เรื่องที่นำมาเล่าและรูปประกอบบทความในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Assay of the insensitive high explosive FOX-7 by non-aqueous titration" โดย Amiya Kumar Nandi และคณะ ตีพิมพ์ในวารสาร Central European Journal of Energetic Materials, 9(4), 343-352 ปีค.ศ. 2012 ซึ่งเป็นบทความเกี่ยวกับการหาปริมาณสาร 1,1-Diamino-2,2-dinitroethene ด้วยเทคนิคการไทเทรตในตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำ เพื่อใช้เป็นตัวอย่างอ่านเพิ่มเติมสำหรับนิสิตที่กำลังเรียนเรื่องการไทเทรตกรด-เบสว่า ในทางปฏิบัตินั้นมีการนำไปใช้งานในด้านไหนบ้าง
1,1-Diamino-2,2-dinitroethene (รูปที่ ๑) หรือชื่อรหัส FOX-7 เป็น insensitive high explosive ที่หน่วยงานวิจัยของประเทศสวีเดนคิดค้นขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ ๑๙๙๐ จุดเด่นของวัตถุระเบิดชนิดนี้คือมีความเฉื่อยต่อการจุดระเบิดมากกว่า RDX ในขณะที่มีอำนาจในการทำลายล้างเทียบเท่ากันหรือสูงกว่าเล็กน้อย
Insensitive high explosive คือวัตถุระเบิดที่ยากต่อการจุดระเบิดเว้นแต่จะได้รับการกระตุ้นด้วยพลังงานที่สูงมากเพียงพอ ตัวอย่างการใช้งานของวัตถุระเบิดชนิดนี้เช่นการใช้ในหัวรบเจาะเกราะ คือหัวรบต้องไม่ระเบิดจากแรงกระแทกของหัวรบกับแผ่นเกราะ เพื่อให้หัวรบทะลุผ่านเกราะเข้าไปก่อนแล้วจึงค่อยระเบิดจากภายใน เช่นหัวรบที่ใช้ในการยิงเรือรบ อีกตัวอย่างหนึ่งได้แก่ดินระเบิดที่ใช้ใน explosive lens ของอาวุธนิวเคลียร์ ที่ต้องไม่จุดระเบิดเองในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ เช่นระเบิดร่วงหล่นจากเครื่องบินบรรทุก เครื่องบินบรรทุกอาวุธนั้นเกิดอุบัติเหตุตกหรือเกิดเพลิงไหม้ ส่วน RDX เป็นวัตถุระเบิดแรงสูงหลักตัวหนึ่งที่ใช้งานกันแพร่หลายกับอาวุธในปัจจุบัน
โครงสร้างโมเลกุลของ FOX-7 ประกอบด้วยโครงสร้างพันธะ C=C ที่ปลายข้างหนึ่งมีหมู่อะมิโน (amino -NH2) เกาะอยู่ 2 หมู่ในขณะที่ปลายอีกข้างหนึ่งมีหมู่ไนโตร (nitro -NO3) เกาะอยู่ 2 หมู่ ปรกติอะตอม N ของหมู่อะมิโนแสดงฤทธิ์เป็น Lewis base เพราะมันมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) และความเป็นเบสจะแรงขึ้นถ้าหมู่ที่มาเกาะกับอะตอม N นั้นเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอน
แต่กรณีของ FOX-7 นั้นแตกต่างไปเพราะหมู่ไนโตรเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอนที่แรง ทำให้หมู่อะมิโนแสดงฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อน กล่าวคือเมื่อ H+ หลุดออกจากอะตอม N ประจุลบจะถูกดึงเข้ามาในโมเลกุล กลายเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพเพิ่มขึ้นได้ (รูปที่ ๒)
การไทเทรตหาปริมาณกรดที่อ่อนมากด้วยเบสแก่ (หรือเบสอ่อนด้วยกรดแก่) โดยใช้การเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์เป็นตัวบอกจุดยุตินั้นทำได้ยากเนื่องจากการเปลี่ยนสีอินดิเคเตอร์ไม่ชัดเจน (หรือไม่สมบูรณ์) แต่เราก็สามารถทำให้กรดอ่อนนั้นแสดงฤทธิ์เป็นกรดที่แก่ขึ้นได้ด้วยการใช้ตัวทำละลายที่มีความเป็นเบสสูงขึ้น (ถ้าเป็นการไทเทรตเบสที่อ่อนมาก็จะใช้ตัวทำละลายที่มีความเป็นกรดสูงขึ้น) อย่างเช่นในกรณีของคณะผู้วิจัยในบทความนี้ ได้ใช้ Dimethylformamide ที่มีชื่อย่อว่า DMF (ดูโครงสร้างโมเลกุลในรูปที่ ๓) เป็นตัวทำละลาย ความเป็นเบสของ DMF อยู่ที่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอม N โดยอะตอม N ตัวนี้จะรับ H+ จาก FOX-7 ทำให้ FOX-7 แตกตัวได้ง่ายขึ้น จุดเด่นอีกข้อของ DMF คือโครงสร้างโมเลกุลของมันมีทั้งส่วนที่เป็นขั้วและไม่มีขั้ว ทำให้มันสามารถละลายได้ทั้งโมเลกุลที่มีขั้ว (เช่นน้ำ) และไม่มีขั้ว
ในการไทเทรตนั้นทางคณะผู้วิจัยใช้โซเดียมเมทอกไซด์ (Sodium methoxide NaOCH3) ที่ละลายในตัวทำละลายเบนซีน/เมทานอลโดยใช้ azo-violet เป็นอินดิเคเตอร์ (ปรกติอะตอม O ของไฮดรอกไซด์ไอออน OH- ก็มีฤทธิเป็นเบสอยู่แล้ว แต่ความเป็นเบสจะแรงขึ้นถ้าอะตอม H ถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิลที่เป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอน) โดย H3CO- จะไปดึงโปรตอนจาก DMF ที่รับโปรตอนมาจาก FOX-7 (ทำนองเดียวกันกับ OH- ที่ดึงโปรตอนจาก H3O+ เวลาไทเทรตกรดกับเบส) รูปที่ ๔ แสดงการจัดอุปกรณ์การไทเทรต
ตัวทำละลายที่เป็นเบสที่แรงนั้นสามารถทำปฏิกิริยากับแก๊ส CO2 ในอากาศได้ (DMF ก็เช่นกัน) ดังนั้นเพื่อป้องกันการรบกวนจาก CO2 ในอากาศ การไทเทรตจึงทำภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน โดยมีการป้อนแก๊สไนโตรเจนเข้ามาปกคลุมเหนือผิวของเหลวในฟลาสก์ตลอดเวลาที่ทำการไทเทรต การไทเทรตจะยุติเมื่อเห็นสีของสารละลายเปลี่ยนจากสีน้ำตาลเป็นสีน้ำเงิน สารละลายเบสแก่ที่ใช้เป็น titrant (เช่น NaOH) ก็มีปัญหาแบบนี้เช่นกัน ทำให้ต้องมีการหาความเข้มข้นที่แน่นของสารละลายเบสแก่ที่เตรียมทิ้งเอาไว้หลายวัน (และไม่ได้รับการป้องกันไม่ให้สัมผัสกับอากาศ) ก่อนนำมาใช้งาน
การวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจนด้วย Kjeldahl nitrogen determination method (บรรยายไว้ในบทความMO Memoirฉบับวันเสาร์ที่ ๑สิงหาคม ๒๕๕๒ ซึ่งแต่ก่อนมีการสอนในวิชาปฏิบัติการ) ก็มีการใช้สารละลายกรดบอริก (Boric acid H3BO3) เป็นตัวดักจับแก๊ส NH3 ที่เป็นเบสอ่อน จากนั้นจึงทำการไทเทรตสารละลายกรดบอริกนั้นด้วยสารละลายมาตรฐาน H2SO4 อีกทีเพื่อหาปริมาณ NH3 ในตัวอย่าง
สำหรับวันนี้ก็คงจะจบเพียงแค่นี้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น