Ion equilibrium

สมดุลของไอออน

ไอออน (ions) คือ ธาตุ หรือ สารประกอบที่มีประจุ

อะตอม (Atom)  vs    โมเลกุล (Molecule)

ธาตุ (Element)  vs   สารประกอบ (Compound)

สารประกอบ ได้แก่  สารประกอบไอออนิก (ionic compounds)

สารประกอบโควาเลนท์ (covalent cpds.)

สารประกอบเชิงซ้อน (complex cpds.)

สารละลายที่นำไฟฟ้าได้ เรียกว่า อิเล็กโทรไลท์ (electrolyte)

เช่น กรด เบส เกลือ

ตารางที่ 1 อิเล็กโทรไลท์แก่ และอิเล็กโทรไลท์อ่อนบางตัว

อิเล็กโทรไลท์แก่ อิเล็กโทรไลท์อ่อน
กรด HCl, HBr, HI HBO2, HCN, HCNO, HClO
HClO3, HBrO3, HIO3, HClO4 H2S, H2SO3, H3PO4, H3AsO4
HNO3, H2SO4 (Ka1) HF, HNO3, H2CO3, H2SiO3, H3BO3 และกรดอินทรีย์
เบส LiOH, NaOH, KOH NH3 และเบสอินทรีย์
Ba(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2
เกลือ เกลือส่วนมาก เกลือเฮไลด์ ไซยาไนด์ และไทโอไซยาเนตของ Zn, Cd และ Hg(II)

สมบัติเบื้องต้น

กรด (Acids) มีรสเปรี้ยว มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น กรดน้ำส้ม กรดเกลือ

กรดอินทรีย์ (organic acids) และกรดอนินทรีย์ (inorganic acids)

เบส (Base) หรือด่าง (Alkaline) มีรสฝาด กลิ่นฉุน เช่น แอมโมเนีย

เบสอินทรีย์ (organic base) และเบสอนินทรีย์ (inorganic base)

เกลือ (Salts) มีรสเค็ม เกล็ดของแข็ง เช่น เกลือแกง NaCl

เกลือที่ได้จากกรดแก่กับเบสแก่  เช่น NaCl

เกลือที่ได้จากกรดแก่กับเบสอ่อน  เช่น NH4Cl

เกลือที่ได้จากกรดอ่อนกับเบาแก่  เช่น Na+CH3COO-

เกลือที่ละลายน้ำได้น้อย  เกลือของสารประกอบเชิงซ้อน

กรดและเบส  มี 4 นิยามที่เกี่ยวข้อง คือ

1) นิยามของอาร์เรเนียส (Arrhenius)

2) นิยามของบรอนสเตด-เลารี (Bronsted-Lowry)

3) นิยามของลิวอิส (Lewis)

4) นิยามระบบตัวทำละลาย

นิยามของอาร์เรเนียส

กรด คือสารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวให้โปรตอน (proton, H+)

เบส คือสารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-)

HCl     H+    +    Cl-

NaOH  Na+  +    OH-

ความแรงของกรดและเบส ขึ้นอยู่กับความสามารถในการแตกตัวให้ H+ หรือ OH-

ปฏิกิริยาสะเทินของกรดกับเบสเกิดเป็นน้ำ     H+  +  OH-  H2O

นิยามของบรอนสเตด-เลารี

กรด คือสารที่ให้โปรตอน (H+)    vs  เบส คือสารที่รับโปรตอน

ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจึงเป็นการย้ายโปรตอนจากกรดไปยังเบส เกิดสภาวะสมดุลของกรด-เบส 2 คู่ ดังนี้

HCl  +  H2O    =  H3O+  +  Cl-

ไฮโดรเนียมไอออน

(hydronium ion)

acid 1   base 2  acid 2     base 1

NH3  +  H2O     =        NH4+   +  OH-

base 1   acid 2  acid 1      base 2

ความแรงของกรดและเบสจะขึ้นอยู่กับความสามารถในการให้หรือการรับโปรตอน

นิยามของลิวอิส

กรด คือสารที่สามารถรับคู่อิเล็กตรอนจากเบสเกิดพันธะโควาเลนท์

เบส คือสารที่สามารถให้คู่อิเล็กตรอนในการเกิดพันธะโควาเลนท์

พันธะโควาเลนท์ (covalent bonding) คือ

พันธะที่เกิดจากการใช้คู่อิเล็กตรอนร่วมกัน

นิยามของตัวทำละลาย

กรด คือสารที่ให้ไอออนบวกของตัวทำละลาย เรียกว่า ไอออนกรด (acid ion or protonated solvent ion)

เบส คือสารที่ให้ไอออนลบของตัวทำละลาย เรียกว่า ไอออนเบส (base ion or lyate ion)

HCl  +  CH3COOH   =  CH3COOH2+  +  Cl-

acid      solvent             protonated ion

Na+CH3COO-  + CH3COOH     =   Na+  + CH3COO- + CH3COOH

base        solvent         lyate ion

การแตกตัวของกรดอ่อน (Weak acids)

- กรดโมโนโปรติก (momoprotic acids) ให้ H+ เดียว

- กรดโพลิโปรติก (polyprotic acids) ให้ H+ หลายตัว

CH3COOH  +  H2O  =   H3O+  +  CH3COO-

1 – α  α       α

HOAc       OAc-

Acetic acid  Acetate ion

เรียกว่า ปฏิกิริยาการแตกตัว (dissociation or ionization)

ตารางที่ 2  ค่าคงที่การแตกตัว (Ka) ของกรดโมโนโปรติกในน้ำที่ 25oC

Acetic acid CH3COOH 1.75 x10-5
Benzoic acid C6H5COOH 6.46 x10-5
Chloroacetic acid CH2ClCOOH 1.40×10-3
Formic acid HCOOH 1.76 x10-4
Hydrocyanic acid HCN 4.93 x10-10
Hydrofluoric acid HF 6.4 x10-4
Nitrous acid HNO2 4.5 x10-4
Phenol (carbolic acid) C6H5OH 1.3 x10-10
Propionic acid CH3CH2COOH 1.34 x10-5
Trichloroacetic acid CCl3COOH 2.0 x10-1

 

ที่สมดุล Ka = [H3O+][OAc-]/[HOAc] ที่ Temp ใด ๆ

ค่า Ka ใช้วัดความแรงงของกรด

ร้อยละการแตกตัวของกรด (α) = (α /1- α) x 100

การแตกตัวของกรดโพลิโปรติก (polyprotic acids)

เช่น H2CO3, H2S, H2SO4, H3PO4

มีการแตกตัวเป็นขั้น ๆ และมีค่า Ka ของแต่ละปฏิกิริยา

H2CO3  +  H2O  =  H3O+  +  HCO3- ; Ka1 = 4.5 x10-7

HCO3-  +  H2O  =   H3O+  +  CO32-  ; Ka2 = 4.7 x10-11

ตารางที่ 3 ค่าคงที่การแตกตัว (Ka) ของกรดโพลิโปรติกที่ 25oC

ชื่อ สูตร Ka1 Ka2 Ka3
Carbonic acid H2CO3 4.32 x10-7 5.62 x10-11 -
Hydrogen sulfide H2S 6.3 x10-8 1.0 x10-14 -
Oxalic acid H2C2O4 5.90 x10-2 6.40 x10-5 -
Phosphoric acid H3PO4 7.52 x10-3 6.22 x10-8 4.8 x10-13
Phthalic acid C6H4(COOH)2 1.26 x10-3 3.9 x10-6 -
Succinic acid (CH2COOH)2 6.89 x10-5 2.47 x10-6 -
Sulfuric acid H2SO4 ~1011 1.2 x10-2 -
Sulfurous acid H2SO3 1.7 x10-2 6.24 x10-8 -
Tartaric acid (CHOHCOOH)2 1.04 x10-3 4.55 x10-5 -

การแตกตัวของเบสอ่อน (Weak base)

NH3  +  H2O  =  NH4+  +  OH-

1                -α              α            α

Kb  =  [NH4+][OH-] / [NH3]

ค่าคงที่ Kb ใช้วัดความแรงของเบส

% การแตกตัวของเบส = (α/1- α) x 100

ตารางที่ 4   ค่าคงที่การแตกตัว (Kb) ของเบสโมโนโปรติกที่ 25oC

ชื่อ สูตร Kb
Ammonia NH3 1.77 x10-5
Aniline C6H5NH2 4.27 x10-10
Dimethylamine (CH3)2NH 5.41 x10-4
Ethylamine CH3CH2NH2 4.71 x10-4
Hydroxylamine HONH2 1.1 x10-8
Methylamine CH3NH2 3.7 x10-4
Pyridine C5H5N 1.78 x10-9
Trimethylamine (CH3)3N 6.45 x10-5

Hydrazine     H2NNH2        Kb1 = 9.1 x10-7     Kb2 = 1.0 x10-15

ค่าคงที่ผลคูณไอออนของน้ำ (Kw)

โมเลกุลของน้ำสามารถให้และรับโปรตอนได้ เรียกว่า การแตกตัวได้เอง (autoprotolysis or self-ionization)

H2O(l)  +  H2O(l)    =  H3O+(aq)  +  OH-(aq)

acid 1    base 2    acid 2       base 1

Kw   = [H3O+][OH-]

= 1.0 x10-14

[H3O+]   = [OH-] = 1.0 x10-7

 

Kw  = 1.0 x10-14   ที่ 25oC

= 2.95 x10-14   ที่ 40oC

= 9.5 x10-14   ที่ 60oC

Acid solution  [H3O+] > 10-7

Base solution [OH-]   >10-7

 

มาตรวัด pH

นิยามจากความเข้มข้นของ [H3O+] ในสารละลาย (น้ำ) โดยอาศัยขอบเขตของ Kw = 1.0 x10-14 ที่ 25oC

pH scale (Sorensen):

pH = – log [H3O+]

[H3O+] = 10-pH

pOH = – log [OH-]

pH + pOH = 14

น้ำบริสุทธิ์ [H3O+] = [OH-] = 10-7 M

pH = 7.0

salts

เกลือ (เคมี)

ไฟล์:Halite(Salt)USGOV.jpg

ผลึกเกลือ เมื่อส่องขยาย (เฮไลต์/เกลือแกง)

ในทางเคมี เกลือ เป็นสารประกอบไอออนิก (ionic compound) ประกอบด้วยแคตไอออน (cation : ไอออนที่มีประจุบวก) และแอนไอออน (anion : ไอออนที่มีประจุลบ) ทำให้ผลผลิตที่ได้เป็นกลาง (ประจุสิทธิเป็นศูนย์) ไอออนเหล่านี้อาจเป็นอนินทรีย์ (Cl) กับอินทรีย์ (CH3COO) และไอออนอะตอมเดี่ยว (F) กับไอออนหลายอะตอม (SO42) เกลือจะเกิดขึ้นได้เมื่อกรดและเบสทำปฏิกิริยาด้วยกัน โดยมีคุณสมบัติดังนี้

  1. เกลือ เป็นสารประกอบ สถานะปกติเป็นของแข็ง ไม่นำไฟฟ้า
  2. เกลืออาจจะละลายน้ำหรือไม่ละลายน้ำก็ได้ หากละลายน้ำจะทำให้น้ำเป็นสารละลาย(อิเล็กโทรไลต์) เพราะเกลือแตกตัวเป็นไอออนทำให้น้ำนั้นนำไฟฟ้าได้
  3. สารละลายเกลืออาจเป็นกรด กลาง หรือเบสก็ได้เกลือที่หลอมเหลวหรือละลายน้ำ จะถูกเรียกว่า สารอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากมีความสามารถในการนำไฟฟ้า
    1. เกลือที่มีคุณสมบัติเป็นกรด เกิดจาก กรดแก่ + เบสอ่อน
    2. เกลือที่มีคุณสมบัติเป็นกลาง เกิดจาก กรดแก่ + เบสแก่
    3. เกลือที่มีคุณสมบัติเป็นเบส เกิดจาก กรดอ่อน + เบสแก่


สี สมบัติ

เกลือส่วนมากมีลักษณะใสและไม่มีสี ในหลายๆกรณี สีและความใสจะถูกกำหนดโดยขนาดของรูปผลึก

เกลือมีด้วยกันในหลายๆสี ตัวอย่างเช่น

  • สีเหลือง (โซเดียมโครเมต)
  • สีส้ม (โพแทซเซียมไดโครเมต)
  • สีฟ้า (คอปเปอร์ซัลเฟตเพนตะไฮเดรต,เฟอร์ริกเฮกซะไซยาโนเฟอร์เรต)
  • สีม่วง (โฟแทซเซียมเปอร์แมงกาเนต)
  • สีเขียว (นิคเกิลคลอไรด์เฮกซะไฮเดรต)
  • สีขาว (โซเดียมคลอไรด์)
  • ไม่มีสี (แมกนีเซียมซัลเฟตเฮปตะไฮเดรต)และ
  • สีดำ (แมงกานีสไดออกไซด์)

แร่ธาตุและรงควัตถุส่วนใหญ่ รวมไปถึง สีย้อมอินทรีย์เป็นเกลือ สีของเกลือแต่ละชนิด ขึ้นกับการคงอยู่ของอิเล็กตรอนที่ไม่เกิดพันธะใน d-orbital ของธาตุโลหะทรานซิชัน

รสชาติ

เกลือที่แตกต่างกันสามารถล้วงเอารสชาติออกมาได้ทั้ง 5 รสพื้นฐาน ตัวอย่างเช่น รสเค็ม (โซเดียมคลอไรด์),รสหวาน (เลตไดอะซิเตต),รสเปรี้ยว(โพแทซเซียม ไบทาร์เทต),รสขม (แมกนีเซียมซัลเฟต),และรสอูมามิ (โมโนโซเดียมกลูตาเมต)

กลิ่น

เกลือของกรดแก่และเบสแก่ เป็นเกลือที่ไม่สามารถระเหยได้ และไม่มีกลิ่น แต่เกลือของกรดอ่อนและเบสอ่อน สามารถเกิดกลิ่นได้หลังจากกระบวนการการเกิดคู่กรด-เบส (เช่นสารประกอบอะซิเตต สามารถให้อะซิเตตไอออน (น้ำส้มสายชู) หรือ สารประกอบไซยาไนด์ สามารถให้ไฮโดรเจนไซยาไนด์ (อัลมอนด์)) ของไอออนประกอบ กระบวนการนี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ และส่วนใหญ่จะถูกเร่งโดยกระบวนการไฮโดรไลซิสอันเกิดจากการมีน้ำหรืออยู่ในสภาพสารละลาย

การเรียกชื่อ

ชื่อของเกลือเริ่มด้วยการเรียกชื่อของแคทไอออน (เช่น โซเดียม หรือ แอมโมเนียม) ตามด้วยชื่อของแอนไอออน (เช่นคลอไรด์ หรือ อะซิเตต) เกลือมักถูกกล่าวถึงโดยชื่อของแคทไอออนเพียงอย่างเดียว (เช่น เกลือโซเดียม หรือ เกลือแอมโมเนียม) หรือเรียกโดยชื่อของแอนไอออน (เช่น เกลือคลอไรด์ หรือ เกลืออะซิเตต)
แคทไอออนพื้นฐานที่เป็นองค์ประกอบสามัญ ประกอบด้วย:

  • แอมโมเนียม NH4+
  • แคลเซียม Ca2+
  • เหล็ก Fe2+ and Fe3+
  • แมกนีเซียม Mg2+
  • โพแทสเซียม K+
  • พีริมิดีน C5H5NH+

แอนไอออนพื้นฐานที่เป็นองค์ประกอบสามัญ ประกอบด้วย:

  • อะซิเตต CH3COO (กรดน้ำส้ม)
  • คาร์บอเนต CO32 (กรดคาร์บอนิก)
  • คลอไรด์ Cl (กรดเกลือ)
  • ซิเตรต HOC(COO)(CH2COO)2 (กรดซิตริก)
  • ไซยาไนด์ C≡N (N/A)
  • ไฮดรอกไซด์ OH (N/A)
  • ไนเตรต NO3 (กรดไนตริก)
  • ออกไซด์ O2 (N/A)
  • ฟอสเฟต PO43 (กรดฟอสฟอริก)
  • ซัลเฟต SO42 (กรดกำมะถัน)

การสังเคราะห์

เกลือสามารถสังเคราะห์จากปฏิกิริยาเคมีระหว่าง:

  • กรดและเบส เช่น NH3 + HCl → NH4Cl
  • โลหะและกรด เช่น Mg + H2SO4 → MgSO4
  • โลหะและอโลหะ เช่น Ca + Cl2 → CaCl2
  • เกลือสามารถเกิดจากกระบวนการการสลับหมู่ของสารประกอบเกลือ 2 ประเภท เกิดเป็นสารประกอบเกลือใหม่ที่ไม่ละลายน้ำ เช่น Pb(NO3)2(aq) + Na2SO4(aq) → PbSO4(s) + 2 NaNO3(aq)

แหล่งอ้างอิง

http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%81%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B8%AD_(%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A1%E0%B8%B5)