กรด – เบส
กรด – เบส คืออะไร
กรด เบส ในชีวิตประจำวัน ( Acid Base in Everyday Life)
สารประกอบจำพวกกรด เบส มีความสำคัญและเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของมนุษย์อย่างมาก ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจว่า กรด เบส คืออะไรอย่างง่ายๆ
สารละลายกรด คือสารละลายที่มีรสเปรี้ยว เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากน้ำเงินเป็นแดง หรือทำปฏิกิริยากับโลหะได้ แก๊ส H 2 และ เกลือ
สารละลายเบส คือสารละลายที่มีรสขม เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากแดงเป็นน้ำเงิน หรือมีลักษณะลื่นๆ
นิยามของกรด-เบส Arrhenius Concept
กรด คือ สารประกอบที่มี H และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ H + หรือ H 3O +
เบส คือ สารประกอบที่มี OH และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ OH –
ข้อจำกัดของทฤษฎีนี้คือ สารประกอบต้องละลายได้ในน้ำ และไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมสารประกอบบางชนิดเช่น NH 3 จึงเป็นเบส
Bronsted-Lowry Concept
กรด คือ สารที่สามารถให้โปรตอน ( proton donor)แก่สารอื่น
เบส คือ สารที่สามารถรับโปรตอน ( proton acceptor)จากสารอื่น
ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจึงเป็นการถ่ายเทโปรตอนจากกรดไปยังเบสเช่น แอมโมเนียละลายในน้ำ
NH 3(aq) + H 2O (1)
NH 4 + (aq) + OH – (aq)
base 2 …….. acid 1 …….. acid 2 …….. base 1
ในปฏิกิริยาไปข้างหน้า NH 3 จะเป็นฝ่ายรับโปรตอนจาก H 2O ดังนั้น NH 3 จึงเป็นเบสและ H 2O เป็นกรด แต่ในปฏิกิริยาย้อนกลับ NH 4 + จะเป็นฝ่ายให้โปรตอนแก่ OH – ดังนั้น NH 4 + จึงเป็นกรดและ OH – เป็นเบส อาจสรุปได้ว่าทิศทางของปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับความแรงของเบส
Lewis Concept
กรด คือ สารที่สามารถรับอิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยว ( electron pair acceptor) จากสารอื่น
เบส คือ สารที่สามารถให้อิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยว ( electron pair donor)แกสารอื่น
ทฤษฎีนี้ใช้อธิบาย กรด เบส ตาม concept ของ Arrhenius และ Bronsted-Lowry ได้ และมีข้อได้เปรียบคือสามารถอธิบาย กรด เบส ในกรณีที่เกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน และได้สารประกอบที่มีพันธะโควาเลนซ์ เช่น
OH – (aq) + CO 2 (aq) 
HCO 3 – (aq)
BF 3 + NH 3BF 3-NH 3
คู่กรด – เบส
คู่กรด – เบส คือ สารที่เป็นคู่กรด-เบสกัน H + ต่างกัน 1 ตัว โดยที่ คู่กรดจะมี H + มากกว่าคู่เบส 1 ตัว
ความแรงของกรดและเบส = การแตกตัวในการให้โปรตอน(กรด) ความสามารถในการรับโปรตอน(เบส)
CH 3COOH (aq) + H 2O (aq) CH 3COO – (aq) + H 3O + (aq)
<<< เราต้องรู้ทิศทางการเลื่อนของสมดุลก่อน เราจึงจะบอกถึงความแรงได้>>>
1. ถ้าสมดุลเลื่อนไปทางขวา CH 3COOH เป็นกรดแรงกว่า H 3O + / H 2O เป็นเบสแรงกว่า CH 3COO –
2. ถ้าสมดุลเลื่อนไปทางซ้าย H 3O + เป็นกรดแรงกว่า CH 3COOH / CH 3COO – เป็นเบสแรงกว่า H 2O
ถ้าค่า K > 1 สมดุลเลื่อนไปข้างหน้า(สารผลิตภัณฑ์มากกว่าสารตั้งต้น)
K < 1 สมดุลเลื่อนย้อนกลับ(สารผลิตภัณฑ์น้อยกว่าสารตั้งต้น)
K = 1 ไปข้างหน้าเท่ากับย้อนกลับ (สารผลิตภัณฑ์=สารตั้งต้น) ความแรงทั้ง 2 ข้างเท่ากัน
เปรียบเทียบกรดแก่กับเบสแก่
กรดแก่ |
เบสแก่ |
1. กรดแก่มีอะไรบ้าง
|
1. เบสแก่มีอะไรบ้าง
|
กรดแก่ ( strong acid)
คือกรดที่สามารถแตกตัวได้ 100% ในน้ำ เช่น HCl H2SO4 HN03 HBr HClO4 และ HI
เบสแก่ ( weak base)
คือกรดที่สามารถแตกตัวได้ 100% ในน้ำ เช่น Hydroxide ของธาตุหมู่ 1 และ 2 ( NaOH LiOH CsOH Ba(OH) 2 Ca(OH) 2 )
กรดอ่อน ( weak acid)
คือกรดที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วน เช่น กรดอะซิติคในน้ำส้มสายชู (vinegar) ยาแอสไพริน (acetylsalicylic acid) ใช้บรรเทาอาการปวดศรีษะ saccharin เป็นสารเพิ่มความหวาน niacin (nicotinic acid) หรือ ไวตามินบี เป็นต้น ตัวอย่างปฏิกิริยาของสารละลายกรด CH 3COOH ในส่วนผสมของน้ำส้มสายชูจะมีดังนี้ :
CH 3COOH (aq) + H2O (1) H3O + (aq) + CH3COO – (aq) มีค่า K a
เบสอ่อน (weak base) คือเบสที่สามารถแตกตัวเป็นไออนได้เพียงบางส่วน เช่น NH 3 urea aniline เป็นต้น ตัวอย่างปฏิกิริยาของ ammonia มีดังนี้
NH3(aq) + H2O (aq) NH4 + (aq) + OH – (aq)
ชนิดของกรดและเบส
กรด แบ่งตามการแตกตัว แบ่งได้ 3 ชนิด
1. กรด Monoprotic แตกตัว 1 ได้แก่ HNO 3 , HClO 3 , HClO 4 , HCN
2. กรด Diprotic แตกตัว 2 ได้แก่ H 2SO 4 , H 2CO 3
3. กรดPolyprotic แตกตัว 3 ได้แก่ H 3PO 4
การแตกตัวของกรด Polyprotic แต่ละครั้งจะให้ H + ไม่เท่ากัน แตกครั้งแรกจะแตกได้ดีมาก ค่า Ka สูงมากแต่แตกครั้งต่อ ๆ ไปจะมีค่า Ka ต่ำมาก เพราะประจุลบในไอออนดึงดูด H + ไว้ดังสมการ
H 2SO 4 H+ + HSO 4 – Ka 1 = 10 11
HSO 4 – H+ + SO 4 2- Ka 2 = 1.2 x 10 -2
เนื่องมาจากกรด Polyprotic มักมีค่า K 1 >> K 2 >> K 3 H + ในสารละลายส่วนใหญ่จะได้มาจากการแตกตัวครั้งแรก
ถ้าค่า K 1 มากกว่า K 2 =10 3 เท่าขึ้นไปจะพิจารณาค่า pH ของสารละลายกรด Polyprotic ได้จากค่า K 1 เท่านั้น แต่ถ้าค่า K 2 มีค่าไม่ต่ำมาก จะต้องนำค่า K 2 มาพิจารณาด้วย
เบส แบ่งตาม จำนวน OH – ในเบส แบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือ
1. เบสที่มี OH – ตัวเดียว เช่น LiOH NaOH KOH RbOH CsOH
2. เบสที่มี OH – 2 ตัว เช่น Ca(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2
3. เบสที่มี OH – 3 ตัว เช่น Al(OH) 3 Fe(OH) 3
รวมสูตรที่ใช้คำนวณในกรณีหา กรดอ่อน เบสอ่อน ไม่ผสมกัน
สูตรที่ |
กรณี (ต้องการหาอะไร) |
กรดอ่อน |
เบสอ่อน |
1. |
หาค่า K |
Ka = [H +] 2 /N |
Kb = [ OH -] 2 /N |
2. |
หา [ H +] |
[H +] = [Ka.N]^1/2 |
[ OH -] = [Kb.N]^1/2 |
3. |
หา % การแตกตัว |
% การแตกตัว = [H +] x 100 / N |
% การแตกตัว = [ OH -] x 100 / N |
4. |
การรวมสูตรของ % กับ K |
% = Ka x 100 / N |
% = Kb x 100 / N |
ปฏิกิริยาของกรด – เบส
ปฏิกิริยาของกรด เบส แบ่งได้เป็น 4 ชนิดคือ
-
ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่
-
ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน
-
ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่
-
ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อน
การแตกตัวของน้ำและค่า pH ของสารละลาย
น้ำบริสุทธิ์จัดเป็นตัวทำละลายที่สำคัญ เป็นพวก นอน-อิเลคโตรไลท์ (nonelectrolyte) หรือไม่สามารถนำไฟฟ้า แต่จากการทดลองพบว่า น้ำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้บ้างเล็กน้อย ทั้งนี้เพราะว่าน้ำสามารถแตกตัวได้เอง ซึ่งเรียกว่า self-ionization หรือ autoprotolysis
H 2O (1) + H 2O (1)
…. acid 1 …..base 2 ………….acid 2 ……..base 1
หรือ 2H 2O (1) = H 3O + (aq) + OH – (aq)
จากความสัมพันธ์ของ K w ในปฏิกิริยาการแตกตัวของน้ำ
K w = [H 3O +][ OH -] = 1.0 x 10 -14 ที่ 25 C
(K w ที่ 0 C = 0.12 x 10 -14 และ ที่ 60 C = 9.6 x 10 – 14 M2)
จะได้ pK w = pH + pOH
โดยที่ pH ของ น้ำ = -log [H 30 +] = 7 และpOH ของ น้ำ = -log[ OH -] = 7
โดยทั่วไปแล้ว ค่า pH ของสารละลายที่พบอยู่ทั่วไป จะมีค่าอยู่ในช่วง 1-14 เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ค่า pH อาจแสดงค่าเป็นลบหรือมีค่ามากกว่า 14 ได้เช่นเดียวกัน
ตัวอย่าง ค่า pH ของนมสด เท่ากับ 6.5 ถ้านมเสีย (เปรี้ยว) ค่า pH ของนมเสียจะมากหรือน้อยกว่านมสด
ตอบ น้อยกว่า
ตัวอย่าง จงหาค่า pH ของสารละลายที่เจือจางของ HCl เข้มข้น 1.0 x 10 – 8 M
วิธีทำ HCl เจือจาง แตกตัวได้ H + 1.0 x 10 – 8 M และน้ำแตกตัวได้ H+ 1.0 x 10 – 7 M
ปริมาณ H + ที่เกิดขึ้น = 1.0 x 10 -8 + 1.0 x 10 – 7 M
pH = -log (1.0 x 10 -8 + 1.0 x 10 -7 )
= 6.96
สารละลายบัฟเฟอร์ ( Buffer Solution)
สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่สามารถต้านทานการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลายได้
สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่ค่า pH จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อนำไปทำให้เจือจางหรือเข้มข้นขึ้น
สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่ประกอบไปด้วยกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อนหรือเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน และสารในระบบจะไม่ทำปฏิกิริยากัน โดยที่กรดในระบบจะคอยทำปฏิกิริยากับเบสที่เติมลงไป และเบสในระบบจะคอยทำปฏิกิริยากับกรดที่เติมลงไป
ตัวอย่าง จงหา pH ของสารละลายที่ประกอบด้วย 0.10 M NH 3 และ 0.20 M NH 4Cl เมื่อ K b ของ NH 3 เท่ากับ 1.8×10 -5 ที่ 25 oC
วิธีทำ สมดุลการแตกตัวของเบส :
ความเข้มข้น ( M) NH 3(aq) + H 2O (1) NH 4 + (aq) + OH – (aq)
……………………………………………….. เริ่มต้น ……………. 0.10 …………………………………0.20 …………0
……………………………………………….. เปลี่ยนแปลง ………. -x ……………………………………+x …………..+x
……………………………………………….. ที่สมดุล ……………… 0.10-x …………………………….0.20+x …….x
ค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อน :
K b = 
1.8 x 10 -5 = 
ใช้วิธีประมาณว่า 0.20 + x ~ 0.20 และ 0.10 – x ~ 0.10 จะได้
= 1.8 x 10 -5
……………………………………………………………….. x = [ OH – ] = 1.8×10 -5 x 
= 9.0 x 10 -5
……………………………………………………………… pH = 14.00 – pOH = 14.00 + log[ OH – ]
…………………………………………………………….. 14.00 + log (9.0 x 10 -5) = 14.00 – 5.05 = 8.95
ถ้าเติมกรดปริมาณเล็กน้อยลงไปในสารละลายบัฟเฟอร์นี้ สมการที่เกิดขึ้นคือ NH 3 + H + = NH 4 +
ถ้าเติมเบสปริมาณเล็กน้อยลงไปในสารละลายบัฟเฟอร์นี้สมการที่เกิดขึ้นคือ NH 4 ++ OH -= NH 3+H 2O
การเลือกใช้สารละลายบัฟเฟอร์ที่เหมาะสม
ตัวอย่าง ต้องการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ที่มี pH คงที่ = 4.30 จะต้องเลือกใช้สารละลายบัฟเฟอร์จากขวดใดต่อไปนี้
ขวดที่ 1 HS0 4 – / SO 4 2- Ka = 1.2 x 10 -2
ขวดที่ 2 HOAc / OAc – Ka = 1.8 x 10 -5
ขวดที่ 3 HCN / CN – Ka = 4.0 x 10 -10
วิธีทำ สารละลาย pH = 4.30 [H +] = 5.0 X 10 – 5 M
เลือกใช้ HOAc / OAc – เพราะมีค่า Ka ใกล้เคียงกับ [H +] = 5.0 X 10 – 5 M ที่คำนวณได้มากที่สุด
แต่จะต้องมีการปรับอัตราส่วนของกรด ต่อเบส
………….. acid + H 2O = H 3O + + conjugate base
เมื่อ H + = 5.0 X 10 –5 และ Ka = 1.8 x 10 -5 จะได้ [HOAc] / [OAc – ] = 2.8
อัตราส่วนนี้จะคงที่เสมอ ไม่ว่าจะเติมน้ำทำให้เจือจาง หรือใช้ปริมาตรเท่าไร
อินดิเคเตอร์
อินดิเคเตอร์ คือ สารที่ใช้ทดสอบกรด-เบสของสารละลาย อินดิเคเตอร์ทั่วไปมีสมบัติเป็นกรดอ่อน เป็นสารที่เปลี่ยนสีได้เมื่อ pH ของสารละลายเปลี่ยนไป *โดยทั่วไปจะใช้ HIn แทนสูตรทั่วไปของอินดิเคเตอร์ สมการการแตกตัวของอินดิเคเตอร์
HIn (aq) + H 2O (l) H 3O + (aq) + In – (aq)
Ka = [H 3O +][ In – ] / [ HIn]
-
ยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ สามารถบอกความเป็นกรดเป็นเบสของสารละลายได้ และบอกค่า pH ได้
การเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์
HIn (aq) + H 2O (l) H 3O + (aq) + In – (aq)
แดง …………………………………………………………………… น้ำเงิน
-
ถ้าเติมกรดลงไปเปรียบเสมือนเติม H 3O + สมดุลจะย้อนกลับจะได้สารละลายสีแดง
-
ถ้าเติมเบสเปรียบเสมือนเติม OH – , OH – จะไปดึง H 3O + ให้กลายเป็นน้ำสมดุลเลื่อนไปข้างหน้าสารละลายเป็นสีน้ำเงิน
หลักการเลือกอินดิเคเตอร์ ควรเลือกสารที่มีการเปลี่ยนสีตามการเปลี่ยนค่า pH เเละ สีสังเกตได้ชัด
การคำนวณหาช่วง pH ช่วง pH = -log K Hin + 1
ข้อสอบเรื่อง กรด-เบส
เพื่อเป็นการทบทวน ความรู้เรื่องกรดเบส ขอนำแบบฝึกหัดมาให้นักเรียนลองทบทวนกัน
คำชี้แจง จงเลือกคำตอบที่ถูกต้องที่สุดเพียงข้อเดียว
1. ข้อใดเป็นสมบัติของสารจำพวกกรด
ก. ทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียมไนเตรด
ข.ไม่ทำปฏิกิริยากับโลหะ
ค. เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากสีแดงเป็นสีน้ำเงิน
ง. เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากสีน้ำเงินเป็นสีแดง
2. ถ้าสงสัยว่าในขวดแก้วเป็นกรดไฮโดรคลอริกหรือไม่ ควรทดสอบตามข้อใด
ก. ดมและชิม
ข. ทดสอบกับหินปูน
ค. ทดสอบกับกระดาษลิตมัส
ง. ทดสอบกับเจนเชียนไวโอเลต
3. สารในข้อใดที่ทำปฏิกิริยากันแล้วไม่เกิดฟองแก๊สขึ้น
ก. กรดซัลฟิวริกกับสังกะสี
ข. กรดไฮโดรคลอริกกับหินปูน
ค. โซเดียมไฮดรอกไซด์กับอะลูมิเนียม
ง. โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำมันพืช
4. เมื่อนำกำมะถันมาเผาจะได้แก๊สซึ่งละลายน้ำได้ สารละลายนี้เมื่อนำไปทดสอบกับกระดาษลิตมัส จะเปลี่ยนสีจากน้ำเงินเป็นแดง สารละลายดังกล่าวคืออะไร
ก. เกลือชนิดหนึ่ง
ข.สารละลายกรด
ค.สารละลายเบส
ง.สรุปไม่ได้
5. เมื่อนำผงซักฟอกมาละลายมาละลายในน้ำ แล้วนำไปทดสอบด้วยกระดาษลิตมัสจะได้ผลเหมือนกับการทดสอบสารใด
ก. เกลือแกง
ข. น้ำเชื่อม
ค. น้ำปูนใส
ง. น้ำอัดลม
6. เมื่อต้องการทดสอบว่า น้ำส้มสายชูที่รับประทานทำมาจากกรดแอซิติกหรือไม่ จะใช้สารในข้อใดทดสอบ
ก. กระดาษลิตมัสสีแดง
ข. กระดาษยูนิเวอร์เซลอินดิเคเตอร์
ค.สารละลายเจนเซียนไวโอเลต
ง.สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์
7. ข้อใดถูกต้องเกี่ยวกับ ความเป็นกรด
ก.กรดอ่อนมีค่า pH น้อย ๆ
ข. กรดแก่มีค่า pH มากกว่ากรดอ่อน
ค. สารละลายกรดมีค่า pH มากกว่า 8
ง. สารละลายกรดมีค่า pH น้อยกว่า 7
8. น้ำยาล้างห้องน้ำทำจากสารในข้อใด
ก. กรดแอซิตริก
ข. กรดไนตริก
ค. กรดซิตริก
ง. กรดไฮโดรคลอริก
9. ขณะที่ใช้น้ำยาล้างห้องน้ำจะสังเกตเห็นฟองแก๊สผุดขึ้นมา แก๊สดังกล่าวคืออะไร
ก. ออกซิเจน
ข. ไนโตรเจน
ค. แอมโมเนีย
ง. คาร์บอนไดออกไซด์
10. ภาชนะในข้อใดเหมาะสำหรับใส่แกส้มมากที่สุด
ก. ถ้วยแก้ว
ข. จานสังกะสี
ค. กล่องพลาสติก
ง. ถ้วยเมลามีน
ก. ดมและชิม
ข. ทดสอบกับหินปูน
ค. ทดสอบกับกระดาษลิตมัส
ง. ทดสอบกับเจนเชียนไวโอเลต
ก. กรดซัลฟิวริกกับสังกะสี
ข. กรดไฮโดรคลอริกกับหินปูน
ค. โซเดียมไฮดรอกไซด์กับอะลูมิเนียม
ง. โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำมันพืช
ก. เกลือชนิดหนึ่ง
ข.สารละลายกรด
ค.สารละลายเบส
ง.สรุปไม่ได้
ก. เกลือแกง
ข. น้ำเชื่อม
ค. น้ำปูนใส
ง. น้ำอัดลม
ก. กระดาษลิตมัสสีแดง
ข. กระดาษยูนิเวอร์เซลอินดิเคเตอร์
ค.สารละลายเจนเซียนไวโอเลต
ง.สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์
ก.กรดอ่อนมีค่า pH น้อย ๆ
ข. กรดแก่มีค่า pH มากกว่ากรดอ่อน
ค. สารละลายกรดมีค่า pH มากกว่า 8
ง. สารละลายกรดมีค่า pH น้อยกว่า 7
ก. กรดแอซิตริก
ข. กรดไนตริก
ค. กรดซิตริก
ง. กรดไฮโดรคลอริก
ก. ออกซิเจน
ข. ไนโตรเจน
ค. แอมโมเนีย
ง. คาร์บอนไดออกไซด์
ก. ถ้วยแก้ว
ข. จานสังกะสี
ค. กล่องพลาสติก
ง. ถ้วยเมลามีน
uniquenessiam 