การหาค่าความเป็นด่าง

คุณอยู่ที่: หน้าแรก

ให้เรตสมาชิก

ความเป็นด่าง (Alkalinity) คือ ความสามารถของน้ำที่ทำให้กรดเป็นกลาง ความเป็นด่างของน้ำส่วนใหญ่เกิดจากคาร์บอเนตอิออน (CO₃^2-) ไบคาร์บอเนตอิออน (HCO₃^-) และไฮดรอกไซด์อิออน(OH^-) น้ำที่มีอิออนตัวใดตัวหนึ่งในอิออน 3 ชนิดข้างต้นจะมีค่าความเป็นด่างอยู่ด้วยเสมอ แต่น้ำที่มีพีเอชต่ำกว่า 4.5 จะไม่พบค่าความเป็นด่างอยู่เลย ค่าความเป็นด่างมีความสำคัญต่อการควบคุมการเปลี่ยนแปลงพีเอชของแหล่งน้ำ น้ำที่มีค่าความเป็นด่างสูงโดยทั่วไปจะมีความสามารถในการรักษาพีเอชของน้ำไม่ให้เปลี่ยนแปลงได้ดีกว่าน้ำที่มีค่าความเป็นด่างต่ำกว่า ความสามารถนี้เรียกว่า buffering capacity น้ำธรรมชาติ

ที่มีค่าความเป็นด่างต่ำกว่า 30 mg/L as CaCO₃จัดว่าเป็นน้ำที่มีความสามารถในการควบคุมการเปลี่ยนแปลงของพีเอชได้ไม่ดี ในขณะที่น้ำทะเลมีค่าความเป็นด่างเฉลี่ย 116 mg/L as CaCO₃ (Lawson, 1995) น้ำทะเล จึงมีคุณสมบัติต้านการเปลี่ยนแปลงของพีเอชได้ดี (high buffering capacity) ทำให้พีเอชของน้ำทะเลไม่
เปลี่ยนแปลงมากนัก

ในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำความเป็นด่างมีความสำคัญ เพราะความเป็นด่างไปมีปฏิสัมพันธ์กับคุณภาพน้ำอื่นๆ ที่มีผลต่อสุขภาพของสัตว์น้ำ หรือความอุดมสมบูรณ์ของระบบนิเวศ อิออนที่ไม่ได้อยู่ในรูปของสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะหนักบางชนิด (เช่น ทองแดง สังกะสี แคดเมียม นิกเกิล และอะลูมิเนียม) เป็นอันตรายต่อสัตว์น้ำอย่างรุนแรง ความสามารถในการละลายและความเข้มข้นของอิออนอิสระลดลงเมื่อพีเอชเพิ่มขึ้น ดังนั้นความรุนแรงของความเป็นพิษของโลหะลดลงเมื่อความเป็นด่างเพิ่มขึ้นเนื่องจากโดยทั่วไปพีเอชเพิ่มขึ้นตามความเป็นด่าง (Boyd and Tucker, 1998)

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความเป็นด่างกับพีเอชของแหล่งน้ำ

คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่ละลายน้ำได้ดี คาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายน้ำส่วนใหญ่จะไม่อยู่ในรูปของก๊าซที่ละลายน้ำแต่จะรวมกับน้ำเป็นกรดคาร์บอนิคซึ่งเป็นกรดอ่อน เมื่อกรดคาร์บอนิคแตกตัว ได้ไฮโดรเจนอิออน และไบคาร์บอเนตอิออน ไบคาร์บอเนตอิออนจะแตกตัวให้ไฮโดรเจนอิออน และคาร์บอเนตอิออน ดังปฏิกิริยา

CO₂ + H₂O	-------------->	H₂CO₃
	<--------------

H₂CO₃	-------------->	HCO_3-+ H⁺
	<--------------

HCO₃^-	-------------->	CO₃^2- + H⁺
	<--------------

ปฏิกิริยาดังกล่าวย้อนกลับได้ กล่าวคือ มีทั้งการสร้างและการลดไฮโดรเจนอิออน ปริมาณไฮโดรเจนอิออนในน้ำนี้ คือ ตัวการควบคุมความเป็นกรดหรือความเป็นด่างของน้ำ ระบบกรดคาร์บอนิค-ไบคาร์บอเนต-คาร์บอเนตในน้ำจะทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ควบคุมการเปลี่ยนแปลงพีเอชของน้ำ ตัวอย่างเช่น ถ้ามีไฮโดรเจนอิออนมากเกินไปปฏิกิริยาจะเกิดไปทางซ้ายเพื่อลดปริมาณของไฮโดรเจนอิออนลง(Sumich, 1992)

กิจกรรมต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในแหล่งน้ำทำให้มีการเปลี่ยนแปลงของระบบกรดคาร์บอนิค-ไบคาร์บอเนต-คาร์บอเนตอยู่ตลอดเวลา แหล่งน้ำที่มีแพลงก์ตอนพืชชุกชุมจะมีความต้องการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในการสังเคราะห์แสงเป็นจำนวนมาก เมื่อปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์อิสระหมดไปก็จะดึงเอาคาร์บอนไดออกไซด์จากระบบกรดคาร์บอนิค-ไบคาร์บอเนต-คาร์บอเนตมาใช้ โดยจะใช้คาร์บอนไดออกไซด์จากการสลายตัวของไบคาร์บอเนตอิออนก่อนดังสมการ

2HCO₃^- ------------------> CO₃^2- + H₂O + CO₂

แหล่งน้ำที่มีแพลงก์ตอนพืชชุกชุมจึงมีคาร์บอเนตสูงและมีพีเอชสูงกว่า 8.3 ถ้าหากว่าไบคาร์บอเนตอิออนยังให้คาร์บอนไดออกไซด์ไม่เพียงพอ แพลงก์ตอนพืชจะดึงคาร์บอนไดออกไซด์จากคาร์บอเนตอิออน จากปฏิกิริยาดังต่อไปนี้

CO₃^2- + H2O ------------------> HCO₃^- + OH^-

พีเอชของน้ำจะเพิ่มขึ้นไปอีก จนสูงกว่า 9 หรือ 10 แพลงก์ตอนพืชจะดึงเอาคาร์บอนไดออกไซด์จากน้ำได้มากจนกระทั่งพีเอชมีค่าอยู่ในช่วง 10-11 ซึ่งเป็นระดับที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความเป็นด่างกับพีเอชของแหล่งน้ำสรุปได้ดังภาพด้านล่าง

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความเป็นด่างกับพีเอชของแหล่งน้ำ

ในแหล่งน้ำมักมีแคลเซียมอิออนละลายอยู่ด้วย แคลเซียมอิออนจะรวมกับคาร์บอเนตอิออนได้แคลเซียมคาร์บอเนต ตกตะกอนสู่ก้นแหล่งน้ำ

Ca⁺⁺ + CO₃^2-	-------------->	CaCO_3(solid)
	<--------------

การเก็บรักษาตัวอย่างน้ำ

การเก็บรักษาตัวอย่างน้ำสามารถเก็บได้โดยใช้ขวดแก้วหรือขวดพลาสติกชนิด polyethelene ปิดฝาให้แน่นไม่ให้มีฟองอากาศอยู่ภายในขวด แล้วเก็บรักษาตัวอย่างไว้ด้วยการแช่เย็นอุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ต้องระวังไม่ให้อากาศถ่ายเทเข้าไปในขวดได้ เพราะคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศจะมีส่วนเพิ่มลดปริมาณความเป็นด่างได้ สำหรับตัวอย่างจากแหล่งน้ำธรรมชาติทั่วไปอาจจะเก็บรักษาโดยวิธีนี้ ได้นานถึง 12 ชั่วโมง

การวิเคราะห์หาความเป็นด่างโดยใช้อินดิเคเตอร์ (APHA, AWWA andWEF, 1995)

วิธีอินดิเคเตอร์นี้เหมาะสำหรับน้ำธรรมชาติ น้ำทิ้งที่ไม่มีสี และน้ำที่ไม่มีความขุ่นรบกวน เพราะสามารถเห็นสีของอินดิเคเตอร์ได้ชัดเจน ดังกล่าวแล้วข้างต้นว่าความเป็นด่างของน้ำเกิดจากไฮดรอกไซด์อิออน คาร์บอเนตอิออน และไบคาร์บอเนตอิออนเป็นหลัก ดังนั้นจึงสามารถวิเคราะห์หาปริมาณความเป็นด่างได้ด้วยการไตเตรทกับกรดแก่ซึ่งแตกตัวให้โปรตอนสูง เช่น กรดไฮโดรคลอริก หรือกรดซัลฟูริก จนกระทั่งถึงจุดสมดุลย์ของไบคาร์บอเนตและกรดคาร์บอนิคตามลำดับ ซึ่งดูได้จากสีของอินดิเคเตอร์หรือพีเอชของสารละลายที่เปลี่ยนไป การไตเตรทหาความเป็นด่างจะเป็นไปตามสมการข้างล่างนี้(สิริ, 2528)

CO₃^2-+ H⁺ -------------> HCO₃^- (ไตเตรทถึงพีเอช 8.3)

HCO₃^- (จากCO₃^2-) + H⁺ -------------> H₂O + CO₂

HCO3^- (natural) + H⁺ -------------> H₂O + CO2 (ไตเตรทถึงพีเอช 4.5)

น้ำยาเคมีและวิธีเตรียม

1. สารละลายโซเดียมคาร์บอเนต 0.05 นอร์มอล อบโซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃) ประมาณ 3-5 กรัม ที่อุณหภูมิ 250 องศาเซลเซียส นาน 4 ชั่วโมง ทำให้เย็นในโถดูดความชื้น แล้วชั่งสารที่ได้ 2.5 ± 0.2 กรัม ละลายในน้ำกลั่น แล้วปรับปริมาตรให้ได้ 1 ลิตร สารละลายนี้มีอายุการใช้งานประมาณ 1 อาทิตย์

2. สารละลายกรดซัลฟูริกหรือกรดไฮโดรคลอริกมาตรฐาน (standard sulfuric acid หรือ hydrochloric acid) 0.1 นอร์มอล (เลือกใช้อย่างใดอย่างหนึ่ง)

ละลายกรดซัลฟูริกเข้มข้น(concentrated H₂SO₄ acid) 3.0 มิลลิลิตรหรือกรดไฮโดรคลอริก (concentrated HCl acid) 8.3 มิลลิลิตร ในน้ำกลั่น แล้วเติมน้ำกลั่นให้ครบ 1 ลิตร (ข้อควรระวังต้องเติมกรดลงในน้ำเท่านั้น ห้ามเติมน้ำลงในกรดเข้มข้นโดยด็ดขาด เพราะทำให้เกิดการ ionize ของกรด และเกิดระเบิดได้) เทียบมาตรฐานความเข้มข้นของกรดตามวิธีข้างล่างนี้

การเทียบมาตรฐานความเข้มข้นของกรด (Standardization) กับสารละลายโซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) 0.05 นอร์มอล ทำได้ดังนี้

1) ดูดสารละลายโซเดียมคาร์บอเนต 0.05 นอร์มอล มา 40.0 มิลลิลิตรใส่ในฟลาสก์รูปชมพู่ (ควรทำอย่างน้อย 3 ซ้ำ) แล้วไตเตรทกับสารละลายกรดซัลฟูริกมาตรฐาน 0.1 นอร์มอลจนสารละลายมีพีเอชประมาณ 5 จดปริมาตรกรดที่ใช้ไตเตรท

2) จากนั้นนำสารละลายที่ได้ไปต้มประมาณ 3-5 นาที (ขณะต้มสารละลายปิดด้วยกระจกนาฬิกา) ปล่อยทิ้งให้เย็นถึงอุณหภูมิห้อง ล้าง (rinse) สารละลายที่เกาะอยู่ตามกระจกนาฬิกาลงในฟลาสก์รูปชมพู่ (ข้อสังเกต เมื่อต้มแล้วทำให้เย็นจะมีไอน้ำเกาะอยู่ตามกระจกนาฬิกา)

3) นำไปไตเตรทด้วยกรดต่อ จนสารละลายเปลี่ยนสี (พีเอช = 4.5)

4) คำนวณความเข้มข้นของกรด (Normality) ดังนี้

N = A x B
53.00 x C

เมื่อ A = น้ำหนักของโซเดียมคาร์บอเนตในสารละลายโซเดียมคาร์บอเนต 1 ลิตร (เท่ากับ2.50 กรัม)
B = จำนวนมิลลิลิตรของสารละลายโซเดียมคาร์บอเนตที่นำมาไนเตรท (เท่ากับ40.0 มิลลิลิตร)
C = จำนวนมิลลิลิตรของกรดที่ใช้ไตเตรท (ประมาณ 18.86 มิลลิลตร)

สารละลายกรดเข้มข้น 0.1 นอร์มอลปริมาตร 1 มิลลิลิตรเท่ากับ 5.0 มิลลิลิตรของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃)

3. สารละลายกรดมาตรฐานเข้มข้น0.02นอร์มอล(ใช้กรดซัลฟูริกหรือกรดไฮโดรคลอริกก็ได้) ดูดสารละลายกรดมาตรฐานเข้มข้น 0.1 นอร์มอล จำนวน 200 มิลลิลิตร (สารละลายกรดมาตรฐานตามข้อ 2) แล้วปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้ได้ 1 ลิตร ซึ่งจะได้ว่าสารละลายกรดเข้มข้น 0.02 นอร์มอล จำนวน 1 มิลลิลิตร เท่ากับแคลเซียมคาร์บอเนต 1 มิลลิลิตร

4. สารละลาย phenolphthalein indicator ละลายฟีนอลฟ์ทาลีน (phenolphthalein) 1 กรัม ในเอธิลแอลกอฮอล์ (ethyl alcohol) 95 เปอร์เซ็นต์ 100 มิลลิลิตร แล้วเติมน้ำกลั่นอีก 100 มิลลิลิตร

5. อินดิเคเตอร์ผสมระหว่างโบรโมครีซอลกรีนกับเมธิลเรดเตรียมด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งดังนี้

1) ละลายเมธิลเรด (methyl red) 20 มิลลิกรัม และบรอมคลีซอลกรีน(bromcresol green) 100 มิลลิกรัม ด้วยเอธิลแอลกอฮอล์ (ethyl alcohol ) 95 เปอร์เซ็นต์ หรือไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (isopropyl alcohol) 100 มิลลิลิตร

2) ละลายโซเดียมเมธิลเรด (sodium methyl red) 20 มิลลิกรัมและโซเดียมบรอมคลีซอลกรีน (sodium bromcresol green) 100 มิลลิกรัม ด้วยน้ำกลั่น 100 มิลลิลิตร

6. สารละลาย methyl orange indicator ละลายเมธิลออร์เรนจ์ อินดิเคเตอร์ (methyl orange indicator) 0.5 กรัม ในน้ำกลั่น แล้วปรับปริมาตรให้ได้ 100 มิลลิลิตร

ขั้นตอนวิเคราะห์

1. ตวงน้ำตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง 100 มิลลิลิตร ลงในฟลาสก์รูปชมพู่ขนาด 250 มิลลิลิตร

2. หยดฟีนอลฟ์ทาลีนอินดิเคเตอร์ 4-5 หยดถ้าสารละลายมีสีชมพูทำการไตเตรท จนสีชมพูหมดไป (ค่าที่ได้เรียกว่า phenolphthalein alkalinity)

3. หยดโบรโมครีซอลกรีนอินดิเคเตอร์ 3 หยด ถ้าตัวอย่างมีสีฟ้าเรื่อๆ ไตเตรทสารละลายด้วยกรดต่อ จนสารละลายเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินอมเขียว (หากใช้เมธิลออร์เรนจ์ อินดิเคเตอร์ สีของสารละลายจะมีสีเหลือง เมื่อถึงจุดยุติ สีของสารละลายเปลี่ยนเป็นสีส้ม)

4. บันทึกปริมาตร (มิลลิลิตร) ของกรดที่ใช้ในข้อ 2 และข้อ 3 แล้วคำนวณหาค่าความเป็นด่างดังนี้

Phenophthalein Alkalinity (as mg CaCO3/L)	=	A x N x 50,000
		ปริมาตรของน้ำตัวอย่าง(mL)
Alkalinity (as mg CaCO3/L)	=	B x N x 50,000
		ปริมาตรของน้ำตัวอย่าง (mL)

เมื่อ
A = มิลลิลิตรของกรดที่ใช้ไตเตรทน้ำตัวอย่างถึงพีเอช 8.3 (ตามข้อ 2)
B = มิลลิลิตรของกรดที่ใช้ไตเตรทน้ำตัวอย่างถึงพีเอชประมาณ 4.5 (ตามข้อ 3)
N = นอร์มอลของกรด
total Alkalinity = phenophthalein alkalinity + alkalinity

จากการวิเคราะห์หาค่าความเป็นด่างด้วยวิธีการไตเตรทกับกรดแก่โดยอาศัยการเปลี่ยนสีด้วยสารละลายอินดิเคเตอร์ จึงสามารถเรียกความเป็นด่างตามลักษณะของการเปลี่ยนสีและพีเอชของสารละลายได้ว่า phenophthalein alkalinity , methyl orange alkalinity และ total alkalinity ซึ่งพอสรุปได้ดังนี้

1. การไตเตรทสารละลายถึงพีเอช 8.3 หรือจุดเปลี่ยนสีของฟีนอล์พทาลีน เรียกว่า phenophthalein alkalinity

2. การไตเตรทสารละลายจากพีเอช 8.3 จนถึงพีเอชประมาณ 4.5 หรือจุดเปลี่ยนสีของ methyl orange เรียกว่า methyl orange alkalinity

สำหรับ total alkalinity เป็นผลรวมของ phenophthalein alkanity กับ methyl orange alkalinity เป็นที่น่าสังเกตว่าถ้าน้ำตัวอย่างหรือสารละลายมีพีเอชต่ำกว่า 8.3 จะไม่มีค่า phenophthalein alkanity

ตาราง ความสัมพันธ์ระหว่าง Total Alkalinity, Phenophthalien Alkalinity กับสถานะรูปต่างๆ ของสารประกอบ hydroxide และ carbonate ได้ดังนี้