การไทเทรต 1,1-Diamino-2,2-dinitroethene (FOX-7) MO Memoir : Tuesday 12 August 2568

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

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการสังเคราะห์ FOX-7

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)

รูปที่ ๒ การแสดงฤทธิ์เป็นกรดของ FOX-7

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

รูปที่ ๓ FOX-7 แสดงฤทธิ์ที่เป็นกรดที่แรงมากขึ้นเพื่อละลายในตัวทำละลายที่มีความเป็นเบสเช่น DMF

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

รูปที่ ๔ การจัดอุปกรณ์การไทเทรต มีการใช้แก๊สไนโตรเจนปกป้องไม่ให้ DMF ทำปฏิกิริยากับ CO₂ ในอากาศ

การวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจนด้วย Kjeldahl nitrogen determination method (บรรยายไว้ในบทความMO Memoirฉบับวันเสาร์ที่ ๑สิงหาคม ๒๕๕๒ ซึ่งแต่ก่อนมีการสอนในวิชาปฏิบัติการ) ก็มีการใช้สารละลายกรดบอริก (Boric acid H₃BO₃) เป็นตัวดักจับแก๊ส NH₃ ที่เป็นเบสอ่อน จากนั้นจึงทำการไทเทรตสารละลายกรดบอริกนั้นด้วยสารละลายมาตรฐาน H₂SO₄ อีกทีเพื่อหาปริมาณ NH₃ ในตัวอย่าง

สำหรับวันนี้ก็คงจะจบเพียงแค่นี้

กรด-เบส : อ่อน-แก่ MO Memoir : วันพฤหัสบดีที่ ๑๓ สิงหาคม ๒๕๕๒

ปัญหาหนึ่งที่มักประสบเวลาสอนเรื่องกรด-เบสแก่นิสิตคือการจำแนกประเภทว่าเป็นชนิด อ่อน (weak) หรือ แก่ (strong)

ในระดับชั้นมัธยมปลายนั้น การนิยามความแรงของกรดเบสจะใช้นิยามของบรอนสเตด (Bronstead) เป็นหลัก ซึ่งจะนิยามจากความสามารถในการแตกตัวจ่ายโปรตอนออกมาเมื่อเป็นสารละลายในน้ำ เช่น HCl HNO₃ H₂SO₄ จะถือว่าเป็นกรดแก่ เพราะเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวหมด และจะบอกไม่ได้ว่าตัวไหนเป็นกรดที่แก่กว่าตัวไหน เว้นแต่จะมีการเปลี่ยนสารละลาย (ที่มีความเป็นกรดมากขึ้น) ที่ทำให้กรดเหล่านี้มีการแตกตัวไม่เท่ากัน ส่วนกรดที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวไม่หมดก็จะถือว่าเป็นกรดอ่อน จะอ่อนมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับว่ากรดนั้นแตกตัวมากน้อยเท่าใด กรดที่แตกตัวได้มากกว่าก็จะแรงกว่ากรดที่แตกตัวได้น้อยกว่า ส่วนเบสแก่ที่เจอกันบ่อยที่สุดหรือเจอกันเป็นประจำก็คือ NaOH ซึ่งละลายน้ำได้ดีและแตกตัวเป็นไอออน Na⁺ กับ OH^-₄OH ซึ่งแตกตัวได้ไม่หมด

ทั้งหมด และเบสอ่อนที่เจอกันมากที่สุดคือ NH

เส้นแบ่งระหว่างกรด-เบสที่อ่อน-แก่ตามนิยามของบรอนสเตดนั้นชัดเจน (คือแตกตัวหมดก็เป็นประเภทแก่ แตกตัวไม่หมดก็เป็นประเภทอ่อน) แต่ปัญหามันเกิดขึ้นเมื่อต้องมาเจอกับกรดตามนิยามของลิวอิสหรือเบสที่ละลายน้ำได้ไม่ค่อยดี ในกรณีของกรดลิวอิสนั้นความแรงของกรดจะดูจากความสามารถในการรับคู่อิเล็กตรอน มันจึงบอกได้แต่เพียงว่ากรด-เบสตัวใดมีความแรงมาก-น้อยกว่าอีกตัวเท่านั้น เพราะถ้านำกรด (หรือเบส) ของบรอนสเตดที่จัดว่าเป็นกรดแก่กับกรดลิวอิสมาทำการวัดความสามารถในการจับเบสว่าตัวใดจับได้แน่นกว่ากันนั้น เราก็สามารถพบได้ว่ากรดลิวอิสมีความแรงมากกว่ากรดบรอนสเตดที่จัดว่าเป็นกรดแก่เมื่อเป็นสารละลายในน้ำ

สารประกอบไฮดรอกไซด์บางตัวเป็นสารประกอบที่ละลายน้ำได้น้อย แต่เมื่อละลายน้ำแล้วส่วนที่ละลายน้ำออกมาจะแตกตัวได้ 100% ดังนั้นสารประกอบเหล่านั้นจึงจัดว่าเป็นเบสแก่ เช่น Mg(OH)₂ Ba(OH)₂ ปัญหาที่พบคือนิสิตสับสนระหว่างความสามารถในการละลายกับความสามารถในการแตกตัว หลายรายคิดว่าถ้าไม่ละลายน้ำก็ถือว่าไม่แตกตัว ดังนั้นเบสเหล่านั้นจึงเป็นเบสอ่อน ซึ่งเป็นความเข้าใจที่ผิด

ความรู้บางอย่างถูกฝังแน่นไว้ในสมอง ซึ่งจะว่าไปแล้วความรู้นั้นก็ถูกต้อง ไม่มีอะไรผิดพลาด แต่สิ่งที่ผิดพลาดคือการที่คิดว่ามันต้องเป็นแบบนี้อย่างเดียวเท่านั้น ไม่มีแบบอื่นอีก หรือคิดว่ารู้เพียงเท่านี้ก็เพียงพอแล้ว พอเจอกับสิ่งที่คล้าย ๆ หรือกับคำจำกัดความที่ครอบคลุมกว่า ก็เลยทำให้เกิดความสับสน หรือเกิดความไม่ยอมรับเนื่องจากความเคยชินกับสิ่งเดิม หรือหลงเข้าใจว่าสิ่งรับฟังนั้นมันก็เหมือนกับความรู้เดิมที่รู้อยู่แล้ว เลยไม่สนใจในรายละเอียดว่ามันมีความแตกต่างอยู่ (เรื่อง "ไม่ต้องไปสนใจในรายละเอียด" นี่กะว่าจะเขียนอยู่เหมือนกัน เพราะในการทำงานที่ผ่านมามีปัญหาเยอะมาก โดยเฉพาะกับคนที่เป็นหัวหน้างานที่มักคิดเช่นนี้)

คนจำนวนไม่น้อยคิดแต่เพียงว่า "รู้เพียงแค่นี้ก็เพียงพอแล้ว ที่จะทำข้อสอบ ที่จะทำงาน ฯลฯ" ซึ่งเป็นความเข้าใจที่ไม่ดีนัก (ไม่อยากใช้คำว่า "ไม่ถูกต้อง") ถ้าเราเปลี่ยนมุมมองใหม่ว่าสำหรับโจทย์/งานที่ได้รับมอบหมายมา ใช้วิชาความรู้เพียงเท่านี้ก็สามารถแก้โจทย์/ทำงานดังกล่าวได้ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเราต้องรู้เพียงเท่านั้น เราควรมีความรู้ให้กว้างมาก แต่ในการทำงานนั้น (รวมทั้งการใช้ชีวิตด้วย) เราเพียงแค่หยิบเอาความรู้บางส่วนที่เรามีมาใช้เท่านั้น

แต่การมีความรู้โดยที่ไม่รู้จักประยุกต์ใช้ก็จัดว่าไม่มีประโยชน์อะไร เหมือนกับคำกล่าวที่ว่า "ความรู้ท่วมหัว เอาตัวไม่รอด" การที่จะประยุกต์ใช้ความรู้ได้นั้นต้องประกอบด้วย "สติ" และ "ปัญญา" การมีสตินั้นทำให้เราไม่ถูกหลอกหรือหลงประเด็น และการมีปัญญานั้นทำให้เราสามารถดึงความรู้ที่มีอยู่ออกมาประยุกต์ใช้ได้ แต่การได้มาทั้งสองสิ่งนั้นไม่สามารถได้มาด้วยการเรียน แต่จะได้มาด้วยการฝึกฝนปฏิบัติ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ทั้งแรงกาย จิตใจ และเวลา