โรงเรียนนวมินทราชินูทิศ สตรีวิทยา พุทธมณฑล

กรด-เบส (Acid-Base)
ตอนที่ 1 ทฤษฎีกรด-เบส (Acid-Base Theories)
                ทฤษฎีกรด-เบสที่ควรทำความเข้าใจในขั้นนี้มี 3 ทฤษฎี ได้แก่
1. ทฤษฎีกรด-เบส ของอาร์รีเนียส (The Arrhenius Theory of acids and bases) ( พ.ศ.2446)
            อาร์รีเนียส กล่าวว่า   กรด คือสารที่แตกตัวให้ H⁺ เมื่อเกิดการละลาย
                (Acids are substances which produce hydrogen ions in solution.)
          เบส คือสารที่แตกตัวให้ OH^- เมื่อเกิดการละลาย
                 (Bases are substances which produce hydroxide ions in solution.)
* เมื่อ H⁺ ทำปฏิกิริยากับ OH^- เรียกว่าปฏิกิริยาสะเทิน (Neutralisation) ทำให้ความเป็นกรด-เบสหมดไป กลายเป็นน้ำ
    ดังสมการ ;   H⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l)
* ตามทฤษฎีของอาร์รีเนียส H₂O เป็นสารที่มีสมบัติเป็นกลาง แต่ในทฤษฎีอื่นจะพบว่า H₂O อาจเป็นได้ทั้งกรดและแบส

                ทฤษฎีกรดเบสของอาร์รีเนียสมีข้อบกพร่อง(Limitations of the theory) ทำให้อธิบายความเป็นกรดหรือเบสได้ไม่ครอบคลุมทุกสถานการณ์ เช่น ปฏิกิริยาดังสมการ
                NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)
                NH₃(aq) + HCl(aq) → NH₄Cl(aq)
                ทฤษฎีของอาร์รีเนียสใช้อธิบายปฏิกิริยาระหว่าง NaOH กับ HCl ได้โดยตรง

ทฤษฎีของอาร์รีเนียสสามารถอธิบายปฏิกิริยาระหว่าง NaOH กับ HCl ได้โดยตรง เพราะการละลายของ NaOH ซึ่งเป็นเบส มีการแตกตัวให้ OH^- ตามที่กล่าวในทฤษฎี ดังสมการ
                NaOH(s) → Na⁺(aq) + OH^-(aq)
                ขณะเดียวกันการละลายของ HCl ก็มีการแตกตัวให้ H⁺ จริงดังที่กล่าวไว้ในทฤษีเช่นกัน ดังสมการ
                HCl(g) → H⁺(aq) + Cl^-(aq)
                เมื่อทำปฏิกิริยากันจะเป็นดังสมการ
                Na⁺(aq) + OH^-(aq) + H⁺(aq) + Cl^-(aq) → H₂O(l) + Na⁺(aq) + Cl^-(aq)
                เขียนเฉพาะการรวมตัวระหว่าง OH^- กับ H⁺ จะเป็นดังสมการ
                OH^-(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l)
                *** สำหรับ Na⁺ กับ Cl^- จะไม่รวมตัวกันเป็น NaCl ในทันที เพราะเป็นเกลือของโลหะอัลคาไลน์ ซึ่งมีสมบัติเป็นเกลือที่ละลายน้ำได้ดี จนกว่าจะระเหยน้ำออกไปจนมีความเข้มข้นถึงจุดอิ่มตัว จึงจะเริ่มรวมตัวกันแล้วตกผลึก (ลักษณะเดียวกับการทำนาเกลือ) และถ้าระเหยน้ำออกไปจนหมด Na⁺ กับ Cl^- ทั้งหมดจึงจะรวมตัวกันเป็นผลึก NaCl

                แต่ปฏิกิริยาระหว่าง NH₃ กับ HCl จะอธิบายด้วยทฤษฎีกรด-เบสของอาร์รีเนียสทั้งหมดไม่ได้ เพราะ NH₃ ซึ่งเป็นเบส แต่ไม่ได้แตกตัวให้ OH^- โดยตรง ฉะนั้น NH₃ จึงไม่ใช่เบสตามทฤษฎีของอาร์รีเนียส ในขณะที่ HCl เป็นกรดตามทฤษฎีของอาร์รีเนียสเช่นเดิม ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังสมการ
                NH₃(aq) + HCl(aq) → NH₄Cl(aq)
                ถ้าเขียนแสดงในรูปที่แตกตัวเป็นไอออนจะเป็นดังนี้
                NH₃(aq) + H⁺(aq + Cl^-(aq) → NH₄⁺(aq) + Cl^-(aq)
                ถ้าแสดงเฉพาะไอออนที่รวมตัวกันจริงจะเป็นดังนี้
                NH₃(aq) + H⁺(aq) → NH₄⁺(aq)

จากกรณีดังกล่าวนี้และกรณีอื่น ๆ ทำนองเดียวกันนี้อีกมากมาย ทำให้ทฤษฎีกรด-เบส ของอาร์รีเนียส อธิบายความเป็นกรดหรือเบสของอนุภาคบางอย่างไม่ได้ จึงมีการเสนอทฤษฎีกรด-เบสขึ้นมาใหม่

2. ทฤษฎีกรด-เบส ของบรอนสเต็ตและเลาว์รี (The Bronsted-Lowry Theory of acids and bases) (พ.ศ.2466)

ทฤษฎีนี้กล่าวว่า
กรด คือสารที่ให้โปรตอน (H⁺) แก่สารอื่น ( An acid is a proton (hydrogen ion) donor.)
เบส คือสารที่รับโปรตอน (H⁺) จากสารอื่น ( A base is a proton (hydrogen ion) acceptor.)

ความเป็นกรดตามทฤษฎีนี้เกี่ยวข้องกับการให้ H⁺ ทำนองเดียวกับทฤษฎีของอาร์รีเนียส แต่ความเป็นเบสไม่ได้กล่าวถึง OH^- แต่หมายถึงใครก็ได้ที่รับ H⁺ ซึ่งพบว่า OH^- ก็เป็นอนุภาคหนึ่งที่รับ H⁺ ได้เช่นกัน OH^- จึงเป็นเบสชนิดหนึ่งด้วยตามทฤษฎีนี้ ดังรูป

บางครั้งจะพบว่า โมเลกุลหรืออนุภาคของสารบางชนิดมีสมบัติเป็นได้ทั้งกรดและเบส คือบางครั้งให้ H⁺ แต่บางครั้งรับ H⁺ โมเลกุลของ H₂O ก็เช่นกัน เป็นได้ทั้งกรดและเบส ดังรูป

คู่กรด-เบส (Conjugate acid base pair)
กรด-เบส ตามทฤษฎีกรด-เบสของบรอนสเต็ตและเลาร์รี จะพบได้มากในปฏิกิริยาระหว่างกรด-เบสที่ผันกลับได้ เราจะพบว่าผลิตภัณฑ์จากกรดของปฏิกิริยาไปข้างหน้า จะมีสมบัติเป็นเบสของปฏิกิริยาย้อนกลับ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์จากเบสของปฏิกิริยาไปข้างหน้า จะมีสมบัติเป็นกรดของปฏิกิริยาย้อนกลับ กำหนดให้กรดของปฏิกิริยาไปข้างหน้ากับเบสของปฏิกิริยาย้อนกลับเป็นคู่กัน และเบสของปฏิกิริยาไปข้างหน้ากับกรดของปฏิกิริยาย้อนกลับเป็นคู่กัน ดังรูป

** กรด กับคู่เบสของมันจะมีความแรงของกรด-เบสตรงข้ามกัน ถ้ากรดมีความแรงมาก คู่เบสจะมีความแรงของเบสน้อย แต่ถ้ากรดมีความแรงของกรดน้อย คู่เบสจะมีความแรงของเบสมาก

** เบส กับคู่กรดของมันเป็นทำนองเดียวกัน คือถ้าเบสมีความแรงมาก คู่กรดจะมีความแรงของกรดน้อย ถ้าเบสมีความแรงน้อยคู่กรดของมันจะมีความแรงของกรดมาก

3. ทฤษฎีกรด-เบสของลิวอิส (The Lewis Theory of acids and bases) ( พ. ศ.2481)

                              ลิวอิสกล่าวว่า กรด คือสารหรืออนุภาคที่รับคู่อิเล้กตรอนจากสารหรืออนุภาคอื่น (An acid is an electron pair acceptor.)
                                                   เบส คือสารหรืออนุภาคที่ให้คู่อิเล็กตรอนแก่สารอื่น (A base is an electron pair donor.)

            ทฤษฎีกรด-เบสนี้ไม่กล่าวถึง H⁺ และ OH^- แต่ให้ดูที่การให้หรือรับคู่อิเล็กตรอนเป็นสำคัญ ซึ่งจะพบว่า H⁺ เป็นอนุภาคที่รับคู่อิเล็กตรอนได้ ฉะนั้น H⁺ จึงเป็นกรดตามทฤษฏีของลิวอิสด้วย สำหรับ OH^- ก็เช่นกัน สามารถให้คู่อิเล็กตรอนแก่อนุภาคอื่นได้ ฉะนั้น OH^- จึงเป็นเบสตามทฤษฎีของลิวอิสเช่นกัน

การจำแนกประเภทของกรด-เบส

สามารถจำแนกกรด-เบสได้หลายแบบ ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้เกณฑ์ใดในการจำแนก เมื่อใช้เกณฑ์อย่างหนึ่งก็จะจำแนกได้รูปแบบหนึ่ง ดังนี้

1. จำแนกตามแหล่งกำเนิด

1.1 กรดอินทรีย์ คือกรดที่มีหมู่ carboxyl อยู่ในโมเลกุล (-COOH) กรดอินทรีย์เป็นกรดอ่อนทุกชนิด

1.2 กรดอนินทรีย์ คือกรดที่ไม่มีหมู่ carboxyl อยู่ในโมเลกุล จำแนกออกเป็น 2 ประเภทคือ

1.2.1 กรดธาตุคู่ (binary acid) หรือกรดไฮโดร (Hydro acid) คือกรดที่ประกอบด้วยธาตุเพียง 2 ธาตุในโมเลกุล คือไฮโดรเจน (H) และอโลหะอีกธาตุหนึ่ง (ยกเว้น O) ได้แก่ HF HCl HBr HI H₂S

1.2.2 กรดออกซี่ (oxyacid) คือกรดที่ประกอบด้วยธาตุจำนวน 3 ธาตุ คือ H + อโลหะ + O เช่น HNO₃ H₂SO₄ H₂CO₃

การเรียกชื่อ

กรดธาตุคู่ให้เริ่มด้วยคำว่า ไฮโดร (Hydro ) แล้วลงท้ายด้วยชื่อของอโลหะที่เปลี่ยนเสียงคำท้ายเป็น อิก เช่น

กรด	ชื่อ
HF	Hydro fluoric
HCl	Hydro Chloric
HBr	Hydro Bromic
HI	Hydro Iodic
H₂S	Hydro sulfuric
HCN	Hydro cyanic

          กรดออกซี่ (Oxyacid) ให้เรียกชื่อโดยใช้ชื่อของอโลหะที่อยู่ระหว่าง H กับ O ซึ่งเปลี่ยนเสียงคำท้ายเป็น อิก เช่น H₂CO₃ เรียกว่ากรดคาร์บอนิก แต่ถ้าอโลหะชนิดเดียวกันแต่อยู่ในโลเลกุลของกรดต่างชนิด เฃ่น HNO₂ HNO₃ การเรียกชื่อให้ดูที่จำนวนอะตอมของ O ให้ใช้เสียง “อัส” กับชนิดที่มี O น้อย ใช้เสียง “อิก” กับชนิดที่มี O มาก
                NHO₂ เรียกว่า กรดไนตรัส
                HNO₃ เรียกว่า กรดไนตริก

กรด	ชื่อ
HNO₂	nitrus acid
HNO₃	nitric acid
H₂SO₃	sulfurus acid
H₂SO₄		sulfuric acid
H₃PO₃		phosphorus acid
H₃PO₄		phosphoric acid
H₂CO₃		carbonic acid
HClO		hypochlorous acid
HClO₂		chlorous acid
HClO₃		chloric acid
HClO₄		perchloric acid

*** กรดกัดทอง (aqua regea) เป็นส่วนผสมระหว่างกรด HCl และกรด HNO₃ ในอัตราส่วน 3:1

2. จำแนกกรดโดยดูจากจำนวนครั้งในการแตกตัวให้ H⁺ จำแนกออกเป็น 2 ประเภท คือ

2.1 กรดโมโนโปรติก (monoprotic) คือกรดที่แตกตัวให้ H⁺ เพียง 1 ครั้ง เช่น HCl HBr HI HNO₃ …

2.2 กรดโพลิโปรติก (poly protic) คือกรดที่แตกตัวให้ H⁺ มากกว่า 1 ครั้ง เช่น H₂SO₄ H₃CO₃ H₂S…

3. จำแนกกรดโดยดูจากความแรงของกรด หรือความสามารถในการแตกตัวของกรด จำแนกออกเป็น 2 ประเภทคือ

3.1 กรดแก่ (strong acid) คือกรดที่เมื่อเกิดการละลายแล้วจะแตกตัวเป็นไอออนได้ 100 % มี 7 ชนิด และมีลำดับความแรงดังนี้ HClO₄>HI>HBr>HCl>H₂SO₄>HNO₃>HClO₃

3.2 กรดอ่อน (weak acid) คือกรดที่มีความแรงของกรดน้อย เมื่อเกิดการละลายจะมีการแตกตัวเพียงเล็กน้อย และเกิดภาวะสมดุล กรดอ่อนมีอยู่เป็นจำนวนมาก ได้แก่ กรดอินทรีย์ทุกชนิด รวมทั้งกรดอนินทรีย์ที่ไม่ใช่กรดแก่ เช่น H₂CO₃ H₂SO₃ …

***สำหรับกรด H₂SO₄ นั้นเป็นกรดแก่เมื่อแตกตัวครั้งที่ 1 คือแตกตัว 100 % ดังนี้

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄^-

แต่เมื่อแตกตัวครั้งที่ 2 จะมีสมบัติเป็นกรดอ่อน ดังนี้

HSO₄^- ↔ H⁺ + SO₄^2- ; Ka = 1.20 x 10^-2

สำหรับกรณีของเบสไม่มีการจำแนกว่าเป็นอินทรีย์หรืออนินทรีย์ แต่มีการจำแนกออกเป็นเบสอ่อนและเบสแก่ทำนองเดียวกับการจำแนกกรด เบสแก่ เมื่อเกิดการละลายจะแตกตัว 100 % เบสแก่มี 8 ชนิดและมีลำดับความแรงดังนี้

KOH > Ba(OH)₂> CsOH > NaOH > Sr(OH)₂> Ca(OH)₂ > LiOH > RbOH

เบสอ่อน คือเบสที่มีความแรงน้อย เมื่อละลายจะแตกตัวเพียงเล็กน้อยแล้วเกิดภาวะสมดุลทำนองเดียวกับกรดอ่อน เช่น NH₃ หรือ NH₄OH

ไอออนสำคัญในสารละลายกรดหรือเบส

การที่กรดชนิดต่าง ๆ มีสมบัติโดยรวมเป็นทำนองเดียวกัน เป็นเพราะในสารละลายของกรดแต่ละชนิด มีอนุภาคชนิดเดียวกันละลายอยู่คือ H⁺ หรือ H₃O⁺ เช่น

HCl → H⁺ + Cl^-

หรือ HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄^-

หรือ H₂SO₄ + H₂O → H₃O⁺ + HSO₄^-

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

หรือ HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃^-

CH₃COOH → H⁺+ CH₃COO^-

หรือ CH₃COOH + H₂O → H₃O⁺ + CH₃COO^-

สำหรับกรณีของเบส ต่างก็จะมี OH^-ละลายอยู่เช่นกันดังตัวอย่าง

NaOH → Na⁺ + OH^-

KOH → K⁺ + OH^-

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH^-

NH₄OH → NH₄⁺+ OH^-

แบบฝึกหัด

1. Summarize the three main acid-base theories in the table below. (จงเติมสมบัติของกรด-เบสอย่างย่อ ๆ ของแต่ละ
ทฤษฎีลงในตาราง)

	ACID	BASE
Arrhenius	H⁺ or H₃O⁺ producer in aqueous solution	OH^– producer in aqueous solution
Brønsted-Lowry	proton (H⁺) donor	proton (H⁺) acceptor
Lewis	electron-pair acceptor	electron-pair donor

Use the following chemical equations to answer question 2. (ใช้สมการเคมีนี้ตอบคำถามข้อ 2 )

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^– NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^–

2. According to Arrhenius, HCl would be classified as a(n) acid and NH₃ would be classified as
a(n) base . Explain why. (ตามทฤษฎีของอาร์รีเนียสแล้ว HCl NH₃ เป็นกรดหรือเบส จงอธิบาย)

HCl produces hydronium ions (H₃O⁺) in water. NH₃ produces hydroxide ions (OH^–) in water.

For problems 3 – 5, label the acid (A), base (B), conjugate acid (CA), and conjugate base (CB) in each of the following reactions. Show the transfer of the proton (H⁺) by drawing an arrow. (จากคำถามข้อ 3-5 ให้สังเกตทิศทางของลูกศรซึ่งเป็นทิศทางของการถ่ายเทโปรตอน จงแสดงความเป็นคู่กรด-เบส ระหว่างกรด (A) และเบส (B) ว่าเป็นคู่กับ CA และ CB อย่างไร

For problems 6 – 9, give the conjugate base for each Brønsted-Lowry acid.

(สำหรับคำถามข้อ 6-9 จงแสดงคู่เบสของกรดแต่ละชนิดตามทฤษฎีของ Brønsted-Lowry )

14. The Lewis acid in the above equation is(สารที่เป็นกรดตามทฤษฎีของลิงอิสคือ)             .
       The Lewis base is(สารที่เป็นเบสตามทฤษฎีของลิวอิสคือ)                 . Explain why.
      (จงอธิบายด้วยว่าเป็นเพราะเหตุใด)

15. Classify these as an Arrhenius acid or Arrhenius base.
(จงจำแนกว่าสารที่กำหนดให้ต่อไปนี้เป็นกรดหรือเบสตามทฤษฎีของอาร์รีเนียส)

16. Complete the equations for the Ionization of these Arrhenius acids or bases in water:
(จงทำสมการแสดงการละลายน้ำของกรดหรือเบสของอาร์รีเนียสให้สมบูรณ์๗

17.Identify the Bronsted-Lowry acid (loses an H⁺ ion), base (gains an H⁺ ion), conjugate acid, and the
conjugate base in each of the following. (จงระบุอนุภาคที่เป็นคู่กรด-เบสของกันและกัน ตามทฤษฎีของบรอนส
เต็ตและเลาว์รี ในแต่ละปฏิกิริยาต่อไปนี้)

18 .What is the conjugate acid of the following: (particle made by adding an H⁺ ion)
(คู่กรดของสารที่กำหนดในแต่ละข้อคือสารใด)

19. What is the conjugate base of the following: (particle made by removing an H⁺ ion)
(คู่เบสของสารที่กำหนดในแต่ละข้อคือสารใด)

20.Using your knowledge of the Brønsted-Lowry theory of acids and bases, write equations for the following
     acid-base reactions and indicate each conjugate acid-base pair:
     (จงเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาระหว่างกรด-เบสต่อไปนี้ให้สมบูรณ์ ตามทฤษฎีของบรอนสเต็ตและเลาว์รี และระบุด้วย
     ว่าอนุภาคใดเป็นคู่กรด-เบสซึ่งกันและกัน)

21. In the following reactions, identify the Lewis acid and the Lewis base.
(จากปฏิกิริยาต่อไปนี้จงระบุว่าอนุภาคใดเป็นกรดและเบส ตามทฤษฎีของลิวอิส)

22. How do Lewis acids and bases compare to the Arrhenius and Bronsted-Lowry definitions of an acid and a
base? (นิยามของกรด เบส ตามทฤษฎีของลิวอิส เมื่อเปรียบเทียบกับของอาร์รีเนียสและของบรอนสเต็ต-เลาว์รีแล้ว
เป็นอย่างไร)

23. The compound NaOH is a base by all three of the theories we discussed in class. However, each of the
        three theories describes what a base is in different terms. Use your knowledge of these three theories to
        describe NaOH as an Arrhenius base, a Brønsted-Lowry base, and a Lewis base.
        ( NaOH มีสมบัติเป็นเบสตามทฤษฎีกรด เบส ทั้ง 3 ทฤษฎี ทั้งที่แต่ละทฤษฎีมีนิยามของคำว่าเบสต่างกัน จง
         อธิบายว่า NaOH เป็นเบสตามแต่ละทฤษฎีด้วยเหตุผลใด)