การปั่นกวนของแข็งให้แขวนลอยในของเหลว ตอนที่ ๑ ผลของความหนาแน่นที่แตกต่าง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๖) MO Memoir : Tuesday 19 November 2556

ในการทำปฏิกิริยา hydroxylation ของกลุ่มเรานั้น ระบบที่เราเลือกใช้เป็นระบบ 3 เฟสที่ประกอบด้วย

เฟสที่ ๑ เฟสตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง เฟสนี้มีความหนาแน่นมากที่สุด และจะจมอยู่ด้านล่างของภาชนะ

เฟสที่ ๒ เฟสของน้ำที่ใช้เป็นตัวกลาง เฟสนี้เป็นเฟสของเหลวและเป็นเฟสที่มีสารละลาย H₂O₂ ละลายอยู่ เฟสนี้เป็นเฟสที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา แต่มีปริมาณไฮโดรคาร์บอนอยู่น้อยมาก และ

เฟสที่ ๓ เฟสของไฮโดรคาร์บอน (เบนซีนหรือโทลูอีน) เฟสนี้เป็นเฟสของเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าเฟสน้ำ และลอยอยู่บนผิวหน้าของเฟสน้ำ

ปฏิกิริยาจะเกิดได้นั้นทั้ง H₂O₂ และไฮโดรคาร์บอนจะต้องมีอยู่ร่วมกันบนผิวตัวเร่งปฏิกิริยา

คำถามหนึ่งที่คนที่ทำการทดลองเรื่องนี้มักจะโดนกรรมการสอบถามอยู่เป็นประจำก็คือ "ทำไมไม่ใช้ตัวทำละลายประสานเฟสน้ำและเฟสไฮโดรคาร์บอนเข้าด้วยกัน"

เหตุผลที่ทางกลุ่มเราไม่เลือกใช้ตัวทำละลายเป็นตัวประสานเฟสก็เพราะ

ข้อที่ ๑ พื้นผิวของ TS-1 นั้นชอบโมเลกุลไม่มีขั้วมากกว่าโมเลกุลมีขั้ว ตัวทำละลายที่จะประสานเฟสน้ำและเฟสไฮโดรคาร์บอนได้นั้นต้องมีทั้งส่วนที่ "มีขั้ว" และ "ไม่มีขั้ว" อยู่ในโมเลกุลเดียวกัน และเมื่อประสานเฟสได้แล้วจะทำให้ปริมาณ H₂O₂ บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาลดต่ำลงไป เพราะมีทั้งไฮโดรคาร์บอนในปริมาณมากร่วมกับตัวทำละลายนั้นเข้าไปแย่งเกาะบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเกาะได้ดีกว่าด้วย ผลก็คือจะได้ค่า conversion ลดลง ปัญหาตรงนี้พบเห็นได้ในหลายบทความ

ข้อที่ ๒ ตัวทำละลายนั้นต้อง "เฉื่อย" ต่อการทำปฏิกิริยากับ H₂O₂ เพราะไม่เช่นนั้นอาจเกิดอันตรายได้ เหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นกับอีกกลุ่มหนึ่งที่ทำการทดลองปฏิกิริยา hydroxylation เหมือนกับกลุ่มเรา เรื่องนี้ได้เล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๓๒ วันอังคารที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และคีโตน"

ข้อที่ ๓ เมื่อใช้ตัวทำละลายประสานเฟส ผลที่เกิดขึ้นคือสารละลายที่ได้นั้นมักจะมีความหนาแน่นที่ต่ำกว่าความหนาแน่นของน้ำ เพราะตัวทำละลายที่พอจะประสานเฟสได้นั้นมักจะมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ และมักจะทำให้เกิดปัญหาในการปั่นกวนได้ ซึ่งจะเป็นเรื่องที่จะเล่าใน Memoir ฉบับนี้

ข้อที่ ๔ ตัวทำละลายที่ "เฉื่อย" ต่อ H₂O₂ และมีความหนาแน่น "สูงกว่า" น้ำก็เห็นจะมีแต่พวก organic halide เท่านั้น แต่พวกนี้ก็มีปัญหาในการกำจัด แต่ก็ยังก่อให้เกิดปัญหาเรื่องการแย่งดูดซับบนพื้นที่ผิวที่กล่าวไว้ในข้อที่ ๑ ดังนั้นเราจึงไม่เลือกใช้ตัวทำละลายกลุ่มนี้

การที่อนุภาคของแข็ง (ที่ไม่เป็นอนุภาคขนาดเล็กมากเกินไป) จะแขวนลอยได้ในของเหลวนั้น มีปัจจัยหลายอย่างเข้ามาเกี่ยวข้อง (ค่อย ๆ ว่ากันไปทีละตอน) แต่สิ่งแรกที่สำคัญก็คือความหนาแน่นของของแข็งนั้นจะต้อง

(ก) "มากกว่า" ความหนาแน่นของของเหลว (เพราะถ้าความหนาแน่นของของแข็ง "น้อยกว่า" มันก็จะลอยอยู่ข้างบน มันไม่แขวนลอยในของเหลว) และ

(ข) "ไม่มากกว่า" ความหนาแน่นของของเหลวนั้นมากเกินไป

ถ้าความหนาแน่นของของแข็งและของเหลวนั้นแตกต่างกันมาก แม้ว่าการปั่นกวนจะทำให้ของแข็งถูกเหวี่ยงให้แขวนลอยในของเหลวได้ แต่ของแข็งนั้นก็จะตกลงสู่ก้นภาชนะได้เร็ว วิดิโอที่แนบมาให้นั้นเป็นภาพที่ผมร่วมกับสาวน้อยจากเมืองขุนแผนถ่ายเอาไว้เมื่อปลายเดือนกันยายนที่ผ่านมา โดยนำเอา SiO₂ มาแขวนลอยในน้ำ (ความถ่วงจำเพาะประมาณ 1.0) หรือเอทานอล (ความถ่วงจำเพาะประมาณ 0.79) แล้วนำมาปั่นกวนด้วยความเร็วรอบเท่ากัน จะเห็นว่าในกรณีของน้ำนั้นอนุภาค SiO₂ จะแขวนลอยได้นานกว่าโดยสังเกตได้จากการที่ของเหลวในชั้นบน (ในกรอบสี่เหลี่ยมในรูปที่ ๑ ข้างล่าง) นั้นขุ่นกว่าเมื่อทำการปั่นกวนในเอทานอล

รูปที่ ๑ เปรียบเทียบการปั่นกวน SiO2 ให้แขวนลอยใน (บน) น้ำ และ (ล่าง) เอทานอล สองภาพนี้จับภาพมาจากวิดิโอที่แนบมาด้วย จะเห็นว่าในน้ำนั้น SiO₂ จะแขวนลอยได้ดีกว่าเนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นสูงกว่าเอทานอล SiO₂ จึงตกลงสู่เบื้องล่างช้ากว่า

เหตุการณ์นี้จะเห็นชัดขึ้นถ้าหากระดับน้ำ/เอทานอลที่ใช้ในการทดลองวันนั้นสูงมากกว่านี้ แต่ที่วันนั้นไม่ได้ทำเช่นนั้นก็เพราะไม่อยากสิ้นเปลืองเอทานอลเท่านั้นเอง

หวังว่าบันทึกนี้คงช่วยให้ทั้งสาวน้อยจากเมืองขุนแผนและสาวน้อยจากเมืองโอ่งมังกร  สามารถอธิบายให้กรรมการเข้าใจเหตุผลได้ว่า ทำไมในการทดลองของเราจึงไม่ใช้ตัวทำละลายในการประสานเฟสเพื่อแก้ปัญหาการแยกเฟส

และตอนต่อไปจะเป็นเรื่องของขนาดของ magnetic bar กับเส้นผ่านศูนย์กลางของบีกเกอร์

วิดิโอการปั่นกวน SiO2 ในน้ำ
วิดิโอการปั่นกวน SiO2 ในเอทานอล