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

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s