การแตกตัวกรด-เบส

1. 1

3. กรด กรดอินทรีย์ กรดอนินทรีย์ กรดออกโซ กรดไฮโดร R-COOH HX H m XO n HCOOH CH 3 COOH HF HCl HClO 3 H 2 SO 4 สูตรทั่วไป กรดธาตุคู่ 3

4. เบส เบสอินทรีย์ เบสอนินทรีย์ สารประกอบออกไซด์หรือ ไฮดรอกไซด์ R-NH 2 Amine CH 3 NH 2 CaO Ca(OH) 2 ยกเว้น NH 3 4

5. กรดแก่ เบสแก่ สารละลายกรดและสารละลายเบสทุกชนิดเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นเราจึงแบ่งสารละลาย กรดและเบสตามชนิด ของอิเล็กโทรไลต์ ได้ดังนี้ กรดอ่อน เบสอ่อน อิเล็กโทรไลต์แก่ อิเล็กโทรไลต์อ่อน 5

6. กรดแก่และเบสแก่ เมื่อรวมตัวกับน้ำ จะแตกตัวเป็นไอออน ได้ทั้งหมด กรดอ่อนและเบสอ่อน แตกตัวได้บางส่วน เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ สามารถมีภาวะสมดุลและหาค่าคงที่สมดุลได้เช่นเดียวกับสมดุลเคมีอื่นๆ ความสามารถในการแตกตัว เป็นไอออนของกรดและเบสแต่ละชนิดจะบอกถึง ความแรง หรือ ความแก่ ของกรดและเบสนั้น 6

7. 7 กรดแก่ เบสแก่ HCl HBr HI HClO 4 HNO 3 H 2 SO 4 * LiOH NaOH KOH Ca(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2

8. ที่มา :http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animationsindex.htm 8 แอนิเมชันแสดงการแตกตัวของกรดในน้ำ

9. 9 การแตกตัวของ กรดแก่ เบสแก่

10. กรดแก่เป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ จึงแตกตัวเป็นไอออนได้อย่างสมบูรณ์หรือได้ 100 % สามารถบอกความเข้มข้นไอออนที่เกิดจากการแตกตัวได้ HNO 3 (aq) + H 2 O(l)  H 3 O + (aq) + NO 3 - (aq) 1.0 M 1.0 M 1.0 M HCl(aq) + H 2 O(l)  H 3 O + (aq) + Cl - (aq) HClO 4 (aq) + H 2 O(l)  H 3 O + (aq) + ClO 4 - (aq) H 2 SO 4 (aq) + H 2 O(l)  H 3 O + (aq) + HSO 4 - (aq) ความเข้มข้นกรด ความเข้มข้นไอออน 10

11. 1.0 M 1.0 M 1.0 M 1.0 M 1.0 M 2 (1.0) M ความเข้มข้นเบส ความเข้มข้นไอออน 11 เบสแก่เป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ จึงแตกตัวเป็นไอออนได้อย่างสมบูรณ์หรือได้ 100 % สามารถบอกความเข้มข้นไอออนที่เกิดจากการแตกตัวได้ Ba(OH) 2 (s)  Ba 2+ (aq) + 2OH - (aq) H 2 O NaOH(s)  Na + (aq) + OH - (aq) H 2 O KOH(s)  K + (aq) + OH - (aq) H 2 O Ca(OH) 2 (s)  Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq) H 2 O

12. 12

13. กรดและเบสส่วนใหญ่แตกตัวในน้ำได้ปริมาณจำกัด จัดว่าเป็น กรดอ่อนหรือเบสอ่อน สารละลายที่ภาวะสมดุลจะประกอบด้วย ไ อออน ที่เกิดจากการแตกตัวของกรดหรือเบส พร้อม คู่กรด – เบส และ โมเลกุล ของกรด หรือเบส ที่ยังไม่แตกตัว ความแรงของการแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อนนิยมบอกค่าเป็น ร้อยละ หรือ ค่าคงที่สมดุล ของการแตกตัว ( K a หรือ K b ) 13

14. กราฟแสดงร้อยละการแตกตัวของกรด 1 โปรตอน ( กรดมอนอโปรติก ) 14 ร้อยละการแตกตัวของกรด = ความเข้มข้นของ H + ความเข้มข้นของกรด x 100 ความเข้มข้นกรด ร้อยละการแตกตัว กรดแก่ กรดอ่อน

15. K a : ค่าคงที่การแตกตัวของกรด การแตกตัวของกรดอ่อน เช่น กรดแอซีติกเป็นกรดอ่อน ละลายน้ำจะแตกตัวแล้วผันกลับได้ CH 3 COOH + H 2 O ⇌ CH 3 COO - + H 3 O + ที่ 25 o C แตกตัวได้ 1% HA + H 2 O ⇌ H 3 O + + A - 15 สมมุติให้สูตรทั่วไปของกรดอ่อนเป็น HA จะ เขียนสมการการแตกตัวดังนี้ [H 3 O + ][A - ] [HA] K a =

16. ค่าคงที่การแตกตัวของกรดมอนอโปรติกบางชนิดในน้ำที่ 25  C ค่า K a เป็นค่าคงตัวเฉพาะของกรดที่อุณหภูมิหนึ่ง และ เป็นค่าที่ใช้บอกความแรงของกรดได้ ถ้ากรดตัวใดแตกตัวเป็นไอออนได้น้อย K a ก็จะมีค่าน้อย ถ้าแตกตัวเป็นไอออนได้มาก K a ก็จะมีค่ามาก 16 กรด ปฏิกิริยากับน้ำ ค่า K a HSO 4 - HSO 4 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + SO 4 2- 1.2x10 -2 HCOOH HCOOH + H 2 O ⇌ H 3 O + + HCOO - 1.7x10 -4 HCN HCN + H 2 O ⇌ H 3 O + + CN - 4.9x10 -10

17. กรดมอนอโปรติก ( monoprotic acid) คือกรดที่แตกตัวให้โปรตอน 1 โปรตอนต่อ 1 โมเลกุลของกรด เช่น กรดพอลิโปรติก ( Polyprotic acid ) คือกรดที่สามารถแตกตัวได้หลายโปรตอนต่อ 1 โมเลกุลของกรด เช่น H 3 PO 4 , H 2 SO 4 HClO , HNO 3 17

18. การแตกตัวของกรดพอลิโปรติก จะแตกตัวทีละขั้น แต่ละขั้นจะให้โปรตอน 1 โปรตอน และมีภาวะสมดุลเกิดขึ้นในแต่ละขั้น ดังนั้นกรดพอลิโปรติกจึงมีค่า K a ได้หลายค่า มักแทนด้วย K a1 , K a2 และ K a3 สำหรับการแตกตัวขั้นที่หนึ่ง ขั้นที่สอง และขั้นที่สาม ตามลำดับ 18

19. การแตกตัวของกรดซัลฟิวริก ( H 2 SO 4 ) การแตกตัวขั้นที่ 1 H 2 SO 4 + H 2 O  H 3 O + + HSO 4 - K a1 = ≈ 1.0x10 3 การแตกตัวขั้นที่ 2 HSO 4 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + SO 4 2- K a2 = = 1.1x10 -2 แตกตัวได้ 2 ขั้นดังนี้ H 2 SO 4 + 2H 2 O  2 H 3 O + + SO 4 2- 19 [H 3 O + ] [HSO 4 - ] [H 2 SO 4 ] [H 3 O + ] [SO 4 2- ] [HSO 4 - ]

21. การแตกตัวของกรดฟอสฟอริก ( H 3 PO 4 ) การแตกตัวขั้นที่ 1 H 3 PO 4 + H 2 O ⇌ H 3 O + + H 2 PO 4 - การแตกตัวขั้นที่ 2 H 2 PO 4 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + HPO 4 2- การแตกตัวขั้นที่ 3 HPO 4 2- + H 2 O ⇌ H 3 O + + PO 4 3- 21 [H 3 O + ] [H 2 PO 4 - ] [H 3 PO 4 ] K a1 = = 7.1x10 -3 [H 3 O + ] [HPO 4 2- ] [H 2 PO 4 - ] K a2 = = 6.3x10 -6 [H 3 O + ] [PO 4 3- ] [HPO 4 2- ] K a3 = = 4.3x10 -13

22. ค่าคงที่การแตกตัวของกรดไดโปรติกในน้ำที่ 25  C ข้อสังเกต K a1  K a2  … เพราะเหตุใด ? 22 กรด ปฏิกิริยากับน้ำ ค่า K a H 2 CO 3 คาร์บอนิก H 2 CO 3 + H 2 O ⇌ H 3 O + + HCO 3 - HCO 3 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + CO 3 2- K a1 4.4 x 10 -7 K a2 5.0 x 10 -11 H 2 C 2 O 4 ออกซาลิก H 2 C 2 O 4 + H 2 O ⇌ H 3 O + + HC 2 O 4 - HC 2 O 4 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + C 2 O 4 2- K a1 5.6 x 10 -2 K a2 25.1 x 10 -5 H 3 PO 3 * ฟอสฟอรัส H 3 PO 3 + H 2 O ⇌ H 3 O + + H 2 PO 3 - H 2 PO 3 - + H 2 O ⇌ H 3 O + + HPO 3 2- K a1 1.6 x 10 -2 K a2 6.3 x 10 -7

23. 23

24. การคำนวณความเข้มข้นเกี่ยวกับการแตกตัวของสารละลายกรด จงหาความเข้มข้นของไอออนแต่ละชนิดของสารละลายที่เกิดจากการผ่านแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ 33.6 dm 3 ที่ STP ลงไปในน้ำปริมาตร 5000 cm 3 ( ถือว่าปริมาตรสารละลายเท่าปริมาตรตัวทำละลาย ) วิธีทำ หาความเข้มข้นของสารละลาย HCl ปริมาตร 5 dm 3 [HCl] = = 0.3 mol / dm 3 HCl เป็นกรดแก่แตกตัวเป็นไอออนได้หมด ดังสมการ HCl(aq)  H + (aq) + Cl - (aq) 0.3 mol / dm 3 0.3 mol / dm 3 0.3 mol / dm 3 [H + ] = [Cl - ] 24 33.6 dm 3 x 1 mol x 1000 cm 3 5000 cm 3 x 22.4 dm 3 x 1 dm 3

25. กรดฟอร์มิกสามารถแตกตัวได้ร้อยละ 4 จงคำนวณหาความเข้มข้นของไอออนที่ได้จากการแตกตัวของกรดฟอร์มิกเข้มข้น 0.10 M กรดฟอร์มิกเป็นกรดอ่อน แตกตัวดังสมการ HCOOH(aq) ⇌ H + (aq) + HCOO - (aq) [H + ] = [HCOO - ] [H + ] = 0.004 M [HCOO - ] = 25 ร้อยละการแตกตัว = ความเข้มข้นไอออนที่แตกตัว ความเข้มข้นสารเริ่มต้น x 100 ร้อยละการแตกตัว = [H + ] [HCOOH] x 100 4 = [H + ] 0.10 x 100

26. กรดไฮโดรฟลูออริกเป็นกรดอ่อนตัวดังสมการ HF(aq) ⇌ H + (aq) + F - (aq) K a = = 7.1 x 10 -4 0.60 M + x + x - x 0. 60 - x x x 26 จงคำนวณหาร้อยละการแตกตัวของกรดไฮโดรฟลูออริกเข้มข้น 0.60 M ค่าคงที่สมดุลการแตกตัวของกรด (K a ) = 7.1 x 10 -4 [H + ][F - ] [HF] [ I ] = [ C ] = [ E ] = [x][x] [0.60 - x ] = [x 2 ] [0.60 - x ] = = 7.1 x 10 -4

27. [0.60 – x ] ≈ 0.60 จะได้ x = 0.020 เนื่องจากกรด HF เป็นกรดมอนอโปรติก [H + ] = [F - ] ดังนั้น [H + ] = 0.020 M = [F - ] = 3.3 กรดแตกตัวได้ร้อยละ 3.3 27 ร้อยละการแตกตัว = ความเข้มข้นไอออนที่แตกตัว ความเข้มข้นสารเริ่มต้น x 100 [x 2 ] [0.60 - x ] [x 2 ] [0.60 ] = = 7.1 x 10 -4 = 0.020 0.60 x 100 x =  (0.60)(7.1x10 -4 ) =  4.3 x 10 -4

28. สรุปการหาความเข้มข้น กรดแก่ กรดอ่อน ความเข้มข้นของไอออนเท่ากับความเข้มข้นกรดแก่ ความเข้มข้นของไอออนขึ้นกับร้อยละการแตกตัว หรือ ค่า K a HX  H + + X - HA ⇌ H + + A - 28 ร้อยละการแตกตัว = [H + ] [HA] x 100 [H + ][A - ] [HA] K a =

29. การคำนวณความเข้มข้นการแตกตัวของสารละลายเบส จงหาความเข้มข้นของไอออนในสารละลาย Ba(OH) 2 0.1 mol / dm 3 ปริมาตร 100 cm 3 และถ้าเติมน้ำลงไปจนสารละลายมีปริมาตร 400 cm 3 ความเข้มข้นของ OH - จะเป็นเท่าใด Ba(OH) 2 0.1 mol / dm 3 เป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ แตกตัวได้ดังนี้ Ba(OH) 2 (aq)  Ba 2+ (aq) + 2OH - (aq) 0.1 mol / dm 3 0.1 mol / dm 3 2 (0.1 mol / dm 3 ) [Ba 2+ ] = 0.1 mol / dm 3 [OH - ] = 0.2 mol / dm 3 ต่อไปหาความเข้มข้นของสารละลาย Ba(OH) 2 ปริมาตร 400 cm 3 29

30. หาความเข้มข้นของสารละลาย Ba(OH) 2 0.1 M 100 cm 3 เมื่อเติมน้ำจนมี ปริมาตร 400 cm 3 M 1 V 1 = M 2 V 2 (0.1)(100) = 400M 2 ความเข้มข้นของสารละลาย Ba(OH) 2 หลังเจือจาง = 0.025 M Ba(OH) 2 (aq)  Ba 2+ (aq) + 2OH - (aq) 0.025 mol / dm 3 0.025 mol / dm 3 2 (0.025 mol / dm 3 ) [OH - ] = 0.05 mol / dm 3 30

31. จงหาความเข้มข้นของ OH - ไอออน ในสารละลาย NH 4 OH เข้มข้น 0.25 mol / dm 3 แตกตัวได้ร้อยละ 5 NH 4 OH เป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อนแตกตัวได้ดังนี้ NH 4 OH(aq) ⇌ NH 4 + (aq) + OH - (aq) [OH - ] = 0.0125 mol / dm 3 31 ร้อยละการแตกตัว = ความเข้มข้นไอออนที่แตกตัว ความเข้มข้นสารเริ่มต้น x 100 [OH - ] [NH 4 OH] x 100 = 5 = [OH - ] 0.25 x 100

32. จงหาร้อยละการแตกตัวของสารละลาย NH 3 เข้มข้น 0.02 mol / dm 3 ค่าคงที่สมดุลการแตกตัว (K b ) ของ NH 3 = 1.85 x 10 -5 ที่ 25  C สารละลาย NH 3 แตกตัวดังสมการ NH 3 (aq) + H 2 O (aq) ⇌ NH 4 + (aq) + OH - (aq) NH 3 (aq) + H 2 O (l) ⇌ NH 4 + (aq) + OH - (aq) 0.02 0.02 - x - x + x + x x x 32 [NH 4 + ][OH - ] [NH 3 ] K b = [ I ] = [ C ] = [ E ] =

33. 0.02 – X ≈ 0.02 X = 6 x 10 -4 mol / dm 3 [OH - ] = 6 x 10 -4 mol / dm 3 = 3 สารละลาย NH 3 แตกตัวได้ร้อยละ 3 33 [NH 4 + ][OH - ] [NH 3 ] K b = 1.8 x 10 -5 = X 2 0.02 - X x =  (0.02)(1.8x10 -5 ) =  36 x 10 -8 ร้อยละการแตกตัว = [OH - ] [NH 3 ] x 100 = [ 6x10 -4 ] [ 0.02 ] x 100

34. สรุปการหาความเข้มข้น เบสแก่ เบสอ่อน ความเข้มข้นของไอออนเท่ากับความเข้มข้นเบสแก่ คูณ n ความเข้มข้นของไอออนขึ้นกับร้อยละการแตกตัว หรือ ค่า K b B(OH) n  B n+ + nOH - BOH ⇌ B + + OH - 34 ร้อยละการแตกตัว = [OH - ] [BOH] x 100 [B + ][OH - ] [BOH] K b =

35. ค่า K b ของเบสแต่ละชนิดบอกอะไรให้ทราบ 35 ตารางแสดงค่าคงที่สมดุลการแตกตัวของเบสอ่อนที่ 25  C เบส ปฏิกิริยากับน้ำ ค่า K b PO 4 3- PO 4 3- + H 2 O ⇌ HPO 4 2- + OH - 2.2 x 10 -2 HS - HS - + H 2 O ⇌ H 2 S + OH - 1.1 x 10 -7 F - F - + H 2 O ⇌ HF + OH - 1.5 x 10 -11

36. การเปรียบเทียบความสามารถในการแตกตัวของกรดชนิดเดียวกันที่มีความเข้มข้นต่างกัน 36 CH 3 COOH 2.0 M CH 3 COOH 0.05 M

37. สารละลายกรดแอซิติก ขวดที่ 1 เข้มข้น 2 M ขวดที่ 2 เข้มข้น 0.5 M สารละลายกรดในขวดใดจะมีความเข้มข้นของ H 3 O + มากกว่ากัน จงหาร้อยละการแตกตัวของสารละลายกรดทั้งสองขวด กำหนดค่า K a ของกรดแอซิติก = 1.8x10 -5 ที่ 25  C หา [H 3 O + ] จากการแตกตัวของสารละลายกรด [H 3 O + ] = 6 x 10 -3 [H 3 O + ] = 3 x 10 -3 ร้อยละการแตกตัว = 0.3 % = 0.6 % 37 CH 3 COOH 2.0 M CH 3 COOH 0.5 M [H 3 O + ] =  C a . K a [H 3 O + ] =  0.5 x 1.8x10 -5 [H 3 O + ] =  2 x 1.8x10 -5 6 x 10 -3 x 100 2 3 x 10 -3 x 100 0.5

39. ความแรงของกรด – เบส คือความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนของกรดและเบส กรดหรือเบสที่แตกตัวเป็นไอออนได้ดีกว่า จะมีความแรงมากกว่า ความแรง ของกรดอินทรีย์ 39

40. ความแรง ของกรด ไฮโดร กรดไฮโดรเฮลิก (Hydrohalic acids) พิจารณาจากพลังงานพันธะ HF « HCl  HBr  HI 40 กรด HI ใช้พลังงานงานในการสลายพันธะน้อย แตกตัวได้ดีสุด กรด พลังงานพันธะ (kJ / mol) ความแรงของกรดในน้ำ HF HCl HI HBr 568.2 431.9 366.1 298.3

41. ความแรงของกรด ออกโซ (1) อะตอมกลางที่มี ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี สูงกว่า จะมีสภาพขั้วแรงกว่า สร้างพันธะกับ O ในหมู่ – X – O – H ได้ดีกว่า พันธะจะมีขั้วสูงกว่า และสลายได้ง่ายกว่า HClO 4 HBrO 4 > ค่า EN ; Cl > Br 41 HClO 4 HBrO 4 X – O – H Cl – O – H O O O Br – O – H O O O

42. อะตอมกลางที่มี เลขออกซิเดชันสูงกว่า จะมีสภาพขั้วแรงกว่า สร้างพันธะกับ O ในหมู่ – X – O –H ได้ดีกว่า พันธะจะมีขั้วสูงกว่าและสลายได้ง่ายกว่า HClO 4 HClO 3 HClO 2 HClO > > > +7 +1 +3 +5 42 ความแรงของกรด ออกโซ (2) X – O – H Cl – O – H O O O Cl – O – H O O Cl – O – H Cl – O – H O