ความกระด้าง (Hardness) ของน้ำกับปริมาณของแข็งทั้งหมด ที่ละลายอยู่ (Total Dissolved Solid - TDS) MO Memoir : Wednesday 18 September 2567

ในช่วงที่หลักสูตรของภาควิชายังให้นิสิตปี ๒ เรียนวิชาเคมีวิเคราะห์นั้น ในส่วนของวิชาปฏิบัติการก็มีการทดลองให้นิสิตทำการวิเคราะห์น้ำดื่ม เรียกว่าถ้าอยากรู้ว่าที่กินอยู่นั้นประกอบด้วยอะไรบ้าง ก็ให้ไปเอามาทดลอง ค่าที่วัดก็ประกอบด้วย ความเป็นด่าง (alkalinity), ความกระด้าง (hardness) และค่าการนำไฟฟ้า (conductivity)

การวัดค่าความเป็นด่างของน้ำดื่มคือการวัดปริมาณ HCO₃^-, CO₃^2- และ OH^- สำหรับน้ำดื่มที่ได้มาจากแหล่งน้ำธรรมชาติแล้ว ปริมาณ HCO₃^- และ CO₃^2- ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของน้ำว่าไหลผ่านหินปูน (CaCO₃) มาหรือเปล่า แต่ไม่ควรพบ OH^- และถ้าพบ OH^- ในแหล่งน้ำธรรมชาติก็น่าสงสัยว่ามันน่าจะมีอะไรที่ไม่ปรกติ

การวัดความกระด้างคือการวัดปริมาณไอออนที่มีประจุตั้งแต่ 2+ ขึ้นไป โดยตัวหลักที่พบในธรรมชาติก็จะเป็น Ca²⁺ โดยอาจพบ Mg²⁺ บ้าง ซึ่งตรงนี้ก็ขึ้นกับแหล่งที่มาของน้ำอีก สำหรับน้ำที่ไหลผ่านหินปูนนั้นก็จะมีทั้งความกระด้างและความเป็นด่าง แต่บางรายก็จะนำเอาน้ำนั้นไปผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน (ion-exchange) โดยเปลี่ยน Ca²⁺ เป็น Na⁺ หรือกำจัดไอออน ก็ทำให้ความกระด้างนั้นหายไป

ส่วนการวัดค่าการนำไฟฟ้าก็เป็นการวัดปริมาณ "ไอออน" ที่อยู่ในน้ำนั้น ไม่ได้มองเห็นเฉพาะแค่ไอออนที่มีประ ประจุตั้งแต่ 2+ ขึ้นไปที่เป็นตัวทำให้น้ำกระด้าง พวกประจุ 1+ ก็มองเห็นเช่นกัน แต่พวกนี้ไม่ได้ทำให้น้ำกระด้าง)

รูปที่ ๑ ภาพผลการทดลองที่เห็นคนแชร์ต่อกันมา ผมอ่านภาษาญี่ปุ่นไม่ออก แต่รู้ว่าการเอาตัวเลขค่า TDS ไปแปลเป็นค่าความกระด้างนั้นมันทำไม่ได้

ตัวทำละลายที่เป็นโมเลกุลมีขั้ว (เช่น น้ำ เอทานอล) มันสามารถนำไฟฟ้าได้บ้าง แต่ก็จัดว่าต่ำมากเมื่อเทียบกับเวลาที่มีไอออนละลายอยู่ อย่างเช่นน้ำบริสุทธิ์จะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำมาก (จนบางงานถือว่าเป็นฉนวนไฟฟ้าได้) แต่ถ้ามีเกลือแร่ละลายอยู่จะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นมาก ที่เราโดนไฟฟ้าดูดเวลาที่อยู่ในที่ชื้นแฉะหรือตัวเปียกน้ำ ก็เป็นเพราะน้ำทั่วไปมักจะมีเกลือแร่ละลายปนอยู่ จึงทำให้มันนำไฟฟ้าได้ดีมาก ด้วยเหตุนี้จึงมีการนำเอาค่าการนำไฟฟ้าของน้ำมาบ่งบอกถึงปริมาณของแข็งที่ละลายอยู่ในน้ำ ทำนองว่าถ้าน้ำนั้นมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ก็จะมีของแข็งละลายอยู่มาก

แต่มันก็ไม่จริงเสมอไป

แก๊สที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออน เช่นแก๊สกรดต่าง ๆ (เช่น HCl) เมื่อละลายน้ำจะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้นมาก (ดูรูปที่ ๒) แต่ถ้านำไประเหยน้ำนั้นจนแห้ง มันจะไม่เหลืออะไร หรือในกรณีของน้ำตาลทราย ถ้าเราเอาน้ำตาลทรายไปละลายน้ำ น้ำเชื่อมก็ถือว่าเป็นน้ำที่มีของแข็งละลายอยู่ แต่ถ้าวัดค่าการนำไฟฟ้าของน้ำเชื่อมมันไมได้เปลี่ยนแปลงไปมาก

วิธีที่ถูกต้องที่สุดในการวัดปริมาณของแข็งที่ละลายอยู่ในน้ำคือการนำน้ำไประเหยแล้วดูว่ามีของแข็งเหลือตกค้างในปริมาณเท่าใด เพราะมองเห็นเฉพาะส่วนที่เป็นของแข็งที่ละลายอยู่ (มองไม่เห็นแก๊สที่ละลายอยู่) และยังมองเห็นของแข็งที่ละลายน้ำแล้วไม่แตกตัวเป็นไอออนด้วย (เช่นน้ำตาลทราย) แต่วิธีการนี้มีข้อเสียคือใช้เวลามาก

สิ่งที่เห็นตอนให้นิสิตทำแลปวิเคราะห์น้ำดื่มคือค่าการนำไฟฟ้านั้นสัมพันธ์กับกระบวนการผลิตน้ำดื่ม น้ำดื่มที่ผลิตด้วยกระบวนการ reverse osmosis จะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ เพราะมันเอาไอออนต่าง ๆ ออกจากน้ำไปมาก นิสิตบางคนก็คิดว่าน้ำที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำจะเป็นน้ำดื่มที่ดี พอถามว่ากล้าดื่มน้ำกลั่นไหม (ค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าพวกที่แสดงในตารางในรูปที่ ๑ อีก) ก็ตอบกลับมาว่าไม่กล้า

น้ำที่ผลิตด้วยกระบวนการแลกเปลี่ยนไปออนด้วยการนำเอาไอออน 2+ ออกไป แล้วแทนที่ด้วยไอออน 1+ ที่เบากว่าจะมีค่าการนำไฟฟ้าที่สูง น้ำพวกนี้ถ้านำมาวัดค่าการนำไฟฟ้าจะพบว่าสูงกว่าน้ำประปาหรือน้ำแร่อีก แต่พอวัดค่าความกระด้างกลับตรวจไม่พอ ในทางตรงกันข้ามน้ำแร่ที่เขาโฆษณาไว้ข้างขวดว่าอุดมไปด้วยแร่ธาตุต่าง ๆ นอกจากจะพบว่ามีค่าการนำไฟฟ้าที่สูงแล้ว ยังพบว่ามีความกระด้างสูงด้วย สูงกว่าน้ำประปากรุงเทพอีก

บางคนไม่กล้ากินน้ำประปา (แม้ว่าจะต้มสุกแล้วก็ตาม) ด้วยเกรงว่ากินแล้วจะเป็นนิ่ว แต่สามารถดื่มน้ำแร่ได้อย่างสบายใจ ทั้ง ๆ ที่น้ำแร่มีความกระด้างสูงกว่าอีก

รูปที่ ๒ ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำเมื่อมีสารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไอออนละลายอยู่ ที่ระดับความเข้มข้นต่าง ๆ