ทฤษฎีกรด–เบส

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
สีของสารละลายกรดที่ pH ต่างๆ โดยมีน้ำกระหล่ำปลีแดงคั้นเป็นอินดิเคเตอร์

ทฤษฎีกรด-เบส (อังกฤษ: Acid-Base Theory) เป็นทฤษฎีที่ว่าด้วย นิยามหรือคำจำกัดความ (definition) ของสารเคมีที่มีสมบัติเป็นกรดและเบส โดยทั่วไปแล้ว ทฤษฎีกรด-เบสที่สำคัญ ได้อิงตามคำจำกัดความของนักเคมีที่สำคัญได้แก่ อาร์รีเนียส (Arrhenius) เบรินสเตด-ลาวรี (Brønsted-Lowry acid) และลิวอิส (Lewis) อย่างไรก็ตาม ยังมีนิยามที่เกี่ยวข้องกับการพิจารณาสมบัติในการโพลาไลซ์ของโมเลกุล คือ กรด-เบสแบบฮาร์ด-ซอฟต์ (Hard-Soft Acids-Bases: HSAB) และกฎของฟาจาน (Fahjan's Rules) โดยการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยากรดเบสมักจะเกี่ยวข้องกับหลักการของสมดุลเคมี

นิยามของอาร์รีเนียส[แก้]

สเวนเต อาร์รีเนียส (Svante Arrhenius) นักเคมีชาวสวีเดนได้ให้คำจำกัดความของกรดและเบสขึ้น ในปี พ.ศ. 2427 โดยเกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน (H+) หรือ ไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) และไฮดรอกไซด์ไอออน (OH) เมื่อสารนั้นๆละลายน้ำ โดยระบุว่า "กรด หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนหรือไฮโดรเนียมไอออนเพิ่มขึ้น" และ "เบส หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวทำให้ความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออนเพิ่มขึ้น"

สเวนเต อาร์รีเนียส (Svante Arrhenius)
  • การแตกตัวในน้ำของกรด

HCl (aq) → H+ (aq) + Cl (aq)

  • การแตกตัวในน้ำของเบส

NaOH (aq) → Na+ (aq) + OH (aq)

อย่างไรก็ตาม น้ำบริสุทธิ์ จะมีสมบัติเป็นกลาง เนื่องจากการแตกตัวด้วยตัวเอง (Auto-dissociation) ของน้ำจะอยู่ในสภาวะสมดุลระหว่างความเข้มข้นของ (H3O+) และ (OH) ซึ่งมีค่าเท่ากัน ดังนั้น การละลายน้ำของสารที่เป็นกรดตามนิยามของอาร์รีเนียสจึงไปทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนเพิ่มขึ้น อนึ่ง เนื่องจากไฮโดรเจนไอออน (H+) เป็นไอออนที่มีอนุภาคมูลฐานเป็นโปรตอนเพียงตัวเดียว นักเคมีจึงนิยมเรียกว่า โปรตอน ทั้งนี้ หากโปรตอนละลายอยู่ในน้ำก็อาจจะเขียนแทนได้เป็น (H3O+) ที่เกิดจากการรวมตัวของโปรตอนกับโมเลกุลของน้ำ

  • สมการการแตกตัวด้วยตัวเองของน้ำ:

H2O(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH(aq)

ปัญหาที่สำคัญของทฤษฎีกรด-เบสของอาร์รีเนียส คือ ไม่สามารถระบุความเป็นกรด-เบสของสารที่ไม่ละลายน้ำได้ และไม่สามารถระบุความเป็นกรดที่ไม่มีไฮโดรเจนได้ เช่น AlCl3 หรือเบสที่ไม่มีไฮดรอกไซด์ไอออน เช่น NH3 หรือ N(CH3)3 ได้ จึงมีการนิยามขึ้นใหม่โดยนักเคมีรุ่นหลัง

ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของอาร์รีเนียส[แก้]

ปฏิกิริยาสะเทิน (Neutralization)กรด-เบสของอาร์รีเนียสเป็นปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนไอออน (H+) และไฮดรอกไซด์ไอออน (OH) เกิดเป็นน้ำ ดังสมการ:

  • H+(aq) + OH(aq) → H2O (l)


นิยามของเบรินสเตด-ลาวรี[แก้]

โยฮันเนส นิโคลัส เบรินสเตด (Johannes Nicolaus Brønsted) และ ทอมัส มาร์ติน ลาวรี (Thomas Martin Lowry) นักเคมีสองคนได้ให้คำจำกัดความของกรด-เบสใหม่ ในปี พ.ศ. 2466 โดยเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโปรตอน (Proton Transferring) โดยเป็นทฤษฎีที่ครอบคลุมและอธิบายสมบัติของกรด-เบสได้ดีกว่าทฤษฎีของอาร์รีเนียส โดยกล่าวว่า "กรด (AH) หมายถึง สารที่ให้โปรตอน (Proton Donor) แก่เบส " และ "เบส (B) หมายถึงสารที่รับโปรตอน (Proton Acceptor) จากกรด" ดังสมการ:

โยฮันเนส นิโคลัส เบรินสเตด (Johannes Nicolaus Brønsted)
โทมัส มาร์ติน ลาวรี (Thomas Martin Lowry)

AH + B ⇌ A + BH+

พิจารณาการแตกตัวในน้ำของกรดอะซิติก (CH3COOH) ดังสมการ:

CH3COOH (aq)) + H2O (l) ⇌ CH3COO (aq)) + H3O+ (aq)

Acetic-acid-dissociation-2D-curly-arrows.png


ในสมการทิศทางไปข้างหน้า น้ำทำหน้าที่เป็น เบสเบรินสเตด (Brønsted Base) เนื่องจากรับโปรตอน (H+) มาจากกรดอะซิติก และกรดอะซิติกทำหน้าที่เป็น กรดเบรินสเตด (Brønsted Acid) และเมื่อพิจารณาสมการย้อนกลับ อะซิเตตไอออน (CH3COO) ทำหน้าที่เป็นเบสเบรินสเตด เนื่องจากรับโปรตอน (H+) มาจากไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) ที่เป็นกรดเบรินเสตด(เนื่องจากให้โปรตอนแก่อะซิเตดไอออน)

จากตัวอย่างข้างต้น ทำให้เกิด คู่กรด-เบสสังยุค (conjugate acid–base pair) ขึ้น โดย กรดอะซิติก (CH3COOH) เป็นคู่กรด (conjugate acid) ของอะซิเตตไอออน (CH3COO) และอะซิเตตไอออน (CH3COO) เป็นคู่เบส (conjugate base) ของกรดอะซิติก และในทำนองเดียวกัน น้ำ (H2O ) เป็นคู่เบสของไฮโดรเนียมไอออน (H3O+)

ตัวอย่างปฏิกิริยากรดเบสของเบรินสเตด[แก้]

  • H3O+ + NH3 ⇌ H2O + NH4+
  • [Fe(H2O)6]3+ + H2O ⇌ [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
  • H2SO4 + H2O ⇌ HSO4 + H3O+
  • CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO
  • NH4+ + H2O ⇌ H3O+ + NH3

ดังที่กล่าวข้างต้น นิยามกรด-เบสตามทฤษฎีของเบรินสเตด ยังสามารถอธิบายปฏิกิริยากรด-เบสที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีของอาร์รีเนียส เช่น:

  • H3O+(aq) + Cl(aq) + NH3 (g) → Cl(aq) + NH4+(aq)
  • HCl(benzene) + NH3(benzene) → NH4Cl(s)
  • HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)

สารแอมโฟเทอริก[แก้]

สารประกอบที่ทำหน้าที่ได้ทั้งกรดเบรินสเตดและเบสเบรินสเตด เรียกว่าเป็น แอมโฟเทอริก (Amphoteric) โดยน้ำเป็นตัวอย่างของสารแอมโฟเทอริก ดังสมการ:

  • AH + B ⇌ A + BH+
  • HNO3 + H2O ⇌ NO3 + H3O+

(น้ำทำหน้าที่เป็นเบส)

  • H2O + NH=C(NH2)2 ⇌ OH + H2N=C(NH2)2+

(น้ำทำหน้าที่เป็นกรด)

ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตด[แก้]

ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตดหมายถึงปฏิกิริยาระหว่างคู่กรดและคู่เบสของโมเลกุลหนึ่งๆ เช่น:

  • H+ + OH ⇌ H2O
  • NH4+ + NH2 ⇌ 2NH3
  • H3SO4++HSO4⇌ H2SO4

กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง[แก้]

กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง (Autoionization Process) ที่พบเป็นปกติในตัวทำละลายโปรติก (protic solvent) คือ ปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏิกิริยาสะเทินนั่นเอง

  • H2O ⇌ H+ + OH
  • 2NH3 ⇌ NH4+ + NH2
  • H2SO4 ⇌ H3SO4++HSO4

อนึ่ง ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง เรียกว่า ค่าคงที่การแตกตัวให้โปรตอนด้วยตัวเอง (Autoprotolysis Constant: KAP) หรือ ผลคูณไอออน (Ionic Product) ในกรณีของน้ำค่า KAP ใช้สัญลักษณ์เฉพาะเป็น KW ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1.0 × 10−14 ที่อุณหภูมิ 25℃: KAP = KW = [H+][OH] = 1.0 × 10−14 ที่อุณหภูมิ 25℃

ค่า pKAP ของ H2SO4 เท่ากับ 2.9 ที่อุณหภูมิ 25℃ และ pKAP ของ NH3 เท่ากับ 27.7 ที่อุณหภูมิ −50℃ และโดยทั่วไปแล้ว ค่า pKAP จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

ค่า pKw ของน้ำที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ
อุณหภูมิ (℃) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
pKw 14.943 14.734 14.535 14.346 14.167 13.997 13.830 13.680 13.535 13.396 13.262

[หมายเหตุ: ค่า pKAP = −logKAP กรณี pKW = −log (1.0 × 10−14) = 14.0 ที่อุณหภูมิ 25℃]

ความแรงสัมพัทธ์ของกรดเบรินสเตด[แก้]

ความแรงของกรดเบรินสเตดสามารถเปรียบเทียบโดยใช้ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Acid Dissociation Constant: Ka) โดยที่:

HA ⇌ A + H+


K_{\mathrm a} = \mathrm{\frac{[A^-] [H^+]}{[HA]}}
\ pK_{\mathrm a} = - \log_{10}K_{\mathrm a}


อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่การแตกตัวของกรดเป็นค่าคงที่ที่เป็นค่าเฉพาะ ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ และมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ รวมถึงขึ้นอยู่กับชนิดองตัวทำละลายด้วย ดังตารางเป็นตัวอย่างของค่า pKa ของกรดบางชนิดในตัวทำละลายชนิดต่างๆ ที่อุณหภูมิ 25℃

pKa ของกรด (HA) และคู่กรด (conjugate acid, HB) ของเบส (B)
HA ⇌ A + H+ อะซิโตไนไตล์ (MeCN) ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO) น้ำ
กรด พารา-โทลูอีนซัลโฟนิก 8.5 0.9 เป็นกรดแก่มาก
2,4-ไดไนโตรฟีนอล 16.66 5.1 3.9
กรดเบนโซอิก 21.51 11.1 4.2
กรดอะซิติก 23.51 12.6 4.756
ฟีนอล 29.14 18.0 9.99
BH+ ⇌ B + H+
พีโรลิดีน 19.56 10.8 11.4
ไตรเอทิลามีน 18.82 9.0 10.72
พีริดีน 12.53 3.4 5.2
อะนิลีน 10.62 3.6 4.6

อย่างไรก็ตาม ในปฏิกิริยาที่สารไม่มีโปรตอนหรือไม่มีการถ่ายโอนโปรตอน ทฤษฎีกรด-เบสของเบรินสเตด-ลาวรีไม่สามารถอธิบายได้ เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง BF3กับ Me3N: เป็นต้น จึงมีการนิยามกรด-เบสขึ้นมาใหม่ในปีเดียวกันโดย ลิวอิส

นิยามของลิวอิส[แก้]

กิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส (Gilbert Newton Lewis) นักเคมีชาวอเมริกัน ได้เสนอนิยามของกรด-เบสในปี พ.ศ. 2466 โดยพิจารณาการให้และการรับคู่อิเล็กตรอน (Electron Pair) ซึ่งกล่าวว่า "กรด หมายถึง สารที่รับคู่อิเล็กตรอน (Electron Pair Acceptor)" และ "เบส หมายถึง สารที่ให้คู่อิเล็กตรอน (Electron Pair Donor)" เช่น:

Me3N: + BF3 → Me3N: + BF3

โดย Me3N: เป็น เบสลิวอิส (Lewis Base) เนื่องจากให้คู่อิเล็กตรอนแก่ BF3 และ BF3 เป็น กรดลิวอิส (Lewis Acid) เนื่องจากรับคู่อิเล็กตรอนมาจาก Me3N: ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยากรด-เบสของลิวอิส เรียกว่า แอดดักต์ (Adduct) หรือ สารเชิงซ้อน (Complex)

ตัวอย่างปฏิกิริยากรด-เบสของลิวอิส[แก้]

  • BF3 + F → BF4
  • BF3 + OMe2 → BF3OMe2
  • I2 + I → I3
  • SiF4 + 2 F → SiF62−


นิยามของ IUPAC[แก้]

สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) ได้นิยามความหมายของกรด-เบสโดยรวมนิยามของเบรินสเตดและนิยามของลิวอิสเข้าด้วยกัน ดังนี้

  • "กรด หมายถึง หน่วยในระดับโมเลกุลหรือสปีชีส์ใดๆทางเคมีที่มีความสามารถให้ ไฮดรอน(Hydron) (โปรตอน) (ตามนิยามกรดเบรินสเตด) หรือมีความสามารถที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์โดยรับคู่อิเล็กตรอน (ตามนิยามกรดลิวอิส)"
  • เบส หมายถึง หน่วยในระดับโมเลกุลหรือสปีชีส์ใดๆทางเคมีที่มีความสามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์กับไฮดรอน (Hydron) (โปรตอน) (ตามนิยามเบสเบรินสเตด) หรือกับออร์บิทัลที่ว่างอยู่ของสปีชีส์อื่นๆ(ตามนิยามเบสลิวอิส)"

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]