ค้างที่ปลายปิเปตไม่เท่ากัน MO Memoir : Thursday 2 March 2560

เวลาที่เราเอาท่อขนาดเล็ก (พวก capillary tube) จุ่มลงในของเหลว เราจะเห็นของเหลวนั้นไต่สูงขึ้นมาตามผิวท่อด้านใน หรือยุบตัวต่ำลงไป หรือถ้าเราให้ของเหลวในปริมาณหนึ่งไหลผ่านท่อขนาดเล็ก (เช่นที่ปลายของบิวเรตหรือปิเปต) ด้วยแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว เราก็จะเห็นของเหลวส่วนหนึ่งค้างอยู่ในท่อขนาดเล็กนั้น ในทั้งสองกรณี ปริมาตรของเหลวที่จะไต่ขึ้นมาตามผิวท่อด้านใน (หรือจมยุบลงไป) และที่สามารถค้างอยู่ในท่อขนาดเล็กได้ ขึ้นอยู่กับแรงตึงผิวและความหนาแน่นของของเหลวนั้น
 

รูปที่ ๑ ปริมาตรของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลาย graduated pipette (ซ้าย) น้ำมันถั่วเหลือง (กลาง) น้ำกลั่น (ขวา) เอทานอล

ปิเปตที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการนั้นมีอยู่สองแบบ แบบแรกคือ transfer pipette ที่มีลักษณะเป็นท่อแก้วเล็ก ๆ ยาว ๆ มีกระเปาะอยู่ตรงกลาง แบบที่สองคือ graduated pipette ที่มีลักษณะเป็นท่อแก้วทรงกระบอกปลายเรียวแหลม มีขีดบอกปริมาตรตามความยาวปิเปต ตัว transfer pipette แต่ละชิ้นนั้นได้รับการสอบเทียบความถูกต้องมาที่ค่าใดค่าหนึ่งเพียงค่าเดียว จะใช้ตวงของเหลวปริมาตรอื่นนอกเหนือไปจากค่าที่สอบเทียบไว้ไม่ได้ เช่น transfer pipette ขนาด 10 ml ก็จะตวงของเหลวได้ถูกต้องที่ปริมาตร 10 ml เพียงค่าเดียวเท่านั้น ในขณะที่ตัว graduated pipette ขนาด 10 ml จะมีขีดบอกปริมาตรข้างลำตัวตั้งแต่ 0 ml (อยู่ด้านบนสุด) ไปจนถึง 9 ml ที่อยู่ล่างสุด และถ้าปล่อยให้ไหลออกจนหมดก็จะได้ปริมาตร 10 ml (ต่ำกว่า 9 ml มันทำขีดบอกปริมาตรไม่ได้ เพราะเป็นส่วนที่ปลายมันเรียวแหลม ไม่ได้เป็นส่วนลำตัวทรงกระบอก ดังแสดงในรูปข้างบน)
 

ทีนี้สมมุติว่าเราต้องการตวงของเหลวปริมาตร 3 ml ซึ่งก็แน่นอนว่าต้องใช้ graduate pipette (เพราะตัว transfer pipette มันไม่มีขนาดปริมาตร 3 ml) คำถามก็คือเราควร (ก) ดูดของเหลวขึ้นมาจนถึงตำแหน่ง 0 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนถึงขีด 3 ml หรือ (ข) ดูดขึ้นมาจนถึงตำแหน่ง 7 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนหมด
 

ที่ปลายปิเปตนั้นมันเป็นท่อเล็ก ๆ ดังนั้นเมื่อเราปล่อยให้ของเหลวในปิเปตไหลออกอย่างอิสระด้วยแรงโน้มถ่วง ก็จะมีของเหลวค้างอยู่ที่ส่วนที่เป็นท่อเล็ก ๆ นั้นในปริมาตรหนึ่ง แม้ว่าหลังจากนั้นเราจะเอาปลายปิเปตปัจจุบันแตะกับผิวภาชนะรองรับของเหลว ของเหลวที่ค้างอยู่ในส่วนที่เป็นท่อเล็ก ๆ นั้นก็จะไหลออกมาเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ยังคงมีอีกส่วนหนึ่งค้างอยู่ที่ปลายปิเปต ปัญหาที่มักเกิดขึ้นก็คือเราจำเป็นต้องไล่ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้ออกมาไหม
 

ปิเปตที่มีใช้กันในปัจจุบันมีทั้งชนิดที่ "ไม่ต้องไล่" และ "ต้องไล่" ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปต โดยส่วนตัวเท่าที่เคยเห็นมานั้น ปิเปตที่ใช้กันในบ้านเราจะเป็นชนิดที่ "ไม่ต้องไล่" ของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปต เพราะในการสอบเทียบความถูกต้องของปริมาตรของเหลวที่ปิเปตปล่อยออกมานั้น เขาไม่ได้รวมเอาปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้เข้าไปด้วย ดังนั้นถ้าเราไปไล่เอาของเหลวที่ค้างอยู่ที่ปลายปิเปตนี้ออกมา เราจะได้ของเหลวในปริมาตรที่มากเกินจริง
 

ที่กล่าวมาเป็นสิ่งที่สอนกันอยู่ทั่วไปในการเรียนปฏิบัติการเคมี แต่มีสิ่งหนึ่งที่มักไม่ได้มีการเน้นย้ำความสำคัญก็คือ ในการสอบเทียบความถูกต้องนั้น เขาใช้ "น้ำ" เป็นตัวสอบเทียบ ดังนั้นถ้าเราเอาปิเปตนั้นไปตวงของเหลวชนิดอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ที่ปลายปิเปตก็จะเปลี่ยนไปด้วย สำหรับท่อที่มีขนาดเท่ากัน ปริมาตรของเหลวที่สามารถค้างอยู่ในท่อได้ขึ้นอยู่กับแรงตึงผิวและความหนาแน่นของของเหลวนั้น
 

รูปที่ ๑ เป็นการทดลองด้วยการใช้ graduated pipette ดูดของเหลวขึ้นมา แล้วปล่อยให้ไหลออกอย่างอิสระ จากนั้นจึงนำปลายปิเปตแตะกับผิวบีกเกอร์ ปริมาตรของเหลวที่เห็นค้างอยู่คือปริมาตรหลังจากที่แตะปลายปิเปตเข้ากับผิวบีกเกอร์แล้ว ตัวซ้ายคือน้ำมันถั่วเหลือง กลางคือน้ำกลั่น และขวาคือเอทานอล (analar grade) อันที่จริงการทดลองนี้ถ้าจะให้ดีที่สุดก็ควรต้องใช้ปิเปตตัวเดิม (จะได้มั่นใจว่าขนาดรูที่ปลายปิเปตเหมือนกันหมดทุกการทดลอง) จะได้หมดข้อโต้เถียง แต่ก็คิดว่าด้วยการใช้ปิเปตที่มีขนาดปลายท่อใกล้เคียงกัน ก็น่าจะเพียงพอที่จะทำให้เห็นปัญหาที่ต้องการแสดง คือของเหลวแต่ละชนิดกัน จะค้างอยู่ที่ปลายปิเปตไม่เท่ากัน
 

สำหรับของเหลวที่เปียกผิวแก้วได้นั้น ผลของแรงตึงผิวสูงกับความหนาแน่นที่มีต่อปริมาตรของเหลวที่จะค้างอยู่ในหลอดแก้วได้นั้นจะตรงข้ามกัน กล่าวคือแรงตึงผิวที่สูงจะช่วยในการยึดเกาะกับผิวแก้ว ส่วนความหนาแน่นที่สูงจะเป็นตัวดึงให้ของเหลวไหลลงล่าง ดังนั้นการแปลผลที่เห็นในรูปที่ ๑ จึงต้องใช้ความระมัดระวัง (เช่นน้ำมีแรงตึงผิวสูงกว่าเอทานอล แต่ก็มีความหนาแน่นมากกว่าด้วย)
 

ทีนี้ถ้าเราย้อนกลับไปที่คำถามเกี่ยวกับ graduated pipette ที่กล่าวมาข้างต้น จะเห็นว่าถ้าเราดูดของเหลวจนถึงขีด 0 ml แล้วปล่อยให้ของเหลวไหลออกมาจนถึงขีด 3 ml นั้น ของเหลวไม่ว่าจะมีแรงตึงผิวหรือความหนาแน่นเท่าใดที่ไหลออกมา กล่าวได้ว่าจะมีปริมาตรเท่ากัน แต่ถ้าเราใช้วิธีดูดของเหลวขึ้นมาจนถึงเลข 7 ml แล้วปล่อยให้ไหลออกจนหมด อาจเกิดปัญหาที่ของเหลวต่างชนิดกันจะมีปริมาตรที่ค้างอยู่ที่ปลายไม่เท่ากันได้ ปัญหานี้ก็เกิดกับ transfer pipette ด้วยเช่นกัน 
  

ดังนั้นการเตรียมสารละลายเจือจาง เช่นการเจือจางของเหลวที่เป็นสารอินทรีย์ในตัวทำละลาย หรือเจือจางกรดเข้มข้น จึงควรต้องคำนึงถึงปัญหาข้อนี้ ในบางครั้งการใช้การชั่งน้ำหนักของเหลวที่ต้องการเจือจางให้ได้น้ำหนักที่แน่นอน แล้วค่อยเติมตัวทำละลายจนได้สารละลายที่มีปริมาตรตามต้องการ อาจให้ความถูกต้องมากกว่า (แต่มีข้อแม้ว่าของเหลวนั้นต้องไม่ระเหยเร็วนะ แล้วค่อยคำนวณหาปริมาตรเอาจากความหนาแน่น) แต่สำหรับกรณีของสารละลายที่เจือจางในน้ำ อาจถือได้ว่าความแตกต่างนี้ไม่มีนัยสำคัญได้
 

ท้ายนี้ต้องขอขอบคุณคุณโจ ผูเป็นเจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการของภาควิชา ที่ช่วยเตรียมอุปกรณ์และจัดการทดลองนี้เพื่อให้ผมถ่ายรูปได้

การหาความเข้มข้นสารละลายมาตรฐานกรด MO Memoir : Saturday 16 January 2553

เนื่องจากสมาชิกผู้หนึ่งของกลุ่มกำลังทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของกรดที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยา ในการทดลองดังกล่าวต้องมีการผสมสารละลายกรด HCl เจือจาง (ที่ต้องทราบความเข้มข้นที่แน่นอน) ลงไปในสารละลาย H₂O₂ แต่เนื่องจากสารละลายกรดเจือจางที่เตรียมขึ้นมานั้นยังไม่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (เหตุผลจะกล่าวในย่อหน้าถัดไป) จึงจำเป็นต้องมีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด HCl เจือจางที่ใช้ก่อน Memoir ฉบับนี้จึงขอยกเอาวิธีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด ซึ่งกระทำอยู่ทุกปีในวิชาเคมีวิเคราะห์ภาคปฏิบัติการสำหรับนิสิตปริญญาตรีปี ๒ มาทบทวนให้ฟังกัน

ในการเตรียมสารละลายมาตรฐานกรด (standard acid solution) นั้น เรามักเริ่มจากการนำเอากรดเข้มข้นมาเจือจางด้วยน้ำกลั่น แต่ความเข้มข้นที่เขียนไว้ข้างขวดนั้นมักเป็นความเข้มข้นโดยประมาณ (wt% หรือร้อยละโดยน้ำหนัก) และการนำกรดความเข้มข้นสูง (ระดับเกิน 10 M) มาเจือจางให้เหลือระดับเพียงแค่ประมาณ 0.1 M นั้น การตวงกรดเข้มข้นคลาดเคลื่อนไปเพียงนิดเดียวก็ทำให้ความเข้มข้นของกรดเจือจางที่เตรียมได้นั้นคลาดเคลื่อนไปได้มาก

การหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลาย HCl ที่เตรียมได้ ทำได้ด้วยการไทเทรตกับสารละลาย Anhydrous Na₂CO₃ (M.W. 105.99) โดยใช้ methyl red (เปลี่ยนสีในช่วง 4.4 (แดง) - 6.2 (เหลือง)) เป็นอินดิเคเตอร์ และทำการต้มไล่ CO₂ ที่จุดยุติด้วย (อ่านถึงตรงนี้ถ้าสงสัยว่าทำไมไม่ไทเทรตกับสารละลาย NaOH ให้ไปอ่านหมายเหตุที่ท้ายบันทึกฉบับนี้)

รูปที่ 1 แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M กับสารละลาย HCl เข้มข้น 0.1 M โดยไม่มีการต้มไล่ CO₂ และมีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^-

รูปที่ 1 การเปลี่ยนค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M กับสารละลายกรด HCl เข้มข้น 0.1 M โดย (บน) ไม่มีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^- และ (ล่าง) มีการต้มไล่ CO₂ ในการไทเทรต HCO₃^- (ภาพจากหนังสือ "Analytical chemistry : An introduction" แต่งโดย D.A. Skoog, D.M. West และ F.J. Holler ของสำนักพิมพ์ Saunders College Publishing, 6th edition 1994

สมมุติว่าเราทำการไทเทรตสารละลายมาตรฐาน Na₂CO₃ (อยู่ในฟลาสค) กับสารละลาย HCl (หยดจากบิวเรต) โดยใช้ methyl red เป็นอินดิเคเตอร์ ในช่วงแรกของการไทเทรตนั้น HCl จะเข้าไปสะเทิน CO₃^2- ก่อนโดยเปลี่ยน CO₃^2- ให้เป็น HCO₃^- ซึ่งเป็นเบสอ่อน ดังนั้นในช่วงที่สองที่ทำการไทเทรต HCO₃^- ให้กลายเป็น H₂CO₃ นั้นจะเห็นการเปลี่ยนสีของ methyl red ไม่ชัดเจน คือสีจะค่อย ๆ เปลี่ยนจากเหลืองไปเป็นส้ม (สีผสมระหว่างแดงและเหลือง) และกลายเป็นแดง (สีที่จุดยุติ) ทำให้กำหนดจุดยุติของการไทเทรตได้ลำบาก แต่ถ้าหากเราไทเทรตจนสีของ methyl red กลายเป็นสีส้ม แล้วนำไปต้มให้สารละลายในฟลาสคร้อนขึ้น HCO₃^- จะสลายตัวกลายเป็นแก๊ส CO₂ และ OH^- ทำให้ค่าพีเอชของสารละลายในฟลาสคเพิ่มขึ้นกระทันหัน (พีคตรงตำแหน่ง "before boiling" กับ "after boiling" ที่แสดงในรูปที่ 1 (ล่าง)) สีของสารละลายในฟลาสคจะกลายเป็นสีเหลือง และทำให้การไทเทรตเป็นการไทเทรตระหว่างกรดแก่ (HCl) กับเบสแก่ (OH^-) ซึ่งมีการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ที่ชัดเจน ซึ่งเมื่อหยดสารละลาย HCl ลงไปอีกเล็กน้อยก็จะทำให้ methyl red เปลี่ยนสีเป็นสีแดงทันที (ถ้าหากกลายเป็นสีส้มอีกแสดงว่า ตอนที่เอาฟลาสคไปต้มนั้นสีของสารละลายเพิ่งจะเริ่มเป็นสีส้ม ในกรณีนี้ให้เอาฟลาสคไปต้มใหม่อีกจนสีของสารละลายในฟลาสคกลายเป็นสีเหลือง แล้วนำมาไทเทรตใหม่)

สิ่งที่ควรต้องทำคือ

1. นำ Na₂CO₃ (analar grade) ไปอบให้แห้ง (ที่อุณหภูมิเกิน 100 องศาเซลเซียส ข้ามคืน)

2. เตรียมสารละลาย Na₂CO₃ เข้มข้น 0.1 M จำนวน 250 ml (หรือ 100 ml) โดยใช้ Na₂CO₃ จากข้อ (1) ในขั้นตอนนี้ให้ชั่ง Na₂CO₃ มาอย่างละเอียด และละลาย Na₂CO₃ ที่ชั่งมาใน volumetric flask ขนาด 250 ml (หรือ 100 ml)

ในการหาน้ำหนักที่แน่นอนของ Na₂CO₃ ที่ชั่งได้นั้น ให้ชั่ง Na₂CO₃ บนแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) จดน้ำหนักรวมเอาไว้ จากนั้นจึงเท Na₂CO₃ ที่ชั่งมานั้นลงไปใน volumetric flask แล้วนำแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) มาชั่งน้ำหนักใหม่อีกครั้ง น้ำหนักที่หายไปคือน้ำหนักของ Na₂CO₃ ที่เทลงไปใน volumetric flask

ในการละลาย Na₂CO₃ ใน volumetric flask นั้น ให้เติมน้ำลงไปประมาณ 1/4-1/2 ของปริมาตรขวด โดยพยายามอย่าให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ (สำคัญมาก) จากนั้นเขย่าเพื่อละลาย Na₂CO₃ ที่เติมลงไปให้หมด (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) เมื่อละลายNa₂CO₃ ที่เติมลงไปจนหมดแล้ว จึงเติมน้ำเพิ่มเติมจนถึงเส้นบอกปริมาตร (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) จากนั้นจึงเขย่าขวดเพื่อให้สารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันสม่ำเสมอทั้งขวด (ในขณะนี้อนุญาตให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำได้แล้ว) หลังเสร็จสิ้นการเขย่าจนสารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันหมดแล้ว พอตั้งขวดเอาไว้อาจเห็นว่าระดับของเหลวอยู่ "ต่ำ" กว่าเส้นบอกปริมาตร ก็ "ไม่ต้อง" เติมน้ำลงไปเพิ่มเติม เพราะน้ำที่หายไปนั้นมันไปเปียกคอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตร

3. ในการไทเทรตนั้นให้ปิเปตสารละลาย Na₂CO₃ ที่เตรียมไว้มา 10-25 ml (ใช้ transfer pipette ขนาดที่มีอยู่ในห้องแลป) หยด methyl red ที่ใช้เป็นอินดิเคเตอร์ลงไป 3-4 หยด แล้วนำไปไทเทรตกับกรด HCl ที่เป็นตัวอย่าง

4. เมื่อสีของสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีส้มเข้ม (ยังไม่แดง) ให้นำฟลาคไปต้มในอ่างน้ำร้อน ต้มจนกระทั่งสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีเหลืองใหม่

5. ทำการไทเทรตต่อจนกระทั่ง methyl read เปลี่ยนสีจากเหลืองเป็นแดงทันที ถ้าการเปลี่ยนสียังเป็นจากเหลืองไปเป็นส้ม ก็ให้นำฟลาคไปต้มให้ร้อนใหม่จนกระทั่งสีของสารละลายเป็นสีเหลือง แล้วค่อยนำกลับมาไทเทรตใหม่

6. พึงระลึกว่าต้องใช้ HCl 2 โมลทำปฏิกิริยาพอดีกับ Na₂CO₃ 1 โมล

ก่อนที่จะลงมือทำให้มาปรึกษารายละเอียดอีกครั้งก่อน

หมายเหตุ

ในการไทเทรตนั้น เราอาจทำโดย

(ก) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (หยดจากบิวเรต) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างที่ทราบปริมาณที่แน่นอน (อยู่ในฟลาสค) แล้วหาว่าต้องใช้สารมาตรฐานในปริมาตรเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างได้พอดี หรือ

(ข) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอนและทราบปริมาณที่แน่นอน (ใส่ในฟลาสค) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่าง (หยดจากบิวเรต) แล้วหาว่าต้องใช้สารตัวอย่างเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยาพอดีกับสารมาตรฐาน

ส่วนจะเลือกใช้แบบ (ก) หรือ (ข) นั้นขึ้นอยู่กับว่าเรามีสารแต่ละชนิดในปริมาณเท่าใด (โดยหลักก็คือเอาตัวที่มีมากใส่บิวเรต) หรือเลือกทิศทางที่เห็นการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ได้ชัดเจน (เช่นดูการเกิดสีของฟีนอฟทาลีนจากไม่มีสีเป็นมีสีชมพูแดง จะดูง่ายกว่าดูการเปลี่ยนสีจากสีชมพูแดงเป็นไม่มีสี)

โดยหลักแล้วสารที่จะนำมาใช้เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard) นั้นควรมีคุณสมบัติดังนี้คือ มีความบริสุทธิ์สูง และมีมวลโมเลกุลสูง

การที่สารมาตรฐานต้องมีความบริสุทธิ์สูงนั้นก็ชัดเจนอยู่ในตัวอยู่แล้ว ส่วนการที่ต้องมีมวลโมเลกุลสูงก็เพื่อลดความผิดพลาด (สัมพัทธ์) ในการชั่งน้ำหนักสารมาตรฐาน

ในการชั่งสารนั้นจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในระดับหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับความละเอียดของเครื่องชั่ง

สมมุติว่าเราใช้เครื่องชั่งที่มีความละเอียด 0.001 g มาใช้ชั่งสาร ดังนั้นไม่ว่าเราจะชั่งสารหนัก 2.000 g หรือ 5.000 g เราก็จะมีความคลาดเคลื่อนในระดับ 0.001 g อยู่ดี

แต่ความคลาดเคลื่อนระดับ 0.001 g เมื่อเทียบกับ 2.000 g หมายถึงคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเทียบกับ 5.000 g จะกลายเป็นคลาดเคลื่อนเพียง 0.02%

ดังนั้นถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 20 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 2.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 50 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 5.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อนลดลงเหลือเพียง 0.02% ซึ่งน้อยกว่า

การที่เราไม่ใช่ NaOH เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมินั้นเป็นเพราะ NaOH ไม่มีความบริสุทธิ์สูง ขวด NaOH ที่เปิดสัมผัสอากาศแล้วมีโอกาสที่ NaOH จะจับกับแก๊ส CO₂ ในอากาศกลายเป็น Na₂CO₃ ปนอยู่ในขวด และสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ยังสามารถทำปฏิกิริยากับแก๊ส CO₂ ในอากาศได้เช่นเดียวกัน ทำให้ความเข้มข้นเปลี่ยนไปได้ถ้าเก็บไว้ไม่ดีพอ

ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรดนั้นจะต้องนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ไปไทเทรตกับสารละลายของเกลือ potassium hydrogen phtahlate (บางทีก็เรียกกันสั้น ๆ ว่า KHP สารนี้มี M.W. 204.23) ก่อนเพื่อหาความเข้มข้นที่แน่นอนของ NaOH ที่เตรียมได้ จากนั้นจึงจะสามารถนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมไว้ไปใช้เป็นสารละลายมาตรฐานทุติภูมิ (secondary standard) ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรด

ส่วนการไทเทรตหาความเข้มข้นของสารละลาย HCl นั้นอาจทำได้โดยการไทเทรตกับสารละลาย Na₂CO₃ ที่กล่าวไว้ในข้างต้น หรือไทเทรตกับสารละลาย NaOH ที่ผ่านการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอน

วิธีการที่บอกให้ทำนั้นจะเป็นการใส่สารละลาย Na₂CO₃ ในฟลาคแล้วหยด HCl ลงมาจากบิวเรต แต่เนื่องจากเรามี HCl ที่เป็นสารตัวอย่างในปริมาณจำกัด ดังนั้นพึงระวังอย่าใส่สารละลาย Na₂CO₃ มากเกินไป เพราะจะทำให้ไม่มี HCl เพียงพอสำหรับการทำซ้ำ

สรุปการประชุมวันพฤหัสบดีที่ ๗ มกราคม ๒๕๕๓ MO Memoir : Saturday 9 January 2553

จากการประชุมในช่วงบ่ายวันพฤหัสบดีที่ ๗ มกราคม ๒๕๕๓ ณ ห้องสมุดของแลป ผมขอสรุปประเด็นหัวข้อต่าง ๆ เอาไว้ดังนี้

๑. การคำนวณขนาดของผลึกโดยใช้ Scherrer's equation

จากสมการ (Scherrer's equation)

๑.๑ สิ่งที่ต้องไปทำคือทำความเข้าใจความหมายของ Scherrer's equation ว่า ค่า d ที่คำนวณได้นั้นคือ "ความหนาของระนาบใดระนาบหนึ่งที่ทำให้เกิดพีคเอ็กซ์เรย์พีคนั้น" หรือ "ขนาดของผลึก"

๑.๒ ค่า Shape factor (K) ที่ควรจะต้องขึ้นอยู่กับรูปร่างของผลึก ค่าที่ใช้เป็น 0.9 นั้นเป็นค่าสำหรับผลึกรูปร่างแบบไหน

๑.๓ ค่า B ที่เกี่ยวข้องกับความกว้างของพีค ที่เดิมนั้นใช้วิธีนำเอาผลึกที่มีขนาดใหญ่ที่มีพีคหลายตำแหน่ง (เช่น alpha-alumina) แล้วใช้วิธีสร้างกราฟความสัมพันธ์ แต่อีกนิยามหนึ่ง (ดูไฟล์ power point ที่ส่งไปก่อนหน้านี้) กล่าวว่า B คือผลต่างของค่า 2theta ที่ระยะครึ่งหนึ่งของความสูงของพีค (2theta_(high) - 2theta_(low)) โดยมีหน่วยเป็น "radian" โดยขอให้ทดลองคำนวณใหม่โดยใช้ค่าที่มีนิยาม B ตามนี้

๑.๔ ความสูงและความกว้างของพีคขึ้นอยู่กับความเข้มของรังสีเอ็กซ์ที่ผ่านไปถึง detector ซึ่งความเข้มของรังสีเอ็กซ์นี้ขึ้นอยู่กับ

(ก) ความต่างศักย์ (kV) ที่จ่ายให้กับหลอดรังสีเอ็กซ์เรย์

(ข) กระแส (mA) ที่ป้อนให้กับหลอดรังสีเอ็กซ์

(ค) ขนาดของ slit (mm) (slit 1) ที่อยู่ระหว่างหลอดเอ็กซ์เรย์กับตัวอย่าง และ

(ง) ขนาดของ slit (mm) (slit 2) ที่อยู่ระหว่างตัวอย่างกับหลอดเอ็กซ์เรย์ (ดูรูปที่ 1 ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ 1 เส้นทางการเดินทางของรังสีเอ็กซ์จากแหล่งกำเนิดไปจนถึง detector Nickle filter (Ni filter) ทำหน้าที่เป็นตัวตัดเส้น Kβ ของรังสีเอ็กซ์ที่มาจากแหล่งกำเนิดที่เป็นโลหะทองแดง

การคำนวณโดยใช้กราฟที่เอาของคนก่อนหน้าทำไว้นั้น จะว่าไปแล้วควรต้องใช้พารามิเตอร์ต่าง ๆ ในข้อ (ก) - (ง) เหมือนกันด้วย แต่ที่ผ่านมาดูเหมือนว่าไม่มีใครทราบแล้วว่ากราฟนั้นใครเป็นคนทำ และการสร้างกราฟนั้นตั้งพารามิเตอร์ในข้อ (ก) - (ง) เอาไว้อย่างไร

สิ่งที่ควรต้องทดสอบดูคือทดลองเปลี่ยนขนาดของ slit 2 ที่อยู่ระหว่างตัวอย่างกับหลอดเอ็กซ์เรย์ (ข้อ (ง)) ให้ใหญ่ขึ้น (ใช้ขนาดถัดไปที่ใหญ่กว่าเดิม) ซึ่งจะทำให้ได้สัญญาณแรงขึ้น แล้วนำผลที่ได้มาลองคำนวณดูใหม่ว่าได้ขนาดแตกต่างไปมากน้อยเท่าใด

ขนาดของ slit (ทั้ง 1 และ 2) ที่อยู่ระหว่างตัวอย่างกับหลอดเอ็กซ์เรย์นั้นเป็นตัวสำคัญที่คุมปริมาณรังสีที่ส่องไปถึง detector ในกรณีของการวัดที่มุมต่ำมาก ๆ (เช่นน้อยกว่า 10 องศา ซึ่งพวก zeolite บางชนิดต้องวัดที่มุมนั้น) รังสีที่ออกมาจากหลอดรังสีเอ็กซ์ส่วนหนึ่งจะตรงไปที่ detector โดยตรง ทำให้ detector รับรังสีในปริมาณที่สูงและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง ทำให้ต้องมีการกำหนดขนาดของ slit ที่อยู่ระหว่างตัวอย่างกับหลอดเอ็กซ์เรย์เอาไว้ต่ำมาก (โดยเฉพาะ slit 2) แต่ถ้าทำการวัดที่มุมสูงกว่านั้น (เช่นที่เราวัดกันตั้งแต่ 20 องศาขึ้นไป) ก็สามารถใช้ slit ที่ใหญ่กว่านั้นได้ และเมื่อเปลี่ยนขนาด slit ไปแล้วก็อย่างลืมเปลี่ยนกลับคืนเดิมด้วย เดี๋ยวคนต่อไปมาวัดแล้วได้ผลไม่เหมือนเดิมจะโวยวายว่าเครื่องเสียอีก เพราะดูเหมือนว่าผู้ใช้มักจะไม่สนใจว่าในการวัดแต่ละครั้งนั้นพารามิเตอร์ที่ส่งผลต่อการวัดนั้นตั้งค่าไว้อย่างไรบ้าง คิดแต่เพียงว่ามันต้องเหมือนเดิมเพราะไม่มีใครมาเปลี่ยน

๒. การวัด FT-IR

๒.๑ ให้ทดลองเปลี่ยนการวัดมาใช้ transmission mode แทนของเดิมที่ใช้ diffuse reflectance โดยให้ทำการผสมตัวอย่างประมาณ ๑ ส่วนกับ KBr (FT-IR grade) ประมาณ ๑๐๐ ส่วน ผสมให้เข้ากันเป็นเนื้อเดียวและบดให้ละเอียด ถ้าผลการวัดเห็นว่าเส้น base line มีการ shift สูงขึ้นในช่วง wave number สูง แสดงว่าตัวอย่างนั้นยังบดไม่ละเอียด ให้ทำการบดซ้ำใหม่

๒.๒ การพิมพ์กราฟ FT-IR ออกมา ควรจัดรูปแบบให้เหมาะสม ไม่ใช่พิมพ์ออกมาให้มันกว้างเต็มหน้ากระดาษ (พิมพ์ออกมาในแนวนอน) แต่เราไม่ได้สนใจเรื่องความกว้าง เราสนใจเรื่องความสูงมากกว่า ดังนั้นควรแก้ไขด้วยการพิมพ์ให้ผลออกมาในแนวตั้ง หรือเลือกพิมพ์เฉพาะส่วนที่ต้องการพิจารณาและขยายส่วนนี้ออกมาให้เด่นชัด

๓. การวัดพื้นที่ผิว

๓.๑ การวัดพื้นที่ผิว (ไม่ว่าจะเป็น multi point BET หรือ single point BET) นั้นจะใช้หลักการเดียวกันคือวัดปริมาณแก๊สไนโตรเจนที่สามารถเติมเข้าไปในรูพรุนของตัวอย่างที่อยู่ที่อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนได้

๓.๒ ดังนั้นก่อนที่จะทำการวัดจะต้องทำการกำจัดแก๊สที่ไม่ใช่ไนโตรเจนและมีจุดเดือดสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนออกจากรูพรุนต่าง ๆ ให้หมดก่อน ซึ่งทำได้โดย

(ก) ใช้การทำสุญญากาศ (เครื่องใหญ่ ASAPใช้วิธีนี้) หรือ

(ข) ให้ความร้อนแก่ตัวอย่างในภาวะที่มีแก๊สไนโตรเจนหรือแก๊สผสมระหว่างไนโตรเจนกับฮีเลียมไหลผ่าน (เครื่อง TPX ใช้วิธีนี้)

๓.๓ การทำสุญญากาศ (ร่วมกับการให้ความร้อนแก่ตัวอย่าง) เป็นวิธีที่ให้ความมั่นใจได้ว่าสามารถดึงเอาแก๊สต่าง ๆ ที่อยู่ในรูพรุนออกมาได้หมด เพราะเครื่องจะคอยวัดความดันในระบบว่าลดต่ำลงได้เท่าใด ตราบเท่าที่ยังคงมีแก๊สอยู่ในรูพรุน ความดันของระบบก็จะไม่ลดต่ำลงจนถึงค่าที่กำหนดไว้

๓.๔ ส่วนการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างในภาวะที่มีแก๊สไนโตรเจนหรือแก๊สผสมระหว่างไนโตรเจนกับฮีเลียมไหลผ่าน เราไม่ทราบได้ว่าต้องใช้เวลานานเท่าใดจึงจะดึงเอาแก๊สที่ไม่ใช่ไนโตรเจนหรือแก๊สที่มีจุดเดือดสูงกว่าไนโตรเจนออกมาจากรูพรุนได้หมด เพราะเวลาดังกล่าวขึ้นกับขนาดรูพรุนและพื้นที่ผิวของตัวอย่าง ตัวอย่างที่มีรูพรุนขนาดเล็กและพื้นที่ผิวมากต้องใช้เวลาในการไล่ที่นานมากขึ้น

การหาค่าเวลาที่เหมาะสมดังกล่าวทำได้โดยการทดลองใช้เวลาไล่แก๊สนานแตกต่างกัน (เช่น 2 ชั่วโมง 4ชั่วโมง และ 6 ชั่วโมง) แล้ววัดพื้นที่ผิว โดยหลักการแล้วถ้าใช้เวลานานเท่าใดก็จะยิ่งไล่แก๊สออกจากรูพรุนได้มากขึ้น ค่าพื้นที่ผิวที่คำนวณได้จะสูงขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อใช้เวลาในการไล่นานขึ้นจนถึงระดับสูงสุด จากประสบการณ์ที่เคยผ่านมา ตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวต่ำนั้นอาจใช้เวลาไล่แก๊สเพียงแค่ 2 ชั่วโมงก็พอ แต่ตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูง (ตังแต่ 200 ตารางเมตรต่อกรัมขึ้นไป) อาจต้องใช้เวลาในการไล่แก๊สอย่างน้อย 6 ชั่วโมง จึงจะได้ค่าที่วัดได้จากเครื่อง TPX เหมือนกับค่าที่วัดได้จากเครื่อง ASAP ดังนั้นการที่กำหนดไว้เป็นสิ่งตายตัวในคู่มือที่ลอกต่อ ๆ กันมาว่าให้ไล่น้ำเพียงแค่ 1 หรือ 2 ชั่วโมงก็พอนั้นจึงเป็นสิ่งที่ผิด

๔. เวลาที่สารตัวอย่างออกจากคอลัมน์ของเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ

๔.๑ สำหรับคอลัมน์หนึ่ง ๆ นั้น ระยะเวลาที่สารตัวอย่างออกจากคอลัมน์ของเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟจะขึ้นอยู่กับ

(ก) อัตราการไหลของ carrier gas และ

(ข) อุณหภูมิที่ทำการแยก

๔.๒ เนื่องจากเครื่องที่เราใช้นั้นต้องทำการฉีดด้วยมือ และต้องทำการกดอินทิเกรเตอร์ให้ทำงานเอง ดังนั้นเวลาที่พีคออกมาจากคอลัมน์จึงมีความคลาดเคลื่อนในระดับหนึ่ง ซึ่งเราหาเวลาที่คลาดเคลื่อนนี้ได้โดยการทดลองฉีดสารมาตรฐานเข้าไปหลาย ๆ ครั้ง แล้วดูว่าเวลาที่สารตัวอย่างออกมานั้นอยู่ในช่วงใด

๔.๓ อีกวิธีการหนึ่งที่ช่วยได้คือแทนที่จะทำการฉีดสารมาตรฐานเข้าไปเพียงสารเดียว ก็ให้ทำการฉีดสารผสมของสารมาตรฐานเข้าไป (เช่นฉีดสารผสมระหว่าง เบนซาลดีไฮด์ ออโธครีซอล และพาราครีซอล) แล้ววัดระยะห่างของพีคสารมาตรฐานแต่ละพีค

๔.๔ ปัญหาที่ "สงสัย" ว่าวิระยะกำลังประสบอยู่และกำลังรอการทดสอบคือในการวิเคราะห์แต่ละครั้ง (โดยเฉพาะการฉีดสารตั้งแต่ครั้งที่ 2 เป็นต้นไป) คอลัมน์ทำงานที่อุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกันเล็กน้อย

๔.๕ อุณหภูมิที่ส่งผลต่อเวลาที่สารออกมาจากคอลัมน์นั้นคือ "อุณหภูมิคอลัมน์" ซึ่งเป็นอุณหภูมิของตัวคอลัมน์ที่ใช้แยกสารหรืออุณหภูมิของ packing ที่บรรจุอยู่ในคอลัมน์นั้น แต่ไม่มีเครื่อง GC เครื่องไหนที่ทำการวัดอุณหภูมินี้โดยตรง สิ่งที่เครื่อง GC วัดคืออุณหภูมิของ "อากาศ" ที่อยู่ล้อมรอบหรือ "อุณหภูมิ oven" นั่นเอง โดยใช้ข้อสมมุติว่าที่ภาวะคงตัวอุณหภูมิของคอลัมน์จะเท่ากับอุณหภูมิของ oven ทำให้บางทีตัวเครื่องแทนที่จะบอกว่าอุณหภูมิที่แท้จริงที่วัดนั้นเป็นอุณหภูมิของ oven เครื่องกลับบอกว่าเป็นอุณหภูมิคอลัมน์แทน (ซึ่งในความเป็นจริงไม่ใช่เช่นนั้น)

๔.๖ สิ่งที่สงสัยคือหลังจากสิ้นสุดการวิเคราะห์ครั้งหนึ่งแล้ว (คือหลังจากที่เราเพิ่มอุณหภูมิคอลัมน์สูงไปถึง 230 องศาเซลเซียส) ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์ครั้งต่อไปเราต้องลดอุณหภูมิคอลัมน์ลงมาให้อยู่ที่อุณหภูมิเริ่มต้นใหม่ (ที่ 80 องศาเซลเซียส) ในการลดอุณหภูมิคอลัมน์นั้นเราใช้วิธีการระบายอากาศร้อนที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์ออกไป (เช่นโดยการเปิดประตู oven) แล้วให้ตัวคอลัมน์เองระบายความร้อนออกสู่อากาศเย็นที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์ ดังนั้นคอลัมน์จะเย็นตัวช้ากว่าอากาศที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์

๔.๗ แต่เนื่องจากเทอร์โมคับเปิลนั้นวัดอุณหภูมิของอากาศที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์ (ก็คืออุณหภูมิ oven นั่นเอง) ดังนั้นแม้ว่าอุณหภูมิอากาศที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์จะลดลงเหลือ 80 องศาเซลเซียสแล้วก็ตาม แต่อุณหภูมิตัวคอลัมน์จะยังคงสูงกว่า 80 องศาเซลเซียส (เพราะคอลัมน์มีน้ำหนักมากกว่าและมีความจุความร้อนมากกว่าด้วย) ดังนั้นแม้ว่าตัวเครื่องจะบอกว่าอุณหภูมิใน oven (ซึ่งบางทีตัวเครื่องกลับบอกว่าเป็นอุณหภูมิคอลัมน์ ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงมันไม่ใช่ดังที่อธิบายไว้ในข้อ ๔.๕) คงที่ที่ 80 องศาเซลเซียสแล้ว แต่อุณหภูมิคอลัมน์อาจจะยังสูงกว่า 80 องศาเซลเซียสก็ได้

๔.๘ สิ่งที่ได้บอกให้ทำคือให้ลดอุณหภูมิ oven ให้ต่ำกว่า 80 องศาเซลเซียสก่อน เพื่อให้มั่นใจว่าคอลัมน์เย็นตัวลงจนมีอุณหภูมิต่ำกว่า 80 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงค่อยเพิ่มอุณหภูมิคอลัมน์กลับไปที่อุณหภูมิเริ่มต้น 80 องศาเซลเซียสใหม่ แล้วทำการฉีดสารผสมของสารมาตรฐานเข้าไป (สารผสมระหว่างเบนซาลดีไฮด์กับครีซอล) จากนั้นดูว่าพีคของสารที่ออกมานั้นคลาดเคลื่อนไปมากน้อยเพียงใด ผมสงสัยว่าถ้าเกิดปัญหาก็น่าจะเห็นเด่นชัดเกิดกับพีคที่ออกมาที่อุณหภูมิต่ำ

๕. การเตรียมกรดเจือจางจากกรดเข้มข้น

๕.๑ กรดเข้มข้นที่ขายกันนั้นมีความเข้มข้นอยู่ในช่วงที่กำหนดไว้ เช่นกรดเกลือเข้มข้นที่ขายกันอาจมีความเข้มข้นอยู่ในช่วง 35-37 wt% ขึ้นอยู่กับลอตที่ทำการผลิต ดังนั้นความเข้มข้นที่อยู่ที่ฉลากข้างขวดจึงเป็นความเข้มข้นโดยประมาณ เมื่อนำมาใช้คำนวณความเข้มข้นของสารละลายกรดเจือจางที่เตรียมได้ ความเข้มข้นของสารละลายกรดเจือจางที่คำนวณได้จึงเป็นความเข้มข้นโดยประมาณ

๕.๒ การนำกรดเข้มข้นในปริมาตรน้อย ๆ มาเจือจางให้ได้ความเข้มข้นต่ำที่ต้องการในขั้นตอนเดียวนั้นจะเกิดความคลาดเคลื่อนได้สูง เพราะอุปกรณ์วัดปริมาตรแต่ละชนิดมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในตัวมันเอง ด้วยความเข้มข้นที่สูงของกรดเข้มข้น ดังนั้นปริมาตรกรดเข้มข้นที่ผิดพลาดไปเพียงเล็กน้อยจึงทำให้ความเข้มข้นของกรดเจือจางที่เตรียมได้ผิดพลาดไปได้อย่างมีนัยสำคัญ ความเข้มข้นที่แท้จริงของกรดเจือจางที่เตรียมจากกรดเข้มข้นจึงต้องหาจากการไทเทรตกับสารมาตรฐาน

๕.๓ เรื่องอุปกรณ์การวัดปริมาตรได้กล่าวไว้ใน MO Memoir 2551 Aug 16 Sat การวัดปริมาตรของเหลว (ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๕) เอาไว้แล้ว ขอให้ศึกษาด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้ graduate pipette ในการวัดปริมาตร