กรด - เบส

กรด - เบส

(Acids - Bases)

สารละลายอิเล็กโทรไลต์และนอนอิเล็กโทรไลต์ เมื่อนำไปละลายน้ำ สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์จะไม่แตกตัว แต่สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะแตกตัวให้ไอออนบวกและไอออนลบ
โดยการศึกษาค้นคว้า วิวิัฒนาการของนิยามกรด - เบส 3 แบบ ได้แก่
นิยามของอาร์เรเนียส
สวันเต เอากุสต์ อาร์เรเนียส ชาวสวีเดนให้นิยามกรดว่า "การเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ละลายน้ำแล้วให้โปรตอน (H+) และเบสเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ละลายน้ำแล้วให้ไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-)"
นิยามของเบรินเสตด - ลาวรี
เบรินเสตด นักเคมีชาวเดนมาร์ก และลาวรี นักเคมีชาวอังกฤษ เสนอนิยามว่า "กรดหมายถึงสารที่ให้โปรตอน ส่วนเบสคือสารที่รับโปรตอน"
โดย  ให้ HA เป็นกรด ในความหมายของคู่กรด - เบส คือ A- เป็นคู่เบสของกรด HA
นิยามของลิวอิส
จากนิยามของเบรินเสตด - ลาวรียังมีข้อจำกัด ลิวอิสจึงสรุปออกมา คือ "กรดคือตัวรับคู่อิเล็กตรอน เบสคือตัวให้คู่อิเล็กตรอน"
ประเภทของกรด - เบส
กรดแบ่งเป็น 2 ประเภท
1. กรดอินทรีย์ หมายถึงกรดที่มีหมู่ฟังก์ชันเป็น -COOH
2.กรดอนินทรีย์ แบ่งเป็น
  2.1 กรดไฮโดร หมายถึง กรดที่มี H และอโลหะอื่นๆ
  2.2 กรดออกซี หมายถึงกรดที่มี H และ O และอโลหะอื่นๆ
เบส แบ่งได้เป็น 2 ชนิด
1. เบสอินทรีย์ หมายถึงหมู่ฟังก์ชันที่มี-NH2
2. เบสอนินทรีย์ หมายถึงเบสที่มี OH- ประกอบกับโลหะในโมเลกุล
การจำแนกกรดโดยใช้จำนวนโปรตอนในโมเลกุล
1. กรด monoprotic คือกรด ที่แตกตัวให้ H+ ได้เพียงตัวเดียว
2. กรด polyprotic คือกรด ที่แตกตัวให้โปรตอนได้มากกว่า1 ตัว
ความแรงของกรดเบส
แบ่งสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ได้เป็น 2 ชนิด
1. อิเล็กโทรไลต์แก่ ในที่นี้ได้แก่ กรดแก่ และเบสแก่ หรือกรด เบสที่แตกตัวได้หมด 100% เช่น HCL ,HBr
2. อิเล็กโทรไลต์อ่อน คือกรดอ่อนและเบสอ่อน หรือกรด เบส ที่แตกตัวไม่หมด
พิจารณาความแรงกรด - เบส
1. กรดออกซีที่อะตอมกลางเป็นธาตุเดียวกัน ให้พิจารณาจากเลขออกซิเดชันของอะตอมกลาง
2. กรดออกซีที่อะตอมกลางต่างชนิดกัน พิจารณาจากค่า EN
3. กรดไฮโดร ถ้ามีไฮโดรเจนและอโลหะหมู่เดียวกัน ความแรงของกรดจะเพิ่มตามเลขอะตอมของอโลหะ
4.ความแรงของเบส เบสที่ละลายน้ำดีกว่าจะแรงกว่า
5. สำหรับไฮดรอกไซด์ของโลหะหมู่เดียวกัน ความแรงจะเพิ่มขึ้นเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น
การแตกตัวของกรดและเบส
สามารถจำแนกได้เป็น 2 ลักษณะ คือการแตกตัวของกรด เบสในน้ำอย่างสมบูรณ์ และการแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อนในน้ำ ซึ่งจะเป็นปฏิกิริยาที่ไม่สมบูรณ์
1. การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่
ซึ่งการแตกตัวนั้นจะเป็นปฏิกิริยาสมบูรณ์ แตกตัว 100%  การคำนวณจึงหาจากความเข้มข้นของโฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์จากความเข้มข้นของกรดแก่และเบสแก่ได้โดยตรง
2. การแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อน
คือเมื่อนำไปละลายน้ำแล้วจะแตกตัวไม่สมบูรณ์ เกิดสภาวะสมดุลขึ้นจึงคำนวณหาค่าคงที่การแตกตัว
3. การแตกตัวของน้ำ
เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ จึงเกิดการแตกตัวได้เอง มีสภาวะสมดุลดังสมการ

H 2O (l) + H 2O (l) ↔ H 3O + (aq) + OH - (aq)

มาตรา pH, pOH, และ pKa

หาได้จากฟังก์ชันลอการิทึม โดยกำหนดว่า คำนวณหาจาก ฟังก์ชันลอการิทึมของความเข้มข้นกรดเบส

pH = -log[H+]

pOH = -log[OH-]

pH + pOH = 14

การแตกตัวของกรดหลายโปรตอน

กรดหลายโปรตอนคือมีจำนวนโปรตอนที่มีความเป็นกรดมากกว่า 1 โปรตอน กรดเหล่านี้จะแตกตัวได้หลายขั้นตอน โดยให้โปรตอน ขึ้นละ 1 โปรตอน 

เกลือและปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Salts and Hydrolysis Reaction)

กรดสามารถทำปฏิกิริยากับเบส จะได้เกลือเป็นผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาสมบูรณ์ จำแนกเป็น

1.กรดแก่กับเบสแก่ ได้เกลือกลาง

2.กรดอ่อน กับเบสแก่ จะได้เกลือของกรดแก่และเบสอ่อน เรียกสั้นๆว่า เกลือเบส มีคุณสมบัติเป็นกรด

3.กรดแก่กับเบสอ่อน จะได้เกลือกรด มีคุณสมบัติเป็นเบส

4.กรดอ่อนกับเบสอ่อน เกลือที่เกิดขึ้น มีคุณสมบัติได้ทั้งกรด เบสหรือเป็นกลาง ขึ้นอยู่กับค่า Ka และ Kb

ของกรดอ่อนและเบสอ่อนที่เป็นสารตั้งต้น

สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer Solution)

เป็นสารละลายประเภทหนึ่ง ซึ่งเมื่อเติมกรดแก่หรือเบสแก่ลงไปเล็กน้อย สารละลายนี้ยังคงมีค่า pH คงตัวหรือเปลี่ยนแปลงน้อยมาก ซึ่งเป็นสารละลายผสมระหว่างกรดอ่อนกับคู่เบสของกรดอ่อน หรือ สารละลายผสมระหว่างเบสอ่อนกับคู่กรดของเบสอ่อน

การทำงานแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

สารละลายบัฟเฟอร์กรด ทำหน้าที่เป็นเบส และสารละลายบัฟเฟอร์เบส ทำหน้าที่เป็นกรด

อินดิเคเตอร์สำหรับกรด - เบส

ความหมายของอินดิเคเตอร์ คือ สิ่งที่สามารถบอกค่า pH ของสารละลายกรดหรือเบสได้ โดยมีช่วงการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์บางชนิด ดังนี้

ปฏิกิริยาระหว่างกรด - เบส

กรดและเบส สามารถทำปฏิกิริยากันได้ เกลือและน้ำ จำแนกเป็น 2 ประเภท

1. ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาพอดีกัน คือปฏิกิริยาสมบูรณ์ ไำม่เหลือสารตั้งต้น

- ปฏิกิริยากรดแก่และเบสแก่ ได้เกลือที่มีสมบัติเป็นกลาง

- ปฏิกิริยากรดอ่อนและเบสแก่ ได้เกลือมีสมบัติเป็นเบส

- ปฏิกิริยากรดแก่และเบสอ่อน ได้เกลือที่มีสมบัติเป็นกรด

- ปฏิกิริยากรดอ่อนและเบสอ่อน ได้เกลือที่เป็นกรด เบสหรือกลางก็ได้

2. ปฏิกิริยาที่ปริมาณสารตั้งต้นทำปฏิกิริยาไม่พอดีกัน

- ปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบสที่มีสารตั้งต้นเหลือจากการทำปฏิกิริยา เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่

การไทเทรต (Titration)

คือ กระบวนการทางเคมีวิเคราะห์ เพื่อวิเคราะห์สารโดยการเติมสารละลายที่ทราบความเข้มข้น หรือสารละลายมาตรฐาน บรรจุอยู่ในบิวเรตต์ ลงในสารละลายที่ต้องการวิเคราะห์ปริมาณหรือความเข้มข้นที่บรรจุอยู่ในฟลาสก์ ทำปฏิกิริยากันจนถึงจุดสมมูล จุดที่ปฏิกิริยาพอดีกัน แล้วนำข้อมูลไปวิเคราะห์ต่อไป

โดยเราสามารถนำ pH ที่จุดสมมูลของการไทเทรตไปเลือกอินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีที่จุดสมมูล เราจะเรียกจุดที่อินเคเตอร์เปลี่ยนสีว่า จุดยุติซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับจุดสมมูล

Titration

http://www.youtube.com/watch?v=9DkB82xLvNE

สมดุลเคมี (Chemical Equilibrium)

สมดุลเคมี
(Chemical Equilibrium)

 อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เกิดความสมดุล คือ ปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิกิริยาย้อนกลับ

โดยจะเกิดขึ้นในระบบปิดเท่านั้น ระบบปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ ปฏิกิริยาไปข้างหน้า และย้อนกลับ

ระบบและการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ (System and reversible process)

ชนิดของระบบ 

1. ระบบใดๆที่เกิดขึ้นทั่วไปกระทำในภาชนะ 2 ประเภท คือ ภาชนะปิด และภาชนะเปิด

2. ระบบใดๆที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ การเปิดหรือปิดภาชนะ มีผลต่อมวลของระบบนั้นๆ

3. หากระบบใดเกี่ยวข้องกับก๊าซ ชนิดของภาชนะเป็นตัวกำหนดระบบ

4. สำหรับระบบที่ไม่มีก๊าซเข้ามาเกี่ยวข้อง การเปิดหรือปิดภาชนะ ไม่มีผลต่อชนิดของระบบ

การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้

หมายถึง ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดสารผลิตภัณฑ์ ในขณะเดียวกันสารผลิตภัณฑ์ก็ทำปฏิกิริยาแล้วให้สารตั้งต้นออกมาใหม่ ภายในระบบยังคงมีสารตั้งต้นเหลือยอยู่และผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นด้วย

โดยถือว่า ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้เป็นปฏิกิริยาที่ไม่่สมบูรณ์
การละลายที่ผันกลับได้
เช่นการละลายของสารเมื่อเพิ่มอุณหภูมิแล้วลดอุณหภูมิทำให้เกิดการตกตะกอนขึ้น
ภาวะสมดุล (Equilibrium State)

ในระบบหนึ่งๆ จะอยู่ในภาวะสมดุลก็ต่อเมื่้อ

1.อยู่ในระบบปิด 

2.สมบัติของระบบคงที่
3.เป็นการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นพร้อมกัน
4.อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า เท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ
5.จะต้องมีสารตั้งต้นเหลืออยู่ และสารผลิตภัณฑ์เกิดขึ้น โดยเมื่ออยู่ภาวะสมดุลปริมาณคงที่
สมดุลพลวัต
สมดุลสถิติ คือสมดุลทางสถิติที่ ทุกอย่างในปฏิกิริยาจะหยุดนิ่ง
สมดุลพลวัต คือสมดุลที่ปฏิกิริยาจะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เป็นสภาวะที่ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงในระบบตลอดเวลา ทั้งนี้อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับย้อนกลับเหมือนกัน
ความสัมพันธ์ของความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ สภาวะสมดุล
อ้างจากกฏ Law of Chemical Reaction คือ อัตราเร็วของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิคงที่จะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยากัน และยกกำลังความเข้มข้นความเข้มข้นเป็นตัวเลขเท่ากับจำนวนโมลของสารในสมการที่ดุลแล้ว

จากสมการ aA + bB () cC + dD

K = 

เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับย้อนกลับ

โดยค่า K คือค่าคงที่สำหรับปฏิกิริยา

หลักของเลอชาเตอลิเย (Le' Chaterlier's Priciple)

นักวิทยาศาสจร์ชาวฝรั่งเศส อองรี-หลุยส์ เลอ ชาเตอลิเย ได้สรุปผลของการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยา

ขณะที่ปฏิกิริยาอยู่สภาวะสมดุล ดังนี้

"เมื่อระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลถูกรบกวนจะืทำให้สภาวะสมดุลของระบบเสียไป ระบบจะปรับตัวในทิศทางที่จะทำให้ปัจจัยที่รบกวนสภาวะนั้นลดลงเหลือน้อยที่สุด แล้วระบบจะเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่"

ปัจจัยที่รบกวนสภาวะสมดุล

1.การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์จะทำให้ ระบบเสียและจะปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่อโดยสมบัติของระบบจะเปลี่ยนไป คือ เมื่อเติมสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ลงไป ระบบจะเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ และเมื่อลดสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ ทำให้สมดุลเลื่อน และเข้าสู่สมดุลใหม่

2.การเปลี่ยนแปลงความดันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ซึ่งมีผลมากในสถานะก๊าซ

เมื่อเพิ่มความดัน สมดุลจะเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของก๊าซน้อยคือไปทางซ้าย ถ้าลดจะตรงข้าม

3.การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ  

           3.1 ปฏิกิริยาประเภทดูดความร้อน  แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

           3.2 ปฏิกิริยาประเภทคายความร้อน แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ดีเมื่อลดอุณหภูมิ

การใช้หลักของเลอชาเตอลิเยในอุตสาหกรรม

ในอุตสาหกรรม ผู้ผลิตต้องเลือกใช้กรรมวิธีในการเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นสารผลิตภัณฑ์ให้มากที่สุด จึงมีการใช้หลักเลอชาเตอลิเย ในการผลิดสารผลิตภัณฑ์ให้ได้อย่างสม่ำเสมอและปริมาณตามต้องการ

อธิบายกฏของเลอชาเตอลิเย

http://www.youtube.com/watch?v=4-fEvpVNTlE&feature=fvw

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

  หมายถึง ปริมาณสารในปฏิกิริยาที่เปลี่ยนไป ต่อหนึ่งหน่วยเวลา โดยรวมถึงทั้งสารตั้งต้นและัผลิตภัณฑ์


อัตราการเกิดปฏิกิริยา = ปริมานสารที่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยา
                                                        เวลาที่ใช้ไป


การจำแนกประเภทของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
1. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย คือ อัตราการเกิดที่คิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณสารตั้งต้นที่ลดลง
2. อัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ ขณะใดขณะหนึ่ง คือ อัตราการเกิดที่คิดจากปริมาณสารตั้งต้นที่ลดลงหรือผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น ณ ช่วงใดช่วงหนึ่ง
3. อัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ จุดใดจุดหนึ่งของเวลา คือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่คิดจากปริมาณสารตั้งต้นที่ลดลง หรือผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง
แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี
- ทฤษฎีการชน 
เป็นทฤษฎีที่อธิบายว่า ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นนั้นจะต้องมาชนกัน  และการชนนั้นจะต้องอาศัยการจัดตัวอย่างเหมาะสมและมีพลังงานมากพอจึงสามารถเกิดปฏิกิริยาได้ 
โดยพลังงานที่น้อยที่สุดที่ทำให้เกิดปฏกิริยาเคมีขึ้น เรียกว่า พลัีงงานก่อกัมมันต์ Ea
- ทฤษฎีสารเชิงซ้อนที่ถูกกระุตุ้น
อธิบายว่า อนุภาคสารเป็นกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนห่อหุ้มอยู่ เมื่อเคลื่อนที่เข้าหากันในระยะที่เหมาะสม จะถูกกระทบกระเทือน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมี เรียกว่า สารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น สารนี้จะไม่อยู่ตัวจนจะสลายตัวให้ผลิตภัณฑ์ หรือเป็นสารตั้งต้นดังเดิมก็ได้
ประเภทของพลังงานในปฏิกิริยาเคมี
- ปฏิกิริยาดูดความร้อน หรือดูดพลังงาน  คือ  ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเทพลังงานจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่ระบบ ดังนั้น สารผลิตภัณฑ์จะมีพลังงานมากกว่าสารตั้งต้น
- ปฏิกิริยาคายความร้อน หรือคายพลังงาน  คือ  ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเทพลังงานจากระบบสู่สิ่งแวดล้อม
ดังนั้น สารตั้งต้นจะมีพลังงานสูงกว่าสารผลิตภัณฑ์
กลไกการเกิดปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้ทั้งขั้นตอนเดียว หรือหลายขั้นตอน
กลไกการเกิดปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ปฏิกิริยาประเภทดูดความร้ิอน หรือคายความร้อนให้ดูที่พลังงานสารตั้งต้นและพลังงานของสารผลิตภัณฑ์
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
1. ธรรมชาติของสารตั้งต้น  สารชนิดต่างๆ จะทำปฏิกิริยาได้เร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับสมบัติของสารแต่ละชนิด
2.พื้นที่ผิวของสารตั้งต้น แบ่งเป็น ปฏิกิริยาเนื้อเดียว คือ ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นอยู่ในสถานะเดียวกัน
และ ปฏิกิริยาเนื้อผสม คือ ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นสถานะต่างกัน เมื่อทำปฏิกิริยาจะไำด้สารละลายเนื้อผสม
3. อุณหภูมิ  ปฏิกิริยาเคมีต่างๆ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น อัตราการเิกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น
4. ตัวเร่งและตัวหน่วงปฏิกิริยา ในปฏิกิริยาเคมีหนึ่งๆ สามารถควบคุมได้ด้วยการเติมสารบางชนิดลงไป เพื่อเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) คือสารที่เติมลงไปแล้วปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้เร็วขึ้น เนื่องจากจะไปลด Ea
ตัวหน่วงปฏิกิริยา (inhibitor) คือสารที่เติมเข้าไปแล้วอัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง หรือไม่เกิดเลยก็ได้
5. ความเข้มข้นของสารตั้งต้น  ปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับความเข้มข้นสารตั้งต้นที่เข้าไปทำปฏิกิริยา 
กฏอัตราและค่าคงที่
Guldberg และ Waage นักเคมีชาวนอร์เวย์ ได้ตั้งกฏของความสัมพันธ์ "Law of Mass Action"
โดยมีสาระสำคัญ คือ  "อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเป็นสัดส่วนของความเข้มข้นสารตั้งต้นที่มีเลขยกกำลังที่เข้าไปทำปฏิกิริยา"

กำหนดปฏิกิิริยา   aA + bB  -> cC + dD

                             สามารถสร้างเป็นสมการได้ว่า  R_f = k_f [A]^a [B]^b    

โดย
R_{f   คืออัตราการเกิดปฏิริยาเคมี}

_{k    คือค่าคงที่ของอัตรา}
[A] และ[B] คือ ความเข้มข้นของสารตั้งต้น A และ B

a  และ b    คือ เลขชี้กำลังความเข้นข้น




ตัวอย่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีในโลก
http://www.youtube.com/watch?v=wIusuLy38qo