กรด-เบส (Acids and Bases) สาขาวชิ าเคมี โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคกรมหาชน)
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. กรด-เบส (Acids and Bases) 1.กรด-เบส ใน ชีวติ ประจําวนั (Acid Base in Everyday Life) ในชีวิตประจําของเรามีการสัมผัสกับสารจําพวกกรดและเบสมากมาย ตัวอย่างของกรดได้แก่มะนาวและ ส้ม ซึ่งมีรสเปรี้ยว ผลไม้ที่ยังไม่สุกจะมีรสเปรี้ยว เน่ืองจากมีกรดซิตริก (Citric acid) เป็นองค์ประกอบ ในกระเพาะ อาหารของเราจะขับกรดเกลอื ออกมาเพ่ือยอ่ ยอาหาร เมื่อถกู มดกัดหรอื ถูกผ้งึ ต่อย เราจะรู้สึกปวด เน่ืองมาจากกรดท่ี เป็นของเหลวถูกฉีดเข้าไปในผิวหนัง ส่วนตัวอย่างสารท่ีมีสมบัติเป็นเบส สามารถพบได้มากมายเช่นกัน เช่นสบู่ นํ้า ปนู ใส และยาสฟี ัน เป็นตน้ รูปที่ 1 สารเคมีท่มี สี มบัตเิ ป็นกรดและเบสทใี่ ชใ้ นชีวติ ประจาํ วัน (ท่มี า www.healthnet.in.th และwww.kanchanapisek.or.th) ตารางท่ี 1 คุณสมบัตขิ องกรดและเบส (Acid and Base Properties) คุณสมบตั ิของกรด คุณสมบัตขิ องเบส เมอ่ื ละลายนาํ้ กรดมี สมบัติดงั น้ี เมือ่ ละลายนา้ํ เบสมีสมบัติ ดงั น้ี -นาํ ไฟฟา้ ได้ -นาํ ไฟฟา้ ได้ -เปลีย่ นกระดาษลติ มัสจากนํา้ เงินเป็นแดง -เปลีย่ นกระดาษลิตมัสจากแดงเปน็ นาํ้ เงนิ -มีรสเปรี้ยว -มีรสฝาด เมื่อทําปฏกิ ิริยากบั เบส จะเกิดเกลอื ขึน้ -เมือ่ ทําปฏิกิริยากบั กรด จะเกิดเกลือขน้ึ การศึกษาเรื่องกรดและเบสจะพบว่าต้องใช้ความรู้เรื่องสมดุลเคมีมาเก่ียวข้องตลอดเวลา เพราะใน สารละลายกรดและเบสหลายชนิดมีสมดุลเกิดข้ึน การเปล่ียนแปลงของสารท่ีอยู่ในภาวะสมดุล จะมีทั้งการ เปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าและการเปล่ียนแปลงย้อนกลับเกิดขึ้นตลอดเวลา (สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และ เทคโนโลย,ี 2545) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 1 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 2.สารละลายอเิ ล็กโทรไลต์และสารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ สารละลาย (Solution) คือสารต้ังแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาผสมกันแล้วมองเห็นเป็นเนื้อเดียว และ ประกอบดว้ ยตวั ถกู ละลายและตวั ทาํ ละลาย สารละลายแบ่งตามสภาพการนาํ ไฟฟ้าเปน็ เกณฑ์ แบง่ ออกเปน็ 2 ประเภท คือ 1.สารละลายอิเล็กโตรไลต์ (Electrolyte Solution) คือสารละลายที่นําไฟฟ้าได้ เพราะมีสารอิเล็กโตรไลต์เป็นตัว ถกู ละลาย ซึ่งประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบ เคลือ่ นทใี่ นสารละลาย เชน่ สารละลายกรดและสารละลายเบส 2.สารละลายนอนอเิ ล็กโตรไลต์ (Non Electrolyte Solution) คือสารละลายทไี่ มน่ าํ ไฟฟ้าได้ เพราะตัวถูกละลาย ไมส่ ามารถแตกตัวเปน็ ไอออนในตวั ทําละลายได้ เชน่ สารละลายน้ําตาลกลู โคส สารอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) เป็นสารประกอบที่สามารถนําไฟฟ้าได้ เมื่อหลอมเหลวแล้วแตกตัวเป็น ไอออนหรอื ละลายอยู่ในสารละลายแลว้ แตกตวั เปน็ ไอออน สารละลายทน่ี าํ ไฟฟ้าได้เรยี กว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์ สารอเิ ล็กโทรไลตส์ ามารถแบง่ ไดเ้ ป็น 2 ชนดิ ดงั น้ี 1. สารอิเลก็ โทรไลตแ์ ก่ (Strong electrolyte) สารอเิ ล็กโทรไลตท์ ่สี ามารถแตกตัวเป็นไอออนได้หมดหรือเกือบหมดในน้ําหรือในสารละลายเจือจาง ทําให้ ในสารละลายนน้ั มไี อออนเป็นจํานวนมาก จงึ นาํ ไฟฟา้ ไดด้ ี ไดแ้ กเ่ กลอื ที่ละลายนา้ํ ได้ กรดแก่ และเบสแก่ กรดแก่ ได้แก่ HBr HI HCl HClO4 HClO3 HNO3 และ H2SO4 เบสแก่ ได้แก่ ไฮดรอกไซด์ (OH-) ของโลหะไอออนหมู่ IA และ IIA เช่น LiOH NaOH KOH Ca(OH)2 และ Ba(OH)2 เปน็ ตน้ เขียนสมการแสดงการแตกตัวของสารอิเล็กโทรไลต์แก่ โดยใช้ลูกศร (เกิดปฏิกิริยาไป ข้างหน้าเทา่ น้ัน) เชน่ HCl (aq) H+ (aq) + Cl- (aq) NaOH (s) Na+ (aq) + OH- (aq) 2. สารอิเล็กโทรไลต์อ่อน (weak electrolyte) สารอิเล็กโทรไลต์ท่ีแตกตัวให้ไอออนได้น้อยหรือแตกตัวได้ ไม่หมดในสารละลายเจือจาง (แตกตัวได้น้อยกว่าร้อยละ 5) แสดงว่าสารอิเล็กโทรไลต์อ่อนนั้นโมเลกุลของตัวถูก ละลายบางสว่ นเท่าน้นั ท่ีแตกตัวเปน็ ไอออนได้ โดยมสี ว่ นใหญย่ งั คงอยู่เปน็ โมเลกลุ จึงนาํ ไฟฟ้าไดน้ ้อย ได้แก่ -กรดออ่ น (ทน่ี อกเหนือจากกรดแกท่ ่ไี ดก้ ล่าวไว้แลว้ ขา้ งต้น) -เบสอ่อน (ที่นอกเหนือจากกรดแก่ท่ีไดก้ ลา่ วไว้แล้วขา้ งตน้ ) เขียนสมการแสดงการแตกตัวของสารอิเล็กโทรไลต์อ่อน โดยใช้ลูกศร (เกิดปฏิกิริยาผัน กลบั ได)้ เช่น CH3COOH (aq) + H2O H3O+ (aq) + OH- (aq) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 2 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. แบบฝกึ หดั เสริม จงตอบคาํ ถามต่อไปนี้ 1. เมื่อนําสารละลาย A, B, C, D และ E ท่ีมีความเข้มข้นเท่ากันไปทดสอบการเปลี่ยนสีของกระดาษ ลิตมสั และความสามารถในการนาํ ไฟฟา้ ได้ข้อมูลดังน้ี สารละลาย การเปล่ยี นสกี ระดาษลติ มสั ความสว่างของหลอดไฟ A ไม่เปล่ยี นสี สวา่ งมาก B แดงเป็นนา้ํ เงนิ สวา่ งเลก็ นอ้ ย C น้าํ เงินเปน็ แดง D ไมเ่ ปล่ยี นสี สว่างมาก E น้าํ เงินเปน็ แดง ไม่สว่าง สวา่ งเล็กนอ้ ย จงตอบคําถามต่อไปน้ี 1.1 สารใดเปน็ อเิ ลก็ โทรไลต์แก่ ....................................................................................................................................................................................... .............................................................................................................................................. ....................................................................................................................................................................................... .............................................................................................................................................. 1.2 สารใดเป็นอเิ ล็กโทรไลตอ์ ่อน ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 1.3 สารใดเป็นนอนอิเลก็ โทรไลต์ ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 2. จงจดั ประเภทของสารละลายตอ่ ไปนี้ลงในตารางใหถ้ ูกต้อง CH3COOH HCl NaOH H2SO4 H2S H3PO4 HClO4 H2CO3 NH4OH HCN HNO3 HBr HNO2 HCOOH และ C6H5COOH สารละลายอเิ ล็กโทรไลต์อ่อน สารละลายอเิ ลก็ โทรไลตแ์ ก่ ................................................................ ................................................................. ................................................................ ................................................................. ................................................................ ................................................................ ................................................................ ................................................................ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 3 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 3. ไอออนในสารละลายกรดและสารละลายเบส จากการศึกษาสมบัติของสารละลายกรดและเบส พบว่าสารละลายทั้งสองประเภทนําไฟฟ้าได้ แสดงว่ามี ไอออนอยู่ในสารละลายน้ัน ถ้านําผลการเปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสมาพิจารณาด้วย นักเรียนคิดว่าในสารละลายกรด และสารละลายเบสจะมีไอออนเหมือนหรอื แตกตา่ งกันอยา่ งไร 2.1 ไอออนในสารละลายกรดเป็นสารละลายอิเล็กโตรไลต์และเปล่ียนสีกระดาษลิตมัสจากนํ้าเงินเป็นแดง แสดงว่าในสารละลายกรดอาจมีไอออนบางชนิดเหมือนกัน ซึ่งไอออนชนิดนั้นคือ ไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) ตวั อย่างเช่น HCl (g) + H2O (l) H3O+ (aq) + Cl- (aq) ไฮโดรเนยี มไอออน คลอไรดไ์ อออน CH3COOH (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + CH3COO- (aq) ไฮโดรเนยี มไอออน แอซีเตดไอออน เมอ่ื พจิ ารณาการเปลยี่ นแปลงของก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์และกรดแอซตี กิ ในนํา้ พบว่าในสารละลายกรดทั้ง 2 ชนิดมีไอออนที่เหมือนกันคือ ไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) กับไอออนลบที่แตกต่างกันซึ่งข้ึนอยู่กับชนิดของกรด เน่ืองจากไฮโดรเนียมไอออนไม่ได้อยู่เป็นไอออนเดี่ยว แต่จะมีโมเลกุลของนํ้าล้อมรอบอยู่ด้วย ในบางสภาวะอาจอยู่ ในรปู ของ H9O4+ (H3O+. 3H2O) ดังรปู ที่ 2 แต่เพอื่ สะดวกจึงนยิ มเขียนเพียง H3O+ HH HH H OH O O O HH H H H3O+ OH H H9O4+ รูปที่ 2 สูตรโครงสร้างของ H3O+ และ H9O4+ 2.2 ไอออนในสารละลายเบสเป็นสารละลายอิเล็กโตรไลต์และเปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากแดงเป็นน้ําเงิน แสดงว่าในสารละลายเบสอาจมีไอออนบางชนิดเหมือนกัน ซึ่งไอออนชนิดน้ันคือ ไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) ตัวอยา่ งเชน่ H2O (l) NaOH(g) Na+ (aq) + OH- (aq) KOH(g) H2O (l) K+ (aq) + OH- (aq) NH3 (aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH- (aq) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 4 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 4.ทฤษฏีกรด-เบส มีนกั วิทยาศาสตร์หลายท่านไดศ้ ึกษาเร่ืองนี้ เช่น อารเี นยี สร์ (Arrhenius) บรอนสเตรท-ลาวร่ี (Brφnsted- Lowry) และ ลวิ อสิ (Lewis) ไว้ดังน้ี 4.1 Arrhenius Concept ไดใ้ ห้นยิ ามไวด้ ังน้ี กรด คือ สารประกอบที่ละลายนํ้าแล้วแตกตวั ให้ H+ หรือ H3O+ H2O (l) H+ (aq) + A- (aq) HA เบส คอื สารประกอบท่ลี ะลายนํ้าแล้วแตกตวั ให้ OH- H2O (l) B+ (aq) + OH- (aq) BOH ข้อจาํ กดั ของทฤษฎีนีค้ ือ สารประกอบตอ้ งละลายไดใ้ นนาํ้ และไม่สามารถอธบิ ายไดว้ า่ ทําไมสารประกอบ บางชนิดเชน่ NH3 และสาร Na2CO3 มสี มบตั ิเป็นเบส ทฤษฎีน้ไี ม่สามารถอธบิ าย ได้เช่นกัน เน่อื งจากภายในสูตรโครงสร้างสารไม่มี OH- ดงั น้ันจึงไมส่ ามารถ อธบิ ายไดว้ า่ เปน็ เบส 4.2 Brφnsted-Lowry Theory ไดใ้ ห้นิยามไว้ดังน้ี กรด คือ สารทส่ี ามารถใหโ้ ปรตอน (Proton donor) แก่สารอ่นื เบส คือ สารทีส่ ามารถรับโปรตอน (Proton acceptor) จากสารอน่ื ดงั นั้นทฤษฎนี ี้ สามารถอธบิ าย ว่าHN2OH3(lม) สี มบัติเปน็ เบส ได้แลว้ NH4+ (aq) + OH- (aq) NH3 (aq) + ปฏกิ ิริยาระหว่างกรดกบั เบสจงึ เปน็ การถา่ ยเทโปรตอนจากกรดไปยังเบสเช่น แอมโมเนียละลายในนํ้า NH4+ (aq) + OH- (aq) NH3 (aq) + H2O(l) กรด 1 เบส 2 เบส 1 กรด 2 ในปฏิกิริยาไปข้างหน้า NH3 จะเป็นฝ่ายรับโปรตอนจาก H2O ดังนั้น NH3 จึงเป็นเบสและ H2O เป็นกรด แตใ่ นปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั NH4+ จะเปน็ ฝา่ ยใหโ้ ปรตอนแก่ OH- ดงั นนั้ NH4+ จงึ เปน็ กรดและ OH- เปน็ เบส คกู่ รด-เบส เม่ือกรดมีการให้โปรตอนไปแล้วส่วนของกรดที่เหลือเรียกว่าคู่เบส (Conjugate base) ของกรด จะทํา หน้าที่เป็นเบส หรือกล่าวคือคู่เบสของกรดบรอนสเตดคือโมเลกุลหรือไอออนท่ีเหลืออยู่หลังจากกรดเสียโปรตอนไป แล้ว ในทางตรงข้ามเม่ือเบสรับโปรตอนแล้วจะได้คู่กรด (Conjugate acid) ของเบสซึ่งทําหน้าท่ีเป็นกรดก็คือสาร ผลิตภัณฑข์ องเบสท่ไี ดร้ ับโปรตอน ตามทฤษฏีกรด-เบส ของ Brφnsted-Lowry Theory จะมีสารพวกหน่ึงที่มีโอกาสเป็นได้ท้ังกรดและเบส เรยี กสารพวกนี้ว่า สารแอมฟิโพรติก (Amphiprotic substance) หรือแอมฟิโพรติกไอออน (Amphiprotic ion) ดัง ตารางท่ี 2 และ 3 S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 5 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตารางท่ี 2 ค่กู รดและคเู่ บสของแอมฟิโพรติกไอออน ค่กู รด แอมฟิโพรตกิ ไอออน คู่เบส HS- S2- H2S HCO3- CO32- H2CO3 HSO3- SO32- H2SO3 HC2O-4 C2O2-4 H2C2O3 H2PO4- HPO42- H3PO4 HPO42- PO43- H2PO4- คูเ่ บส OH- ตารางที่ 3 ค่กู รดและคเู่ บสของสารแอมฟโิ พรติก NH2- ค่กู รด สารแอมฟโิ พรติก H3O+ H2O NH4+ NH3 แบบฝึกหดั เสริม 1.จากสมการขา้ งล่างน้ี สารใดบ้างเป็นคู่กรด-เบสซึง่ กนั และกนั HCO3- + HPO42- 1.1 H2PO4- + CO32- .................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................... OH- + HSO3- 1.2 H2O + SO32- .................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................... 2.จงหาคู่เบสของ HI , H2O, H2 และ HPO42- ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... 3. จงหาคกู่ รดของ OH-, PO43-, NH3, และ NO-2 ....................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 4. จงบอกว่าสารแต่ละตัวสารใดเป็นกรด และเบส CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ NH3 + H2O NH4+ + OH- S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 6 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 4.3The Lewis Theory จากการพิจารณานิยามความเป็นกรด เบสข้างต้นจะเห็นได้ว่า หากโมเลกุลดังกล่าวไม่มีโปรตรอนจะไม่สามารถ อธิบายได้ว่าโมเลกุลดังกล่าวเป็นกรดหรือเบสได้ และสารบางตัวเช่น BF3 สามารถทําหน้าที่เป็นกรดได้ท้ังๆ ท่ีไม่มี โปรตอนอยู่ในโมเลกุลซ่ึงอธิบายโดยทฤษฎี Brφnsted-Lowry Theory ไม่ได้ ดังน้ันลิวอิส จึงนิยามความเป็นกรด เบสโดยอาศัยการรับและการใหค้ ู่อิเล็กตรอน โดยกล่าวไว้วา่ กรด คอื สารท่สี ามารถรบั อเิ ลคตรอนคู่โดดเดี่ยว (Electron pair acceptor) จากสารอื่น เบส คอื สารทีส่ ามารถใหอ้ ิเลคตรอนคโู่ ดดเดี่ยว (Electron pair donor) แกส่ ารอืน่ รับคอู่ ิเลก็ ตรอน ให้คอู่ ิเล็กตรอน ดงั น้นั สารประกอบ BF3 เปน็ Lewis acid and สาร N(CH3)3 เปน็ Lewis base สาร Hydroxide ion ให้คู่อิเล็กตรอน เกิดเป็น นํ้า ดังน้ัน OH1- จึงเป็น Lewis base The hydrogen ion รบั อเิ ลก็ ตรอนคู่ จงึ เปน็ Lewis acid. รับคอู่ ิเลก็ ตรอน ใหค้ ู่อิเลก็ ตรอน ทฤษฎีน้ีใช้อธิบาย กรด-เบส ตาม Concept ของ Arrhenius และ Brφnsted-Lowry ได้ และมีข้อ ได้เปรียบคือสามารถอธิบาย กรด-เบส ในกรณีท่ีเกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน และได้สารประกอบที่มีพันธะโควาเลนซ์ เช่นนกั เรยี นจงใชท้ ฤษฏขี องลิวอสิ อธบิ ายการเกดิ สารประกอบตอ่ ไปน้ี OH- (aq) + CO2 (aq) HCO3- (aq) เหตุผล………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….………………. …………………………………………………………………………………………………………………………..…………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 7 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. แบบฝกึ หดั จากนยิ ามของลิวอสิ จงจาํ แนกกรดเบสตอ่ ไปนี้ AlCl3 = ………………………………………………………………………………………….…… I- = …………………………………………………………………………………….………… Zn2+ = ……………………………………………………………………………………………… Zn2+ + 4 NH3 Zn(NH3)42+ …… …… BF3 + F- BF4- ....... ....... ตารางท่ี 4 สรุปทฤษฏกี รด-เบส ของนักวทิ ยาศาสตร์ ทฤษฏกี รด-เบส ของนักวทิ ยาศาสตร์ การทดสอบด้วยกระดาษลิตมสั กรด: เปลี่ยนกระดาษลิตมัสสนี ํา้ เงนิ เปน็ แดง เบส: เปล่ยี นกระดาษลิตมัสสีแดงเป็นนา้ํ เงิน กรด : ละลายน้าํ แล้วแตกตัวให้ H+ Arrhenius เบส : ละลายนาํ้ แล้วแตกตวั ให้ OH- Brφnsted-Lowry กรด : สารที่ให้ H+ เบส : สารท่ีรบั H+ Lewis กรด : สารท่รี บั คอู่ เิ ลก็ ตรอน เบส : สารท่ใี ห้คู่อเิ ล็กตรอน 5. การแตกตัวของกรดและเบส สารละลายกรดและเบสจัดเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ สําหรับกรดหรือเบสท่ีเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ เรยี กว่า กรดแกห่ รือเบสแก่ ส่วนกรดหรอื เบสทีเ่ ป็นอิเลก็ โทรไลต์อ่อน เรียกว่า กรดออ่ นหรอื เบสอ่อน ตามลาํ ดบั 5.1 การแตกตวั ของกรดแก่และเบสแก่ เน่ืองจากกรดแก่และเบสแก่เป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ท่ีแตกตัวเป็นไอออนได้มากหรือแตกตัวเป็นไอออนได้ อย่างสมบูรณ์ จึงเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพียงอย่างเดียว ถ้าทราบความเข้มข้นของกรดแก่หรือเบสแก่จะสามารถ บอกความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนหรือไฮดรอกไซด์ไออออนในสารละลายได้ เช่น สารละลาย HNO3 เข้มข้น 1 mol/ dm3 จะแตกตัวให้ H3O+ และ NO3- ชนิดละ 1 mol/ dm3 ดงั น้ี HNO3 (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) NO3- 1 mol / dm3 1 mol/ dm3 1 mol/ dm3 NaOH (s) H2O (l) Na+ (aq) OH- 0.1 M 0.1 M 0.1 M H2O (l) Ba(OH)2 (s) Ba2+ (aq) 2OH- 0.1 M 0.1 M 0.1X2 M S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 8 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตารางท่ี 5 ตวั อย่างสารละลายกรดแกแ่ ละเบส เบสแก่ กรดแก่ LiOH NaOH KOH Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2 HBr HI HCl HClO4 HClO3 HNO3 H2SO4* HSO4- (aq) H3O+ (aq) SO42- (aq) H3O+ (aq) • หมายเหตุ *มีการแตกตัวได้ 2 ข้ันตอน ดงั นี้ 1. H2SO4 (aq) + H2O (l) 2. HSO4- (aq) + H2O (l) การแตกตวั คร้งั ท่ี 1 เท่าน้นั ท่จี ดั เปน็ กรดแก่ ตัวอย่างที่ 1 สารละลาย HCl ปริมาตร 10 dm3 ละลายอยู่ 1.5 mol จะมีไอออนชนิดใดบ้างและแต่ละไอออนจะมี ความเข้มข้นเทา่ ใด วธิ ีทํา คาํ นวณหาความเข้มขน้ ของสารละลาย HCl ได้ดงั น้ี ความเข้มข้นของสารละลาย HCl = 1.5 mol HCl / 10 dm3 ของสารละลาย = 0.15 mol/ dm3 สารละลาย HCl มีความเขม้ ขน้ เท่ากับ 0.15 mol/ dm3 # HCl เปน็ กรดแก่ จึงแตกตวั เป็นไอออนได้ท้งั หมด ดังสมการ HCl (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) Cl- 0.15 mol / dm3 0.15 mol/ dm3 0.15 mol/ dm3 ตวั อยา่ งที่ 2 สารละลาย Ca(OH)2 เป็นเบสแก่ จํานวน 200 cm3 มี Ca(OH)2 ละลายอยู่ 7.40 กรัม สารละลายนี้มี ไอออนชนดิ ใดบ้าง และความเขม้ ขน้ เทา่ ใด (H= 1.0, O=16.0, Ca= 40.0) วิธที ํา ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ตวั อยา่ งท่ี 3 สารละลาย Ba(OH)2 เข้มขน้ 0.20 mol/ dm3 ถา้ นาํ สารละลายนมี้ าจํานวน 200 cm3 มาเตมิ นํา้ ลงไป 300 cm3 ความเข้มข้นของ OH- ก่อนเตมิ นํา้ และหลงั เติมนํา้ มีคา่ เทา่ ใด วธิ ีทํา ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 9 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ความแรงของกรดแก่ท่ีแตกตัวรอ้ ยเปอรเ์ ซ็นต์ เน่ืองจากกรดแก่แตกตัวได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ในนํ้าเราจึงไม่สามารถเปรียบเทียบความเป็นกรดของกรดแก่ได้ เมื่อใช้น้ําเป็นตัวทําละลาย แต่การเปรียบเทียบกรดท่ีแตกตัวได้ 100% ในนํ้าเราสามารถพิจารณาการแตกตัวได้ว่า กรดใดมีความเป็นกรดมากกว่ากันโดยเปลี่ยนตัวทําละลาย ปรากฏการณ์ท่ีตัวทําละลายไม่สามารถบอกความ แตกตา่ งของความแรงของกรดไดเ้ รียกว่า ปรากฏการณ์การปรับระดับ (leveling effect) และตัวทําละลายตัวนั้นจะ เรยี กวา่ ตวั ทาํ ละลายทใี่ หป้ รากฏการณ์การปรบั ระดบั (leveling solvent) เช่น ตัวอยา่ ง HClO4 + H2O H3O+ + ClO4- HNO3 + H2O H3O+ + NO3- กรดใดแก่กว่ากันเม่ืออยใู่ นน้าํ ………………… Leveling solvent คือ H2O Leveling solvent ทาํ หนา้ ท่เี ป็น เบส สารที่ทาํ หน้าทีแ่ บง่ แยกความแตกต่างระหวา่ งความแรงของกรดหรอื เบสไดจ้ ะเรียกสารนั้นว่า ตัวทําละลาย ทีแ่ ยกความแตกตา่ ง (Differentiating solvent) จากภาพหากเราใช้น้ําเป็นตัวทําละลายเราจะไม่สามารถแยกกรด HClO4 และ H2SO4 ออกจากกันได้แต่ เมื่อเราเปลี่ยนตัวทําละลายเป็น HOAC จะสามารถบอกได้ว่ากรด HClO4 เป็นกรดท่ีแรงกว่า H2SO4 ตัวอย่างระดับ ความแรงของกรดแกเ่ ปน็ ดังนี้ HClO4 > H2SO4 > HI > HCl > HBr > HNO3 แต่ต้องระลึกไว้เสมอว่าหากกรดเหล่าน้ีอยู่ในสารละลายท่ีเป็นน้ําจะไม่สามารถเปรียบเทียบความแรงของ กรดเหลา่ น้ีได้ กําหนด pH Range possible in different solvents S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 10 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตัวอยา่ ง จงบอกวิธีการที่สามารถเปรยี บเทียบความแรงของกรดต่อไปนี้ HClO4, HCl, HNO3 และ H2SO4 …………………………………………..…………………………………………………………………………. ………………………………………….…………………………………………………………………………. …………………………………………..…………………………………………………………………………. …………………………………………..…………………………………………………………………………. 5.2 การแตกตวั ของกรดอ่อน กรดอ่อนจัดเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน เนื่องจากกรดอ่อนแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วนและยังมีโมเลกุล ของกรดละลายอยู่ในสารละลาย การแตกตัวของกรดอ่อนเป็นการเปลี่ยนแปลงท่ีผันกลับได้ ณ ภาวะสมดุลจึงมีทั้ง โมเลกุลของกรดอ่อนกับไอออนท่ีเกิดจากการแตกตัว การบอกความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนในสารละลายของ กรดอ่อนจึงทราบว่าโมเลกุลของกรดแตกตัวไปเท่าใด โดยนิยมบอกการแตกตัวเป็นร้อยละ เช่น HA เป็นกรดอ่อนที่ แตกตัวเป็นไอออนไมห่ มด และมภี าวะสมดลุ เกดิ ข้นึ ดังน้ี ในสารละลายจึงมีโมเลกุลของ HA H3O+ และ A- ผสมอยู่ด้วยกัน ถ้าสารละลาย HA เข้มข้น 1.0 mol/ dm3 แตกตัวได้ร้อยละ 5 หมายความว่าในสารละลายปริมาตร 1.0 dm3 มีกรด HA ละลายอยู่ 1.0 mol เมื่อถึงภาวะสมดุลจะมีกรด HA เพียง 0.050 mol เท่าน้ันที่แตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นถ้าทราบจํานวนโมลของกรด อ่อนทแ่ี ตกตัวหรือทราบจาํ นวนโมลของไอออนทเี่ กิดขึน้ จะคาํ นวณหาปริมาณการแตกตัวเปน็ รอ้ ยละของกรดอ่อนได้ รอ้ ยละการแตกตวั ของกรดออ่ น = [ ]H3O+ ×100 C เมือ่ C = ความเขม้ ข้นเริ่มต้นของกรดอ่อน หน่วย mol/ dm3 [H3O+] = ความเขม้ ข้นของไฮโดรเนยี มไอออน ท่ภี าวะสมดุล หน่วย mol/ dm3 จากความรู้เรื่องสมดุลเคมี ถ้าสารละลายกรดอ่อน HA ในน้ํา เม่ือปฏิกิริยาเข้าสู่ภาวะสมดุล จะเขียน สมการและค่าคงท่สี มดลุ ได้ดงั น้ี [ ] [ ][ ]K =H3O+A− H2O [HA] ในสารละลายมีน้ําอยู่เป็นปริมาณมากเมื่อเทียบกับปริมาณของตัวถูกละลาย จึงถือได้ว่าความเข้มข้นของ น้ํามคี ่าคงท่ี เมื่อจัดสมการให้อยใู่ นรปู ใหมจ่ ะไดค้ า่ คงทีใ่ หมซ่ ึง่ เรียกว่า คา่ คงทก่ี ารแตกตัวของกรดอ่อน ใช้สัญลักษณ์ Ka ดังน้ี S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 11 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. [ ][ ][ ]Ka H3O+ A- = K H2O = [HA] [ ][ ]Ka = A- H3O+ [HA] ค่าคงท่ีสมดุลของปฏิกิริยาจะบอกให้ทราบว่าปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้ามากน้อยเพียงใด ค่าคงที่การแตกตัว ของกรดอ่อนก็เช่นกัน จะบอกให้ทราบว่ากรดอ่อนนั้นแตกตัวเป็นไอออนได้มากน้อยเพียงใด กรดท่ีมีค่า Ka สูงจะ แตกตวั เป็นไอออนได้มากกวา่ กรดทม่ี คี า่ Ka ตํ่า ดงั ตารางที่ 6 ตารางที่ 6 คา่ Ka ของกรดออ่ นชนดิ ตา่ งๆ ช่อื สาร สตู รเคมี Ka 6.8 × 10-4 Hydrofluoric acid HF 4.5 × 10-4 6.5× 10-4 Nitrous acid HNO2 1.8 × 10-5 3.0 × 10-8 Benzoic acid HC7H5O2 4.9 × 10-10 Acetic acid HC2H3O2 1.3 × 10-10 Hypochlorous acid HClO Hydrocyanic acid HCN phenol HOC6H5 การคํานวณ [H+] และ [คู่เบสของกรดออ่ น] ทภี่ าวะสมดลุ โดยอาศัยค่า Ka และร้อยละการแตกตัวของกรดออ่ น ทําไดด้ ังน้ี กําหนดให้ C เปน็ ความเข้มข้นเริม่ ต้นของกรดอ่อน (mol/ dm3) และ X เปน็ ความเข้มข้นของกรดอ่อนที่แตกตัวได้ HA (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + A- (aq) Initial C 00 Change -X +X +X Equilibrium C-X X X [ ][ ]Ka = H3O+ A- [HA] (X) (X) = (C - X) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 12 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. = X2 (C − X) [H+ ]2 ( [ ])หรือ Ka = C - H+ เมื่อ X เป็นความเข้มข้นของ H+ [H+ ]2 + Ka [H+ ] - KaC = 0 ใช้สมการรากที่สองมาคํานวณ จะได้ค่า X หรือ [H+] ตามต้องการ แต่เพ่ือ ความสะดวกในการคํานวณนิยมใชค้ าํ นวณโดยการประมาณ (approximation method) ดังนี้ กรณีที่ 1 ถา้ C ≥ 1000 Ka จะได้วา่ ความเข้มข้นของกรดอ่อนสว่ นทเี่ หลือ ณ ภาวะสมดุล (C-X) หรอื (C-[H+]) จะมคี า่ ใกล้คียงกับ ความเขม้ ขน้ ของกรดอ่อนตอนเร่ิมต้น C จะได้ (C-[H+]) ≈ C ดงั นน้ั Ka = [ ]H+ 2 C [H+] = [ค่เู บสของกรดออ่ น] = KaC (ความผิดพลาดไมเ่ กนิ ร้อยละ 5) กรณีท่ี 2 ถา้ C < 1000 Ka จะไดว้ ่า (C-[H+]) จะมีคา่ แตกต่างกบั ค่า C มาก ดังนั้นคาํ นวณหา [H+] โดยใช้สูตรรากกําลงั สอง [ ] [ ]H + 2 + K a H + - K a C = 0 สําหรับรอ้ ยละหรอื เปอร์เซ็นต์การแตกตวั ของกรดออ่ น หาไดด้ ังน้ี รอ้ ยละการแตกตวั ของกรดออ่ น = ความเขม้ ขน้ ของ H+ ทภ่ี าวะสมดุล x 100 ความเขม้ เรมิ่ ตน้ ของกรดออ่ น = ความเขม้ ขน้ ของ คเู่ บสของกรดอ่อนทภ่ี าวะสมดุล x 100 ความเขม้ เรมิ่ ตน้ ของกรดออ่ น สรุป ถา้ C ≥ 1000 , [H+] = [คเู่ บสของกรดอ่อน] = KaC Ka รอ้ ยละการแตกตัว = [H+ ] = K a C ×100 ×100 CC ร้อยละการแตกตวั ท่ีคํานวณได้ ≤ 5 S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 13 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตัวอยา่ งการคํานวณการแตกตัวของกรดอ่อน ตัวอยา่ งที่ 1 กรดอ่อน HA เข้มข้น 0.50 mol / L แตกตัวให้ H3O+ 0.010 mol / L จงหาร้อยละการแตกตัวของกรดนี้ มีค่าเทา่ ใด วธิ ีทํา H3O+ + A- HA + H2O In. 0.50 M 0.00 M 0.00 M Ex. - 0.010 M + 0.010 M + 0.010 M Eq. (0.50- 0.010) M 0.010 M 0.010 M ร้อยละการแตกตัว = [ ]H3O+ ×100 C = 0.010 ×100 0.50 = 2.0 ตวั อยา่ งที่ 2 สารละลาย CH3COOH เข้มข้น 0.100 mol/dm3 (Ka = 1 ×10-5) จงคํานวณหาความเข้มข้นของ H3O+ ในหนว่ ย โมลตอ่ ลกู บาศกเ์ ดซเิ มตร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ตัวอย่างที่ 3 จงคํานวณร้อยละการแตกตัวของกรดแอซีติก (CH3COOH) ท่ีมีความเข้มข้น 10.0, 1.0 และ 0.10 โมลต่อ ลูกบาศกเ์ ดซเิ มตร ตามลาํ ดับ (Ka = 1.0 ×10-5) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… NOTE….. กรออ่อนชนิดมอโนโพติกชนิดเดียวกัน เมื่อความเข้มข้นเร่ิมต้นของกรดอ่อนลดลง ร้อยละการแตกตัวของ กรดจะเพมิ่ ขึน้ (ดงั ตัวอย่างท่ี 3) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 14 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ชนดิ ของกรดและเบส กรด แบ่งตามการแตกตัว แบ่งได้ 3 ชนดิ 1.กรด Monoprotic แตกตัวให้ H3O+ หรือ H+ ได้ 1 ไอออน ได้แก่ HNO3, HClO3 , HClO4, HCN HClO3 (aq) + H2O (l) ClO3- (aq) H3O+ (aq) ซง่ึ จะมคี ่าคงที่สมดลุ (Ka) เพยี ง 1 ค่า 2.กรด Diprotic แตกตัว ให้ H3O+ หรือ H+ ได้ 2 ไอออน ไดแ้ ก่ H2SO4, H2CO3 การแตกตวั ครงั้ ท่ี 1. H2CO3 (aq) + H2O (l) HCO3- (aq) H3O+ (aq) การแตกตวั ครงั้ ท่ี 2. HCO3- (aq) + H2O (l) CO32- (aq) H3O+ (aq) [ ] [ ]ซงึ่ จะมคี ่าคงทีส่ มดลุ (Ka) 2 ค่า คือ [ ]HCO [ ]CO32- H3O+ K a1 = - H3O+ และ Ka2 = [HCO32 ] 3 [H2CO3 ] กรดไดโพรติกส่วนมากจะมีค่า Ka1 มากกว่าค่า Ka2 จึงใช้ค่า Ka1 ในการเปรียบเทียบความแรงของกรด เน่ืองจากในสารละลายจะมีไอออนท่ีเกิดจากการแตกตัวในข้ันที่ 1 มากกว่าไอออนที่เกิดจากการแตกตัวในขั้นท่ี 2 มาก อย่างไรก็ตามกรดไดโพรติกบางชนิดมีค่า Ka2 ไม่ต่ํา เช่นกรดซิตริก (H8C6O7) มีค่า Ka1 = 7.4×10-4 และ Ka2 =1.7 ×10-5 กรณีนจี้ ะถอื ว่าในสารละลายมไี อออนท่ีเกดิ จากการแตกตัวในขนั้ ท่ี 2 ด้วย วธิ ีดูว่า H+ ท่ีไดม้ าจากคา่ ของ Ka1 และ Ka2 อาจใช้วิธีประมาณค่า ระหว่าง Ka1 และ Ka2 คือ K a1 ≥ 104 ถือว่า H+ ที่เกิดข้ึนทั้งหมดมาจากข้ันตอนการแตก Ka2 ตัวข้นั ที่ 1 เทา่ น้นั 3.กรด Polyprotic แตกตัวให้ H3O+ หรอื H+ ได้ 3 ไอออนได้แก่ H3PO4 การแตกตัวของกรด Polyprotic แต่ละครั้งจะให้ H+ ไม่เท่ากัน แตกครั้งแรกจะแตกได้ดีมาก ค่า Ka สูง มาก แต่แตกครั้งต่อ ๆ ไปจะมีค่า Ka ต่ํามาก เพราะประจุลบในไอออนดึงดูด H+ ไว้ กรด Polyprotic มักมีค่า K1>> K2>> K3 ดังนนั้ H+ ในสารละลายส่วนใหญ่จะได้มาจากการแตกตัวครง้ั แรก S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 15 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตวั อยา่ งการคํานวณ กรดแอสคอบิก (Ascorbic acid) (H2C6H6O6 โจทย์น้ีจะย่อเป็น H2Asc) เราทราบว่าเป็นวิตามินซี จัดเป็น กรดไดโพรติก Ka1= 1.0×10-5 และ Ka2= 5.0×10-12) จงคํานวณ [H2Asc], [HAsc-], [Asc2-], และ [H+] ของ สารละลาย H2Asc เขม้ ข้น 0.0500 โมลตอ่ ลกู บาศก์เดซเิ มตร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ความแรงของกรดกับโครงสรา้ งโมเลกลุ ความแรงของกรดสามารถดูได้จากเปอร์เซ็นต์การแตกตัว นอกจากนี้สามารถทํานายความแรงของกรดได้ จากโครงสร้างโมเลกุลของสารโดยควบคุมปัจจัยต่างๆ ท่ีมีผลต่อความเข้มข้นให้คงท่ีเช่น ความเข้มข้น ตัวทําละลาย อณุ หภมู ิ และความเขม้ ข้นของสารใหเ้ หมือนกนั แลว้ พิจารณาสูตรโครงสร้างท่ีได้ การเปรียบเทียบจากโครงสร้างโมเลกุลพิจาณาจากความสามารถในการให้โปรตอนและรับโปรตอน ถ้าให้ โปรตอนได้ง่ายแสดงว่าสารนั้นเป็นกรดท่ีแรง และหากสารใดรับโปรตอนได้ดีแสดงว่าสารน้ันมีความเป็นเบสสูง ใน การพจิ าณาแยกพจิ ารณาเปน็ กรดไฮโดรและ กรดออกซี ดงั นี้ 1 กรดไฮโดร คือกรดที่มีสูตรท่ัวไป HX โดยที่ X คือเฮโลเจนท่ีเกิดเป็นกรดไบนารี เรียกกรดจําพวกน้ีว่า กรดไฮโดรแฮริก กรดจําพวกนี้หากเราพิจารณาท่ีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่าง X กับ H พบว่า F ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มี ค่า EN สูงที่สุดเมื่อเปรีบยเทียบกับ Cl Br และ I น่าจะเป็นกรดท่ีแรงที่สุด แต่พบว่าเป็นกรดอ่อน แต่พบว่าปัจจัยที่มี อิทธิพลมากกว่าซ่ึงสามารถอธบิ ายความแรงของกรดไฮโดรได้แก่ความแข็งแรงของพันธะ (บอนด์เอนทาลปี) ซึ่งแสดง ดังตารางท่ี 7 ตารางที่ 7 ความแข็งแรงของพันธะหรอื บอนด์เอนทาลปีสําหรับไฮโดรเจนเฮไลด์ และความแขง็ แรงของ กรดไฮโดร พันธะ บอนดเ์ อนทาลปี (kJ/mol) ความแรงของกรด H-F 568.2 อ่อน H-Cl 431.9 แก่ H-Br 366.1 แก่ H-I 298.3 แก่ 2 กรดออกซี คือ กรดท่ีมีสูตทั่วไป OmE(OH)n ซ่ึง E เป็นอะตอมกลาง หากสูตรโครงสร้างเดียวกันแต่ อะตอมกลางต่างกันความแรงของกรดขึ้นอยู่กับสภาพทางไฟฟ้า (Inductive effect) สูตรโครงสร้างลิวอิสโดยทั่วไป คอื EOH S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 16 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. เราสามารถเปรียบเทียบกรดออกซีออกเป็นสองกลุ่มในการพิจารณาคือ กรดออกซีท่ีมีอะตอมกลางต่างกัน และกรดออกซีทม่ี อี ะตอมกลางเหมอื นกันแตม่ ีกลุ่มขา้ งเคียงต่างกนั 1) กรดออกซีทีม่ ีอะตอมกลางตา่ งกนั แต่เป็นธาตุในหมู่เดยี วกันและมเี ลขออกซเิ ดชนั เท่ากัน ความเป็นกรดเพ่มิ ข้ึนตามค่าอิเล็กโทรเนกาตีวิตีของอะตอมกลางที่เพิ่มมากขึ้น เช่น HClO3 และ HBrO3 โดย Cl มีอิเล็กโทรเนกาตีวติ ีมากกว่า Cl ดังนัน้ ความแรงของกรดคือ HClO3 > HBrO3 และเราสามารถเปรียบเทียบความ เป็นกรด HOI HOBr และ HOCl โดยเปรียบเทียบค่า Electronegativity ไดด้ งั นี้ 2) กรดออกซีทมี่ ีอะตอมกลางเหมอื นกนั แต่มกี ลมุ่ ข้างเคียงต่างกนั ความแรงของความเป็น กรดข้ึนอยู่กับเลขออกซิเดชั้น เนื่องจากออกซิเจนเพิ่มมากข้ึนทําให้ดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมกลางไปมาก ส่งผลให้ อะตอมกลางดึงอเิ ล็กตรอนสงู ส่งผลใหค้ วามแข็งแรงของพนั ธะระหว่าง OH น้อยลงจงึ มคี วามเปน็ กรดสูงดงั รูป (ที่มา: http://www3.ipst.ac.th/chemistry/index.php?option=com_content&view=article&catid=37:weblink&id=62:-8-) ตวั อยา่ ง 1.จงเขยี นโครงสร้างโมเลกลุ ของกรดตอ่ ไปนี้ HIO4, HBrO4, และ HClO4 พรอ้ มทั้งเปรยี บเทียบความแรงของกรดทั้ง 3 ชนิดวา่ ชนดิ ใดแรงกว่ากัน …………………………………………..…………………………………………………………………………. ………………………………………….…………………………………………………………………………. …………………………………………..…………………………………………………………………………. ………………………………………….…………………………………………………………………………. …………………………………………..…………………………………………………………………………. 2.จงเขยี นโครงสร้างของกรด H3PO4, H2SO4 และ HClO4 พร้อมท้ังเรียงลําดับความแรงของกรด โดยใหเ้ หตุผล ประกอบด้วย …………………………………………..…………………………………………………………………………. ………………………………………….…………………………………………………………………………. …………………………………………..…………………………………………………………………………. ………………………………………….…………………………………………………………………………. S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 17 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. หากพิจารณาความเป็นกรด-เบสจากการแตกตัวตามคู่กรดเบสตามนิยามของเบรินสเตดและลาวลีระหว่าง HA กับ H2O ซึง่ เขียนความสัมพนั ธ์ไดด้ ังน้ี HA (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + A- (aq) เมื่อพิจารณาปฏิกิริยาที่ดําเนินไปข้างหน้า หาก HA แตกตัวไปข้างหน้าได้มาก ดังน้ันปริมาณของ H3O+ และ A- จะมีปริมาณมาก แสดงให้เห็นว่า HA ให้โปรตอนได้ดี และ H2O รับโปรตอนได้ดีและ เมื่อพิจารณาปฏิกิริยา ท่ีเกิดผันกลับจะเห็นได้ว่า A- รับโปรตอนจาก H3O+ ได้น้อยและ H3O+ ให้โปรตอนได้น้อยด้วย A- จึงเป็นเบสท่ีอ่อน กว่า H2O และ H3O+ เป็นกรดอ่อนกว่า HA ดังน้ันสรุปได้ว่า กรดแก่จะให้คู่เบสที่เป็นเบสอ่อน และ เบสแก่จะให้คู่ กรดท่ีเป็นกรดอ่อน ตารางท่ี 8 ความสมั พนั ธข์ องคู่กรดเบสบางชนดิ (ทีม่ า: http://www3.ipst.ac.th/chemistry/index.php?option=com_content&view=article&catid=37:weblink&id=62:-8-) ตัวอยา่ ง 1.กาํ หนดใหค้ วามเป็นกรดจากแก่ไปออ่ นในเบส OH- คอื NH4+ > H2O > NH3 จงเขียนสมการแสดงปฏิกิริยากรด-เบส ตามนิยามของเบรนิ สเตด-ลาวรีและเปรียบเทยี บความแรงของคู่เบสของกรด ทงั้ สามชนิดน้ี ……………………………………………………..……………………………………………………………… …………………………………………………….……………………………………………………………… ……………………………………………………..……………………………………………………………… ……………………………………………………..……………………………………………………………… …………………………………………………….……………………………………………………………… ……………………………………………………..……………………………………………………………… ……………………………………………………..……………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 18 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 2. กําหนดคา่ Ka ของปฏกิ ริ ิยากรด-เบส ดงั นี้ H3O+ + F- Ka = 6.7 × 10-4 HF + H2O H3O+ + CN- Ka = 4.0 × 10-10 HCN + H2O Ka = 1.8 × 10-5 CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO- จงเปรียบเทยี บลําดับความแรงของกรดและความแรงของคู่เบสของกรดทั้ง 3 ชนิดนี้ ……………………………………………………..……………………………………………………………… ………………………………………………………..…………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………..……………………… 5.3 การแตกตวั ของเบสอ่อน เบสอ่อนจัดเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน เน่ืองจากเบสอ่อนแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วนและยังมีโมเลกุล ของเบสละลายอยู่ในสารละลาย การแตกตัวของเบสอ่อนเป็นการเปล่ียนแปลงท่ีผันกลับได้ ณ ภาวะสมดุลจึงมีทั้ง โมเลกลุ ของเบสออ่ นกับไอออนทเ่ี กิดจากการแตกตัว การบอกความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออนในสารละลายของ เบสอ่อนจึงทราบว่าโมเลกลุ ของเบสแตกตัวไปเท่าใด โดยนิยมบอกการแตกตัวเป็นร้อยละ เช่น B เป็นเบสอ่อนที่แตก ตัวเปน็ ไอออนไมห่ มด และมภี าวะสมดุลเกิดขนึ้ ดงั น้ี B (aq) + H2O (l) HB+ (aq) + OH- (aq) ในสารละลายจึงมีโมเลกุลของ B HB+ และ OH- ผสมอยู่ด้วยกัน ถ้าสารละลาย B เข้มข้น 1.0 mol/ dm3 แตกตัวไดร้ อ้ ยละ 5 หมายความว่าในสารละลายปริมาตร 1.0 dm3 มีเบส B ละลายอยู่ 1.0 mol เมื่อถึง ภาวะสมดุลจะมีเบส B เพียง 0.050 mol เท่าน้ันที่แตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นถ้าทราบจํานวนโมลของเบสอ่อนท่ีแตก ตวั หรือทราบจํานวนโมลของไอออนท่ีเกิดข้ึน จะสามารถคํานวณหาปรมิ าณการแตกตัวเปน็ ร้อยละของเบสออ่ นได้ รอ้ ยละการแตกตัวของเบสอ่อน = [ ]OH− ×100 C เมือ่ C = ความเข้มขน้ เร่ิมตน้ ของเบสออ่ น หนว่ ย mol/ dm3 [OH-] = ความเข้มข้นของไฮดรอกไซดไ์ อออน ทีภ่ าวะสมดลุ หน่วย mol/ dm3 จากความรู้เร่ืองสมดุลเคมี ถ้าสารละลายเบสอ่อน B ในนํ้า เมื่อปฏิกิริยาเข้าสู่ภาวะสมดุล จะเขียนสมการ และคา่ คงที่สมดลุ ไดด้ งั นี้ B (aq) + H2O (l) HB+ (aq) + OH- (aq) [OH ] [HB+ ] [ ]K = [B] H 2 O ในสารละลายมีน้ําอยู่เป็นปริมาณมากเมื่อเทียบกับปริมาณของตัวถูกละลาย จึงถือได้ว่าความเข้มข้นของ น้ํามีค่าคงที่ เม่ือจัดสมการให้อยู่ในรูปใหม่จะได้ค่าคงที่ใหม่ซ่ึงเรียกว่า ค่าคงที่การแตกตัวของเบส ใช้สัญลักษณ์ Kb ดงั น้ี S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 19 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. Kb = K [H2O] = [OH ][HB+ ] [B] [OH ][HB+ ] K b = [B] ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาจะบอกให้ทราบว่าปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้ามากน้อยเพียงใด ค่าคงที่การแตกตัว ของเบสอ่อนกเ็ ชน่ กนั จะบอกใหท้ ราบวา่ เบสอ่อนน้ันแตกตัวเป็นไอออนได้มากน้อยเพียงใด เบสท่ีมีค่า Kb สูงจะแตก ตัวเปน็ ไอออนไดม้ ากกว่าเบสทม่ี ีค่า Kb ตํ่า การคาํ นวณ [OH-] และ [ค่กู รดของเบสออ่ น] ที่ภาวะสมดลุ โดยอาศยั ค่า Kb และร้อยละการแตกตัวของเบส ออ่ น ทาํ ไดด้ ังน้ี กาํ หนดให้ C เปน็ ความเข้มข้นเร่ิมตน้ ของเบสอ่อน (mol/ dm3) และ X เป็นความเขม้ ขน้ ของเบสออ่ นที่แตกตัวได้ [ ][BH+ ] OH- K b = [B] (X)(X) = (C - X) = X2 (C − X) หรือ Kb = [ ]OH− 2 เมอื่ X เป็นความเข้มข้นของ OH- (C − [OH− ]) [OH ] [ ]2 + K b OH- - K bC = 0 ใช้สมการรากที่สองมาคํานวณ จะได้ค่า X หรือ [OH-] ตามต้องการ แต่ เพ่อื ความสะดวกในการคํานวณนิยมใชค้ ํานวณโดยการประมาณ (approximation method) ดงั นี้ กรณที ี่ 1 ถา้ C ≥ 1000 Kb จะได้ว่า ความเข้มข้นของกรดอ่อนส่วนท่ีเหลือ ณ ภาวะสมดุล (C-X) หรือ (C-[OH-]) จะมีค่าใกล้คียงกับ ความเขม้ ขน้ ของกรดออ่ นตอนเร่ิมต้น C S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 20 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. [ ]ดังนน้ั Kb= จะได้ (C-[OH-]) ≈ C OH − 2 C [OH-] = [คกู่ รดของเบสออ่ น] = KbC (ความผิดพลาดไมเ่ กินรอ้ ยละ 5) กรณีที่ 2 ถา้ C < 1000 Kb จะไดว้ า่ (C - [OH-]) จะมคี า่ แตกต่างกับคา่ C มาก ดงั นั้นคาํ นวณหา [OH-] โดยใช้สตู รรากกําลงั สอง [ ] [ ]OH- 2 OH -- - KbC = 0 + Kb สาํ หรับรอ้ ยละหรอื เปอรเ์ ซน็ ต์การแตกตัวของเบสอ่อน หาได้ดังนี้ รอ้ ยละการแตกตวั ของเบสออ่ น = ความเขม้ ขน้ ของ OH- ทภ่ี าวะสมดุล x 100 ความเขม้ เรม่ิ ตน้ ของเบสอ่อน = ความเขม้ ขน้ ของ คกู่ รดของเบสอ่อนทภ่ี าวะสมดลุ x 100 ความเขม้ เรม่ิ ตน้ ของเบสอ่อน สรุป ถา้ C ≥ 1000 , [OH-] = [คูก่ รดของเบสอ่อน] = KbC Kb [ ]รอ้ ยละการแตกตัว = OH- ×100 = K bC ×100 CC ร้อยละการแตกตัวที่คาํ นวณได้ ≤ 5 ตวั อย่างการคาํ นวณการแตกตัวของเบสออ่ น ตวั อยา่ งที่ 1 สารละลายเบส NH3 เข้มข้น 2.0 M จะมีความเข้มข้นของ OH- เทา่ ใด กาํ หนด Kb ของเบสน้ีเท่ากับ 1.8×10-5 วิธีทํา NH4+ (aq) + OH- (aq) NH3 (aq) + H2O (l) Initial 2.0 M 0.0 M 0.0 M Change -X +X +X Equilibrium (2.0 - X ) XX S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 21 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. [ ]Kb = [ ]NH 4+ OH- [NH3 ] 1.8 ×10-5 = (X) (X) (2.0 - X) X = 6.0 ×10-3 M ความเขม้ ขน้ ของ OH- = 6.0×10-3 mol/dm3 # หรอื คาํ นวณจากสตู ร ไดด้ ังนี้ [OH-] = KbC ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… แบบฝึกหดั เสริม 1. กรดอ่อน HA 0.100 M มีค่า Ka = 1.0 ×10-7 ความเข้มข้นของ H3O+ ท่ีเกิดจากการแตกตัวของกรดน้ีมีค่าเท่าใด และกรดน้แี ตกตัวได้กี่ % ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. เม่ือนําเบสอ่อนชนิดหน่ึง 0.200 โมล ใส่ในนํ้าแล้วทําให้สารละลายมีปริมาตร 100 cm3 ปรากฏว่า OH- อยู่ 0.0100 โมล คา่ คงทส่ี มดลุ ของเบสนมี้ ีคา่ เท่าใด ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3. จากการทดลองครง้ั หนงึ่ พบว่าสารละลาย NH3 0.0100 mol / dm3 แตกตัวได้ 4.0 % ถา้ สารละลาย NH3 นี้ เขม้ ขน้ 0.200 mol/dm3 จะแตกตวั ได้ก่ี % ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. นํา NH3 จํานวน 0.100 mol มาละลายนาํ้ ไดส้ ารละลายปริมาตร 1.0 ลิตร หลังจากน้ันเติม NaOH ลงไป 0.0500 โมล สารละลายใหม่จะมีความเข้มข้นของ OH- เทา่ ใด (Kb ของ NH3 = 1.0 ×10-5) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 22 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 6. การแตกตัวเป็นไอออนของนา้ํ เม่ือใชเ้ ครื่องตรวจการนําไฟฟา้ วัดการนาํ ไฟฟา้ ของน้ํา พบว่านํ้ากลนั่ ซง่ึ จดั เป็นน้ําบรสิ ุทธ์จิ ะนาํ ไฟฟ้าได้น้อย มาก และจะนําไฟฟ้าได้มากเม่ืออุณหภูมิสูงขึ้น น้ํากล่ันจึงจัดเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่อ่อนมาก คือการแตกตัวเป็นไอออน ได้น้อย การแตกตวั ของน้าํ กลนั่ เรยี กว่า Autoprotolysis หรอื Self-ionization นาํ้ บรสิ ทุ ธิ์ แตกตวั ให้ H3O+ และ OH- และเกดิ สมดุลเขียนได้ 2 แบบ คอื หรอื ท่ีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส นํ้าบริสุทธิ์จะมีค่าความเข้มข้นของโมเลกุลนํ้าที่ไม่แตกตัวในภาวะสมดุล [H2O]2 เท่ากับ 55.6 โมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร และมีค่าคงที่สมดุลเท่ากับ 1.8×10-16 โมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร สามารถจะคํานวณค่าผลคูณไอออนของนา้ํ ไดด้ งั น้ี [ ][ ]H+ OH- = 1.8 ×10-16 K= [ ]H2O [ ][ ]H+ OH- = 1.8×10-16 × 55.6 = 1.0 ×10-14 [ ][ ]H+ OH- = 1.0 ×10 14 น่ันคือ ค่าผลคูณระหว่าง [H+] และ [OH-] ท่ีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส จะมีค่าเท่ากับ 1.0×10-14 เรียก ค่านี้ว่า ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวของน้ํา (Ionization constant of water; Kw) ค่าคงท่ีนี้สามารถใช้อธิบายได้ ท้ังน้าํ บริสุทธ์ิและสารละลายทม่ี ีนํา้ เป็นตวั ทาํ ละลาย คา่ Kw เป็นคา่ คงที่ ผลคณู ของไอออนของนํ้าและจากการทดลองพบว่ามีค่า 1.0 × 10-14 ค่า Kw ที่เราใช้ใน การคํานวณโดยท่ัวไปจะคิดท่ี 25OC แต่ในความเป็นจริงเราทราบกันแล้วว่าค่าคงที่สมดุลเปลี่ยนเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ดังนั้นคา่ Kw จงึ มคี ่าตามอณุ หภมู เิ ช่นกัน ค่า Kw แสดงดังตารางท่ี 9 ตารางท่ี 9 คา่ Kw ทอ่ี ณุ หภูมิตา่ งๆ Kw Temperature (OC) 1.1 × 10-15 0 2.9 × 10-15 10 1.0 × 10-14 25 2.4 × 10-14 37 4.0 × 10-14 45 9.6 × 10-14 60 S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 23 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 7. ความสัมพันธร์ ะหว่าง Ka Kb และ Kw ผลคูณระหวา่ งคา่ คงทีส่ มดลุ ของกรดกับคา่ คงท่ีสมดุลของเบสมคี า่ เทา่ กับค่าคงทส่ี มดลุ ของน้ํา เขียน ความสมั พนั ธไ์ ด้ดังน้ี Ka . Kb = Kw เชน่ H3O+ (aq) + CN- (aq) HCN (aq) + H2O (l) Ka=……………………………… CN- (aq) + H2O (l) HCN (aq) + OH- (aq) Kb=……………………………………………………….………………… Ka . Kb =………………………………………………………………… ตัวอยา่ ง H30+ สารละลาย B เป็นเบสอ่อน เข้มข้น 0.0100 mol/L จะมีความเข้มข้นของ เท่าใด ถ้าการแตกตัวของ เบสออ่ นเป็นดงั นี้ (กําหนดคา่ Kb ของเบสนเ้ี ทา่ กับ 1.0x10-6) B (aq) + H2O (l) BH+ (aq) + OH- (aq) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… แบบฝกึ หดั เสริม 1. จากตารางแสดงค่าความเข้มข้นของ H3O+ และ OH- ของสารละลาย A B C D และ E จงเติมค่าความเข้มข้นของ H3O+ และ OH- ลงในช่องวา่ งพรอ้ มทั้งระบคุ วามเปน็ กรด-เบสของสาระลาย สารละลาย ความเขม้ ข้น (M) ความเป็นกรด-เบสของสารละลาย [H3O+] [OH-] A 2.0×10-5 ……………… …………………………………. B 1.0×10-2 ………………………………. ……………………. S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 24 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. สารละลาย ความเข้มขน้ (M) ความเปน็ กรด-เบสของสารละลาย [H3O+] [OH-] C 3.0×10-5 ……………… ………………………………. D 1.0×10-9 ………………………………. E ……………… ………………………………. 1.0×10-5 ……………….. 2. สารละลายปริมาตร 500 cm3 ท่ีมีแก๊ส HCl ปริมาตร 1.20 dm3 ท่ี STP ละลายอยู่ จะมีความเข้มข้นของ H3O+ และ OH- เท่าใด ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3. เมือ่ ละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.0100 mol ในน้ํา และทําให้สารละลายมีปริมาตร 500 cm3 จงหาความเข้มข้น ของ H3O+ ในสารละลายน้ี ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4. หลอดหยดอันหน่ึง เม่ือหยดสารละลาย 20 หยด จะมีปริมาตร 1.0 cm3 เม่ือหยดสารละลาย HCl เข้มข้น 2.0 mol / dm3 1.0 หยดลงไปในน้าํ ปริมาตร 5.0 ลิตร จะมีความเข้มข้นของ H3O+ และ OH- เทา่ ใด ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 8. pH และ pOH ของสารละลาย ความเข้มข้นของ H+ และ OH- ของสารละลายในภาวะสมดลุ จะมีค่าเปลีย่ นแปลงในชว่ งกวา้ ง ต้งั แต่ 1.0 M ถึง 1.0×10-14 M ดังนั้นถ้าเขยี นความเข้มข้นของ H+และ OH- ดว้ ยเลขยกกําลงั ตดิ ลบจะเกิดการ ผิดพลาดได้งา่ ย จงึ ไดม้ ีการเสนอแนะให้มาตรส่วนใหม่ทส่ี ะดวกกวา่ เรยี กวา่ มาตราส่วนพีเอช (pH-Scale) โดย กําหนดให้ [H+] = 10-pH pH = -log [H+] ในทาํ นองเดียวกนั pOH ก็เป็นคา่ กําหนดเพ่อื บอกความเข้มขน้ ของ OH- ในสารละลาย โดยกําหนดว่า pOH = -log[OH-] เราสามารถหาความสัมพันธ์ระหวา่ ง pH กับ pOH ไดด้ ังนี้ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 25 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. [ ] [ ]OH- H+ = 1.0 ×10 -14 (- log[OH- ])+ ( - log[H+ ]) = 14 pOH + pH = 14 สรปุ pH = -log[H3O+] [H+] = 10-pH [OH-] = 10-pOH pOH = -log[OH-] pH + pOH = 14 [H3O+] 〉 10-7 mol / dm3 pH 〉 7.0 สารละลายเป็นเบส [H3O+] 〈 10-7 mol / dm3 pH 〈 7.0 สารละลายเป็นกรด [H3O+] = 10-7 mol / dm3 pH = 7.0 สารละลายเป็นกลาง ตารางท่ี 10 คา่ pH, pOH, [H3O+] และ [OH-] ของสารละลาย pH [H3O+] [OH-] pOH 14 10-14 100 13 10-13 10-1 0 12 10-12 10-2 1 ความเปน็ เบส 11 10-11 10-3 2 ลดลง 10 10-10 10-4 3 4 9 10-9 10-5 5 8 10-8 10-6 6 [H3O+] [OH-] pH pOH 7 10-7 10-7 7 เป็นกลาง 6 10-6 10-8 8 5 10-5 10-9 9 10-4 10-10 4 10-3 10-11 10 ความเปน็ กรด 3 10-2 10-12 11 เพ่ิมข้นึ 2 10-1 10-13 12 1 13 0 10 10-14 14 จากตาราง จะได้ว่า ค่า pH ย่ิงต่ํามากเท่าใด สารละลายเป็นกรดมาก ในทางกลับกัน ค่า pH ยิ่งสูง มาก สารละลายเป็นเบสมาก S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 26 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. การทดสอบความเป็นกรด - เบส การทดสอบความเป็นกรด-เบสของสารละลาย สามารถทดสอบได้ด้วย อินดิเคเตอร์ (Indicators) ซ่ึง สามารถจําแนกได้เป็น 3 ประเภท คือสารท่ีมีสมบัติเป็นกรด เป็นเบส และเป็นกลาง เคร่ืองมือและอุปกรณ์ท่ีใช้ วดั ความเปน็ กรด-เบสของสาร ไดแ้ ก่ กระดาษลิตมัส ยูนิเวอร์แซลอินดิเคเตอร์ และเครอ่ื ง pH-Meter 1. ใช้กระดาษลิตมัส -สารทีเ่ ปน็ กรด จะเปลีย่ นสกี ระดาษลิตมสั จากสนี ้ําเงนิ เปน็ สีแดง -สารทเี่ ป็นเบส จะเปล่ยี นสกี ระดาษลติ มัสจากสีแดงเป็นสีนํ้าเงนิ -สารทีเ่ ปน็ กลาง จะไม่เปล่ียนสกี ระดาษลติ มัส รูปกระดาษลิตมัส 2. ใชย้ ูนิเวอร์แซลอินดิเคเตอร์ กรด-เบสจะทําให้ ยูนิเวอร์แซล อินดิเคเตอร์ เปลี่ยนเป็นสีต่างๆได้ที่ค่า pH ต่างกัน ทําให้ทราบไดว้ ่าสารใดเป็นกรด เบส หรอื กลาง และสามารถทราบค่า pH ของสารไดอ้ ย่างครา่ วๆ รปู การเปลีย่ นสีของยูนเิ วอรแ์ ซล อนิ ดิเคเตอร์ รูปอนิ ดิเคเตอร์ (ท่ีมา: http://www.e-learning.sg.or.th/ac3_14/content7.html) 3. ใช้เครื่องมือตรวจสอบ pH หรือเรียกว่า พีเอซมิเตอร์ (pH-meter ) การตรวจสอบด้วย pH-meter ทําให้ทราบ คา่ pH ทแ่ี น่นอน สามารถบอกสมบัตคิ วามเปน็ กรด-เบสไดช้ ัดเจน ซงึ่ มี รายละเอียด ดงั น้ี - คา่ pH ต่าํ กวา่ 7.0 สารมสี มบตั เิ ปน็ กรด - คา่ pH เท่ากับ 7.0 สารมสี มบัติเปน็ กลาง - คา่ pH มากกว่า 7.0 สารมสี มบัติเป็นเบส รปู pH-meter (ท่มี า: seafriends.org.nz) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 27 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. แบบฝกึ หดั เสริม 1. จงคํานวณหา [H3O+] [OH-] pH และ pOH ของสารละลาย HCl เข้มข้น 0.00800 M กําหนดค่า log 8 = 0.90 และ log 1.25 = 0.096 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. จงคาํ นวณหาความเข้มขน้ ของ [H3O+] ในสารละลายท่มี ี pH เท่ากับ 4.70 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3. จงคํานวณหา pH และ pOH ของสารละลาย NaOH เขม้ ข้น 5.0×10-2 M กาํ หนดค่า log 5 = 0.69 log 2 = 0.30 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. จงคาํ นวณหา pH ของสารละลายแบเรยี มไฮดรอกไซดเ์ ข้มข้น 0.00230 M กําหนดคา่ log 4.6 = 0.66 log 2.3 = 0.36 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. จงคาํ นวณหา pH และ pOH ของสารละลาย HOAc ซงึ่ เปน็ กรดออ่ น เขม้ ขน้ 1.0×10-1 M (Ka=1.0x10-5) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 6. จงคาํ นวณหาคา่ pH และ pOH ของสารละลาย NH3 เขม้ ข้น 1.0×10-1 M (Kb =1.0x10-5) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………… 7. จงคาํ นวณหา pH ของสารละลายฟนี อล (PhOH) ซ่ึงเปน็ เบสออ่ น เขม้ ข้น 5.0×10-1 M (Ka=1.0×10-10) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 28 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 8. สารละลายกรดไฮโดรไซยานิก (HCN) 0.0500 mol/dm3 ที่ 25 องศาเซลเซียส มี pH = 5.4 จงคํานวณหาค่า Ka ของกรด HCN น้ี ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 9. สารละลายกรด HCl มี pH = 1.0 จํานวน 10.0 cm3 เติมน้ําเป็นสารละลาย 100.0 cm3 จงหา pH ของ สารละลายน้ี ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 9. อินดเิ คเตอร์สําหรับกรด-เบส นกั เรยี นเคยตรวจสอบความเป็นกรดหรือเบส ของสารละลายโดยใช้กระดาษลิตมัสมาแล้ว ซ่ึงการเปลี่ยนสี ของกระดาษลิตมัสจะบอกให้ทราบแต่เพียงว่าสารละลายเป็นกรดหรือเบสเท่าน้ัน แต่ไม่สามารถบอกได้ว่า สารใดมี ความเป็นกรดหรือเบสมากน้อยเพียงใด นอกจากกระดาษลิตมัสแล้วยังมีสารอื่นท่ีใช้ตรวจสอบความเป็นกรด-เบส ของสารละลายได้ สารทใี่ ช้บอกความเปน็ กรด-เบสของสารละลาย เราเรยี กวา่ อนิ ดิเคเตอร์ สาํ หรับกรด-เบส อินดิเคเตอร์เป็นสารอินทรีย์ประเภทกรดอ่อนหรือด่างอ่อน ซึ่งจะให้สีต่างกันท่ีช่วง pH หนึ่งๆ ช่วงการ เปลย่ี นสขี องอินดิเคเตอร์แตล่ ะชนดิ แตกต่างกันตามคณุ สมบัติเฉพาะตัว ดงั ตวั อยา่ งในตาราง 11 ตาราง 11 ช่วงการเปล่ียนสขี องอนิ ดิเคเตอร์ อนิ ดเิ คเตอร์ pKa ช่วงการ การเปล่ยี นแปลงสี เปลี่ยน pH Bromphenol blue acid Transition Basic Brommthymol blue Phenolphthalein 3.98 3.0-5.0 เหลือง เขยี ว ม่วง Methyl orange Methyl red 7.0 6.0-8.0 เหลือง เขียว นํา้ เงิน Phenol red 9.2 8.2-10.2 ไม่มสี ี ชมพู ชมพู 3.5 3.1-4.4 แดง สม้ สม้ -เหลือง 5.25 4.2-6.3 แดง เหลอื ง เหลือง-แดง 7.6 6.8-8.4 เหลอื ง ส้ม-แดง แดง อินดิเคเตอร์สาํ หรับกรด-เบส มลี ักษณะที่สําคญั ดังต่อไปน้ี -เปน็ สารอนิ ทรีย์ทีม่ สี ี (จัดเป็นสารประเภทสีย้อม) -มีสมบัตเิ ปน็ กรดอ่อนแทนดว้ ย HIn หรือมสี มบตั เิ ป็นเบสอ่อนแทนด้วย In -เปน็ สารอินทรีย์ท่มี ีโมเลกลุ ซบั ซ้อน (Complex organic molecule) -ไมล่ ะลายน้ํา แตล่ ะลายในแอลกอฮอล์ (ทนี่ ิยมใช้คือ เมทานอลและเอทานอล) หรอื อาจละลายในตัวทาํ ละลายผสมระหวา่ งนํา้ กับแอลกอฮอล์ -สีของอินดิเคเตอรเ์ ปน็ กรดอ่อน (HIn) จะต่างจากเมื่ออยู่ในรูปของคู่เบส (In-) ดังสมการ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 29 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. HIn (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + In- (aq) Kind = [H3O+][In-] [HIn] เมอื่ Kind = คา่ คงท่ีสมดลุ ของอินดิเคเตอร์ ตามหลกั ของเลอเชาเตอลเิ ออ เม่ือเพม่ิ ความเขม้ ข้นของ H3O+ สมดลุ ใหมเ่ ลื่อนไปทางซ้าย จงึ เห็นสี ของ HIn แต่ถ้าเติม OH- ลงไปจะทําให้ H3O+ มีความเข้มข้นลดลง สมดุลใหม่เล่ือนไปทางขวา จึงเห็นสีของ In- ถ้า สารละลาย ของ HIn เข้มข้นสูงกว่า In- 10 เท่า สารละลายจะมีสีของ HIn แต่ถ้าสารละลายของ In- เข้มข้นสูงกว่า HIn 10 เท่า สารละลายจะมีสีของ In- อินดิเคเตอร์ท่ีใช้ในห้องปฏิบัติการ ส่วนใหญ่อยู่ในรูปสารละลายที่มีนํ้าหรือแอลกอฮอล์ เป็นตัวทําละลาย โดยปกติจะใช้ความเข้มข้นประมาณร้อยละ 0.1 และใช้เพียง 2-3 หยด ก็สามารถสังเกตสีได้ชัดเจน อินดิเคเตอร์แต่ ละชนดิ เปลี่ยนสไี ดใ้ นชว่ ง pH ที่มคี า่ เฉพาะและแตต่ า่ งกนั เช่น เมทิลออร์เรนจ์ เปลีย่ นสีที่ pH 3.2-4.4 (แดง-เหลอื ง) ซ่งึ หมายความว่า ท่ี pH 3.2 หรือตํ่ากวา่ 3.2 จะมีสีแดง ท่ี pH 4.4 หรือสูงกวา่ 4.4 จะมีสีเหลือง ท่ี pH ระหว่าง 3.2 ถงึ 4.4 จะมีสีส้ม ซงึ่ เป็นสผี สมระหวา่ งสีแดงกับสีเหลอื ง ตารางที่ 12 อนิ ดเิ คเตอร์ และช่วง pH ของการเปล่ียนสี อนิ ดิเคเตอร์ ชว่ ง pH ของการเปล่ยี นสี สที่ ี่เปล่ยี น ไทมอลบลู (กรด) 1.2-2.8 แดง-เหลือง โบรโมฟีนอลบลู 3.0-4.6 เหลือง-น้าํ เงนิ คองโกเรด 3.0-5.0 นํา้ เงนิ -แดง เมทิลออร์เรนจ์ 3.2-4.4 แดง-เหลอื ง โบรโมครีซอลกรีน 3.8-5.4 เหลือง-น้ําเงนิ เมทิลเรด 4.2-6.3 แดง-เหลอื ง อะโซลิตมิน(ลิตมัส) 5.0-8.0 แดง-น้ําเงิน โบรโมครีซอลเพอร์เพิล 5.2-6.8 เหลือง-ม่วง โบรโมไทมอลบลู 6.0-7.6 เหลือง-นํ้าเงิน ครซี อลเรด 7.0-8.8 เหลอื ง-แดง ฟนี อลเรด 6.8-8.4 เหลอื ง-แดง ไทมอลบลู (เบส) 8.0-9.6 เหลอื ง-นํา้ เงนิ ฟีนอลฟ์ ทาลีน 8.3-10.0 ไมม่ ีสี-สชี มพู ไทมอลฟ์ ทาลนี 9.4-10.6 ไม่มีส-ี สนี า้ํ เงิน อะลีซาลินเยลโล 10.1-12.0 เหลือง-แดง เนอ่ื งจากอินดิเคเตอรแ์ ตล่ ะชนิดเปลี่ยนสีในช่วง pH ท่ีมีค่าเฉพาะและแตกต่างกัน การใช้อินดิเคเตอร์เพียง ชนิดเดียวทดสอบความเป็นกรด-เบสจึงบอกค่า pH ได้ช่วงกว้าง ๆ แต่ถ้านําอินดิเคเตอร์หลายชนิดและแต่ละชนิดมี ช่วงเปล่ียนสีในช่วง pH แตกต่างกัน เม่ือนํามาผสมกันในสัดส่วนท่ีเหมาะสม จะได้อินดิเคเตอร์ที่ใช้บอกค่า pH ของ สารละลายไดล้ ะเอียดขึน้ เรยี กว่าอนิ ดิเคเตอร์ผสมน้วี ่า ยนู ิเวอรซ์ ลั อินดเิ คเตอร์ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 30 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. การคิดชว่ ง pH ของอนิ ดิเคเตอร์ หลักการทํางานของอินดิเคเตอร์เหมือนการรบกวนสมดุลท่ีเกิดข้ึน ซึ่งพิจารณาได้ดังต่อไปน้ี ถ้าให้สูตร โมเลกลุ ของ HIn แทนลิตมัสในรูปของกรดซ่ึงมีสีแดง และ In- แทนในรูปของเบสซึ่งมีสีนํ้าเงินดังน้ันเขียนภาวะสมดุล ได้ HIn(aq) H+ + In- สแี ดง สนี ้าํ เงนิ ถ้าเพิม่ H+ สมดุลเลื่อนไปทางซ้ายสีทเี่ กดิ ขึน้ คอื สแี ดง ถ้าเพ่มิ OH- สมดลุ เล่อื นไปทางขวาสที ีเ่ กิดขึ้นคือสีนํ้าเงนิ หากคา่ คงท่ีสมดลุ ของอนิ ดเิ คเตอรม์ ีค่าประมาณ 1 × 10-7 เขียนค่าคงทสี่ มดุลของอนิ ดเิ คเตอรไ์ ด้ K HIn = [H + ][In− ] หรือ KI = [H + ][In− ] [HIn] [HIn] แทนค่าคงท่สี มดุลจะได้ 1×10−7 = [H + ][In − ] [HIn] 10 −7 = [In− ] [H + ] [HIn] ดงั น้ันถ้า pH = 5 หรือตา่ํ กวา่ จะได้ pH = -log[H+] จะได้ [H+] = 10-5 10−7 = [In − ] 10-5 [HIn] เพราะฉะนั้นจะได้ 1 = [In− ] 100 [HIn] พบวา่ [HIn] มีความเข้มขน้ เป็นรอ้ ยเท่าของ [In-] ดังนั้นสที ่ีเห็นจะเป็นสแี ดง จากการศึกษาข้างต้น จะเห็นไดว้ ่าอนิ ดเิ คเตอร์จะเปลย่ี นสีที่ pH เทา่ ใดกต็ ามจะข้ึนอยู่กับค่าคงท่ีสมดุลของ อินดิเคเตอรน์ นั้ ๆ จากความรเู้ บอ่ื งตน้ ทก่ี ลา่ วมาเราสามารถหาช่วง pH ได้ดงั น้ี จากความสมั พันธ์ pKa = -logKa จะได้ pKHIn = -logKHIn หรือ pKI = -logKI จากสมดุลของอินดิเคเตอร์ H3O+(aq) + In-(aq) HIn(aq) + H2O(l) KI (คา่ คงท่ี Indicator) = [H3O+ ][In − ] [HIn] [H 3 O + ] = [HIn]K I [In − ] Take –log ทงั้ สองข้าง จะได้ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 31 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. - log[H3O + ] = (-logK ) + (-log [HIn] ) I [In- ] จะได้ pH = pK I + log [HIn] [In − ] การเปลย่ี นแปลงสขี องอินดิเคเตอรจ์ ะสามารถปรากฏสไี ด้ 2 กรณี คือ กรณที ่ี 1 ถา้ [HIn] = 10 จะปรากฏสีรูปกรด [In − ] จะได้ pH = pK I + 1 กรณที ่ี 2 ถ้า [HIn] = 1 จะปรากฏสีรูปเบส [In − ] 10 จะได้ pH = pK I − 1 ดังนนั้ ชว่ ง pH ท่ีคาํ นวณไดจ้ ะมคี า่ เทา่ กับ pH = pKI ± 1 ค่าที่ได้จากการคํานวณจากความสัมพันธ์น้ันเป็นค่าประมาณเท่าน้ัน จริงๆ จะต้องทําการทดลองเพื่อที่จะ ได้คา่ ช่วง pH ของอนิ ดิเคเตอร์ แบบฝกึ หดั เสริม 1. ขอ้ มูลต่อไปนใ้ี ช้ประกอบการตอบคําถามขอ้ 1.1-1.2 อินดเิ คเตอร์ ช่วง pH สีในชว่ ง pH ต่ํา สีในช่วง pH สงู เมทลิ ออเรนจ์ 3.1-4.4 แดง เหลอื ง ไม่มีสี ชมพู ฟีนอลฟ์ ทาลีน 8.0-9.8 1.1 เมื่อเติม เมทิลออเรนจ์ ลงไปในสารละลายชนิดหน่ึง ปรากฎว่าสารละลายมีสีเหลือง สารละลายน้ีมี ช่วง pH เท่าใด …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 1.2 ถ้าหยดฟีนอล์ฟทาลีนลงในสารละลาย A จะได้สารละลายไม่มีสี แต่ถ้าหยดเมทิลออเรนจ์ลงไปใน สารละลาย A จะเป็นสแี ดง แสดงว่าสารละลาย A มชี ่วงการเปล่ยี นแปลง pH เท่าใด …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 32 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 2. กําหนดชว่ ง pH ของการเปลี่ยนแปลงสขี องอินดเิ คเตอร์ให้ดงั นี้ อินดเิ คเตอร์ ชว่ ง pH ของการเปล่ยี นสี สที เี่ ปล่ียน A 4.2-6.3 แดง-เหลือง เหลือง-นํา้ เงิน B 6.0-7.6 ไมม่ ีส-ี ชมพู C 8.3-10.0 ถ้าสารละลาย X ให้สีเหลืองกับอินดิเคเตอร์ A ให้สีเขียวแกมเหลืองกับอินดิเคเตอร์ B และไม่ให้สีกับอินดิ เคเตอร์ C ควรสรุปวา่ สารละลาย X มี pH ตามขอ้ ใด …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 3. นําสารละลาย HCl เขม้ ข้น X โมลตอ่ ลูกบาศกเ์ ดซิเมตร ใส่ในหลอดทดลอง 3 หลอด หลอดละ 2 ลูกบาศก์ เดซิเมตร แตล่ ะหลอดหยดอนิ ดิเคเตอร์ 2-3 หยด ไดผ้ ลดังตาราง หลอดที่ ชนดิ อนิ ดิเคเตอร์ สีทเี่ ปลี่ยน สที เ่ี ปล่ยี นใน สารละลาย HCl 1 คองโก ช่วง pH นา้ํ เงนิ -แดง 2 โบรโมครีซอลเพอรเ์ พลิ เหลือง-ม่วง แดง 3 ฟีนอลเรด 3.0-5.0 เหลือง-แดง เหลอื ง 5.2-6.8 เหลอื ง 6.8-8.4 สารละลาย X มีความเข้มข้น กี่โมลต่อลติ ร …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 4. A เป็นอนิ ดิเคเตอร์ชนิดหน่ึงมี pKI = 7.1 รปู กรดมสี เี หลือง สว่ นรูปเบสมีสีน้ําเงนิ เมอ่ื นาํ อนิ ดิเคเตอร์ A มาหยดลง ในสารละลายทมี่ ี pH 6.5, 5.2 และ 9.1 จะมีสีเป็นอยา่ งไร ตามลําดบั …………………………………………………………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………………………………………………………….………………………………………… ………………………………………………………………………………………..………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 33 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 10.ปฏกิ ิรยิ าสะเทนิ (Neutralization Reaction) โดยท่ัวไปปฏกิ ริ ิยาสะเทิน หมายถึงปฏิกิริยาระหว่างกรดกับน้ําในสารละลายน้ํา ผลิตผลของปฏิกิริยาจะได้ นา้ํ กบั เกลือ เช่น เกลอื แกง (NaCl) ซงึ่ เป็นผลติ ผลจากปฏิกริ ยิ าของกรด HCl และเบส NaOH ดังสมการ HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H2O (l) กรด เบส เกลือ เกลือ เกลือจัดเป็นสารประกอบไอออนิก ประกอบด้วย ไอออนบวกท่ีเป็นโลหะหรือแอมโมเนียมไอออน (NH4+) กับไอออนลบท่ีเป็นอโลหะ สารประกอบเกลือส่วนมากละลายนํ้า แต่บางชนิดไม่ละลายนํ้า โดยสมบัติของเกลือ เป็น ดังน้ี 1. แตกตัวเปน็ ไอออนบวกและลบได้ 100 % เชน่ เดียวกบั กรดแก่หรือเบสแก่ 2. สารละลายเกลอื เป็นอเิ ลก็ โทรไลตแ์ ก่ นาํ ไฟฟ้าดี 3. ส่วนมากละลายน้าํ 4. สว่ นใหญ่มสี ขี าว ยกเว้นเกลือของโลหะแทรนซชิ ันมีสีต่าง ๆ เกลอื ท่ีเกดิ จากปฏิกิริยาระหว่างกรดกบั เบส มี 4 แบบ คอื 1. เกลือของกรดแก่-เบสแก่ เชน่ NaCl (HCl+NaOH) และ KNO3 (HNO3+KOH) เป็นต้น 2. เกลอื ของกรดแก่-เบสออ่ น เช่น NH4Cl (HCl+NH3), และ (NH4)2SO4 (H2SO4+NH3) เปน็ ต้น 3. เกลือของกรดอ่อน-เบสแก่ เชน่ Na2CO3 (H2CO3+NaOH) และ CH3COONa (CH3COOH+NaOH) เป็นตน้ 4. เกลอื ของกรดอ่อน-เบสอ่อน เช่น CH3COONH4 (CH3COOH+NH3) และ NH4CN (HCN+NH3) เปน็ ต้น แบบฝึกหัดเสริม สารประกอบเกลือตอ่ ไปนีเ้ กดิ จากกรดกับเบสชนดิ ใด เขียนสมการแสดงการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าด้วย 1. KBr …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 2. NaNO3 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 3. MgSO4 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 4. K2CO3 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 5. NaHSO4 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 34 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 6. CaCO3 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 7. Na2S …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 8. CH3COOK …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 9. Ba3(PO4)2 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 10. Mg(ClO4)2 …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 11.ปฎิกริ ิยาไฮโดรไลซสิ ไฮโดรไลซิสโดยท่ัวไปหมายถึงปฏิกิริยาของสารกับน้ํา ซึ่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจัดเป็นปฏิกิริยาผันกลับของ ปฏกิ ริ ยิ าสะเทนิ ทีเ่ กิดขน้ึ จากกรดท่ีทําปฏกิ ริ ยิ ากับเบส ซงึ่ แสดงความสมั พันธ์ดงั น้ี ไฮโดรไลซสิ เกลอื + น้ํา ปฏกิ ริ ยิ าสะเทนิ กรด + เบส ไฮโดรไลซิสของเกลอื หมายถงึ ปฏกิ ิรยิ าของเกลือกับนาํ้ แลว้ ทําให้สารละลายของเกลือน้ันมีสมบัติเป็นกรด อ่อนหรือเป็นเบสอ่อนเพราะไอออนบางชนิดที่แตกตัวออกจากเกลือเมื่อเป็นสารละลายจะไปทําปฏิกิริยากับน้ําแล้ว ให้ H3O+ หรือ OH- เมื่อนําเกลือมาละลายน้ํา จะทําให้ pH เปลี่ยนแปลงหรือไม่น้ันเกิดจากเกลือที่เกิดข้ึนนั้นสามารถทํา ปฏิกิริยากบั น้ําไดห้ รอื ไม่ เมอ่ื ทําปฏกิ ริ ิยาแล้วทําใหเ้ กดิ ไฮโดรเนียมไอออนหรอื ไฮดรอกไซด์ไออนเกิดข้ึน ถ้าเกิดไฮโดร เนยี มไอออนขึน้ จะทาํ ใหส้ ารละลายเปน็ กรดและถ้าเกิดไฮดรอกไซดไ์ อออนจะเป็นเบสเกิดขึน้ ดงั ตัวอยา่ ง เชน่ ตัวอย่างท่ี 1 เม่ือนําเกลือ CH3COONa ไปละลายน้ําจะแตกตัวให้ โซเดียมไอออนและอะซิเตตไอออน จากนั้นอะซิเตตไอออนสามารถเกิดไฮโดรไลซิสกับน้ําเป็นอะซิติกและไฮดรอกไซด์ไอออนเกิดขึ้น ทําให้สารละลายที่ ได้มีสมบัติเป็นเบส ส่วนโซเดียมไอออนจะไม่เกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเกิดข้ึนเพราะมาจากเบสแก่ซ่ึงแตกตัวได้ 100 % แลว้ จึงไม่มีผลต่อปฏกิ ิริยา CH3COONa (s) H2O Na+(aq) + CH3COO-(aq) CH3COO-(aq) + H2O CH3COOH(aq) + OH-(aq) Na+(aq) + H2O(l) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 35 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตัวอย่างท่ี 2 เมื่อนําเกลือ NH4Cl มาละลายน้ํา ทําให้เกิดการแตกตัวเป็นแอมโมเนียมไอออนและคลอไรด์ ไอออน พบว่า แอมโมเนียมไอออนสามารถเกิดไฮโดรไลซิสกับน้ําเกิดไฮโดรเนียมไอออนขึ้น ทําให้สารละลายที่ได้มี สภาพเป็นกรด NH4Cl(s) H2O NH4+ (aq) + Cl-(aq) NH3(aq) + H3O+(aq) NH4+(aq) + H2O Cl-(aq) + H2O(l) ตัวอย่างท่ี 3 เม่ือนํา NaCl มาละลายน้ําจะสามารถแตกตัวได้โซเดียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออน เกิดข้ึนท้ังโซเดียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออน ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซีสขึ้นจึงทําให้สารละลายท่ีได้มี สภาวะเป็นกลาง Na+(aq) + Cl-(aq) NaCl(s) Na+(aq) + H2O(l) Cl-(aq) + H2O(l) จากตวั อย่างสารข้างตน้ เราสามารถสรุปได้วา่ -เกลือทไี่ ด้จากกรดแก่เบสแก่ นําไปละลายนาํ้ จะไดส้ ารละลายท่เี ปน็ กลาง -เกลอื ทไี่ ด้จากกรดแกก่ บั เบสอ่อน นาํ ไปละลายนาํ้ จะไดส้ ารละลายทีเ่ ปน็ กรด -เกลือทีไ่ ดจ้ ากกรดออ่ นกบั เบสแก่ นําไปละลายน้ําจะได้สารละลายที่เปน็ เบส -เกลอื ท่ไี ดจ้ ากกรดอ่อนกบั เบสออ่ น สารละลายทไ่ี ด้อาจเปน็ กรด เบส หรือ กลางกไ็ ด้ การคาํ นวณหาปริมาณ H3O+ OH- และ pH ของเกลอื ที่เกดิ จากปฏิกิริยาไฮโดรไลซีสกับนา้ํ 1. สารละลายเกลอื ทเ่ี กดิ ปฏิกิรยิ าไฮโดรไลซีสกับน้ําทมี่ สี มบัติเป็นกรด พบวา่ ส่วนท่ีเป็นไอออนบวกของเกลือทีไ่ ด้จากการแตกตวั ของเกลือเทา่ นน้ั ที่เกิดปฏกิ ริ ยิ าไฮโดรไลซสี กับนํ้า สมมติให้เกลือดงั กล่าวเป็น BH+X- BH+X- (aq) BH+ (aq) + X- (aq) (เกลอื ) เกิดปฏิกิรยิ าไฮโดรไลซีสกบั น้าํ ไมเ่ กดิ ปฏิกริ ยิ าไฮโดรไลซสี กบั นํา้ BH+ (aq) + H2O (l) B (aq) + H3O+ (aq) Kh = [B] [H3O+] (1) [BH+] จากสมการ (1) Kh = คา่ คงที่ของปฏิกิริยไฮโดรไลซีส S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 36 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. [B] [H3O+] [ OH- ] Kh = x [BH+] [ OH- ] Kh = [B] x [ OH- ] [H3O+] (2) [BH+] [OH- ] B (aq) + H2O (l) BH+ (aq) + OH- (aq) (3) Kb = [BH+] [OH-] (4) [B] 1 [B] = [BH+] [OH-] Kb Kw = [ OH- ][ H3O+ ] (5) นําสมการ (4) และ (5) ไปแทนในสมการ (2) จะได้ Kh = [B] x [ OH- ] [H3O+] (2) [BH+] [OH- ] (6) Kw 1 Kb Kh = Kw [B] [H3O+] = [BH+] Kb S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 37 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 2. สารละลายเกลือที่เกดิ ปฏิกริ ิยาไฮโดรไลซีสกบั น้ําที่มีสมบัติเปน็ เบส พบวา่ สว่ นทีเ่ ป็นไอออนลบของเกลือทไี่ ดจ้ ากการแตกตัวของเกลอื เท่าน้นั ที่เกิดปฏกิ ริ ิยาไฮโดรไลซสี กบั นํ้า สมมติ ให้เกลอื ดังกลา่ วเป็น Y+A- Y+A- (aq) Y+ (aq) + A- (aq) (เกลอื ) ไม่เกดิ ปฏิกริ ิยาไฮโดรไลซสี กบั นา้ํ เกดิ ปฏิกริ ิยาไฮโดรไลซสี กับน้าํ A- (aq) + H2O (l) HA (aq) + OH- (aq) Kh = [ HA ] [ OH- ] (1) [ A- ] จากสมการ (1) Kh = คา่ คงทขี่ องปฏกิ ิรยิ ไฮโดรไลซสี Kh = [ HA ] [ OH- ] x [H3O+] [ A -] [H3O+] Kh = [ HA ] x [ OH- ] [H3O+] (2) [ A- ] [H3O+] HA (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + A- (aq) (3) Ka = [H3O+] [A -] [ HA ] 1 [ HA ] (4) = [ H3O+ ] [ A- ] Ka Kw = [ OH- ] [ H3O+ ] (5) นําสมการ (4) และ (5) ไปแทนในสมการ (2) จะได้ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 38 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. Kh = [ HA ] x [ OH- ] [H3O+] (2) [H3O+] [ A- ] (6) Kw 1 Ka Kh = Kw [HA] [ OH- ] = [ A- ] Ka ตัวอย่างการคํานวณหาปรมิ าณ pH และรอ้ ยละของการไฮโดรไลซีสของเกลอื 1.จงคาํ นวณหา pH และรอ้ ยละของการไฮโดรไลซีสของเกลอื NH4Cl เข้มข้น 0.10 โมลต่อลูกบาศก์ เดซิเมตร (Kb ของ NH3 = 1.0×10-5 ) …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 2.จงคํานวณหา pH และร้อยละของการไฮโดรไลซีสของเกลือ CH3COONa เข้มข้น 0.10 โมลต่อลูกบาศก์ เดซิเมตร (Ka ของ CH3COOH = 1.0×10-5 ) …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 3.จงหา pH ของการไฮโดรไลซีสของเกลือ NH4CN 0.100 mol / dm3 ซึ่งเกลือชนิดน้ีเกิดจากกรดอ่อน และเบสอ่อน (กาํ หนด Ka ของ HCN = 4.0×10-10 Kb ของ NH3 = 1.0 ×10-5) …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 39 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. 4.สารละลาย X สามารถเปลี่ยนสีของกระดาษลิตมัสจากแดงเป็นน้ําเงิน เมื่อนําสารละลาย X เข้มข้น 0.0100 M มา 3.0 cm3 เติมสารละลาย Ca(OH)2 เข้มข้น 0.0100 M ลงไป 1.0 cm3 พบว่ามีตะกอนขาวเกิดข้ึน และกระดาษลิตมัสยังคงเปลี่ยนสีจากแดงเป็นนํ้าเงิน ถ้านําสารละลายอีกส่วนหน่ึง 3.0 cm3 เติม HCl เข้มข้น 0.0100 M ลงไป 4.0 cm3 ปรากฏว่ามีฟองก๊าซเกิดขึ้น และเม่ือทดสอบสารละลายใหม่นี้ด้วยกระดาษลิตมัสปรากฏ ว่ากระดาษลิตมัสเปล่ียนจากนํ้าเงินเป็นแดง จากการทดลองน้ีสาร X ควรเป็นสารในข้อใดมากท่ีสุด และให้นักเรียน เขยี นสมการทเ่ี กดิ ขึ้น 1. CH3COONa 2. NaHCO3 3. KNO3 4. NH4Cl คาํ ตอบคือ............................................................................................................................................ เหตุผลทาํ ไมถึงเลอื กคาํ ตอบขอ้ น…ี้ ……………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………. 5.สารละลายเกลือท่มี ีความเข้มข้น 0.0500 mol / dm3 ตอ่ ไปนี้ ขอ้ ใดมี pH สูงสดุ 1. NH4Cl 2. NH4NO3 3. NH4Br 4. เท่ากนั ทัง้ 3 ขอ้ คําตอบคือ.................................................................................................................................................. เหตุผลทาํ ไมถงึ เลือกคาํ ตอบข้อนี…้ …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………….………… …………………………………………………………………………………………………………...…………. 12. การไทเทรตกรด-เบส การไทเทรต (Titration) คือ กระบวนการของปฏิกิริยาเคมีสําหรับหาปริมาณสารระหว่างสารละลาย 2 ชนิด ทําปฏิกิริยาพอดีกัน โดยสารละลายชนิดหน่ึงทราบความเข้มข้น แต่สารละลายอีกชนิดหน่ึงไม่ทราบความ เข้มข้น และวัดปริมาตรของสารละลายท้ังสองที่ทําปฏิกิริยาพอดีกัน การไทเทรตมีหลายแบบ เช่น การไทเทรตกรด- เบส และการไทเทรตแบบรีดอกซ์ เป็นตน้ การไทเทรตกรด-เบส เป็นกระบวนการที่สําคัญที่สุดอย่างหน่ึงในการวิเคราะห์ทางเคมี วัตถุประสงค์ก็เพ่ือ จะหาปริมาณกรดและเบสทําปฏิกิริยากันพอดี แล้วนําไปใช้ในการคํานวณความเข้มข้นของกรดและเบส จุดที่กรด และเบสทําปฏิกิริยาพอดีกันเรียกว่า จุดสมมูล (Equivalent point) ซึ่งจุดสมมูลของกรดและเบสแต่ละคู่จะมี pH ต่างกนั ขน้ึ อย่กู บั ชนดิ ของกรดและเบสนน้ั ๆ กระบวนการหาจุดสมมลู หรอื จุดยุติ สามารถทาํ ได้ 2 วธิ ี คือ 1.ใช้การนาํ ฟ้าของสารละลาย คอื การหาจดุ ยตุ ิทเ่ี ป็นจดุ ทมี่ สี ภาพการนาํ ไฟฟา้ ไดน้ อ้ ยท่ีสดุ ของ สารละลาย 2.ใชก้ ารเปลยี่ นสขี องอินดเิ คเตอร์ คือการหาจดุ ยุติท่อี ินดเิ คเตอร์เปลีย่ นสี 1.การนาํ ไฟฟ้าของสารละลายกับการไทเทรตกรด-เบส การเปล่ยี นแปลงความเข้มข้นของ H+หรือ OH- ในสารละลายเป็นสาเหตุทําให้เกิดการเปล่ียนแปลงสภาพ การนําไฟฟ้าในสารละลาย เมื่อนํากรดและเบสมาทําปฏิกิริยาจะเกิดเกลือขึ้น เรียกปฏิกิริยาน้ีว่าปฏิกิริยาสะเทิน ซึ่ง ปฏิกิริยานี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนในปฏิกิริยาซ่ึงวัดได้จากสภาพการนําไฟฟ้าของ สารละลาย ณ จดุ ท่กี ารนาํ ไฟฟา้ เปลย่ี นกลับกัน เรยี กจดุ นว้ี า่ จดุ ยุติ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 40 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. รูปการไทเทรตสารละลายกรด-เบส โดยใช้การนําไฟฟา้ ตัวอย่างอุปกรณ์การไทเทรต โดยใช้การนาํ ไฟฟ้า เครอ่ื งอ่านคา่ หวั วดั รูปเคร่อื งมือ Data Logger รุน่ Easy sense Advance ถ้านําสารละลาย NaOH เข้มข้น 0.100 M จํานวน 20.00 cm3บรรจุอยู่ในขวดชมพู่ จากน้ันนําเคร่ืองวัด การนําไฟฟา้ มาตอ่ ให้ครบวงจร โดยมเี คร่อื งกาํ เนิดไฟฟ้ากระแสตรง 4 โวลต์ ส่วนในบิวเรตบรรจุสารละลายกรด HCl เข้มข้น 0.100 M แล้วไทเทรตสารละลายกรด HCl ลงในเบส NaOH คร้ังละ 1.00 cm3 แล้วอ่านค่ากระแสไฟฟ้า จากเครื่องมิลลิแอมมิเตอร์ ซ่ึงเคร่ืองน้ีสามารถบอกสภาพการนําไฟฟ้าได้ แล้วบันทึกผลการทดลองซึ่งเม่ือนําค่า สภาพการนาํ ไฟฟา้ ไปเขยี นกราฟกับปริมาณของกรด HCl ทเ่ี ติมลงไป (cm3) จะได้กราฟดังแสดง รูปกราฟการไทเทรตเบสแก่ ด้วยกรดแก่ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 41 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. จากกราฟอธิบายไดว้ ่า ทจ่ี ดุ A สภาพการนาํ ไฟฟ้าสงู เพราะในสารละลายมี NaOH มีปรมิ าณ OH- มาก ทจ่ี ุด A – B สภาพการนําไฟฟ้าลดลง เพราะ OH- ลดลง แต่ Cl- เพ่ิมขน้ึ (OH- นําไฟฟ้าได้ดีกวา่ Cl-) ที่จดุ B จดุ ยุติ (ใกลจ้ ุดสมมูล) สภาพการนาํ ไฟฟ้าต่ําท่สี ดุ เมือ่ ปฏิกิรยิ าเกดิ การสะเทิน พอดีสภาพการนําไฟฟา้ ไมเ่ ป็นศูนย์ เพราะในสารละลายยงั คงมไี อออนคือ Na+ และ Cl- อยู่ ทจี่ ุด B – C สภาพการนาํ ไฟฟ้าเพ่มิ ขึ้น เนื่องจากกรด HCl (กรดแก)่ เพ่มิ ข้นึ ทาํ ใหเ้ กิด H+ เคล่อื นทม่ี ากขึ้น เสน้ กราฟจะสูงข้ึนตามปรมิ าณ H+ เพมิ่ ขน้ึ ตัวอย่างท่ี 2 การนําไฟฟ้าของการไทเทรตระหว่างเบสแก่ (NaOH เข้มข้น 0.100 M) ด้วยกรดอ่อน (CH3COOH) เขม้ ข้น 0.100 M ทจี่ ดุ A รปู กราฟการไทเทรตเบสแก่ ด้วยกรดออ่ น ที่จุด A – B ทีจ่ ดุ B ......................................................................................................................... ที่จุด B – C ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 42 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตวั อย่างท่ี 3 การนําไฟฟา้ ของการไทเทรตระหว่างเบสอ่อน (NH3 เข้มข้น 0.100 M) ดว้ ยกรดแก่ (HCl) เข้มข้น 0.100 M รูปกราฟการไทเทรตเบสออ่ น ดว้ ยกรดแก่ ทจ่ี ดุ A ......................................................................................................................... ทีจ่ ดุ A – B ......................................................................................................................... ทจ่ี ดุ B ......................................................................................................................... ทจ่ี ุด B – C ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ตัวอย่างท่ี 4 การนําไฟฟ้าของการไทเทรตสารละลายกรดซลั ฟวิ ริก เข้มข้น 0.10 M ด้วยสารละลายแบเรียมไฮดรอก ไซด์เข้มข้น 0.10 M ทีจ่ ุด A รูปกราฟการไทเทรตกรดแกด่ ้วยเบสแก่ เกิดเกลอื ทตี่ กตะกอน ท่จี ดุ A – B ทีจ่ ุด B ......................................................................................................................... ทจี่ ุด B – C ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 43 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตัวอย่างที่ 5 จงเปรียบเทียบกราฟตรงจุด B ของรูปท่ี ก. และ ข. ว่าเพราะเหตุใดกราฟจึงไม่เหมือนกันในเมื่อเป็น การไทเทรตระหวา่ งกรดแกก่ ับเบสแก่เหมือนกนั จงอธิบาย เหตผุ ลเพราะ............................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. 2. ใชก้ ารกระบวนการเปล่ยี นสีของอินดเิ คเตอร์ การไทเทรตกรด-เบส เป็นกระบวนการวิเคราะห์หาปริมาณของกรดหรือเบส ให้ทําปฏิกิริยาพอดีกันกับ สารละลายมาตรฐาน กรดหรือเบส ซ่ึงเป็นสารละลายที่ทราบความเข้มข้นท่ีแน่นอนแล้ว และใช้อินดิเคเตอร์เป็นสาร ทบี่ อกจุดยตุ ิ ซึง่ สงั เกตจากการเปลี่ยนสี เม่อื pH เปลีย่ นไป อินดิเคเตอร์ทีด่ ีจะบอกจุดยุติ ใกล้เคียงกับจุดสมมูล (เป็น จดุ ทก่ี รดกบั เบสทาํ ปฏกิ ริ ยิ าพอดกี นั ) จุดสมมูล (จุดสะเทนิ (Equivalent point)) คือจุดทกี่ รดและเบสทําปฏิกริ ิยาพอดีกนั จุดยุติ (End point) คือ จุดท่ีอินดิเคเตอร์เปล่ียนสีขณะท่ีไทเทรตกรด-เบสอยู่ จุดยุติจะใกล้เคียงกับจุด สมมูลไดน้ นั้ ต้องเลือกอินดเิ คเตอร์เหมาะสมในทางปฏบิ ัติ ถอื วา่ จดุ ยุติเปน็ จดุ สมมูล เคร่อื งมือและอุปกรณ์สาํ หรับการไทเทรตกรด-เบส ปเิ ปต ขวดชมพู่ บวิ เรต รปู เครอื่ งมือและอุปกรณ์ทีใ่ ช้ในการไทเทรตกรด-เบส (ที่มา:เคมีทบวงมหาวิทยาลัย) อนิ ดิเคเตอรท์ ใี่ ช้ในการไทเทรตนั้นข้ึนอยู่ว่าเราจะไทเทรตกรด-เบสแบบใด โดยอินดิเคเตอร์ท่ีดีควรจะบอก จุดยตุ ิได้ตรงกบั จุดสะเทินพอดี หรอื มีคา่ ใกลเ้ คียงกับจุดสะเทินมากทสี่ ดุ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 44 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. รูปอนิ ดเิ คเตอรช์ นดิ ต่าง ๆ สารละลายมาตรฐาน คอื สารละลายท่ีทราบความเขม้ ขน้ ทแี่ น่นนอน สารละลายทีจ่ ะหาความเขม้ ขน้ คอื สารที่ต้องการจะคาํ นวณหาความเข้มข้น การไทเทรตกรด-เบส นิยมใส่สารละลายมาตรฐานไว้ในบิวเรต ส่วนสารที่ไม่ทราบความเข้มข้นตวงใส่ขวด ชมพู่ โดยจะทราบปริมาณของสารละลายแล้วหยดอินดิเคเตอร์ที่เหมาะสมลงไป จากนั้นก็นําไปไทเทรตกับ สารละลายมาตรฐานในบวิ เรตจนถึงจุดยุติซึ่งเป็นจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี วัดปริมาตรของสารละลายมาตรฐานท่ีใช้ แลว้ นาํ ข้อมูลตา่ ง ๆ จากผลการทดลองไปคํานวณหาความเข้มขน้ ของสารละลายทต่ี อ้ งการได้ รปู อุปกรณ์การไทเทรตสารละลายกรด-เบส โดยใช้อินดิเคเตอร์บอกจดุ ยุติ ก่อนการไทเทรต หลงั การไทเทรต (ไมม่ สี )ี (สชี มพอู อ่ น) รปู การไทเทรตสารละลายกรด-เบส ด้วยอนิ ดเิ คเตอร์ฟนี อฟล์ทาลนี การไทเทรตกรด-เบส เป็นการวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อหาปริมาณของกรด-เบสที่ทําปฏิกิริยาพอดีกันแล้ว นําไปใช้ในการคํานวณหาความเข้มข้นของกรด-เบสที่ไม่ทราบค่า จุดที่กรดและเบสทําปฏิกิริยพอดีกันเรียกว่าจุด สมมูล (Equivalence point) ท่ีจุดสมมูลของการไทเทรตระหว่างกรด-เบสแต่ละคู่ จะไม่เท่ากันข้ึนอยู่กับชนิดของ กรด-เบสท่ีทําปฏิกิริยากัน ดังน้ันก่อนการไทเทรตระหว่างกรด-เบสจะต้องศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลง pH ของ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 45 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. สารละลายขณะทําการไทเทรตโดยเฉพาะ pH ที่จุดสมมูลด้วย โดยการสร้างเส้นโค้งของการไทเทรต (titration curve) เส้นโค้งของการไทเทรตได้จากการเขียนกราฟระหว่าง pH ของสารละลายผสมขณะไทเทรตกับปริมาณ ของสารที่ค่อย ๆ เติมลงไป (โดยทั่วไปจะเป็นการวัดปริมาตรของสารละลายท่ีเติมลงไปโดยบรรจุไว้ในอุปกรณ์วัด ปริมาตรท่ีเรียกว่าบิวเรตสําหรับอ่านค่าปริมาตรส่วนที่เติมลงไปได้สะดวก) (รูปก.) ลักษณะของกราฟที่ได้จะเป็นเส้น โค้ง จึงเรียกเส้นโค้งของการไทเทรต เช่นการไทเทรตระหว่างกรดแก่(HCl)กับเบสแก่(NaOH) โดยเติมเบสที่ทราบ ความเข้มข้น 0.1 M จากบิวเรตลงไปในสารละลายกรดที่ทราบความเข้มข้นและปริมาตรแล้ว ก่อนการไทเทรต สารละลายจะมีค่า pH ค่าหน่ึง เมื่อค่อย ๆ เติมเบสลงไป เบสจะทําปฏิกิริยากับกรดทําให้ pH ของสารละลายผสม ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ทุกครั้งที่เติมเบสจํานวนหน่ึงลงไปสามารถคํานวณหา pH ของสารละลายผสมได้ หรืออ่านค่าจาก pH-meter เมื่อเขียนเขียนกราฟระหว่าง pH ของสารละลายผสมกับปริมาตรของเบสที่เติมลงไปจะได้เส้นโค้งของ การไทเทรตระหว่างกรดกับเบสคนู่ ้ี ดังรปู ข. การเลอื กใชอ้ นิ ดิเคเตอร์ในการไทเทรต อินดิเคเตอร์เป็นสารอินทรีย์ที่มีโครงสร้างสลับซับซ้อน และเปลี่ยนสีได้เม่ือ pH ของสารละลาย เปล่ียนแปลงไปเป็นค่าท่ีเหมาะสม ตัวอย่างเช่น เมทิลออเรนจ์จะมีสีแดงในสารละลายที่มี pH ตํ่ากว่า 3.1 และมีสี เหลืองในสารละลายที่มี pH สูงกว่า 4.5 แต่ถ้าสารละลายมี pH อยู่ระหว่าง 3.1-4.5 สีของอินดิเคเตอร์จะเป็นสีผสม ระหว่างสีเหลืองกับสีแดง ดังน้ัน การเปล่ียนสีของอินดิเคเตอร์จึงข้ึนอยู่กับ pH ของสารละลาย โดยนัยนี้จึงใช้อินดิเค เตอรใ์ นการบอก pH ของสารละลายได้ อินดิเคเตอร์มีสมบัติเป็นกรดอ่อนหรือเบสอ่อน และเน่ืองจากสีของอินดิเคเตอร์มักเข้ม ดังน้ัน การใช้อินดิ เคเตอร์ในการหา pH จึงใชส้ ารละลายเจอื จางของอินดิเคเตอร์เพียง 2-3 หยด เติมลงไปในสารละลายท่ีสนใจ ซึ่งไม่มี ผลทําใหค้ วามเปน็ กรด-เบสของสารละลายเปล่ียนแปลงไป การเลอื กอินดเิ คเตอร์สําหรับการไทเทรต สามารถพิจารณาได้จาก 1.การพิจารณาจาก pH ที่จุดสมมูล ถ้าเราเลือกอินดิเคเตอร์ที่เปล่ียนสีตรงช่วง pH ของจุดสมมูลพอดีก็จะ ได้จุดยุติตรงกับจุดสมมูลหรือใกล้เคียงกับจุดสมมูลมากที่สุด เช่นท่ีจุดสมมูลสารละลายมี pH = 7 อินดิเคเตอร์ที่ เลือกควรมีช่วงการเปลี่ยนสีระหว่างจุดสมมูล เม่ือพิจารณาจากช่วง pH ของการเปล่ียนสีจากตารางช่วง pH พบว่า บรอมไทมอลบลู ครีซอลเรด ฟนี อลเรด เหมาะสาํ หรับใช้ในการไทเทรตได้ S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 46 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. ตารางช่วง pH ของการเปลย่ี นสี อนิ ดิเคเตอร์ ชว่ ง pH ของการเปลยี่ นสี สี่ท่ีเปลย่ี น บรอมไทมอลบลู 6.0-7.6 เหลอื ง-นํา้ เงิน เหลอื ง-แดง ครีซอลเรด 7.0-8.8 เหลอื ง-แดง ฟีนอลเรด 6.8-8.4 แต่ถ้าเลือกอินดิเคเตอร์ไม่เหมาะสม จุดยุติก็จะห่างจากจุดสมมูล และถ้านําปริมาตรท่ีจุดยุติไปใช้ในการ คาํ นวณโดยถือเป็นปริมาตรท่จี ุดสมมูล คา่ ที่ไดก้ ็จะผดิ พลาดไปมาก 2.การพิจารณาจากเส้นโค้งของการไทเทรต (กราฟการไทเทรต) โดยวิธีนี้จะเลือกอินดิเคเตอร์สําหรับการ ไทเทรตได้หลายชนิด โดยสามารถนําอินดิเคเตอร์ท่ีมีการเปลี่ยนแปลงสีในช่วง pH ที่อยู่ในแนวด่ิงมาใช้ในการ ไทเทรต เชน่ กราฟการไทเทรตกรดแก่กบั เบสแก่ (ที่มา: ทบวงมหาวทิ ยาลัย, 2541) การไทเทรตกรดแก่กับเบสแก่ จากกราฟข้างบน จะเห็นว่าเมื่อใกล้ถึงจุดสมมูล pH ของสารละลายจะ เปลี่ยนอย่างรวดเร็วจาก 4 7 10 ดังนั้น อินดิเคเตอร์ท่ีมีช่วง pH 4 10 จะเปลี่ยนสีท่ี จุดยุติ ใกลก้ บั จุดสมมูล กราฟการไทเทรตเบสออ่ นกับกรดแก่ (ที่มา: ทบวงมหาวทิ ยาลัย, 2541) การไทเทรตเบสอ่อนกับกรดแก่ จากกราฟข้างบน เม่ือใกล้ถึงจุดสมมูล pH ของสารละลายจะเปลี่ยนจาก 4 5.28 6 ดังนน้ั อินดิเคเตอร์ทเ่ี หมาะสมจงึ ควรมชี ว่ ง pH 4 6 กราฟการไทเทรตกรดอ่อนกบั เบสแก่ (ทมี่ า: ทบวงมหาวิทยาลัย, 2540) S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 47 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. การไทเทรตกรดอ่อนกับเบสแก่ จากกราฟขา้ งบน เม่อื ใกล้ถึงจดุ สมมลู pH ของสารละลายจะเปลยี่ นจาก 7.0 8.72 10 ดงั น้นั อินดเิ คเตอร์ทีเ่ หมาะสมจงึ ควรมีชว่ ง pH 7.0 10 ตวั อยา่ งอินดิเคเตอร์ และชว่ ง pH ของการเปลี่ยนสี อินดเิ คเตอร์ ชว่ ง pH ของการเปลยี่ นสี สีท่ เ่ี ปลี่ยน ไทมอลบลู (กรด) 1.2-2.8 แดง-เหลอื ง โบรโมฟีนอลบลู 3.0-4.6 เหลือง-นา้ํ เงิน คองโกเรด 3.0-5.0 น้าํ เงิน-แดง เมทิลออรเ์ รนจ์ 3.2-4.4 แดง-เหลอื ง โบรโมครซี อลกรีน 3.8-5.4 เหลือง-นา้ํ เงนิ อะโซลิตมิน(ลติ มัส) 5.0-8.0 แดง-นาํ้ เงนิ โบรโมครซี อลเพอร์เพิล 5.2-6.8 เหลือง-ม่วง บรอมไทมอลบลู 6.0-7.6 เหลอื ง-นาํ้ เงิน ครซี อลเรด 7.0-8.8 เหลือง-แดง ฟีนอลเรด 6.8-8.4 เหลือง-แดง ไทมอลบลู (เบส) 8.0-9.6 เหลือง-นา้ํ เงนิ ฟนี อลฟ์ ทาลีน 8.3-10.0 ไมม่ ีสี-สชี มพู ไทมอลฟ์ ทาลนี 9.4-10.6 ไมม่ สี -ี สีนํา้ เงิน อะลิซาลินเยลโล 10.1-12.0 เหลอื ง-แดง สรปุ การไทเทรตระหว่างกรดกบั เบสชนดิ ตา่ ง ๆ กันในการเลือกใชอ้ นิ ดิเคเตอร์ ชนิดของกรดกับเบสที่ pH ของสารละลาย ช่วง pH ทเี่ ลอื ก อนิ ดเิ คเตอรท์ เี่ ลือก นาํ มาไทเทรต ผลติ ภัณฑ์ เมอ่ื ถึง อินดเิ คเตอร์ ใช้ไทเทรต กรดแก่กบั เบสแก่ จุดสมมูล 4-10 เมทลิ ออเรนจ์ กรดออ่ นกับเบสแก่ เท่ากบั 7 กรดแก่กับเบสอ่อน (ชว่ ง pH 3.1-4.4) กรดอ่อนกับเบสออ่ น มากกว่า 7 น้อยกวา่ 7 บอมไทมอลบลู บอกไมไ่ ด้ ขนึ้ อยู่ชนดิ ของ กรดกบั เบสนน้ั (ชว่ ง pH 6.0-8.0) ฟีนอลท์ าลีน (ช่วง pH 8.3-10.0) 7-10 ฟนี อลท์ าลีน (ชว่ ง 8.3-10.0) 4-6 เมทิลออเรนจ์ (ช่วง pH 3.1-4.4) ช่วง pH ท่ีจะเลือกแคบมาก เลือกอินดิเคเตอร์ยาก ถ้า อาจตกอยู่ในช่วงกรดหรือ หลีกเลี่ยงการไทเทรต เบส ข้ึนอยู่กับชนิดกรดอ่อน กรดอ่อนกับเบสอ่อนได้ และเบสอ่อนที่ใช้นั้น จะเป็นการดี S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 48 -
……..สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องคก์ ารมหาชน………….. แบบฝกึ หัดเสริม ข้อมลู ต่อไปน้ใี ช้ประกอบการตอบคาํ ถามข้อ 1 - 4 ชนิดของพืช ช่วง pH สีในชว่ ง pH ตํา่ สใี นช่วง pH สงู อัญชัน (มว่ ง) 1-3 แดง ม่วง กระเจ๊ียบ 6-7 แดง เขยี ว ผกากรอง 10-11 ไม่มีสี เหลือง ดาวเรือง 9-10 ไมม่ สี ี เหลือง จงเลอื กใช้อนิ ดเิ คเตอร์จากชนดิ ของพชื ในตารางน้ี เพื่อบอกจุดยุติในการไทเทรตสารละลายกรด-เบสคู่ต่อไปนี้ พร้อม เหตผุ ล 1. NH3 (aq) + HNO3 (aq) อินดเิ คเตอรท์ ี่ใช้คือ (ตอบไดม้ ากกว่า 1 ชนดิ ) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. KOH (aq) + HCl (aq) อนิ ดเิ คเตอร์ทีใ่ ช้คอื (ตอบไดม้ ากกว่า 1 ชนดิ ) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. Ca(OH)2 (aq) + H2SO4 (aq) อินดิเคเตอร์ทใี่ ชค้ อื (ตอบได้มากกวา่ 1 ชนดิ ) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. NaOH (aq) + HCOOH (aq) อนิ ดิเคเตอร์ท่ใี ชค้ อื (ตอบได้มากกว่า 1 ชนดิ ) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… S c i 3 0 2 3 2 จ ล น ศ า ส ต ร์ เ ค มี แ ล ะ ส ม ดุ ล เ ค มี ; ก ร ด - เ บ ส หน้า - 49 -
Search
