Introduction to ปริมาณสารสัมพันธ์ (1)
ตั้งแต่สมัยโบราณ ของสองสิ่งที่ทำให้มนุษย์ออกเดินทางไปไกลสุดขอบโลก นั่นคือการค้นหาความร่ำรวยและความเป็นอมตะ ตำนานของเมืองที่ทั้งเมืองทำด้วยทองคำ หรือน้ำพุแห่งความหนุ่มสาว ก็ยังคงถูกเล่าเป็นการผจญภัยในนิทานจนทุกวันนี้ แต่ถ้าเรามองไปถึงประวัติศาสตร์ที่ถูกบันทึกจริงๆ แล้ว การค้นหาทั้งสองอย่าง ที่ดูจะจับต้องได้มากกว่าเรื่องเล่าพวกนี้ก็คือ การเล่นแร่แปรธาตุ หรือ Alchemy ก็คือการค้นหาวิธีการเปลี่ยนโลหะธรรมดาๆ อย่างเหล็กหรือตะกั่วให้เป็นทองคำ หรือสูตรยาเพื่อชีวิตอมตะสำหรับจักรพรรดินั้น ถูกบันทึกในประวัติศาสตร์ตั้งแต่สมัยจีนโบราณไปจนยุคกลางของยุโรปเลยทีเดียว

แม้ว่าตั้งแต่ตอนนั้นจนถึงตอนนี้ก็ยังไม่มีใครที่จะเปลี่ยนตะกั่วเป็นทองได้จริงๆ แต่ก็อาจจะเป็นโชคดีที่นักเล่นแร่แปรธาตุในสมัยนั้นส่วนใหญ่ ถ้าไม่เป็นนักบวชก็เป็นคนที่พอจะมีการศึกษา หรืออย่างน้อยก็พอที่จะมีความรู้บ้าง และความรู้พวกนั้นก็รวมไปถึงการจดบันทึกด้วย นักเล่นแร่แปรธาตุค่อยๆ เปลี่ยนตัวเองจากการสังเกตและการจดบันทึกพวกนี้ จนการเล่นแร่แปรธาตุค่อยๆ เปลี่ยนตัวเองเป็นสิ่งที่เรียกว่าวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ คำว่า Alchemy ก็ค่อยๆ เปลี่ยนเป็น Chemist สุดท้ายก็กลายมาเป็นวิชาเคมีสมัยใหม่ในตอนนี้น่ะเอง และมรดกตกทอดอย่างหนึ่งของการผสมโน่นนี่ของนักแปรธาตุในสมัยก่อน ก็กลายสิ่งที่เรียกว่าปริมาณสารสัมพันธ์ หรือ Stoichiometry

เพราะการผสมสารสองอย่างเข้าด้วยกันเพื่อทำปฏิกิริยานี้ มักจะเจอเสมอในสองสิ่งที่ว่า การผสมสาร A กับสาร B เข้าด้วยกันในน้ำหนักที่เท่ากัน มักจะมีสารตัวนึงเหลืออยู่เสมอๆ และก็มักจะเป็นตัวเดิมซะด้วย และอีกอย่างหนึ่งก็คือ การผสมสารให้ทำปฏิกิริยากันนี้มักจะเป็นเป็นอัตราส่วนอย่าง 2 ต่อ 3 หรือ 1 ต่อ 10 แถมการจดบันทึกของนักเล่นแร่แปร่ธาตุหลายๆ คน ทำให้เกิดความแปลกใจว่า ส่วนใหญ่แล้วผลก็จะเหมือนกันไม่ว่าจะห่างช่วงเวลากัน หรืออยู่คนละมุมโลกก็ตาม

พวกเขาน่าจะเก็บความสงสัยนี้ไว้หลายร้อยปี จนกระทั่งนักวิทยาศาสตร์ค้นพบสิ่งที่จะกลายมาเป็นคำตอบ การค้นพบนั้นก็คือการค้นพบที่ว่าสิ่งของทุกอย่างบนโลกใบนี้ถูกสร้างขึ้นมาด้วยชิ้นส่วนเล็กๆ จนมองไม่เห็นที่เรียกว่าอะตอม อะตอมนั้นเหมือนกับชิ้นส่วนหน้าตาคล้ายๆ กับลูกปัดที่มีหลายสี หลายขนาด แต่ก็มีลักษณะชิ้นส่วนที่ขนาดเท่ากันๆ ไม่ได้แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง อะตอมที่แต่ละชนิดที่เหมือนกันก็จะเรียกว่าธาตุ (Element) และธาตุพวกนี้ก็จะร่วมตัวกันกับธาตุตัวอื่นๆ เกิดเป็นโมเลกุล และสิ่งของตามมานั่นเอง

ยกตัวอย่างก็คือโมเลกุลที่มีชื่อเสียงที่สุดอย่างน้ำ หรือเอชทูโอ (H2O) น้ำประกอบไปด้วยอะตอมของธาตุสองชนิดคือ ไฮโดรเจนและออกซิเจน ที่มีตัวย่อว่า H และ O ตามลำดับ มารวมตัวกัน เป็นเอชทูโอ โมเลกุลของน้ำพออยู่รวมกันเข้าเยอะๆ ก็จะมองเห็นเป็นหยดน้ำ เมื่อมีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีกก็สามารถเห็นได้เป็นแม่น้ำเลยทีเดียว แต่ถ้าเราเอาชิ้นส่วนที่เล็กๆ ที่สุดของหยดน้ำและแม่น้ำมาเปรียบเทียบกัน มันก็จะเห็นเป็นเอชทูโออยู่นั่นเอง

มันเป็นคำตอบแรกซึ่งนำมาด้วยคำถามและคำตอบอีกมากมาย คำถามต่อมาที่ตั้งแต่เราสงสัยตั้งแต่เด็กๆ แล้วก็คือ แล้วทำไมต้อง H2O ด้วย มันเป็นแบบ H3O, HO, H2O2 ไม่ได้เหรอ ทำไมต้องเฉพาะ H2O?

คำตอบก็คือ ได้สิ! มันมีอยู่จริงๆ นะของพวกนี้อย่าง H3O เราก็จะเรียกมันว่าไฮโดรเนียม, HO ก็คือไฮดรอกไซด์ ส่วน H2O2 อาจจะคุ้นชื่อขึ้นมาอีกหน่อย เราเรียกมันว่าเปอร์ออกไซด์ แต่เราไม่ค่อยเห็นมันในธรรมชาติหรอก เพราะว่ามันไม่ค่อยเสถียรในรูปการประกอบร่างกันแบบนี้ เกิดขึ้นมาได้ไม่นานมันก็จะกลับมาเป็น H2O เหมือนเดิม

เพราะว่าพวกโมเลกุลพวกนี้ไม่ได้อยู่นิ่งๆ แต่มันขยับตัววิ่งไปวิ่งมาตลอดเวลา เวลาพวกมันชนกันถ้ามันเป็นโมเกกุลที่รูปร่างเสถียรพอมันก็จะอยู่ของมันแบบนั้น แต่ถ้าเป็นรูปร่างที่ไม่ค่อยดีเท่าไหร่ มันก็จะชนกันแล้วทำให้อะตอมบางตัวหลุดออกมา หรือไม่ก็ไปรวมกับโมเลกุลอีกตัวเป็นก้อนใหญ่ขึ้น บางทีก็ทำให้โมเลกุลตัวใหญ่แตกออกเป็นสองตัวก็มี ไอ้การเปลี่ยนรูปร่างของโมเลกุลนี้เอง ก็คือการเกิดสารชนิดใหม่ขึ้น เรามีชื่อเรียกที่คุ้นหูกว่านั้นว่า มันเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นมานั่นเอง

อย่างเช่นเวลาที่ H3O กับ HO เกิดการชนกัน มันจะรวมตัวเป็น H4O2 อยู่ช่วงแวบนึง หลังจากนั้นก็จะแตกตัวออกมาเป็น H2O สองตัว หรือถ้าเราจะเขียนให้เป็นสมการทางเคมีแบบง่ายๆ ที่คุ้นเคยกว่านั้น จะเขียนได้ว่า H3O + HO --> 2H2O สังเกตอะไรอย่างแรกสุดมั้ย มันเป็นอัตราส่วนที่ชัดเจนว่าโมเลกุลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเคมี จะมีอัตราส่วนที่แน่นอน

เพราะจริงๆ แล้วการเกิดปฏิกิริยาเคมีคือการสลับสับเปลี่ยนของอะตอมที่มีลักษณะเป็นลูกปัดแบบนี้ ลูกปัดของไฮโดรเจนสองลูกและออกซิเจนหนึ่งลูก จะทำให้เกิดกลุ่มของลูกปัดหรือโมเลกุลที่เรียกว่าน้ำขึ้น ถ้าสมมุติว่าเรามีลูกปัดของไฮโดรเจนและออกซิเจนอย่างละ 100 ลูก เราจะทำให้เกิดน้ำขึ้นได้แค่ 50 ตัว เพราะน้ำ 1 โมเลกุลนั้นจะเกิดจากไฮโดรเจน 2 ลูก แม้ว่าลูกปัดออกซิเจนจะยังเหลือ แต่ก็ไม่สามารถจะเอามาทำให้เกิดน้ำได้แล้ว นี่ก็เป็นสาเหตุที่ว่าทำไมการเอาของผสมที่เท่าๆ กันมาผสมรวมกัน ทำไมถึงยังมีสารอย่างนึงเหลืออยู่

แต่ความจริงแล้วไม่ใช่แค่นั้นหรอก ยังมีประเด็นเหลืออีกหนึ่งประเด็นที่สำคัญมาก ก่อนที่เราจะเข้าสู่ปริมาณสารสัมพันธ์แบบจริงๆ จังๆ เราจะเริ่มเข้าสู่ความซับซ้อนขึ้นอีกนิดนึงโดยการเขียนสมการเคมีอย่างง่ายของปฏิกิริยาของกรดเกลือกับโซดาไฟ ที่จะได้เป็นเกลือธรรมดากับน้ำออกมา

ชื่อทางเคมีของกรดเกลือคือ ไฮโดรเจนคลอไรด์หรือ HCl โดยโมเลกุลของกรดตัวนี้ประกอบไปด้วย อะตอมของธาตุไฮโดรเจน (H) และคลอรีน (Cl) อย่างละหนึ่งตัว ส่วนตัวของโซดาไฟมีชื่อทางเคมีว่า โซเดียมไฮดรอกไซด์หรือ NaOH โมเลกุลของประกอบไปด้วยธาตุสามตัวคือ โซเดียม (Na), ออกซิเจน (O) และไฮโดรเจน (H) สองตัวนี้นั้นเองเป็นกรดกับด่าง ซึ่งเมื่อเจอกันเมื่อไหร่ก็เกิดปฏิกิริยาที่ค่อนข้างรุนแรง แต่สิ่งที่ได้ออกมาจากปฏิกิริยานั้นธรรมดากว่าที่เราคิด เพราะเมื่อโมเลกุลของสารทั้งสองมาชนกัน ลูกปัดอะตอมจะเรียงตัวใหม่ อะตอมของโซเดียมและคลอรีนจะมารวมตัวกัน ส่วนไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เหลือก็จะจับตัวกันกลายเป็นโมเลกุลตัวใหม่ สิ่งที่ได้ออกมาจากปฏิกิริยานี้ก็คือ โซเดียมคลอไรด์และเอชทูโอ ตัวหลังก็คือน้ำ ส่วนตัวแรกนั้นเป็นชื่อทางเคมีของสิ่งที่เราคุ้นเคยกันอยู่แล้วอย่างเกลือนั่นเอง

ถ้าเราเขียนสมการทางเคมีแบบง่ายๆ ของปฏิกิริยานี้จะเขียนได้ว่า HCl + NaOH -> NaCl + H2O มันเป็นการสลับลูกปัดอะตอมกันเท่านั้นเอง ปริมาณของอะตอมทั้งหมดเท่าเดิม ก่อนจะเกิดปฏิกิริยามีโมเลกุลทั้งหมดสองโมเลกุล หลังจากเกิดปฏิกิริยาเสร็จก็มีสองโมเลกุลเหมือนกัน แต่ทั้งหมดนี้ยังไม่ได้บอกอะไรเราเกี่ยวกับปริมาณสารสัมพันธ์เลย คำถามที่สำคัญอยู่ตรงนี้จะเริ่มขึ้นหลังจากนี้ต่างหาก

ตอนนี้ควรจะเปิดเสียงรัวกลอง ไม่ก็เพลงซาวน์แทร็กของหนังอย่าง Jaws ก็น่าจะเหมาะอยู่นะ

คำถามก็คือถ้าเราเอาตัวของกรดเกลือกับโซดาไฟอย่างละ 100 กรัมมาทำปฏิกิริยากัน จะทำปฏิกิริยาหมดพอดีมั้ย หรือก็คือกลับไปสู่สิ่งที่นักเล่นแร่แปรธาตุในสมัยโบราณที่เคยเจอกัน คำตอบก็คือ… ไม่พอดีครับ มันจะมีกรดเกลือเหลืออยู่นิดหน่อยทุกครั้งในการทำปฏิกิริยาแบบนี้ นี่คือตัวอย่างหนึ่งของสิ่งที่การสังเกตและการจดบันทึกช่วยเราได้ แต่คำถามข้อที่ดีกว่านั้นก็คือ ทำไมมันถึงเป็นแบบนั้น?

เพราะเมื่อเราพิจารณาดูให้ดี การทำปฏิกิริยาให้พอดีกันนั้นไม่ได้ขึ้นกับน้ำหนักของสาร แต่ขึ้นกับปริมาณโมเลกุลของสารที่ทำปฏิกิริยากันต่างหาก ถ้าเราเปลี่ยนคำถามนิดเดียวจากการทำปฏิกิริยาของกรดเกลือกับโซดาไฟอย่างละ 100 กรัม เป็นการทำปฏิกิริยาของกรดเกลือกับโซดาไฟอย่างละ 100 โมเลกุล คำตอบก็จะเห็นได้ชัดเจนขึ้นว่ามันทำปฏิกิริยากันได้พอดีมั้ย (ถ้าใครที่ยังตามไม่ทัน แน่นอนครับว่าคำตอบคือ พอดี!)

แต่ข้อหนึ่งที่สำคัญที่เรายังไม่ได้พิจารณาให้ดีนั่นคือลักษณะของอะตอมแต่ละชนิด ถ้าพูดถึงเรื่องขนาดแล้ว อะตอมอย่างไฮโดรเจนนั้นมีขนาดเล็กที่สุด แน่นอนว่าน้ำหนักของอะตอมแต่ละลูกก็น้อยลงไปด้วย ถ้าเอามาเปรียบเทียบกันกับออกซิเจน ขนาดอะตอมของไฮโดรเจนเองมีขนาดกับน้ำหนักราวๆ ลูกปิงปอง ส่วนของออกซิเจนนั้นประมาณลูกฟุตบอลพลาสติก

แน่นอนว่าถ้าเอากล่องที่มีลูกฟุตบอลพลาสติกมา 100 ลูก กับกล่องที่มีลูกปิงปอง 100 ลูก น้ำหนักของสิ่งที่อยู่ภายในกล่องย่อมไม่เท่ากัน ถ้าเราเอากล่องที่ลูกปิงปองหนักเท่ากับลูกฟุตบอลพลาสติกมาทำปฏิกิริยากัน รับรองว่าลูกปิงปองจะต้องเหลือบานเบอะอย่างแน่นอน จะเห็นได้ว่าในเรื่องของเคมีนั้น หน่วยในการวัดเป็นน้ำหนักไม่ใช่หน่วยทีเหมาะสมเลย มันควรจะมีหน่วยทีดีกว่านี้ในด้านเคมี

นั่นจึงเป็นที่มาของหน่วยที่เสมือนกับเป็นตัวแทนของการคำนวณวิชาเคมี หน่วยนั้นเรียกว่า ‘โมล’ (mol)

to be continuous
SHARE

Comments