คูมือปฏิบัติการ รายวิชา 242105 เคมี 2 ชื่อนิสิต....................................................................................... รหัสนิสิต................................................ ชั้นปที่........................... คณะ........................................................................................... สาขาวิชา..................................................................................... SEC..…................. กลุมที่......................... ลําดับที่........................ สาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยพะเยา
รายการอุปกรณ์พื้นฐาน ห้องปฏิบัติการเคมี Beaker บีกเกอร์ Cylinder กระบอกตวง Erlenmeyer Flask ขวดรูปกรวย Dropper หลอดหยด Burette บิวเรต Burette clamp ที่จับบิวเรต Condenser clamp Clamp holder = Boss head Test tube หลอดทดลอง Test tube rack ที่ตั้งหลอดทดลอง Stand ขาตั้ง Stirring rod แท่งแก้วคน Funnel กรวยกรอง Plastic Wash bottle ขวดน้ำกลั่น Watch glass กระจกนาฬิกา Brush test tube แปรงล้าง Buchner Funnel กรวยกรองสูญญากาศ Filter Flask = Suction Flask Measuring pipette = Graduate pipette ปิเปต Transfer pipette = Volumetric Pipette ปิเปตแบบกระเปาะ
Syringe ball ลูกยาง Filter paper กระดาษกรอง Forceps ปากคีบ Thermometer เทอร์โมมิเตอร์ Spatula ช้อนตักสาร Evaporating dish ชามระเหย Crucible tongs คีมจับถ้วยทนไฟ Crucible and cover ถ้วยทนไฟ Clay triangle Wire gauze ตะแกรงลวด Tripod สามขา Volumetric Flask ขวดวัดปริมาตร Mortar and Pestle โกร่งบดสาร Ring support = O - ring Safety glasses = Goggle แว่นตา Para film พาราฟิล์ม Volt meter โวลท์มิเตอร์ Calorimeter คาลอริมิเตอร์ = ถ้วยโฟม Glove ถุงมือ Pasture pipette พาสเจอร์ปิเปต Stopwatch นาฬิกาจับเวลา Stopper จุกยาง Test tube screw cap หลอดทดลองฝาเกลียว Separating funnel กรวยแยก
สารบัญ เรื่อง หน้า การทดลองที่ 1 เทคนิคต่างๆ ในห้องปฏิบัติการเคมี…………………………………………………. 1 การทดลองที่ 2 ความแม่นและความเที่ยง………………………………………………………………. 11 การทดลองที่ 3 สารละลายบัฟเฟอร์…………………………………………………......………………… 19 การทดลองที่ 4 เซลล์กัลวานิก………………………………………………………………….……….……… 24 การทดลองที่5 คุณภาพวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 1 และ 2………...……….………………… 33 การทดลองที่ 6 คุณภาพวิเคราะห์ไอออนลบ……………………………………….………………….. 40 การทดลองที่ 7 อัตราการเกิดปฏิกิริยา ………............................…………..………………… 47 การทดลองที่ 8 ปฏิกิริยาผันกลับสมดุลเคมี………………………..……………….…………………. 51 การทดลองที่ 9 ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของเฟอรัสไอออน…………………………………………. 55 การทดลองที่ 10 ไขมันและน้ำมัน: การทำสบู่ ……………………………….…………………………. 61
1 การทดลองที่ 1 เรื่อง เทคนิคต่างๆ ในห้องปฏิบัติการเคมี (Laboratory Techniques) วัตถุประสงค์ 1. เพื่อแนะนำให้นิสิตถึงวิธีปฏิบัติตนในห้องปฏิบัติการเคมี 2. เพื่อแนะนำเทคนิคพื้นฐานในปฏิบัติการเคมีแก่นิสิต 3. เพื่อให้นิสิตรู้จักอุปกรณ์พื้นฐานในห้องปฏิบัติการเคมี รวมถึงวิธีใช้งานอย่างถูกต้อง หลักการ ในการทำปฏิบัติการทางเคมีนั้นนอกจากความรวดเร็ว ถูกต้องและแม่นยำแล้วนั้นความ ปลอดภัยเป็นสิ่งหนึ่งที่ควรระลึกถึง การศึกษาเทคนิคในการทดลอง การใช้งานอุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างถูกต้อง รวมถึงการทราบถึงข้อควรระวังที่สำคัญจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อผู้เข้าปฏิบัติการ เคมีทุกคน เทคนิคพื้นฐาน การรินและการเทสารเคมี • เปิดขวดสารเคมี ให้วางฝาขวดในลักษณะหงายลงบนตำแหน่งที่จัดไว้ หรือ ที่ เหมาะสม • ไม่ควรรินสารเคมีที่เป็นของเหลวไหลลงกระทบก้นภาชนะรองรับโดยตรง เนื่องจาก ของอาจกระเด็นเปรอะเปื้อน และเป็นอันตราย • รินให้ไหลไปตามขอบข้างของภาชนะ หรือรินผ่านแท่งแก้วคน • ควรให้ภาชนะทำมุมประมาณ 45 องศากับพื้นดังรูป 1.1 • สารเคมีที่เป็นของแข็งควรใช้ช้อนตักสาร หากสุดวิสัยใหใช้วิธีเอียงแล้วหมุนขวด พร้อมเคาะปากขวดให้สารค่อยๆ ไหลออกมา การผสมสารเคมีที่เป็นของเหลว • ควรทำการรินอย่างช้าๆ ให้สารเคมีไหลไปตามผนังด้านใน พร้อมทั้งทำการคน เพื่อให้การผสมเกิดได้อย่างสม่ำเสมอ
2 รูป 1.1 สาธิตการรินและการเทสารเคมี การจุดตะเกียง ตะเกียงบุนเสนใช้การเผาไหม้จากก๊าซเชื้อเพลิงผสมกับอากาศในสัดส่วนที่ เหมาะสม มีขั้นตอนการใช้งานดังนี้ 1. ปิดช่องอากาศ เปิดวาล์วก๊าซ แล้วจุดไฟ 2.ปรับช่องอากาศจนได้เปลวไฟตามต้องการ รูป 1.2 ชุดตะเกียงบุนเสน
3 การต้มสาร • ใช้ wire gauze วางบน tripod แล้ววางภาชนะต้มสารบนชุดอุปกรณ์ดังกล่าว • กรณีไอของสารเป็นพิษหรือมีกลิ่นเหม็น ต้องทำการทดลองในตู้ควัน • สารที่สามารถติดไฟได้ ควรต้มในอ่างต้มน้ำ ห้ามต้มโดยตรง การระเหยสารละลาย วัตถุประสงค์เพื่อทำให้สารละลายเข้มข้นขึ้นหรือทำให้ตะกอนแห้ง • อย่าใช้ไฟแรงเกินไป เพื่อป้องกันสารสลายตัว รูป 1.3 การจัดชุดให้ความร้อนสาร รูป 1.4 การระเหยสารละลาย การแยกของแข็งและของเหลวออกจากกัน 1. การตกตะกอน เป็นการทำให้โมเลกุลหรือไอออนในสารละลายแยกตัวออกจากสารละลาย โดย • อาจใช้สารเคมีช่วย เรียกว่าตัว precipitant โดยใช้ปริมาณที่พอเหมาะ ซึ่งหากมาก เกินไปอาจทำให้ตะกอนละลายกลับได้ • ทำการเติม precipitant อย่างช้าๆ คนอย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้ตะกอนเกิดอย่างช้าๆ และจะมีขนาดใหญ่กรองได้ง่าย • การเร่งให้เกิดตะกอนเร็วเกินไปตะกอนจะมีขนาดเล็ก อาจมีสิ่งเจือปนมาปะปนได้ ง่าย
4 • การย่อยตะกอน (digest) เป็นการให้ความร้อนแก่สารละลาย เพื่อละลายตะกอน ขนาดเล็กให้ก่อตัวเป็นตะกอนขนาดใหญ่ใหม่ ซึ่งอาจต้องมีการตั้งทิ้งไว้ตาม ระยะเวลาแล้วแต่ชนิดของปฏิกิริยา • การทดสอบว่าตกตะกอนสมบูรณ์หรือไม่ โดยทิ้งให้ตะกอนนอนก้น แล้วสังเกตการ เกิดตะกอนใหม่จากการหยด precipitant ลงในส่วนสารละลายใสด้านบนตะกอน 2. การรินสารละลายใสออกจากตะกอน • ใช้ในกรณีตะกอนหนัก ซึ่งไม่จำเป็นต้องทำการกรอง • อาจใช้หลอดดูดช่วยดูดสารละลายจากตะกอน 3. การกรองสารโดยแรงโน้มถ่วง เป็นการแยกสารละลายกับตะกอนโดยใช้วัสดุตัวกลาง เช่น กระดาษกรอง ตะแกรง เป็นต้น โดยในที่นี้จะกล่าวถึงในเรื่องกระดาษกรองเป็นหลัก โดยมีหลักการใช้งานดังนี้ การพับกระดาษ โดยพื้นฐานสามารถทำได้ 2 แบบ 1.แบบกรวย ใช้กับกรณีต้องการเก็บตะกอนให้ได้หมด ทำโดยการพับเป็นสี่ส่วน แล้วม้วน เป็นรูปกรวย แล้วทำการฉีกมุมหนึ่งของกระดาษประมาณประมาณ 1 ใน 3 ของรัศมี ซึ่งจะช่วยให้ กระดาษกรองแนบสนิทกับกรวยมากขึ้น 2. แบบลูกฟูก ใช้ในกรณีต้องการความรวดเร็ว เนื่องจากการพับแบบนี้มีพื้นที่ผิวที่สัมผัส กับสารละลายมากกว่าแบบแรก โดยทำการพับไปมาคล้ายพัด รูป 1.5 การพับกระดาษกรองแบบกรวย (ซ้าย) และแบบลูกฟูก (ขวา)
5 การกรอง • จัดกระดาษกรองที่พับแล้วลงกรวย แล้วทำการฉีดน้ำ (หรือของเหลวอื่นที่ เหมาะสม) ลงบนกระดาษกรองให้เปียก • ควรกรองโดยการเทผ่านแท่งแก้วคนสู่กระดาษกรอง แท่งแก้วควรอยู่ใกล้กระดาษ กรองแต่ไม่ควรให้โดนกระดาษกรอง • สารละลายควรรอให้ตะกอนนอนก้นก่อน จากนั้นรินส่วนสารละลายใสลงกรองจน เกือบหมด แล้วจึงทำการกวนตะกอนแล้วกรองต่อ (การทำแบบนี้จะช่วยให้กรองได้ รวดเร็วกว่าการให้ตะกอนกระจายทั่วสารละลายแล้วกรอง) • ทำการฉีดล้างตะกอนที่ติดค้างในภาชนะด้วยสารละลายที่เหมาะสม • อย่าให้สารละลายล้นกระดาษกรอง • ขั้นตอนสุดท้ายให้ทำการล้างตะกอนด้วยสารละลายที่ระบุไว้ รูป 1.6 เทคนิคการกรองสาร 4. การกรองแบบสุญญากาศ เป็นการกรองแบบรวดเร็ว โดยใช้แรงดึงจากระบบเสมือนสุญญากาศ • ทำการจัดอุปกรณ์ดังรูป 1.7 • วางกระดาษกรองที่มีขนาดเล็กกว่าปากกรวยกรองเล็กน้อยลงบนกรวย
6 • ฉีดสารละลายที่เหมาะสม (น้ำหรือตัวทำละลายที่กำหนดไว้) ลงให้กระดาษกรอง เปียก เพื่อให้แนบสนิทกับกรวย • เปิดก๊อกน้ำ แล้วทำการกรอง โดยใช้การเทแบบเดียวกับการกรองโดยแรงโน้มถ่วง • เมื่อเสร็จแล้ว ให้ถอดสายยางออกก่อน แล้วจึงปิดน้ำ เพื่อป้องกันน้ำไหลย้อนสู่ ระบบ รูป 1.7 การจัดชุดกรองสุญญากาศโดยใช้ก๊อกน้ำช่วย 5. การเหวี่ยง เป็นการแยกของแข็งออกจากของเหลวโดยใช้แรงหนีศูนย์กลาง • ต้องจัดน้ำหนักให้มีความสมดุล โดยบรรจุหลอดที่มีสารละลายน้ำหนักเท่าๆ กัน ให้ อยู่ตรงข้ามกันเป็นคู่ ๆ • ในกรณีหลอดสารละลายไม่ ครบคู่ให้ใช้หลอดบรรจุน้ำ ช่วยในตำแหน่งตรงข้าม • การเหวี่ยงโดยทั่วไปจะใช้ เวลาประมาณ 1-2 นาที • ในการนำหลอดทดลองออก ควรรอให้เครื่องหยุดหมุน ก่อน รูป 1.8 ชุดเครื่องเหวี่ยงสาร
7 การชั่งสาร • ตรวจสอบสภาพเครื่องชั่ง เช่น อยู่ในตำแหน่งสมดุลย์ ตำแหน่งจานชั่งถูกต้อง มี สารตกหล่นบนเครื่องชั่ง เป็นต้น • วางภาชนะชั่งลงบนจานรองชั่ง (ห้ามชั่งสารเคมีบนจานชั่งโดยตรง เนื่องจากจะเกิด การกัดกร่อนจานชั่ง) แล้วทำการปรับศูนย์ (Tare) เพื่อหักค่าน้ำหนักภาชนะ • ตักสารด้วยช้อนตักสาร (Spatula) • ไม่ควรกดโต๊ะที่วางเครื่องชั่ง เนื่องจากอาจทำเครื่องชั่งเสียสมดุลย์ได้ • ควรชั่งสารที่มีอุณหภูมิตามอุณหภูมิห้อง เนื่องจากอุณหภูมิมีผลต่อน้ำหนัก • หลังใช้เครื่องชั่งต้องทำความสะอาดทุกครั้ง เพื่อเป็นรักษาสภาพเครื่องชั่ง การวัด ตวง ปริมาตร อุปกรณ์ตวงวัดแต่ละชนิดมีความจำเพาะเจาะจงในการใช้งานต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับความ ต้องการในการใช้งาน กระบอกตวง เป็นอุปกรณ์พื้นฐาน มีหลายขนาด เช่น 10 25 50 mL ซึ่งโดยทั่วไปมักมีความ ละเอียดเพียงทศนิยมตำแหน่งที่ 1 เช่น 50.5 mL บิวเรต ใช้ในการไทเทรต ความละเอียดโดยปกติสามารถอ่านได้ถึงทศนิยม 2 ตำแหน่ง เช่น บิวเรตขนาด 25.00 mL Transfer pipet (Volumetric pipet) เป็นอุปกรณ์ใช้โอนถ่ายของเหลว ปริมาตรอ่านได้ทศนิยม 2 ตำแหน่ง แต่มีขีดบอกปริมาตรเพียงขีดเดียว ดังนั้นโดยปกติจะเติม 00 ลงไปหลังจุดทศนิยมเสมอ เช่น 10.00 25.00 50.00 เป็นต้น Measuring pipet (Graduated pipet) อุปกรณ์ถ่ายโอนของเหลวเช่นเดียวกัน ความแม่นยำ ตำกว่า Transfer pipet ลักษณะมีขีดปริมาตรแบ่งย่อยคล้ายบิวเรต Volumetric flask ใช้ในการเตรียมสารละลาย โดยมีปริมาตรแน่นอน ตามที่กำหนดไว้ ปกติ อ่านค่าที่ทศนิยม 2 ตำแหน่ง โดยเติม 00 ลงไปหลังจุดทศนิยมเสมอ การอ่านปริมาตรสารลาย • ให้สายตาอยู่ระดับเดียวกับส่วนบนของสารละลาย • ทำการอ่านจากจุดโค้งล่างสุด (meniscus) หากสารละลายสีทึบมากให้อ่านจากโค้ง บน • อาจใช้กระดาษสีขาว ขีดแถบทึบด้วยหมึกสีเข้ม ทาบด้านหลังอุปกรณ์ที่จะอ่าน โดยให้แถบทึบอยู่ล่างผิวโค้งของสารละลาย เป็นการทำให้เห็นชัดเจนขึ้น
8 การใช้งาน pipette • ทำความสะอาดปิเปตด้วยน้ำสะอาด แล้วกลั้วด้วยสารละลายที่ต้องการ • บีบลูกยางเพื่อให้อากาศออก แล้วสวมลูกยางด้านบนของปิเปตแบบหลวมๆ โดยใช้ มือข้างที่ไม่ถนัดถือลูกยาง มือข้างที่ถนัดให้ใช้จับปิเปต • ค่อยคลายมือที่บีบลูกยางไว้ออกเพื่อให้สารถูกดูดขึ้นไป ขั้นตอนนี้ต้องระวังอย่าให้ สารเข้าไปในลูกยาง • เอาลูกยางออก ใช้นิ้วชี้ที่แห้ง ปิดปลายด้านบน การปรับปริมาตรสารละลายในปิ เปตทำได้โดยการขยับปลายนิ้วเล็กน้อย • ทำการเช็ดปลายปิเปตด้วยกระดาษทำความสะอาด หรือใช้การปาดกับปากภาชนะ ก่อนยกปิเปตออกเพื่อถ่ายโอนสารละลายสู่ภาชนะอื่น • ถ่ายสารละลายสู่ภาชนะที่ต้องการ โดยการสารไหลออกหมด ให้แตะปลายปิเปต กับผิวข้างภาชนะค้างไว้ประมาณ 5 วินาที เพื่อให้ผิวภาชนะดึงสารละลายออกเอง ห้ามทำการเป่าออกจากปิเปต เนื่องจากปิเปตได้ถูกออกแบบโดยวิธีมาตรฐานให้ มีสารละลายค้างไว้อยู่แล้ว รูป 1.9 การใช้งานปิเปต
9 การใช้งาน buret • ทำความสะอาดบิวเรตด้วยน้ำสะอาด แล้วกลั้วด้วยสารละลายที่ต้องการ • ติดตั้งบิวเรตกับชุดติดตั้ง ประกอบด้วยขาตั้ง ที่จับบิวเรต และกรวย • ปิดก๊อกบิวเรต แล้วเติมสารละลายผ่านกรวยลงในบิวเรต แล้วนำกรวยออก • ปรับระดับของเหลวตามปริมาตรที่ต้องการ อย่าให้มีฟองอากาศติดค้างโดย เฉพาะที่ส่วนปลายล่างสุด • การใช้งานเพื่อการไทเทรต จะใช้ Erlenmeyer flask เป็นภาชนะรองรับ ควรใช้ กระดาษหรือแผ่นกระเบื้องสีขาวรองเพื่อช่วยในการมองจุดยุติ โดยใช้มือข้างที่ ถนัดจับ flask มือข้างไม่ถนัดไขบิวเรต • เมื่อใกล้จุดยุติสามารถใช้น้ำกลั่นฉีดชะสารละลายส่วนที่ติดขอบข้าง flask ไปได้ การกระทำดังกล่าวจะเพิ่มปริมาตรสารละลาย แต่จำนวนโมเลกุลของสารยังคง เดิม จึงไม่เป็นการรบกวน รูป 1.10 เทคนิคการไทเทรต การใช้งานกระดาษทดสอบ pH กระดาษลิตมัสและกระดาษพีเอช เป็นวัสดุใช้ในการวิเคราะห์สภาพกรด -ด่างของ สารละลาย • วางกระดาษทดสอบ pH ลงบนกระจกนาฬิกาที่สะอาด
10 • หยดน้ำกลั่นให้พอกระดาษชื้น แล้วจึงหยดสารละลายลงไปเพื่อทำการทดสอบ • อย่าจุ่มกระดาษลงในสารละลายที่จะทำการทดสอบโดยตรง การทดลอง 1. แนะนำการใช้งานอุปกรณ์ ข้อควรปฏิบัติ ข้อกำหนด โดยคณาจารย์และเจ้าหน้าที่ 2. นิสิตทดลองศึกษาการใช้งานของอุปกรณ์พื้นฐานตามที่คณาจารย์กำหนด เอกสารอ้างอิง 1. C.R.McLellan and W.C. Tucker, Jr. “A laboratory Manual for Experimental General Chemistry”. F.A.Davis Company, Philadelphia, 1967. 2. Department of chemistry, Michigan technology university “First Year Chemistry Laboratory Manual”, John Wiley & Sons, Inc., 2001.
11 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 การทดลองที่ 2 ความแม่นและความเที่ยง (Accuracy and Precision) การทดลองนี้นิสิตจะได้ศึกษาเกี่ยวกับ ความแม่น (Accuracy) และความเที่ยง (Precision) * ของ เครื่องแก้วที่ใช้ในการบรรจุและถ่ายเทของเหลว เพื่อให้นิสิตสามารถเลือกใช้เครื่องแก้วในการ ทดลองได้อย่างถูกต้อง คำถามก่อนการทดลอง 1. ถ้านิสิตมีกระบอกตวง 2 ใบ ใบแรกมีขนาด 5 mL (A) และอีกใบมีขนาด 50 mL (B) (ก) ให้วาดเส้นบนกระบอกตวงแต่ละใบ แสดงการตวงน้ำปริมาตร 2.65 mL (ข) กระบอกตวงใบใดมีความแม่นในการวัดปริมาตรครั้งนี้มากกว่า (ปรับปรุงจากหนังสือ Chemistry (6 th Edition) by John E. McMurry and Robert C. Fay, 2012) 2. ถ้าความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิขณะทำการทดลองเท่ากับ 1.00 g/mL น้ำหนักที่ แท้จริงของน้ำ 25.0 mL คือ 25.0 g เมื่อมีนิสิต 4 คน ได้แก่ J K L และ M ทำการทดลองตวงน้ำ 25 mL ใส่ในกระบอกตวงที่ได้ ชั่งน้ำหนักมาก่อนแล้ว แล้วจึงชั่งน้ำหนักรวมของน้ำและกระบอกตวง นิสิตแต่ละคนทำการทดลอง ซ้ำ 4 ครั้ง หลังจากหักลบน้ำหนักของกระบอกตวงออก ได้ผลการทดลองดังแสดงในกราฟข้างล่าง *หนังสือหรือข้อมูลบางแหล่งใช้ศัพท์ ความถูกต้อง คือ accuracy และความแม่นยำ คือ precision ในที่นี้จะยึดตามศัพท์วิทยาศาสตร์ ตามราชบัณฑิตยสถาน ความแม่น คือ accuracy และความเที่ยง คือ precision A B
12 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 (ปรับจากหนังสือ Principles of General Chemistry by Silberberg, 2007) (ก) การทดลองของนิสิตคนใดบ้าง ที่มีความเที่ยง (precision) สูง (ข) การทดลองของนิสิตคนใดบ้าง ที่มีความแม่น (accuracy) สูง (ค) การทดลองของนิสิตคนใดบ้าง ที่มีความแม่นและความเที่ยงสูง วัตถุประสงค์ 1. ศึกษาวิธีที่ถูกต้องในการใช้ บิวเรต ปิเปต ขวดวัดปริมาตร บีกเกอร์ และ กระบอกตวง 2. ศึกษาและเข้าใจความหมายเรื่องความแม่น (accuracy) และความเที่ยง (precision) ในการ ทดลอง 3. ศึกษาวิธีการเตรียมสารละลายเบื้องต้น หลักการ เครื่องแก้ววิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการตวงปริมาตรและถ่ายเทสารเคมีที่เป็นของเหลวมีอยู่ หลากหลายชนิดด้วยกัน เช่น บิวเรต (Burette or Buret) ปิเปต (Pipette or Pipet) ขวดวัดปริมาตร (Volumetric flask) กระบอกตวง (Graduated cylinder) ขวดรูปชมพู่ หรือ ขวดปริมาตรทรงกรวย (Erlenmeyer flask or Conical flask) บีกเกอร์ (Beaker) เป็นต้น เครื่องแก้วแต่ละชนิดมีความถูกต้อง และแม่นในการวัด รวมถึงความยากง่ายในการใช้งานที่แตกต่างกัน นิสิตจึงจำเป็นที่จะต้องเรียนรู้ วิธีการใช้งานที่ถูกต้องสำหรับเครื่องแก้วแต่ละชนิดและเรียนรู้ถึงความเหมาะสมในการเลือกใช้งาน เครื่องแก้วชนิดต่าง ๆ เพื่อประสิทธิภาพในการทดลอง
13 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 รูป 2.1 ตัวอย่างเครื่องแก้ววิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการบรรจุและถ่ายเทสารเคมีที่เป็นของเหลว เครื่องแก้วที่ถูกผลิตขึ้นโดยผู้ผลิตทั่วโลกต้องเป็นไปตามคุณลักษณะมาตรฐานของเครื่อง แก้วนั้น ซึ่งกำหนดโดยสถาบันรับรองมาตรฐาน ที่มีความน่าเชื่อถือและเป็นที่ยอมรับ ได้แก่ 1. National Institute of Standards and Technology (NIST), สหรัฐอเมริกา 2. American Society for Testing and Materials (ASTM), สหรัฐอเมริกา 3. Internationals Organization for Standardization (ISO), สหราชอาณาจักร 4. British Standards Institution (BSI), สหราชอาณาจักร 5. Deutsches Institut fÜr Normung (DIN), เยอรมัน 1. การแบ่งประเภทของเครื่องแก้ว 1.1 แบ่งตามการใช้งาน เครื่องแก้วที่ใช้สำหรับงานเพื่อการวัดปริมาตร เช่น กระบอกตวง ปิเปต บิวเรต ขวดวัดปริมาตร เป็นต้น เครื่องแก้วที่ใช้สำหรับงานอื่นที่ไม่ใช่เพื่อการวัดปริมาตร เช่น ขวดรูปชมพู่ ขวดสีชา ขวดใส เป็นต้น
14 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 1.2 แบ่งตามการสอบเทียบ การสอบเทียบ (Calibration) คือ การวัดทางมาตรวิทยาเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าชี้บอกโดย เครื่องวัดกับค่ามาตรฐานหรือค่าอ้างอิง โดยทำการวัดภายใต้สภาวะแวดล้อมที่กำหนด การสอบ เทียบเป็นกระบวนการประกันคุณภาพของเครื่องแก้ว เพื่อให้ผลการทดลองถูกต้อง แม่นยำ และ น่าเชื่อถือ เครื่องแก้วแบ่งตามการสอบเทียบออกเป็น 2 ประเภท สำหรับบรรจุของเหลว (To Contain) เครื่องแก้ววัดปริมาตรชนิดสอบเทียบสำหรับบรรจุ ของเหลว จะมีอักษรย่อ TC หรือ In หรือ C ปริมาตรที่ระบุบนเครื่องแก้วจะเป็นปริมาตรของน้ำ กลั่นที่บรรจุอยู่ภายในเครื่องแก้วนั้นที่อุณหภูมิอ้างอิง เครื่องแก้วประเภทนี้เหมาะสำหรับการเตรียม สารละลาย การเจือจางสารละลาย ไม่เหมาะที่จะนำมาถ่ายเทของเหลวเนื่องจากปริมาตรที่ถ่าย ออกมาอาจจะไม่ครบตามที่ระบุ เนื่องจากบางส่วนอาจจะติดค้างในเครื่องแก้ว สำหรับถ่ายเทของเหลว (To Deliver) เครื่องแก้ววัดปริมาตรชนิดสอบเทียบสำหรับถ่ายเท ของเหลว (To Deliver) จะมีอักษรย่อ TD หรือ Ex หรือ D ปริมาตรที่ระบุบนเครื่องแก้วจะเป็น ปริมาตรของน้ำกลั่นที่ถ่ายออกจากเครื่องแก้วนั้นที่อุณหภูมิอ้างอิง เครื่องแก้วชนิดนี้สำหรับการ ตวงหรือการถ่ายของเหลว เครื่องแก้วประเภทนี้จึงเหมาะสำหรับตวงหรือถ่ายเทของเหลว หมายเหตุ เครื่องแก้วบางชนิดเป็นทั้งใช้สำหรับบรรจุและถ่ายเทของเหลว เช่น กระบอกตวง 1.3 แบ่งตามระดับชั้นคุณภาพของเครื่องแก้ว กำหนดจากความแม่น ซึ่งกำหนดด้วยค่าความคลาดเคลื่อนยินยอม (Tolerance) แบ่งออกเป็น ชั้นคุณภาพ A (Class A) เป็นเครื่องแก้ววัดปริมาตรที่มีความแม่นสูง และความคลาดเคลื่อน ยินยอมต่ำ มีการกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมเพียงค่าเดียว ใช้เตรียมสารมาตรฐานปฐมภูมิ การวิเคราะห์ที่ต้องการความแม่นสูง และผ่านการสอบเทียบ ชั้นคุณภาพ B (Class B) เป็นเครื่องแก้ววัดปริมาตรที่มีความแม่นต่ำกว่า Class A และมีค่าความ คลาดเคลื่อนยินยอมไม่เกิน 2 เท่าของ Class A เครื่องแก้วชนิดนี้จะใช้สำหรับการเตรียมสาร มาตรฐานทุติยภูมิ
15 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 General Purpose เป็นเครื่องแก้วที่ไม่จัดรวมใน Class A และ Class B ค่าความคลาดเคลื่อน ยินยอมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์การใช้งาน Special Tolerance เป็นเครื่องแก้วที่การกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมสำหรับการใช้งาน เฉพาะด้าน รูป 2.2 ตัวอย่างข้อมูลที่แสดงบนเครื่องแก้ว 2. ความแม่น (Accuracy) และความเที่ยง (Precision) ความแม่น คือ ความสามารถของเครื่องมือวัดหรือวิธีการวิเคราะห์ในการบอกค่าแท้จริง (True value) ของสิ่งที่วัดได้ แต่ค่าแท้จริงไม่สามารถบอกได้อย่างแน่นอน ในการทดสอบจึงใช้ค่า มาตรฐาน (Standard value) หรือค่าอ้างอิง (Reference value) ความเที่ยง คือ ความสามารถของเครื่องมือวัดหรือวิธีการวิเคราะห์ที่จะวัดได้ค่าใดค่าหนึ่งซ้ำ ๆ กัน ซึ่งค่าที่วัดได้นั้นอาจจะไม่ใช่ค่าแท้จริง ความเที่ยงอาจจะแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ Repeatability คือ ความเที่ยงของการวิเคราะห์จากกการทำซ้ำ ๆ ในสภาวะแวดล้อมเดียวกัน ห้องปฏิบัติการเดียวกัน ผู้วิเคราะห์คนเดียวกัน เครื่องมือเครื่องใช้ชุดเดียวกัน ระยะเวลาการทำซ้ำ ช่วงสั้น ๆ เช่น 2-3 วัน สำหรับถ่ายเทของเหลว อุณหภูมิสอบเทียบ Tolerance สถาบันรับรองมาตรฐาน Deutsches Institut fÜr Normung คุณภาพ B เวลารอคอย 30 วินาที ความจุต่อปริมาตรแต่ละขีด คุณภาพ A มีเวลารอคอย ในการปล่อยของเหลว ของเหลว
16 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 Reproducibility คือ ความเที่ยงของการวิเคราะห์ซ้ำ ๆ ด้วยวิธีการเดียวกัน ผู้วิเคราะห์คนละคน ห้องปฏิบัติการคนละแห่ง เครื่องมือเครื่องใช้ต่างกัน ระยะเวลาการทำซ้ำยาวนานพอสมควร ความแม่นกับความเที่ยงอาจจะแสดงให้เห็นดังตัวอย่างการปาลูกดอก 4 ลูก โดยต้องปาให้ เข้าจุดดำตรงกลางในที่นี้สมมติให้เป็นค่าอ้างอิง (Reference value) ในภาพ (ก) ลูกดอกมีการ กระจายตัวมาก อยู่ห่างจากจุดตรงกลางมาก จึงมีความแม่นต่ำและความเที่ยงต่ำ ในภาพ (ข) ลูกดอกทั้ง 4 ลูก เข้าเป้าในตำแหน่งเกาะกลุ่มกันมากแต่ห่างจากจุดตรงกลางมาก จึงมีความแม่นต่ำ และความเที่ยงสูง ในภาพ (ค) ลูกดอกทั้ง 4 เกาะกลุ่มกันและเข้าจุดตรงกลางทั้งหมด จึงมีความแม่น สูงและความเที่ยงสูง (ก) (ข) (ค) รูป 2.3 ความแม่นและความเที่ยงของการปาลูกดอก 3. ความคลาดเคลื่อน (Errors) และค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (Standard deviation, SD) ความแม่นของเครื่องแก้วจะบอกด้วยค่าความคลาดเคลื่อน หรือร้อยละความคลาดเคลื่อน ส่วนความเที่ยงจะบอกด้วยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน
17 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 ความคลาดเคลื่อน และร้อยละความคลาดเคลื่อน (Error หรือ %Error) เป็นค่าที่บ่งบอกความ แม่นของการวัดว่าคลาดเคลื่อนไปจากค่าแท้จริงหรือค่าอ้างอิงมากน้อยเท่าไหร่ ค่าที่วัดได้อาจจะ มากกว่าหรือน้อยกว่าค่าแท้จริงหรือค่าอ้างอิง จึงแสดงเป็นความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์ (Absolute error) ซึ่งคำนวณได้จากสมการ 2.1 และ 2.2 ถ้าความคลาดเคลื่อน หรือร้อยละความคลาดเคลื่อน ต่ำ แสดงว่าเครื่องแก้วหรือการวัดนั้น ๆ มีความแม่นสูง Error = |ค่าที่วัดได้ – ค่าอ้างอิง| สมการ 2.1 %Error = |ค่าที่วัดได้ – ค่าอ้างอิง| ค่าอ้างอิง x 100 สมการ 2.2 ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (Standard Deviation: S.D.) ความแตกต่างของผลการวัดซ้ำ ๆ จะบอก โดยใช้ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (Standard Deviation: S.D.) ซึ่งคำนวณจากสมการ 2.3 ถ้าหากค่า เบี่ยงเบนมาตรฐานต่ำ แสดงว่าเครื่องแก้ว หรือการวัดนั้น ๆ มีความเที่ยงสูง = √ ∑ (−̅) = − สมการ 2.3 เมื่อ Xi = ค่าที่วัดได้ X = ค่าเฉลี่ย และ n = จำนวนครั้งของการวัด การทดลอง ตอนที่ 1: ความแม่นและความเที่ยง ของเครื่องแก้วสำหรับถ่ายเทของเหลว 1.1 ชั่งน้ำหนักบีกเกอร์เปล่า ขนาด 25 mL จำนวน 12 ใบ บันทึกน้ำหนักเปล่าแต่ละใบ แล้วติด ฉลากบีกเกอร์ทุกใบ 1.2 ปิเปต น้ำกลั่นปริมาตร 10 mL ลงในบีกเกอร์ขนาด 25 mL นำไปชั่งน้ำหนักและบันทึกน้ำหนัก 1.3 ทำการทดลองซ้ำอีก 2 ครั้ง บันทึกผลการทดลอง และคำนวณหาน้ำหนักของน้ำกลั่น และ คำนวณค่า Error %Error และ SD 1.4 ทำการทดลองในข้อ 1.2-1.3 ซ้ำ โดยเปลี่ยนจากปิเปต เป็น บีกเกอร์บิวเรต และ กระบอกตวง
18 ปรับปรุง โดย อ.พิทักษ์ นาสมใจ-Nov 2022 การทดลองที่ 2: ความแม่นและความเที่ยงของเครื่องแก้วในการเตรียมสารละลาย การเตรียมสารละลายน้ำเชื่อมด้วยขวดปรับปริมาตร 2.1 ชั่งน้ำหนักบีกเกอร์เปล่า ขนาด 50 mL จำนวน 6 ใบ บันทึกน้ำหนักเปล่าแต่ละใบ แล้วติด ฉลากบีกเกอร์ทุกใบ 2.2 เตรียมสารละลายน้ำเชื่อมโดย ชั่งน้ำตาลทราย 5.00 g ในบีกเกอร์ขนาด 100 mL ละลาย น้ำตาลด้วยน้ำกลั่น แล้วเทสารละลายลงในขวดวัดปริมาตรขนาด 50 mL ปรับปริมาตรในขวดวัด ปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 50 mL 2.3 เทสารละลายจากขวดวัดปริมาตรลงในบีกเกอร์ขนาด 100 mL ปิเปตสารละลายปริมาตร 10 mL ลงในบีกเกอร์ขนาด 50 mL แล้วนำไปชั่งน้ำหนัก 2.4 ทำการทดลองในข้อ 2.3 อีก 2 ซ้ำ บันทึกผลการทดลอง คำนวณหาน้ำหนักของสารละลาย และคำนวณค่า Error %Error และ SD การเตรียมสารละลายน้ำเชื่อมด้วยบีกเกอร์ 2.5 เตรียมสารละลายน้ำเชื่อมโดย ชั่งน้ำตาลทราย 5.00 g ในบีกเกอร์ขนาด 250 mL ละลาย น้ำตาลด้วยน้ำกลั่น ปรับปริมาตรเป็น 50 mL ด้วยน้ำกลั่น 2.6 ปิเปตสารละลายปริมาตร 10 mL ลงในบีกเกอร์ขนาด 50 mL แล้วนำไปชั่งน้ำหนัก 2.7 ทำการทดลองในข้อ 2.6 อีก 2 ซ้ำ บันทึกผลการทดลอง คำนวณหาน้ำหนักของสารละลาย และคำนวณค่า Error %Error และ SD เอกสารอ้างอิง 1. McMurry, J. E. & Fay, R.C. (2012) Chemistry (6 th ed.). Prentice Hall. 2. Silberberg M S. (2007) Principles of General Chemistry. McGraw-Hill Higher Education. 3. วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ. 1 พฤศจิกายน 2563. https://web.rmutp.ac.th/woravith/?page_id=6385 4. กรมควบคุมมลพิษ. คู ่ม ือการควบคุมคุณภาพและประกันคุณภาพงานห ้องปฏ ิบัต ิการ สิ่งแวดล้อม. 2547.
19 การทดลองที่3 เรื่อง สารละลายบัฟเฟอร์ วัตถุประสงค์ 1. เพื่อหาค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน 2. เพื่อศึกษาสมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ 3. เพื่อศึกษาการวัด pH ของสารละลายด้วย pH meter หลักการ สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer solution) หมายถึง สารละลายที่ได้จากการผสมของกรดอ่อนกับคู่ เบสของกรดนั้น หรือเบสอ่อนกับคู่กรดของเบสนั้น จะได้สารละลายที่มีไอออนร่วม หน้าที่สำคัญของสารละลายบัฟเฟอร์คือ เป็นสารละลายที่ใช้ควบคุมความเป็นกรดและเบสของ สารละลายเพื่อไม่ให้เปลี่ยนแปลงมาก เมื่อเติมกรดหรือเบสลงไปเล็กน้อย นั่นคือสามารถรักษา ระดับ pH ของสารละลายไว้ได้เกือบคงที่เสมอ แม้ว่าจะเติมน้ำหรือเติมกรดหรือเบสลงไปเล็กน้อยก็ ไม่ทำให้ pH ของสารละลายเปลี่ยนแปลงไปมากนัก เราเรียกความสามารถในการต้านทานการ เปลี่ยนแปลง pH นี้ว่า buffer capacity สารละลายบัฟเฟอร์มี 2 ประเภท 1. สารละลายของกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อน (Acid buffer solution) สารละลายบัฟเฟอร์ แบบนี้มี pH < 7 เป็นกรด เช่น กรดอ่อน + เกลือของกรดอ่อนนั้น CH3COOH + CH3COONa HCN + KCN H2S + Na2S H2CO3 + NaHCO3 2. สารละลายของเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน (Basic buffer solution) สารละลายบัฟเฟอร์ แบบนี้ มี pH > 7 เป็นเบส เช่น
20 เบสอ่อน + เกลือของเบสอ่อนนั้น NH3 + NH4Cl NH3 + NH4NO3 Fe(OH)2 + FeCl2 Fe(OH)3 + FeCl3 วิธีเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ 1. เตรียมโดยตรงโดยการผสมกรดอ่อนกับคู่เบสของกรดนั้นหรือผสมเบสอ่อนกับคู่กรดของเบสนั้น ก็จะได้เกลือของกรดอ่อนและเกลือของเบสอ่อน 2. เตรียมจากปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส ดังนี้ 2.1) บัฟเฟอร์กรด เตรียมโดยใช้กรดอ่อน (แตกตัวบางส่วน) ทำปฏิกิริยากับเบส (แก่หรือ อ่อน) เช่น HF(aq) + NaOH(aq) ⎯→ NaF(aq) + H2O(l) ถ้าใช้ HF มากเกินพอ เมื่อเกิดปฏิกิริยาจนสมบูรณ์แล้ว NaOH จะหมดไปจากระบบ ดังนั้นในระบบ จะเป็นสารละลายผสมระหว่าง HF กับ NaF ซึ่งเป็นบัฟเฟอร์กรด (กรดอ่อน+เกลือของมัน) 2.2) บัฟเฟอร์เบส เตรียมโดยใช้เบสอ่อน (แตกตัวบางส่วน) ทำปฎิกิริยากับกรด (แก่ หรืออ่อน) เช่น HCl(aq) + NH4OH(aq) ⎯→ NH4Cl(aq) + H2O(l) ถ้าใช้ NH4OH มากเกินพอ เมื่อเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์แล้ว HCl จะหมดไปจากระบบดังนั้นในระบบจะ เป็นสารละลายผสมระหว่าง NH4OH กับ NH4Cl ซึ่งเป็นบัฟเฟอร์เบส (เบสอ่อน + เกลือของมัน) การควบคุมค่า pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ ถ้าบัฟเฟอร์มีสาร CH3COO- กับ CH3COOH อยู่ในระบบ ถ้าเติมกรด เช่น HCl ลง ไป H + ในกรดจะถูกสะเทินด้วยคู่เบสดังนี้ CH3COO- + H + CH3COOH ถ้าเติมเบส เช่น KOH ลงไป OH- ในเบสจะถูกสะเทินด้วยคู่กรดดังนี้ CH3COOH + OH- CH3COO- + H2O
21 สรุปได้ว่า - ถ้าเติมกรดลงไป H + ในกรดจะถูกสะเทินด้วยเบส - ถ้าเติมเบสลงไป OHในเบสจะถูกสะเทินด้วยกรด - กรดแก่ เบสแก่ เป็นบัฟเฟอร์ไม่ได้เพราะสารพวกนี้แตกตัวได้ 100% ไม่มี โอกาสเกิดคู่กรดคู่เบส สมบัติประการหนึ่งของสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย คือ ความเข้มข้นของ H + (หรือ H3O + ) ซึ่งนิยมเขียนในรูปของ pH ดังนี้ pH = - log [H+ ] ตัวอย่างเช่น ถ้า [H + ] = 1 x 10-2 mol/dm3 จะได้ pH = 2 และถ้า [H+ ] = 5 x 10-2 จะได้ pH = 1.3 เป็นต้น ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของ H + และ OHในสารละลาย คือ [H+ ] x [OH- ] = 1 x 10-14 ที่ 25 °C สำหรับน้ำบริสุทธิ์ [H + ] = [OH- ] = 1 x 10-7 และ pH = 7 ดังนั้น สารละลายกรดจะมี [H+ ] > [OH- ] และมี pH < 7 ส่วนสารละลายเบส [H + ] < [OH- ] และมี pH > 7 เราอาจวัด pH ของสารละลายได้ 2 วิธี คือ 1. ใช้อินดิเคเตอร์ ซึ่งมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลง pH โดยทั่วไป อินดิเคเตอร์ในสารละลาย มักเปลี่ยนสีเมื่อ pH ของสารละลาย เปลี่ยนแปลงไป 2 หน่วย เช่น กระดาษลิตมัสเปลี่ยน จากสีแดงเป็นสีน้ำเงิน เมื่อ pH เปลี่ยนจาก 6 ไปเป็น 8 ฟีนอล์ฟทาลีนเปลี่ยนจากไม่มีสี เป็น สีแดง เมื่อ pH เปลี่ยนจาก 8 ไปเป็น 10 เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีอินดิเคเตอร์ชนิด อื่นๆอีก ที่เปลี่ยนสีได้ในช่วง pH ต่างๆกัน 2. ใช้ pH meter ซึ่งประกอบด้วย 2 อิเล็กโทรด เมื่อจุ่มอิเล็กโทรดทั้งสองลงในสารละลาย แล้ว วัดค่าความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองจะทำให้ทราบค่า pH ของสารละลาย ซึ่ง pH meter นี้ วัด pH ของสารละลายได้แม่นยำกว่าอินดิเคเตอร์มาก กรดและเบสที่แตกตัวได้หมดหรือเกือบหมดเมื่อละลายในน้ำ เรียกว่า กรดแก่ และเบสแก่ ตามลำดับ ส่วนกรดและเบสที่แตกตัวได้น้อยในน้ำ เรียกว่า กรดอ่อนและเบสอ่อน การแตกตัวของ กรดอ่อน (HA) ในน้ำเกิดขึ้นได้ดังนี้
22 HA (aq) H + (aq) + A– (aq) ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Ka ) นี้ คือ Ka = [H+ ][A– ] / [HA] ดังนั้นการหาค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนวิธีหนึ่ง คือ วัด pH ของสารละลายกรด ก็ทราบว่า [H+ ] และ [A- ] ที่นี้ [H+ ] = [A- ] และในกรณีที่กรดแตกตัวน้อยมาก (Ka มีค่าต่ำมาก)อาจสมมุติได้ ว่า [HA] คือ ความเข้มข้นเริ่มต้นของกรด และคำนวณหา Ka ได้ วิธีง่ายๆ อีกวิธีหนึ่งในการหาค่า Ka คือ นำสารละลายของกรดอ่อนมาแบ่งเป็นสองส่วน เท่ากัน ส่วนหนึ่งนำไปไทเทรตกับสารละลาย NaOH จนถึงจุดยุติ (ใช้ฟีนอล์ฟทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์) HA จะถูกเปลี่ยนเป็น A – หมด ดังสมการ HA (aq) + OH– (aq) A – (aq) + H2O (l) จำนวนโมลของ A – ในสารละลายที่ไทเทรตแล้วนี้จะเท่ากับจำนวนโมลของ HA ในสารละลาย ส่วนที่สอง ถ้านำสารละลายทั้งสองนี้มาผสมกันจะได้ [HA] = [A- ]และจะได้ Ka = [H + ][A– ] / [HA] = [H+ ] ดังนั้นถ้าทราบค่า pH ของสารละลายผสม ก็จะคำนวณ Ka ของกรดได้ อุปกรณ์ 1. Beaker ขนาด 250 cm3 2. Erlenmeyer flask ขนาด 100 หรือ 125 หรือ 250 cm3 3. Buret ขนาด 25 cm3 4. Cylinder ขนาด 25 หรือ 50 cm3 5. pH meter สารเคมี 1. สารละลาย NaOH (0.1 M) 2. สารละลายกรดอ่อน 3. สารละลาย HCl (0.1 M) 4. Phenolphthalein
23 วิธีการทดลอง ตอนที่ 1 การหาค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน 1. นำบีกเกอร์ไปเบิกสารละลายกรดอ่อนมา 25 cm3 เติมน้ำกลั่นจนปริมาตรรวมเป็น 100 cm3 คนสารให้เข้ากัน แล้วใช้กระบอกตวงแบ่งสารละลายลงในขวดรูปกรวย 2 ใบๆ ละ 50 cm3 2. บรรจุสารละลาย NaOH ลงในบิวเรตตามวิธีการที่ได้ศึกษามาแล้ว 3. นำสารละลายกรดในขวดรูปกรวยใบที่ 1 ไปหยดฟีนอล์ฟทาลีน 1 หยด แล้วนำไป ไทเทรตกับสารละลาย NaOH จนถึงจุดยุติ 4. นำสารละลายจากข้อ 3 ไปผสมกับสารละลายในขวดรูปกรวยใบที่สอง ตอนที่ 2 สมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ 1. ใช้กระบอกตวง ตวงสารละลายผสม (ในการทดลองตอนที่ 1 ข้อ 4) ลงในขวดรูปกรวย 2 ใบๆ ละ 25 cm3 (จะได้สารทั้งหมด 3 ขวด ใบที่หนึ่ง 25 cm3 ใบที่สอง 50 cm3 ใบที่สาม 25 cm3 ) 2. เติมสารละลาย HCl 5 หยด ลงในขวดใบที่ 1 3. เติมสารละลาย NaOH 5 หยด ลงในขวดใบที่ 3 4. วัด pH ของสารละลายผสม โดยใช้ pH meter และวัด pH ตามลำดับเบอร์ขวด 1, 2, 3 ตอนที่ 3 ค่า pH ของน้ำกลั่น 1. ใช้กระบอกตวง ตวงน้ำกลั่นลงในขวดรูปกรวย 3 ใบๆ ละ 25 cm3 2. เติมสารละลาย HCl 5 หยด ลงในขวดใบที่ 1 3. เติมสารละลาย NaOH 5 หยด ลงในขวดใบที่ 3 4. วัด pH ของน้ำกลั่น โดยใช้ pH meter และวัด pH ตามลำดับเบอร์ขวด 1, 2, 3 *** ปรึกษาอาจารย์ผู้คุมปฏิบัติการก่อนใช้ pH meter****
24 การทดลองที่ 4 เรื่อง เซลล์กัลวานิก วัตถุประสงค์ 1. เพื่อศึกษาปฏิกิริยาเคมีและวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์กัลวานิก 2. เพื่อศึกษาปฏิกิริยาเคมีและวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์ความเข้มข้น 3. เพื่อหาจำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในเซลล์ความเข้มข้นของทองแดง หลักการ เซลล์ไฟฟ้าเคมี อาศัยปฏิกิริยารีดอกซ์ ในการขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้า โดยจะต้อง ประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ ระหว่างครึ่งเซลล์ออกซิเดชันกับครึ่งเซลล์รีดักชัน โดยมีขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ ซึ่งอาจเป็นชนิดเดียวกัน หรือต่างชนิดกันก็ได้ ปฏิกิริยาในเซลล์ อาจเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้เอง เช่น ในเซลล์กัลวานิก (ดังรูป 1 ก) หรือถูกควบคุมโดยแหล่ง พลังงานไฟฟ้าภายนอก เช่น ในเซลล์อิเล็กโตรไลติก (ดังรูป 1 ข) รูป 1 ก เซลล์กัลวานิก รูป 1 ข เซลล์อิเล็กโตรไลติก
25 การที่ครึ่งเซลล์ใดๆจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือรีดักชันนั้น พิจารณาได้จากศักย์ไฟฟ้า ของครึ่งเซลล์ แต่เนื่องจากเราไม่สามารถวัดศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ใดๆได้โดยตรง จึงต้องมีการ กำหนดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานขึ้น ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์หาได้จากการต่อครึ่งเซลล์นั้น เข้ากับครึ่งเซลล์มาตรฐานไฮโดรเจน (Standard Hydrogen Electrode, SHE) ซึ่งกำหนดให้มี ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานเป็นศูนย์ ดังในรูป 2 แล้วอ่านค่าศักย์ไฟฟ้าจากโวลท์มิเตอร์ ซึ่งคือ ค่า ศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐาน (E°) ของครึ่งเซลล์นั่นเอง โดยทดลองที่ความดัน 1 atm อุณหภูมิ 25 º C และสารละลายเข้มข้น 1 M รูป 2 การหาศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ สำหรับศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐาน (E°) ของครึ่งเซลล์ที่ 25 °C แสดงดังตาราง 1 ตาราง 1 ตัวอย่างศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน (E°) ของครึ่งเซลล์ที่ 25 °C ครึ่งเซลล์ ครึ่งปฏิกิริยา (รีดักชัน) ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน (V) Li + / Li Li+ + e- → Li -3.05 K + / K K + + e- → K -2.93 2H2O + 2 e- → H2 + 2OH – -0.83 Zn 2+ / Zn Zn 2+ + 2 e- → Zn -0.76 Ni 2+/ Ni Ni 2+ + 2 e- → Ni -0.25 Pb 2+ / Pb Pb 2+ + 2 e- → Pb -0.13
26 H + / H2 (g) , Pt 2H + + 2 e- → H2 0.00 Cu 2+ / Cu Cu 2+ + 2 e- → Cu +0.34 O2 + 2 H2O + 4 e- → 4OH – +0.40 I - / I2 (g) , Pt I2 + 2 e- → I - +0.54 Ag + / Ag Ag+ + e- → Ag +0.80 O2 + 4H + + 4 e- → 2 H2O +1.23 เมื่อนำ 2 ครึ่งเซลล์ใดๆมาต่อกัน ครึ่งเซลล์ที่มีค่า E° ต่ำกว่า จะเป็นฝ่ายให้อิเล็กตรอน โดยเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และทำหน้าที่เป็นขั้ว anode (ขั้วลบ) และครึ่งเซลล์ที่มี E° สูงกว่า จะ เป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอนโดยเกิดปฏิกิริยารีดักชันและทำหน้าที่เป็นขั้ว cathode (ขั้วบวก) ข้อตกลงของ IUPAC กำหนดให้เขียนครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไว้ทางซ้าย และ เขียนครึ่งเซลล์รีดักชันไว้ทางขวา ดังนี้ ขั้วลบ (anode) / ครึ่งเซลล์ออกซิเดชัน // ครึ่งเซลล์รีดักชัน / ขั้วบวก (cathode) ศักยไฟฟ้าของเซลล์หาได้จากความสัมพันธ์ E° cell = E° (cathode) - E° (anode) ……………. (1) ตัวอย่างเช่น Zn / Zn 2+ (1M) // Ni 2+ (1M) / Ni ขั้ว anode (ขั้วลบ) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน: Zn → Zn 2+ + 2 e- E° = -0.76 V ขั้ว cathode (ขั้วบวก) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน: Ni 2+ + 2e - → Ni E° = -0.25 V ปฏิกิริยารวม : Zn + Ni 2+ → Zn 2+ + Ni E° cell = E° (cathode) - E° (anode) = -0.25 – (-0.76) = 0.51 V
27 เนื่องจากค่า E° ที่กำหนดมานั้น เป็นค่าที่อุณหภูมิ 25 °C หรือ 298 K และความ เข้มข้นของไอออนเท่ากับ 1.0 M ในกรณีที่เป็นสภาวะอื่นๆ ค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์ (E) จะมีค่าไม่ เท่ากับ E° ซึ่งอาจเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ตามสมการของเนินสท์ ดังนี้ E = E° - RT nF ln [Product] [Reactant] ……………...(2) เมื่อ E = ศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่สภาวะนั้นๆ E° = ศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานของครึ่งเซลล์ R = ค่าคงที่ของก๊าซ (เท่ากับ 8.314 โวลท์ คูลอมบ์ต่อเคลวิน) T = อุณหภูมิ (K) n = จำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายเทในปฏิกิริยา F = ประจุที่มีอยู่บนอิเล็กตรอน 1 โมล = 96500 คูลอมบ์ต่อโมล [ Product ] = ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ [ Reactant ] = ความเข้มข้นของสารตั้งต้น จากสมการ (2) ถ้าทำการทดลองที่ 298 K และแทนค่า R , T และ F พร้อมทั้งเปลี่ยน ln เป็น log จะได้สมการ (3) E = E° - 0.0592 n log [Product] [Reactant] ………………...(3) เช่น Cu2+ + 2e- → Cu E cu = + 0.34 – 0.0592 2 log [Cu(s)] [Cu2+] E cu = + 0.34 – 0.0592 2 log 1 [Cu2+]
28 เซลล์ความเข้มข้น (Concentration cell) เซลล์ความเข้มข้นเป็นเซลล์กัลวานิก ซึ่งพลังงานไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจาก เกิดการถ่ายเทสาร จากด้านที่มีความเข้มข้นสูงไปยังด้านที่มีความเข้มข้นต่ำ ฉะนั้นศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ประเภทนี้จะมี ค่าสูงในตอนต้น และค่อยลดต่ำลงตามลำดับจนเท่ากับศูนย์ ตัวอย่าง เช่น Zn / ZnSO4 (C1 ) // ZnSO4 (C2) / Zn C1 และ C2 คือ ความเข้มข้นของสารละลาย ZnSO4 ซึ่งในที่นี้ C2 > C1 ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ เมื่อเขียนตามระบบที่ใช้กันทั่วไป จะเป็นดังนี้ ขั้วลบ (ขั้ว anode) : Zn (s) → Zn 2+ (C1 ) + 2eขั้วบวก (ขั้ว cathode) : Zn 2+ (C2) + 2e- → Zn (s) Zn 2+ (C2) → Zn 2+ (C1 ) จะเห็นว่าเกิดการถ่ายเทของไอออน จากความเข้มข้นสูงไปยังความเข้มข้นต่ำ และเมื่อ อาศัยความสัมพันธ์ของสมการเนินร์ท์ (Nernst’s equation) จะสามารถคำนวณหาค่าศักย์ไฟฟ้าของ เซลล์ความเข้มข้นได้เป็น Ecell = E°cell - 0.0592 n log C1 C2 ………………...(4) เมื่อ Ecell = ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ความเข้มข้น E°cell = ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่สภาวะมาตรฐาน C 1 = ความเข้มข้นของสารละลายด้านที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า C 2 = ความเข้มข้นของสารละลายด้านที่มีความเข้มข้นสูงกว่า แต่ E°cell = 0 เพราะเป็นผลต่าง E° จากครึ่งเซลล์ชนิดเดียวกัน Ecell = - 0.0592 n log C1 C2 ………………...(5)
29 หรือ Ecell = 0.0592 n log C2 C1 ………………...(6) ถ้ากำหนดให้ครึ่งเซลล์ที่มีความเข้มข้นของสารละลายสูงกว่ามีความเข้มข้นเท่ากับ 1.0 M ดังนั้นสมการ (6) เขียนใหม่ได้เป็น Ecell = 0.0592 n log 1 C1 ……………...(7) ถ้าเขียนกราฟระหว่างค่า Ecell กับ log (1/C1 ) จะได้กราฟเส้นตรงที่ผ่านจุดกำเนิด โดยมีค่า ความชันเท่ากับ 0.0592 / n ดังรูป 3 ซึ่งสามารถหาค่าจำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้อง ในปฏิกิริยาได้ รูป 3 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ Ecell กับ log (1/C1 ) อุปกรณ์ 1. โวลท์มิเตอร์พร้อมสายไฟดำ-แดง 2. หลอดหยดสาร 3. กระดาษทราย 4. Capillary tip tube 5. แผ่นโลหะ Cu , Zn , Pb 6. บีกเกอร์ log (1/C1 )
30 สารเคมี 1. Agar ( 2 % Agar + 5 % KNO3 ) 2. สารละลาย Cu(NO3)2 เข้มข้น 0.5 M 3. สารละลาย Zn(NO3)2 เข้มข้น 0.5 M 4. สารละลาย Pb(NO3)2 เข้มข้น 0.5 M 5. สารละลาย KNO3 5 % โดยน้ำหนัก 6. สารละลาย CuSO4 เข้มข้น 1.0 , 0.1 , 0.01 , 0.001 , 0.0001 M วิธีการทดลอง ตอนที่ 1 การวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์กัลวานิก 1. เติมสารละลาย KNO3 เข้มข้น 5 % ลงในบีกเกอร์ ประมาณ 20.0 cm3 2. ใช้หลอดหยดดูดสารละลาย 0.5 M Cu(NO3)2 เติมลงใน Capillary tip tube หลอดที่ 1 จนได้ปริมาตรประมาณ 3/4 ของหลอด จากนั้นดูดสารละลาย 0.5 M Pb(NO3)2 และ 0.5 M Zn(NO3)2 เติมลงใน Capillary tip tube หลอดที่ 2 และ 3 ตามลำดับ (หมายเหตุCapillary tip tube เบิกที่เจ้าหน้าที่ และห้ามล้างโดยเด็ดขาด เพราะ อาจทำให้agar ที่ติดปลายหลอดหลุดไปได้ ) 3. นำ Capillary tip tube ทั้ง 3 จุ่มลงไปในบีกเกอร์ที่เตรียมไว้ 4. นำแผ่นโลหะ Cu จุ่มลงในสารละลาย Cu(NO3)2 , แผ่นโลหะ Pb จุ่มลงในสารละลาย Pb(NO3)2 ส่วนแผ่นโลหะ Zn จุ่มลงในสารละลาย Zn(NO3)2 ที่บรรจุอยู่ใน Capillary tip tube ตามลำดับ และระวังอย่าให้โลหะไปกระแทก agar เพราะจะทำให้ agar ทะลุได้ (ดูรูปที่ 4 ประกอบ) (หมายเหตุ ถ้าแผ่นโลหะสกปรกให้ขัดด้วยกระดาษทรายก่อนนำมาใช้งาน) 5. ทำการวัดความต่างศักย์ระหว่างครึ่งเซลล์แต่ละคู่ด้วยโวลท์มิเตอร์ ซึ่งในการวัด ถ้าค่าที่ อ่านได้ ติดลบ ให้สลับขั้วที่ต่อกับครึ่งเซลล์ทั้ง 2 นั้น แล้วจึงอ่านค่า และครึ่งเซลล์ที่ต่อกับ ขั้วแดง จะทำหน้าที่เป็นขั้วบวก (cathode) ครึ่งเซลล์ที่ต่อกับขั้วดำ จะทำหน้าที่เป็นขั้วลบ (anode) ทำการวัดจนครบทุกคู่ของครึ่งเซลล์ บันทึกค่าความต่างศักย์ระหว่างขั้วของ เซลล์กัลวานิกแต่ละชนิด แล้วเปรียบเทียบดูว่าใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการคำนวณหรือไม่ ถ้าต่างจากที่คำนวณ คิดว่าผลเนื่องมาจากอะไร
31 รูปที่ 4 การทดลองของเซลล์กัลวานิก ตอนที่ 2 การวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์ความเข้มข้น 1. เติมสารละลาย 1 M CuSO4 ลงใน Capillary tip tube ประมาณ 3/4 ของหลอด และจุ่ม แผ่น โลหะทองแดงลงไป และเติมสารละลาย 0.0001 M CuSO4 ประมาณ 5.0 cm3 ลงในบีก เกอร์ และจุ่มแผ่นโลหะทองแดงลงไป 2. นำ Capillary tip tube จุ่มลงในบีกเกอร์ (ดูรูปที่ 5 ประกอบ) 3. ทำการวัดความต่างศักย์ระหว่างครึ่งเซลล์ด้วยโวลท์มิเตอร์ 4. ทำการทดลองแบบเดิม แต่เปลี่ยนสารละลายเฉพาะในบีกเกอร์ ให้มีความเข้มข้นเท่ากับ 0.001 , 0.01, 0.1 และ 1.0 M ตามลำดับ 5. คำนวณหาจำนวนโมล (n) ของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในเซลล์ความเข้มข้นของทองแดง โดยอาศัยผลการทดลองข้างต้น
32 รูป 5 เซลล์ความเข้มข้น
33 การทดลองที่5 เรื่อง คุณภาพวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 1 และ 2 วัตถุประสงค์ เพื่อวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 1 และ 2 ที่มีอยู่ในสารละลายตัวอย่างจากคุณสมบัติ ที่เปลี่ยนแปลงไป เมื่อเติมสารเคมีบางชนิด หลักการ คุณภาพวิเคราะห์ของไอออนบวก (Qualitative analysis) เป็นการจำแนกชนิดของไอออน บวก โดยมีกลไกที่เกี่ยวข้อง คือ ความสามารถในการตกตะกอนและการละลาย เช่น ความสามารถ ในการตกตะกอนของธาตุต่างๆที่แตกต่างกัน สามารถจำแนกประเภทของไอออนบวกได้ 5 หมู่ หลักๆ ดังนี้ หมู่ คุณสมบัติของไอออน ชนิดของไอออนบวก 1 ไอออนบวกที่ตกตะกอนในรูปของคลอไรด์ Ag+ , Hg2+ , Pb2+ 2 ไอออนที่ตกตะกอนในรูปของสารซัลไฟด์ในสารละลายที่เป็นกรดเจือจาง 2A ตะกอนซัลไฟด์ที่ไม่ละลายในสารละลายเบส Pb2+ , Bi3+ , Cd2+ , Cu2+ 2B ตะกอนซัลไฟด์ที่ละลายในสารละลายเบส As3+ , Sb3+ , Hg2+ , Sn4+ 3 ไอออนบวกที่ตกตะกอนในรูปไฮดรอกไซด์หรือซัลไฟด์ในสารละลายเบส 3A ตะกอนซัลไฟด์ที่ไม่ละลายในสารละลาย 6 M NaOH Mn2+ , Fe3+ , Co2+ , Ni2+ 3B ตะกอนซัลไฟด์ที่ละลายในสารละลาย 6 M NaOH Al3+ , Cr3+ , Zn2+ 4 ไอออนบวกที่ตกตะกอนในรูปของคาร์บอเนต Ba2 + , Sr2+ , Ca2+ 5 ไอออนบวกที่ไม่ตกตะกอนกับสารเคมีใดๆ Na+ , K+ , NH4 +
34 การวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 1 : Ag+ , Hg2+ , Pb2+ ไอออนบวก หมู่ 1 จะทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกเจือจางได้ตะกอนสีขาวของ PbCl2 , AgCl และ Hg2Cl2 ซึ่งสามารถจำแนกชนิดของไอออนบวกแต่ละชนิดได้ ดังนี้ Pb2+ : ตะกอนของ PbCl2 สามารถละลายได้ในน้ำร้อน เมื่อนำสารละลายมาทำปฏิกิริยากับ K2Cr2O7 ได้ตะกอนสีเหลืองของ PbCrO4 ดังสมการ Pb2+ (aq) + CrO4 2- (aq) ⎯→ PbCrO4 (s) สารละลาย ตะกอนสีเหลือง ในการตกตะกอนของ Pb2+ เป็น PbCl2 ถ้าใส่กรด HCl มากเกินพอ ตะกอนขาวของ PbCl2 จะละลายกลับไปในสารละลายใหม่ ทำให้ไม่สามารถวิเคราะห์หา Pb2+ ได้ในหมู่ 1 แต่สามารถ วิเคราะห์หา Pb2+ ได้ในหมู่ 2A Ag+ : ตะกอนสีขาวของ AgCl ละลายได้ในสารละลาย NH3 เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน ซึ่ง สามารถทำให้ตกตะกอน AgCl ใหม่ โดยทำปฏิกิริยากับกรด HNO3 AgCl (s) + 2NH3 (aq) ⎯→ [Ag(NH3)2] 2+ (aq) + 2Cl- (aq) [Ag(NH3)2] 2+ (aq) + 2Cl- (aq) + H+ (aq) ⎯→ AgCl (s) + 2NH4 + (aq) ตะกอนสีขาว Hg2+ : ตะกอนของ Hg2Cl2 ทำปฏิกิริยากับสารละลาย NH3 ได้ตะกอนขาวของ Hg(NH2)Cl2 และ ตะกอนดำของ Hg ผสมกัน Hg2Cl2 (s) + 2NH3 (aq) ⎯→ Hg(NH2)Cl2 (s) + Hg (s) + NH4 + (aq) ตะกอนขาว ตะกอนดำ
35 การวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 2 : Hg2+, Pb2+, Bi3+, Cd2+, Cu2+, As3+, Sn4+, Sb3+ ไอออนบวก หมู่ 2 นี้ จะทำปฏิกิริยากับ H2S ในสารละลายที่เป็นกรดที่มี pH ประมาณ 0.5 ซึ่งตะกอนซัลไฟด์ที่ไม่ละลายในสารละลายกรด ได้แก่ HgS, PbS, Bi2S3, CuS, CdS, As2S3, SnS2 และ Sb2S3 สำหรับ H2S ที่ใช้ในการทดลอง เตรียมได้จากปฏิกิริยาไฮโดรไลซีสของ thioacetamide (CH3CSNH2) ในสารละลายกรด หรือเบสที่ร้อน เกิดเป็นก๊าซ H2S CH3C(S)NH2 + 2H2O ⎯→ CH3C(O)OH + H2S(g) + NH4 + (aq) H2S ⎯→ 2H+ + S2- ในการวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 2 สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อย 2 หมู่ คือ หมู่ 2A ได้แก่ Hg2+ , Pb2+ , Bi3+ , Cu2+ และ Cd2+ หมู่ 2B ได้แก่ As3+ , Sn4+ และ Sb3+ โดยซัลไฟด์ของหมู่ 2A จะไม่ละลายในสารละลายที่เป็นเบส ส่วนซัลไฟด์ของหมู่ 2B ละลาย ได้ในสารละลายที่เป็นเบส เพราะเกิดสารประกอบเชิงซ้อน Pb2+ : สามารถแยกออกจากไอออนอื่นๆของหมู่ 2A โดยการเติม 3 M H2SO4 จะได้ตะกอนขาว ของ PbSO4 เมื่อนำตะกอนขาวนี้มาละลายด้วย ammonium acetate แล้วนำสารละลายมาทำ ปฏิกิริยากับ K2CrO4 ได้ตะกอนสีเหลืองของ PbCrO4 Pb2+ (aq) + SO4 2- (aq) ⎯→ PbSO4 (s) PbSO4 (s) + CH3COO – (aq) ⎯→ Pb(CH3COO)2 (aq) + SO4 2- (aq) Pb(CH3COO)2 (aq) + CrO4 2- (aq) ⎯→ PbCrO4 (s) + 2CH3COO – (aq)
36 Bi3+ : เมื่อเติม conc. NH4OH ลงในสารละลายที่แยก Pb2+ ออกแล้ว จนกระทั่งสารละลายเป็นเบส จะเกิดตะกอน Bi(OH)3 ลักษณะตะกอนเป็นวุ้นสีขาว นำแต่ตะกอนนี้มาทำปฏิกิริยากับ Na2SnO2 จะได้ตะกอนสีดำของ Bi แต่เนื่องจาก Na2SnO2 ไม่เสถียร จะต้องเตรียมแล้วใช้ทันที ซึ่งเตรียมโดย ใช้ 6 M NaOH 15 หยด ผสมกับ 0.1 M SnCl2 5 หยด แล้วเทราดบนตะกอนวุ้นของ Bi(OH)3 Bi3+ (aq) + 3NH3 (aq) + 3H2O (aq) ⎯→ Bi(OH)3 (s) + 3NH4 + (aq) 2NaOH (aq) + SnCl2 (aq) ⎯→ Sn(OH)2 (aq)+ 2NaCl (l) 2NaOH (aq) + Sn(OH)2 (aq) ⎯→ Na2SnO2 (aq) + 2H2O (l) 2Bi(OH)3 (s) + 2Na2SnO2 (aq) ⎯→ 2Bi (s) + 2Na2SnO3(aq) + 3H2O (l) Cu2+ : นำสารละลายมาเติม conc. NH4OH จนสารละลายมีสภาพเป็นเบส จะได้สารประกอบ เชิงซ้อน ซึ่งเป็นสารละลายที่มีน้ำเงินของ [Cu(NH3)4 ] 2+ แล้วนำไปทำให้เป็นกรดด้วย CH3COOH แล้วเติม K4 [Fe(CH)6] จะเกิดตะกอนสีน้ำตาลแดง ซึ่งไม่ละลายในกรดอ่อน แต่สามารถละลายใน สารละลายกรดแก่ Cu2+ (aq) + 4NH3 (aq) ⎯→ [Cu(NH3)4 ] 2+ (aq) [Cu(NH3)4 ] 2+ + 4CH3COOH (aq) ⎯→ Cu2+(aq) + 4NH4 (CH3COOH) (aq) Cu2+ (aq) + K 4 [Fe(CN)6] 4+ (aq) ⎯→ Cu2[Fe(CN)6] (s) Cd 2+ : นำสารละลายมาเติม conc. NH4OH จนมีสภาพเป็นเบส จะได้สารประกอบเชิงซ้อนของ [Cd(NH3)4 ] 2+ ซึ่งสารละลายใสไม่มีสี เมื่อทำปฏิกิริยากับ H2S จะเกิดตะกอนสีเหลืองของ CdS Cd 2+ (aq) + 4NH3 (aq) ⎯→ Cd(NH3)4 2+ (aq) [Cd(NH3)4 ] 2+ (aq) + 4CH3COOH (aq) ⎯→ Cd2+ (aq)+ 4NH4 + (aq) Cd 2+ (aq) + S2 – (aq) ⎯→ CdS (s) ตะกอนสีเหลือง ตะกอนวุ้นขาว Copper (II) hexacyanoferrate
37 ถ้าสารละลายตัวอย่างมี Cd2+ และ Cu2+ ปนกัน เวลาหา Cd2+ จะต้องสกัด Cu2+ ออก โดย การเติม KCN ก่อนเติมด้วย thioacetamide [Cu(NH3)4 ] 2+ (aq) + 4CN – (aq) ⎯→ 2[Cu(CN)2] – (aq) + C2N2 (aq) + 8NH3 (aq) 2[Cu(CN)2] – (aq) + S 2- (aq) ⎯→ no reaction Dicyanocopper (I) complex จะเสถียรมาก ไม่ทำปฏิกิริยากับซัลไฟด์ แต่ tetracyanocadmium complex จะเสถียรน้อยกว่า จึงทำปฏิกิริยาเกิดตะกอนสีเหลืองของ CdS ขึ้น [Cd(NH3)4 ] 2+ (aq) + 4CN – (aq) ⎯→ 2[Cd(CN)4 ] 2– (aq) + 4NH3 (aq) 2[Cd(CN)4 ] 2– (aq) + S 2- (aq) ⎯→ CdS (s) + 4CN – (aq) อุปกรณ์ 1.Test tube 2.Beaker 3.Water bottle สารเคมี 1. 0.5 M AgNO3 2. 0.5 M Cu(NO3)2 3. 0.5 M Pb(NO3)2 4. 0.5 M Bi(NO3)3 5. 6 M NH4OH 6. 6 M HNO3 7. 1 M K2CrO4 8. 1 M Thioacetamide 9. 3 M H2SO4 10. 1 M CH3COONH4 11. Conc. NH4OH 12. 1 M , 6 M NaOH 13. 6 M CH3COOH 14. 0.5 M K4 [Fe(CN)6] 15. 0.2 M KCN 16. 1 M HCl 17. 0.1 M SnCl2 วิธีการทดลอง 1. การศึกษาปฏิกิริยาของสารละลายมาตรฐานไอออนบวกหมู่ 1 และ 2 นำสารละลายมาตรฐานหมู่ 1 และ 2 มาทำการทดสอบตามแผนผังที่ 1 – 2 โดยก่อนการ ทดลอง ให้บันทึกผลการทดลองเกี่ยวกับสี ลักษณะของสารตัวอย่าง และสีของสารตัวอย่าง และระหว่างการทดลองในแต่ละขั้น 2. การศึกษาและวิเคราะห์สารตัวอย่าง (unknown sample) นำสารตัวอย่างที่ได้ไปวิเคราะห์ว่าสารตัวอย่างประกอบด้วยไอออนบวกใดบ้าง โดยทดสอบ ตามแผนผังที่ 1 – 2
38 หมายเหตุ การทดลองนี้จะต้องทำการทดสอบต่อเนื่อง คือ ในการทดลองจะต้องทำการ ตกตะกอนไอออนทีละหมู่ ตามแผนผัง 1 และ 2 รูป 1 แผนผังการวิเคราะห์ไอออนบวก หมู่ 1 ตะกอนหมู่ 1 PbCl2 , AgCl สารตัวอย่าง 5 หยด หรือ สารมาตรฐาน 5 หยด ตะกอนขาว AgCl ตะกอนเหลือง PbCrO4 สารละลาย [Ag(NH3 )]2+ ตะกอน AgCl สารละลาย Pb2+ ทดสอบสารละลาย หมู่ 2 - 5 6 M HNO3 15 หยด 3 M HCl 5 หยด เติมน้ำกลั่น 20 หยด ต้มใน water bath 2 นาที ตั้งทิ้งไว้ให้ตกตะกอน 6 M NH4OH 8 หยด 1 M K2CrO4 2 หยด ส่วนตะกอน ส่วนสารละลาย สรุปผลว่าเป็น Ag สรุปผลว่าเป็น Pb
39 รายงานการทดลอง สารละลายหมู่ 2 – 5 (ต่อจากแผนผัง 1) ตะกอนหมู่ 2 สารละลาย หมู่ 3 - 5 PbS, CuS และ Bi2S3 สารละลาย [Cu(NH3)4 ] 2+ สารละลาย Cu2+และ Bi3+ ตะกอนวุ้นสีขาว Bi(OH)3 ตะกอนดำ Bi ตะกอนสีน้ำตาลแดง Cu2[Fe(CN)6] รูป 2 แผนผังการวิเคราะห์ไอออนบวกหมู่ 2 หยด 6 M NH4OH จนสารละลายเป็นเบส 1 M HCl จนสารละลายเป็นกรด (pH 0.5) 1 M Thioacetamide (C2H5NS) 15 หยด ต้มใน Water bath 3 นาที 6M HNO3 15 หยด ต้ม 5 นาที จนสีเปลี่ยน conc. NH4OH จนสารละลายเป็นเบส และเติมเพิ่มอีก 2 หยด สารละลายผสมระหว่าง 6 M NaOH 15 หยด 0.1 M SnCl2 5 หยด 6 M CH3COOH จนเป็นกรด 0.5 M K4 [Fe(CN)6] 5 หยด สรุปผลว่าเป็น Bi สรุปผลว่าเป็น Cu
40 การทดลองที่ 6 เรื่อง คุณภาพวิเคราะห์ไอออนลบ วัตถุประสงค์ เพื่อวิเคราะห์ไอออนลบที่มีอยู่ในสารตัวอย่าง โดยการสังเกตการณ์เกิดก๊าซ การเกิดสี และ การตกตะกอน หลักการ ในการวิเคราะห์ไอออนลบที่มีอยู่ในสารตัวอย่างใดๆ ควรทำความเข้าใจถึงสมบัติของ ไอออนแต่ละชนิดเสียก่อน การจำแนกชนิดของไอออนลบตามหลักการวิเคราะห์นั้น อาศัยสมบัติ สำคัญ 2 ประการ คือ 1. ไอออนลบบางชนิดทำปฏิกิริยากับกรด แล้วเกิดก๊าซขึ้น 2. ไอออนลบบางชนิดทำปฏิกิริยากับไอออนบวกแล้วได้ตะกอนที่มีสีต่างกัน จากคุณสมบัติทั้งสองประการสามารถจัดไอออนลบเป็นหมู่ต่างๆได้ดังนี้ หมู่ ชื่อ สมบัติของไอออน ชนิดของไอออนลบ 1 กลุ่มกรดระเหยได้ (Volatile acid group) ทำปฏิกิริยากับกรด HCl เจือจาง แล้วเกิดก๊าซ CO3 2- , S 2- , NO2 - 2 กลุ่มเงิน (Silver group) ตกตะกอนกับ Ag+ ในสารละลาย กรด และตกตะกอนไม่ละลายใน กรดเจือจางในน้ำ Cl - , Br - , I3 กลุ่มแคลเซียม-แบเรียม (Calcium - Barium group) ตกตะกอนกับ Ca2+และ Ba2+ได้ ตะกอนไม่ละลายในเบสเจือจาง SO4 2- , PO4 3- , CrO4 2- 4 กลุ่มที่ละลาย (Soluble group) ไม่เกิดตะกอนกับ Ba2+ และ Ag+ (แสดงว่าเกลือของไอออนนี้ ละลายน้ำได้ดี) NO3 - , OAC -
41 ตัวอย่างการวิเคราะห์ไอออนลบ การวิเคราะห์ไอออนลบ หมู่ 1 : NO2 – ไอออนลบหมู่นี้วิเคราะห์สารโดยใช้สารตัวอย่างได้โดยตรง ไอออนลบทั้งสามชนิด ทำ ปฏิกิริยากับกรดเจือจางแล้วเกิดก๊าซต่างๆที่ทดสอบ NO2 - : ทำปฏิกิริยากับกรด ได้ก๊าซ NO ซึ่งทำปฏิกิริยากับ FeSO4 ได้ Fe(NO)SO4 มีสีน้ำตาล NO2 – (aq) + H+ (aq) → HNO2 (aq) 3HNO2 (aq) → H2O (l) + HNO3 (aq) + NO (g) [Fe(H2O)6] 2+ (aq) + NO (g) → [Fe(H2O)5NO)] 2+ (aq) สารละลายสีน้ำตาล ถ้าสารละลายมี I - ด้วย I - จะถูกออกซิไดซ์ โดย NO2 - ในสารละลายกรด ได้ I2 ซึ่งมีสี เข้ม และจะทำให้เห็นผลการทดสอบไม่ชัดเจน จึงจำเป็นต้องกำจัด I - ออกก่อน โดยตกตะกอนเป็น AgI การวิเคราะห์ไอออนลบหมู่ 2-4 การวิเคราะห์ไอออนลบหมู่ 2-4 นี้ สำหรับสารตัวอย่างทั่วไปต้องเปลี่ยนให้เป็นไอออน ลบของเกลือโซเดียมก่อน โดยนำไปทำปฏิกิริยากับ Na2CO3 ในสารละลายที่เป็นเบส ปฏิกิริยานี้จะมี ตะกอนคาร์บอเนต (ของไอออนบวกที่อยู่ในสารละลาย) เกิดขึ้น ซึ่งกำจัดได้โดยเซ็นตริฟิวต์ เช่น ถ้า มี Pb2+ และ Mg2+ อยู่ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ Pb 2+ (aq) + CO3 2- (aq) → PbCO3 (s) 2Mg2+ (aq) + 2CO3 2- (aq) + H2O (l) → MgCO3 (s) + Mg(OH)2 (s) + CO2 (g) สารละลายที่ได้จากปฏิกิริยากับ Na2CO3 เรียกว่า Soda solution หรือ Sodium carbonate extract solution ซึ่งนำไปวิเคราะห์ว่าเป็นไอออนลบต่างๆต่อไป
42 การวิเคราะห์ไอออนลบหมู่ 2 : Iไอออนหมู่นี้ทำปฏิกิริยากับ AgNO3 ได้ตะกอนที่ไม่ละลายในกรด เมื่อทดสอบ การตกตะกอนแล้ว จึงวิเคราะห์ว่าเป็นไอออนชนิดใดต่อไป ตัวอย่างปฏิกิริยาการตกตะกอนเป็น ดังนี้ I – (aq) + Ag+ (aq) → AgI (s) ตะกอนสีเหลือง I - : I– จะถูกออกซิไดซ์ด้วย NaCl ในสารละลายกรดได้ I2 ซึ่งมีสีม่วงและละลายได้ดีใน CCl4 2I- (aq) + OCl– (aq) + H+ (aq) → I2 (s) + Cl- (aq) + H2O (l) นอกจากนี้ยังมีตัวออกซิไดซ์อื่นๆอีกมาที่ใช้ได้ (ในสารละลายกรด) เช่น KMnO4 , H2O2, K2CrO7 , KNO2 , Cl2 เป็นต้น การวิเคราะห์ไอออนลบหมู่ 3 : PO4 3- ไอออนลบหมู่ 3 นี้ ทำปฏิกิริยากับ Ba2+ ได้ตะกอนที่ไม่ละลายในเบส PO4 3- (aq) + Ba2+ (aq) → Ba3(PO4 )2 (s) ตะกอนขาว , ละลายในกรด PO4 3- : PO4 3- ทำปฏิกิริยา ammonium molypdate [(NH4 )2MoO4 ] ได้ตะกอนเหลืองของ Ammonium phosphomolypdate [(NH4 )3PMo12O40] ดังสมการ PO4 3- (aq) + 3NH4 + (aq) + 12MoO4 2- (aq) + 23H+ (aq) → [(NH4 )3PMo12O40](s) +12H2O (l) ตะกอนสีเหลือง ถ้าสารละลายมี I - ต้องกำจัดออกโดยนำไปทำปฏิกิริยากับกรด HNO3 แล้วต้มไล่ I2 ที่ เกิดขึ้นออกให้หมด ก่อนนำไปวิเคราะห์หา PO4 3- 6I (aq) + 2NO3 - (aq) + 8H3O + (l) → 3I2 (s) + 2NO (g) + 12H2O (l)
43 การวิเคราะห์ไอออนลบหมู่ 4 : NO3 - ไอออนลบหมู่นี้ไม่ตกตะกอนกับ Ba2+ และ Ag+ NO3 – (aq) + 3Fe2+ (aq) + 4H+ (aq) → 3Fe2+ (aq) + NO (g) + 2H2O (l) NO (g) + Fe2+ (aq) → [Fe(NO)]2+ (aq) สำหรับการทดสอบนี้ ถ้าสารละลายมี CrO4 2- , Brและ/ หรือ I - ปนอยู่ต้องกำจัดออก ก่อน โดยตกตะกอนกับ Ag+ เสียก่อน และถ้ามี NO2 - อยู่ด้วยต้องกำจัดโดยใช้กรดซัลฟามิก (HOSO2NH2) เพราะ NO2 - และ NO3 - จะให้ผลการทดสอบเหมือนกัน แต่ NO3 - เกิดปฏิกิริยาภายใต้ สภาวะที่รุนแรงกว่า NO2 – (aq) + HOSO2NH2 (aq) + H+ (aq) → N2 (g) + H2SO4 (aq) + H2O (l) รูป 1 การวิเคราะห์ NO3 – อุปกรณ์ 1. จุกยางพร้อมท่อนำก๊าซ 2. Beaker 2 ใบ 3. Test tube 11 หลอด 4. Forceps 1 อัน 5. Tongs 1 อัน 6. Dropper 2 อัน 7. Stirring rod 2 อัน 8. Plastic Wash Bottle 1 ขวด 9. Rack 1 อัน 10.Pasture pipette 1 อัน 11.Parafilm 12.Litmus paper