ทฤษฎีกรด–เบส

ทฤษฎีกรด–เบส

สีของสารละลายกรดที่ pH ต่างๆ โดยมีน้ำกระหล่ำปลีแดงคั้นเป็นอินดิเคเตอร์

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

นิยามของอาร์รีเนียส

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

สเวนเต อาร์รีเนียส (Svante Arrhenius)
การแตกตัวในน้ำของกรด

HCl (aq) → H+ (aq) + Cl− (aq)
การแตกตัวในน้ำของเบส

NaOH (aq) → Na+ (aq) + OH− (aq)

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

H2O(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq)

ปัญหาที่สำคัญของทฤษฎีกรด-เบสของอาร์รีเนียส คือ ไม่สามารถระบุความเป็นกรด-เบสของสารที่ไม่ละลายน้ำได้ และไม่สามารถระบุความเป็นกรดที่ไม่มีไฮโดรเจนได้ เช่น AlCl3หรือเบสที่ไม่มีไฮดรอกไซด์ไอออน เช่น NH3 หรือ N(CH3)3 ได้ จึงมีการนิยามขึ้นใหม่โดยนักเคมีรุ่นหลังอ่านต่อ>>

โมล(Mole)

โมล(Mole)

เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก การทำปฏิกิริยากันของอะตอมเกิดเป็นโมเลกุลจำเป็นต้องเพิ่มจำนวนอะตอมของสารตั้งต้นให้มากพอเพื่ออำนวยให้สามารถมองเห็นได้ หรือสามารถชั่งปริมาณได้ นักวิทยาศาสตร์จึงเพิ่มจำนวนอะตอมเป็น 6.02 x และเรียกจำนวน อนุภาคนี้ว่า 1 โมล และเลขจำนวนนี้เรียกว่า เลขอาโวกาโดร (Avogadro' number)



1 โมล(mol) ของสารใด ๆ ก็ตาม มีจำนวนอนุภาค = 6.02 x อนุภาค

จำนวน 6.02 นี้เเรียกว่า เลข อาโวกาโดร


พึ่งสังเกตว่า เลขอาโวกาโดรนี้ ใช้ได้ทั้ง อะตอมและโมเลกุล กล่าวคือ ถ้าเป็นกรณีของอะตอม 1 โมล(อะตอม) จะมีจำนวนอะตอม เท่ากับ 6.02 ถ้าเป็นโมเลกุล 1 โมล(โมเลกุล) ก็จะมีจำนวนโมเลกุล เท่ากับ 6.02 เช่นกัน

ตัวอย่าง 1 ถ้าคาร์บอน 1 อะตอม ทำปฏิกิริยากับคลอรีน 4 อะตอม เกิดคาร์บอนเตตระคลอไรด์ 1 โมเลกุล ดังนี้

                                     C        +    4Cl   ----- CCl₄

                                  1  อะตอม    4 อะตอม          1 โมเลกุล

           ก.  เขียนสมการข้างต้นเป็นโมล         

                                      C        +    4Cl   ----- CCl₄

                                          1  โมล         4 โมล              1 โมล

            ข.  แปลงจากรูปโมลเป็นจำนวนอนุภาค

                                   C                 +             4Cl                       -----                 CCl₄

                     1 6.02    อะตอม     4 6.02    อะตอม                   1 6.02   โมเลกุล

            ค.  บอกจำนวนโมลของธาตุต่าง ๆ ใน CCl₄

                เราทราบว่า CCl₄ 1 โมเลกุลประกอบด้วย C 1 อะตอม และ Cl 1 อะตอม นั่นคือ

                                 CCl₄   1 โมล ประกอบด้วย  C 1  และ Cl  4 โมล

กฎสัดส่วนคงที่

โจเซฟ เพราสต์ เป็นผู้ก่อตั้งกฏนี้ขึ้นในศตวรรษที่ 18 ใจความว่า

"อัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบชนิดหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงที่ ไม่ว่าจะเตรียมสารประกอบนั้นกี่ครั้ง หรือ โดยวิธีการต่างกันอย่างไรก็ตาม"

ตัวอย่าง

เมื่อเผา C จำนวน 1.2 กรัม ในอากาศ ปรากฏว่าต้องใช้ออกซิเจนจำนวน 3.2 กรัม ในการทำปฏิกิริยาพอดีกับ C จำนวนนี้ เพื่อให้เกิดเป็น CO₂ หมด และเมื่อนำ CO₂ ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาของหินปูนกับสารละลายกรดเกลือ พบว่า CO₂ ที่เกิดขึ้นจำนวน 2.2 กรัม มี C อยู่ 0.6 กรัม จงแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบของ CO₂ เป็นไปตามกฏสัดส่วนคงที่

วิธีทำ

เมื่อเผา C ในอากาศ

อัตราส่วนโดยมวลของ C : O ใน CO₂  =  1.2 : 3.2

                                                       =  3 : 8

เมื่อหินปูนทำปฏิกิริยากับสารละลายกรดเกลือ

มวลของออกซิเจนใน CO₂  =  2.2 - 0.6  = 1.6

อัตราส่วนโดยมวลของ C : O ใน CO₂      =  0.6 : 1.6

                                                           = 3 : 8

จะเห็นว่า อัตราส่วนโดยมวลของ C : O ใน CO₂ เป็นค่าคงที่เสมอ ไม่ว่าจะเตรียม CO₂ โดยวิธีการใดก็ตาม ซึ่งเป็นไปตามกฏสัดส่วนคงที่

พันธะเคมี

พันธะเคมี

ชนิดของพันธะเคมี

พันธะภายในโมเลกุล (intramolecular bond)	พันธะระหว่างโมเลกุล (intermolecular bond)
พันธะโคเวเลนต์ (covalent bonds)	พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonds)
พันธะไอออนิก (ionic bonds)	แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces)
พันธะโลหะ ( metallic bonds)	แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล - ไอออน (molecule-ion attractions)

พันธะไอออนิก

พันธะไอออนิก ( Ionic bond ) หมายถึงแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดในสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่าง 2 อะตอมอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีต่างกันมาก อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีน้อยจะให้อิเลคตรอนแก่อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีมาก และทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ อะตอมครบ 8 (octat rule ) กลายเป็นไอออนบวก และไอออนลบตามลำดับ เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ และเกิดเป็นโมเลกุลขึ้น เช่น การเกิดสารประกอบ NaCl ดังภาพ

จากตัวอย่าง Na ซึ่งมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 ได้ให้อิเล็กตรอนแก่ Cl ที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 จึงทำให้ Na และ Cl มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เกิดเป็นสารประกอบไอออนิก

สมบัติของสารประกอบไอออนิก

1. มีขั้ว เพราะสารประกอบไอออนิกไม่ได้เกิดขึ้นเป็นโมเลกุลเดี่ยว แต่จะเป็นของแข็งซึ่งประกอบด้วยไอออนจำนวนมาก ซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้า
2. ไม่นำไฟฟ้าเมื่ออยู่ในสภาพของแข็ง แต่จะนำไฟฟ้าได้เมื่อใส่สารประกอบไอออนิกลงในน้ำ ไอออนจะแยกออกจากกัน ทำให้สารละลายนำไฟฟ้าในทำนองเดียวกันสารประกอบที่หลอมเหลวจะนำไฟฟ้าได้ด้วยเนื่องจากเมื่อหลอมเหลวไอออนจะเป็นอิสระจากกัน เกิดการไหลเวียนอิเลคตรอนทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่จึงเกิดการนำไฟฟ้า
3 . มีจุหลอมเหลวและจุดเดือดสูง      ความร้อนในการทำลายแรงดึงดูดระหว่างไอออนให้กลายเป็นของเหลวต้องใช้พลังงานสูง
4 . สารประกอบไอออนิกทำให้เกิดปฏิกิริยาไอออนิก คือ ปฏิกิริยาระหว่างไอออนกับไอออน ทั้งนี้เพราะสารไอออนิกจะเป็นไอออนอิสระในสารละลาย ปฏิกิริยาจึงเกิดทันที
5 . สมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนที่มีประจุตรงกันข้ามรอบ ๆ ไอออนแต่ละไอออนจะมีสนามไฟฟ้าซึ่งไม่มีทิศทาง จึงทำให้เกิดสมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก
6. เป็นผลึกแข็ง แต่เปราะและแตกง่าย

อ่านเพิ่มเติม>>

อะตอม

 

                       ประวัติ อะตอม ประมาณ 400 ปีก่อนคริสตศักราช - เดโมคริตุส นำเสนอแนวความคิดแรกเกี่ยวกับอะตอม นักปรัชญากรีก เดโมคริตุส (Democritus) และ ลุยซิปปุส (Leucippus) ได้เสนอทฤษฎีแรกเกี่ยวกับอะตอม ว่า อะตอมแต่ละอะตอมนั้นมีรูปร่างแตกต่างกัน ในลักษณะเดียวกับก้อนหิน ซึ่งรูปร่างนี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของอะตอม 1803 - จอห์น ดัลตัน (John Dalton) - พิสูจน์ว่าอะตอมนั้นมีอยู่จริง จอห์น ดัลตัน ได้พิสูจน์ว่าสสารประกอบขึ้นจากอะตอม แต่ก็ไม่ได้รู้ว่าอะตอมนั้นมีรูปร่างอย่างไร ซึ่งงานของดัลตันนี้ขัดแย้งกับ ทฤษฎีของการแบ่งแยกได้อย่างไม่สิ้นสุด (infinite divisibility) ซึ่งได้กล่าวว่า สสารนั้นสามารถถูกแบ่งเป็นส่วนย่อยได้เสมอ อย่างไม่สิ้นสุด 1897 - โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Joseph John Thomson) - ค้นพบอิเล็กตรอน ความเชื่อที่ว่า อะตอม เป็นส่วนที่เล็กที่สุดของสาร นั้นคงอยู่จนกระทั่งได้มีการพิสูจน์ให้เห็นว่าอะตอมนั้นยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า โดยทอมสัน นั้นเป็นผู้ค้นพบอิเล็กตรอน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมนั้นยังสามารถแบ่งแยกเป็นส่วนย่อยได้อีก 1898 - Marie und Pierre Curie - กัมมันตภาพรังสี 1900 - Ludwig Boltzmann - ทฤษฎีปรมาณู 1900 - Max Planck - ควอนตัม 1906 - เออร์เนสท์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) - นิวเคลียส รัทเธอร์ฟอร์ดได้พิสูจน์ให้เห็นว่าอะตอมนั้นมี นิวเคลียสซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก 1913 - Niels Bohr - แบบจำลองแบบเป็นระดับชั้น 1929 - Ernest O. Lawrence - เครื่องเร่งอนุภาค ไซโคลตรอน (cyclotron) 1932 - Paul Dirac und David Anderson - แอนตี้แมทเทอร์ 1964 - Murray Gell-Mann - ควาร์ก 1995 - Eric Cornell und Carl Wieman - โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท 2000 - CERN - โบซอนฮิกส์ 2002 - Brookhaven - สารประหลาด อ่านเพิ่มเติม>>