Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๑) MO Memoir : Tuesday 9 November 2553

เวลาที่สอนเคมีอินทรีย์ให้กับใครนั้น ผมมักจะย้ำว่าให้มองเนื้อหาเป็นเรื่องของหมู่ฟังก์ชัน (functional group) ต่างๆ มากกว่าการที่จะมองว่าเป็นสารประกอบ (compound) เพราะการที่สารใดจะทำปฏิกิริยาแบบใดได้นั้นมันขึ้นอยู่กับว่าสารนั้นมีหมู่ฟังก์ชันใดบ้าง ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าสารนั้นมีชื่อว่าอะไร ตัวอย่างเช่นสไตรีน (C₆H₅CH=CH₂) ซึ่งถ้าดูตามชื่อแล้วมันถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มแอโรแมติก และถ้าดูการทำปฏิกิริยาแล้วจะพบว่ามันมีการทำปฏิกิริยาของพันธะ C=C เช่นปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation) ซึ่งอยู่ในเรื่องอัลคีน หรือในกรณีของโมเลกุลน้ำตาลนั้น การทำปฏิกิริยาจะอยู่ในเรื่องของแอลกอฮอล์ (หมู่ไฮดรอกซิล) และอัลดีไฮด์หรือคีโตน (เพราะน้ำตาลเป็นสารประกอบ polyhydroxy aldehyde หรือ polyhydroxy ketone คือมีทั้งหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) และอัลดีไฮด์/คีโตนในโมเลกุลเดียวกัน)

สัปดาห์ที่แล้วสอนนิสิตปริญญาตรีปี ๒ เรื่องเกี่ยวกับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว และได้ยกตัวอย่างปฏิกิริยาหนึ่งขึ้นมาคือปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (Hydrogenation) ที่ใช้เปลี่ยนพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอนให้กลายเป็นพันธะเดียว และเปลี่ยนพันธะสามระหว่างอะตอมคาร์บอนให้กลายเป็นพันธะคู่ และใน Memoir ฉบับที่แล้ว (ฉบับที่ ๒๑๘) ก็ได้เกริ่นถึงปฏิกิริยาการกำจัด acetylene ออกจาก ethylene ในกระบวนการที่เรียกว่า acetylene hydrogenation

Memoir ฉบับนี้เลยขอถือโอกาสใช้ปฏิกิริยานี้เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงให้เห็นถึงการนำเอาความรู้จากวิชาต่าง ๆ มาประยุกต์ใช้รวมกัน โดยหวังว่าผู้อ่านคงยังไม่ลืมพื้นฐานทางด้านเทอร์โมไดนามิกและเคมีอินทรีย์ที่เรียนกันมา

๑. Enthalpy of formation (deltaH_f) และเสถียรภาพของสาร

เอนทาลปีของสารใดนั้นเปรียบเสมือนพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในตัวสารนั้น แต่เราไม่สามารถวัดพลังานงานทั้งหมดได้โดยตรง สิ่งที่วัดกันนั้นเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลง โดยจะพิจารณาว่าเมื่อสารหนึ่งเปลี่ยนไปเป็นอีกสารหนึ่งนั้นมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเท่าใด โดยจะกำหนดให้ค่าเอนทาลปีของธาตุมีค่าเป็นศูนย์ และเมื่อธาตุต่าง ๆ มารวมตัวกันเป็นสารประกอบนั้นต้องมีการคายพลังงานหรือดูดกลืนพลังงานเข้าไป ถ้าหากมีการคายพลังงานออกมา สารประกอบที่เกิดขึ้นก็จะมีค่าเอททาลปีการเกิด (Enthalpy of formation หรือ deltaH_f) ติดลบ แต่ถ้าต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป สารประกอบที่เกิดขึ้นก็จะมีค่าเอนทาลปีการเกิดเป็นบวก

ตัวอย่างเช่นถ้าธาตุคาร์บอน (C) และไฮโดรเจน (H) รวมตัวกันเป็นแก๊สเอทิลีน (C₂H₄) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 52.33 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าเอทิลีนมีค่า deltaH_f = +52.33 kJ/mol

ถ้ารวมกันเป็นแก๊สอะเซทิลีน (C₂H₂) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 226.88 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าอะเซทิลีนมีค่า deltaH_f = +226.88 kJ/mol ซึ่งสูงกว่าของเอทิลีนประมาณ 4 เท่า

แต่ถ้ารวมตัวกันเป็นแก๊สอีเทน (C₂H₆) จะต้องมีการคายพลังงานออก 84.74 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าอีเทนมีค่า deltaH_f = -84.74 kJ/mol

ถ้ารวมตัวเป็นแก๊สโพรเพน (C₃H₈) จะต้องมีการคายพลังงานออก 103.92 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าโพรเพนมีค่า deltaH_f = -103.92 kJ/mol

แต่ถ้ารวมตัวกันเป็นแก๊สโพรพิลีน (C₃H₆) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานออก 20.43 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าโพรพิลีนมีค่า deltaH_f = +20.43 kJ/mol

ถ้ารวมกันเป็นแก๊สเมทิลอะเซทิลีน (H₃C-CCH) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 185.56 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าเมทิลอะเซทิลีนมีค่า deltaH_f = +185.56 kJ/mol ซึ่งสูงกว่าของโพรพิลีนประมาณ 9 เท่า

สารที่มีค่าเอนทาลปีการเกิดเป็นบวก (+) มาก ๆ นั้นต้องระวังให้มาก เพราะแสดงว่าตัวสารนั้นโดด ๆ มีโอกาสที่จะสลายตัวกลายเป็นธาตุที่ประกอบเป็นมันขึ้นมาโดยไม่ต้องทำปฏิกิริยากับสารตัวอื่นใดเลย และการสลายตัวนั้นก็จะคายพลังงานความร้อนออกมาด้วย ดังนั้นจากตัวอย่างที่ยกมาจะเห็นได้ว่าอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนจัดว่าเป็นสารที่มีค่าเอนทาลปีการเกิดสูงมาก สารสองตัวนี้จึงมีโอกาสสูงที่จะสลายตัวและให้พลังงานความร้อนออกมาในปริมาณมาก เอทิลีนเองก็สามารถเกิดการสลายตัวได้เช่นเดียวกัน แต่เกิดได้ยากกว่าอะเซทิลีนและยังต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าด้วยจึงจะเกิดการสลายตัวได้

(ข้อมูลเอนทาลปีได้มาจากหนังสือ Chemical Engineering vol. 6, "An introduction to chemical engineering design", โดย R.K. Sinnott สำนักพิมพ์ Pergamon Press ปีค.ศ. 1903)

๒. การกำจัดอะเซทิลีน

กระบวนการหลักที่ใช้ในการผลิตเอทิลีนและโพรพิลีนในอุตสาหกรรมคือ thermal cracking ของไฮโดรคาร์บอน ซึ่งไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็นสารวัตถุดิบก็มีตั้งแต่เอทิลีนไปจนถึงน้ำมันหนักต่าง กระบวนการดังกล่าวนำไฮโดรคาร์บอน (ที่เป็นแก๊สหรือเป็นของเหลว) มาให้ความร้อนสูงพอที่จะทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นเดิมแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง โอเลฟินส์ที่ได้มาจากกระบวนการ thermal cracking นี้ประกอบไปด้วยโอเลฟินส์หลายชนิดปนกัน และยังมีอะเซทิลีน (C₂H₂) และเมทิลอะเซทิลีน (H₃CCCH) เกิดร่วมด้วย ผลิตภัณฑ์โอเลฟินส์ผสมจะถูกนำไปกลั่นแยกออกเป็นผลิตภัณฑ์โอเลฟินส์ต่าง ๆ ส่วนอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนนั้นจะยังคงมีปนเปื้อนอยู่ในเอทิลีนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ต้องการ การกำจัดสารสองตัวนี้จะกระทำโดยอาศัยปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (ปริมาณที่ปนเปื้อนมักอยู่ในระดับ ppm) โดยในที่นี้จะขอกล่าวถึงการกำจัดอะเซทิลีนเป็นตัวหลักเพราะเป็นตัวที่มีมากกว่า

การกำจัดอะเซทิลีน (และเมทิลีอะเซทิลีน) กระทำโดยใช้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) เพื่อเปลี่ยนอะเซทิลีนให้เป็นเอทิลีน (และเปลี่ยนเมทิลอะเซทิลีนให้กลายเป็นโพรพิลีนไปพร้อม ๆ กัน) แต่ต้องระวังไม่ให้เกิดการเปลี่ยนเอทิลีนไปเป็นอีเทน ซึ่งถือว่าเป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่สำคัญไป (เราต้องการเอทิลีน ไม่ใช่อีเทน)

ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนดังกล่าวเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ในการเปลี่ยนอะเซทิลีนให้เป็นเอทิลีนนั้นจะมีการคายพลังงานความร้อนออกมา 226.88 - 52.33 = 174.55 kJ/mol (เอนทาลปีการเกิดของอะเซทิลีนลบด้วยของเอทิลีน) ส่วนการเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทนนั้นจะมีการคายความร้อนออกมา 52.33 - (-84.74) = 137.07 kJ/mol

ในกระบวนการกำจัดอะเซทิลีน จะผ่านแก๊สโอเลฟินส์ที่มีอะเซทิลีนปนเปื้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (fixed-bed) ที่ภายในบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ (ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบ) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในปฏิกิริยานี้เป็นสารประกอบของโลหะเช่นพัลลาเดียม (Pd) และ/หรือร่วมกับโลหะตัวอื่นซึ่งขึ้นกับผู้ผลิต

รูปที่ ๑ แบบจำลองระบบเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง (fixed-bed reactor) ที่ใช้ในการกำจัดอะเซทิลีน

ตัวเร่งปฏิกิริยานี้สามารถที่จะทำการเติมไฮโดรเจนเพื่อเปลี่ยนอะเซทิลีนให้กลายเป็นเอทิลีน และสามารถเติมไฮโดรเจนเพื่อเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทนได้ด้วย แต่ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนนั้นจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงกว่าที่ต้องใช้ในการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีน ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสูญเสียเอทิลีนโดยที่ยังคงสามารถกำจัดอะเซทิลีนได้หมดจึงจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้เหมาะสม เพราะถ้าใช้อุณหภูมิการทำงานที่ต่ำเกินไปก็จะไม่สามารถกำจัดอะเซทิลีนได้หมด (อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเกิดเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น) แต่ถ้าใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงเกินไปก็จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนซึ่งเราไม่ต้องการให้เกิด ช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยานี้เรียกว่า "window" ซึ่งจะกว้างเท่าใดนักจะขึ้นอยู่กับตัวเร่งปฏิกิริยาและรูปแบบการทำงาน (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)

รูปที่ ๒ ความหมายของช่วงอุณหภูมิการทำงานหรือ "window" ของปฏิกิริยา Acetylene hydrogenation

กล่าวคือถ้าเรานำเอาอะเซทิลีนมาทำปฏิกิริยา hydrogenation ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ก็จะได้กราฟเส้นสีแดง แต่ถ้านำเอาเอทิลีนมาทำปฏิกิริยาก็จะได้กราฟเส้นสีเขียว ซึ่งเมื่อนำกราฟทั้งสองเส้นมาวางบนสเกลเดียวกันก็จะเห็นว่ากราฟของเอทิลีน (เส้นสีเขียว) จะอยู่ทางขวามือของกราฟอะเซทิลีน (เส้นสีแดง) อยู่เล็กน้อย ช่วง window ของการทำงานคือที่ช่วงที่อยู่ระหว่างเส้นประสีน้ำเงิน ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่าเส้นประสีน้ำเงินเส้นซ้าย ปริมาณอะเซทิลีนที่ถูกกำจัดก็จะน้อย แต่ถ้าอุณหภูมิสูงกว่าเส้นสีน้ำเงินเส้นขวา เอทิลีนก็จะสามารถแย่งทำปฏิกิริยากับอะเซทิลีน ทำให้เกิดการสูญเสียเอทิลีนไปเป็นอีเทน

ตัวเร่งปฏิกิริยาในอดีตนั้นช่วงอุณหภูมิ window ค่อนข้างจะแคบ จึงได้มีความพยายามหาทางเพิ่มความกว้างของ window นี้ให้มากคือ วิธีการหนึ่งที่กระทำกันคือเติมแก๊ส CO เข้าไปในระบบ CO จัดเป็น catalyst poison ซึ่งจะไปทำให้ความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลง โดยไปทำให้กราฟเส้นสีแดงและเส้นสีเขียวนั้นเลื่อนไปทางขวา (ต้องใช้อุณหภูมิสูงขึ้นในการทำปฏิกิริยา) แต่กราฟเส้นสีเขียว (ของเอทิลีน) นั้นเลื่อนตัวไปทางขวามากกว่ากราฟเส้นสีแดง (ของอะเซทิลีน) จึงทำให้ระยะหว่างระหว่างกราฟทั้งสองเส้นเพิ่มมากขึ้น ซึ่งก็หมายถึงช่วงอุณหภูมิ window ที่กว้างขึ้น

เนื่องจากปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดมากขึ้นก็จะทำให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้นไปด้วย อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ความร้อนก็จะยิ่งคายออกมามากขึ้น ดังนั้นถ้าไม่มีการควบคุมการระบายความร้อนที่ดี จะทำให้ความร้อนที่เกิดขึ้นสะสมในเครื่องปฏิกรณ์และนำไปสู่ปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิในระบบมีโอกาสเพิ่มสูงขึ้นมากเกินไป จึงต้องทำการควบคุมปริมาณไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปในระบบให้เหมาะสม โดยทั่วไปปริมาณไฮโดรเจนที่เติมจะประมาณเท่ากับปริมาณอะเซทิลีนที่ต้องการกำจัด

ฉบับหน้าจะเล่าถึงกรณีเหตุการณ์ความผิดพลาดที่ทำให้เกิดการระเบิดของหน่วย Acetylene hydrogenation

ปัญหาของไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว MO Memoir : Friday 5 November 2553

เนื้อหาในนี้นำมาจากเรื่องที่เล่าไว้ในระหว่างการสอนวิชา ๒๑๐๕-๒๗๒ เคมีอินทรีย์ ให้กับนิสิตชั้นปีที่ ๒ ในส่วนที่เกี่ยวกับอัลคีนและอัลคาย

๑. น้ำมันเบนซินและระบบจ่ายเชื้อเพลิง

สำหรับไฮโดรคาร์บอนชนิดอัลเคนและอัลคีนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากัน สารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว (อัลคีน) จะมีเลขออกเทนที่สูงกว่าสารประกอบอัลเคน แต่ในทางปฏิบัตินั้นเราไม่ต้องการให้มีอัลคีนปนอยู่ในน้ำมันในปริมาณที่มากเกินไป เพราะอัลคีนเป็นสารที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยา สามารถเกิดการรวมตัวเข้าด้วยกัน (เกิดการพอลิเมอร์ไรซ์) กลายเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น เกิดเป็นคราบสกปรกสะสมอยู่ในระบบฉีดจ่ายเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ ทำให้เครื่องยนต์กำลังตกและเดินไม่เรียบได้ ดังนั้นเพื่อลดการเกิดปัญหาดังกล่าวจึงจำเป็นต้องลดปริมาณอัลคีนในน้ำมันไม่ให้สูงเกินไป

๒. การสุกของผลไม้

ในบ้านเรานั้น เกษตรกรสามารถเร่งการสุกของผลไม้ได้โดยการนำผลไม้ที่ยังดิบหรือไม่สุกดี (เช่นมะม่วงหรือกล้วยหอมที่ยังเขียวอยู่) มาเรียงใส่ในภาชนะปิด (เช่นถังหรือโอ่ง) จากนั้นทำการจุดธูปหรือเทียนเอาไว้ในภาชนะปิดนั้น ทิ้งไว้เป็นระยะเวลาที่เหมาะสม ซึ่งผมก็จำไม่ได้ว่าต้องนานเท่าใด ๆ ตอนเด็ก ๆ จำได้ว่าเคยช่วยยายทำ ดูเหมือนว่าจะทิ้งไว้ข้ามคืน แต่ทั้งนี้คงขึ้นอยู่กับว่าผลไม้เดิมนั้นดิบแค่ไหน และต้องการให้สุกแค่ไหน หรือเมื่อเราซื้อผลไม้บางชนิดมานั้น (เช่นกล้วยหอม) ถ้าไม่ต้องการให้ผลไม้นั้นสุกเร็วเกินไปก็ต้องนำออกมาจากถุงพลาสติก แล้วใส่ในภาชนะที่มีการระบายอากาศได้ดี (เช่นตะกร้า) การสุกของผลไม้คือการที่แป้งเปลี่ยนไปเป็นน้ำตาล ทำให้ผลไม้หวานขึ้น

สิ่งที่ทำให้ผลไม้สุกเร็วขึ้นคือเอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) และอะเซทิลีน (C₂H₂) แก๊สทั้งสองชนิดนี้เกิดขึ้นได้จากกระบวนการทางเคมีในผลไม้ แต่เกษตรกรก็สามารถเพิ่มปริมาณแก๊สนี้ได้โดยการจุดธูปหรือเทียน (คาดว่าคงเกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์)

แต่ถ้าเป็นการส่งผลไม้ไปขายยังต่างประเทศนั้น ซึ่งมักเป็นการบรรจุกล่องและนำกล่องนั้นบรรจุเข้าตู้สินค้าอีกทีหนึ่ง แก๊สสองชนิดนี้จะก่อให้เกิดปัญหาผลไม้สุกเร็วเกินไปก่อนผลไม้นั้นเดินทางไปถึงปลายทาง (คือร้านขายปลีกในประเทศที่ส่งผลไม้ไปขาย) ถ้าต้องการให้ผลไม้ไปถึงรวดเร็วก็ต้องส่งไปทางอากาศ ซึ่งมีค่าขนส่งที่สูง ทำให้ราคาขายที่ประเทศปลายทางสูงไปด้วย แต่ถ้าหาทางกำจัดหรือระบายแก๊สสองชนิดนี้ไม่ให้สะสมอยู่ในกล่องบรรจุได้ ก็จะทำให้หน่วงเวลาการสุกของผลไม้ไปได้ และสามารถขนส่งทางเรือที่มีต้นทุนค่าขนส่งที่ต่ำกว่าการขนส่งทางอากาศได้

๓. trans Fat

น้ำมันพืชที่นำมาประกอบอาหารโดยการทอดนั้นมักจะมีส่วนที่เป็นโซ่ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว ซึ่งจำนวนของตำแหน่งที่เป็นพันธะไม่อิ่มตัวของโซ่ไฮโดรคาร์บอน (พันธะคู่) จะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของน้ำมันพืชที่นำมาใช้ ถ้าหากน้ำมันพืชนั้นมีความไม่อิ่มตัวสูงมาก น้ำมันพืชนั้นก็ไม่เหมาะที่จะนำมาใช้ทอดอาหารต่อเนื่องเป็นเวลานาน เพราะความร้อนที่น้ำมันได้รับจะทำให้น้ำมันพืชนั้นถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนในอากาศตรงตำแหน่งพันธะคู่นั้น กลายเป็นสารประกอบที่มีกลิ่นเหม็นหืนหรือเป็นพิษ

ในอุตสาหกรรมอาหารที่ต้องทำการทอดอาหาร (เช่นการผลิตบะหมี่กึ่งสำเร็จรูป หรือมันฝรั่งทอดกรอบ เป็นต้น) ถ้าต้องทำการเปลี่ยนน้ำมันพืชที่ใช้ในการประกอบอาหารบ่อยครั้งเกินไป ก็จะทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น ดังนั้นผู้ผลิตจึงต้องหาน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวต่ำหรือเป็นน้ำมันพืชที่มีความอิ่มตัวสูงมาใช้ ตัวอย่างของน้ำมันพืชที่มีความอิ่มตัวสูงได้แก่น้ำมันมะพร้าวและน้ำมันถั่วลิสง

แต่ถ้าไม่สามารถหาน้ำมันพืชที่มีความอิ่มตัวสูงมาใช้ได้ ก็ต้องใช้วิธีการลดความไม่อิ่มตัวของน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูง วิธีการที่ใช้กันก็คือการเติมไฮโดรเจนเข้าไปที่ตำแหน่งพันธะคู่ที่ไม่อิ่มตัวนั้น ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า "ไฮโดรจีเนชัน - hydrogenation) ซึ่งกระทำโดยการผ่านแก๊สไฮโดรเจนเข้าไปในน้ำมันพืชที่มีความไม่อิ่มตัวสูง และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะเช่นนิเกิลช่วยในการทำปฏิกิริยา

พันธะคู่ C=C ที่เกิดขึ้นในน้ำมันพืชตามธรรมชาตินั้นจะมีโครงสร้างเป็นแบบ cis ทั้งหมด แต่ในระหว่างที่นำน้ำมันพืชมาเติมไฮโดรเจนนั้น พันธะคู่ C=C แบบ cis อาจเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นพันธะคู่ C=C แบบ trans ได้ ซึ่งมีรายงานทางการแพทย์บางฉบับกล่าวว่าการบริโภคน้ำมันพืชที่มีพันธะคู่ C=C แบบ trans จะเป็นอันตรายต่อหัวใจมากกว่าการบริโภคน้ำมันพืชอิ่มตัว

ผมลองค้นเรื่องของ trans fat ที่เป็นภาษาไทยในอินเทอร์เน็ตพบว่ามักจะมีข้อความคล้าย ๆ กัน โดยดูเหมือนว่าจะเป็นการลอก ๆ กันมาแล้วไม่มีการพิจารณาข้อความนั้นว่ามีจุดใดมีความถูกต้องและจุดใดมีความคลาดเคลื่อน ยกตัวอย่างเช่นข้อความสีน้ำตาลข้างล่าง เราลองเอาความรู้ทางด้านเคมีอินทรีย์และวิศวกรรมเคมีมาตรวจสอบกันดูหน่อย

(trans = แปรสภาพ) เป็นไขมันที่คนเราทำขึ้นเป็นส่วนใหญ่ ขบวนการสำคัญได้แก่ การเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) ให้กับโมเลกุลของคาร์บอน การเติมไฮโดรเจนทำให้น้ำมันเหลวแปรสภาพ กลายเป็นน้ำมันข้นขึ้น ขาวขึ้น และละลายหรือปนกับน้ำได้ง่ายขึ้น เก็บได้ง่ายที่อุณหภูมิห้อง ไม่เสียง่าย และเก็บได้นานขึ้นคำกล่าวที่ว่า น้ำกับน้ำมันไม่มีวันเข้ากันได้ จะเปลี่ยนไปก็ตอนนี้เอง

"ถ้านำน้ำมันมาเติมไฮโดรเจนเข้า น้ำมันจะแขวนลอยในน้ำได้ เปรียบคล้ายสบู่ที่แขวนลอยอยู่ในน้ำได้"

ที่นี้เราลองไล่ไปทีละประโยคเลยนะ

(ก) คำว่า cis และ trans มาจากภาษาละตินโดย cis มีความหมายว่า "on the same side" หรือแปลเป็นไทยว่าอยู่บนด้านเดียวกัน ส่วนคำว่า trans มีความหมายว่า "on the other side" หรือแปลเป็นไทยว่าอยู่คนละด้านกัน คำว่า cis หรือ trans ที่อยู่ในชื่อสารนั้นเป็นการบ่งบอกลักษณะไอโซเมอร์ ไม่ได้บอกว่าได้มาจากไหน แต่ในบทความข้างบนกลับบอกว่าคำว่า trans หมายความว่าแปรสภาพ ซึ่งเป็นการตีความที่ผิด

(ข) ส่วนที่เป็นสารโซ่ไฮโดรคาร์บอนของไขมันหรือกรดไขมันที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (ไขมันเป็นเอสเทอร์ระหว่างกรดไขมัน ๓ ตัวกับกลีเซอรีน) ถ้ามีพันธะคู่ C=C อยู่ โครงสร้างจะเป็นแบบ cis ปฏิกิริยาลดความไม่อิ่มตัว (หรือลดจำนวนพันธะคู่) ทำด้วยการเติมไฮโดรเจนด้วยปฏิกิริยาที่เรียกว่า hydrogenation ซึ่งตรงนี้ก็เป็นการนำเอาศัพท์วิชาการแทรกเข้ามา

(ค) จากข้อ (ข) วัตถุประสงค์หลักของการเติมไฮโดรเจนให้กับน้ำมันคือการลดความไม่อิ่มตัว กล่าวคือเปลี่ยนจากพันธะคู่ C=C ไปเป็นพันธะเดี่ยว C-C ที่มีเสถียรภาพสูงกว่า เมื่อโครงสร้างโมเลกุลของส่วนที่เป็นสารโซ่ไฮโดรคาร์บอนเปลี่ยนจาก cis (ที่มีลักษณะโค้งงอ) ไปเป็นแบบพันธะอิ่มตัว สายโซ่จะเหยียดตรงมากขึ้น ทำให้พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างสายโซ่มากขึ้น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างสายโซ่จึงมากขึ้นตามไปด้วย ทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำมันสูงขึ้น (ข้นขึ้นหรือแข็งตัว) นอกจากนี้การที่พันธะเดี่ยว C-C มีเสถียรภาพสูงกว่าและการมีพันธะคู่ C=C ที่ลดจำนวนลงจึงทำให้ตัวน้ำมันทนทานต่อการออกซิไดซ์มากกว่า น้ำมันจึงเก็บได้นานกว่า ซึ่งตรงนี้ก็เป็นเรื่องปรกติ

(ง) โมเลกุลของน้ำมันหรือกรดไขมันนั้นมีทั้งส่วนที่มีขั้ว (ในกรณีของกรดไขมันคือส่วนที่เป็นหมู่คาร์บอกซิล -COOH ส่วนในกรณีของน้ำมันคือส่วนที่เป็นตำแหน่งเอสเทอร์ -COO- ) แต่เนื่องจากขนาดของส่วนที่มีขั้วเหล่านี้มีน้อยมากหรือเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของส่วนที่ไม่มีขั้ว (ส่วนที่เป็นสารโซ่ไฮโดรคาร์บอน) จึงทำให้ไขมันและน้ำมันนั้นแสดงคุณสมบัติที่ไม่ละลายน้ำหรือละลายน้ำได้น้อย (ยกเว้นพวกที่มีโมเลกุลเล็ก เพราะกรดไขมันก็คือกรดอินทรีย์ที่มีโมเลกุลใหญ่นั่นเอง) แต่ภายใต้ภาวะการตีหรือปั่นกวนอย่างรุนแรงจนทำให้น้ำมันหรือไขมันกลายเป็นหยดเล็ก ๆ ก็จะทำให้น้ำมันหรือไขมันนั้นแขวนลอยอยู่ในน้ำได้ ซึ่งเรื่องนี้ก็เป็นเรื่องปรกติ ไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะกับ trans fat เท่านั้น แม้แต่ตัวไฮโดรคาร์บอน (ที่โมเลกุลไม่มีขั้ว) ก็ยังสามารถเกิดได้

ในฐานะที่เราเรียนเคมีกันมา เมื่อใดก็ตามที่มีใครกล่าวอะไรที่เกี่ยวข้องกับเคมีก็ตาม ก็ควรนำความรู้ที่มีอยู่มาประยุกต์ใช้เพื่อตรวจสอบดูว่าคำกล่าวอ้างนั้นฟังสมเหตุสมผลหรือไม่ และในขณะนี้เนื่องจากใคร ๆ ก็ตามต่างก็บอกได้ว่าได้ยินได้ฟังมา แต่ก็ควรตรวจสอบด้วยว่าต้นเรื่องอยู่ที่ไหน เพราะปัจจุบันดูเหมือนว่าค่อนข้างจะเป็นเรื่องที่พบกันทั่วไปว่าข้อความจำนวนมากนั้นเริ่มมาจาก forward mail ที่ส่งต่อ ๆ กันไปมาจนไม่รู้ว่ามันเริ่มมาได้อย่างไร จนคนเชื่อกันว่าเป็นจริงและนำไปลงเว็บส่วนตัว ที่หนักข้อก็เห็นมีการนำไปเผยแพร่ทางวิทยุหรือโทรทัศน์หรือไปลงในหนังสือหรือเว็บทางราชการด้วยซ้ำไปโดยไม่มีการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล

๔. อะเซทิลีนในเอทิลีน

เอทิลีนเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญของอุตสาหกรรมเคมีและปิโตรเคมีในปัจจุบัน กระบวนการหลักที่ใช้ผลิตเอทิลีนคือการนำไฮโดรคาร์บอน (ตั้งแต่อีเทนไปจนถึงน้ำมันเตา) มาให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (ที่เรียกว่ากระบวนการ thermal cracking) ก็จะได้เอทิลีนและไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวหลากหลายชนิดออกมา ตัวที่มักก่อให้เกิดปัญหาคืออะเซทิลีน (C₂H₂) และเมทิลอะเซทิลีน (H₃CCCH) ดังนั้นจึงต้องทำการกำจัดสารทั้งสองตัวนี้ออกก่อน โดยอาจกำจัดก่อนที่จะนำเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการ thermal cracking ไปกลั่นแยกเป็นผลิตภัณฑ์ชนิดต่าง ๆ หรือทำหลังจากที่ทำการกลั่นแยกแล้วก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าจะออกแบบโรงงานในรูปแบบใด

นอกจากนี้แม้ว่าจะทำการแยกเอทิลีนออกมาจากไฮโดรคาร์บอนผสมที่ผลิตได้แต่ก็มักจะมีอะเซทิลีนปนเปื้อนอยู่ในปริมาณเล็กน้อยเสมอ เอทิลีนที่มีอะเซทิลีนปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยนี้ในบางงานถือว่าเป็นเรื่องที่ยอมรับไม่ได้ เช่นการนำเอาเอทิลีนไปใช้ในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์เพื่อผลิตพอลิโอเลฟินส์ต่าง ๆ

การกำจัดอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนออกจากเอทิลีนทำได้โดยใช้ปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) แต่เนื่องจากทั้งโอเลฟินส์ (เช่น เอทิลีนและโพรพิลีน) อะเซทิลีน และเมทิลอะเซทิลีน ต่างก็สามารถเกิดปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนได้ แต่เราต้องการให้เกิดปฏิกิริยาเฉพาะกับ อะเซทิลีน และเมทิลอะเซทิลีน เท่านั้น โดยจะเปลี่ยนอะเซทิลีนให้เป็นเอทิลีนและเปลี่ยนเมทิลอะเซทิลีนให้เป็นโพรพิลีน โดยจะต้องไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยา (หรือเกิดให้น้อยที่สุด) การเปลี่ยนเอทิลีนไปเป็นอีเทนหรือโพรพิลีนไปเป็นโพรเพน

การควบคุมการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวกระทำได้โดยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและภาวะการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสม การทำปฏิกิริยาจะกระทำโดยการผ่านแก๊สเอทิลีนที่มีอะเซทิลีนปนอยู่ และผสมไฮโดรเจนในปริมาณที่เหมาะสม (ประมาณว่าเท่ากับปริมาณอะเซทิลีน) ไปบนตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่เป็นโลหะ (เช่น Ni Pd ฯลฯ ซึ่งขึ้นอยู่กับสูตรของผู้ผลิต) ปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนนี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นถ้าหากปล่อยให้ความร้อนสะสมในระบบมากเกินไปก็จะทำให้เกิดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนเช่นเดียวกัน และนำไปสู่การระเบิดได้