การระเบิดจากการใช้ไนโตรเจนเหลว MO Memoir : Wednesday 1 April 2569

เวลาพูดถึงอันตรายจากการใช้ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ที่มีอุณหภูมิ -196ºC ส่วนใหญ่ก็มักจะนึกถึงอันตรายจากความเย็นจัดที่สามารถทำให้เนื้อเยื่อที่สัมผันนั้นตายได้ หรือไม่ก็การที่มันเดือดกลายเป็นไอในปริมาณมาก จนทำให้บริเวณนั้นมีออกซิเจนไม่เพียงพอต่อการหายใจ หรือไม่ก็การระเบิดจากการที่เก็บไว้ในภาชนะปิดแล้วปล่อยให้มันเดือด

แต่ยังมีอันตรายอีกรูปแบบหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายน้อยกว่านั่นคือ ในสถานการณ์ที่เหมาะสม มันสามารถทำให้วัตถุที่ปรกติไม่ติดไฟหรือติดไฟได้ยากหรือไม่น่าจะเกิดการเผาไหม้หรือระเบิดได้นั้น กลับระเบิดได้ง่าย อันเป็นผลจากการควบแน่นของออกซิเจนในอากาศ ตัวอย่างหนึ่งของเหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ในเรื่อง "เมื่อหมูระเบิด (Pork scratchings explosion) MO Memoir : Monday 13 July 2563" และในวันนี้ก็จะเป็นตัวอย่างเพิ่มเติมอีก ๒ ตัวอย่าง

ตัวอย่างแรกแสดงในรูปที่ ๑ ในบางการทดลองในห้องปฏิบัติการนั้นอาจจำเป็นต้องมีการกำจัดสารที่ควบแน่นได้ออกจากแก๊สด้วยการใช้ cold trap ส่วนจะเลือกใช้อะไรเป็นสารทำความเย็นนั้นขึ้นอยู่กับว่าสารที่ต้องการแยกนั้นมีจุดเดือดเท่าใด และต้องการลดให้เหลือความเข้มข้นไม่สูงเกินเท่าใด ซึ่งก็มีทั้งการใช้น้ำหล่อเย็น, น้ำแข็ง, น้ำแข็งแห้ง, ไนโตรเจนเหลว + สารอินทรีย์บางชนิด (เช่นแอลกอฮอล์) หรือไนโตรเจนเหลวเพียงอย่างเดียว

รูปที่ ๑ อันตรายจากการระเบิดเมื่อใช้ไนโตรเจนเหลวดักจับไฮโดรคาร์บอนในแก๊ส

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างหนึ่งของอันตรายที่อาจเกิดจากการใช้ไนโตรเจนเหลวในการดักจับไฮโดรคาร์บอนในแก๊สด้วย cold trap ที่ใช้ไนโตรเจนเหลวลดอุณหภูมิ สารอินทรีย์ที่ดักจับไว้ได้จะค้างอยู่ใน cold trap โดยจะมีอุณหภูมิเท่ากับไนโตรเจนเหลว อันตรายจะเกิดเมื่อทำการเปิด cold trap ในขณะที่มันยังเย็นจัดอยู่ เพราะออกซิเจนในอากาศนั้นมีจุดเดือดที่ประมาณ -183ºC ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว ดังนั้นถ้าหากเปิดให้อากาศเข้าไปใน cold trap (เช่นเวลาที่ต้องการนำเอาสารที่ดักเอาไว้ได้ออกมา) ในขณะที่ตัว cold trap นั้นยังมีอุณหภูมิต่ำกว่า -183ºC ออกซิเจนในอากาศก็จะเกิดการควบแน่น ทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนบนผิวของสารที่ดักเอาไว้ได้นั้นสูงมาก การระเบิดจะเกิดได้ง่ายมากแม้ว่าสารนั้นจะยังเย็นจัดอยู่ก็ตาม วิธีการที่ปลอดภัยคือต้องรอให้ตัว cold trap อุ่นขึ้นจนออกซิเจนในอากาศนั้นไม่เกิดการควบแน่น แล้วจึงค่อยเปิด cold trap

เรื่องที่สองนำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of benzene caused due to liquefied oxygen in surrounding air at a low temperature with liquid nitrogen" ที่เผยแพร่ในเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่น (รูปที่ ๒) และยังมีการนำไปเผยแพร่ต่อในบทความเรื่อง "Fire and explosion hazards caused by oxygen cylinders" ในวารสาร "Safety and Security Engineering VII" (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ เหตุการณ์การระเบิดจากเบนซีนที่ใช้เป็นตัวทำละลายอันเกิดจากการควบแน่นของออกซิเจน

เหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อวันที่ ๑๗ มกราคม ค.ศ. ๑๙๙๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) ณ โรงงานผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เหตุเกิดระหว่างการเตรียมเซรามิกชนิดใหม่ด้วยการบดส่วนผสมต่าง ๆ โดยมีเบนซีน (Benzene C₆H₆) เป็นตัวทำละลาย ขั้นตอนต่อไปคือการทำส่วนผสมให้แห้งด้วยกระบวนการ "freeze-dried" โดยในกระบวนการนี้จะทำการฉีดไนโตรเจนเหลว (อุณหภูมิ -196ºC) เข้าไปในส่วนผสมซึ่งจะทำให้ส่วนผสมแข็งตัว จากนั้นก็เป็นกระบวนการทำด้วยมือคือคนงานจะทำการใช้พลั่ว (ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม) ตักเอาส่วมผสมที่แข็งตัวนั้นใส่ถัง (butt) เพื่อนำไปใส่ในเครื่องอบแห้ง (dryer) การระเบิดเกิดขึ้นขณะที่คนงานเริ่มทำการใช้พลั่วตักส่วนผสมที่แข็งตัว ส่งผลให้คนงานเสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บ ๑ ราย

สาเหตุของการระเบิดเกิดจากอากาศที่สัมผัสกับสารผสมที่ยังเย็นจัดอยู่ ทำให้ออกซิเจนในอากาศควบแน่นบนผิวสารผสม (ที่มีเบนซีนเป็นเชื้อเพลิง) ด้วยความเข้มข้นออกซิเจนที่สูงทำให้เบนซีนสามารถระเบิดได้แม้ว่าจะมีอุณหภูมิต่ำมากก็ตาม ต้นตอของการจุดระเบิดเชื่อว่าเกิดจากประกายไฟเมื่อพลั่วกระทบกับถังผสม

หมายเหตุ : ที่ความดันบรรยากาศ อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของเบนซีนอยู่ที่ประมาณ 5.5ºC (คือต่ำกว่านี้จะกลายเป็นของแข็ง) แต่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟ (flash point) อยู่ที่ประมาณ -11.6ºC ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเยือกแข็ง สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเบนซีนที่เป็นของแข็งนั้นสามารถระเหิดกลายเป็นไอได้

รูปที่ ๓ เหตุการณ์เดียวกับในรูปที่ ๒ แต่ให้รายละเอียดบางส่วนมากกว่า

ถังเก็บเบนซีน (bezene) ระเบิดจากไฟฟ้าสถิตขณะเก็บตัวอย่าง (๒) MO Memoir : Monday 23 June 2568

พฤษภาคมปีที่แล้ว ได้นำเรื่อง "ถังเก็บเบนซีน (bezene) ระเบิดจากไฟฟ้าสถิตขณะเก็บตัวอย่าง" ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่นเมื่อพ.ศ. ๒๕๑๕ มาเล่าให้ฟัง เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ก็เป็นเหตุการณ์แบบเดียวกัน แต่เกิดในช่วงระยะเวลาแตกต่างกันประมาณ ๕๐ ปี ซึ่งเป็นการยำเตือนให้เห็นว่า ถ้าเราไม่เรียนรู้ความผิดพลาดที่เกิดขึ้นในอดีต เราก็มีโอกาสที่จะทำผิดพลาดแบบเดียวกันซ้ำอีก

เรื่องนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion and major fire in benzene storage tanks" ที่เผยแพร่อยู่ในหัวข้อ Case studies ของเว็บ Oil Industry Safety Directorate ของประเทศอินเดีย โดยระบุว่าเผยแพร่เมื่อวันที่ ๑๕ มกราคม ค.ศ. ๒๐๒๕ (https://www.oisd.gov.in/en-in/CaseStudies) เนื้อเรื่องเกี่ยวกับการระเบิดของถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (atmospheric tank) ที่ใช้ในการเก็บเบนซีน (benzene) บทความไม่ได้ระบุเวลาและสถานที่เกิดเหตุ เล่าแต่เพียงเหตุการณ์และสาเหตุที่น่าจะเป็นตัวการที่ทำให้เกิดการระเบิด

รูปที่ ๑ ภาพความเสียหายจากการระเบิดจากบทความต้นฉบับ

ในวันเกิดเหตุนั้นมีการเข้าไปเก็บตัวอย่างเบนซีนในถังเก็บ (ขนาดความจุ 1000 m³ แต่ในขณะนั้นมีเบนซีนบรรจุอยู่ 523 m³) หลังจากที่ได้มีการถ่ายน้ำมันเข้าไปในถัง ในระหว่างที่ทำการเก็บตัวอย่างอยู่นั้นก็ได้เกิดการระเบิด ทำให้หลังคาถังปลิวออกไปพร้อมกับพนักงานที่ไปเก็บตัวอย่าง หลังคาถังปลิวตกออกไปห่างเป็นระยะประมาณ ๒๐ เมตร เพลิงที่ลุกไหม้ทำให้ถังเก็บเบนซีนที่อยู่ใกล้กันอีกถังหนึ่ง (ความจุ 400m³ ) ระเบิดตามมาในอีก ๕ ชั่วโมงถัดมา คราวนี้หลังคาถังปลิวไปตกไกลถึง ๑๖๐ เมตร ทำให้มีผู้ได้รับบาดเจ็บสาหัส ๒ ราย ซึ่งต่อมาเสียชีวิต ๑ ราย เจ้าหน้าที่ต้องใช้เวลาประมาณ ๑๐ ชั่วโมงจึงสามารถดับเพลิงได้

เวลาที่ของเหลวที่นำไฟฟ้าต่ำ (พวกโมเลกุลไม่มีขั้ว) ไหลในระบบท่อ จะเกิดประจุไฟฟ้าสถิตสะสมที่ตัวท่อและของเหลวที่ไหลอยู่ภายใน ในกรณีของท่อหรือถังเก็บที่ทำจากโลหะนั้นเป็นเรื่องปรกติที่จะต้องมีการต่อสายดินเพื่อให้ประจุไฟฟ้าที่สะสมอยู่ที่ตัวท่อหรือถังเก็บนั้นถ่ายเทลงดิน ส่วนของเหลวที่ไหลอยู่ในท่อนั้นเมื่อไหลเข้าไปในถังเก็บ เฉพาะของเหลวที่สัมผัสกับผนังของถังเท่านั้นที่สามารถถ่ายเทประจุที่สะสมอยู่ลงดินได้ (่ผ่านทางสายดินของถังเก็บ) แต่ของเหลวส่วนที่อยู่ห่างออกมาจากผนังจะไม่สามารถถ่ายเทประจุให้กับผนังได้ทันที (เพื่อระบายต่อลงดินได้) จำเป็นต้องรอนานเป็นช่วงระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้ประจุที่สะสมอยู่ในของเหลวนั้นกระจายตัวออกไปให้หมดก่อน จึงจะปลอดภัยในการเข้าไปเก็บตัวอย่าง

ถังที่เกิดเหตุนั้นเป็นถังรุ่นเก่า ไม่มีการใช้แก๊สไนโตรเจนปกคลุมที่ว่างเหนือผิวของเหลวเพื่อลดการไหลเข้าของอากาศ มีเพียงท่อระบายอากาศที่เป็น "gooseneck" (ท่องอ 180 องศาที่หันปลายท่อลงล่างเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนไหลเข้า) ติดตั้งอยู่บนหลังคาถัง ดังนั้นเมื่อมีการสูบของเหลวออกจากถัง อากาศภายนอกจึงไหลเข้าไปผสมกับไอเบนซีนในถังได้

ภาชนะที่ใช้เก็บตัวอย่างทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมซึ่งนำไฟฟ้า แต่สายเชือกที่ใช้หย่อนภาชนะเก็บตัวอย่างนั้นทำจากวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ถูกต้อง) การระเบิดครั้งแรกเชื่อว่าเกิดจากประกายไฟฟ้าที่เกิดจากไฟฟ้าสถิตที่ยังค้างอยู่ในของเหลวนั้นกระโดดใส่ภาชนะเก็บตัวอย่างที่เป็นโลหะ ไฟฟ้าสถิตนี้เกิดจากการส่งเบนซีนเข้าถังเก็บ แต่ด้วยการที่ไม่รอให้นานพอเพื่อให้เบนซีนนั้นระบายประจุไฟฟ้าออกไปก่อนทำการเก็บตัวอย่าง พอหย่อนภาชนะเก็บตัวอย่างลงไปก็เลยเกิดประกายไฟที่ไปจุดระเบิดไอผสมระหว่างเบนซีนกับอากาศในถัง

การระเบิดทำให้เกิดเพลิงไหม้ในบริเวณคันกั้นที่ล้อมรอบบริเวณที่ตั้งถังเก็บ (ที่ล้อมรอบถังเก็บ ๙ ถัง) การระเบิดของถังเก็บใบที่สองคาดได้ว่าน่าจะเกิดจากเปลวไฟที่ครอกอยู่ด้านนอกของถัง ทำให้เบนซีนในถังร้อนและระเหยออกทางท่อระบาย (gooseneck) และเนื่องจากไอที่ไหลออกมาจากถังนั้นเป็นไอผสมระหว่างเบนซีนกับอากาศ จึงทำให้เมื่อเจอกับความร้อนที่อยู่ภายนอก ก็เกิดเพลิงลุกไหม้ย้อนเข้าไปจุดระเบิดไอผสมในถังได้ (ถังที่เล็กกว่ามีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรที่สูงกว่าถังที่ใหญ่กว่า จึงทำให้ของเหลวที่อยู่ถังที่เล็กกว่านั้นรับความร้อนได้รวดเร็วกว่าของเหลวที่อยู่ในถังที่ใหญ่กว่า)

เหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๑๕ นั้น เกิดในขณะที่อันตรายจากไฟฟ้าสถิตยังไม่เป็นที่รู้จักกันดี แต่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ประเทศอินเดียนี้ เกิดในเวลาที่อันตรายจากไฟฟ้าสถิตในขณะเก็บตัวอย่างเป็นที่รู้กันแล้ว

แต่สิ่งสำคัญกว่าคือ คนที่ออกแบบวิธีการปฏิบัติงาน และผู้ที่ปฏิบัติงานอยู่หน้างาน ทราบอันตรายนี้หรือไม่

ถังเก็บเบนซีน (bezene) ระเบิดจากไฟฟ้าสถิตขณะเก็บตัวอย่าง MO Memoir : Wednesday 29 May 2567

การเก็บตัวอย่างของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังที่ตำแหน่งต่าง ๆ ภายในถัง จะบอกให้เรารู้ว่าของเหลวในถังนั้นผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันหรือไม่ ในกรณีของถัง (Tank) เก็บของเหลวขนาดใหญ่ ก็จะใช้วิธีหย่อนภาชนะเก็บตัวอย่างที่เรียกว่า "Sample thief" (ตัวอย่างในรูปที่ ๑) ลงไปยังระดับความลึกที่ต้องการ (เช่น ผิวบน, กลางถัง หรือก้นถัง) แล้วก็กระตุกเชือกหย่อนให้ฝาภาชนะเก็บตัวอย่างเปิด ของเหลวที่ระดับความลึกนั้นก็จะไหลเข้าไปในภาขนะบรรจุ

รูปที่ ๑ ตัวอย่าง Sample thief สำหรับเก็บตัวอย่างผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเหลว

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเว็บ https://www.shippai.org/fkd/en/index.html เรื่อง "Explosion and fire on sampling at a benzene tank" ที่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่เมือง Yokokahama ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๘ มกราคม ค.ศ. ๑๙๗๒ (พ.ศ. ๒๕๑๕) โดยเป็นการระเบิดที่ถังเก็บเบนซีน (benzene C₆H₆) ขนาดความจุ 10,000 m³ ในขณะที่พนักงานกำลังเก็บตัวอย่างเบนซีนในถังด้วยการหย่อน sampling thief ลงจากหลังคาถังผ่านทาง Gauge hatch

รูปที่ ๒ ภาพรวมของเหตุการณ์ที่เกิด

แม้ว่าไฮโดรคาร์บอนจะเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว แต่จุดหลอมเหลวของมันก็ขึ้นกับรูปร่างโมเลกุลด้วย เช่นเฮกเซน (Hexane C₆H₁₄) ที่รูปร่างโมเลกุลเป็นสายโซ่ที่มีความคดลง มีจุดหลอมเหลวที่ -95ºC ในขณะที่เบนซีนที่รูปร่างโมเลกุลเป็นวงแหวนแบน ทำให้แนบชิดเข้าด้วยกันได้ดีกว่า มีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ 5.5ºC และจุดวาบไฟอยู่ที่ประมาณ -11ºC

พึงสังเกตนิดนึงนะครับว่า อุณหภูมิจุดวาบไฟของเบนซีนนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิจุดหลอมเหลวอีก นั่นเป็นเพราะเบนซีนที่เป็นของแข็งนั้นสามารถระเหิดได้

ในเหตุการณ์นี้ เบนซีนถูกเก็บไว้ในถังชนิด fixed-roof ขนาด 10,000 m³ ที่ไม่มีการใช้ไนโตรเจนป้องกันการรั่วไหลของอากาศเข้าไปในถัง (รูปที่ ๒) คือถังชนิดนี้มันจะมีช่องระบายอากาศ (vent) ที่ยอมให้อากาศเข้าเวลาสูบของเหลวออกจากถังเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดสุญญากาศในถัง และให้อากาศไหลออกเวลาที่ป้อนของเหลวเข้าถังเพื่อป้องกันไม่ให้ความดันสูงเกิน แต่ถ้ามีการป้อนแก๊สไนโตรเจนเข้าเวลาที่สูบของเหลวออกจากถัง การรั่วไหลของอากาศภายนอกเข้าถังก็จะลดลง แต่เนื่องจากในเหตุการณ์นี้ไม่มีการป้อนไนโตรเจนเข้าช่วย ที่ว่างในถังจึงเป็นส่วนผสมระหว่างอากาศกับไอระเหยของเบนซีนที่มีความเข้มข้นอยู่ในช่วง explosive range

ลำดับเหตุการณ์เริ่มจากสามวันก่อนหน้า (รูปที่ ๓) คือในวันที่ ๕ มกราคมได้มีการให้ความร้อนแก่เบนซีนที่อยู่ในถังเพื่อป้องกันไม่ให้เบนซีนเกิดการแข็งตัว (ช่วงต้นเดือนมกราคมเป็นฤดูหนาวของประเทศญี่ปุ่น) ใน "ช่วงเช้า" ของวันที่ ๘ ได้มีการจ่ายเบนซีนจำนวน 38 m³ ไปยังรถบรรทุกและรับเบนซีน 251 m³ จากอีกถังบรรจุหนึ่ง ใน "ช่วงบ่าย" ของวันเดียวกัน โอเปอร์เรเตอร์ได้ทำการวัดระดับเบนซีนในถังด้วยการใช้ "เทปโลหะ" หย่อนลงไปในถังผ่านทาง gage hatch (ช่องมีฝาปิดไว้สำหรับวัดระดับและเก็บตัวอย่างของเหลวภายในถัง) และเริ่มทำการเก็บตัวอย่างด้วยการใช้ sampling thief ที่ทำจากโลหะ โดยครั้งแรกเก็บตัวอย่างที่ระดับผิวบนก่อน จากนั้นจึงทำการเก็บตัวอย่างที่ระดับความลึกบริเวณตอนกลาง การระเบิดเกิดขึ้นระหว่างที่เก็บตัวอย่างครั้งที่ความลึกบริเวณตอนกลางนี้ ขณะเกิดเหตุนั้น อุณหภูมิภายนอกถังอยู่ที่ 9.6ºC ในขณะที่อุณหภูมิของเหลวในถังอยู่ที่ประมาณ 11-14ºC

รูปที่ ๓ ลำดับเหตุการณ์ที่เกิดและสาเหตุ

สาเหตุของการระเบิดเชื่อว่าเกิดจากไฟฟ้าสถิตที่เกิดจาก (ก) การเคลื่อนที่ของตัว sampling thief ในของเหลว และ (ข) เป็นไปได้ว่าประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการป้อนเบนซีนเข้าไปในถังในช่วงเช้านั้นยังคงมีอยู่ โดยเกิดประกายไฟฟ้าระหว่างตัว sampling thief กับตัวโครงสร้างของถังที่อาจจะเป็น gage hatch (บทความได้บอกว่าเกิดอะไรขึ้นกํบโอเปอร์เรเตอร์ผู้ทำหน้าที่เก็บตัวอย่าง แต่การที่บอกว่าเกิด "full surface tank fire" ก็แสดงว่าแรงระเบิดน่าจะทำให้หลังคาถังปลิวออกไป (และคงไปพร้อมกับโอเปอร์เรเตอร์ผู้ทำหน้าที่เก็บตัวอย่าง)

รูปที่ ๔ เบื้องหลังการเกิดเหตุและผลที่ตามมา

บทความยังกล่าวว่า ณ เวลานั้นอันตรายจากไฟฟ้าสถิตยังไม่ได้เป็นที่รับรู้กันดี (รูปที่ ๔) เห็นได้จากไม่มีการต่อสายดินเมื่อใช้เชือกที่ทำจากฝ้ายในการหย่อน samplig thief จริงอยู่ที่ว่าตัว sampling thief ที่ทำจากโลหะและเชือกที่ทำจากฝ้ายนั้นจะกระจายไฟฟ้าสถิตได้ดี แต่ถ้าไม่มีการต่อสายดินระบายประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นออกไป มันก็จะทำหน้าที่เป็นเสมือนตัวเก็บประจุ หลังจากเหตุการณ์ดังกล่าว จึงได้มีการปรับปรุงมาตรฐานประเทศญี่ปุ่น (JIS หรือ Japan Industrial Standard) โดยกำหนดให้ใช้เชือกที่ทำจากทองเหลืองในการเก็บตัวอย่างของเหลวที่มีจุดวาบไฟต่ำ (และที่สำคัญคือต้องมีการต่อสายดินด้วย)

กฎระเบียบความปลอดภัยต่าง ๆ ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนั้นล้วนเป็นสิ่งที่ได้เรียนรู้มาจากความผิดพลาดในอดีต ดังนั้นในการอ่านกรณีศึกษาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีต จึงต้องระวังการนำเอาความรู้ที่มีอยู่ในปัจจุบันนั้นไปวิพากษ์วิจารณ์การกระทำในอดีต เพราะการทำงานใด ๆ ทุกอย่างมันก็ถือได้ว่าปลอดภัยตราบเท่าที่ยังไม่เกิดเหตุ และความรู้ที่มีในปัจจุบันนั้นอาจเป็นสิ่งที่ไม่เป็นที่รู้กันในอดีต

ผลของอุณหภูมิต่อการแทนที่ตำแหน่งที่ 2 บนวงแหวนเบนซีน MO Memoir : Thursday 30 September 2564

การเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นจำเป็นที่สารตั้งต้นต้องมีสูงถึงพลังงานระดับหนึ่งก่อนที่จะทำให้เกิดการแตกพันธะได้ (ไม่ว่าจะเป็นการแตกพันธะของตัวเอง หรือเป็นผลจากการชนของโมเลกุลอื่น) โดยแต่ละปฏิกิริยานั้นมีความต้องการอุณหภูมิขั้นต่ำ (ที่สามารถทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้นั้น) แตกต่างกันไป และถ้าเราต้องการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้สูงขึ้นก็ทำได้ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้น แต่การเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นก็อาจทำให้ปฏิกิริยาที่ต้องการพลังงานกระตุ้นที่สูงกว่านั้นเกิดร่วมกับปฏิกิริยาที่ต้องการ (ที่ต้องการพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่า) ก็ได้

รูปที่ ๑-๓ นำมาจาก https://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch17.html เป็นภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานและการดำเนินไปข้างหน้าของปฏิกิริยา (reaction coordinate) ของปฏิกิริยา nitration ของวงแหวนเบนซีน โดยเป็นการเปรียบเทียบระหว่างกรณีของเบนซีน และเบนซีนที่มีหมู่แทนที่แล้ว 1 หมู่ โดยหมู่แรกที่มาเกาะนั้นเป็นหมู่ที่จ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้หรือเป็นหมู่ที่ไม่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้

รูปที่ ๑ เป็นการเปรียบเทียบระหว่างกรณีของเบนซีนและโทลูอีน หมู่อัลคิลเป็นหมู่ที่ไม่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนแต่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้ ดังนั้นโทลูอีนจึงมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา nitration สูงกว่าเบนซีน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือใช้พลังงานกระตุ้นต่ำกว่า โดยการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho (1,2-) และ para (1,4-) นั้นต้องการพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่าการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta (1,3-) ดังนั้นถ้าใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่ไม่สูงเกินไปก็จะได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ para เป็นหลัก แต่ถ้าทำการเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาด้วยการเพิ่มอุณหภูมิก็จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta เพิ่มมากขึ้น

รูปที่ ๑ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของปฏิกิริยา nitration ของเบนซีนเทียบกับโทลูอีน (toluene)

รูปที่ ๒ เป็นการเปรียบเทียบระหว่างกรณีของเบนซีนและคลอโรเบนซีน อะตอม Cl นั้นมีค่า electronegativity (En) สูงกว่าอะตอม C จึงเป็นฝ่ายดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน แต่ในขณะเดียวกันก็มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวที่สามารถจ่ายให้กับวงแหวนได้เวลาที่มีหมู่ที่สองเข้ามาดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน สองปัจจัยนี้ขัดแย้งกัน แต่ด้วยการที่ผลของการดึงอิเล็กตรอนออกนั้นสูงกว่าผลของการจ่ายคู่อิเล็กตรอน จึงทำให้คลอโรเบนซีนมีความว่องไวในการแทนที่อะตอม H ด้วยหมู่อื่นนั้นต่ำกว่าเบนซีน ดังนั้นการทำปฏิกิริยา nitration ของคลอโรเบนซีนจึงต้องการอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกรณีของเบนซีน ส่วนการแทนที่ตำแหน่งที่สองเกิดจะที่ตำแหน่งใดเป็นหลักนั้นขึ้นอยู่กับว่าใช้อุณหภูมิเท่าใด ถ้าใช้อุณหภูมิไม่สูงมากเกินไปก็จะได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho และ para เป็นหลัก แต่ถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นไปอีก สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ก็จะเพิ่มมากขึ้น

รูปที่ ๒ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของปฏิกิริยา nitration ของเบนซีนเทียบกับคลอโรเบนซีน (chlorobenzene)

รูปที่ ๓ เป็นการเปรียบเทียบระหว่างกรณีของเบนซีนและไนโตรเบนซีน อะตอม N ของหมู่ -NO₂ นั้นไม่มีคู่อิเล็กตรอนเหลือที่จะจ่ายให้กับวงแหวน จึงเป็นหมู่ที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนเพียงอย่างเดียว และดึงแรงด้วย จึงทำให้การแทนที่อะตอม H ตัวที่สองของไนโตรเบนซีนทำได้ยากขึ้นมาก โดยการแทนที่ครั้งที่สองที่ตำแหน่ง meta นั้นจะง่ายกว่าการแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho หรือ para ดังนั้นถ้าต้องการผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta เป็นหลักก็ต้องใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่ไม่สูงเกินไป เพราะถ้าสูงมากเกินไปก็จะได้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่นำแหน่ง ortho และ para มากขึ้น (หมายเหตุ : อะตอม N และ O มีค่า Electronegativity สูงกว่าอะตอม C จึงดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนได้ แต่ถ้าอะตอม N และ O นี้ยังมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลืออยู่ (เช่น -OH, -NH₂) มันก็สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้วงแหวนได้ และด้วยการที่ผลการจ่ายอิเล็กตรอนนั้นสูงกว่าการดึงอิเล็กตรอนออก จึงทำให้หมู่เหล่านี้เป็น ring acitvating group)

ตำราเคมีอินทรีย์มักจะกล่าวในทำนองว่าหมู่นั้นหมู่นี้เป็น ortho/para directing group หรือ meta directing group จึงทำให้ผู้เรียนหลงคิดได้ว่าถ้าหมู่แรกที่มาเกาะเป็นหมู่นี้ การแทนที่ครั้งที่สองจะเกิดที่ตำแหน่งเหล่านี้เท่านั้น ไม่สามารถเกิดที่ตำแหน่งอื่นได้ ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นมันยังเกิดได้อยู่ โดยมีอุณหภูมิเป็นตัวกำหนด

รูปที่ ๓ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของปฏิกิริยา nitration ของเบนซีนเทียบกับไนโตรเบนซีน (nitrobenzene)

รูปที่ ๔ เป็นข้อมูลในตารางที่ 2 ที่แสดงไว้ในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,822,943 เรื่อง "Production of para-diisopropylbenzene" แม้ว่าหมู่ alkyl จะเป็น ring ativating group และ ortho/para directing group แต่ด้วยการที่หมู่ isopropyl เป็นหมู่ใหญ่ การที่หมู่ isopropyl หมู่ที่สองจะเข้าแทนที่อะตอม H ที่อยู่เคียงข้างหมู่ isopropyl หมู่แรก (ตำแหน่ง ortho) จึงเกิดได้ยาก (steric hindrance effect) การแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho จึงเกิดน้อย

การผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้นต้องหาสมดุลระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สูงพอ และค่าการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเมื่อเทียบกับสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปหรือ selectivity) การเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาทำได้ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิ นั่นหมายถึงกำลังการผลิตที่สูงขึ้น แต่ก็อาจต้องจ่ายด้วยผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (ที่ไม่ต้องการ) ที่เกิดเพิ่มมากขึ้น ซึ่งหมายถึงค่าใช้จ่ายในการแยกสารต่าง ๆ ออกจากกันนั้นมากขึ้น

ข้อมูลในกรอบสีแดงแสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจาก 150ºC ไปเป็น 200ºC นั้น สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para และ meta นั้นเพิ่มขึ้น แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาเป็น 250ºC และ 300ºC สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง para กลับลดลงมาก ในขณะที่สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta เพิ่มขึ้นมาก 

รูปที่ ๔ สัดส่วนการเกิดผลิตภัณฑ์ diisopropylbenzene เมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาเปลี่ยนไป

คำอธิบายปรากฏการณ์นี้อยู่ในรูปที่ ๑ เพราะ intermediate ที่จะทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ได้นั้นมีพลังงานที่สูงกว่า intermediate ที่จะทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง para ที่อุณหภูมิต่ำการเกิด intermediate ที่จะทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta จึงเกิดได้น้อย แต่จะเกิดได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วน intermediate ที่จะทำให้เกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง para ที่มีพลังงานในตัวต่ำนั้น จะอยู่ไม่ได้เมื่อพลังงานของสภาพแวดล้อมสูงขึ้น

รูปที่ ๕ นำมาจากตารางที่ 1 ของสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 6,753,453 เรื่อง "Production of meta-diisopropylbenzene" โดยปฏิกิริยาที่ใช้คือ disproportionation ของ cumene (ย้ายหมู่ isopropyl จากโมเลกุล cumene โมเลกุลหนึ่ง ไปยังโมเลกุล cumene อีกโมเลกุลหนึ่ง ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ diisopropylbezene กับ benzene) ซึ่งจะเห็นว่าสัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา ข้อมูลในกรอบสีแดงแสดงให้เห็นว่าในช่วงอุณหภูมิ 140-180ºC เมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็น para- (1,4-) และ meta- (1,3-) เพิ่มมากขึ้น แต่ในช่วงอุณหภูมิ 160-220ºC นั้น สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่เป็น para ไอโซเมอร์นั้นลดต่ำลง ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ที่เป็น meta ไอโซเมอร์เพิ่มขึ้นมาก

รูปที่ ๕ สัดส่วนการเกิดผลิตภัณฑ์ diisopropylbenzene เมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาเปลี่ยนไป

ตำราเคมีอินทรีย์นั้นมักจะเขียนโดยมองจากมุมมองที่สภาพแวดล้อมมีระดับพลังงานต่ำ แต่มักไม่กล่าวว่าข้อสรุปต่าง ๆ นั้นเป็นข้อสรุปที่ได้มาจากสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำ พอพลังงานของสภาพแวดล้อมเพิ่มสูงขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นจริงมันก็เลยแตกต่างไปจากสิ่งที่เขียนไว้ในตำราได้ ดังนั้นการเข้าใจหลักการจึงเป็นเรื่องสำคัญ

ปฏิกิริยา Benzene alkylation MO Memoir : Sunday 5 September 2564

เวลาสอนอินทรีย์เคมี ผมมักจะบอกกับนิสิตเสมออย่ามองเฉพาะปฏิกิริยาที่ต้องการเห็น แต่ให้มองด้วยว่ามีปฏิกิริยาใดบ้างที่มีโอกาสเกิด คือมีสารจากปฏิกิริยาข้างเคียงใดมีโอกาสเกิดได้บ้าง ซึ่งสารเหล่านี้ต้องทำการแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ต้องการหรือหาทางกำจัด เพราะถ้าเรามองไม่เห็นปฏิกิริยาดังกล่าว เวลาไปออกแบบกระบวนการผลิตมันก็จะมีปัญหา เพราะมันจะไม่มีหน่วยที่ทำหน้าที่จัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงดังกล่าว

ในเนื้อหาบทเบนซีนนั้น เบนซีนสามารถทำปฏิกิริยาได้หลากหลาย แต่ในที่นี้จะขอยกตัวอย่าง ๓ ปฏิกิริยาที่ปรากฏในเนื้อหาและไปปรากฏในกระบวนการผลิตในเวลาเดียวกัน คือปฏิกิริยา alkylation, second substitution และ disproportionation (หรือ transalkyation)

รูปที่ ๑ แสดงปฏิกิริยา benzene alkylation ที่ใช้สังเคราะห์สารเคมีที่สำคัญ ๓ ตัวในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ปฏิกิริยาบนคือการสังเคราะห์ Ethyl benzene เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต Styrene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์พอลิสไตรีน ปฏิกิริยากลางคือการสังเคราะห์ Cumene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต phenol และ acetone และปฏิกิริยาล่างสุดคือการสังเคราะห์ Linear alkyl benzene ที่ใช้เป็น detergent ในสารชะล้างต่าง ๆ สิ่งที่เราต้องการคือผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่เพียงครั้งเดียว

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา benzene alkylation เพื่อสังเคราะห์สารเคมีที่สำคัญ ๓ ตัว ปฏิกิริยาบนคือการสังเคราะห์ Ethyl benzene เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต Styrene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิสไตรีน ปฏิกิริยากลางคือการสังเคราะห์ Cumene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต phenol และ acetone และปฏิกิริยาล่างสุดคือการสังเคราะห์ Linear alkyl benzene ที่ใช้เป็น detergent ในสารชะล้างต่าง ๆ

เราสามารถมองบริเวณที่มีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นว่ามีความเป็นลบหรือ Lewis base ที่พร้อมจะทำปฏิกิริยากับโครงสร้างที่มีความเป็นบวก เช่น carbocation หรือะตอมที่มีความเป็นขั้วบวกที่แรง หรือ Lewis acid แต่ในกรณีของวงแหวนเบนซีนนั้นเนื่องด้วย pi electron เกิดการ resonance จึงทำให้มีความเสถียรมากกว่าพันธะ C=C การที่สารใดจะดึงเอา pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้ สารนั้นต้องมีความเป็นบวกที่แรงมากพอ ซึ่งนั่นหมายความว่าสารนั้นจะสามารถดึง pi electron ของพันธะ C=C มาสร้างพันธะได้อย่างสบาย (เพราะมันดึงง่ายกว่าของวงแหวนเบนซีน)

ปฏิกิริยา alklyation ของวงแหวนเบนซีนนั้นเริ่มจากการทำให้โอเลฟินส์ (ไฮโดรคาร์บอนที่มีพันธะ C=C) กลายเป็น carbocation ก่อนด้วยการจ่าย H⁺ ให้กับพันธะ C=C ของโอเลฟินส์ (กรดที่ใช้นั้นจะแรงพอที่จะจ่าย H⁺ ให้กับพันธะ C=C แต่จะไม่จ่าย H⁺ ให้กับวงแหวนเบนซีน กรดที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะเป็นพวก solid acid catalsyt เช่นสารในตระกูล zeolite ต่าง ๆ) จากนั้น carbocation ที่เกิดขึ้นจึงค่อยเข้าทำปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีน ได้ผลิตภัณฑ์คือ monoalkylaromatic

carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากพันธะ C=C ของโอเลฟินส์ด้วยกัน (ทำให้เกิดการต่อโมเลกุลเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น) และกับวงแหวนเบนซีน แต่ปฏิกิริยาที่เราต้องการคือปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีน ดังนั้นเพื่อลดโอกาสที่ carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นจะทำปฏิกิริยากับโอเลฟินส์ที่ป้อนเข้ามา การทำปฏิกิริยาจึงควรทำในสภาวะที่มีเบนซีนมากกว่าโอเลฟินส์ (ลดโอกาสที่ carbocation ที่เกิดจะเจอกับโมเลกุลโอเลฟินส์)

ในขณะเดียวกัน monoalkylbenzene มีความว่องไวสูงกว่าเบนซีนในการทำปฏิกิริยากับ carbocation (เพราะหมู่ alkyl เป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนและเป็น ring activating group) ถ้าหาก monoalkylbenzene ที่เกิดมีโอกาสพบกับ carbocation ก็จะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ di- และ tri-alkylaromatic ได้ เพื่อลดโอกาสเกิดผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่มากกว่า 1 ตำแหน่งการทำปฏิกิริยาในสภาวะที่มีปริมาณเบนซีนมากเกินพอจึงจำเป็น และควรต้องทำการเจือจางโอเลฟินส์ในเบนซีนก่อนที่จะผ่านเข้าสู่เบดตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้โมเลกุลโอเลฟินส์มีการกระจายตัวในเบนซีนให้มากที่สุด (ถ้าโมเลกุลโอเลฟินส์ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลเบนซีน carbocation ที่เกิดจากโอเลฟินส์ก็จะไม่มีโอกาสทำปฏิกิริยากับโอเลฟินส์อื่น)

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการ Alkylation/Transalkylation ของเบนซีนด้วยโอเลฟินส์ C₂-C₁₄ (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,774,377 เรื่อง "Alkylation/Transalkylation Process")

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตสารประกอบ monoalkylbenzene ที่นำมาจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกา ในกระบวนการนี้โอเลฟินส์จะถูกผสมเข้ากับเบนซีนก่อนเข้าสู่หน่วยทำปฏิกิริยา alkylation ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากหน่วยทำปฏิกิริยา alkylation จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่หนึ่งที่จะทำการแยกเอาเบนซีนที่เหลือ (เพื่อนำกลับไปทำปฏิกิริยาใหม่) ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (สารประกอบ monoalkylbenzene) และผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (ที่ประกอบด้วยส่วนที่มีจุดเดือดต่ำคือ light paraffins และ oligomer ซึ่งก็คือโอเลฟินส์ที่ต่อกันเป็นสายโซ่ยาว และส่วนที่มีจุดเดือดสูงคือพวกที่มีการแทนที่ตั้งแต่สองตำแหน่งขึ้นไป)

หน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่สองจะทำการแยกเอา dialkylaromatic (อะโรมาติกที่มีการแทนที่สองตำแหน่ง) ออกจากส่วนอื่นเพื่อป้อนเข้าสู่หน่วยทำปฏิกิริยา transalkylation เพื่อทำปฏิกิริยากับเบนซีนที่ป้อนเข้ามา ในหน่วยนี้จะเกิดปฏิกิริยา transalkyation หรือ disproportionation ที่ทำการย้ายหมู่ alkyl จาก dialkylaromatic โมเลกุลหนึ่งไปยังเบนซีน เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ monoalkylbenzene ที่ต้องการ (และแน่นอนว่าก็ยังมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาย้ายหมู่ alkyl จาก dialkylaromatic โมเลกุลหนึ่งไปยัง dialkylaromatic อีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้เกิดเป็นสารประกอบ trialkylaromatic ดังนั้นสารที่ออกมาจากหน่วย transalkylation จึงถูกป้อนกลับไปยังหน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่หนึ่งใหม่

ส่วนที่ว่าผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่สองตำแหน่งนั้นจะเป็นผลิตภัณฑ์อะไรได้บ้างตรงนี้ก็ต้องไปดูที่ขนาดของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่ หมู่ alkyl นั้นเป็น ortho (1,2-) และ para (1,4-) direction group ในกรณีที่หมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นมีขนาดเล็ก (เช่นกรณีของหมู่ ethyl) ผลิตภัณฑ์ที่เป็น ortho ก็มีโอกาสที่จะเกิดมากกว่า (เพราะมีตำแหน่งให้แทนที่ถึงสองตำแหน่ง) แต่ถ้าหมู่แรกที่เข้ามาเกาะนั้นเป็นหมู่ขนาดใหญ่ (เช่น linear internal olefin) โอกาสที่จะเข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ก็จะน้อยลงหรือแทบไม่มี ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดก็จะเป็นการแทนที่ที่ตำแหน่ง para เป็นหลัก

ส่วนที่ว่าการทำปฏิกิริยา alkylation นั้นจะเกิดในเฟสแก๊สหรือเฟสของเหลวหรือเฟสผสม ก็ต้องไปดูว่าทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันเท่าใด และโอเลฟินส์นั้นมีจุดเดือดสูงหรือต่ำ ในกรณีที่มีจุดเดือดต่ำนั้นสามารถใช้ความดันเพื่อทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้หรือไม่

บทความนี้คงแสดงให้เห็นความสำคัญของวิชาเคมีอินทรีย์ในการออกแบบกระบวนการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

หมายเหตุ : โอเลฟินส์ที่มีพันธะ C=C อยู่ที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวแรกหรืออยู่ที่ปลายสายโซ่จะเรียกว่า 1-olefin หรือ alpha-olefin แต่ถ้าพันธะ C=C นั้นอยู่ภายในสายโซ่โมเลกุล (คือไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งปลายโซ่) ก็จะเรียกว่า internal olefin โมเลกุล paraffin ที่นำมาสังเคราะห์ linear olefin นั้นจะใช้โมเลกุลที่เป็นโซ่ตรง (ช่วงประมาณ C₁₀-C₁₄) โดยนำมาเข้าสู่กระบวนการ dehydrogenation (ดึงไฮโดรเจนออก) เพื่อทำให้เกิดพันธะคู่ในสายโซ่โมเลกุล แต่เนื่องจากจำนวนอะตอม H ในสายโซ่มีจำนวนมากกว่า และการดึงอะตอม H ออกจากหมู่ methylene (-CH₂-) ทำได้ง่ายกว่าการดึงอะตอม H ออกจากหมู่ methyl (-CH₃) ที่ปลายโซ่ (พันธะ C-H ของหมู่ methylene แข็งแรงน้อยกว่าของหมู่ methyl) จึงทำให้การดึงอะตอม H ออกนั้นมักจะเกิดบริเวณภายในสายโซ่เป็นหลัก การสังเคราะห์เพื่อให้ได้ linear alpha-olefin ทำได้ด้วยการใช้เอทิลีนเป็นสารตั้งต้นร่วมกับสารประกอบ organometallic compond บางชนิดเช่น triethylaluminium

Electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 2 บนวงแหวนเบนซีน ตอน ผลของอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา MO Memoir : Thursday 21 January 2564

ปฏิกิริยา electrophilic substitution ตำแหน่งที่ 2 บนวงแหวนเบนซีนนั้นมีเรื่องเข้ามาเกี่ยวข้อง 2 เรื่องด้วยกัน เรื่องแรกคือการแทนที่ครั้งที่สองนี้จะเกิดได้ง่ายกว่าหรือยากกว่าเมื่อเทียบกับการแทนที่ครั้งแรกของวงแหวนเบนซีน และเรื่องที่สองก็คือตำแหน่งที่จะเกิดการแทนที่ครั้งที่สองว่าจะอยู่ที่ตำแหน่งไหนเมื่อเทียบกับตำแหน่งการแทนที่ครั้งแรก

สิ่งที่เราเห็นกันในตำราอินทรีย์เคมีนั้นก็คือ ถ้าหมู่ที่มาเกาะหมู่แรกนั้นเป็นหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับวงแหวนเบนซีนได้ การแทนที่ครั้งที่สองชอบที่จะเกิดที่ตำแหน่ง ortho (หรือ 1,2-) หรือ para (หรือ 1,4-) มากกว่าที่ตำแหน่ง meta (หรือ 1,3-) ด้วยเหตุผลที่ว่าประจุ + ของ carbocation ที่เป็นสารมัธยันต์ (intermediate) ระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นสามารถถูกสะเทิน (ได้บางส่วน) จากการจ่ายอิเล็กตรอนของหมู่แรกที่มาเกาะก่อน (รูปที่ ๑) ทำให้สารมัธยันต์ตัวนี้มี "เสถียรภาพ" สูงกว่ากรณีของการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่หมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนนั้นไม่มีโอกาสที่จะจ่ายอิเล็กตรอนเพื่อลดทอนความเป็น + ของ carbocation

แต่ถ้าหมู่แรกที่มาเกาะนั้นเป็นหมู่ที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน การแทนที่ครั้งที่สองชอบที่จะเกิดที่ตำแหน่ง meta มากกว่า เพราะประจุ + ของ carbocation นั้นจะไม่เคลื่อนย้ายไปตรงกับอะตอม C ที่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอนเกาะอยู่ (รูปที่ ๒) จึงไม่เกิดการผลักกันของอะตอมที่มีประจุ +

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile (สารที่ชอบอิเล็กตรอน) บนวงแหวนเบนซีนของโทลูอีน การแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho- หรือ para- ทำให้ตำแหน่งที่เป็นประจุบวกของ carbocation ที่เกิดขึ้นเคลื่อนย้ายไปตรงตำแหน่งอะตอม C ที่มีหมู่ -CH₃ เกาะอยู่ ทำให้หมู่ -CH₃ สามารถจ่ายอิเล็กตรอนชดเชยความเป็นบวก carbocation จึงมีเสถียรภาพสูงกว่า (หรือมีพลังงานต่ำกว่า) กรณีการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่หมู่ -CH₃ ไม่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนชดเชยความเป็นบวก

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วย electrophile บนวงแหวนเบนซีนของไนโตรเบนซีน การแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho- หรือ para- ทำให้ตำแหน่งที่เป็นประจุบวกของ carbocation ที่เกิดขึ้นเคลื่อนย้ายไปตรงตำแหน่งอะตอม C ที่มีหมู่ -NO₂ เกาะอยู่ แต่ด้วยการที่อะตอม N ของหมู่ -NO₂ นั้นมีความเป็น + อยู่แล้ว จะทำให้เกิดการผลักกันระหว่างอะตอมที่มีความเป็น + สองอะตอม carbocation จึงมีเสถียรภาพต่ำกว่า (หรือมีพลังงานสูงกว่า) กรณีการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ที่ไม่เกิดการผลักกันของอะตอมที่มีความเป็น + สองอะตอม

เวลาที่เจอคำว่า "เสถียรภาพ" (หรือ stability) ในตำราอินทรีย์เคมี มักจะหมายถึงเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่มี "พลังงานต่ำ" โครงสร้างที่ตำราอินทรีย์เคมีบอกว่ามีเสถียรภาพสูงนั้น สามารถทำให้กลายเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพต่ำได้ถ้าหากสภาพแวดล้อมนั้นมีพลังงานสูง ซึ่งทำให้โครงสร้างที่มีเสถียรภาพต่ำที่ตำราอินทรีย์เคมีบอกไว้กลายเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพสูงแทน ที่เห็นได้ชัดในอุตสาหกรรมคือการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำที่กลไกการเกิดปฏิกิริยาเป็นแบบอนุมูลอิสระ (free radical polymerisation) ในตำราอินทรีย์เคมีนั้นจะบอกว่าอนุมูลอิสระชนิด tertiary จะมีเสถียรภาพสูงสุดในขณะที่อนุมูลอิสระแบบ primary มีเสถียรภาพต่ำสุด แต่ด้วยการใฃ้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันที่สูง ทำให้อนุมูลอิสระชนิด primary เป็นตัวที่มีเสถียรภาพสูงแทน จึงสามารถเกิดปฏิกิริยาต่อสายโซ่โมเลกุลได้

เมื่อนำปฏิกิริยาจากตำราอินทรีย์เคมีมาใช้เพื่อการผลิตในระดับภาคอุตสาหกรรม มักจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการทำปฏิกิริยาหลายอย่าง เช่นการใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยแก้ปัญหาเรื่องการผสมกันถ้าหากสารตั้งต้นประกอบด้วยโมเลกุลมีขั้วกับไม่มีขั้วที่จะไม่ผสมเข้าด้วยกันในเฟสของเหลว และการใช้กรดที่เป็นของแข็งแทนการใช้กรดที่เป็นของเหลว ทั้งนี้เพื่อลดปัญหาการกัดกร่อนอุปกรณ์และเพิ่มความสะดวกในการแยกออกจากผลิตภัณฑ์

ด้วยเหตุนี้เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นจริง จึงดูเหมือนว่าสิ่งที่พบนั้นแตกต่างไปจากที่กล่าวเอาไว้ในตำรา แต่ถ้าจะพิจาณากันจริง ๆ แล้วมันก็ยังใช้ความรู้ที่ปรากฏในตำรา เพียงแต่เวลาที่เราจะสรุปนั้น เราพึงต้องมองให้เห็นว่าข้อสรุปที่ปรากฏในตำรานั้นขึ้นอยู่บนข้อสมมุติอะไรที่ไม่ได้มีการกล่าวไว้ ตรงนี้เรามาลองดูตัวอย่างปฏิกิริยา alkylation ของโทลูอีนด้วยเมทานอล (รูปที่ ๓) และปฏิกิริยา nitration ของ chlorobenzene (รูปที่ ๔) ที่มีการรายงานไว้ในบทความวิชาการ อยากให้ลองพิจารณาผลของอุณหภูมิที่มีต่อการเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยา alkylation โทลูอีนด้วยเมทานอล จากบทความเรื่อง "Alkyation of toluene with methanol over alkali exchanged ZSM-5" โดย H. Vinek, M. Derewinski, G. Mirth และ J.A Lercher, Applied Catalysis, 68(1991) 277-284

ทั้ง -CH₃ และ -Cl ต่างเป็น ortho และ para directing group ต่างกันที่ -CH₃ เป็น ring activating group ในขณะที่ -Cl เป็น ring deactivating group ผลของอุณหภูมิที่มีต่อการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta ในปฏิกิริยา nitration ในรูปที่ ๔ นั้นเห็นไม่ชัดเจนเท่าใดนัก เพราะปฏิกิริยาเกิดในเฟสของเหลวและช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาไม่ได้แตกต่างกันมาก แต่ก็พอสังเกตได้อย่างหนึ่งว่าเมื่ออุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้น การเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta มีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ผลการทดลองที่รายงานไว้ในรูปที่ ๓ ที่เป็นปฏิกิริยาเกิดในเฟสแก๊สและมีช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างกันมากจะเห็นการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนการเกิดการแทนที่ที่ตำแหน่ง meta อย่างชัดเจน นั่นเป็นเพราะในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานสูงนั้น ปฏิกิริยาที่ต้องการพลังงานกระตุ้นที่สูงจะเกิดได้ดีขึ้น สัดส่วนโมเลกุล (สารมัธยันต์) ที่มีพลังงานในตัวสูงจะเพิ่มมากขึ้น ทำให้ปฏิกิริยาที่ไม่เห็นการเกิดที่อุณหภูมิต่ำนั้นมาปรากฏให้เห็นได้ที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่สูง

 

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยา nitration ของ chlorobenzene จากบทความเรื่อง "Effect of process conditions on formation of isomers in nitration of chlorobenzene" โดย Harold H. Bieber และ W. Fred Schurig, Industrial and Engineering Chemistry, vol 49 no. 5 May 1957, 832-837.

ปฏิกิริยา alkylation ของโทลูอีนด้วยเมทานอลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่มีรูพรุนขนาดเล็กเช่น molecular sieve บางชนิดนั้นอาจแตกต่างไปจากตัวอย่างที่นำมาให้ดูนี้ได้ นั่นเป็นเพราะว่าปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ แต่ผลิตภัณฑ์ที่จะแพร่ออกจากรูพรุนขนาดเล็กระดับโมเลกุลได้นั้นจำเป็นต้องมีรูปร่างโมเลกุลที่เหมาะสมด้วย โมเลกุลที่มีรูปร่างยาวดังเช่นโครงสร้างแบบ para นั้นสามารถแพร่ผ่านรูพรุนขนาดเล็กได้ดีกว่าโมเลกุลที่มีรูปร่างกลมกว่า (เช่นพวกโครงสร้างแบบ ortho หรือ meta) จึงทำให้เห็นค่าการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างแบบ para นั้นอยู่ที่ระดับสูงได้แม้ว่าจะมีการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้นมากก็ตาม

สิ่งที่เรียกว่าการค้นพบใหม่หรือองค์ความรู้ใหม่นั้น อาจจะเป็นเพียงแค่ตัวอย่างใหม่ของการประยุกต์ใช้งานองค์ความรู้พื้นฐานที่มีอยู่เดิมแค่นั้นเอง ขึ้นอยู่กับว่าเรามีความเข้าใจองค์ความรู้พื้นฐานนั้นดีแค่ไหนเท่านั้นเอง

จาก Benzene ไปเป็น Butter yellow MO Memoir : Tuesday 13 November 2561

แม้ว่าพันธะ C=C ของวงแหวนเบนซีน (benzene) จะมีความไม่อิ่มตัวอยู่ แต่ด้วยการเกิดเรโซแนนซ์ของ pi-electron จึงทำให้พันธะ C=C นี้เฉื่อยต่อการทำปฏิกิริยาเมื่อเทียบกับพันธะ C=C ทั่วไป เว้นแต่จะมี electrophile (สารที่มีประจุบวกหรือมีความเป็นขั้วบวก) ที่แรงพอ จึงจะสามารถสร้างพันธะกับวงแหวนเบนซีนแทนอะตอม H เดิมได้ (ตรงนี้แตกต่างจากปฏิกิริยากับพันธะ C=C ทั่วไปที่จะเป็นปฏิกิริยาการเติมหรือ addition) ปฏิกิริยาแทนที่นี้มีชื่อว่าปฏิกิริยา electrophilic aromtic substitution และหนึ่งในปฏิกิริยานี้ที่ทำได้ง่ายในระดับห้องปฏิบัติการเคมีทั่วไปคือปฏิกิริยา nitration
 

ปฏิกิริยา nitration ของวงแหวนเบนซีนจะใช้สารละลายผสมระหว่างกรดไนตริก (HNO₃) เข้มข้นและกรดกำมะถัน (H₂SO₄) เข้มข้น โดยกรด H₂SO₄ จะไปทำให้เกิด nitronium ion (NO₂⁺) ที่อะตอม N ของ nitronium ion นี้มีความเป็นบวกที่แรงมากพอที่จะเข้าไปดึงอิเล็กตรอนของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้
 

ปฏิกิริยา nitration นี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนค่อนข้างสูง และแม้ว่าหมู่ nitro (-NO₂) เป็น ring deactivating group (เพราะมันดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวน) แต่ถ้าหากปล่อยให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงเกินไป (เช่นเกิน 50ºC) ก็อาจทำให้เกิดการแทนที่ด้วยหมู่ -NO₂ ครั้งที่สองที่ตำแหน่ง meta ได้ ทำให้เกิดสารประกอบ 1,3-dinitrobenzene ร่วมได้
 

ถ้าทำการรีดิวซ์หมู่ -NO₂ ของ nitrobenzene (โดยไม่ไปยุ่งกับความไม่อิ่มตัวของวงแหวนเบนซีน) ให้กลายเป็นหมู่ amine -NH₂ ก็จะได้สารประกอบที่มีชื่อว่า aniline (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา nitration เบนซีนด้วยกรด HNO₃ โดยมีกรด H₂SO₄ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยจะได้ nitrobenzene ซึ่งถ้านำ nitrobenzene ไปรีดิวซ์หมู่ -NO₂ ให้กลายเป็น -NH₂ ก็จะได้ aniline

อะตอม N ของหมู่ -NH₂ ของ aniline มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) อยู่ ซึ่งถ้าเทียบกับ pi-electron ของวงแหวนเบนซีนแล้ว อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอม N จะทำปฏิกิริยากับ electrophile ได้ง่ายกว่ามาก ดังนั้นถ้ามี electrophile เช่น CH₃I (methyl iodide) ที่อะตอม C มีความเป็นขั้วบวกเข้ามาทำปฏิกิริยา อะตอม C ก็จะสามารถสร้างพันธะกับอะตอม N และแทนที่อะตอม H ทั้ง 2 ตัวของหมู่ -NH₂ ได้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ N,N-dimethyl aniline (รูปที่ ๒ เส้นทางล่าง) พร้อมกับการเกิด HI ที่เลือกใช้สารประกอบ iodide คงเป็นเพราะ I^- เป็น leaving group ที่ดีมาก เพราะมันเป็นเบสที่อ่อนมาก
 

แต่ในอุตสาหกรรมไม่ค่อยชอบปฏิกิริยาที่ต้องใช้สารประกอบ organic halide เท่าไรนัก เพราะมันทำให้เกิดสารประกอบเฮไลด์ที่กำจัดยาก การมองหา leaving group ที่ก่อปัญหาของเสียน้อยกว่าจึงมีความสำคัญ และ leaving group ตัวหนึ่งที่ไม่ก่อปัญหาเรื่องการกำจัดก็คือหมู่ไฮดรอกซิล -OH (hydroxyl)
 

ปฏิกิริยา alkylation ของ aniline กับเมทานอล (methanol CH₃OH) เกิดได้ในเฟสแก๊สโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งที่มีคุณสมบัติเป็นกรด Lewis อย่างอ่อนช่วยเร่งปฏิกิริยา บทความในรูปที่ ๒ กล่าวไว้ว่าความว่องไวในการทำปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ที่ได้ขึ้นอยู่กับ ชนิดตัวเร่งปฏิกิริยา สภาวะการทำปฏิกิริยา ฯลฯ โดย CH₃OH อาจเข้าทำปฏิกิริยาที่อะตอม N กลายเป็นสารประกอบ N,N-Dimethylaniline (เส้นทาง N-Alkylation) พร้อมกับการคายน้ำ (H₂O) ออกมา หรือเข้าทำปฏิกิริยาที่วงแหวนเบนซีนในตำแหน่ง para ก่อนกลายเป็นสารประกอบ p-Toluidine ก่อนที่จะเข้าทำปฏิกิริยาต่อที่อะตอม N ต่อไปจนได้สารประกอบ N,N-Dimethyl-p-toluidine (เส้นทาง C-Alkylation) ดังแสดงในรูปที่ ๒

รูปที่ ๒ (วาดขึ้นใหม่จากรูปที่แสดงไว้ในบทความเรื่อง "Synthesis of N-methylaniline by aniline alkylation with methanol over Sn-MFI molecular sieve" โดย P.S. Niphadkar, P.N. Joshi, H.R. Gurav, S.S. Deshpande และ V.V. Bokade ในวารสาร Catal Lett (2009) 133:175-184)

กรดไนตรัส (Nitrous acid HNO₂) เป็นกรดที่ไม่เสถียร เวลาจะใช้งานก็ต้องเตรียมขึ้นและใช้ในปฏิกิริยาเลย วิธีการเตรียมก็คือนำเกลือไนไตรท์ (nitrite NO₂) เช่น NaNO₂ มาทำปฏิกิริยากับกรดแก่ (เช่น H₂SO₄) กรดไนตรัสนี้สามารถทำปฏิกิริยากับหมู่ -NH₂ กลายเป็นสารประกอบเกลือ diazonium salt (azo คือไนโตรเจน ดังนั้น diazo ก็คือมีไนโตรเจน 2 อะตอม) อะตอม N ตัวหนึ่งของ diazo compound จะมีประจุบวก ซึ่งถ้ามีวงแหวนเบนซีนที่มีหมู่ ring activating group ที่แรง (เช่น -OH หรือ -NH₂) ก็จะเกิดปฏิกิริยาเชื่อมต่อสองโมเลกุลเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยานี้มีชื่อว่า diazo coupling reaction ที่มีหมู่ -N=N- ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมระหว่างวงแหวนเบนซีน 2 วง ตัวย่างเช่นปฏิกิริยาการสังเคราะห์ "Methyl yellow" (หรืออีกชื่อคือ "Butter yellow") จาก diazonium salt ของ aniline กับ N,N-Dimethylaniline ที่แสดงไว้ในรูปที่ ๓

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยา diazo coupling ระหว่าง diazonium salt ของ aniline กับ N,N-Dimethylaniline เนื่องด้วยความใหญ่ของวงแหวนเบนซีนของ diazonium salt และหมุ่ -N(CH₃)₂ จึงทำให้การเฃื่อมต่อเกิดที่ตำแหน่ง para มากกว่า ortho ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ "Methyl yellow" หรือ "Butter yellow"
 

มีคนตั้งคำถามทางอินเทอร์เน็ตว่าทำไมเนยที่ทำจากนมถึงมีสีเหลืองในขณะที่นมมีสีขาว ก็มีคนให้คำตอบว่าเป็นสีเหลืองของวิตามินเอที่อยู่ในนม โครงสร้างโมเลกุลของวิตามินเอนั้น (รูปที่ ๔) ประกอบด้วยพันธะรูปแบ conjugated C=C bond ต่อกันยาวจึงทำให้โมเลกุลวิตามินเอดูดกลืนแสงในช่วงสีม่วงได้ (เราก็เลยเห็นมันมีสีเหลืองเพราะเป็นช่วงความยาวคลื่นที่ไม่ถูกดูดกลืน) นอกจากนี้ด้วยการที่โมเลกุลมีความเป็นขั้วต่ำ จึงทำให้วิตามินเอละลายในไขมันได้ดีกว่าน้ำ องค์ประกอบส่วนใหญ่ของน้ำนมคือน้ำ แต่เมื่อนำไปทำเป็นเนยจะมีสัดส่วนไขมันที่สูงขึ้นมาก ความเข้มข้นวิตามินเอในเนยจึงสูงกว่าในน้ำนมมาก สีเหลืองจึงเด่นออกมา

รูปที่ ๔ Retinol รูปแบบโครงสร้างหนึ่งของวิตามินเอ

สีของ Methyl yellow เปลี่ยนได้ตามค่า pH กล่าวคือจะมีสีแดงเมื่อค่า pH < 2.9 และมีสีเหลืองเมื่อค่า pH > 4.0 สีเหลืองของ Methyl yellow นี้เคยถูกนำมาใช้แต่งสีของเนยเทียม (margarine) เพื่อให้ดูเหมือนเนยที่ได้จากนม และนี่จึงคงเป็นที่มาของชื่อ Butter yellow แต่การศึกษาในช่วงต่อมาพบว่ามันมีความเป็นพิษต่อร่างกาย จึงถูกเลิกใช้ไป (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ บทความเกี่ยวกับการศึกษาผลของ "Butter yelllow" ต่อการทำให้เกิดเนื้องอก (จากวารสาร The Journal of Experimental Medicine. 80 (3): 231–246 ปีค.ศ. ๑๙๔๔ หรือดูที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_yellow)

ถัง (Tank) บรรจุเบนซีนได้รับความเสียหายจากความดันที่สูงเกิน MO Memoir : Saturday 23 December 2560

คำภาษาอังกฤษที่แปลเป็นไทยว่า "ถัง" นั้นมีอยู่ด้วยกันหลายคำ แต่คำว่า "ถัง" ที่จะใช้ต่อไปในบทความนี้จะตรงกับคำภาษาอังกฤษว่า "Tank" ที่เป็นภาชนะเก็บของเหลวขนาดใหญ่ตั้งอยู่บนพื้นดิน เก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ การสร้าง Tank นี้ก็ต้องเริ่มจากการสร้างฐานรากเพื่อรองรับน้ำหนัก (ทั้งของตัว Tank เองและของเหลวที่บรรจุ) จากนั้นจึงนำเอาแผ่นเหล็กมาเชื่อมติดกันเป็นทั้ง พื้น ลำตัว (ผนังด้านข้าง) และหลังคา
 

สำหรับของเหลวที่มีความดันไอต่ำก็สามารถใช้หลังคารูปกรวยหรือที่เรียกว่า cone roof ได้ แต่ถ้าเป็นของเหลวที่มีความดันไอสูง การใช้ tank ที่มีหลังคาแบบลอยอยู่บนพื้นผิวของเหลวหรือที่เรียกว่า floating roof นั้นจะช่วยลดการระเหยของของเหลวได้ดีกว่า 
  

Tank ทั่วไปนั้นจะทนต่อความดันภายในที่สูงกว่าความดันบรรยากาศหรือต่ำกว่าบรรยากาศภายนอกได้เพียงเล็กน้อย (เทียบเท่าความสูงของน้ำไม่กี่เซนติเมตร) ในกรณีของ floating roof tank นั้นมันไม่มีปัญหาเรื่องการรักษาความดันภายในถังเพราะมันไม่มีที่ว่างให้ของเหลวระเหย และหลังคายังเลื่อนขึ้นลงตามปริมาณของเหลวที่มีอยู่ในถัง แต่ในกรณีของ cone roof tank นั้น เวลาที่เราสูบของเหลวเข้าถัง ระดับของเหลวในถังจะเพิ่มสูงขึ้น ทำให้ความดันอากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลวเพิ่มขึ้น ดังนั้นจำเป็นต้องมีวิธีการระบายความดันนี้ออกไปเพื่อไม่ให้ความดันเพิ่มสูงเกิน และในทางกลับกันถ้าเราสูบของเหลวออกจากถัง เมื่อระดับของเหลวในถังลดลง ความดันอากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลวจะลดต่ำลง ก็ต้องมีวิธีการดึงเอาอากาศภายนอกเข้ามาชดเชยปริมาตรภายในของส่วนที่เป็นแก๊สที่เพิ่มขึ้น ไม่เช่นนั้นถ้าความดันภายในถังต่ำเกินไป ความดันอากาศข้างนอกก็จะบีบอัดให้ถังสูญเสียรูปร่างได้

รูปที่ ๑ ตัวอย่างระบบรักษาความดันภายในถัง (Tank) ที่ป้องกันไม่ให้ความดันในถังสูงหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากเกินไป ปรกติรอยเชื่อมตรงตำแหน่งระหว่างฝาถังกับลำตัวจะออกแบบให้มีความแข็งแรงต่ำกว่ารอยเชื่อมส่วนอื่น เพื่อที่ว่าถ้าหากเกิดการระเบิดขึ้นในถัง ฝาถังจะเปิดออกเพื่อระบายความดันให้ลดต่ำลงก่อนที่โครงสร้างลำตัวจะฉีกขาดและทำให้ของเหลวที่บรรจุภายในถังรั่วไหลออกมาในปริมาณมากได้
 

ในกรณีของของเหลวที่ไม่อันตราย (เช่นไม่ไวไฟ ไม่มีความเป็นพิษเฉียบพลัน) และมีความดันไอต่ำ (เช่นน้ำ น้ำมันดีเซล) การใช้ท่อ vent ที่เป็นท่องอคว่ำลงเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนไหลเข้าไปในถัง (รูปที่ ๑) ก็จัดว่าเพียงพอ เพียงแค่คำนวณขนาดของท่อ vent ให้ใหญ่พอสำหรับการระบายอากาศเข้า-ออกเท่านั้น (ตรงนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของปั๊มที่ป้อนหรือสูบของเหลวออกจากถัง และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแต่ละวัน เช่นช่วงแดดจัด และฝนตกหนักกระทันหัน) ข้อดีของ vent แบบนี้ก็คือมันไม่มีอะไรให้ต้องดูแล (ระวังนกเข้าไปทำรังก็แล้วกัน) แต่ในกรณีที่เป็นสารเคมีที่มีความดันไอสูงขึ้นมาหน่อย (เช่น เบนซีน เอทานอล ที่มีจุดเดือดราว ๆ 80 องศาเซลเซียสและเป็นสารไวไฟ) อาจเกิดปัญหาเรื่องการรั่วไหลของสารเหล่านี้ออกมามากเกินไป หรือมีอากาศเข้าไปผสมกับไอระเหยของสารในถังนั้นมากเกินไป อันเป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือสภาพอากาศในแต่ละช่วงเวลาของวัน ในกรณีเช่นนี้ก็จะมีการติดตั้ง Breather valve หรือวาล์วหายใจเข้ากับช่องระบายอากาศ
 

Breather valve นั้นจะเปิดให้ไอระเหยข้างในระบายออกมาข้างนอกถ้าหากความดันในถังสูงเกินกว่าค่าที่กำหนดไว้ และจะเปิดให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปในถังถ้าหากความดันในถังต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ ทำให้ลดการสูญเสียของเหลวในถังเนื่องจากการระเหยออกและการปนเปื้อนของเหลวในถังเนื่องจากอากาศที่รั่วไหลเข้าไป และในกรณีของถังที่บรรจุของเหลวที่ไวไฟนั้น (เช่นเอทานอล) ก็อาจมีการติดตั้ง Flame arrester ไว้ข้างใต้ตัว Breather valve เพื่อป้องกันการระเบิดภายในถังอันเกิดจากไฟที่ลุกไหม้อยู่ภายนอกนั้น ทำให้ไอระเหยที่ระบายออกจากถังทาง Breather valve นั้นลุกติดไฟและเปลวไฟวิ่งย้อนกลับเข้าไปในถังได้ (ดูตัวอย่างได้ในรูปที่ ๒) รายละเอียดเกี่ยวกับ Breather valve เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๑๒ วันอาทิตย์ที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๕๗ เรื่อง "Breather valve และ Flame arrester"
 

เรื่องที่นำมาเล่าสู่กันฟังในวันนี้นำมาจากวารสาร Loss Prevention Bulletin vol. 69 ปีค.ศ. 1986 (พ.ศ. ๒๕๒๙) ที่เป็นเหตุการณ์ถัง (Tank) เก็บเบนซีนเกิดความเสียหายเนื่องจากความดันในถังสูงเกิน บทความนี้บรรยายเนื้อหาเหตุการณ์ไว้เพียงครึ่งหน้า และส่วนความเห็นของบรรณาธิการอีกครึ่งหน้า (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ Flame arrester และ Breather valve ที่ติดตั้งบน pressure vessel ที่ใช้เก็บเอทานอล
 

ถังเก็บเบนซีนขนาดความจุ 4850 m³ ได้รับการเติมเบนซีน 900 m³ ที่อุณหภูมิ 20ºC ต่อมาในวันที่ ๑๖ มกราคม ปีค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) มีการถ่ายเบนซีนจากเรือขนส่งเข้าไปในถังอีก 900 m³ ด้วยอัตรา 130 m³/hr โดยที่อุณหภูมิภายในถังคือ 24ºC ส่วนอุณหภูมิบรรยากาศภายนอกอยู่ที่ -10ºC บนหลังคาถังมีการติดตั้ง Breather valve (ในบทความใช้คำว่า PV valve หรือ pressure venting valve) ที่มี Flame arrester ติดตั้งอยู่ข้างใต้ จำนวน ๔ ชุดด้วยกัน
 

เมื่อพนักงานปฏิบัติงานเข้าไปเก็บตัวอย่างที่ถัง ก็พบการรั่วไหลออกมา จากการตรวจสอบพบว่าตัวถังได้รับความเสียหายที่หลายตำแหน่ง ไม่ว่าจะเป็นส่วนหลังคาที่ตัวหลังคาปูดบวมขึ้นมาและมีการฉีกขาดที่รอยเชื่อมต่อระหว่างฝาหลังคากับส่วนลำตัว ผนังลำตัวบางส่วนมีรอยฉีกและก้นถังปูดบวมขึ้นมา ทำให้ตัวถังนั้นยกเอียงจากฐานที่ตั้ง
 

สาเหตุเป็นเพราะไอระเหยของเบนซีนเกิดการแข็งตัวที่ Flame arrester ทั้ง ๔ ตัว ทำให้เมื่อสูบของเหลวเข้าไปในถัง ความดันเหนือผิวของเหลวจึงเพิ่มสูงขึ้นเนื่องจากปริมาตรของส่วนที่เป็นไอนั้นน้อยลง แต่ไอไม่สามารถระบายออกไปนอกตัวถังได้

รูปที่ ๓ ส่วนความเห็นของบรรณาธิการจากเหตุการณ์

บทความในวารสารนี้หลายบทความจะมีส่วนความเห็นของบรรณาธิการเพิ่มเติมเข้ามา ตัวอย่างเช่นในกรณีของเหตุการณ์ครั้งนี้ ส่วนความเห็นของบรรณาธิการแสดงให้เห็นถึงมาตรฐานความปลอดภัยที่แตกต่างกันไปตามประเทศต่าง ๆ เช่นการติดตั้ง Flame arrester ไว้ใต้ Breather valve ที่ถือว่าเป็นเรื่องปรกติของประเทศอื่นในยุโรป ยกเว้นแต่สหราชอาณาจักร (เวลาคนอังกฤษพูดถึงยุโรป เขามักจะไม่รวมอังกฤษเอาไว้) และมาตรฐาน API 2000 ก็ถือว่าไม่จำเป็น แต่ในมาตรฐาน NFPA 30-1981 นั้นกล่าวไว้แตกต่างกันออกไป (ทั้ง ๆ ที่ API และ NFPA ต่างอยู่ในอเมริกาทั้งคู่ โดย API ย่อมาจาก American Petroleum Institute และ NFPA ย่อมาจาก National Fire Protection Association) โดย NFPA มีการใช้คำว่า "may be omitted" นั่นแสดงว่า "ปรกติควรต้องติดตั้ง เว้นแต่ว่า ....." คือเมื่อพิจารณาแล้วว่าความเสี่ยงที่ Flame arrester จะเกิดการอุดตันและทำให้ถังบรรจุเกิดความเสียหายนั้นสูงกว่าความเสี่ยงที่จะเกิดเพลิงไหม้ 
  

ประเด็นนี้ชี้ให้เห็นว่าบางครั้งการที่จะตัดสินว่าการทำงานนั้นมีความปลอดภัยเพียงพอหรือไม่ คงต้องไปดูด้วยว่าใช้มาตรฐานของใครในการปฏิบัติงานอยู่
 

อีกเรื่องที่เห็นว่าน่าสนใจและขอนำมากล่าวในที่นี้คือ บทบาทรูปร่างของโมเลกุลที่มีต่ออุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ตรงนี้ขอให้ดูตัวอย่างในรูปที่ ๔ ก่อน

รูปที่ ๔ อุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือด (ºC) ของไฮโดรคาร์บอน C6 และ C7 บางตัว

ข้อมูลจาก https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound

แถวบนในรูปที่ ๔ นั้นเป็นกรณีของสารประกอบ C6 จำนวน ๓ สารด้วยกันคือ Hexane, Cyclohexane และ Benzene ส่วนแถวล่างนั้นเป็นกรณีของสารประกอบ C7 จำนวน ๓ สารด้วยกันคือ Heptane, Methylcyclohexane และ Toluene โดยเป็นการเปรียบเทียบระหว่างโครงสร้างชนิด Aliphatic (Hexane และ Heptane) Cycloaliphatic (Cyclohexane และ Methylcyclohexane) และ Aromatic (Benzene และ Toluene) 
  

เนื่องจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว แรงวาลเดอร์วาลส์จึงเป็นแรงยึดเหนี่ยวหลักระหว่างโมเลกุล ในกรณีของสารประกอบ C7 จะเห็นว่าไม่ว่าจะเป็นโครสร้างแบบไหน อุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดไม่ได้แตกต่างกันมาก แต่พอเป็นกรณีของสารประกอบ C6 จะเห็นว่าแม้ว่าอุณหภูมิจุดเดือดนั้นจะไม่แตกต่างกันมาก แต่อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของพวกโครงสร้างที่เป็นวงคือ Cyclohexane และ Benzene นั้นสูงกว่าของ Hexane (ที่มีจำนวนอะตอม C เท่ากัน) และสูงกว่าของ Methyclohexane และ Toluene (ที่มีจุดเดือดสูงกว่า และมีโครงสร้างลักษณะทำนองเดียวกัน) ประมาณ 100ºC 
  

การที่ Cyclohexane และ Benzene มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าสารอื่นก็เพราะการที่สองสารนี้มีรูปร่างโมเลกุลที่ค่อนข้างแบนและสมมาตร ทำให้โมเลกุลที่อยู่เคียงข้างกันสามารถเข้ามาแนบชิดกันได้มาก แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงสูง (ผลจากระยะทางที่ใกล้กัน) ทำให้จุดหลอมเหลวของสารสองตัวนี้สูงกว่าตัวอื่นมาก

ท้ายสุดนี้ขอฝากภาพงานก่อสร้างหลังคาคลุมทับหลังคาเดิมของอาคารข้าง ๆ เอาไว้หน่อย เพราะมันมีเรื่องที่แปลกอยู่เหมือนกันว่า ทำไมต้องทำเรื่องง่ายให้เป็นเรื่องยาก แล้ววันหลังจะมาเล่าให้ฟัง