PAT2 เคมี ปี ๖๕ ข้อการไทเทรตกรดเบส MO Memoir : Sunday 5 November 2566

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

การหาจุดสมมูลของการไทเทรตจากกราฟการไทเทรต MO Memoir : Wednesday 1 December 2564

หลายครั้งที่เราต้องทำงานกับข้อมูลที่ไม่ต่อเนื่อง คือมาในรูปของจุดข้อมูล (x,y) แต่เวลาใช้งานเราต้องการทราบค่า y ณ ตำแหน่ง x ใด ๆ ที่ไม่ใช่ตำแหน่ง x ของจุดข้อมูลที่มี การแก้ปัญหาตรงนี้ทำได้ด้วยการสร้างฟังก์ชันประมาณค่าในช่วง (Interpolation function) ซึ่งก็สามารถทำได้หลายวิธี

และบ่อยครั้งเหมือนกันที่เราได้ข้อมูลมาในรูปของจุดข้อมูล (x,y) แต่เวลาใช้งานเราต้องการทราบค่าอนุพันธ์ ณ ตำแหน่ง x ต่าง ๆ ของข้อมูลนั้น ตัวอย่างหนึ่งของงานประเภทนี้ได้แก่การหาจุดสมมูลของการไทเทรต (equivalent point)จากกราฟการไทเทรต (titration curve)

สมมุติว่าเราทำการไทเทรตัวอย่างที่เป็นกรดด้วยสารละลายเบสแล้ววัดค่า pH ที่เปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณเบสที่หยดลงไป ในช่วงที่อยู่ห่างจุดสมมูลนั้นค่า pH จะมีอัตราการเปลี่ยนแปลง (ค่า pH ที่เปลี่ยนต่อปริมาตรเบสที่หยด) ที่ต่ำ แต่อัตราการเปลี่ยนแปลงนี้จะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อเข้าใกล้จุดสมมูล และมีค่าสูงสุดที่จุดสมมูล และเมื่อพ้นจุดสมมูลไปแล้วค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงก็จะลดต่ำลง (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ กราฟการไทเทรตตัวอย่างที่เป็นกรดอ่อน (ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ตัวเดียว) ด้วยเบสแก่ (NaOH 0.5 mol/l) เส้นสีน้ำเงินคือค่า pH ที่วัดได้ที่เมื่อเติมลงไป เส้นสีส้มและเส้นสีเขียวคือค่าความชันของเส้นสีน้ำเงิน

การระบุตำแหน่งที่ค่า pH มีอัตราการเปลี่ยนแปลงสูงสุดจากกราฟค่า pH กับปริมาตรเบสที่หยดจะทำได้ยาก วิธีการหนึ่งที่ช่วยให้การระบุตำแหน่งดังกล่าวทำได้ง่ายขึ้นก็คือการคำนวณค่าอัตราการเปลี่ยนแปลง pH แล้วนำมาเขียนกราฟใหม่เป็นกราฟระหว่างค่า d(pH)/d(ml) กับปริมาตรเบสที่หยด ตำแหน่งที่เป็นจุดสูงสุดของพีคที่ได้คือตำแหน่งของจุดสมมูล (ถ้าเป็นการไทเทรตเบสด้วยสารละลายกรด พีคที่ได้มันจะกลับด้านนะ)

วิธีการคำนวณวิธีแรกที่จะแนะนำคือเทคนิค finite difference ในวิธีการนี้ ถ้าเรามีจุดข้อมูล 2 จุดคือ (x₁, y₁) และ (x₂, y₂) ความชันของเส้นตรงที่เชื่อมต่อสองจุดนี้คือ (y₂ - y₁)/(x₂ - x₁) ซึ่งความชันของเส้นตรงเส้นนี้จะเป็นค่าประมาณของความชันของจุดกึ่งกลางระหว่าง x₁ และ x₂ (คือจุด (x₁ + x₂)/2)

วิธีการคำนวณวิธีการที่สองคือการใช้ฟังก์ชันพหุนาม (polynomial) สร้าง interpolation function ขึ้นมาก่อน เราก็จะได้ฟังก์ชันต่อเนื่องสำหรับคำนวณค่า y ที่จุด x ใด ๆ จากนั้นจึงทำการ differentiate หรือหาค่าอนุพันธ์ของฟังก์ชันที่สร้างขึ้น เช่นถ้าเราใช้จุดข้อมูล 3 จุด เราก็สามารถสร้างสมการกำลังสองได้ และวิธีการหนึ่งที่สร้างสมการกำลัง 2 ได้ง่ายจากจุดข้อมูล 3 จุด (a, f(a)), (b, f(b)) และ (c, f(c)) คือการใช้ฟังก์ชันพหุนามลากรองจ์ (Lagrange polynomial) ซึ่งในกรณีของจุดข้อมูล 3 จุดนั้นฟังก์ชันนี้จะมีหน้าตาดังแสดงในสมการที่ (1) ข้างล่าง

ถ้าเราทำการ differentiage สมการที่ (1) 1 และ 2 ครั้ง เราก็จะได้สมการสำหรับคำนวณค่าอนุพันธ์อันดับ 1 และอันดับ 2 ดังนี้

รูปที่ ๒ กราฟการไทเทรตตัวอย่างที่ประกอบด้วยกรดอ่อน (ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ตัวเดียว) สองชนิดที่มีความแรงต่างกัน ด้วยเบสแก่ (NaOH 0.5 mol/l) เส้นสีน้ำเงินคือค่า pH ที่วัดได้ที่เมื่อเติมลงไป เส้นสีส้มและเส้นสีเขียวคือค่าความชันของเส้นสีน้ำเงิน พีคค่าอนุพันธ์อันดับ 1 ทางด้านซ้ายที่เห็นแตกเป็นสองพีคนั้นเกิดจากการที่จุดข้อมูลมีการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ราบเรียบ (ไทเทรตด้วยเครื่องอัตโนมัติ)

รูปที่ ๑ และ ๒ ที่นำมาเป็นตัวอย่างนั้นได้มาจากการไทเทรตด้วยเครื่องอัตโนมัติ (รูปที่ ๓) ที่เครื่องจะทำการปรับปริมาตรเบสที่เติมตามอัตราการเปลี่ยนแปลงค่า pH ทำให้จุดข้อมูลที่ได้มานั้นอยู่ห่างกันเป็นระยะที่ไม่คงที่ คือช่วงที่ค่า pH เปลี่ยนช้าจุดก็จะอยู่ห่างกัน แต่ถ้าเป็นช่วงที่ค่า pH เปลี่ยนเร็วจุดก็จะอยู่ใกล้กัน

การใช้ค่าอนุพันธ์ในการหาตำแหน่งจุดสมมูลจะช่วยให้การแปลผลการไทเทรตที่การเปลี่ยนแปลงค่า pH นั้นไม่เด่นชัด (ดังเช่นพีคแรกในรูปที่ ๒) หรือในกรณีที่จุดสมมูลของกรดแต่ละตัวนั้นอยู่ใกล้กัน

รูปที่ ๓ เครื่องไทเทรตอัตโนมัติ (auto titrator) ที่ใช้ในการไทเทรต

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๒๓ Spent caustic neutralisation section MO Memoir : Sunday 30 October 2559

ในที่สุดก็มาถึงหน่วยสุดท้ายของบทความชุดนี้ซะที (เอกสารในส่วนทำความรู้จักกระบวนการนั้นมันหมดแค่นี้) 
  

สิ่งสำคัญสิ่งแรกที่ต้องบอกไว้ตรงนี้ก่อนก็คือคำบรรยายในเอกสารนั้นอิงไปที่รูปที่ ๑ และ ๒ นั้นดูเหมือนว่าเป็นกระบวนการที่ออกแบบมาสำหรับการผลิตที่ใช้วัตถุดิบเป็นไฮโดรคาร์บอนเหลวที่อุณหภูมิห้อง (ตั้งแต่ C5 ขึ้นไป) และยังมีการรับกำจัด spent caustic จากหน่วยอื่น (ที่ไม่มีในโรงงานที่นำมาสร้างจริง) ทำให้ Process flow diagram (PFD) ในรูปที่ ๓ และ ๔ นั้นมีความเรียบง่ายและแตกต่างไปจาก PFD ในรูปที่ ๑ และ ๒ อยู่มาก ดังนั้นสิ่งที่จะบรรยายต่อไปจะอิงไปยัง PFD ในรูปที่ ๑ และ ๒ เป็นหลัก
 

แก๊สที่ออกมาจาก pyrolysis heater จะมีแก๊สกรดที่สำคัญ (คือมีในปริมาณมาก) ได้แก่ CO₂ และ H₂S ทำให้จำเป็นต้องทำการกำจัดแก๊สกรดเหล่านี้ออกก่อนที่จะทำการลดอุณหภูมิแก๊สเพื่อทำการกลั่น การกำจัดทำโดยการให้แก๊สนั้นสัมผัสกับสารละลาย caustic (คือโซดาไฟหรือสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ NaOH นั่นแหละ) หลังจากเพิ่มความดันให้กับแก๊สจนถึงระดับหนึ่ง เพื่อทำให้แก๊สกรดละลายเข้าไปในสารละลาย caustic ได้มากขึ้น (สารละลาย caustic ก็จะกลายเป็นสารละลาย spent caustic หรือสารละลาย caustic ที่ผ่านการใช้งานแล้ว) กระบวนการตรงนี้อยู่ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๘๑ วันพุธที่ ๘ มิถุนายน ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนตอนที่ ๑๑ Charge gas compression ภาค ๓"
 

ในกรณีที่วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตเอทิลีนนั้นเป็นเหลว จะทำให้มีไฮโดรคาร์บอนควบแน่นในปริมาณมากในระหว่างขั้นตอนการอัดแก๊สเพื่อเพิ่มความดัน ทำให้มีไฮโดรคาร์บอนละลายเข้ามาในเฟสน้ำ (สารละลาย caustic) ได้ในปริมาณมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการแยกเอาไฮโดรคาร์บอนในเฟสน้ำออกไปก่อนด้วยการให้สารละลาย spent caustic นี้สัมผัสกับแก๊สโซลีน และเนื่องจากไฮโดรคาร์บอนหนักนั้นละลายในแก๊สโซลีน (เพราะเป็นไฮโดรคาร์บอนด้วยกัน) ได้ดีกว่าเฟสน้ำ ไฮโดรคาร์บอนหนักดังกล่าวก็จะย้ายจากเฟสน้ำมาอยู่ในเฟสแก๊สโซลีน ทำให้ความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนในเฟสน้ำลดลง (กระบวนการในรูปที่ ๓ และ ๔ ไม่มีหน่วยนี้ คิดว่าเป็นเพราะออกแบบมาสำหรับกระบวนการผลิตที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเบา (เช่นอีเทน) เป็นสารตั้งต้น) และเมื่อให้สารผสมระหว่างสารละลาย spent caustic และแก๊สโซลีนแยกชั้นกันใน Degasser drum (รูปที่ ๑) ที่ความดันต่ำ (ประมาณความดันบรรยากาศ) ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ละลายอยู่ในสารละลาย spent caustic ก็จะระเหยออกมา เฟส spent caustic ที่หนักกว่าจะจมสู่ด้านล่างและถูกสูบออกไป ส่วนเฟสแก๊สโซลีนที่ลอยอยู่ด้านบนก็จะถูกแยกออกไปด้วยการไหลล้นข้ามผนังกั้นที่อยู่ในถัง และถูกสูบออกไปเช่นกัน
 

สารละลาย spent caustic ที่ผ่านการกำจัดไฮโดรคาร์บอนออกไปแล้วจะถูกนำมาสะเทินด้วยการผสมสารละลายกรดกำมะถัน (Sulphuric acid H₂SO₄) เข้าไป การผสมกันสามารถทำได้ด้วยการใช้ inline mixer (อุปกรณ์ที่ใช้ติดตั้งในท่อ ทำให้การไหลในท่อมีความปั่นป่วนเกิดการผสมเข้าด้วยกัน) สารละลายผสมจะไหลไปยัง neutralization drum (รูปที่ ๒) เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์ และในระหว่างการสะเทินด้วยกรดนี้ ไอออน S^2- (และคงรวมถึง CO₃^2- ด้วย) ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่างแก๊ส H₂S กับสารละลาย NaOH จะกลายเป็นแก๊ส H₂S ใหม่ (CO₃^2- ก็จะกลายเป็น CO₂) และส่วนหนึ่งจะระเหยออกจากสารละลาย caustic ที่ผ่านการสะเทินแล้ว ส่วนที่เหลือที่ยังละลายอยู่นั้นจะถูกแยกออกด้วยการต้มให้ร้อนด้วยการฉีดไอน้ำผสมเข้าไปโดยตรง (ที่ spent caustic stripper ในรูปที่ ๒) จากนั้นก็จะสามารถส่งสารละลาย spent caustic ที่ผ่านการสะเทินแล้วไปยังหน่วยบำบัดน้ำเสียต่อไป

รูปที่ ๑ Process flow diagram (PFD) แสดงภาพรวมของหน่วยสะเทิน spent caustic

รูปที่ ๒ PFD ส่วนต่อจากรูปที่ ๑

รูปที่ ๓ Process flow diagram (PFD) ของหน่วยสะเทิน spent caustic

รูปที่ ๔ ส่วนต่อจากรูปที่ ๓
 

กระบวนการในรูปที่ ๓ และ ๔ นั้นเรียบง่ายกว่ากระบวนการในรูปที่ ๑ และ ๒ เพราะไม่มีการแยกไฮโดรคาร์บอนออกจากเฟสน้ำ แต่มีสิ่งหนึ่งที่แตกต่างออกไปคือมีการเพิ่ม oxidation reactor (R-1221 ในรูปที่ ๓) เข้ามา ใน reactor ตัวนี้ สารละลาย spent caustic ที่ความดันบรรยากาศจะถูกเพิ่มความดันขึ้นเป็น 30 kg/cm² และเพิ่มอุณหภูมิเป็น 180ºC ด้วยการฉีดไอน้ำความดันสูงเข้าไป วัตถุประสงค์ของหน่วยนี้คิดว่าคงเป็นการออกซิไดซ์ไอออน S^2- ให้กลายเป็นไอออน SO₄^2- ที่กำจัดให้ง่ายกว่า (ในเอกสารที่ผมมีมันไม่มีคำอธิบายของหน่วยนี้ แต่ดูจากภาพรวมของการทำงานและปฏิกิริยาที่เป็นไปได้แล้ว จึงคาดว่าน่าจะเป็นปฏิกิริยานี้)
 

ถัดจาก oxidation reactor สารละลาย spent caustic จะถูกลดความดันลงและไหลต่อไปยัง wash tower (C-1221 ในรูปที่ ๔) ที่ wash tower นี้จะทำการไหลหมุนเวียนสารละลาย spent caustic ร่วมกับ wash water ที่เติมเข้าไป
 

ดูจากระบบท่อรับ wash water และท่อระบาย spent caustic ที่ผ่านการบำบัดแล้วออกไป ที่ใช้ท่อร่วมกันและใช้ปั๊มร่วมกัน (ปั๊ม P-1222) ทำให้คิดว่าหน่วย spent caustic neutralisation ตามการออกแบบนี้คงไม่ได้ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลา กล่าวคือคงรอจนมี spent caustic มากจนถึงระดับหนึ่งแล้วจึงค่อยเดินเครื่อง

บทความเรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน" ในส่วนของข้อมูลคำบรรยายภาพรวมหน่วยผลิตต่าง ๆ เท่าที่มีอยู่ในมือก็หมดเพียงเท่านี้ รูปต่าง ๆ ที่นำมาแสดงในแต่ละหน่วยนั้นแยกออกเป็นสองส่วนด้วยกัน ส่วนแรกเป็นของกระบวนการที่เจ้าของเทคโนโลยีเคยได้ออกแบบไว้ ส่วนที่สองเป็นของกระบวนการที่มีการสร้างขึ้นโดยมีการปรับแต่งหน่วยการผลิตต่าง ๆ ให้เหมาะสมกับข้อจำกัดต่าง ๆ ของโรงงานที่จะสร้างขึ้นใหม่ ซึ่งแน่นอนว่าแตกต่างไปจากของเดิม ทำให้ Process flow diagram ที่นำมาแสดงนั้นมีความแตกต่างกันอยู่

แม้ว่าข้อมูลเหล่านี้เป็นข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบเมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้ว แต่ก็เชื่อว่าหลักการนั้นไม่ได้แตกต่างไปจากปัจจุบันเท่าใดนัก วัตถุประสงค์ของการเขียนบทความชุดนี้ก็เพื่อให้ผู้ที่ไม่มีประสบการณ์ เช่นนิสิต นักศึกษา ที่กำลังศึกษาอยู่ในมหาวิทยาลัย ได้มีภาพกระบวนการผลิตที่ใกล้เคียงกับกระบวนการผลิตจริง ได้เห็นปัจจัยต่าง ๆ ที่ควรต้องคำนึงถึงในการออกแบบ ได้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยผลิตต่าง ๆ บ้าง ไม่มากก็น้อย

การกำจัดสีเมทิลีนบลู MO Memoir : Saturday 26 October 2556

เห็นมีใครต่อใครหลายรายเขาทำวิจัยเรื่องการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงในการกำจัดสีเมทิลีนบลู (methylene) ที่ละลายอยู่ในน้ำ ในการทดลองเหล่านี้มักจะใช้การวัดการดูดกลืนสีน้ำเงินของเมทิลีนบลูเพื่อระบุปริมาณของเมทิลีนบลูที่หลงเหลืออยู่ (ถ้าสีน้ำเงินเข้มก็จะแปลว่าเหลืออยู่มาก) ผู้ทำวิจัยเหล่านี้จำนวนไม่น้อยหลายรายมักจะอ้างว่า (หรือทำให้คนอื่นเข้าใจว่า) ถ้าสารละลายมีสีซีดลงก็แสดงว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทำการกำจัดเมทิลีนบลูได้ดี แต่ถ้าถามว่าเมทิลีนบลูถูกกำจัดไปเป็นอะไรมักจะตอบไม่ได้หรือให้คำตอบที่น่าเคลือบแคลง ซึ่งเรื่องนี้ผมเคยเขียนเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๓ วันพฤหัสบดีที่ ๘ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "สีหายไม่ได้หมายความว่าสารหาย"
 

และในรูปที่ ๒ ของ Memoir ฉบับที่ ๓๗๓ ผมได้ยกตัวอย่างปฏิกิริยาที่ทำให้สีของเมทิลีนบลูหายไปด้วยการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลเพียงตำแหน่งเดียว โดยในสารละลายนั้นยังคงมีสารอินทรีย์อยู่ครบเหมือนเดิมไม่ได้หายไปไหน Memoir ฉบับนี้ก็เลยจะขอเสนอวิธีการทำให้สีเมทิลบลูหายไป และกลับคืนเหมือนเดิมได้

การทดลองนี้มีชื่อเรียกที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ "Blue bottle experiment" (อันที่จริงถ้าเปลี่ยนเมทิลีนบลูเป็นสารอื่นก็จะได้สีอื่นด้วยนะ)

จากโครงสร้างโมเลกุลของเมทิลีนบลูที่แสดงในรูปที่ ๑ นั้น ถ้าหากโมเลกุลถูกรีดิวซ์ที่ตำแหน่งอะตอม N ที่เชื่อมสองวงแหวนเข้าด้วยกันก็จะกลายเป็น leucomethylene blue ซึ่งไม่มีสี แต่ leucomethylene blue สามารถถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายด้วยออกซิเจนในอากาศกลับเป็นเมทิลีนบลู (ซึ่งมีสีน้ำเงิน) ได้ใหม่
 

รูปที่ ๑ โมเลกุลเมทิลีนบลู (ซ้าย) ซึ่งมีสีน้ำเงินและ Leucomethylene blue (ขวา) ซึ่งไม่มีสี

ในสารละลายที่เป็นเบสนั้น น้ำตาลพวก recucing sugar (พวกที่มีหมู่อัลดีไฮด์) เช่นกลูโคสสามารถถูกออกซิไดซ์กลายเป็นกรดได้ (เช่นกลูโคสกลายเป็น gluconate ion) เมื่อนำสารละลายน้ำตาลกลูโคสในเบส (เช่นสารละลาย NaOH หรือ KOH) มาผสมกับสารละลายเมทิลีนบลู น้ำตาลกลูโคสจะไปรีดิวซ์โมเลกุลเมทิลีนบลูให้กลายเป็น leucomethylene blue ทำให้สีน้ำเงินของสารละลายหายไปเป็นไม่มีสี (ดังแสดงในรูปที่ ๒) ส่วนโมเลกุลน้ำตาลกลูโคสจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็น gluconate ion (ดังสมการในรูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ สีของสารละลาย เมทิลีนบลู + น้ำตาลกลูโคส + โซเดียมไฮดรอกไซด์ (บนซ้าย) หลังการเขย่าให้ออกซิเจนในอากาศเข้าไปผสมจะมีสีน้ำเงิน (บนขวา) แต่เมื่อตั้งทิ้งไว้ให้ออกซิเจนระเหยออกมาจะกลายเป็นใส ไม่มีสี (ล่าง) แต่ตรงบริเวณผิวสัมผัสกับอากาศ (ในกรอบสีเขียว) จะเห็นเป็นสีน้ำเงินอยู่เนื่องจากเป็นจุดที่สัมผัสกับออกซิเจน

รูปที่ ๓ โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสถูกออกซิไดซ์กลายไปเป็น gluconate ion ในสารละลายเบส

แต่ถ้าเราทำการเขย่าหรือกวนสารละลายนั้น อากาศที่อยู่เหนือของเหลวก็จะทำการออกซิไดซ์ leucomethylene blue ที่เกิดขึ้นให้กลายเป็นเมทิลีนบลูใหม่ สารละลายก็จะกลับมาเป็นสีน้ำเงินดังเดิม ปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถเกิดซ้ำไปซ้ำมาได้หลายครั้ง (คงต้องรอจนกว่ากลูโคสจะหมด เพราะเมื่อมันเปลี่ยนไปเป็น gluconate ion แล้วมันไม่กลับคืนเดิม) ในเว็บหลายเว็บบอกว่าปฏิกิริยานี้เหมาะมากสำหรับดึงดูดความสนใจเด็กนักเรียนให้เข้ามาเรียนวิชาเคมี
 

เนื่องจากภาพนิ่งมันไม่แสดงการเปลี่ยนสีให้เห็น มันแสดงแค่สารละลายมีสีต่างกัน ก็เลยเกรงว่าจะมีการกล่าวหาว่ามันทำไม่ได้จริง งานนี้ก็เลยของถ่ายวิดิโอแสดงการเปลี่ยนสี คลิปที่แนบมาด้วยก็เป็นของการทดลองที่กระทำไปเมื่อวันอังคารที่ผ่านมา งานนี้ต้องขอขอบคุณคุณหนุ่มและคุณโจจากห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานที่ช่วยในการทำการทดลอง (ให้ผมยืมเครื่องมือและน้ำตาลกลูโคส) สารแต่ละสารใส่ในปริมาณเท่าใดนั้นผมก็ไม่ได้ชั่งมันหรอก แค่เอา NaOH จากกระป๋องมาสัก 4-5 เม็ด และน้ำตาลกลูโคสอีกสัก 3-4 ช้อน เมทิลีนบลูก็ใช้แค่ที่ติดมากับช้อนตักสารตอนที่ปักมันลงไปในขวดแค่นั้นเอง มันก็ให้สีเข้มแล้ว ส่วนกุญแจที่วางเอาไว้ก็เพื่อให้กล้อง (โทรศัพท์มือถือ) มันจับโฟกัสได้เท่านั้นเอง

เห็นไหมล่ะครับว่าเราสามารถทำให้สีสารละลายเมทิลีนบลูหายไปโดยไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาผลึกขนาดนาโนใด ๆ หรือใช้แสงช่วย ใช้เพียงแค่น้ำตาลกลูโคสกับด่าง (เช่น NaOH หรือ KOH) ก็พอ

อุบัติเหตุที่ไม่มีการรายงาน MO Memoir : Wednesday 6 April 2554

ผมเห็นคราบขาว ๆ บนกระจกห้องพักเมื่อกว่าเดือนที่ผ่านมา ลักษณะเหมือนมีของเหลวกระเด็นมาเลอะ และไหลลงไปยังวงกบข้างล่าง และเมื่อออกไปดูด้านนอกก็เห็นคราบของแข็งสีขาวเป็นก้อนจับอยู่บนวงกบ ถามใครก็ไม่มีใครตอบได้ว่าเกิดขึ้นเมื่อไร เกิดขึ้นจากอะไร

ตอนแรกก็คิดว่าคงเกิดอุบัติเหตุจากอุปกรณ์ทดลองที่อยู่ข้างกระจก พอสัปดาห์ที่แล้วเห็นมีนิสิตกลุ่มมาทำงานที่อุปกรณ์ดังกล่าว เขาก็ตอบว่าไม่ได้เกิดจากอุปกรณ์ของเขา แต่เกิดจากอุปกรณ์ที่อยู่อีกฟากหนึ่งของโต๊ะทำงาน และก็ทำให้ทราบว่าใครเป็นต้นเหตุ นิสิตกลุ่มนั้นก็ช่วยกันเช็ดคราบให้ ทั้ง ๆ ที่ผมบอกว่าไม่ต้องหรอก ควรให้คนก่อเรื่องมาเป็นคนทำความสะอาดจะดีกว่า ไม่เช่นนั้นคนก็เรื่องจะมีสันดานที่ไม่ดี ประเภทก่อเรื่องแล้วไม่รับผิดชอบ ปล่อยให้คนอื่นมาเก็บกวาด

รูปที่ ๑ (บน) คราบที่เกิดจาก NaOH ค้างอยู่บนผิววงกบอะลูมิเนียม ภาพนี้ถ่ายหลังจากพึ่งจะทำความสะอาดเสร็จ (ล่างซ้าย) ตำแหน่งที่ทำให้เกิดการฉีดพ่น และทิศทางการกระจาย ซึ่งพบว่าฉีดพุ่งกระจายไปยังฝั่งตรงข้ามของโต๊ะแลป (ล่างขวา) คราบที่ยังไม่ได้ทำความสะอาด แม้ว่าจะสั่งแล้วว่าให้เก็บกวาดให้เรียบร้อย

บังเอิญคนต้นเหตุเข้ามาพอดี ก็เลยได้ซักถามว่าคราบดังกล่าวเป็นคราบอะไร เขาก็ตอบสั้น ๆ ว่าเป็น NaOH ที่รั่วออกมานิดเดียว ผมก็ย้อนกลับไปว่ามันรั่วออกมานิดเดียวซะที่ไหน ดูจากขนาดของคราบและการกระจายไปทั่ว แสดงว่ามีการรั่วออกมามาก พอถามว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร เขาก็ตอบมาสั้น ๆ ว่าเกิดการอุดตัน และผมก็ไม่ได้รับคำอธิบายใด ๆ มากไปกว่านั้น ก็เลยถามว่าทำไปปล่อยทิ้งไว้ไม่รีบทำความสะอาด ก็ไม่ได้รับคำตอบ ก็เลยต้องบอกให้เขารีบจัดการทำความสะอาดเดี๋ยวนั้นทันที

กลับมาดูอีกทีปรากฏว่าคนก่อเรื่องหายไปแล้ว และก็เก็บกวาดไม่หมดซะด้วย ก็เลยต้องถ่ายรูปไว้เป็นหลักฐาน

ในการทำการทดลองของกลุ่มเรานั้น ผมจะย้ำเสมอว่าเวลามีปัญหาหรือข้อผิดพลาดใด ๆ จะต้องนำสิ่งเหล่านั้นมาพิจารณาว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร จะได้หาทางป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นซ้ำเดิมอีก การสอบสวนนั้นไม่ได้ทำการสอบสวนว่าใครผิดต้องได้รับการลงโทษ แต่เป็นการสอบสวนเพื่อหาข้อสรุปไว้เป็นบทเรียนว่าเราพลาดไปได้อย่างไร (ผมไม่ใช่อาจารย์ประเภทแก้ตัวหลังเกิดอุบัติเหตุว่า "ผมไม่เคยบอกให้พวกนิสิตเขาทำอย่างนั้น" แต่ในความเป็นจริงก็ไม่เคยบอกให้นิสิตทำอย่างไรอย่างที่หลายคนเจอกันมา)

รายนี้ท่าทางคนก่อเรื่อง ก็คงจะไม่ค่อยมาแลปแล้ว เพราะคงเตรียมสอบจบแล้ว จากนั้นก็คงปล่อยสิ่งที่เกิดขึ้นทิ้งไว้ให้คนข้างหลังมาเก็บกวาด ส่วนตัวผมเองก็คงจะไม่ทราบรายละเอียดว่าเหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร เพราะถามเขาเขาก็คงไม่ตอบ อยากจะวานใครก็ได้ที่สนิทกับคนก่อเรื่อง (ที่ชื่อเป็นได้ทั้งสัตว์น้ำและกระดาษ) สอบถามเขาที จะได้เอามาเป็นบทเรียนป้องกันการเกิดเหตุการณ์เดิมซ้ำอีก

ว่าแต่ว่าจวบจนวันนี้อาจารย์ที่ปรึกษาเขารู้หรือยังว่าเกิดอะไรขึ้น