรตกรด-เบส ภาคการศึกษาต้น ปีการศึกษา ๒๕๖๐ MO Memoir : Wednesday 30 August 2560

ทฤษฎีที่แต่ก่อนเรียนกันในระดับมหาวิทยาลัย ปัจจุบันมีการนำไปสอนกันในระดับมัธยม

ปฏิบัติการที่แต่ก่อนพอจะได้เรียนกันบ้างในระดับมัธยม ปัจจุบันต้องมาเริ่มต้นกันในระดับมหาวิทยาลัย

Memoir ฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของบันทึกข้อความที่ผมส่งให้กับนิสิตวิศวกรรมเคมี ป.ตรี ปี ๒ หลังเสร็จสิ้นการเรียนการไทเทรตกรด-เบส เมื่อวันพฤหัสที่แล้ว ในสัปดาห์ที่สองของภาคการศึกษา และเป็นการทดลองแรกของการเรียน

การสอนปฏิบัติการนั้น ผมมองว่ามันมีลำดับการสอนคือ

เริ่มจากการทำให้ดูเป็นตัวอย่าง

จากนั้นให้ทดลองลงมือปฏิบัติ ภายใต้การกำกับดูแลของผู้สอน และปิดท้ายด้วย

การปล่อยให้สามารถทำการทดลองได้เองโดยอิสระ

แต่เดิมนั้นเรามองว่านิสิตที่ผ่านมาถึงภาควิชานั้น ได้ผ่านขั้นตอนการทดลองลงมือปฏิบัติ ภายใต้การกำกับดูแล และอาจมาถึงระดับสามารถปล่อยให้ทำการทดลองได้เองโดยอิสระ แต่เอาเข้าจริง ๆ กับพบว่า มุมมองดังกล่าวนั้นไม่สอดคล้องกับข้อเท็จจริงมาหลายปีแล้ว
 

นิสิตที่เข้ามาเรียนแลปเคมีกับผม มักมองว่าถ้าผลการทดลองออกมาผิดพลาด จะโดนหักคะแนนในรายงาน ทำให้เกิดความเกร็ง ความกังวล เวลาที่ให้ทำแลป ผมต้องบอกกับพวกเขาว่า สิ่งที่อยากได้ในการเรียนคือ ให้พวกคุณได้ "ลงมือปฏิบัติ" เพราะผลการทดลองที่จะเอามาวิเคราะห์ได้นั้นต้องได้มาจากปฏิบัติการทดลองที่ถูกต้อง และการที่จะปฏิบัติการทดลองได้ถูกต้องนั้น มันต้องผ่านกระบวนการฝึกมาก่อน ไม่ใช่ว่าอ่านคู่มือวิธีทำแลปที่แจกให้ แล้วจะทำได้ถูกต้องเลย (จะมีบ้างก็พวกที่ผ่านค่ายวิชาการบางค่ายมาแล้ว แต่เอาเข้าจริง ๆ ก็ยังสามารถทำให้พวกเขาสับสนได้ด้วยคำถามพื้นฐานง่าย ๆ) สิ่งที่อยากให้เรียนรู้ก็คือ การที่ได้ลงมือทำเองนั้น มันแตกต่างจากทฤษฎีที่เรียนมาอย่างไร สิ่งที่คิดว่ามันง่าย ๆ ใช้เวลาไม่นานนั้น เอาเข้าจริง ๆ แล้วมันเป็นอย่างไร เผื่อที่เวลาไปทำงานแล้วมีตำแหน่งสูงขึ้น จะได้เข้าใจผู้ใต้บังคับบัญชาว่างานที่สั่งให้เขาไปทำนั้น มันมีความยากง่ายหรือต้องใช้เวลานานเพียงใด และยังต้องมีความสามารถในการตรวจสอบผลที่ได้รับมาด้วย ว่ามีความน่าเชื่อถือที่จะนำมาวิเคราะห์ต่อหรือไม่
 

คำโบราณกล่าวไว้ว่า

สิบปากว่า ไม่เท่าตาเห็น

สิบตาเห็น ไม่เท่ามือคลำ

สิบมือคลำ ไม่เท่าทำเอง

ถ้าว่ากันตามนี้ การได้ลงมือทำเพียงครั้งเดียว ย่อมจะได้อะไรมากกว่าการได้ยินได้ฟังจากคนกว่าร้อยคน

ปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในการทดลองการไทเทรตกรด-เบสในสัปดาห์ที่แล้ว ขอนำบางปัญหามาเล่าสู่กันฟังดังนี้
 

๑. เรื่องของปริมาตรตัวอย่างที่จะใช้

ผมไม่ได้กำหนดปริมาตรตัวอย่างที่ต้องนำมาไทเทรต เพราะผมอยากให้นิสิตทดลองเอาเองว่ามันจะมีปัญหาอะไรหรือไม่ เวลาที่นิสิตมาถามผมว่าควรเอาตัวอย่างมาเท่าไรดี ผมบอกกับพวกเขาเพียงว่า ตรงนี้ไม่มีคำตอบที่แน่นอน แต่มีหลักการคือ ถ้าตัวอย่างมีความเข้มข้นสูงก็ไม่ต้องปิเปตมามาก (ค่อยเติมน้ำเพิ่มได้) แต่ถ้าตัวอย่างมีความเข้มข้นต่ำก็ต้องนำปิเปตมามาก (และไม่จำเป็นต้องเติมน้ำลงไปเจือจาง) ในกรณีที่เราไม่รู้ว่าตัวอย่างเป็นอะไร เราคงทำอะไรไม่ได้มากนอกจากทำการทดลองเบื้องต้นดูก่อน (เหมือนกับโยนหินถามทาง) หรืออาจใช้พีเอชมิเตอร์ช่วยในการประมาณค่าเบื้องต้นได้
 

การที่ไม่ได้กำหนดปริมาตรตัวอย่างให้นั้น เพราะต้องการจำลองสถานการณ์การทำงานจริงในบางเหตุการณ์ (อาจเป็นการวิเคราะห์ตัวอย่างนอกเหนือไปจากตัวอย่างประจำที่เคยวิเคราะห์) ในบางงานที่เคยเจอนั้น อย่าว่าแต่จะใช้ตัวอย่างเท่าใดเลย แม้แต่ตัวอย่างก็ยังไม่มีข้อมูลว่าเป็นอะไรหรือประกอบด้วยอะไรเลย

๒. ปริมาตร titrant ที่ต้องใช้เพื่อทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์ (ยกเว้น phenolphthalene)

ผมบอกว่าตัวอย่างที่เตรียมไว้ให้นั้นอาจเป็นสารละลายของกรด H₂SO₄ H₃PO₄ หรือ CH₃COOH แต่ผมไม่ได้บอกว่าขวดไหนเป็นสารละลายอะไร เพียงแต่บอกให้ทราบว่าถ้าคุณทดลองไทเทรตด้วยอินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชที่แตกต่างกัน และสังเกตปริมาตร titrant (สารละลาย NaOH) ที่ต้องใช้นับจากเมื่อเริ่มเห็นอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี ไปจนเปลี่ยนสีสมบูรณ์ คุณจะสามารถบอกได้ว่าขวดไหนควรจะเป็นสารละลายของกรดตัวไหน (ในการทดลองนี้เตรียมอินดิเคเตอร์ไว้ให้ ๔ ตัวคือ Methyl orange และ Methy red ที่เป็นสีในช่วงพีเอชที่เป็นกรด Bromthymol blue ที่เปลี่ยนสีคร่อมช่วงพีเอชทั้งกรดและเบส และ Phenolphthalein ที่เปลี่ยนสีในช่วงพีเอชที่เป็นเบส)
 

ปริมาตรดังกล่าวจะเป็นตัวบอกให้รู้ว่าอินดิเคเตอร์ที่ใช้นั้นมันจับตรงจุดสมมูล (equivalent point) ของการไทเทรตหรือไม่ ในกรณีที่พบว่าปริมาตรดังกล่าวมีค่ามาก (เช่นระดับหลาย ml ขึ้นไป) แสดงว่าอินดิเคเตอร์ดังกล่าวนั้นไม่น่าจะจับตรงตำแหน่งจุดสมมูลของการไทเทรต
 

ถ้าเป็นการไทเทรตกรดแก่ (หรือกรดอ่อนที่มีค่าคงที่การแตกตัวสูง) -เบสแก่ ปริมาตรตรงนี้จะน้อยมาก (เช่นครึ่งหยดหรือหนึ่งหยด)
 

แต่ปัญหาใหญ่เรื่องหนึ่งที่ประสบคือ นิสิตเรียนรู้ "สี" ของอินดิเคเตอร์จาก "ตัวอักษร" พอมาเจอของจริงเข้ามันก็เลยบอกไม่ได้ว่าสีที่เห็นนั้นเป็นสีสุดท้ายหรือยัง สีที่เห็นในตำราเรียนนั้นมันก็ยังผิดเพี้ยนจากความเป็นจริงได้

๓. การหาตำแหน่งจุดสมมูลของการไทเทรตโปรตอนด้วยการใช้พีเอชมิเตอร์

ตรงนี้มันมีคำถามว่า ในเมื่อมีพีเอชมิเตอร์อยู่แล้ว ทำไมต้องไทเทรตอีก เอาค่าพีเอชไปคำนวณความเข้มข้นของ "กรด" เลยไม่ได้หรือ คำตอบก็คือ "ไม่ได้" เพราะพีเอชมิเตอร์มันมองเห็นเฉพาะกรดที่แตกตัวให้โปรตอน กรดที่ไม่แตกตัวมันมองไม่เห็น ดังนั้นค่าพีเอชที่ได้จึงบ่งบอกเพียงแค่ค่าความเข้มข้นของ "โปรตอน" ไม่ใช่ความเข้มข้นของ "กรด"
 

ในกรณีของสารละลายที่ประกอบด้วยกรดที่มีความแรงแตกต่างกันผสมกันอยู่ ๒ ชนิดขึ้นไป ความชัดเจนของการเพิ่มค่าพีเอชนั้นขึ้นอยู่กับความแรงของกรดแต่ละตัว เช่นสมมุติว่าตัวอย่างนั้นมีกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้ ๑ ตัวอยู่ ๒ ชนิดที่มีความแรงแตกต่างกัน กราฟการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชของการไทเทรตโปรตอนตัวแรก (ของกรดตัวที่แรงกว่า) จะเพิ่มขึ้นอย่างเด่นชัดหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการให้โปรตอนของกรดตัวที่สองที่อ่อนกว่า ถ้าความแรงของกรดตัวที่สองนั้นอ่อนกว่าของตัวแรกมาก เราก็จะเห็นการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอช ณ จุดสะเทินโปรตอนของกรดตัวแรกได้ชัดเจน (กรณีของกรด H₃PO₄) แต่ถ้ากรดตัวที่สองนั้นแตกตัวได้ดีมาก (คือแม้จะน้อยกว่าตัวแรก แต่ก็ใกล้เคียงกับของตัวแรก) เรามีสิทธิที่จะไม่เห็นการเพิ่มขึ้นของค่าพีเอชในจังหวะที่ทำการสะเทินตัวแรก แต่จะไปเห็นการเพิ่มขึ้นของค่าพีเอชที่ชัดเจนในการสะเทินตัวที่สอง (กรณีของกรด H₂SO₄)

๔. เรื่องการเปลี่ยนสีของ phenolphthalein

ปัญหาที่เกิดขึ้นก็คือนิสิตมักจะคิดว่าต้องให้เห็นแค่สีชมพูอ่อน อย่าให้เข้มกว่านั้น 
  

ถ้าเป็นการไทเทรตระหว่างกรดแก่-เบสแก่ จุดสมมูลจะอยู่ที่ค่า pH 7 แต่ phenolphthalein จะเปลี่ยนสีให้เห็นได้ที่ค่า pH ตั้งแต่ 8 ขึ้นไป ดังนั้นเมื่อเห็นสีของ phenolphthalein ก็แสดงว่าใส่ titrant เลยจุดสมมูลไปแล้ว ยิ่งสีเข้มมากก็ยิ่งแสดงว่าใส่เลยจุดสมมูลไปมาก
 

แต่ในกรณีของตัวอย่างที่เป็นกรดอ่อนนั้น จุดสมมูลจะอยู่ที่ค่า pH มากกว่า 7 ส่วนจะมากกว่าแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับว่ากรดนั้นอ่อนแค่ไหน ยิ่งอ่อนมากก็ยิ่งห่างออกไปมาก ดังนั้นจะอิงตรงที่เมื่อเริ่มเห็นสีของ phenolphthalein แล้วก็ให้หยุดการไทเทรตเลยนั้นไม่ได้ เพราะจุดสมมูลอาจไปอยู่ในช่วง pH ที่ phenolphthalein แสดงสีสมบูรณ์แล้วก็ได้

๕ อื่น ๆ (ที่ดูเหมือนเป็นเรื่องไม่มีสาระ แต่เกิดขึ้นให้เห็นเรื่อย ๆ ในทุกปีการศึกษา)

- ไทเทรตโดยคิดว่าใส่ phenolphthalein แต่ในความเป็นจริงยังไม่ได้ใส่ (ตัวอย่างไม่ได้เข้มข้นมากหรอก ก็เล่นไม่ใส่อินดิเคเตอร์แล้วจะรู้ได้ยังไงว่าไทเทรตจนถึงจุดยุติแล้ว)

- หยดสารละลาย NaOH จากบิวเรตจนต่ำกว่าขีดวัดปริมาตรต่ำสุดของบิวเรต (แล้วจะอ่านค่าอย่างไร)

- ใช้ titrant จนเกือบหมด โดยที่ยังไม่ได้ทำการหาความเข้มข้นที่แน่นอน (standaradization) งานนี้ได้เริ่มทำใหม่

- เทสารละลาย NaOH ใส่บิวเรตในระดับที่สูงกว่าสายตา (ย้ำเสมอว่าอย่างทำ แต่ก็ลืมกันหลายราย)

- คุกเข่าตวงสารบนพื้นห้องปฏิบัติการ (อย่าคิดว่าพื้นห้องมันสะอาดนัก อาจมีเศษแก้วหรือสารเคมีซ่อนอยู่ก็ได้)

- เอาตัวอย่างมาไทเทรตโดยไม่ได้วัดปริมาตรที่แน่นอนของตัวอย่างที่นำมา (แล้วจะคำนวณความเข้มข้นอย่างไร)

- กลุ่มวันพุธ ทำสถิติกลับช้าสุดด้วยเวลา ๑๗.๔๕ น (ตามตารางสอนคือ ๑๖.๐๐ น)