กรด-เบส

กรด-เบส โดย อาจารย์ สายรุ้ง อวยพรกชกร

สารละลายอิเล็กโตรไลต์สารละลายอิเล็กโตรไลต์ • สารละลายอิเล็กโตรไลต์ คือ สารที่ละลายน้ำหรือสารที่หลอมเหลวแล้ว สามารถนำไฟฟ้าได้ เช่น NaCl, KNO3และ HCl • ดังนั้น สารที่ไม่นำไฟฟ้า จึงไม่เป็น • อิเล็กโตรไลต์ เช่น น้ำตาล และ ยูเรีย

ตัวอย่างสารละลายอิเล็กโตรไลต์ตัวอย่างสารละลายอิเล็กโตรไลต์ 1) อิเล็กโตรไลต์แก่ กรด HCl HBrO3 HIO3 HClO4 HNO3 H2SO4 เบส LiOH NaOH Ba(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 เกลือส่วนมาก เกลือ

2) อิเล็กโตรไลต์อ่อน HClO H2S HF H3PO4 H2CO3 HNO2 H2SO3 กรด เบส NH3และเบสอินทรีย์ เกลือ เกลือเฮไลด์ ไซยาไนด์ และไทโอไซยาเนต ของ Zn Cd และ Hg(II)

1. นิยามของกรดและเบส 1.1 นิยามของอาร์เรเนียส 1.2 นิยามของบรอนสเตด-เสารี 1.3 นิยามของลิวอิส 1.4 นิยามระบบตัวทำละลาย

1.1 นิยามของอาร์เรเนียส กรด คือ สารที่ละลายน้ำ แล้ว แตกตัวให้ H+ เช่น HCl H+ + Cl- H2SO4 H+ + HSO4- HCO3- H+ +CO32-

เบส คือ สารที่ ละลายน้ำ แล้วแตกตัวให้ OH-เช่น NaOH Na+ + OH- Ba(OH)2 Ba2+ + 2OH- Ca(OH)2 Ca2+ + 2OH-

ความแรงของกรดและเบส กรดแก่ คือ กรดที่แตกตัวให้ H+มาก กรดอ่อน คือ กรดที่แตกตัวให้ H+น้อย เบสแก่ คือ เบสที่แตกตัวให้ OH-มาก เบสอ่อน คือ เบสที่แตกตัวให้ OH-น้อย

ปฏิกิริยาสะเทินของกรดและเบส จะเป็นปฏิกิริยาระหว่าง H+และ OH-เกิดเป็น น้ำ

H+ + OH- H2O(l) HCl + NaOH NaCl + H2O กรด + เบส เกลือ + น้ำ

ข้อจำกัดของนิยามอาร์เรเนียสข้อจำกัดของนิยามอาร์เรเนียส • สารที่จะเป็นกรดหรือเบสต้องละลายน้ำเท่านั้น • สารที่ไม่มี H+หรือ OH-ในโมเลกุลไม่จัดว่าเป็นกรด หรือเบส เช่น NH4Cl NH3 CH3COONa • H+จะอยู่ในรูป hydrate ion เสมอ เขียนแทนด้วย H3O+ เรียกว่า ไฮโดรเนียมไอออน หรือ ไฮดรอกโซเนียมไอออน

1.2 นิยามของบรอนสเตด-เลารี กรด คือ สารที่ ให้H+ เบส คือ สารที่ รับH+

ปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบส เป็นการเคลื่อนย้ายโปรตอนจากกรดไปยังเบส

HCl(aq)+H2O(l)H3O+(aq) +Cl-(aq) กรด1เบส2 กรด2เบส1 โดย HCl และCl-เป็น คู่กรด-เบส คู่ที่ 1(conjugate acid-base) H3O+และH2O เป็น คู่กรด-เบส คู่ที่ 2 (conjugate acid-base) และ Cl-เป็นคู่เบส (conjugate base) ของกรด HCl HCl เป็นคู่กรด (conjugate acid) ของ Cl-

CO32- + H2O OH- + HCO3- กรด2 เบส2 เบส1 กรด2 NH3 + H2O NH4+ + OH- เบส1 กรด2 กรด2 เบส2

H2Oเป็นได้ทั้งกรดและเบส สารที่เป็นฝ่ายให้และรับ H+เรียกว่า แอมฟิโปรติก (amphiprotic)

ความแรงของกรดและเบส ขึ้นอยู่กับความสามารถในการให้และรับ H+ กรดแก่ คือ กรดที่ให้ H+มาก กรดอ่อน คือ กรดที่ให้ H+น้อย เบสแก่ คือ เบสที่รับ H+มาก เบสอ่อน คือ เบสที่รับ H+น้อย

ข้อสังเกต 1. สำหรับคู่กรด-เบสคู่หนึ่ง ถ้ากรดเป็นกรดแก่ คู่เบสจะเป็นเบสอ่อน เช่น HCl เป็น กรดแก่Cl-เป็น เบสอ่อน NH3เป็น เบสอ่อนNH4+เป็น กรดแก่ 2. กรดหรือเบสอาจเป็นโมเลกุลหรือไอออนก็ได้ 3. โมเลกุลของน้ำอาจเป็นฝ่ายให้หรือรับ H+ก็ได้ นั่นคือ น้ำเป็นแอมฟิโปรติกหรือแอมโฟเทอริก

ค่าคงที่ของสมดุล • สมดุลของกรด ถ้ามี กรด HA ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีการแตกตัวดังสมการ HA(aq)+H2O(l) H3O+(aq)+ A-(aq) จะมีค่าสมดุลดังนี้ Ka = [H3O+][A-] [HA] เมื่อ Kaเป็นค่าคงที่ของการแตกตัวของกรด

สมดุลของเบส ถ้ามีเบส B ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีการแตกตัวดังสมการ B(aq) + H2O(l) BH+(aq) + OH-(aq) จะมีค่าสมดุลดังนี้ Kb = [BH+][OH-] [B] เมื่อ Kbเป็นค่าคงที่ของการแตกตัวของเบส

ตัวอย่างที่ 1 จงแสดงว่าจากปฏิกิริยาต่อไปนี้ สารใดเป็นเบสและกรดตามทฤษฎีบรอนสเตด-เลารี KNH2+NH4Cl KCl+2NH3 จากสมการข้างต้นสามารถเขียนใหม่ในรูปสมการไอออนิก : NH2- + NH4+ 2NH3 กรด เบส

ตัวอย่างที่ 2 สารต่อไปนี้ สารใดเป็น กรดหรือเบสตามนิยาม บรอนสเตด-เลารี ก. HI ข. HNO2 ค. NH4+ ง. NH2- จ. HCO3- ก. HI เป็น กรด ข. HNO2 เป็น กรด ค. NH4+เป็น กรด ง. NH2-เป็น เบส จ. HCO3- เป็น กรดและเบส

1.3 นิยามของลิวอิส กรด คือ สารที่รับคู่ e-จากเบสได้ แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์ เบส คือ สารที่ให้คู่ e-ในการเกิดพันธะโคเวเลนต์ .. .. H+ + :O-H - H-O-H .. .. F H H F H-N: + B-F H-N B-F F H H F กรด เบส

ส.ป.ก. ที่ธาตุมี V. e- < 8 หรือมีออร์บิตอลว่าง เช่น BF3 AlCl3จัดเป็น กรดลิวอิส และเรียกธาตุนั้น ว่า อิเล็กโตรไฟล์ (Electrophile) ส.ป.ก.หรือไอออนที่มีคู่ e-โดดเดี่ยว จัดเป็น เบสลิวอิส และเรียกอะตอมนั้นว่า donor atom หรือนิวคลีโอไฟล์ (Nucleophile) เช่น Oใน OH- Nใน NH3

ในปฏิกิริยาสะเทินระหว่างโลหะออกไซด์ เช่น .. .. O: O: .. .. 2- :O:2- + S-O: :O S-O: .. .. :O: :O: .. ..

ตัวอย่างที่ 3 สารต่อไปนี้สารใดเป็นกรดตามนิยามของลิวอิส NH4+ CH3+ BCl3 Fe2+ H2S CH3+ BCl3 Fe2+ ตอบ

1.4 นิยามระบบตัวทำละลาย กรด คือ สารที่ให้ไอออนบวกของตัวทำละลาย (ไอออนกรด) เบส คือ สารที่ให้ไอออนลบของตัวทำละลาย (ไอออนเบส) กรด HCl ในตัวทำละลาย HC2H3O2: HCl + HC2H3O2H2C2H3O2+ + Cl- กรด ตัวทำละลาย ไอออนกรดของตัวทำละลาย

NaC2H3O2ในตัวทำละลาย HC2H3O2 : NaC2H3O2+ HC2H3O2 C2H3O2-+ Na+ + HC2H3O2 เมื่อกรดและเบสทำปฏิกิริยากันใน HC2H3O2 : H2C2H3O2++ C2H3O2-2 HC2H3O2

ตัวอย่างตัวทำละลายที่ใช้ในระบบตัวตัวอย่างตัวทำละลายที่ใช้ในระบบตัว ทำละลาย เช่น H2O NH3 HC2H3O2 SO2 เป็นต้น

2. ปัจจัยที่มีผลต่อความแรงของกรดและเบส • กรดไฮโดร - คาบเดียวกัน ความแรง Z EN เช่น NH3> H2O> HF - หมู่เดียวกัน ความแรง Z เช่น HF<HCl<HBr<HI H2O<H2S<H2Se<H2Te

กรดออกซี (H-O-Z) ความแรง ENZ ถ้าเป็นกรดออกซีของอโลหะตัวเดียวกัน : ความแรง จำนวน O-atom Oxidation number HClO<HClO2<HClO3<HClO4

เบส - คาบเดียวกัน ความแรง EN เช่น NH3 > H2O > HF NH2- > OH-> F- ความแรง จำนวนประจุ เช่น N3- > O2- > F- N3- > NH2- > NH2- > NH3

Leveling effect เป็นปรากฏการณ์ที่ตัวทำละลายบดบังความแรงของกรดและเบสต่างๆ กรดในน้ำ : HCl + H2O H3O+ + Cl- HNO3 + H2O H3O+ + NO3- HClO4 + H2O H3O+ + ClO4-

นั่นคือ เกิด leveling effect ของ น้ำ น้ำ เป็น leveling solvent

ถ้าใช้ HOAc เป็นตัวทำละลายพบว่า กรดเหล่านั้นจะแตกตัวต่างกัน และได้ว่า HClO4> HCl > HNO3 ดังนั้น HOAc เป็น differentiating solvent ของกรดเหล่านั้น

เบส เบสแก่สามารถเกิด leveling effect ได้เหมือนกรด เช่น NH2-และ H-เป็นเบสแก่เหมือนกันในน้ำ ดังนั้น ถ้าต้องการบ่งบอกความแรงของเบส 2 ชนิดนี้ ต้องใช้ NH3เป็นตัวทำละลาย

3. การแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อน

3.1 การแตกตัวของกรดโมโนโปรติก เมื่อ CH3COOH หรือ HOAc ละลายน้ำ จะเกิด dissociation หรือ ionization : HOAc + H2O H3O+ + OAc- 1-a a a โดย Ka = [H3O+][OAc-] [HOAc] เมื่อ Ka = ค่าคงที่ของการแตกตัวเป็นไอออนกรด

ความสามารถในการแตกตัว : = โมลของกรดที่แตกตัว โมลของกรดทั้งหมด เมื่อ = เศษส่วนจำนวนโมลของกรดที่แตกตัว

3.2 การแตกตัวของกรดโพลีโปรติก H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3- Ka1 = 4.5 x 10-7 Ka2 = 4.7 x 10-11 HCO3- + H2O H3O+ + CO3- โดยกรดโพลีโปรติก จะมี Ka = Ka1 x Ka2 x Ka3 x...

ตัวอย่างที่ 4จงคำนวณ [H+], [ClO-] และ [HClO] ในสารละลายกรดไฮโปรคลอรัสที่มีความเข้มข้น 0.10 M และคำนวณหาร้อยละการแตกตัวของกรดนี้ด้วย (Ka=3.2x10-8) HClO + H2O H3O+ + ClO- 0.10-x x x จาก Ka = [H3O+][ClO-] [HClO] 3.2x10-8= (x)(x) = x2 0.10-x 0.10 x = 5.7 x 10-5 M

[H+] = [ClO- ] = 5.7x10-5 M [HClO] = 0.10 M ร้อยละการแตกตัว = [H+]x100 [HClO] = 5.7x10-5x100 0.10 = 5.7x10-2

3.3 การแตกตัวของเบส เบสจะเกิดการแตกตัวในน้ำเหมือนกับกรด NH3 + H2O NH4+ + OH- 1-x x x โดย Kb = [NH4+][OH-] [NH3] เมื่อ Kb = ค่าคงที่ของการแตกตัวของไอออนเบส

= โมลของเบสที่แตกตัว โมลของเบสทั้งหมด ร้อยละการแตกตัวของเบส = โมลของเบสที่แตกตัว โมลของเบสทั้งหมด x100

3.4 ค่าคงที่ผลคูณไอออนของน้ำ (Kw) น้ำ แอมฟิโปรติก เกิดปฏิกิริยา ดังนี้ HOH + HOH H3O+ + OH- กรด1 เบส1 เบส2 กรด2 เรียกปฏิกิริยานี้ว่า การแตกตัวได้เองของน้ำ (autoprotolysis หรือ self-ionization) โดย Kw = [H3O+][OH-]หรือ Kw = [H+][OH-]

ในน้ำบริสุทธิ์ ; [H3O+] = [OH-] = (10-14)1/2 = 10-7 M ในกรด; [H3O+] > 10-7 M ; [OH-] < 10-7 M ในเบส ; [H3O+] < 10-7 M ; [OH-] > 10-7 M

3.5 มาตราส่วน pH ซอเรนเสน (Sorensen) เสนอว่า pH = -log [H+] หรือ [H+] = 10- pH

ตัวอย่างที่ 5 ก)จงคำนวณ pH ของสารละลาย 0.10 M HCl ที่ 25C HCl เป็นกรดแก่ แตกตัว 100% [H3O+] = 0.10 M pH = - log [H3O+] = - log (0.10) = 1

ข) ในน้ำบริสุทธิ์ มี [H3O+] = 10-7 M pH ของน้ำ = 7

ค) สารละลาย NaOH 0.10 mol.dm-3 pH = ? NaOH เป็นเบสแก่ แตกตัว 100% [OH-] = 0.10 mol.dm-3 จาก Kw = [H+][OH-] [H+] = Kw = 10-14 [OH-] 0.10 [H+] = 10-13 pH = - log 10-13 = 13

กรด-เบส

กรด-เบส

Presentation Transcript