Ion Equilibrium of Weak Electrolyte Solution (กรด-เบส) Chapter 1

1. Acids and Bases

http://www.youtube.com/watch?v=S3Asa7jxp8Y

ในบทนี้จะเป็นการทำความรู้จักกับกรดเบสก่อนว่าคืออะไร ความแรงหมายถึงอะไร ดูได้อย่างไร พร้อมตัวอย่างและการแบ่งประเภท

1.1 นิยามของกรดเบส

http://www.youtube.com/watch?v=tNtdXAMsyXw&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=jLcoIRUlz20&feature=related

- อาร์เรเนียส ได้ให้นิยามว่า กรดละลายน้ำแล้วให้ H+ ส่วนเบสละลายน้ำแล้วให้ OH-
ข้อจำกัด : สารต้องละลายน้ำ และหากไม่มี H หรือ OH ในสารก็จะไม่ได้สามารถบอกได้

- เบรินเสตด-ลาวรี มองการนิยามกรด-เบส จากสมดุล

HA + B <---> A- + BH+ 

โดยให้นิยามว่า

           - กรด คือสารให้ H+ (ในที่นี้ HA เป็นกรดเพราะเมื่อมองไปด้านหน้า HA ให้ H+ ไปกับ B จน B กลายเป็น BH+ และ BH+ ก็เป็นกรดด้วย เพราะหากมองย้อนหลัง BH+ จะให้ H+ ไปกับ A- จน A- กลายเป็น HA)
           - เบส คือสารรับ H+ (ในที่นี้ B เป็นเบสเพราะเมื่อมองไปด้านหน้า B รับ H+ จาก HA จนได้เป็น BH+ และ A- ก็เป็นเบสด้วย เพราะหากมองย้อนหลัง A- จะรับ H+ จาก BH+ จน A- กลายเป็น HA)

- นิยามของลิวอิส มองจากการถ่าย H+ ในสมดุล เป็นการถ่ายคู่ e- แทน โดยให้นิยามว่า
           - กรด คือสารรับคู่ e- (อาจเรียก Electrophile = ชอบอิเล็กตรอน)
           - เบส คือสารให้คู่ e- (อาจเรียก Nucleophile = ชอบนิวเคลียส)

นิยามหลักที่เราจะใช้คือนิยามที่ 2 ส่วนนิยามที่ 3 นั้นจะใช้ในเรื่องเคมีอินทรีย์

1.2 คู่กรด-คู่เบส

http://www.youtube.com/watch?v=FMf1atu6AAI

จากนิยามของ เบรินเสตด-ลาวรี ซึ่งมองการนิยามกรด-เบส จากการถ่ายโอน H+ ในสมดุล

HA + B <---> A- + BH+

ซึ่งมี HA และ BH+ เป็นกรด , B และ A- เป็นเบส

เราจับคู่ของกรดกับเบสได้สองคู่ คือ

- กรด HA คู่กับ เบส A-

- กรด BH+ คู่กับ เบส B

แต่ละคู่ เรียกว่า คู่กรดเบส และจะได้ว่า

- A- เป็นคู่เบสของ HA , HA เป็นคู่กรดของ A-

- B เป็นคู่เบสของ BH+ , B เป็นคู่กรดของ BH+

Example 1.1    H2CO3 + H2O  <--->  HCO3- + H3O+

- H2CO3 และ HCO3- เป็นคู่กรดเบสกัน

- H3O+ และ H2O เป็นคู่กรดเบสกัน

- HCO3- เป็นคู่เบสของ H2CO3 , H2CO3 เป็นคู่กรดของ HCO3-

- H2O เป็นคู่เบสของ H3O+ , H3O+ เป็นคู่กรดของ H2O

Example 1.2

- คู่้เบสของ HCN , HBr , HS- , H2O คือ CN- , Br- , S 2- , OH-     (คิดง่ายๆว่าเอา H+ ออกตัวนึง) 

- คู่กรดของ NH3 , Br- , HS- , H2O คือ NH4+ , HBr , H2S , H3O+ (คิดง่ายๆว่าเอา H+ ใส่เข้าไปอีกตัวนึง)  

สังเกตว่า HBr กับ Br- เป็นคู่กรดเบสกัน

ปกติแล้วสารที่มีคู่กรดจะต้องเป็นเบส และสารที่มีคู่เบสจะต้องเป็นกรด (จากที่เราจับคู่กันไป)

แต่จากตัวอย่าง 1.2 จะเห็นว่า HS- และ H2O มีทั้งคู่กรดกับคู่เบส เราเรียกสารที่ทั้งให้และรับโปรตอนได้แบบนี้ว่า Amphoteric หรือ Amphiprotic

1.3 ความแรงของกรด-เบส

- อิเล็กโทรไลต์แก่ คือ กรดแก่ เบสแก่
ถือว่าแตกตัวได้ 100% จึงไม่มีสมดุลขึ้น และนำไฟฟ้าได้ดี (เพราะแตกตัวหมด)
กรดแก่ ได้แก่ HClO4 , H2SO4 , HNO3 , HI , HBr , HCl
เบสแก่ ได้แก่ สารประกอบ OH- กับโลหะหมู่ 1 หรือหมู่ 2 เช่น NaOH , KOH , Ca(OH)2 , Ba(OH)2

- อิเล็กโทรไลต์่อ่อน คือ กรดอ่อน เบสอ่อน
แตกตัวได้ไม่ทั้งหมด ทำให้เกิดสมดุลการแตกตัวขึ้น นำไฟฟ้าได้แต่ไม่ดีเท่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่ (เพราะแตกตัวได้น้อยกว่า)

การพิจารณาความแรงโดยดูจากโครงสร้าง

- กรดที่มีอะตอมกลางและออกซิเจน (กรดออกซี) 
        หากมีอะตอม O ในโมเลกุลมาก จะแรงมาก เพราะ O ดึงขั้วลบไป H ได้ขั้วบวกมากขึ้น จึงหลุดง่ายขึ้น เช่น H2SO4 > H2SO3
        ในกรณีที่กรดออกซีมีอะตอมกลางต่างกัน ยิ่ง EN ของอะตอมกลางมาก จะดึงขั้วลบไปมาก ทำให้ H ในโมเลกุลจะมีขั้วบวกมากไปด้วย ดังนั้น EN ของอะตอมกลางมากจะทำให้กรดแรงขึ้น เช่น HClO3 > H2SO4
- เบสที่ละลายน้ำ หากละลายได้ดีจะแรงกว่า เช่น NaOH > Al(OH)3
- กรดไฮโดร ที่มีแค่ H กับอโลหะในหมู่เดียวกัน ยิ่งเลขอะตอมมาก จะแรงมาก เพราะพันธะ H ที่จับจะอยู่ไกลนิวเคลียสของอะตอมกลาง ทำให้ H หลุดง่ายขึ้น เช่น HI > HBr > HCl > HF
- เบสที่มี OH ที่มีแค่ OH กับโลหะในหมู่เดียวกัน ยิ่งเลขอะตอมมาก จะแรงมาก (ด้วยเหตุผลเดียวกับกรดไฮโดรเมื่อกี้) เช่น LiOH < NaOH < KOH

Example 1.3 เปรียบเทียบความแรงระหว่าง

1. H2S กับ HCl

HCl แรงกว่าเพราะ EN ของ Cl มากกว่าของ S (HCl เป็นกรดแก่เลยด้วย)

2. H3PO4 กับ H3PO3

H3PO4 แรงกว่าเพราะมี O ดึงขั้วลบไปมากกว่า

3. H2CO3 กับ HCO3-

H2CO3 แรงกว่าเพราะ HCO3- แตกตัวไปครั้งหนึ่งแล้ว มีไอออนเป็นลบ H จึงมีขั้วบวกได้ยากขึ้น

4. H2S กับ H2Se

H2Se แรงกว่าเพราะ Se มีเลขอะตอมมากกว่า

หมายเหตุ จากตัวอย่างที่ 3 การแตกตัวให้ H+ ของกรดอาจเกิดได้มากกว่าหนึ่งครั้ง โดยครั้งต่อๆไปจะเกิดได้น้อยลงเรื่อยๆ รายละเอียดอยู่ในหัวข้อ 3.4

1.4 ตัวอย่างและประเภทของกรดและเบส

http://www.youtube.com/watch?v=ElAqIK2YQhA

- กรดอินทรีย์ คือกรดที่มีหมู่ฟังก์ชัน -COOH เช่น CH3COOH
- กรดอนินทรีย์ ได้แก่ กรดไฮโดร คือกรดที่มี H กับอโลหะเป็นเดี่ยวหรือกลุ่ม เช่น HCl HCN และกรดออกซี คือกรดที่มี H , O และอโลหะอื่นๆ เช่น HNO3 , H3PO4

- เบสอินทรีย์ คือสารอินทรีย์ี่ทมีหมู่ฟังก์ชัน -NH2
- เบสอนินทรีย์ คือเบสที่มี OH กับโลหะอยู่ด้วยกัน เช่น NaOH , Ca(OH)2

จากตัวอย่าง 1.3 จะเห็นว่า H2CO3 สามารถแตกตัวได้ถึงสองครั้ง เราจึงอาจจำแนกกรดเป็น
- Monoprotic คือกรดที่แตกให้ H+ ได้เพียงตัวเดียว เช่น HNO3 , HI
- Polyprotic คือกรดที่แตกให้ H+ ได้มากกว่า 1 ตัว เช่น H2CO3 (diprotic) , H3PO4 (triprotic) , H2SO4 (diprotic)