ตกค้างเพราะเปียกพื้นผิว MO Memoir : Thursday 9 March 2560

เรื่องน้ำเปียกผิวแก้วนี่เป็นเรื่องปรกติที่เชื่อว่าเป็นที่รู้กันทั่วไป เวลาที่เรารินน้ำจากแก้วใบหนึ่งใส่แก้วอีกใบหนึ่งจน "หมด" (คือไม่มีหยดน้ำไหลออกแล้ว) เราจะพบว่าแก้วที่รินน้ำออกนั้นจะมีน้ำบางส่วนเปียกพื้นผิวอยู่ ดังนั้นน้ำที่สามารถรินใส่แก้วอีกใบหนึ่งได้นั้นจะน้อยกว่าน้ำที่อยู่ในแก้วใบเดิมเล็กน้อย เรื่องนี้ในชีวิตประจำวันไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาอะไร แต่สำหรับงานทางเคมีที่ต้องการความละเอียดสูง เป็นเรื่องที่ควรคำนึง เพื่อให้เห็นภาพ ขอเริ่มจากการทดลองง่าย ๆ ด้วยการรินน้ำจากกระบอกตวงใบหนึ่งใส่กระบอกตวงอีกใบหนึ่งดังรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ รินน้ำจากกระบอกตวงขนาด 25 ml ใบซ้ายใส่กระบอกตวงขนาด 25 ml ใบขวา จะเห็นว่าปริมาตรน้ำที่รินได้นั้นจะลดลงเล็กน้อย (กระบอกตวงแต่ละใบมีการสอบเทียบความถูกต้องและมีเอกสารรับรองประจำแต่ละใบ)
 

จากรูปที่ ๑ จะเห็นว่าปริมาตรที่หายไปนั้นแม้ว่าจะน้อย แต่ก็สังเกตด้วยตาเปล่าเห็น สำหรับงานที่ไม่ได้ต้องการความถูกต้องสูงมาก การใช้กระบอกตวงตวงของเหลวก็ไม่ได้มีปัญหาอะไร แต่ที่มันเป็นปัญหาก็คือ เคยเห็นนิสิตบางคนเวลาทำแลปจะเตรียม "สาระลายมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard)" ด้วยการชั่งของแข็งที่ต้องการละลาย (เช่น AgNO₃) ใส่ในบีกเกอร์ จากนั้นก็ใช้กระบอกตวงตวงน้ำให้ได้ปริมาตรที่ต้องการแล้วเทใส่บีกเกอร์ (ถ้าเป็นสารละลายมาตรฐานทุติยภูมิ หรือ secondary standard ก็ยังพอว่า เพราะยังไงท้ายสุดแล้วพอได้สารละลายแล้วก็ต้องนำสารละลายที่ได้ไปหาความเข้มข้นที่แน่นอนอีกที) วิธีการที่ดีกว่าคือการใช้ขวดวัดปริมาตร (volumetric flask) แต่ก็ใช่ว่าจะไม่มีปัญหา (รูปที่ ๒)
 

รูปที่ ๒ การเติมน้ำใส่ขวดวัดปริมาตร ควรระวังอย่าให้น้ำเปียกผิวแก้วบริเวณที่อยู่สูงกว่าขีดวัดปริมาตร เพราะถ้าเติมจนพอดีขีดวัดปริมาตร น้ำส่วนที่เปียกผิวแก้วนั้นจะเป็นน้ำส่วนเกิน ในทางกลับกันพอเราเติมน้ำได้พอดีแล้วทำการพลิกขวดเพื่อให้สารละลายในขวดเป็นเนิ้อเดียวกัน พอวางขวดตั้งใหม่จะเห็นระดับน้ำลดต่ำลงเล็กน้อย เพราะบางส่วนไปเปียกผิวแก้วอยู่ข้างบน ไม่ต้องทำการเติมน้ำเข้าไปชดเชย 
  

อุปกรณ์วัดปริมาตรของเหลวนั้น เราจะเติมของเหลวจนถึงระดับขีดปริมาตรที่ต้องการ ความถูกต้องในการอ่านนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัดของบริเวณที่แสดงขีดวัดปริมาตร ถ้าบริเวณดังกล่าวมีพื้นที่หน้าตัดเล็ก ปริมาตรของเหลวที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยจะทำให้เห็นการเปลี่ยนระดับความสูงที่ชัดเจน อุปกรณ์พวก transfer pipette จึงวัดปริมาตรได้ถูกต้องกว่ากระบอกตวง (เพราะพื้นที่หน้าตัดตรงบริเวณขีดบอกปริมาตรของ transfer pipette นั้นเล็กกว่าของกระบอกตวงมาก) ส่วนบีกเกอร์นั้นเป็นอุปกรณ์วัดปริมาตรแบบคร่าว ๆ (งานที่ไม่ได้ต้องการความถูกต้องสูง) ไม่เหมาะสำหรับการใช้วัดปริมาตรของเหลวเพื่อเตรียมสารละลายมาตรฐานใด ๆ รูปที่ ๓ ข้างล่างได้มาจากการเติมน้ำใส่ volumetric flask ขนาด 100 ml ก่อน จากนั้นจึงเทน้ำดังกล่าวใส่บีกเกอร์ขนาด 600 ml จะเห็นความแตกต่างของระดับอยู่ (แต่อย่าเพิ่งรีบสรุปนะครับว่าขีดบอกปริมาตรข้างบีกเกอร์มันบอกปริมาตรสูงเกินจริง บางใบที่เคยเห็นมันก็บอกต่ำกว่าความเป็นจริง) นอกจากนี้ด้วยการที่บีกเกอร์มีพื้นที่หน้าตัดกว้าง ทำให้ยากที่จะสังเกตเห็นหรือไม่สามารถมองเห็นระดับความสูงของของเหลวที่เปลี่ยนแปลงเมื่อปริมาตรของเหลวมีความแตกต่างกันในระดับ "หยด" ในขณะที่ความแตกต่างดังกล่าวจะเห็นได้ชัดกับอุปกรณ์วัดปริมาตรพวก ปิเปต บิวเรต และขวดวัดปริมาตร
 

ที่หนักกว่าตัวอย่างที่ยกมาข้างต้นคือ ตอนสอนแลปเคมีได้มีโอกาสเห็นนิสิตบางรายเตรียมสารละลายมาตรฐานด้วยการใช้ขีดบอกปริมาตรข้างบีกเกอร์นี่แหละเป็นตัวบอกปริมาตรน้ำ (คือใช้บีกเกอร์แทนขวดวัดปริมาตร เพราะการกวนของแข็งให้ละลายในบีกเกอร์มันง่ายกว่าการเขย่าให้มันละลายในขวดวัดปริมาตร)
 

รูปที่ ๓ ปริมาตรน้ำที่ขอบบีกเกอร์ 600 ml

ทิ้งท้ายด้วยคำถามที่คิดเราน่าจะพิจารณาทบทวนกันก็คือ เรื่องพื้นฐานเช่นนี้ ควรสอนกันในระดับโรงเรียน (ที่เห็นมีนักเรียนไปแข่งโอลิมปิควิชาการ ได้เหรียญต่าง ๆ กลับมากันมากมาย) หรือต้องมาสอนกันในระดับมหาวิทยาลัย

การเตรียมสารละลายด้วยขวดวัดปริมาตร MO Memoir : Sunday 17 January 2553

Memoir ฉบับนี้เป็นส่วนขยายของ Memoir ฉบับ Saturday 16 January 2553 เรื่องการหาความเข้มข้นสารละลายมาตรฐานกรด เป็นคำอธิบายเพิ่มเติมในส่วนวิธีเตรียมสารละลายข้อ (2)

ถ้าเราเอาขวดวัดปริมาตร (volumetric flask) ยี่ห้อเดียวกัน รุ่นเดียวกันมาวางเคียงข้างกัน สิ่งที่เราจะเห็นคือขวดแต่ละขวดนั้นจะคล้ายกัน (ไม่เหมือนกัน 100%) และความแตกต่างที่เห็นเด่นชัดคือระดับขีดบอกปริมาตรที่อยู่บนคอขวดของขวดวัดปริมาตรแต่ละขวดจะอยู่สูงไม่เท่ากัน ทั้งนี้เป็นเพราะขวดวัดปริมาตรแต่ละขวดได้รับการสอบเทียบความถูกต้องมาเฉพาะตัว ในเมื่อขวดแต่ละขวดได้รับการสอบเทียบเพื่อให้การวัดปริมาตรมีความถูกต้องสูงแล้ว ดังนั้นในการใช้งานเราก็ควรใช้มันให้สมกับความเที่ยงตรงของมันด้วย จะว่าไปแล้วเรื่องนี้เคยกล่าวไว้ใน Memoir ฉบับ Saturday 16 August 2551 เรื่อง "การวัดปริมาตรของเหลว" เอาไว้แล้วครั้งหนึ่ง

ในการเติมน้ำเข้าไปในขวดวัดปริมาตรนั้น สิ่งสำคัญที่ต้องระวังคืออย่าให้น้ำที่เติมเข้าไปนั้นเปียกผนังขวดด้านในบริเวณระหว่างปากขวดและขีดบอกปริมาตร (ดูรูปที่ 1 ประกอบ) เพราะถ้าเราเติมน้ำลงไปจนได้ระดับขีดบอกปริมาตรแล้ว น้ำส่วนที่เปียกผนังขวดในบริเวณดังกล่าวจะเป็นน้ำส่วนเกิน ทำให้ปริมาตรที่ตวงได้นั้นมากเกินจริงไป

รูปที่ 1 การเติมน้ำเข้าไปในขวดวัดปริมาตร (Volumetric flask)

ในการละลายสารหรือเจือจางสารนั้น ถ้าเป็นของเหลวก็ให้แหย่ปลายปิเปตลงไปให้ต่ำกว่าระดับขีดบอกปริมาตร และปล่อยให้ของเหลวในปิเปตไหลออกมาจนหมด ถ้าเป็นของแข็งก็อาจต้องใช้กรวยช่วย และใช้น้ำกลั่นชะเอาของแข็งที่ติดอยู่ที่กรวยลงมาให้หมด จากนั้นจึงค่อยเติมน้ำลงไปเพิ่มเพื่อเจือจางของเหลว/ละลายของแข็ง ระดับน้ำที่เติมไปครั้งแรกควรเติมพอประมาณก่อนเพียงแค่ละลายของแข็งได้หรือเจือจางของเหลวก่อน (ระดับเส้นสีเขียวในรูปที่ 1) ทำการเขย่าหรือแกว่งขวดเบา ๆ เพื่อให้ของแข็งละลายหมดหรือของเหลวเจือจางจนเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นจึงค่อยเติมน้ำเพิ่มเข้าไป (ขีดสีชมพูในรูปที่ 1) แล้วทำการเขย่าหรือแกว่งเบา ๆ เพื่อเจือจางสารละลายที่ได้ให้เป็นเนื้อเดียวกัน ในระหว่างที่ทำการเขย่าหรือแกว่งขวดนั้น ต้องระวังไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือขีดวัดปริมาตรเปียกน้ำ

สาเหตุที่ไม่ให้เติมน้ำจนถึงระดับขีดวัดปริมาตรในครั้งแรกเลยเป็นเพราะว่า ถ้าเราเติมน้ำเข้าไปจนเต็มขวด การกวนหรือเขย่าของเหลวในขวดเพื่อละลายของแข็งที่ต้องการละลายหรือของเหลวที่ต้องการเจือจางจะทำได้ไม่ดี (เพราะไม่มีที่ว่างให้น้ำเคลื่อนที่ได้) สิ่งเดียวที่ทำได้คือการพลิกขวดคว่ำไปมาเพื่อให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกัน แต่ถ้าเราค่อย ๆ เติมน้ำและเขย่าสารละลายที่ได้เป็นลำดับที่กล่าวมาข้างต้น การทำให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกันจะดีกว่ามาก (ปัญหานี้จะเห็นได้ชัดเมื่อเราต้องทำการละลายเกลือที่ละลายน้ำแล้วมีสี เพราะถ้าเติมน้ำเข้าไปจนเต็มแล้วเขย่าขวด ต้องใช้เวลานานกว่าที่สารละลายในขวดจะมีสีเดียวกันหมด แต่ถ้าใช้วิธีการค่อย ๆ เติมค่อย ๆ กวน จะทำให้สารละลายในขวดมีสีสม่ำเสมอได้เร็วกว่ามาก)

ที่นี้ลองมาดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นหลังเราเติมน้ำลงไปจนถึงระดับขีดบอกปริมาตร โดยที่ผนังขวดด้านในส่วนที่อยู่เหนือขีดบอกปริมาตรนั้นไม่เปียกน้ำเลย แล้วทำการพลิกขวดไป-มาเพื่อผสมสารละลายในขวดให้เป็นเนื้อเดียวกัน พอเราตั้งขวดกลับคืนเดิมจะเห็นว่าระดับน้ำในขวดจะอยู่ต่ำกว่าระดับขีดบอกปริมาตร (เส้นสีแดงในรูปที่ 2)

รูปที่ 2 ผลของการเอียงขวดวัดปริมาตรที่มีต่อระดับน้ำที่ปรากฏ

การที่เห็นระดับน้ำลดลงเป็นเพราะน้ำบางส่วนไปเกาะติดอยู่บนผนังขวดด้านในส่วนที่อยู่เหนือขีดบอกปริมาตร (ถ้าหากคุณไม่ทำน้ำรั่วออกจากจุกปิดในระหว่างเขย่านะ) ดังนั้น "อย่า" เติมน้ำเข้าไปเพิ่มเติมจนถึงระดับขีดบอกปริมาตร เพราะจะทำให้ปริมาตรน้ำในขวดมากเกินจริง

เรื่องนี้มองเผิน ๆ ก็เป็นเรื่องง่าย ๆ แต่ในความจริงแล้วพบว่าเตรียมผิดวิธีกันอยู่เป็นประจำ