การกำจัดสีเมทิลีนบลู MO Memoir : Saturday 26 October 2556

เห็นมีใครต่อใครหลายรายเขาทำวิจัยเรื่องการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงในการกำจัดสีเมทิลีนบลู (methylene) ที่ละลายอยู่ในน้ำ ในการทดลองเหล่านี้มักจะใช้การวัดการดูดกลืนสีน้ำเงินของเมทิลีนบลูเพื่อระบุปริมาณของเมทิลีนบลูที่หลงเหลืออยู่ (ถ้าสีน้ำเงินเข้มก็จะแปลว่าเหลืออยู่มาก) ผู้ทำวิจัยเหล่านี้จำนวนไม่น้อยหลายรายมักจะอ้างว่า (หรือทำให้คนอื่นเข้าใจว่า) ถ้าสารละลายมีสีซีดลงก็แสดงว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทำการกำจัดเมทิลีนบลูได้ดี แต่ถ้าถามว่าเมทิลีนบลูถูกกำจัดไปเป็นอะไรมักจะตอบไม่ได้หรือให้คำตอบที่น่าเคลือบแคลง ซึ่งเรื่องนี้ผมเคยเขียนเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๓ วันพฤหัสบดีที่ ๘ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "สีหายไม่ได้หมายความว่าสารหาย"
 

และในรูปที่ ๒ ของ Memoir ฉบับที่ ๓๗๓ ผมได้ยกตัวอย่างปฏิกิริยาที่ทำให้สีของเมทิลีนบลูหายไปด้วยการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลเพียงตำแหน่งเดียว โดยในสารละลายนั้นยังคงมีสารอินทรีย์อยู่ครบเหมือนเดิมไม่ได้หายไปไหน Memoir ฉบับนี้ก็เลยจะขอเสนอวิธีการทำให้สีเมทิลบลูหายไป และกลับคืนเหมือนเดิมได้

การทดลองนี้มีชื่อเรียกที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ "Blue bottle experiment" (อันที่จริงถ้าเปลี่ยนเมทิลีนบลูเป็นสารอื่นก็จะได้สีอื่นด้วยนะ)

จากโครงสร้างโมเลกุลของเมทิลีนบลูที่แสดงในรูปที่ ๑ นั้น ถ้าหากโมเลกุลถูกรีดิวซ์ที่ตำแหน่งอะตอม N ที่เชื่อมสองวงแหวนเข้าด้วยกันก็จะกลายเป็น leucomethylene blue ซึ่งไม่มีสี แต่ leucomethylene blue สามารถถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายด้วยออกซิเจนในอากาศกลับเป็นเมทิลีนบลู (ซึ่งมีสีน้ำเงิน) ได้ใหม่
 

รูปที่ ๑ โมเลกุลเมทิลีนบลู (ซ้าย) ซึ่งมีสีน้ำเงินและ Leucomethylene blue (ขวา) ซึ่งไม่มีสี

ในสารละลายที่เป็นเบสนั้น น้ำตาลพวก recucing sugar (พวกที่มีหมู่อัลดีไฮด์) เช่นกลูโคสสามารถถูกออกซิไดซ์กลายเป็นกรดได้ (เช่นกลูโคสกลายเป็น gluconate ion) เมื่อนำสารละลายน้ำตาลกลูโคสในเบส (เช่นสารละลาย NaOH หรือ KOH) มาผสมกับสารละลายเมทิลีนบลู น้ำตาลกลูโคสจะไปรีดิวซ์โมเลกุลเมทิลีนบลูให้กลายเป็น leucomethylene blue ทำให้สีน้ำเงินของสารละลายหายไปเป็นไม่มีสี (ดังแสดงในรูปที่ ๒) ส่วนโมเลกุลน้ำตาลกลูโคสจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็น gluconate ion (ดังสมการในรูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ สีของสารละลาย เมทิลีนบลู + น้ำตาลกลูโคส + โซเดียมไฮดรอกไซด์ (บนซ้าย) หลังการเขย่าให้ออกซิเจนในอากาศเข้าไปผสมจะมีสีน้ำเงิน (บนขวา) แต่เมื่อตั้งทิ้งไว้ให้ออกซิเจนระเหยออกมาจะกลายเป็นใส ไม่มีสี (ล่าง) แต่ตรงบริเวณผิวสัมผัสกับอากาศ (ในกรอบสีเขียว) จะเห็นเป็นสีน้ำเงินอยู่เนื่องจากเป็นจุดที่สัมผัสกับออกซิเจน

รูปที่ ๓ โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสถูกออกซิไดซ์กลายไปเป็น gluconate ion ในสารละลายเบส

แต่ถ้าเราทำการเขย่าหรือกวนสารละลายนั้น อากาศที่อยู่เหนือของเหลวก็จะทำการออกซิไดซ์ leucomethylene blue ที่เกิดขึ้นให้กลายเป็นเมทิลีนบลูใหม่ สารละลายก็จะกลับมาเป็นสีน้ำเงินดังเดิม ปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถเกิดซ้ำไปซ้ำมาได้หลายครั้ง (คงต้องรอจนกว่ากลูโคสจะหมด เพราะเมื่อมันเปลี่ยนไปเป็น gluconate ion แล้วมันไม่กลับคืนเดิม) ในเว็บหลายเว็บบอกว่าปฏิกิริยานี้เหมาะมากสำหรับดึงดูดความสนใจเด็กนักเรียนให้เข้ามาเรียนวิชาเคมี
 

เนื่องจากภาพนิ่งมันไม่แสดงการเปลี่ยนสีให้เห็น มันแสดงแค่สารละลายมีสีต่างกัน ก็เลยเกรงว่าจะมีการกล่าวหาว่ามันทำไม่ได้จริง งานนี้ก็เลยของถ่ายวิดิโอแสดงการเปลี่ยนสี คลิปที่แนบมาด้วยก็เป็นของการทดลองที่กระทำไปเมื่อวันอังคารที่ผ่านมา งานนี้ต้องขอขอบคุณคุณหนุ่มและคุณโจจากห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานที่ช่วยในการทำการทดลอง (ให้ผมยืมเครื่องมือและน้ำตาลกลูโคส) สารแต่ละสารใส่ในปริมาณเท่าใดนั้นผมก็ไม่ได้ชั่งมันหรอก แค่เอา NaOH จากกระป๋องมาสัก 4-5 เม็ด และน้ำตาลกลูโคสอีกสัก 3-4 ช้อน เมทิลีนบลูก็ใช้แค่ที่ติดมากับช้อนตักสารตอนที่ปักมันลงไปในขวดแค่นั้นเอง มันก็ให้สีเข้มแล้ว ส่วนกุญแจที่วางเอาไว้ก็เพื่อให้กล้อง (โทรศัพท์มือถือ) มันจับโฟกัสได้เท่านั้นเอง

เห็นไหมล่ะครับว่าเราสามารถทำให้สีสารละลายเมทิลีนบลูหายไปโดยไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาผลึกขนาดนาโนใด ๆ หรือใช้แสงช่วย ใช้เพียงแค่น้ำตาลกลูโคสกับด่าง (เช่น NaOH หรือ KOH) ก็พอ

สีหายไม่ได้หมายความว่าสารหาย MO Memoir : Thursday 8 December 2554

เมื่อตอนช่วงวันลอยกระทงที่ไปประชุมวิชาการที่หาดใหญ่นั้น ผมได้เข้าไปนั่งฟังการนำเสนอผลงานวิจัยเรื่องหนึ่งเกี่ยวกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา TiO₂ ที่ใช้แสงในการสลายโมเลกุลสารอินทรีย์ซึ่งได้แก่ Methylene blue ที่ละลายอยู่ในน้ำ

Methylene blue นั้นมีสีน้ำเงิน ดังนั้นผู้วิจัยจึงเลือกใช้เทคนิคทางด้านสเปกโตรสโคปีในการวัดความเข้มข้นของ methylene blue กล่าวคือเขาจะดูการดูดกลืนคลื่นแสงสีน้ำเงิน ถ้ามีการดูดกลืนคลื่นแสงสีน้ำเงินมากเขาก็จะสรุปว่ามีปริมาณ methylene blue ในสารละลายอยู่มาก ในทางกลับกันถ้ามีการดูดกลืนคลื่นแสงสีน้ำเงินน้อยก็จะสรุปว่าในสารละลายนั้นมีปริมาณ methylene blue ที่น้อย

ในการทดลองของเขานั้นเขาเริ่มจับเวลาจากการเริ่มฉายแสง และเก็บน้ำตัวอย่างมาวิเคราะห์ตามเวลาที่กำหนด ซึ่งเขาพบว่าในน้ำตัวอย่างที่มีการเติม TiO₂ เข้าไปนั้นการดูดกลืนคลื่นแสง "สีน้ำเงิน" ของน้ำตัวอย่างนั้น "ลดลง" เมื่อเวลาผ่านไปมากกว่าน้ำตัวอย่างที่ไม่มีการเติม TiO₂ ทำให้เขาสรุปว่า TiO₂ เมื่อได้รับแสงจะสามารถลดปริมาณ methylene blue ในน้ำตัวอย่างลดลงได้

ในช่วงการถาม-ตอบผมได้ถามเขาว่าแล้ว methylene blue ที่หายไปนั้นกลายไปเป็นสารใด เขาตอบผมว่ากลายไปเป็น CO₂ และน้ำ ซึ่งตรงนี้ผมแย้งเขากลับไปว่าแน่ใจหรือว่าออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (dissolved oxygen) นั้นมีมากเพียงพอที่จะสลายโมเลกุล methylene blue ให้กลายไปเป็น CO₂ และน้ำได้อย่างสมบูรณ์ 

 

และที่สำคัญคือการที่ "สีหายไป" ไม่ได้หมายความว่า "สาร" หายไป เพราะสารอินทรีย์หลายชนิดนั้นถ้าเราเปลี่ยนโครงสร้างมันนิดเดียว สีมันก็เปลี่ยนไปแล้ว ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ phenolphthalein (รูปที่ ๑) ที่เมื่อโมเลกุลมีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการรับ H⁺ หรือ OH^- ก็ทำให้สีของโมเลกุลเปลี่ยนไปมาระหว่างไม่มีสีและสีชมพูเข้มได้ ดังนั้นการที่เราทำให้สารละลายที่มี phenolphthalein ละลายอยู่และมีสีชมพูนั้นกลายเป็นสารละลายที่ไม่มีสี เราไม่จำเป็นต้องทำการทำลายโมเลกุล phenolphthalein ให้สิ้นซาก เราทำเพียงแค่เปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลเพียงเล็กน้อย (โดยการปรับ pH ให้เป็นกรด) สีชมพูเข้มของสารละลายก็จะหายไปแล้ว แต่ในสารละลายนั้นยังคงมี phenolphthalein อยู่

รูปที่ ๑ Phenolphthalein เปลี่ยนสีไปมาได้ระหว่างไม่มีสีและสีชมพูเข้ม ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของH⁺ และ OH^- ในสารละลายซึ่งทำให้โมเลกุล phenolphthalein มีการเปลี่ยนแปลงเพียงบางตำแหน่งเท่านั้น (ที่วงแดงไว้) การทำให้ phenolphthalein ที่มีสีชมพูเข้มกลายเป็นไม่มีสี ไม่จำเป็นต้องทำลายโมเลกุล phenolphthalein ทั้งโมเลกุล ทำเพียงแต่เปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันที่บางตำแหน่งเท่านั้นก็พอ (ภาพจาก http://www.chempage.de/lexi/phenolphthalein.htm)

Methylene blue เป็นสารเคมีตัวที่เห็นใช้กันบ่อยครั้งในการเปรียบเทียบความสามารถของ photocatalyst ต่าง ๆ ในปฏิกิริยา photocatalysis ของสารอินทรีย์ในน้ำ และวิธีการวัดความเข้มข้นของ methylene blue ที่เหลืออยู่ที่นิยมกันก็คือวัดการดูดกลืนคลื่นแสงสีน้ำเงิน 

 

แต่ถ้าดูรูปที่ ๒ จะเห็นว่า methylene blue สามารถเปลี่ยนจากโครงสร้างที่มีสีน้ำเงินกลายไปเป็นโครงสร้างที่ไม่มีสี ด้วยการรับโปรตอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น ดังนั้นการที่สีของ methylene blue หายไปจึงไม่ได้หมายความว่ามันต้องสลายตัวไปเป็น CO₂ และน้ำ เพียงแค่การเปลี่ยนแปลงตรงบางตำแหน่งของโมเลกุลก็สามารถทำให้สีน้ำเงินหายไปได้แล้ว ดังนั้นผมจึงเห็นว่าการสรุปว่า "เมื่อการดูดกลืนคลื่นแสงสีน้ำเงินลดง ปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำก็ลดลงไปด้วย" นั้นเป็นการด่วนสรุปเกินไป เพราะมันยังอาจมีอยู่เท่าเดิม (คิดในหน่วยของจำนวนอะตอมคาร์บอน) เพียงแต่เปลี่ยนไปเป็นโมเลกุลอื่นที่ไม่มีสีเท่านั้นเอง

รูปที่ ๒ โครงสร้างโมเลกุลของ Methylene blue จะเห็นว่าโมเลกุลสามารถเปลี่ยนจากรูปที่มีสีน้ำเงินกลายไปเป็นไม่มีสีด้วยการเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น (ภาพจาก http://www.alzforum.org/new/Schirmer.asp)

ใครอยากรู้เรื่องการมีสีของสารอินทรีย์หรือทำการวิจัยที่อาศัยการเปลี่ยนสีของสารอินทรีย์นั้นควรที่จะมีความรู้เรื่องเกี่ยวกับ chromophore เอาไว้บ้าง จะได้รู้ว่าหมู่ฟังก์ชันแบบไหนที่ทำให้สารอินทรีย์มีสีได้ และการที่หมู่ฟังก์ชันนั้นถูกทำลาย (โดยไม่จำเป็นต้องทำลายโมเลกุลทั้งโมเลกุล) ก็สามารถทำให้สีของสารอินทรีย์นั้นหายไปได้ 

 

ผมว่าถ้าอาจารย์ที่ปรึกษานิสิตปริญญาเอกคนนั้นที่เผมเล่าใน memoir ฉบับที่แล้วพอจะมีความรู้พื้นฐานด้านเคมีอินทรีย์บ้าง (ทั้ง ๆ ที่ปฏิกิริยาต่าง ๆ เกือบทั้งหมดที่เขาศึกษาก็เป็นปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์ทั้งนั้น) ก็คงไม่ต้องโดนอาจารย์ต่างประเทศที่เชิญมาเป็นกรรมการสอบเทศน์พื้นฐานวิชาเคมีอินทรีย์ให้ฟังในห้องสอบ