เป็นอาจารย์สอนหนังสือออกข้อสอบมานานแล้ว มาวันนี้เปลี่ยนบรรยากาศมาเป็นขอลองทำข้อสอบเข้ามหาวิทยาลัยเรื่องการไทเทรตกรดเบสดูบ้าง
เริ่มจากเห็นเขามีการเปิดโรงเรียนกวดวิชาสำหรับนิสิตมหาวิทยาลัยที่เรียนคณะวิศวกรรมศาสตร์ เพื่อเพิ่มเกรด แถมมีสาขาวิชาที่ผมสอนซะด้วย ก็เลยแวะเข้าไปดูหน่อยว่ามีเปิดกวดวิชาไหนบ้าง
ยังดีที่ไม่มีวิชาที่ผมสอน ;) ;) ;)
หลังจากนั้นก็มีโฆษณาต่าง ๆ เกี่ยวกับโรงเรียนกวดวิชาโผล่มาเต็มหน้า facebook ไปหมด ทั้งติวเข้ามัธยมต้น ติวเข้ามัธยมปลาย ติวทำเกรดเอนทรานซ์ ฯลฯ รวมทั้งเฉลยข้อสอบเก่าย้อนหลัง
เนื่องจากสอนวิชาเกี่ยวกับเคมี (ทั้งบรรยายและปฏิบัติการ) ให้กับนิสิตปี ๒ ก็เลยอยากรู้ว่าตอนมัธยมเขาเรียนอะไรกันมาบ้าง เพราะพบว่ามีปัญหาเรื่องความรู้พื้นฐานมาก หลังจากแวะไปดูผลงานติวเตอร์หลายราย ก็ไปสะดุดใจที่ข้อสอบ PAT2 เคมี ปี ๖๕ ข้อการไทเทรตกรดเบส ที่มีคำถามและคำตอบให้เลือกดังแสดงข้างล่าง
ทำการทดลองไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ด้วยสารละลายมาตรฐานโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เข้มข้น 0.1 โมลาร์ โดยใช้ฟีนอล์ฟทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์ นักเรียนแต่ละกลุ่มได้แสดงผลการทดลองโดยเขียนปริมาตร NaOH ที่ใช้บนกระดาน และครูบันทึกสิ่งที่สังเกตเห็นเพื่อการอภิปรายดังนี้
|
กลุ่ม |
ปริมาตร NaOH ที่ใช้ (ml) |
สิ่งที่ครูสังเกตเห็น |
||
|
ครั้งที่ 1 |
ครั้งที่ 2 |
ครั้งที่ 3 |
||
|
A |
'10.50' |
10.55 |
10.55 |
แบ่งงานกัน โดยให้คนหนึ่งปิเปตต์ และอีกคนไทเทรตตลอดการทดลอง |
|
B |
'10.10' |
'10.00' |
'9.90' |
ปิเปตกรดลงในบีกเกอร์ แล้วใช้แท่งแก้วคนสารขณะไทเทรต และล้างแท่งแก้วก่อนทำการไทเทรตแต่ละครั้ง |
|
C |
'9.90' |
'9.80' |
'9.90' |
ใช้น้ำกลั่นปริมาณมากชะสารที่ติดข้างในขวดรูปกรวย |
|
D |
'9.00' |
'9.10' |
'8.90' |
ใช้โบรโมไทมอลบลูเป็นอินดิเคเตอร์ แทนฟีนอล์ฟทาลีน |
กำหนดให้ช่วง pH ที่เปลี่ยนสีและสีที่เปลี่ยนของอินดิเคเตอร์เป็นดังนี้
-
อินดิเคเตอร์
ช่วง pH ที่เปลี่ยนสี
สีที่เปลี่ยน
โบรโมไทมอลบลู
6.0 - 7.6
เหลือง - น้ำเงิน
ฟีนอล์ฟทาลีน
8.3 - 10.0
ไม่มีสี - ชมพู
การอภิปรายผลการทดลองในข้อใดถูกต้องและสมเหตุสมผลมากที่สุด
1. ค่าเฉลี่ยของกลุ่ม A น่าจะใกล้เคียงค่าจริงที่สุด เพราะความชำนาญของนักเรียนทำให้ได้ค่าที่มึความเที่ยงสูง
2. ค่าเฉลี่ยของกลุ่ม B มีความแม่น เนื่องจากเลือกใช้อุปกรณ์เครื่องแก้วสำหรับการไทเทรตและเทคนิคที่เหมาะสม
3. ค่าเฉลี่ยของกลุ่ม C เชื่อถือได้ เนื่องจากการผสมน้ำกลั่นลงไปไม่สงผลต่อปริมาตรของ NaOH ที่ใช้ในการไทเทรต
4. ปริมาตร NaOH ที่กลุ่ม D ใช้น้อยกว่ากลุ่มอื่น เพราะโบรโมไทมอลบลูเป็นอินดิเคเตอร์ที่ไม่เหมาะสม
5. ปริมาตร NaOH ที่น่าเชื่อถือที่สุดคือ 9.90 ml เนื่องจากเป็นค่าเดียวที่ทำซ้ำได้ถึงสามครั้ง
จากที่ดูคลิปวิดิโอของติวเตอร์ประมาณ ๕ ราย ก็เห็นทุกรายเฉลยคำตอบเดียวกัน แต่ใช้เหตุผลในการตัดตัวเลือกที่แตกต่างกัน ส่วนเฉลยที่แท้จริงของคนออกข้อสอบนั้นคือข้อไหนผมก็ไม่รู้ รู้แต่ว่าจากประสบการณ์สอบแลปเคมี (สอนเองทุกปี) มาจะครบ ๓๐ ปีในปีหน้าแล้ว กลับเห็นต่างออกไป
ก่อนอื่นเรามาดูหลักการการหาปริมาณด้วยการไทเทรตกันก่อน
ในการไทเทรตนั้น เราใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นแน่นอน และทราบว่าทำปฏิกิริยากับสารที่ต้องการวัดปริมาณนั้นด้วยอัตราส่วนโดยโมลเท่าใด โดยเอาสารมาตรฐานมาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างที่ทราบปริมาณแน่นอนเพื่อหาว่าต้องใช้สารมาตรฐานในปริมาณเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างได้พอดี
ส่วนเรื่องที่ว่ารู้ได้อย่างไรว่ามันทำปฏิกิริยากันพอดี (ไม่ขาด ไม่เกิน) ก็มีทั้งการใช้อินดิเคเตอร์ (ปรกติก็ดูการเปลี่ยนสีของสารละลาย แต่บางครั้งก็ดูการเกิดตะกอนที่มีสี) และการใช้อุปกรณ์วัดต่าง ๆ เช่นวัดค่า pH, วัดค่าการนำไฟฟ้า
วิธีการทำก็คือเอาสารหนึ่งใส่บิวเรต อีกสารหนึ่งก็ใส่ "ภาชนะ" รองรับใต้บิวเรต ส่วนใหญ่ที่ทำกันก็จะเอาสารมาตรฐานใส่บิวเรต แต่จะทำกลับกันก็ได้ถ้าเห็นว่าสารตัวอย่างมีปริมาณมากทิศทางการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์มันดูง่ายกว่า
โดยวิธีการก็คือปิเปตสารในปริมาตรที่แน่นอนใส่ภาชนะรองรับ จากนั้นก็หยดอินดิเคเตอร์ลงไป แล้วก็หยดสารจากบิวเรตลงมาทีละหยด ผสมสารในภาชนะรองรับทำปฏิกิริยากันจนสมบูรณ์ ถ้าเห็นอินดิเคเตอร์ยังไม่เปลี่ยนสี ก็หยดสารจากบิวเรตเพิ่ม ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าอินดิเคเตอร์จะเปลี่ยนสี "สมบูรณ์"
ตรงนี้จะมียกเว้นก็กรณีของ phenolphthalein ที่มันเปลี่ยนสีระหว่างไม่มีสีกับสีชมพู ที่เรามักจะไทเทรตจนเห็นสีชมพูปรากฏ (คือในสารละลายยังมีโครงสร้าง phenolphthalein ที่ไม่มีสีอยู่ร่วมกับโครงสร้างที่มีสี) แต่ถ้าเป็นอินดิเคเตอร์พวกที่เปลี่ยนสีสองสีเช่นจากเหลืองเป็นน้ำเงิน เราจะไทเทรตจนมันเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินสมบูรณ์ (ในสารละลายมีแต่โครงสร้างที่เป็นสีน้ำเงิน) ไม่ใช่เห็นว่าสารละลายเป็นสีเขียว (เกิดจากในสารละลายมีโครงสร้างที่เป็นสีเหลืองและสีน้ำเงินผสมกันอยู่)
ส่วนที่ว่าการเปลี่ยนสีสมบูรณ์นี้จะเกิดรวดเร็วแค่ไหน ขึ้นกับปัจจัยหลายอย่าง โดยปัจจัยหนึ่งก็คือปริมาตรสารหยดสุดท้ายที่หยดลงไปจากบิวเรต ถ้าปริมาตรนี้ไม่มากเพียงพอที่จะทำให้อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์ เราก็จะเห็นสารละลายเป็นสีผสม (เช่น เขียว ในกรณีของการเปลี่ยนสี เหลือง-น้ำเงิน หรือ ส้ม ในกรณีของการเปลี่ยนสี เหลือง - แดง)
ประเด็นถัดมาก็คือ "ภาชนะ" รองรับใต้บิวเรต ส่วนใหญ่เวลาทำการไทเทรตโดยใช้อินดิเคเตอร์ก็มักจะใช้ขวดรูปชมพู่หรือบางที่ก็เรียกว่าขวดรูปกรวย เพราะมันสะดวกในการจับเขย่าและป้องกันการกระฉอกของสารที่ใส่ลงไป แต่การผสมกันเพื่อให้สารที่อยู่ในภาชนะรองรับและสารที่หยดจากบิวเรตทำปฏิกิริยากันจนหมดนั้น ไม่จำเป็นต้องใช้การเขย่า จะใช้แท่งแม่เหล็กปั่นกวนก็ได้ (ไม่เมื่อยมือ) หรือจะใช้แท่งแก้วคนก็ได้ แต่ถ้าจะใช้แท่งแก้วคนก็ต้องเปลี่ยนไปใช้บีกเกอร์เป็นภาชนะบรรจุ ในกรณีของการไทเทรตและวัดการเปลี่ยนแปลงค่า pH ไปด้วยนั้นก็จะเอาสารใส่บีกเกอร์กัน เพราะขวดรูปขมพู่มันไม่มีที่ให้ใส่ pH probe
ดังนั้นโดยส่วนตัวแล้ว จะทำแบบที่เขามักสอนกันคือใส่ขวดรูปชมพู่แล้วเขย่า หรือใส่บีกเกอร์แล้วเอาแท่งแก้วคน ถ้าทำถูกต้องมันก็ให้ผลที่ออกมาไม่แตกต่างกัน
รูปที่ ๑ กราฟการเปลี่ยนแปลงค่า pH เมื่อทำการหยดสารละลาย NaOH 0.1 M ลงในสารละลาย HCl เข้มข้น (สีน้ำเงิน) 0.1 M 10 ml (สีส้ม) 0.05 M 20 ml ที่เกิดจากเอาสารละลาย 0.1 M 10 ml มาเติมน้ำกลั่นเพิ่ม 10 ml และ (สีเขียว) 0.01 M 100 ml ที่เกิดจากเอาสารละลาย 0.1 M 10 ml มาเติมน้ำกลั่นเพิ่ม 90 ml สารละลายทั้งสามมีปริมาณ HCl เท่ากัน แต่กราฟการเปลี่ยนแปลงค่า pH นั้นแตกต่างกันอันเป็นผลจากปริมาตรน้ำที่เติมลงไปผสม
ทีนื้มาดูเรื่องของชนิดอินดิเคเตอร์ที่ใช้ โดยหลักก็คือมันต้องเปลี่ยนสีสมบูรณ์ในช่วงจุดสมมูล (equivalent point) ของการไทเทรต จุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีสมบูรณ์นี้เราเรียกว่าจุดยุติด (end point) โดยมันอาจจะเปลี่ยนสีสมบูรณ์ก่อนหรือหลังจุดสมมูลก็ได้ แต่ปริมาณที่แตกต่างกันตรงนี้ควรต้องน้อยกว่าปริมาณที่น้อยที่สุดที่สามารถหยดจากบิวเรตได้ ปรกติปริมาตรที่น้อยที่สุดที่สามารถหยดจากบิวเรตและยังสามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงค่าที่สเกลข้างบิวเรตได้ก็ประมาณครึ่งหยด หรือ 0.05 ml สำหรับบิวเรตขนาด 50 ml)
รูปที่ ๑ เป็นกราฟการเปลี่ยนแปลงค่า pH เมื่อทำการหยดสารละลาย NaOH 0.1 M ลงในสารละลาย HCl ที่มีความเข้มข้นต่างกันแต่มีปริมาณ HCl เท่ากัน การเติมน้ำผสมลงไปกับตัวอย่างนั้น (ไม่ว่าจะเป็นก่อนเริ่มการไทเทรตหรือระหว่างการไทเทรตที่มีการฉีดชะล้างสารที่ติดอยู่ข้างผิวภาชนะ) ส่งผลให้ค่า pH ของสารละลายก่อนเริ่มไทเทรตสูงขึ้น (ผลของการเจือจาง) และค่า pH สุดท้ายของสารละลายลดต่ำลง ส่วนจะเพิ่มขึ้นมากน้อยเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าเติมน้ำลงไปมากเท่าใด แต่การเติมน้ำมันทำให้ช่วงที่ค่า pH เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนั้น "แคบลง"
เมื่อเทียบช่วงการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์กับปริมาตรน้ำที่เติมลงไปเจือจางตัวอย่างก่อนการไทเทรตในรูปที่ ๑ จะเห็นว่าถ้าไม่ได้เติมน้ำมากเกินไป จะใช้ methyl orange ที่เปลี่ยนสีสมบูรณ์ที่ค่า pH 4.4 (จุดยุติอยู่ก่อนถึงจุดสมมูล) หรือ phenolphthalein ที่เริ่มเห็นสีชมพูปรากฏที่ค่า pH เกิน 8.3 (จุดยุติอยู่เลยจุดสมมูล) ก็จะได้ผลการไทเทรตออกมาเหมือน ๆ กัน คือ 10.0 ml โดยในกรณีของสารละลาย 0.01 M 100 ml และใช้ methyl orange เป็นอินดิเคเตอร์นั้น จะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงสีจากแดง-ส้มเป็นเหลืองทันที โดยจะมีช่วงที่เป็นสีผสม ในขณะที่ methyl red หรือ bomothymol blue จะเห็นการเปลี่ยนแปลงสีสมบูรณ์แบบทันที
จากประสบการณ์ที่สอนมานั้น เอาตัวอย่างเดียวกันให้ผู้ทำการทดลองหลาย ๆ กลุ่มวิเคราะห์ ผลก็จะออกมาใกล้เคียงกัน แม้ว่าจะไม่ตรงกันก็ตาม ถ้าพบว่าผลการทดลองอันไหนหลุดกลุ่มไป แม้ว่าจะทำซ้ำได้ก็ตาม ก็จะสงสัยไว้ก่อนว่าการทำการทดลองน่าจะมีปัญหา เช่นทำการทดลองได้ผลซ้ำเดิม แต่ด้วยวิธีการทดลองที่ทำผิดซ้ำเดิม เช่นไล่สารที่ค้างที่ปลายปิเปตออกหมดทั้ง ๆ ที่ใช้ปิเปตชนิดที่ไม่ต้องไล่ ซึ่งจะทำให้ได้ค่าสูงเกินจริง
ดังนั้นโดยส่วนตัวจากประสบการณ์การทำงานแล้ว จากข้อมูลที่โจทย์ให้มา ถ้าถามว่าตัวอย่างมีความเข้มข้นเท่าใด ก็จะเอาผลของกลุ่ม A กับ D ออกไปก่อน เหลือผลของกลุ่ม B และ C ที่เห็นว่าเกาะกลุ่มใกล้เคียงกันมาเฉลี่ยค่าหาความเข้มข้นของตัวอย่าง
ขอย้ำตอนท้ายอีกทีนะ ผมเองไม่รู้ว่าคนออกข้อสอบนั้นเฉลยคำตอบไหน และมันตรงกับที่ติวเตอร์เฉลยกันหรือเปล่า แต่จากประสบการณ์ส่วนตัวที่สอนปฏิบัติการด้วยตนเองการทำวิจัยที่ผ่านมา ผมก็มีสิทธิที่จะเลือกคำตอบที่สมเหตุสมผลมากที่สุดตามมุมมองของผม
