ตกค้างเพราะเปียกพื้นผิว MO Memoir : Thursday 9 March 2560

เรื่องน้ำเปียกผิวแก้วนี่เป็นเรื่องปรกติที่เชื่อว่าเป็นที่รู้กันทั่วไป เวลาที่เรารินน้ำจากแก้วใบหนึ่งใส่แก้วอีกใบหนึ่งจน "หมด" (คือไม่มีหยดน้ำไหลออกแล้ว) เราจะพบว่าแก้วที่รินน้ำออกนั้นจะมีน้ำบางส่วนเปียกพื้นผิวอยู่ ดังนั้นน้ำที่สามารถรินใส่แก้วอีกใบหนึ่งได้นั้นจะน้อยกว่าน้ำที่อยู่ในแก้วใบเดิมเล็กน้อย เรื่องนี้ในชีวิตประจำวันไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาอะไร แต่สำหรับงานทางเคมีที่ต้องการความละเอียดสูง เป็นเรื่องที่ควรคำนึง เพื่อให้เห็นภาพ ขอเริ่มจากการทดลองง่าย ๆ ด้วยการรินน้ำจากกระบอกตวงใบหนึ่งใส่กระบอกตวงอีกใบหนึ่งดังรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ รินน้ำจากกระบอกตวงขนาด 25 ml ใบซ้ายใส่กระบอกตวงขนาด 25 ml ใบขวา จะเห็นว่าปริมาตรน้ำที่รินได้นั้นจะลดลงเล็กน้อย (กระบอกตวงแต่ละใบมีการสอบเทียบความถูกต้องและมีเอกสารรับรองประจำแต่ละใบ)
 

จากรูปที่ ๑ จะเห็นว่าปริมาตรที่หายไปนั้นแม้ว่าจะน้อย แต่ก็สังเกตด้วยตาเปล่าเห็น สำหรับงานที่ไม่ได้ต้องการความถูกต้องสูงมาก การใช้กระบอกตวงตวงของเหลวก็ไม่ได้มีปัญหาอะไร แต่ที่มันเป็นปัญหาก็คือ เคยเห็นนิสิตบางคนเวลาทำแลปจะเตรียม "สาระลายมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard)" ด้วยการชั่งของแข็งที่ต้องการละลาย (เช่น AgNO₃) ใส่ในบีกเกอร์ จากนั้นก็ใช้กระบอกตวงตวงน้ำให้ได้ปริมาตรที่ต้องการแล้วเทใส่บีกเกอร์ (ถ้าเป็นสารละลายมาตรฐานทุติยภูมิ หรือ secondary standard ก็ยังพอว่า เพราะยังไงท้ายสุดแล้วพอได้สารละลายแล้วก็ต้องนำสารละลายที่ได้ไปหาความเข้มข้นที่แน่นอนอีกที) วิธีการที่ดีกว่าคือการใช้ขวดวัดปริมาตร (volumetric flask) แต่ก็ใช่ว่าจะไม่มีปัญหา (รูปที่ ๒)
 

รูปที่ ๒ การเติมน้ำใส่ขวดวัดปริมาตร ควรระวังอย่าให้น้ำเปียกผิวแก้วบริเวณที่อยู่สูงกว่าขีดวัดปริมาตร เพราะถ้าเติมจนพอดีขีดวัดปริมาตร น้ำส่วนที่เปียกผิวแก้วนั้นจะเป็นน้ำส่วนเกิน ในทางกลับกันพอเราเติมน้ำได้พอดีแล้วทำการพลิกขวดเพื่อให้สารละลายในขวดเป็นเนิ้อเดียวกัน พอวางขวดตั้งใหม่จะเห็นระดับน้ำลดต่ำลงเล็กน้อย เพราะบางส่วนไปเปียกผิวแก้วอยู่ข้างบน ไม่ต้องทำการเติมน้ำเข้าไปชดเชย 
  

อุปกรณ์วัดปริมาตรของเหลวนั้น เราจะเติมของเหลวจนถึงระดับขีดปริมาตรที่ต้องการ ความถูกต้องในการอ่านนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัดของบริเวณที่แสดงขีดวัดปริมาตร ถ้าบริเวณดังกล่าวมีพื้นที่หน้าตัดเล็ก ปริมาตรของเหลวที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยจะทำให้เห็นการเปลี่ยนระดับความสูงที่ชัดเจน อุปกรณ์พวก transfer pipette จึงวัดปริมาตรได้ถูกต้องกว่ากระบอกตวง (เพราะพื้นที่หน้าตัดตรงบริเวณขีดบอกปริมาตรของ transfer pipette นั้นเล็กกว่าของกระบอกตวงมาก) ส่วนบีกเกอร์นั้นเป็นอุปกรณ์วัดปริมาตรแบบคร่าว ๆ (งานที่ไม่ได้ต้องการความถูกต้องสูง) ไม่เหมาะสำหรับการใช้วัดปริมาตรของเหลวเพื่อเตรียมสารละลายมาตรฐานใด ๆ รูปที่ ๓ ข้างล่างได้มาจากการเติมน้ำใส่ volumetric flask ขนาด 100 ml ก่อน จากนั้นจึงเทน้ำดังกล่าวใส่บีกเกอร์ขนาด 600 ml จะเห็นความแตกต่างของระดับอยู่ (แต่อย่าเพิ่งรีบสรุปนะครับว่าขีดบอกปริมาตรข้างบีกเกอร์มันบอกปริมาตรสูงเกินจริง บางใบที่เคยเห็นมันก็บอกต่ำกว่าความเป็นจริง) นอกจากนี้ด้วยการที่บีกเกอร์มีพื้นที่หน้าตัดกว้าง ทำให้ยากที่จะสังเกตเห็นหรือไม่สามารถมองเห็นระดับความสูงของของเหลวที่เปลี่ยนแปลงเมื่อปริมาตรของเหลวมีความแตกต่างกันในระดับ "หยด" ในขณะที่ความแตกต่างดังกล่าวจะเห็นได้ชัดกับอุปกรณ์วัดปริมาตรพวก ปิเปต บิวเรต และขวดวัดปริมาตร
 

ที่หนักกว่าตัวอย่างที่ยกมาข้างต้นคือ ตอนสอนแลปเคมีได้มีโอกาสเห็นนิสิตบางรายเตรียมสารละลายมาตรฐานด้วยการใช้ขีดบอกปริมาตรข้างบีกเกอร์นี่แหละเป็นตัวบอกปริมาตรน้ำ (คือใช้บีกเกอร์แทนขวดวัดปริมาตร เพราะการกวนของแข็งให้ละลายในบีกเกอร์มันง่ายกว่าการเขย่าให้มันละลายในขวดวัดปริมาตร)
 

รูปที่ ๓ ปริมาตรน้ำที่ขอบบีกเกอร์ 600 ml

ทิ้งท้ายด้วยคำถามที่คิดเราน่าจะพิจารณาทบทวนกันก็คือ เรื่องพื้นฐานเช่นนี้ ควรสอนกันในระดับโรงเรียน (ที่เห็นมีนักเรียนไปแข่งโอลิมปิควิชาการ ได้เหรียญต่าง ๆ กลับมากันมากมาย) หรือต้องมาสอนกันในระดับมหาวิทยาลัย

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

HCl ก่อน ตามด้วย H2SO4 แล้วจึงเป็น HNO3 MO Memoir : Friday 11 September 2558

"อย่ามองแต่เพียงแค่สิ่งที่ต้องการเห็น แต่ต้องมองสิ่งอื่น ๆ ที่อยู่ร่วมด้วย"

มีคนเคยถามผมว่า "ในการขยายขนาดปฏิกิริยาเคมีที่มีคนทำได้ในห้องทดลองมาเป็นระดับโรงงาน มีปัจจัยใดบ้างที่ต้องพิจารณา" ปัจจัยหนึ่งที่ผมบอกเขาไปก็คือข้อความข้างบน
  

การทดลองในห้องปฏิบัติการมักจะใช้สารเคมีความบริสุทธิ์สูง ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงนั้นอาจจะน้อยมากจนตรวจไม่พบหรือไม่ก่อให้เกิดปัญหาในการกำจัดหรือการแยก แต่ในการผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้นจะใช้สารเคมีที่มีความบริสุทธิ์ที่ต่ำกว่า ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการจะเกิดขึ้นในปริมาณมาก และก่อให้เกิดปัญหาในกระบวนการต่าง ๆ ตามมา ไม่ว่าจะเป็นการแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ การหาทางใช้ประโยชน์ หรือการกำจัดทิ้ง
  

เพื่อให้เห็นภาพดังกล่าวผมก็เลยยกคำถามง่าย ๆ คำถามหนึ่งในเรื่องพื้นฐานที่ผู้เรียนสายวิทยาศาสตร์นั้นเรียนรู้กันมาตั้งแต่ระดับมัธยมปลาย คือเรื่องการไทเทรตกรด-เบส คำถามก็คือ

"ในการไทเทรตหาความเข้มข้นสารละลายเบสนั้น โดยหลักการแล้วควรใช้กรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนตัวเดียวเป็นสารมาตรฐ,าน และกรดที่นิยมเลือกใช้คือกรด HCl อันดับรองลงไปคือกรด H₂SO₄ (ที่แตกตัวให้โปรตอนได้สองตัว) ส่วนกรด HNO₃ นั้นแม้ว่าจะเป็นกรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ต้วเดียว (เช่นเดียวกับdif HCl) กลับไม่เป็นที่นิยมกัน เหตุผลคืออะไร"
  

ถ้าลองค้นทางอินเทอร์เน็ตหรือตำราเคมีวิเคราะห์ในเรื่องเกี่ยวกับการไทเทรตกรด HNO₃ ก็มักจะพบตัวอย่างเกี่ยวกับการหาความเข้มข้นที่แน่นอนของกรด HNO₃ ที่เป็นสารตัวอย่างโดยใช้สารละลายมาตรฐาน NaOH เต็มไปหมด แต่การไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารตัวอย่างที่เป็นเบสโดยใช้สารละลายกรด HNO₃ เป็นสารมาตรฐาน กลับไม่ปรากฏตัวอย่างการไทเทรตดังกล่าว สำหรับผู้ที่เรียนโดยอิงจากสิ่งที่ตำราเขียนไว้ก็คงจะมองไม่เห็นประเด็นนี้ แต่ถ้าเราลองตั้งคำถามาด้วยการเอาหลักการมาเป็นตัวตั้ง (คือใช้กรดแก่ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ตัวเดียว) แต่เปลี่ยนตัวอย่าง (ในกรณีนี้คือจาก HCl เป็น HNO₃) เราก็จะมองเห็นปัญหาในสิ่งที่ตำราไม่ได้เขียนไว้

ถ้าเราต้องการไทเทรตหาความเข้มข้นของตัวอย่างที่เป็นเบสด้วยการหยดสารละลายมาตรฐานกรดจากบิวเรตลงไปในสารละลายตัวอย่างนั้น สิ่งที่เราใส่ลงไปในสารละลายตัวอย่างไม่ได้มีเพียงแค่ H⁺ แต่ยังมีส่วนที่เป็นไอออนลบของกรดด้วย และตัวไอออนลบของกรดตัวนี้แหละที่อาจเป็นตัวก่อปัญหา ในกรณีของการไทเทรตกรด-เบสนั้น เราไม่ต้องการให้ส่วนที่เป็นไอออนลบของกรดเข้าร่วมทำปฏิกิริยาใด ๆ (กับทุกสิ่งที่อยู่ในสารละลายที่หยดกรดลงไป) ดังนั้นกรดที่มีไอออนลบที่เฉื่อยจะเป็นตัวที่เหมาะสมมาก และไอออนลบตัวที่เฉื่อยมากที่สุดตัวหนึ่งก็คือ Cl^- และนี่ก็เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้นิยมใช้สารละลายกรด HCl เป็นสารมาตรฐานในการไทเทรต SO₄^2- ก็จัดเป็นไอออนลบที่เฉื่อยตัวหนึ่งเช่นกัน
  

ในกรณีของกรด HNO₃ นั้น ส่วนที่เป็นไอออนลบซึ่งคือคือ NO₃^- นั้นไม่ได้เป็นไอออนที่เฉื่อย แต่ยังมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาอยู่ด้วย (NO₃^- มันเป็นตัวออกซิไดซ์ตัวหนึ่ง) ด้วยเหตุนี้จึงมีโอกาสที่ NO₃^- จะเข้าทำปฏิกิริยากับสารอื่นที่ปนเปื้อนอยู่ในตัวอย่าง ทำให้ผลการวิเคราะห์ที่ได้นั้นคลาดเคลื่อนไปจากที่ควรเป็น
  

รูปทั้งสองที่นำมาประกอบเป็นบรรยากาศการทำการทดลองในห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐาน ภาควิชาวิศวกรรมเคมี ของนิสิตชั้นปีที่ ๒ วันเวลาที่บันทึกภาพนั้นก็ปรากฏอยู่ในรูปภาพเรียบร้อยแล้ว

การเตรียมสารละลายด้วยขวดวัดปริมาตร MO Memoir : Sunday 17 January 2553

Memoir ฉบับนี้เป็นส่วนขยายของ Memoir ฉบับ Saturday 16 January 2553 เรื่องการหาความเข้มข้นสารละลายมาตรฐานกรด เป็นคำอธิบายเพิ่มเติมในส่วนวิธีเตรียมสารละลายข้อ (2)

ถ้าเราเอาขวดวัดปริมาตร (volumetric flask) ยี่ห้อเดียวกัน รุ่นเดียวกันมาวางเคียงข้างกัน สิ่งที่เราจะเห็นคือขวดแต่ละขวดนั้นจะคล้ายกัน (ไม่เหมือนกัน 100%) และความแตกต่างที่เห็นเด่นชัดคือระดับขีดบอกปริมาตรที่อยู่บนคอขวดของขวดวัดปริมาตรแต่ละขวดจะอยู่สูงไม่เท่ากัน ทั้งนี้เป็นเพราะขวดวัดปริมาตรแต่ละขวดได้รับการสอบเทียบความถูกต้องมาเฉพาะตัว ในเมื่อขวดแต่ละขวดได้รับการสอบเทียบเพื่อให้การวัดปริมาตรมีความถูกต้องสูงแล้ว ดังนั้นในการใช้งานเราก็ควรใช้มันให้สมกับความเที่ยงตรงของมันด้วย จะว่าไปแล้วเรื่องนี้เคยกล่าวไว้ใน Memoir ฉบับ Saturday 16 August 2551 เรื่อง "การวัดปริมาตรของเหลว" เอาไว้แล้วครั้งหนึ่ง

ในการเติมน้ำเข้าไปในขวดวัดปริมาตรนั้น สิ่งสำคัญที่ต้องระวังคืออย่าให้น้ำที่เติมเข้าไปนั้นเปียกผนังขวดด้านในบริเวณระหว่างปากขวดและขีดบอกปริมาตร (ดูรูปที่ 1 ประกอบ) เพราะถ้าเราเติมน้ำลงไปจนได้ระดับขีดบอกปริมาตรแล้ว น้ำส่วนที่เปียกผนังขวดในบริเวณดังกล่าวจะเป็นน้ำส่วนเกิน ทำให้ปริมาตรที่ตวงได้นั้นมากเกินจริงไป

รูปที่ 1 การเติมน้ำเข้าไปในขวดวัดปริมาตร (Volumetric flask)

ในการละลายสารหรือเจือจางสารนั้น ถ้าเป็นของเหลวก็ให้แหย่ปลายปิเปตลงไปให้ต่ำกว่าระดับขีดบอกปริมาตร และปล่อยให้ของเหลวในปิเปตไหลออกมาจนหมด ถ้าเป็นของแข็งก็อาจต้องใช้กรวยช่วย และใช้น้ำกลั่นชะเอาของแข็งที่ติดอยู่ที่กรวยลงมาให้หมด จากนั้นจึงค่อยเติมน้ำลงไปเพิ่มเพื่อเจือจางของเหลว/ละลายของแข็ง ระดับน้ำที่เติมไปครั้งแรกควรเติมพอประมาณก่อนเพียงแค่ละลายของแข็งได้หรือเจือจางของเหลวก่อน (ระดับเส้นสีเขียวในรูปที่ 1) ทำการเขย่าหรือแกว่งขวดเบา ๆ เพื่อให้ของแข็งละลายหมดหรือของเหลวเจือจางจนเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นจึงค่อยเติมน้ำเพิ่มเข้าไป (ขีดสีชมพูในรูปที่ 1) แล้วทำการเขย่าหรือแกว่งเบา ๆ เพื่อเจือจางสารละลายที่ได้ให้เป็นเนื้อเดียวกัน ในระหว่างที่ทำการเขย่าหรือแกว่งขวดนั้น ต้องระวังไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือขีดวัดปริมาตรเปียกน้ำ

สาเหตุที่ไม่ให้เติมน้ำจนถึงระดับขีดวัดปริมาตรในครั้งแรกเลยเป็นเพราะว่า ถ้าเราเติมน้ำเข้าไปจนเต็มขวด การกวนหรือเขย่าของเหลวในขวดเพื่อละลายของแข็งที่ต้องการละลายหรือของเหลวที่ต้องการเจือจางจะทำได้ไม่ดี (เพราะไม่มีที่ว่างให้น้ำเคลื่อนที่ได้) สิ่งเดียวที่ทำได้คือการพลิกขวดคว่ำไปมาเพื่อให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกัน แต่ถ้าเราค่อย ๆ เติมน้ำและเขย่าสารละลายที่ได้เป็นลำดับที่กล่าวมาข้างต้น การทำให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกันจะดีกว่ามาก (ปัญหานี้จะเห็นได้ชัดเมื่อเราต้องทำการละลายเกลือที่ละลายน้ำแล้วมีสี เพราะถ้าเติมน้ำเข้าไปจนเต็มแล้วเขย่าขวด ต้องใช้เวลานานกว่าที่สารละลายในขวดจะมีสีเดียวกันหมด แต่ถ้าใช้วิธีการค่อย ๆ เติมค่อย ๆ กวน จะทำให้สารละลายในขวดมีสีสม่ำเสมอได้เร็วกว่ามาก)

ที่นี้ลองมาดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นหลังเราเติมน้ำลงไปจนถึงระดับขีดบอกปริมาตร โดยที่ผนังขวดด้านในส่วนที่อยู่เหนือขีดบอกปริมาตรนั้นไม่เปียกน้ำเลย แล้วทำการพลิกขวดไป-มาเพื่อผสมสารละลายในขวดให้เป็นเนื้อเดียวกัน พอเราตั้งขวดกลับคืนเดิมจะเห็นว่าระดับน้ำในขวดจะอยู่ต่ำกว่าระดับขีดบอกปริมาตร (เส้นสีแดงในรูปที่ 2)

รูปที่ 2 ผลของการเอียงขวดวัดปริมาตรที่มีต่อระดับน้ำที่ปรากฏ

การที่เห็นระดับน้ำลดลงเป็นเพราะน้ำบางส่วนไปเกาะติดอยู่บนผนังขวดด้านในส่วนที่อยู่เหนือขีดบอกปริมาตร (ถ้าหากคุณไม่ทำน้ำรั่วออกจากจุกปิดในระหว่างเขย่านะ) ดังนั้น "อย่า" เติมน้ำเข้าไปเพิ่มเติมจนถึงระดับขีดบอกปริมาตร เพราะจะทำให้ปริมาตรน้ำในขวดมากเกินจริง

เรื่องนี้มองเผิน ๆ ก็เป็นเรื่องง่าย ๆ แต่ในความจริงแล้วพบว่าเตรียมผิดวิธีกันอยู่เป็นประจำ

การหาความเข้มข้นสารละลายมาตรฐานกรด MO Memoir : Saturday 16 January 2553

เนื่องจากสมาชิกผู้หนึ่งของกลุ่มกำลังทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของกรดที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยา ในการทดลองดังกล่าวต้องมีการผสมสารละลายกรด HCl เจือจาง (ที่ต้องทราบความเข้มข้นที่แน่นอน) ลงไปในสารละลาย H₂O₂ แต่เนื่องจากสารละลายกรดเจือจางที่เตรียมขึ้นมานั้นยังไม่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (เหตุผลจะกล่าวในย่อหน้าถัดไป) จึงจำเป็นต้องมีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด HCl เจือจางที่ใช้ก่อน Memoir ฉบับนี้จึงขอยกเอาวิธีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด ซึ่งกระทำอยู่ทุกปีในวิชาเคมีวิเคราะห์ภาคปฏิบัติการสำหรับนิสิตปริญญาตรีปี ๒ มาทบทวนให้ฟังกัน

ในการเตรียมสารละลายมาตรฐานกรด (standard acid solution) นั้น เรามักเริ่มจากการนำเอากรดเข้มข้นมาเจือจางด้วยน้ำกลั่น แต่ความเข้มข้นที่เขียนไว้ข้างขวดนั้นมักเป็นความเข้มข้นโดยประมาณ (wt% หรือร้อยละโดยน้ำหนัก) และการนำกรดความเข้มข้นสูง (ระดับเกิน 10 M) มาเจือจางให้เหลือระดับเพียงแค่ประมาณ 0.1 M นั้น การตวงกรดเข้มข้นคลาดเคลื่อนไปเพียงนิดเดียวก็ทำให้ความเข้มข้นของกรดเจือจางที่เตรียมได้นั้นคลาดเคลื่อนไปได้มาก

การหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลาย HCl ที่เตรียมได้ ทำได้ด้วยการไทเทรตกับสารละลาย Anhydrous Na₂CO₃ (M.W. 105.99) โดยใช้ methyl red (เปลี่ยนสีในช่วง 4.4 (แดง) - 6.2 (เหลือง)) เป็นอินดิเคเตอร์ และทำการต้มไล่ CO₂ ที่จุดยุติด้วย (อ่านถึงตรงนี้ถ้าสงสัยว่าทำไมไม่ไทเทรตกับสารละลาย NaOH ให้ไปอ่านหมายเหตุที่ท้ายบันทึกฉบับนี้)

รูปที่ 1 แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M กับสารละลาย HCl เข้มข้น 0.1 M โดยไม่มีการต้มไล่ CO₂ และมีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^-

รูปที่ 1 การเปลี่ยนค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M กับสารละลายกรด HCl เข้มข้น 0.1 M โดย (บน) ไม่มีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^- และ (ล่าง) มีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^- (ภาพจากหนังสือ "Analytical chemistry : An introduction" แต่งโดย D.A. Skoog, D.M. West และ F.J. Holler ของสำนักพิมพ์ Saunders College Publishing, 6th edition 1994

สมมุติว่าเราทำการไทเทรตสารละลายมาตรฐาน Na₂CO₃ (อยู่ในฟลาสค) กับสารละลาย HCl (หยดจากบิวเรต) โดยใช้ methyl red เป็นอินดิเคเตอร์ ในช่วงแรกของการไทเทรตนั้น HCl จะเข้าไปสะเทิน CO₃^2- ก่อนโดยเปลี่ยน CO₃^2- ให้เป็น HCO₃^- ซึ่งเป็นเบสอ่อน ดังนั้นในช่วงที่สองที่ทำการไทเทรต HCO₃^- ให้กลายเป็น H₂CO₃ นั้นจะเห็นการเปลี่ยนสีของ methyl red ไม่ชัดเจน คือสีจะค่อย ๆ เปลี่ยนจากเหลืองไปเป็นส้ม (สีผสมระหว่างแดงและเหลือง) และกลายเป็นแดง (สีที่จุดยุติ) ทำให้กำหนดจุดยุติของการไทเทรตได้ลำบาก แต่ถ้าหากเราไทเทรตจนสีของ methyl red กลายเป็นสีส้ม แล้วนำไปต้มให้สารละลายในฟลาสคร้อนขึ้น HCO₃^- จะสลายตัวกลายเป็นแก๊ส CO₂ และ OH^- ทำให้ค่าพีเอชของสารละลายในฟลาสคเพิ่มขึ้นกระทันหัน (พีคตรงตำแหน่ง "before boiling" กับ "after boiling" ที่แสดงในรูปที่ 1 (ล่าง)) สีของสารละลายในฟลาสคจะกลายเป็นสีเหลือง และทำให้การไทเทรตเป็นการไทเทรตระหว่างกรดแก่ (HCl) กับเบสแก่ (OH^-) ซึ่งมีการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ที่ชัดเจน ซึ่งเมื่อหยดสารละลาย HCl ลงไปอีกเล็กน้อยก็จะทำให้ methyl red เปลี่ยนสีเป็นสีแดงทันที (ถ้าหากกลายเป็นสีส้มอีกแสดงว่า ตอนที่เอาฟลาสคไปต้มนั้นสีของสารละลายเพิ่งจะเริ่มเป็นสีส้ม ในกรณีนี้ให้เอาฟลาสคไปต้มใหม่อีกจนสีของสารละลายในฟลาสคกลายเป็นสีเหลือง แล้วนำมาไทเทรตใหม่)

สิ่งที่ควรต้องทำคือ

1. นำ Na₂CO₃ (analar grade) ไปอบให้แห้ง (ที่อุณหภูมิเกิน 100 องศาเซลเซียส ข้ามคืน)

2. เตรียมสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M จำนวน 250 ml (หรือ 100 ml) โดยใช้ Na₂CO₃ จากข้อ (1) ในขั้นตอนนี้ให้ชั่ง Na₂CO₃ มาอย่างละเอียด และละลาย Na₂CO₃ ที่ชั่งมาใน volumetric flask ขนาด 250 ml (หรือ 100 ml)

ในการหาน้ำหนักที่แน่นอนของ Na₂CO₃ ที่ชั่งได้นั้น ให้ชั่ง Na₂CO₃ บนแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) จดน้ำหนักรวมเอาไว้ จากนั้นจึงเท Na₂CO₃ ที่ชั่งมานั้นลงไปใน volumetric flask แล้วนำแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) มาชั่งน้ำหนักใหม่อีกครั้ง น้ำหนักที่หายไปคือน้ำหนักของ Na₂CO₃ ที่เทลงไปใน volumetric flask

ในการละลาย Na₂CO₃ ใน volumetric flask นั้น ให้เติมน้ำลงไปประมาณ 1/4-1/2 ของปริมาตรขวด โดยพยายามอย่าให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ (สำคัญมาก) จากนั้นเขย่าเพื่อละลาย Na₂CO₃ ที่เติมลงไปให้หมด (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) เมื่อละลายNa₂CO₃ ที่เติมลงไปจนหมดแล้ว จึงเติมน้ำเพิ่มเติมจนถึงเส้นบอกปริมาตร (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) จากนั้นจึงเขย่าขวดเพื่อให้สารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันสม่ำเสมอทั้งขวด (ในขณะนี้อนุญาตให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำได้แล้ว) หลังเสร็จสิ้นการเขย่าจนสารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันหมดแล้ว พอตั้งขวดเอาไว้อาจเห็นว่าระดับของเหลวอยู่ "ต่ำ" กว่าเส้นบอกปริมาตร ก็ "ไม่ต้อง" เติมน้ำลงไปเพิ่มเติม เพราะน้ำที่หายไปนั้นมันไปเปียกคอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตร

3. ในการไทเทรตนั้นให้ปิเปตสารละลาย Na₂CO₃ ที่เตรียมไว้มา 10-25 ml (ใช้ transfer pipette ขนาดที่มีอยู่ในห้องแลป) หยด methyl red ที่ใช้เป็นอินดิเคเตอร์ลงไป 3-4 หยด แล้วนำไปไทเทรตกับกรด HCl ที่เป็นตัวอย่าง

4. เมื่อสีของสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีส้มเข้ม (ยังไม่แดง) ให้นำฟลาคไปต้มในอ่างน้ำร้อน ต้มจนกระทั่งสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีเหลืองใหม่

5. ทำการไทเทรตต่อจนกระทั่ง methyl read เปลี่ยนสีจากเหลืองเป็นแดงทันที ถ้าการเปลี่ยนสียังเป็นจากเหลืองไปเป็นส้ม ก็ให้นำฟลาคไปต้มให้ร้อนใหม่จนกระทั่งสีของสารละลายเป็นสีเหลือง แล้วค่อยนำกลับมาไทเทรตใหม่

6. พึงระลึกว่าต้องใช้ HCl 2 โมลทำปฏิกิริยาพอดีกับ Na₂CO₃ 1 โมล

ก่อนที่จะลงมือทำให้มาปรึกษารายละเอียดอีกครั้งก่อน

หมายเหตุ

ในการไทเทรตนั้น เราอาจทำโดย

(ก) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (หยดจากบิวเรต) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างที่ทราบปริมาณที่แน่นอน (อยู่ในฟลาสค) แล้วหาว่าต้องใช้สารมาตรฐานในปริมาตรเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างได้พอดี หรือ

(ข) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอนและทราบปริมาณที่แน่นอน (ใส่ในฟลาสค) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่าง (หยดจากบิวเรต) แล้วหาว่าต้องใช้สารตัวอย่างเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยาพอดีกับสารมาตรฐาน

ส่วนจะเลือกใช้แบบ (ก) หรือ (ข) นั้นขึ้นอยู่กับว่าเรามีสารแต่ละชนิดในปริมาณเท่าใด (โดยหลักก็คือเอาตัวที่มีมากใส่บิวเรต) หรือเลือกทิศทางที่เห็นการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ได้ชัดเจน (เช่นดูการเกิดสีของฟีนอฟทาลีนจากไม่มีสีเป็นมีสีชมพูแดง จะดูง่ายกว่าดูการเปลี่ยนสีจากสีชมพูแดงเป็นไม่มีสี)

โดยหลักแล้วสารที่จะนำมาใช้เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard) นั้นควรมีคุณสมบัติดังนี้คือ มีความบริสุทธิ์สูง และมีมวลโมเลกุลสูง

การที่สารมาตรฐานต้องมีความบริสุทธิ์สูงนั้นก็ชัดเจนอยู่ในตัวอยู่แล้ว ส่วนการที่ต้องมีมวลโมเลกุลสูงก็เพื่อลดความผิดพลาด (สัมพัทธ์) ในการชั่งน้ำหนักสารมาตรฐาน

ในการชั่งสารนั้นจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในระดับหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับความละเอียดของเครื่องชั่ง

สมมุติว่าเราใช้เครื่องชั่งที่มีความละเอียด 0.001 g มาใช้ชั่งสาร ดังนั้นไม่ว่าเราจะชั่งสารหนัก 2.000 g หรือ 5.000 g เราก็จะมีความคลาดเคลื่อนในระดับ 0.001 g อยู่ดี

แต่ความคลาดเคลื่อนระดับ 0.001 g เมื่อเทียบกับ 2.000 g หมายถึงคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเทียบกับ 5.000 g จะกลายเป็นคลาดเคลื่อนเพียง 0.02%

ดังนั้นถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 20 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 2.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 50 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 5.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อนลดลงเหลือเพียง 0.02% ซึ่งน้อยกว่า

การที่เราไม่ใช่ NaOH เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมินั้นเป็นเพราะ NaOH ไม่มีความบริสุทธิ์สูง ขวด NaOH ที่เปิดสัมผัสอากาศแล้วมีโอกาสที่ NaOH จะจับกับแก๊ส CO₂ ในอากาศกลายเป็น Na₂CO₃ ปนอยู่ในขวด และสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ยังสามารถทำปฏิกิริยากับแก๊ส CO₂ ในอากาศได้เช่นเดียวกัน ทำให้ความเข้มข้นเปลี่ยนไปได้ถ้าเก็บไว้ไม่ดีพอ

ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรดนั้นจะต้องนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ไปไทเทรตกับสารละลายของเกลือ potassium hydrogen phtahlate (บางทีก็เรียกกันสั้น ๆ ว่า KHP สารนี้มี M.W. 204.23) ก่อนเพื่อหาความเข้มข้นที่แน่นอนของ NaOH ที่เตรียมได้ จากนั้นจึงจะสามารถนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมไว้ไปใช้เป็นสารละลายมาตรฐานทุติภูมิ (secondary standard) ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรด

ส่วนการไทเทรตหาความเข้มข้นของสารละลาย HCl นั้นอาจทำได้โดยการไทเทรตกับสารละลาย Na₂CO₃ ที่กล่าวไว้ในข้างต้น หรือไทเทรตกับสารละลาย NaOH ที่ผ่านการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอน

วิธีการที่บอกให้ทำนั้นจะเป็นการใส่สารละลาย Na₂CO₃ ในฟลาคแล้วหยด HCl ลงมาจากบิวเรต แต่เนื่องจากเรามี HCl ที่เป็นสารตัวอย่างในปริมาณจำกัด ดังนั้นพึงระวังอย่าใส่สารละลาย Na₂CO₃ มากเกินไป เพราะจะทำให้ไม่มี HCl เพียงพอสำหรับการทำซ้ำ