ข้อพึงระวังในการแปลผลการทดลอง MO Memoir : Thursday 13 March 2557

เมื่อวานได้รับมอบหมายให้เป็นกรรมการให้คะแนนบอร์ดซีเนียร์โปรเจค ได้เห็นผลการทดลองต่าง ๆ ที่น่าสนใจ และควรต้องใช้ความระมัดระวังมากในการแปลผล ก็เลยขอนำมาเล่าสู่กันฟัง

เรื่องที่ ๑ พีคอยู่ตรงไหน

ในงานด้าน spectroscopy นั้น ขนาดของพีค (ความสูงหรือความกว้าง) จะบ่งบอกให้ทราบถึงปริมาณสารได้ กล่าวคือถ้ามีสารนั้นมาก ก็จะเห็นพีคการดูดกลืนแสงของสารนั้นมากตามไปด้วย
 

แต่สิ่งที่ต้องระวังก็คือ "ความเข้มของการดูดกลืน" หรือปริมาณแสงที่หายไป กับ "ปริมาณสาร" นั้นไม่จำเป็นต้องแปรผันเป็นเส้นตรง มันขึ้นอยู่กับหน่วยที่ใช้แสดงการวัดปริมาณแสงที่หายไป และช่วงความเข้มข้นของสาร
 

อีกประเด็นหนึ่งก็คือสัญญาณในบางช่วงความยาวคลื่นนั้นมันมีการทับซ้อนกันมาก โดยเฉพาะพื้นผิวของแข็ง และเมื่อพีคนั้นมีขนาดเล็ก ยิ่งต้องระวังมากในการ (ก) แยกว่าพีคที่เห็นนั้นคือสัญญาณการดูดกลืนหรือสัญญาณรบกวน (noise) และ (ข) ระดับของเส้น base line นั้นอยู่ตรงไหน

รูปในหน้าที่แล้วเป็นรูปสัญญาณ FT-Raman โดยปรกติแล้วสัญญาณ Raman จะแสดงความยาวคลื่นที่ "เปลี่ยน หรือ shift" ไปจากความยาวคลื่นที่ยิงเข้าใส่ตัวอย่าง โดยมักจะแสดงความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นแกน x จึงไม่ใช่ความยาวคลื่นที่แท้จริงของแสงที่วัดได้ ความยาวคลื่นที่แท้จริงของแสงที่วัดได้จะคำนวณได้จากค่าความยาวคลื่นแสงที่ยิงเข้าไป และนำค่า Raman shift นี้ไปปรับแก้
 

อีกประเด็นที่ต้องระวังในการพิจารณาคือ การใช้ "อัตราส่วน" ในการแสดงปริมาณสัมพัทธ์ระหว่างสารสองชนิด เพราะถ้าหากตัวหารมีค่าน้อยแล้ว ตัวเลขค่าอัตราส่วนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แม้ว่าขนาดตัวหารจะเปลี่ยนไปเพียงเล็กน้อยก็ตาม
 

เรื่องข้อควรคำนึงในการอ่านผล spectroscopy นี้เคยเล่าไว้บ้างแล้วก่อนหน้านี้ใน Memoir

ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๗๐ วันพุธที่ ๒๗ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติตอนที่ ๓๗ NoiseหรือPeak"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๘ วันเสาร์ที่ ๒๒ กันยายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "ความสัมพันธ์ระหว่างค่าการดูดกลืนแสง(Absorbance)กับความเข้มข้น" และ

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๖๖ วันศุกร์ที่ ๑๓ กันยายน พ.ศ. ๒๕๕๖ เรื่อง "ค่าsignalto noise ratio ที่ต่ำที่สุด"

เรื่องที่ ๒ เริ่มนับ conversion ที่ตรงไหนดี

รูปข้างล่างเป็นผลการทดลองใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ในการกำจัด Methylene blue ที่ละลายอยู่ในน้ำ ในการทดลองนั้นผู้ทดลองนำตัวเร่งปฏิกิริยาใส่ลงในภาชนะที่มีสารละลาย Methylene blue อยู่ (เริ่มจับเวลาตำแหน่ง 0 นาที) แล้วทำการปั่นกวนในที่มืดเป็นเวลา 15 นาที (ถึงเวลา 15 นาที) จากนั้นจึงเปิดหลอดไฟให้แสง และเริ่มเก็บตัวอย่างสารละลายมาวัดความเข้มข้นของ Methylene blue ด้วยเทคนิคทางด้าน spectrometer ตัวเร่งปฏิกิริยา P25 คือตัวที่ใช้เป็นตัวเปรียบเทียบ
 

สิ่งที่น่าสนใจของผลการทดลองนี้ก็คือการหายไปของ Methylene blue ในช่วง 15 นาทีแรกที่ยังไม่มีการใช้แสง ซึ่งต้องอธิบายให้ได้ว่าเกิดจากสาเหตุใด เพราะ Methylene blue ส่วนใหญ่หายไปในช่วงเวลาอันสั้นนี้เมื่อเทียบกับช่วงเวลา 90 นาทีของการทำปฏิกิริยา (นาทีที่ 15-105) และทำไมเมื่อเปิดให้แสงแล้วอัตราการหายไปของ Methylene blue จึงลดลง
 

ในเรื่องนี้ดูเหมือนว่าผู้ทำการวิจัยจะไม่ได้คำนึงถึงเรื่อง "การดูดซับ" ของ Methylene blue บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ซึ่งปริมาณที่ตัวเร่งปฏิกิริยาจะดูดซับได้นั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของพื้นที่ผิวและขนาดพื้นที่ผิว แต่เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำมาทดสอบนั้นจัดว่าเป็นตระกูลเดียวกัน ดังนั้นความสามารถในการดูดซับของพื้นที่ผิวจึงไม่ควรจะแตกต่างกัน สิ่งที่ทำให้ปริมาณที่ดูดซับได้นั้นแตกต่างกันน่าจะเป็น "ขนาดพื้นที่ผิว" มากกว่า โดยในช่วง 15 นาทีแรกนั้น Methylene blue จะหายไปด้วยการถูกพื้นผิวดูดซับเอาไว้ (จะอิ่มตัวหรือยังยังไม่อาจทราบได้ ต้องทำการทดสอบด้วยการปั่นกวนในที่มืดนานเป็นเวลาต่าง ๆ กัน แล้วนำเอาสารละลายมาวัดความเข้มข้น Methylene blue ที่เหลือ) ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหนมีพื้นที่ผิวมากกว่า ก็ทำให้ Methylene blue หายไปได้มากกว่าในช่วง 15 นาทีแรก
 

ดังนั้นถ้าจะวัดความสามารถในการกำจัด Methylene blue ด้วยแสงของตัวเร่งปฏิกิริยาแล้ว ก็ควรที่จะพิจารณาจากตำแหน่งนาทีที่ 15 ออกมา (ใช้ค่าความเข้มข้นที่ตำแหน่งนาทีนี้เป็นฐาน) ซึ่งถ้ามองภาพจากตรงจุดนี้แล้วจะเห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จำนวน 4 ตัวนั้น มีความว่องไวพอ ๆ กัน (ความสูงของเส้นลูกศรสีเหลืองกับสีส้มพอ ๆ กัน) โดยมีความว่องไวสูงกว่า P25เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

เรื่องการดูดซับสารตั้งต้นบนผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนที่ส่งผลต่อค่า conversion ที่ได้นั้นเคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๕ วันพุธที่ ๑๔ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "อุณหภูมิและการดูดซับ"

เรื่องที่ ๓ ESR วัดอะไร

ESR ย่อมาจาก Electron spectroscopy resonance หรืออีกชื่อคือ EPR ซึ่งย่อมาจาก Electron paramagnetic resonance เทคนิคนี้เป็นการวัดการมีอยู่ของ "อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ หรือ unpaired electron"
 

อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ในที่นี้คืออิเล็กตรอนที่อยู่ใน orbital ที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ตรงนี้อย่าไปสับสนกับ "อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว หรือ lone pair electron" ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ใน orbital ที่มีอิเล็กตรอนครบ 2 ตัว แต่ไม่ได้สร้างพันธะทางเคมีกับใคร อิเล็กตรอนไม่มีคู่นี้พบได้ในสารอินทรีย์ที่อยู่ในรูปของอนุมูลอิสระ (free radical) หรือไอออนของโลหะทานซิชันบางตัว (ขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดชันของไอออนนั้นด้วย)
 

ประเด็นที่ต้องทำความเข้าใจก็คือ เทคนิค ESR นั้นเป็นเทคนิคที่มี "ความว่องไวสูง" และ "ไม่ใช่ surface technique" ถ้าตัวอย่างให้สัญญาณ ESR แสดงว่าตัวอย่างนั้นมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ส่วนอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่นั้นมาจากไหน หรือในกรณีของสารประกอบโลหะออกไซด์นั้นจำนวนที่เห็นจะส่งผลต่อโครงสร้างและหน้าที่การทำงานของสารประกอบโลหะออกไซด์นั้นหรือไม่ ต้องพิจารณาเป็นราย ๆ ไป เพราะมันเป็นไปได้ที่อาจจะมีไอออนของโลหะที่มีเลขออกซิเดชันที่ให้สัญญาณ ESR แต่ไม่ได้มีปริมาณที่มากพอที่จะส่งผลกระทบใด ๆ อย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างและหน้าที่การทำงานของสารประกอบโลหะออกไซด์ตัวนั้น
 

อีกประเด็นที่สำคัญคือ การที่สารประกอบโลหะออกไซด์ตัวหนึ่งมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ทำให้จำนวน lattice oxygen (O^2-) ของโครงร่างผลึกเปลี่ยนไป ก็ไม่ได้หมายความว่าจะต้องให้สัญญาณ ESR ตรงนี้มันขึ้นอยู่กับชนิดของสารประกอบโลหะออกไซด์นั้น เพราะแม้ว่าการเปลี่ยนจำนวน lattice oxygen จะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนเลขออกซิเดชันของของไอออนบวกของโลหะก็ตาม แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าเมื่อเลขออกซิเดชันของไอออนบวกของโลหะเปลี่ยนไป จะต้องให้สัญญาณ ESR เพราะตรงนี้มันขึ้นอยู่กับว่าเป็นการเปลี่ยนจากเลขออกซิเดชันไหนไปเป็นเลขไหน
 

การที่ไปสรุปว่าการเกิดสัญญาณ ESR นั้นแสดงให้เห็นว่าเกิด oxygen vacancy นั้นจึงเป็นการ "ด่วนสรุป" มากไปหน่อย โดยเฉพาะกรณีของตัวอย่างที่มีทั้งสารประกอบโลหะออกไซด์ และสารอินทรีย์ เพราะสัญญาณ ESR ที่เห็นอาจมาจากตัวสารอินทรีย์เองก็ได้
 

อีกประเด็นที่ต้องทำความเข้าใจคือ ESR "ไม่ใช่ surface technique" มันวัดได้แม้แต่ตัวอย่างที่เป็นแก๊สหรือของเหลวที่บรรจุอยู่ใน cell บรรจุตัวอย่าง การวัดพวก surface technique นั้นจะทำการวัดกับผิวตัวอย่างโดยตรงโดยไม่ผ่านผนังภาชนะบรรจุตัวอย่าง ดังนั้นเมื่อตัวอย่างเปลี่ยนจากการที่ไม่ให้สัญญาณ ESR มาเป็นให้สัญญาณ ESR ก็ไม่ได้หมายความว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นต้องอยู่ที่ surface

เรื่องการด่วนสรุปโดยใช้ผล ESR นี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๓ วันอาทิตย์ที่ ๑๓ มกราคม พ.ศ. ๒๕๕๖ เรื่อง "ความเห็นที่ไม่ลงรอยกับโดเรมี่" และเมื่อไม่นานมานี้คือปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๖๔ วันพุธที่ ๕ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๗ เรื่อง "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส๕๕ (ตอนที่๓๒)" (เอกสารแจกจ่ายเป็นการภายใน)

เรื่องที่ ๔ เป็นไปตามจุดเดือด

ปฏิกิริยานี้ดำเนินที่อุณหภูมิห้อง (เข้าใจว่าอย่างนั้น) เป็นปฏิกิริยาการกำจัดสารอินทรีย์ที่ระเหยได้ในอากาศ สิ่งที่ต้องคำนึงให้มากในการเก็บตัวอย่างก็คือ สารตัวอย่างที่เก็บนั้นมีการควบแน่นหรือดูดซับบนภาชนะของอุปกรณ์ที่ใช้ในการทำการทดลองและเก็บตัวอย่างหรือไม่
 

โดยปรกติแล้วถ้าไม่ใช่การดูดซับทางเคมี ถ้าอุณหภูมิของระบบสูงกว่าจุดเดือดของสาร เราพอจะถือได้ว่าสารนั้นจะอยู่ในเฟสแก๊ส การเก็บตัวอย่างสารที่ปรกติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง แต่มีการระเหยเป็นไอบางส่วนมาอยู่ในเฟสแก๊สนั้น ต้องคำนึงตรงจุดนี้ด้วย เพราะถ้าอุปกรณ์ที่ใช้เก็บตัวอย่างนั้นมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิระบบ สารที่เป็นไอในระบบ เมื่อถูกดูดเข้ามาในอุปกรณ์เก็บตัวอย่าง ก็สามารถเกิดการควบแน่นบนพื้นผิวอุปกรณ์เก็บตัวอย่างได้ ทำให้ความเข้มข้นของสารในแก๊สที่เก็บมานั้นต่ำกว่าแก๊สที่อยู่ในระบบ
 

สำหรับการทดลองในระบบที่เป็นแก๊สที่อุณหภูมิต่ำ กับสารที่มีจุดเดือดสูงกว่าอุณหภูมิห้อง สิ่งที่ต้องคำนึงให้มากก็คือการดูดซับของตัวอย่างบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งสารที่มีจุดเดือดสูง และตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีพื้นผิวสูง ก็จะดูดซับสารตัวอย่างเอาไว้ได้มาก ทำให้เห็นสารตัวอย่างนั้นผ่านระบบได้น้อย แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้น "มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา" สูง แต่มันมี "ความสามารถในการดูดซับ" ได้สูงต่างหาก
 

อย่างเช่นข้อมูลในตารางข้างล่างมันก็ไม่แปลกถ้าจะบอกว่าที่เห็น xylene หายไปเยอะกว่า toluene และ toluene หายไปเยอะกว่า benzene ก็เพราะจุดเดือดของ xylene (138-144ºC) สูงกว่าจุดเดือดของ toluene (111ºC) และจุดเดือดของ toluene ก็สูงกว่าจุดเดือดของ benzene (80ºC)
 

ที่อุณหภูมิห้องความดันไอของ xylene ก็ต่ำอยู่แล้ว พอมีสารดูดซับร่วมด้วยความเข้มข้นในเฟสแก๊สก็เลยลดน้อยลงไปอีก

เรื่องที่ ๕ รีดิวซ์หมดแล้วเหรอ

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ หรือโลหะบนตัวรองรับนั้น จะเตรียมขึ้นมาในรูปของสารประกอบโลหะออกไซด์ก่อน เมื่อบรรจุเข้าเครื่องปฏิกรณ์แล้วจึงค่อยทำการรีดิวซ์ (ปรกติก็ใช้แก๊สไฮโดรเจน) ให้กลายเป็นโลหะ อุณหภูมิที่ใช้ในการรีดิวซ์นี้ก็ขึ้นกับชนิดของสารประกอบโลหะออกไซด์ ถ้าอุณหภูมิสูงไม่มากพอ หรือสูงมากพอแต่เวลาไม่นานพอ ก็ไม่สามารถรีดิวซ์สารประกอบโลหะออกไซด์ให้กลายเป็นโลหะได้
 

วิธีการหนึ่งที่จะทำให้เรารู้ได้ว่าควรใช้อุณหภูมิเท่าใดในการรีดิวซ์สารประกอบโลหะออกไซด์ตัวนั้นก็คือการใช้เทคนิค Temperature programmed reduction (TPR) ด้วยแก๊สไฮโดรเจน แล้วจึงใช้ข้อมูลนั้นมาพิจารณาว่าควรจะใช้อุณหภูมิรีดิวซ์เท่าใด
 

อย่างเช่นในกรณีผล TPR ในรูปที่นำมาแสดงนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนการใช้งานนั้นจะถูกรีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 350ºC แต่เมื่อนำตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวไปวิเคราะห์ด้วยเทคนิค TPR พบว่ามีส่วนของสารประกอบโลหะออกไซด์ที่ต้องใช้อุณหภูมิในการรีดิวซ์สูงกว่า 350ºC ดังนั้นมันจึงทำให้เกิดคำถามขึ้นได้ว่า
 

ในงานนี้ยังมีอีกประเด็นที่ต้องคำนึงคือ อุณหภูมิที่ใช้ในการเผาตัวเร่งปฏิกิริยา (calcination) (500ºC) ในกระบวนการเตรียมนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา (700ºC) ดังนั้นเมื่อนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้นไปใช้งาน โครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงได้อีก ทำให้โครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้จากการเตรียมและในขณะใช้งานนั้นแตกต่างกันได้ ผลการวิเคราะห์คุณสมบัติตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้นอาจไม่ได้สื่อถึงคุณสมบัติตัวเร่งปฏิกิริยาในขณะใช้งานจริงก็ได้

เรื่องที่ ๖ ใส่สีให้มัน มันก็มีสี

ตัวเร่งปฏิกิริยาพวก photocatalyst เช่น TiO₂ (anatase) นั้นมักจะดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงอัลตร้าไวโอเล็ต และเนื่องจากมันไม่ดูดกลื่นคลื่นแสงในช่วงตามองเห็น (visible light) จึงทำให้เราเห็นมันมีสีขาว มีความพยายามอยู่เหมือนกันที่จะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ทำงานได้ด้วยการดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงตามองเห็นด้วยการเติมสารต่าง ๆ เข้าไป และก็แน่นอนว่าถ้าเราเติมสารที่นั้นเป็นสารที่มีสี มันก็จะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้นั้นมีการดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงตามองเห็นด้วย (ตรงนี้พึงระลึกว่าสีที่เรามองเห็นคือสีที่ไม่ถูกดูดกลืน) แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นสามารถนำพลังงานของคลื่นแสงในช่วงตามองเห็นที่ดูดกลืนเข้าไปนั้นไปใช้งานได้
 

อย่างเช่นในกรณีของการผสมสารอินทรีย์เข้าไปใน TiO₂ (anatase) ที่มีสีขาว และเมื่อนำไปเผาแล้วทำให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยา TiO₂ ที่มีสีน้ำตาล สีน้ำตาลนี้เกิดจากการดูดกลืนแสงของสารอินทรีย์ที่เกิดจากการสลายตัวของสารเติมเข้าไปและตกค้างอยู่หลังการเผา ดังนั้นเมื่อนำ TiO₂ ที่มีสารอินทรีย์ตกค้างอยู่นี้ไปวัดการดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงตามองเห็น เราก็จะเห็นมันดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงตามองเห็นตลอดทั้งช่วงคลื่น (ดังเช่นในรูปข้างล่าง) แต่มันก็ไม่ได้หมายความว่า TiO₂ ที่ได้นี้จะสามารถทำงานได้ด้วยการใช้พลังงานแสงในช่วงตามองเห็น

เรื่องที่ ๗ อุณหภูมิเริ่มต้นเดียวกัน

ในระหว่างการเผาสารตัวอย่างนั้น สารตัวอย่างนั้นอาจมีน้ำหนักเปลี่ยนไป เช่นลดลง เนื่องจากการสลายตัวของสารตัวอย่าง ประเด็นที่ต้องคำนึงก็คือในการสลายตัวของสารตัวอย่างนั้น แก๊สที่ไหลผ่านสารตัวอย่างจำเป็นต้องเข้ามาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างหรือไม่ เพื่อให้สารตัวอย่างสลายตัวกลายเป็นแก๊ส
 

ในกรณีที่การสลายตัวของสารตัวอย่างนั้นเกิดจากสารตัวอย่างเอง รูปร่างและขนาดของตัวอย่างที่ทำการเผาจะไม่ส่งผลต่ออัตราการลดลงของน้ำหนักของสารตัวอย่างเท่าใดนัก แต่ในกรณีที่สารตัวอย่างจำเป็นต้องมีการทำปฏิกิริยากับแก๊สที่ไหลผ่านเพื่อให้สลายตัวกลายเป็นแก๊ส พื้นที่ผิวสัมผัสของสารตัวอย่าง (ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของตัวอย่างที่เผา) จะมีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าน้ำหนักของสารตัวอย่างนั้นจะลดลงช้า-เร็วเพียงใด ถ้าเรานำเอาตัวอย่างชนิดเดียวกันแต่มีรูปร่างต่างกันมาเผา สิ่งที่เราจะเห็นได้ก็คืออุณหภูมิเริ่มต้นการสลายตัวนั้นจะเป็นอุณหภูมิเดียวกัน (ก็เพราะมันเป็นสารชนิดเดียวกัน) แต่อัตราการลดลงของน้ำหนักนั้นแตกต่างกัน (เพราะมันมีพื้นที่ผิวสัมผัสที่ไม่เท่ากัน)
 

เรื่องการหายไปของน้ำหนักระหว่างการเผานี้เคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๗ วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤศจิกายน พ.ศ. ๒๕๕๒ เรื่อง "น้ำหนักหายได้อย่างไร"

หมู่ทำให้เกิดสี (chromophore) และหมู่เร่งสี (auxochrome) MO Memoir : Sunday 20 October 2556

"อาจารย์ตอบเหมือนกับที่โปรเฟสเซอร์ต่างประเทศเขาตอบเลย"

นิสิตป.เอกผู้นั้นพูดกับผม ระหว่างการสนทนาหลังการสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ของเขา

วันนั้นผมได้พบกับเขาหลังจากที่เขาเสร็จสิ้นการสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ของเขา ผมเองไม่ใช่กรรมการสอบของเขาหรอก เพียงแต่ว่ารู้จักกันมาหลายปี เขาเองก็แอบ ๆ มาปรึกษาปัญหาเรื่องการทำการทดลองกับผมก็หลายครั้ง (เขาทำการทดลองกับบริษัท) ก็เลยถามสารทุกข์สุขดิบกันหน่อย ปฏิกิริยาของเขานั้นเป็นการเติมไฮโดรเจนไปที่สารประกอบตัวหนึ่ง บังเอิญว่ามีการพบว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีการเปลี่ยนสีจากสีขาวไปเป็นสีอื่น อันนี้เป็นปัญหาหนึ่งที่เขาตอบกรรมการไม่ได้ ทางอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์หลักก็บอกให้เขาไปหา paper มาอธิบาย แต่ทางอาจารย์จากต่างประเทศ (ที่เชิญมาเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาร่วมและได้เดินทางมาสอบด้วย) กลับบอกว่าไม่ต้อง พร้อมทั้งอธิบายว่าการเกิดสีนั้นเกิดได้อย่างไร
  

หลังการสอบนิสิตผู้นั้นก็ได้เอาคำถามนั้นมาถามผม ผมก็ตอบกลับไปว่าเรื่องนี้มันมีอยู่ในตำราอินทรีย์เคมีอยู่แล้ว ไม่ต้องไปหา paper อะไรมายืนยัน ถ้ามีความรู้พื้นฐานเคมีอินทรีย์บ้างสักหน่อยก็ตอบได้แล้ว มันอยู่ในเรื่อง chromophore และ auxochrome ผมก็บอกเขาไปว่าคุณก็ต้องไปดูว่าสารตั้งต้นของคุณมีหมู่ฟังก์ชันอะไร และในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นหมู่ฟังก์ชันต่าง ๆ เหล่านั้นสามารถเปลี่ยนไปเป็นหมู่ใดได้ (ต้องพิจารณาปฏิกิริยาข้างเคียงประกอบด้วย) และถ้าหมู่เหล่านั้นมันเป็น chromophore (หรือ auxochrome) มันก็ทำให้สีของสารของคุณนั้นเปลี่ยนแปลงไปได้

ที่น่าแปลกคือนิสิตบัณฑิตศึกษาส่วนใหญ่ในภาคของเราศึกษาปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับเคมีอินทรีย์ แต่ในวิชาสัมมนาพอถามคำถามพื้นฐานเกี่ยวข้องกับเคมีอินทรีย์ที่ใช้อธิบายผลการทดลองของเขาได้ กลับตอบไม่ได้ (เกือบ) ทุกราย จะอธิบายอะไรแต่ละทีก็บอกแต่ว่า paper เขาว่ามา หรือแม้แต่ตัวอาจารย์ที่ปรึกษาเองก็มักจะใช้วิธีบอกว่า paper เขาว่ามา ทั้งนี้อาจเป็นเพราะคิดไปเองว่าไม่ได้เรียนจบมาทางสายวิทยาศาสตร์โดยตรง ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องรู้เคมีอินทรีย์ให้ดี เรื่องนี้มันก็พอจะรับได้อยู่หรอกถ้าทำหน้าที่เป็น "วิศวกร" ควบคุมการก่อสร้างหรือการผลิต แต่ไม่เหมาะกับคนที่จะหน้าที่เป็น "นักวิจัย"

และสำหรับคนที่ชอบตอบคำถามแบบ "paper เขาว่ามา" เป็นประจำผมว่าอย่าเรียกตนเองว่าเป็น "Researcher" หรือ "นักวิจัย" เลย เรียกว่าเป็น "Messenger" หรือ "พนักงานส่งเอกสาร" น่าจะตรงกว่า เพราะทำเพียงแค่เอาข้อมูลของคนหนึ่งไปให้อีกคนหนึ่ง โดยที่ตัวเองเป็นคนอยู่ตรงกลางและไม่รู้เรื่องรู้ราวอะไรเลยเกี่ยวกับข้อมูลนั้นเลย

และเมื่อต้นสัปดาห์ที่แล้ว ก็มีนิสิตป.ตรีคนหนึ่งมาคุยกับผมเรื่องสีของสารเคมี คือเขาทำโครงงานเกี่ยวกับการฟอกสี methylene blue ในน้ำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสง เขาบอกว่ามีอะไรที่มันคาใจอยู่หลายอย่าง ผมก็บอกเขาไปว่าถ้าไม่อยากมีงานเพิ่มก็ให้มันคาใจไปอย่างนั้นแหละ เอาเวลาไปทำวิชาอื่นดีกว่า (เทอมหน้ายังมีการบ้านรออยู่อีกเยอะ) แต่เรื่องนี้ผมเคยเขียนเอาไว้แล้วในเรื่อง "สีหายไม่ได้หมายความว่าสารหาย" (Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๓ วันพฤหัสบดีที่ ๘ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๕๔) ถ้าอยากรู้ก็ให้ลองไปอ่านดูเอาเอง อาจจะพอช่วยให้หายข้อข้องใจบางข้อได้
 

อีกเรื่องหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้คือ "พอลิเมอร์นำไฟฟ้า" (อ่านมาถึงตรงนี้คงจะงงนะว่ามันเกี่ยวข้องกันได้อย่างไร แต่จะว่าไปแล้วมันมีพื้นฐานร่วมกันอยู่) ที่มันมักจะมีสี (มันไม่มีสีขาว)
 

ดังนั้นก่อนจะเข้าสู่เรื่องโครงสร้างของสารอินทรีย์ที่ทำให้เกิดสี เราลองมาทบทวนพื้นฐานกันสักหน่อยว่าสารต่าง ๆ นั้นมันมีสีได้อย่างไร ผมเองก็ไม่ได้รู้เรื่องราวเหล่านี้ลึกซึ้งเท่าใดหรอก เพียงแต่รู้ว่ารายละเอียดต่าง ๆ เกี่ยวกับเรื่องเหล่านี้ควรไปศึกษาเพิ่มเติมจากที่ไหนแค่นั้นเอง Memoir อีก ๒ ฉบับที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้คือ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๙ วันจันทร์ที่ ๒๔ กันยายน พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "การดูดกลืนแสงสีแดง" และ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๑๘ วันศุกร์ที่ ๑๒ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "Conjugated double bonds กับ Aromaticity"

แสงจากดวงอาทิตย์ในช่วงที่ตามองเห็นนั้นประกอบด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน แต่ละช่วงความยาวคลื่นก็ให้สีที่ดวงตาของคนเรารับรู้ได้ที่แตกต่างกัน การที่เรามองเห็นสิ่งใดนั้นเป็นเพราะมีแสงไปตกกระทบวัตถุชิ้นนั้น (แสงในที่นี้คือแสงสีขาวที่เทียบเท่าแสงอาทิตย์ หรือแสงอาทิตย์) แล้ววัตถุนั้นก็สะท้อนแสงมายังดวงตาของเรา ถ้าหากแสงที่สะท้อนมายังดวงตาของเรานั้นมีครบทุกความยาวคลื่น เราก็จะเห็นวัตถุนั้นมีสีขาว
 

ในทางตรงกันข้ามถ้าวัตถุนั้นดูดกลืนคลื่นแสงได้ทุกช่วงความยาวคลื่น เราก็จะเห็นวัตถุนั้นมีสีดำ แต่ถ้าวัตถุนั้นดูดกลืนคลื่นแสงเพียงบางช่วงความยาวคลื่น เราก็จะมองเห็นวัตถุนั้นมีสีต่าง ๆ สีที่เรามองเห็นคือช่วงความยาวคลื่นที่วัตถุนั้นไม่ดูดกลืน ตัวอย่างเช่นการที่เราเห็นใบไม้เป็นสีเขียวก็เพราะสารเคมีที่อยู่ในใบไม้นั้นดูดกลื่นคลื่นแสงช่วงสีเหลือง-แดง และช่วงน้ำเงิน-ม่วง เอาไว้ ไม่ดูดกลืนคลื่นแสงสีเขียว ดังนั้นเมื่อมีแสงแดดมาตกกระทบกับใบไม้ จะมีเฉพาะแสงสีเขียวเท่านั้นที่สะท้อนมายังดวงตาของเรา เราจึงมองเห็นใบไม้เป็นสีเขียว
 

หลอดไฟแบบหลอดไส้ทังสเตนที่เป็นหลอดแก้วใสหรือขาวขุ่นนั้นจะให้โทนแสงสีเหลืองที่สว่างมาก เพราะมันให้แสงในช่วงสีเหลืองมากกว่าช่วงคลื่นอื่น แสงสีเหลืองจึงบดบังสีอื่นเอาไว้ แต่ถ้าต้องการให้แสงที่ออกมานั้นเป็นสีขาวก็ทำได้ด้วยการใช้แก้วสีน้ำเงินแทนการใช้แก้วใสหรือขาวขุ่น (บางทีเรียกหลอดนี้ว่า "หลอดเทียบสี" เพราะมันทำให้มองเห็นสีไม่ผิดเพี้ยน) สีน้ำเงินของหลอดแล้วจะดูดกลืนแสงสีเหลืองเอาไว้ส่วนหนึ่ง ทำให้ความจ้าของแสงสีเหลืองลดลงไม่ไปบดบังแสงสีอื่นจนหมด ทำให้แสงออกมาเป็นสีขาว

การดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงรังสีอุลตร้าไวโอเล็ต (Ultraviolet หรือย่อว่า UV) กับช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น (Visible light หรือย่อว่า Vis) เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอม ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะทางเคมี ถ้าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนี้กระโดดไปยังระดับพลังงานที่สูงกว่านั้นอยู่ในช่วงพลังงานของแสง UV เมื่อมีแสงอาทิตย์มาตกกระทบสารดังกล่าว สารนั้นก็จะไม่ดูดกลืนแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น เราก็จะเห็นสารนั้นเป็นสีขาว แต่ถ้ามีการดูดกลืนแสงในช่วงที่ตามองเห็นที่บางความยาวช่วงคลื่น เราก็จะมองเห็นว่าสารนั้นมีสี ซึ่งเป็นสีของช่วงคลื่นที่ "ไม่ถูก" ดูดกลืน
 

ไอออนของโลหะทรานซิชันมักจะมีสีต่าง ๆ เป็นเพราะไอออนของโลหะทรานซิชันนั้นมีระดับพลังงานในชั้น d หรือ f ที่ว่างและอยู่ใกล้กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของไอออนนั้น ทำให้อิเล็กตรอนนั้นไม่ต้องการพลังงานที่สูงในการกระโดดไปยังระดับพลังงานถัดไป และพลังงานที่ต้องการดังกล่าวก็อยู่ในช่วงความยาวคลื่นแสงที่ตามองเห็น
 

ในกรณีของสารอินทรีย์นั้นแตกต่างออกไป แต่มันก็เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในส่วนของพันธะ π (bonding) หรืออิเล็กตรอนในส่วนของ non-bonding ไปยังระดับพลังงาน π* (anit-bonding)

เรื่องส่วนที่จะเขียนต่อไปนี้จะอิงจากหนังสือ "A short course in organic chemistry" โดย Edward E. Burgoyne ของสำนักพิมพ์ McGraw Hill ฉบับพิมพ์ครั้งที่ ๓ ปีค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) ในบทที่ ๑๓ Amines, Dyes and Alkaloids หัวข้อ ๑๓.๖ เรื่อง Color in organic compounds หน้า ๔๐๐-๔๐๓ เป็นหลัก 
  

ในปีค.ศ. ๑๘๗๖ (พ.ศ. ๒๔๑๙) O. N. Witt สังเกตว่าหมู่ฟังก์ชันบางหมู่นั้นทำให้สารประกอบมีสี เขาเรียกหมู่เหล่านั้นว่า "Chromophore" (โครโมฟอร์ หรือหมู่ทำให้เกิดสี) และยังพบว่าความแรงในการทำให้เกิดสีของแต่ละหมูนั้นไม่เหมือนกัน บางหมู่นั้นปรากฏเพียงหมู่เดียวในโมเลกุลก็ทำให้โมเลกุลมีสีได้ ในขณะนี้บางหมู่นั้นจำเป็นต้องมีจำนวนมากพอจึงจะทำให้โมเลกุลมีสี ตัวอย่างหมู่ทำให้เกิดสีบางหมู่แสดงไว้ในตารางที่ ๑ พึงสังเกตว่าหมู่ทุกหมู่ที่นำมาแสดงนั้นต่างมีพันธะ π

โดยปรกติการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในส่วนของพันธะ π (bonding) หรืออิเล็กตรอนในส่วนของ lone-pair non-bonding ไปยังระดับพลังงาน π* (anit-bonding) นั้นจะอยู่ในช่วงระดับพลังงานของรังสี UV แต่ก็มีการสังเกตว่าถ้าโมเลกุลนั้นมีระบบ π อิเล็กตรอนที่ใหญ่และอยู่ในรูปแบบที่เป็น conjugated double bond (พันธะคู่สลับกับพันธะเดี่ยว) ความแตกต่างของระดับพลังงานดังกล่าวจะลดลง และโมเลกุลจะเริ่มดูดกลืนคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นมากขึ้น และถ้าระบบ conjugated double bond นั้นใหญ่มากพอจนถึงระดับหนึ่ง โมเลกุลสารนั้นจะเริ่มดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงสีม่วง ทำให้เราเริ่มเห็นสารนั้นเป็นสีเหลือง (เช่น β-carotene ในรูปที่ ๑ ที่ทำให้น้ำมันพืชมีสีเหลือง เพราะมันดูดกลืนแสงสีม่วง ไม่ดูดกลืนแสงสีเหลือง) และถ้าระบบ conjugated double bond นั้นใหญ่มากขึ้นไปอีกจนกระทั่งโมเลกุลดูดกลืนแสงสีเหลืองได้ เราก็จะเห็นสารนั้นเป็นสีม่วงหรือสีน้ำเงิน (เพราะมันดูดกลืนแสงสีเหลือง ไม่ดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน)

ระบบ conjugated double bond นั้นบางทีก็เชื่อมต่อกันผ่านอะตอมที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (ที่อาจทำหน้าที่เป็นออกโซโครม) หรือไม่ก็ไอออนของโลหะ เช่นในกรณีของคลอโรฟิลล์ (chlorophyll) ที่มีไอออน Mg²⁺ ที่ทำให้มีสีเขียว หรือฮีโมโกลบิน (hemoglobin) ที่มีไอออน Fe³⁺ ที่ทำให้มีสีแดง

รูปที่ ๑ (บน) β-carotene ประกอบด้วย conjugated double bond จำนวนมาก ทำให้โมเลกุลดูดกลืนแสงสีม่วงได้ เราจึงเห็นสารที่มี β-carotene ประกอบอยู่เป็นสีเหลือง (เช่นในน้ำมันพืช) สารนี้ร่างกายสามารถเปลี่ยนไปเป็น vitamin A (ล่าง) ได้ด้วยการตัดตรงกลางโมเลกุล

Witt ยังสังเกตด้วยว่าถ้าวงแหวนเบนซีนที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างโครโมฟอร์นั้นมีหมู่บางหมู่มาเกาะ จะทำให้ความเข้มสีของสารนั้นเปลี่ยนไปแม้ว่าหมู่นั้นเองจะไม่ทำให้เกิดสี เขาเรียกหมู่เหล่านี้ว่า "Auxochrome" (ออกโซโครม หรือหมู่เร่งสี) หมู่เหล่านี้ต่างเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนเบนซีน และความสามารถในการเร่งสีนั้นก็เรียงลำดับเช่นเดียวกันกับความสามารถในการจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนเบนซีน (พวกที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho หรือ para) กล่าวคือความสามารถในการเร่งสีของหมู่ R₂N- > RHN- > H₂N- > HO- > RO- 
   

เวลาที่โครงสร้างของโครโมฟอร์หรือออกโซโครมนั้นเปลี่ยนแปลงไป สีของสารนั้นก็จะเปลี่ยนไปด้วย ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคืออินดิเคเตอร์ที่เราใช้ในการไทเทรตกรด-เบส
  

รูปที่ ๒ ข้างล่างแสดงโมเลกุล Methyl orange ที่มีสีเหลืองในรูปเบส (ซ้าย เมื่อ pH > 4.4) และมีสีแดงในรูปกรด (ขวา เมื่อ pH < 3.1) เมื่ออยู่ในน้ำ จะเห็นว่าเมื่ออยู่ในรูปกรด วงแหวนเบนซีน (ในกรอบสีแดง) จะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างแบบ quinoid ที่มีความแรงในการทำให้เกิดสีมากกว่า (มีการดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่าแสงสีม่วง ทำให้เห็นสารเป็นสีแดงแทนที่จะเป็นสีเหลือง)
  

รูปกรดในที่นี้คือรูปที่อินดิเคเตอร์แสดงฤทธิ์เป็นกรด (หรือพร้อมที่จะจ่ายโปรตอน) ส่วนรูปแบบคือรูปที่อินดิเคเตอร์แสดงฤทธิ์เป็นเบส (หรือพร้อมที่จะรับโปรตอน)

รูปที่ ๒ โมเลกุล Methyl orange 
   

รูปที่ ๓ แสดงโมเลกุล Bromocresol green ที่มีสีเหลืองเมื่ออยู่ในรูปกรด (pH < 3.8) และน้ำเงินเมื่ออยู่ในรูปเบส (pH > 5.4) โดยเมื่ออยู่ในรูปเบสนั้นหมู่ -OH (ของวงแหวนเบนซีนในกรอบสีแดง) จะจ่ายโปรตอนออกไป ทำให้โครงสร้างของวงแหวนเบนซีนเปลี่ยนเป็น quinoid ที่มีความแรงในการทำให้เกิดสีมากกว่า (ดูดกลืนคลื่นแสงที่ความยาวคลื่นที่มากกว่า) อะตอม Br ที่ปรากฏในโมเลกุลนั้นก็เป็นออกโซโครมตัวหนึ่งด้วย

รูปที่ ๓ Bromocresol green เหลือง (acidic form) เมื่อ pH < 3.8 และน้ำเงิน (basic form) เมื่อ pH > 5.4  (จาก http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bromocresol_green_ionic_equilibrium.png)

โมเลกุล Phenolphthalein (รูปที่ ๔) นั้นเมื่ออยู่ในสารละลายที่เป็นกรดจะประกอบด้วยวงแหวน 3 วงที่ไม่มีความเป็น conjugated double bond เชื่อมต่อกันระหว่างวง ทำให้เป็นโมเลกุลที่ไม่มีสี แต่เมื่อเจอกับเบส โมเลกุล phenolphthalein จะจ่ายโปรตอนออกไป ทำให้โครงสร้างอะตอม C (ในวงสีแดง) เปลี่ยนแปลงไปทำให้เกิด conjugated double bond เชื่อมต่อวงแหวนต่าง ๆ เข้าด้วยกันกลายเป็นระบบ conjugated double bond ขนาดใหญ่ขึ้น โมเลกุลจึงมีสีม่วง 
  

พึงสังเกตนะว่าโมเลกุลของ phenolphthalein เปลี่ยนสีระหว่างการมีสีกับไม่มีสีด้วยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลเพียงนิดเดียว เวลาที่เห็นใครทำการทดลองเกี่ยวกับ photocatalytic degradation ของสารที่มีสีที่ละลายอยู่ในน้ำ แล้วใช้การวัดการดูดกลืนคลื่นแสงเพื่อวัดปริมาณ "สารอินทรีย์" ที่หลงเหลืออยู่ จึงต้องระวังในการเอาผลการทดลองนั้นมาใช้ให้มากด้วย (ที่เขียนไว้ในเรื่อง "สีหายไม่ได้หมายความว่าสารหาย")

รูปที่ ๔ โมเลกุล Phenolphthalein ที่ไม่มีสี (ซ้าย) เมื่อ pH < 8.2 และมีสีม่วงแดง (ขวา) เมื่อ pH > 10.0

การเปลี่ยนสีของ Bromothymol blue (รูปที่ ๕) ก็เป็นไปในทำนองเดียวกับกับกรณีของ phenolphthalein กล่าวคืออะตอม C ที่เชื่อมต่อวงแหวน 3 วงเข้าด้วยกัน (ในวงกลมแดง) เมื่ออยู่ในสภาพที่เป็นเบสที่มากพอจะเปลี่ยนโครงสร้างจากการเป็นพันธะอิ่มตัวกลายเป็นมีพันธะคู่เข้ากับวงแหวนวงหนึ่ง ทำให้เกิดเป็นระบบ conjugated double bond เชื่อมต่อวงแหวน 3 วงเข้าด้วยกันพร้อมกับการเกิดโครงสร้าง p-quinoid (กับวงแหวนที่อะตอม C นั้นสร้างพันธะคู่ด้วย)

รูปที่ ๕ Bromothymol blue เหลือง (acidic form) เมื่อ pH < 6.0 และน้ำเงิน (basic form) เมื่อ pH >  7.6 (จาก http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bromothymol_blue_protolysis.svg)

เขียนมาถึงตรงนี้ก็ไม่รู้เหมือนกันว่าพอจะช่วยให้พวกที่ทำงานด้านเกี่ยวกับพอลิเมอร์นำไฟฟ้าตอบคำถามได้ไหมว่าทำไมพอลิเมอร์นำไฟฟ้าที่เขาสังเคราะห์ขึ้นนั้นจึงมีสี และคนที่ต้องเข้าไปเกี่ยวข้องกับงานพวก photocatalytic degradation ของสารที่มีสีที่ละลายอยู่ในน้ำ ที่มักจะนิยมใช้การวัดการดูดกลืนคลืนแสงเป็นตัวบ่งบอกปริมาณสารที่ทำให้เกิดสีนั้น ควรต้องระวังในการอ่านผลการทดลองอย่างไร จะได้ไม่ถูกหลอก

ท่อคาดสี MO Memoir : Thursday 20 September 2555

การใช้รหัสสีเป็นวิธีการหนึ่งในการทำเครื่องหมายบนท่อว่าท่อนั้นใช้สำหรับงานอะไร หรือมีคุณสมบัติอย่างไร ท่อบางชนิดผู้ผลิตจะให้สีมาจากโรงงานโดยสีที่ให้มานั้นเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน เช่นท่อพีวีซีถ้าเป็นท่อสีฟ้าก็จะใช้กับงานประปา (ทั้งน้ำดีและน้ำเสีย) ถ้าเป็นท่อสีเหลืองหรือสีขาวก็จะใช้กับงานร้อยสายไฟฟ้าสายโทรศัพท์ต่าง ๆ

ท่อที่ทำจากพอลิเมอร์พวกพอลิโอเลฟินส์ (เช่นจากพอลิเอทิลีน (PE) พอลิโพรพิลีน (PP) หรือพอลิบิวทิลีน (PB)) เมื่อผลิตมาจะเป็นท่อสีดำ (ไม่ได้มีการทำให้ตัวท่อเป็นสีต่าง ๆ กันเหมือนกรณีท่อพีวีซี) ดังนั้นจึงใช้วิธีการทำแถบสีตลอดทั้งความยาวท่อ เช่นถ้าเป็นแถบสีส้มก็แสดงว่าเป็นท่อสำหรับร้อยสายไฟฟ้า (รูปที่ ๑) ถ้าเป็นแถบสีฟ้าก็เป็นท่อน้ำ การให้แถบสีแบบนี้เรียกว่า "คาดสี"

รูปที่ ๑ ท่อ PE สีดำคาดสีส้ม สำหรับงานร้อยสายไฟ

ท่อเหล็กกล้าก็มีการคาดสีเหมือนกัน โดยสีแต่ละสีจะบ่งบอกถึงความหนาของผนังท่อ เช่นมาตรฐานมอก. ๒๗๖ - ๒๕๓๒ ที่เกี่ยวข้องกับท่อเหล็กกล้านั้น แบ่งประเภทท่อเหล็กกล้าออกเป็น ๔ ประเภทและกำหนดรหัสสีเอาไว้ดังนี้

ประเภท ๑ ท่อเหล็กแบบมีตะเข็บ ผนังท่อบาง คาดสีน้ำตาล

ประเภท ๒ ท่อเหล็กแบบมีตะเข็บและไม่มีตะเข็บ ผนังท่อหนาปานกลาง คาดสีน้ำเงิน

ประเภท ๓ ท่อเหล็กแบบมีตะเข็บและไม่มีตะเข็บ ผนังท่อหนา คาดสีแดง

ประเภท ๔ ท่อเหล็กแบบมีตะเข็บและไม่มีตะเข็บ ผนังท่อหนาพิเศษ คาดสีเขียว

โดยการคาดสีท่อนั้นกำหนดให้เป็นแถบสีกว้างประมาณ ๕๐ มิลลิเมตร

ถ้าเอาท่อเหล็กกล้าตามมอก. ๒๗๖ - ๒๕๓๒ ไปอาบสังกะสี ท่อดังกล่าวก็จะแลายเป็นท่อเหล็กกล้าอาบสังกะสี (Galvanized steel pipe - GSP) ซึ่งจะไปเข้ามาตรฐานมอก. ๒๗๗ - ๒๕๓๒ ที่เกี่ยวข้องกับท่อเหล็กกล้าอาบสังกะสี การคาดสีท่อเหล็กกล้าอาบสังกะสีก็เป็นแบบเดียวกับท่อเหล็กกล้า

แต่การคาดสีตามมาตรฐานมอก. ที่กล่าวมาข้างต้นนั้นไม่ได้ทำเป็นแถบสียาวตลอดความยาวท่อ ทำเป็นเพียงแค่แถบสีตามแนวเส้นรอบวงของท่ออยู่ที่บริเวณปลายท่อเท่านั้นเอง (ดูรูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ ท่อเหล็กอาบสังกะสีคาดสีเหลืองนี้เป็นท่อเหล็กบาง ท่อนี้ซื้อมาทำเสาติดจานดาวเทียม (สงสัยว่าคงจะเป็นตัวเดียวกับประเภท ๑ ตามมาตรฐานมอก. แต่ทำไมใช้สีต่างกันก็ไม่รู้)

พวกโรงกลั่นน้ำมันและโรงงานปิโตรเคมีนั้นมีการใช้ท่อหลายหลายทั้งขนาดและชนิดวัสดุ สิ่งที่ต้องระมัดระวังมากคือต้องใช้ท่อที่ทำจากวัสดุที่ถูกต้องกับอุณหภูมิและความดันของระบบ การที่จะดูว่าท่อไหนรับความดันได้แค่ไหนนั้นยังพอจะคาดการณ์ได้จากการดูที่ความหนาของผนังท่อ แต่การที่จะดูว่าท่อไหนใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงแค่ไหนนั้นไม่สามารถใช้การดูด้วยสายตาได้ เพราะมันขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของโลหะที่ใช้ทำท่อ ดังนั้นในการก่อสร้างโรงงานนั้นจึงจำเป็นต้องมีการทำรหัสบนตัวท่อตลอดทั้งเส้น วิธีการที่ใช้กันทั่วไปคือการทาสีเป็นเส้นยาวตลอดทั้งความยาวท่อ (จะได้ไม่มีปัญหาเมื่อท่อถูกตัดให้สั้นลง) โดยต้องมีการกำหนดว่าสีไหนเป็นตัวแทนของท่อที่ทำจากโลหะอะไรและความหนาเท่าใด การทำเครื่องหมายสีดังกล่าวก็เรียกว่าการ "คาดสี" เหมือนกัน

การคาดสีท่อนั้นเริ่มจากการนำเอาท่อเหล็กมาขัดสนิมที่ผิวนอกออกก่อน การขัดสนิมทำด้วยการพ่นทราย (ภาษาอังกฤษเรียก sand blasting แต่คนไทยมักเรียกสั้น ๆ ว่าทำ "แซนด์บลาส") ซึ่งเป็นการใช้ทรายละเอียดผสมเข้าไปในอากาศอัดความดันและพ่นลงไปบนผิวท่อ ทรายที่พ่นลงไปกระทบผิวท่อก็จะแตกหักเป็นผงที่เล็กลง ไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก พอขัดสนิมเสร็จแล้วก็จะทำการทาสีรองพื้นซึ่งเป็นสีพวกซิงค์ฟอสเฟต (zinc phosphate หรือสังกะสีฟอสเฟตนั่นเอง) สีรองพื้นนี้ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่ป้องกันสนิม แต่ยังช่วยทำให้สีที่จะทาทับนั้นเกาะติดผิวท่อได้ดีขึ้น (คือถ้าทาสีลงไปบนผิวท่อเลย สีจะเกาะติดไม่ดี จะร่อนง่าย เพราะโมเลกุลสียึดเกาะกับผิวโลหะได้ไม่ดี เลยต้องมีการทาสีรองพื้นก่อนโดยสีรองพื้นจะยึดเกาะกับผิวโลหะได้ดี และยึดเกาะกับตัวสีที่จะทาทับลงไปทีหลังได้ดี)

เมื่อทาสีรองพื้นเสร็จแล้วก็จะทำการทาสีบ่งบอกชนิดท่อตลอดความยาวท่อ (รูปที่ ๓ ข้างล่าง) สาเหตุที่ต้องทาตลอดความยาวก็เพื่อให้มันมีเครื่องหมายอยู่ตลอดไม่ว่าจะตัดท่อให้สั้นลงแค่ไหน เวลาที่พวกช่างที่ทำงานเดินท่อเรียกชนิดท่อเขาก็จะเรียกตามสีที่คาด เช่น ท่อคาดส้ม ท่อคาดแดง ท่อคาดเขียว เป็นต้น

รูปที่ ๓ สีที่ทาตลอดความยาวท่อเป็นตัวบอกว่าท่อโลหะนั้นเป็นท่อทำจากโลหะชนิดเดียวกัน

เพื่อไม่ให้เกิดความสับสน เวลาที่จะคาดสีท่อชนิดใดนั้นก็จะทำเฉพาะท่อชนิดนั้นไปจนเสร็จ จากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนไปคาดสีท่อชนิดอื่น

การพ่นทรายเพื่อขัดสนิมที่ผิวนอกของท่อและการทาสีรองพื้นนั้นทำกันกับท่อที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูงไม่มาก แต่ถ้าเป็นท่อที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูงมาก (หลายร้อยองศาเซลเซียส) ก็ไม่จำเป็นต้องทาสีรองพื้น เพราะตัวสีเองมันทนอุณหภูมิได้ไม่สูงอยู่แล้ว (ลองดูท่อไอเสียรถยนต์ที่ออกมาจากเครื่องยนต์ก็ได้ ไม่มีการทาสีหรอก) อีกอย่างคือท่อที่ขึ้นสนิมนั้น เมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นสนิมจะหลุดออกมาผิวท่อได้เอง ทั้งนี้เพราะการขยายตัวของสนิมเหล็กกับเนื้อเหล็กนั้นแตกต่างกัน หลักการนี้ใช้กันในการกำจัดสนิมที่อยู่ด้านในของท่อ โดยการป้อนไอน้ำเข้าไปเพื่อให้ท่อร้อน จากนั้นจึงชะไล่เอาสนิมเหล็กที่หลุดร่วงออกมาจากผิวท่อออกจากระบบท่อ (ต้องไม่ลืมนะว่าการเหล็กที่สัมผัสกับน้ำจะเป็นสนิมก็ต่อเมื่อมีออกซิเจนอยู่ ถ้ามีแต่น้ำหรือไอน้ำโดยที่ไม่มีออกซิเจน เหล็กก็จะไม่เป็นสนิม)

วันหนึ่งในขณะที่คุมงานวางท่ออยู่นั้น ก็มองขึ้นไปบน pipe rack เพื่อดูว่างานคืบหน้าไปแค่ไหน สิ่งหนึ่งที่สะดุดตาก็คือท่อน้ำประปา (สำหรับ emergency shower กับ eye washer) ซึ่งเป็นท่อเหล็กอาบสังกะสีนั้น ผิวนอกมีความมันวาวที่แตกต่างกันมาก คือมีท่อนหนึ่งมีความมันวาวผิดปรกติ ก็เลยเข้าไปทำการตรวจสอบ

ปรากฏว่าคนงานหยิบท่อผิดมาประกอบ คือแทนที่จะหยิบท่อประปากลับไปหยิบท่อร้อยสายไฟฟ้า (ชนิดท่อโลหะอาบสังกะสี) มาต่อแทน ผิวด้านในของท่อโลหะสำหรับร้อยสายไฟฟ้านั้นจะเรียบกว่าผิวท่อประปา ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ฉนวนหุ้มสายไฟเกิดความเสียหายเมื่อร้อยสายไฟฟ้าเข้าไปในท่อ 

 

งานนี้ไม่รู้เหมือนกันว่าคนงานไปหยิบเอาท่อร้อยสายไฟมาจากไหนได้อย่างไร