อะตอมตกน้ำ

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เมื่อปี ค.. 1800 คือในราว 200 ปีมาแล้ว อาเลสซันโดร วอลตา (Allesandro Volta) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ได้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ได้สำเร็จ และนับแต่นั้นมา นักเคมีก็ได้ของเล่นใหม่อีกชิ้นหนึ่ง ซึ่งได้กลายเป็นศาสตร์ว่าด้วยการแยกสลายด้วยไฟฟ้า หรือ electrolysis

เริ่มแรกนักเคมีใช้แท่งโลหะทำเป็นขั้วไฟฟ้าต่อจากขั้วไฟฟ้าบวกและลบของแบตเตอรี มาจุ่มลงในบีกเกอร์ที่ใส่น้ำเอาไว้ และพบว่าหากเป็นน้ำบริสุทธิ์ก็ดูเหมือนจะไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่ถ้าในน้ำมีสารประกอบบางอย่าง เช่น เกลือแกง ละลายอยู่ จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปในน้ำได้ และจากนั้นไม่ว่าสิ่งใด กรด ด่าง เกลือสารพัดชนิด ก็ถูกนำมาลองละลายดูไปเสียแทบทุกอย่าง และเมื่อมีผู้ทดลองนำเกลือคอปเปอร์ซัลเฟต (เกลือซัลเฟตของโลหะทองแดง) มาลองละลายดูก็พบว่า นอกจากกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านน้ำเกลือที่ว่าได้แล้ว ยังปรากฏว่าเกิดมีโลหะทองแดงไปพอกตัวอยู่ที่ขั้วไฟฟ้าข้างหนึ่งอีกด้วย สรุปได้ว่า ส่วนหนึ่งของโมเลกุลชึ่งก็คืออะตอมทองแดงเกิดการแยกตัวและเคลื่อนไปยังขั้วไฟฟ้าหนึ่ง นอกจากนี้ จากการสังเกตอย่างละเอียดในเวลาต่อมาก็พบว่า โมเลกุลของน้ำก็มีการแยกตัวออกมาเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน ซึ่งปรากฏว่าไฮโดรเจนเคลื่อนไปยังขั้วลบหรือแคโทด (cathode) และออกซิเจนไปยังขั้วบวกหรือแอโนด (anode)

อาเลสซันโดร วอลตา
การทดลองนำเกลือแกง หรือ NaCl ละลายน้ำ
สวันเต เอากุสต์ อาร์เรเนียส

เมื่อปี ค.. 1830 หรือราว ๆ นั้น ส่วนของโมเลกุลที่เคลื่อนที่นี้ ได้รับการขนานนามว่า ไอออน (ion) โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อว่า ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) (ตามคำแนะนำของปัญญาชนชื่อว่า William Whewell) จากคำกรีกว่า ienai ซึ่งหมายถึง “ไป” ส่วนคำกรีก ion นั้น แปลว่า “การไป” โดยสรุปก็คือ ส่วนของโมเลกุลที่ว่านี้ ถ้าไม่ไปที่ขั้วหนึ่ง ก็ต้องไปที่อีกขั้วหนึ่ง พวกที่ไปยังแคโทดเรียกว่า แคทไอออน (cathion) ส่วนพวกที่ไปยังแอโนดก็เรียกว่า แอนไออน (anion) (สังเกตว่าทั้งสองคำนี้ต้องออกเสียงเป็น 3 พยางค์) แต่ ไอออน คืออะไรแน่ ยังคงเป็นปริศนาอยู่นานอีกราว 50 ปี

            จากนั้น ในปี ค.. 1884 นักเคมีเชิงฟิสิกส์อายุ 25 ปีชาวสวีเดนชื่อว่า สวันเต เอากุสต์ อาร์เรเนียส (Svante August Arrhenius) ได้เสนอวาทนิพนธ์ (dissertation) ต่อมหาวิทยาลัยแห่งอัปป์ซาลา (The University of Uppsala) ซึ่งเขาหวังว่าจะได้รับดีกรีปริญญาเอก โดยได้เสนอว่า ภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้า โมเลกุลจะแตกตัวเป็นอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมที่มีประจุ พวกที่มีประจุลบคือแอนไอออนจะถูกดูดไปยังขั้วไฟฟ้าบวก ขณะที่พวกที่มีประจุบวกคือแคทไอออนก็ถูกดูดไปยังขั้วไฟฟ้าลบ

แต่ทว่าในยุคนั้นไม่มีนักเคมีคนใดเคยได้ยินกันมาก่อนว่า อะตอมอะไรจะมีประจุไฟฟ้าได้ ทฤษฎีของเขาถูกมองว่าเป็นเรื่องเหลวไหลและเขาได้รับปริญญาด้วยคะแนนผ่านที่ต่ำที่สุด อย่างไรก็ดี ในปี ค.. 1903 อาร์เรเนียสก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากวาทนิพนธ์เรื่องเดียวกันนี้เอง

 

จากเรื่อง Ion ของ Isaac Asimov