Tip:
Highlight text to annotate it
X
สวัสดี ครูแอนเดอเสนกับวิดีโอวิชาเคมีพื้นฐานลำดัยที่ 9 นี้ จะว่าด้วยเรื่องของ
แมสสเปกโตรเมทรี (spectrometry) อันเป็นเทคนิควิธีการที่เราใช้ในการแยก อะตอม ไอโซโทป หรือแม้กระทั่ง บางส่วนของโมเลกุล
เปรียบเทียบกับมวลของอนุภาคเหล่านั้น ซึ่งเครื่องมือที่ใช้ ก็นับว่า เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพเป็นอย่างยิ่ง .. แต่ก่อนที่จะว่ากันลงไปในรายละเอียด
ของเครื่องมือที่ว่านี้ ครูอยากจะพูดถึงเรื่องของคนที่ชื่อว่า จอห์น ดาลตันก่อน จอห์น ดาลตันคนนี้
เป็นผู้บุกเบิกวิชาเคมีในยุคปัจจุบัน เขาได้เข้าร่วมประชุมในการประชุมปี 1803
และได้เสนอทฤษฎีอะตอมขึ้นในที่ประชุมนั้น เดี๋ยวครูจะเล่ารายละเอียดให้ฟัง ..แต่ก่อนอื่น
ครูอยากจะให้พวกเราลองคิดตามด้วยว่า ในลำดับต่อไปนี้ มีอันไหนบ้างที่ได้มีการเปลี่ยนแปลงไปแล้ว ในช่วงกว่า 200 ปีที่ผ่านมา?
ข้อ 1 ดาลตันเชื่อว่าธาตุต่างๆนั้น ประกอบขึ้นมาจากอนุภาคที่เล็กมากๆ เรียกว่าอะตอม
เขาเชื่อว่า อะตอมของธาตุชนิดใดชนิดนึงนั้น ย่อมจะมีลักษณะเหมือนกันทุกอะตอม ไม่ว่าจะเป็น ขนาด มวล และคุณสมบัติอื่นใดก็ตาม
อะตอมของธาตุที่แตกต่างกัน ก็จะมีขนาดต่างกัน มีมวลไม่เท่ากัน และมีคุณสมบัติอื่นๆ แตกต่างกันไปด้วย .. เขายังเชื่ออีกว่า
อะตอมไม่สามารถแบ่งย่อยอกกไปได้อีก ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือถูกทำลายได้ เขาเชื่อด้วยว่าอะตอมของธาตุต่างๆ ที่ไม่เหมือนกัน
สามารถมารวมกันในอัตราส่วนเลขจำนวนเต็ม เพื่อประกอบขึ้นเป็นสารประกอบได้ และข้อสุดท้าย .. ปฏิกริยาเคมีต่างๆนั้น
เป็นเรื่องของการรวมตัวกัน การแยกตัว หรือการจัดเรียงตัวใหม่ของอะตอม และตลอดช่วง 200 กว่าปีที่ผ่านมา
เมื่อเราพิจารณาข้อเสนอต่างๆ ที่ดาลตัน นำขึ้นมาในที่ประชุมแล้ว จะเห็นว่ามีความผิดพลาดเพียงสองข้อเท่านั้น
ข้อแรก ที่ว่าธาตุหรืออะตอมทุกตัวของธาตุชนิดนึงย่อม
จะเหมือนกันทุกประการนั้น อาจจะไม่จริง เนื่องจากเรามีเรื่องของไอโซโทป ซึ่งเป็นอะตอม
ชนิดเดียวกัน ..ไม่ใช่ โทษที ครูหมายถึง เป็นธาตุชนิดเดียวกัน แต่อาจจะมีจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน
อีกข้อนึงก็คือ ที่ว่า เราไม่สามารถแบ่งย่อยอะตอมออกไปได้อีกนั้น
เมื่อเราใช้ความรู้เรื่องของฟิวชั่นหรือฟิชชัน ซึ่งแม้ว่าออกจะเป็นเรื่องที่ออกห่างจากทางเคมีปกติไปบ้าง
ก็เป็นอันว่าข้อเสนอของดาลตันนั้น ถูกต้องเป็นส่วนใหญ่ และในวิดีโอนี้ เราจะให้ความสนใจเป็นพิเศษ
ในข้อที่สอง ลักษณะเฉพาะของไอโซโทปต่างๆ และแมสสเปกโตรเมทรี ก็จะถูกนำมาใช้ในการ
ตรวจสอบแก้ไขทฤษฎีอะตอมของดาลตัน ด้วยการศึกษาลักษณะเฉพาะของไอโซโทปนั่นเอง
ช่วงเวลาที่เรากล่าวถึงนั้นคือราวๆ ช่วงทศวรรษ 1900s อันว่าไอโซโทปนั้น ก็คืออะตอมของ
ธาตุชนิดเดียวกันที่มีมวลต่างกันนั่นเอง สาเหตุก็มาจากการที่มีจำนวนของนิวตรอนไม่เท่ากัน
ดังนั้น จึงมีการคำนวณหาค่าเฉลี่ยของมวลอะตอม
ซึ่งเราก็จะเห็นได้บนตารางธาตุ โดยบางครั้งเราจะเรียกจำนวนอันนี้ว่า น้ำหนักอะตอม (atomic weight)
กลับมาที่แมสสเปกโตรเมทรี ที่เราบอกว่าสามารถใช้ในการศึกษาอะตอม
หรือตัวอย่างธาตุ หรือแม้กระทั่งในการแยกโมเลกุลขนาดใหญ่ออกมา เพื่อศึกษา
ส่วนประกอบ หรือโมเลกุลภายในที่ได้ ดังนั้น ถ้าเราเอา แมสสเปกโตรสโคป มาอันนึง
เราก็จะเห็นว่ามีส่วนประกอบหลักอยู่สามส่วน ก็จะมีอิออไนเซอร์ (ionizer) แมสอะนาไลเซอร์ (mass analyzer)
แล้วก็ดีเทคเตอร์ (detector) มาเริ่มที่อิออไนเซอร์ก่อน คิดว่าจะเจออะไรบ้าง?
ก่อนอื่นเลย เราก็จะเห็นว่ามันจะต้องเป็นสุญญากาศล้วนๆ หมายความว่าเครื่องจะไม่ทำงาน
จนกว่าเราจะไล่เอาอนุภาคต่างๆของอากาศที่อยู่ภายในเครื่องออกให้หมด
ถัดไปที่เราจะต้องทำก็คือ ใส่ตัวอย่างที่ต้องการทดสอบเข้าไป ซึ่งอาจจะเป็นของแข็งก็ได้
จะเป็นของเหลว หรือจะเป็นกาซก็ได้ และทั้งหมดก็จะใส่เข้าไปในหลอดอิออนไนซ์
จากนั้นเราก็จะใช้อิเลตรอนยิงเข้าไปที่วัตถุที่ต้องการทดสอบ อาจจะบอกได้ว่าเป็นการเคลื่อนอิเลคตรอนทะลุผ่าน
สารตัวอย่างออกไป และที่เห็นนี่ก็คือหลอดรังสีแคโทดเล็กๆ ที่เราจะใช้เป็นแหล่งผลิตอิเลคตรอน
สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือมันจะดึงเอาอิเลคตรอนออกมาจากสารตัวอย่างนั้น
ผลก็คือจะทำให้เกิดอิออนบวกขึ้นมาเป็นจำนวนมาก ตรงนี้จึงเป็นที่ที่เรา
ใช้ทำให้เกิดอิออนจากสารตัวอย่าง สารนั้นก็ยังคงเป็นสารตัวเดิม เพียงแต่ถูกทำให้เป็น "อิออไนซ์" เท่านั้น
คือเพียงแต่มีอิเลคตรอนขาดหายไป ถัดไป เราก็จะมาที่ แมสอะนาไลเซอร์ ซึ่งก็จะมี
ส่วนประกอบอยู่สองส่วนบ ก็จะมีสนามไฟฟ้า เราก็จะเห็นว่าเป็นด้านลบ
เพราะว่าเราต้องการจะให้อิออนที่ได้ เคลื่อนเข้ามาใน แมสอะนาไลเซอร์นี้ ส่วนประกอบอีกอันก็คือแม่เหล็ก
ซึ่งทำหน้าที่ในการเปลี่ยนทิศทางของอิออนพวกนั้น
ก็จะเห็นว่าทิศทางการเคลื่อนที่ของอิออนจะเปลี่ยนไป เหมือนกับการขับรถไปตามทางโค้ง
ก็แน่นอนว่า ถ้ามีมวลมาก ก็จะเลี้ยวโค้งได้ยากสักหน่อย เปรียบเทียบกับรถบรรทุก
เทียบกับจักรยานเล็กๆ ก็จะเข้าโค้งได้ง่ายกว่า ตรงนี้เอง ที่จะเป็นที่ที่เราใช้
บ่งบอกความแตกต่างระหว่างอิออนเหล่านี้ ส่วนสุดท้ายก็จะเป็นดีเทคเตอร์
ซึ่งดีเทคเตอร์ก็จะมีส่วนประกอบอยู่สองส่วน ..ก็จะมี
อิเล็กตรอนมัลติพลายเออร์ ซึ่งก็จะเป็นแผ่นโลหะ ที่เมื่อถูกอิเลคตรอนกระทบ ก็จะทำให้มีอิเลคตรอนออกมามากขึ้น
แล้วก็จะเข้าไปชนกับแผ่นอันถัดไป ทำให้เกิดอิเลคตรอนออกมามากยิ่งขึ้นไปอีก ก็หมายความว่า
เราอาจจะใช้ปริมาณของอิออนเพียงเล็กน้อย เข้ามากระทบแผ่นโลหะ แต่ก็จะได้สัญญานมากพอที่จะเอามาใช้ตรววจับได้
เป็นเหมือนกับการขยายสัญญานนั่นเอง สุดท้าย เราก็จะส่งสัญญานนี้ออกไปที่คอมพิวเตอร์
ทำให้เราสามารถตรวจสอบดูสเปคตรัมที่ออกมาจากมวลชนิดต่างๆได้ และก่อนที่เราจะใช้งานเครื่องนั้น
เราก็จะต้องมีการปรับตั้งเครื่องเสียก่อน หมายความว่าอย่างไร? เรากำลังจะส่งอิออนออกไป
เอาละ เมื่ออิออนไม่ได้กระทบกับดีเทคเตอร์ ทำไมล่ะ? นั่นก็เพราะ
แม่เหล็กนั้น ถูกตั้งค่าไว้สูงเกินไป เราก็เลยจะต้องลดกำลังลงบ้าง
แล้วเราก็เดินเครื่องอีกที เอาละ ที่นี้ดูเหมือนกำลังจะน้อยไปหน่อย
แล้วเราก็จะลองอีกที ลองอีกที ลองอีกที นี่เองคือการปรับตั้งเครื่องก่อนการใช้งาน
ดูเหมือนว่าจะทำงานได้เหมาะสมดีแล้ว อันไหนที่มีค่ามากเกินไปนะ? ..ก็จะเป็นอันที่
เลี้ยวโค้งได้ลำบากหน่อย ก็เลย
หลุดเลยออกมาจนถึงตรงนี้ ส่วนอันที่เบาเกินไป ก็จะมาอยู่ตรงนี้
ทีนี้เรามาลองใช้งานจริงกัน ที่เห็นนี่ก็จะเป็นผลที่ควรจะได้เมื่อเราตรวจสอบสเปคตรัม
ทางด้านล่างนี่ก็จะเป็นค่าของน้ำหนักหรือมวลของสาร แล้วก็จะมีค่าความหนาแน่น
ตรงไหนที่มีความหนาแน่นมากๆ ก็จะมีสุดสูงสุดตรงนั้น
หมายความว่าเป็นค่าที่เรามีอิออนเป็นจำนวนมาก ที่น้ำหนักอะตอมเฉพาะตรงนั้น
มาทดลองด้วยคลอรีนกัน เราก็จะเอาคลอรีนมาใส่เข้าไปตรงนี้ คลอรีนนั้น
จะมีไอโซโทปที่เสถียรอยู่เพียงสองตัว คือ คลอรีน 35 และ คลอรีน 37 ลองมารอดูกัน
ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราส่งคลอรีนผ่านเข้าไปในแมสสเปค เอาละ เราได้อะไรออกมา?
เนื่องจากเรามีอิออนอยู่สองแบบ เราก็จะมีค่าสูงสุดอยู่สองค่า
อันไหนจะเป็นคลอรีน 37 อันไหนจะเป็นตัวที่หนักกว่า?
ก็ควรจะเป็นตัวที่อยู่ตรงนี้ เนื่องจากว่ามันควรจะเลี้ยวโค้งได้น้อยกว่า
และถ้าเรากลับไปดูกระบวนการทดสอบตั้งแต่ต้นอีกครั้ง เราก็จะเห็นได้ว่าคลอรีน 37
จะเลี้ยวโค้งได้ไม่ค่อยดีนัก แล้สเรามีอันไหนมากกว่าล่ะ? ก็แน่ละ
เราย่อมจะได้ อะตอมที่มาจาก หรือที่มีมวลอะตอม 35 มากกว่า เอาละ เมื่อเราได้มาแล้ว
เราก็สามารถคำนวณหามวลอะตอมเฉลี่ยอันนี้ได้ แล้วเราจะคำนวณได้อย่างไร?
เราก็จะเอาค่าที่ครูหามาได้มาจากวิกิพีเดียตรงนี้มาใช้ สองค่านี้ จะเป็น
ค่าของไอโซโทปเสถียรของคลอรีนสองตัวที่เรากำลังทดสอบอยู่ อันนี้ก็จะเป็นค่าของมวล
เป็นมวลจริงๆ ซึ่งได้มาจากจำนวนของโปรตอน นิวตรอน และอิเลคตรอนที่อยู่ภายใน
ส่วนอันนี้ก็จะเป็นจำนวนที่มีอยู่ ซึ่งก็จะมีคลอรีน 35 อยู่ราวๆ 75 เปอร์เซ็นต์
และจะมีคลอรีน 37 อยู่ราวๆ 25 เปอร์เซ็นต์ เป็นเหตุผลที่ค่าสูงสุดตรงนี้
จะมีค่าเป็นสามเท่าของค่าสูงสุดที่อยู่ตรงนี้ ในสเปคตรัมที่เราได้ออกมา เรารู้ได้อย่างไร?
ค่ามวลอะตอมเฉลี่ยนั้น บางครั้งเรียกว่าน้ำหนักอะตอม ก็คือ
มวลคูณด้วยจำนวนที่มีอยู่ (ในโลก) ของไอโซโทปนึง บวกกับมวลคูณด้วยจำนวนที่มีอยู่ ของอีกไอโซโทปนึง
ในกรณีนี้เรามีอยู่เพียงสองไอโซโทป เราจึงมีเพียงสองค่าที่จะเอามาบวกกัน
แต่ถ้าเรามีไอโซโทปมากชนิดขึ้น เราก็จะต้องมีค่าหลายค่าที่จะเอามาบวกรวมกันมากขึ้นด้วย
ก็เอาค่ามาบวกเข้าด้วยกัน เมื่อใส่ค่าเข้าไปแล้ว เราก็จะได้มวล A
ซึ่งก็จะมีค่าเท่ากับ 34.97 เราก็จะเอามาคูณกับจำนวนที่มีอยู่
ซึ่งมีค่าประมาณ 75% จากนั้นก็จะเป็นอีกไอโซโทปคือคลอรีน 37 คูณกับจำนวณที่มีอยู่
ได้ค่าออกมาเป็น 35.45 และค่านี้ก็จะเป็นค่าที่เราจะเห็นอยู่บนตารางธาตุ
ดังนั้น ค่าที่เราเห็นแสดงอยู่บนตารางธาตุ ก็จะเป็น
ค่ามวลอะตอมเฉลี่ยนั่นเอง ซึ่งเป็นค่าที่ได้มาจากการคำนวณของ ปริมาณของธาตุที่มีอยู่ตามธรรมชาติ
เอาละ ที่นี้ สิ่งที่สำคัญก็คือแมสสเปคนั้น สามารถทำอย่างอื่นได้ด้วย
ไม่เพียงแต่กับเฉพาะอะตอมและไอโซโทปแต่ละตัว หรือไอโซโทปของธาตุต่างๆ เท่านั้น
เรายังสามารถดูอะตอมในโมเลกุลได้ด้วย และแม้กระทั่งดูส่วนต่างๆภายในโมเลกุลขนาดใหญ่ด้วย
อย่างที่เห็นนี่ก็คือไมโอโกลบลิน ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งเราก็สามารถเอามา
เข้าแมสสเปคได้เช่นกัน เราก็จะสามารถตรวจสอบกรดอะมิโนต่างๆเหล่านี้ได้
สังเกตว่าตรงไหนที่ค่าสูงสุดค่อนข้างสูงกว่า
เราก็จะมีจำนวนกรดอะมิโนตรงนั้นมากกว่าด้วย ปกติแล้ว สิ่งที่วัดกันก็คือ m ต่อ z
ซึ่งก็คืออัตราส่วนของมวลต่อประจุนั่นเอง สรุปแล้ว เราได้เรียนรู้เรื่องพวกนี้ไปแล้วหรือไม่ ? ไม่ว่าจะเป็นการใช้ข้อมูล
จากแมสสเปคโตรมิทรี ในการตรวจสอบธาตุต่างๆ มวลจองอะตอมแต่ละตัวในธาตุแต่ละชนิด
อย่าลืมว่าทุกอย่างเกิดขึ้นภายในโค้งอันนี้ ซึ่งการเคลื่อนที่ของสารที่จะตรวบสอบผ่านโค้งนี้
ก็ขึ้นอยู่กับมวลของสารนั้น เราก็สามารถใช้สเปคตรัมช่วยบอกเราถึงปริมาณที่มีอยู่ได้
ก็หวังว่าวิดีโอนี้ คงจะเป็นประโยชน์บ้าง