เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้ถูกนำลง blog โดยมีการตัดทอนข้อความบางส่วนออกไป โดยลงเฉพาะส่วนที่เห็นว่าจะเกิดประโยชน์แก่บุคคลทั่วไปได้
บันทึกฉบับนี้เป็นการบันทึกคำตอบของคำถาม ที่กรรมการถามในระหว่างการสอบเมื่อเช้าวันอังคารที่ ๒๘ ธันวาคม ๒๕๕๓ ที่ผ่านมา คำตอบของแต่ละคำถามไม่ได้เขียนตามลำดับเวลาที่ถาม เพียงแต่ว่านึกออกว่ามีคำถามใดบ้างก็เขียนอธิบายเอาไว้ให้ สำหรับผู้ที่ยังไม่ได้สอบก็ขอให้อ่านด้วย ถือว่าเป็นการเตรียมตัวสำหรับการสอบของตัวเอง และเนื่องจากเรื่องที่สอบครั้งนี้ใกล้เคียงกับสิ่งที่นิสิตซีเนียร์โปรเจคกำลังทำอยู่ ดังนั้นจึงขอให้นิสิตซีเนียร์โปรเจคอ่านให้ดี เพื่อเตรียมตัวไว้สำหรับการสอบของตัวเองด้วย
๑. การนำไปใช้ประโยชน์
บ่อยครั้งที่พบว่าสารที่ผู้วิจัยกำลังสังเคราะห์นั้นเป็นเพียงสารมัธยันต์ (intermediate) ที่ใช้ในการผลิตสารเคมีตัวอื่น แต่พอกรรมการถามว่าเอาไปใช้ผลิตสารอื่นตัวไหนบ้าง ขอให้ยกตัวอย่างให้ดู ก็พบว่าไม่สามารถยกตัวอย่างมาได้สักตัวอย่าง
เหตุการณ์เช่นนี้ทำให้กรรมการสอบเกิดภาพลบกับผู้เข้าสอบได้ เพราะทำให้กรรมการสอบรู้สึกว่าผู้สอบเองนั้นยังไม่รู้ว่าตัวเองกำลังทำอะไรอยู่ เพียงแต่ทำตามสิ่งที่อาจารย์ที่ปรึกษาบอกให้ทำ เพราะคิดว่าเรื่องส่วนนั้นอยู่นอกเหนืองานวิทยานิพนธ์ ดังนั้นสิ่งที่ผู้เข้าสอบต้องเตรียมด้วยก็คือความรู้เกี่ยวกับสิ่งที่ตัวเองกำลังสังเคราะห์อยู่ เพื่อที่จะได้อธิบายได้ว่าสิ่งที่สังเคราะห์อยู่นั้นมีประโยชน์อย่างไร
ตัวอย่างเช่นฟีนอลนั้นถูกนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่าง ตัวอย่างที่สำคัญได้แก่การนำไปผลิตเป็นเรซิน โดยการทำปฏิกิกิริยากับฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde - HCOH) เพื่อผลิตเป็นพลาสติกในตระกูล thermosetting ที่มีชื่อว่าฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์ ทำปฏิกิริยากับอะซีโทน (acetone - H3CCOCH3) เพื่อผลิตเป็นบิสฟีนอลเอ (bis-phenol A) ที่ใช้ในการสังเคราะห์อีพอกซี เป็นต้น
๒. ปฏิกิริยาคายความร้อนหรือดูดความร้อน
เท่าที่นั่งฟังการสอบมา คำถามนี้มักมาจากกรรมการสองกลุ่มด้วยกัน โดยกลุ่มแรกเป็นกลุ่มที่ทำงานวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยาที่มีการผันกลับได้ หรือไม่ก็กรรมการที่ทำงานทางด้านการสร้างแบบจำลอง เพราะการคายความร้อนหรือดูดความร้อนนั้นเกี่ยวพันกับการดำเนินไปข้างหน้าของปฏิกิริยาว่าจะดำเนินไปได้ไกลเท่าใด
กลุ่มที่สองเป็นกรรมการที่ต้องการทดสอบความรู้ความเข้าใจพื้นฐานวิชาการของผู้วิจัยว่าเข้าใจดีแค่ไหน การตอบคำถามของกรรมการกลุ่มนี้ต้องตอบด้วยความมั่นใจและชัดเจน เพราะถ้าตอบผิดจะเกิดภาพติดลบได้มาก ในทำนองที่ว่าพื้นฐานยังไม่รู้เรื่องเลย แล้วจะทำงานด้านประยุกต์ได้อย่างไร
จะว่าไปแล้วคำตอบของคำถามเหล่านี้ไม่ยากถ้าหากเราได้ลองคำนวณค่าเอนทาลปีของการเกิดปฏิกิริยา (ΔH) ซึ่งถ้าค่าออกมาเป็นลบก็แสดงว่าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ถ้าค่าออกมาเป็นบวกก็แสดงว่าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน
สิ่งที่เกิดขึ้นในการสอบตามที่ผมเข้าใจคือกรรมการสอบสงสัยว่าความร้อนที่คายออกมานั้นส่งผลต่ออุณหภูมิของระบบอย่างไร ถึงได้บอกให้ไปคำนวณค่า adiabatic temperature rise (คือให้สมมุติว่าถ้าไม่มีการถ่ายเทความร้อนเข้า-ออกระบบ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมานั้นจะทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มสูงขึ้นเท่าใด)
แต่ในกรณีงานของเรา (และคนอื่นที่ทำการทดลองโดยใช้ระบบเดียวกัน) บอกได้เลยว่าการคายความร้อนนั้นต่ำมากและไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ เพราะ
(ก) ปริมาณสารตั้งต้นที่ใช้นั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรตัวกลาง (น้ำ) ที่เราใช้ในระบบและขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ ภายใต้เงื่อนไขนี้แม้ว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว (ซึ่งในกรณีของเราไม่ได้เป็นเช่นนั้น) ก็ไม่ทำให้เห็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบเครื่องปฏิกรณ์ทั้งระบบได้ เพราะพลังงานที่คายออกมาเมื่อเฉลี่ยไปยังปริมาตรน้ำและโลหะที่ใช้ทำเครื่องปฏิกรณ์แล้ว ก็จะพบว่ามีค่าน้อยมาก และ
(ข) ปฏิกิริยาไม่ได้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ต้องใช้เวลาในการเกิด ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจึงสูญเสียสู่สิ่งแวดล้อมได้ง่าย
ในส่วนคำถามเรื่องปฏิกิริยาคายความร้อนหรือดูดความร้อน สิ่งที่น่าจะทำให้เกิดความสับสนได้มากกว่าคือเรื่องสมดุลเคมี ซึ่งเรื่องนี้ขอยกเอาไว้เล่าเป็นอีกเรื่องหนึ่งต่างหาก เพราะในความเป็นจริงนั้นปฏิกิริยาจำนวนมากอย่าไปคาดหวังว่าจะดำเนินย้อนกลับได้ในทิศทางเดิม แต่ทฤษฎีคณิตศาสตร์กลับบอกว่าย้อนกลับได้ ซึ่งไม่ตรงกับความเป็นจริง ทั้งนี้เป็นเพราะความไม่เข้าใจในเรื่องการเกิดปฏิกิริยา คำถามเช่นนี้มักมากจากผู้ที่ไม่ได้ทำการทดลองจริง หรือจากผู้ที่ไม่มีประสบการณ์ในการทดลอง
๓. การป้องกันอันตรายจากความดันที่สูงเกิน
ในวันสอบเราก็ได้ยินเรื่องที่เกิดขึ้นที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งที่ระบบของเขาเกิดการรั่วไหลเนื่องจากความดันที่สูงเกิน ทำให้เกิดเพลิงไหม้ ซึ่งเรื่องนี้ผมก็ได้ยินเป็นข่าวซุบซิบในแลปมาเป็นระยะเวลาหนึ่งแล้ว พึ่งจะได้ยินโดยตรงจากปากของผู้เกี่ยวข้องในวันสอบเป็นครั้งแรก
ระบบที่เกิดเรื่องนั้นภายในบรรจุของเหลวที่ติดไฟได้ ส่วนระบบของเรานั้นบรรจุน้ำเป็นหลัก ส่วนที่เป็นเชื้อเพลิงที่ติดไฟได้นั้นมีเพียงประมาณ 1 ml เท่านั้น
ในระบบอเมริกานั้น ภาชนะรับความดัน (pressure vessel) ทุกตัวต้องได้รับการป้องกันจากความดันที่สูงเกิน (over pressure) หรือความดันที่ต่ำเกิน (under pressure ที่อาจเกิดขึ้นถ้าหากเกิดสุญญากาศขึ้นในถัง) เพื่อเป็นการป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดจากความดันที่สูง/ต่ำเกินไป จึงได้มีการออกกฎให้ต้องติดตั้งวาล์วระบายความดันให้กับภาชนะรับความดันทุกตัว
ระบบอังกฤษนั้นจะใช้คำที่แตกต่างกันออกไป คือใช้คำกลาง ๆ ว่าภาชนะรับความดันต้องได้รับการป้องกัน ซึ่งถ้าตีความก็คือจะใช้การป้องกันแบบใดก็ได้ที่สามารถป้องกันความเสียหายได้ และวิธีการป้องกันก็ไม่ได้จำกัดอยู่ที่การติดตั้งวาล์วระบายความดัน แต่ครอบคลุมไปถึงการเผื่อความแข็งแรงของตัวภาชนะเอาไว้ด้วยว่าสามารถรองรับความดันสูงสุด/หรือต่ำสุดที่อาจมีโอกาสเกิดขึ้นในระบบได้ ซึ่งถ้าหากภาชนะรับความดันมีการเผื่อดังกล่าวเอาไว้แล้ว ก็ไม่จำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน
การเลือกวาล์วระบายความดันนั้นต้องเลือกให้เหมาะสมว่าเป็นการระบายของเหลวหรือแก๊สหรือทั้งสองเฟส ส่วนคำว่า safety valve relief valve และ safety-relief valve นั้นแตกต่างกันอย่างไรและมีหลักการทำงานอย่างไรนั้นต้องขอแยกออกเป็นอีกเรื่องหนึ่งต่างหาก ขอให้อดใจรออ่านหน่อยก็แล้วกัน
๔. ความเข้มข้นที่จุดอิ่มตัว
ในการสอบมีการถามถึงความเข้มข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำ โดยมีการแนะนำให้ไปถามอาจารย์ผู้สอนวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ว่าจะสามารถทำนายได้อย่างไร แต่ตัวผมเองผมไม่เคยเห็นว่ามันมีสมการสำหรับทำนายค่าการละลายของไฮโดรคาร์บอนในน้ำที่อุณหภูมิต่าง ๆ กัน
ในงานของเรานั้นเราจะหาค่าดังกล่าวจากการทดลอง ซึ่งจะเป็นค่าที่น่าเชื่อถือได้มากกว่าค่าจากการทำนาย (ถ้ามันมีสมการดังกล่าวอยู่จริง)
การหาความเข้มข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำที่ได้ให้ทำการทดลองวัดนั้น ทำไปเพื่อหาคำตอบว่าการเกิดปฏิกิริยานั้นถูกจำกัดโดยความสามารถในการละลายน้ำหรือไม่ เพราะเมื่อเราเพิ่มปริมาตรน้ำเพิ่มขึ้น การผสมกันระหว่างน้ำกับเบนซีนก็จะแย่ลง (เพราะชั้นเบนซีนลอยสูงกว่าตัวแท่งแม่เหล็กไปมาก) แต่กลับทำให้เรามองเห็นการเกิดปฏิกิริยาดีขึ้น ซึ่งทำให้ผมสงสัยว่าปฏิกิริยาจะเกิดได้มากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับเบนซีนที่ได้ "ละลาย" เข้ามาอยู่ในเฟสน้ำเรียบร้อยแล้ว ไม่ได้เกี่ยวกับเบนซีนที่ "ลอยอยู่เหนือ" เฟสน้ำ
๕. อุณหภูมิและความดันของการทดลอง
ในการทดลองของเรานั้น ความดัน "เริ่มต้น" ของระบบถูกกำหนดโดยจุดเดือดของของเหลวตัวที่มีจุดเดือดต่ำสุด (ในงานของศราวดีคือเบนซีน) ส่วนความดัน "สุดท้าย" ของระบบนั้นไม่มีการควบคุม ขึ้นอยู่กับว่าเราจะทำการทดลองที่อุณหภูมิเท่าใด
ตัวอย่างเช่นถ้าเราคาดว่าจะทดลองที่อุณหภูมิสูงสุด 120ºC เราก็ต้องไปดูว่าต้องใช้ความดันเท่าใดจึงทำจะให้สารตั้นต้นยังคงเป็นของเหลวอยู่ได้ที่อุณหภูมิดังกล่าว สมมุติว่าเราพบว่าต้องใช้ความดัน 3 bar เราก็จะอัดความดันนี้เอาไว้ (ที่อุณหภูมิห้อง) ก่อนเริ่มการทดลองทุกครั้งไม่ว่าเราจะทำการทดลองที่อุณหภูมิใด ถ้าเราทำการทดลองที่อุณหภูมิ 70ºC เราก็จะพบว่าความดันสุดท้ายนั้นต่ำกว่าการทดลองที่อุณหภูมิ 90ºC และความดันสุดท้ายที่อุณหภูมิ 90ºC ก็จะต่ำกว่าความดันสุดท้ายที่อุณหภูมิ 120ºC
ฉบับนี้ต้องขอฝากเรื่องเล่าเอาไว้สองเรื่องก่อน หวังว่าจะสามารถเขียนได้ภายในเดือนนี้ เพื่อที่จะได้เป็นข้อมูลสำหรับนิสิตซีเนียน์โปรเจคผู้ที่ต้องสอบในเดือนมีนาคม และผู้ที่ต้องสอบในเดือนเมษายน และนิสิตปี ๓ ที่ต้องไปฝึกงาน (ผมเองก็ยังไม่รู้ว่าปีนี้จะได้ไปดูแลนิสิตฝึกงานที่ไหน)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น