กรดและเบส — สมบัติ pH และปฏิกิริยา

กรดคือสารที่ให้โปรตอน หรือทำให้ไฮโดรเนียมในน้ำเพิ่มขึ้น เบสคือสารที่รับโปรตอน หรือทำให้ไฮดรอกไซด์ในน้ำเพิ่มขึ้น นี่คือแนวคิดหลักที่อยู่เบื้องหลัง pH การเกิดนิวทรัลไลเซชัน และโจทย์กรด-เบสพื้นฐานส่วนใหญ่

ถ้าจะจำการทดสอบเพียงอย่างเดียว ให้ใช้ข้อนี้: ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด สปีชีส์นั้นให้ $H^+$ หรือรับ $H^+$? ในน้ำ แนวคิดเดียวกันนี้แสดงออกมาเป็นค่า pH ต่ำสำหรับสารละลายกรด และค่า pH สูงสำหรับสารละลายเบส

กรดคืออะไร และเบสคืออะไร?

มีนิยามสำคัญอยู่ 2 แบบที่ใช้มากที่สุดในเคมีเบื้องต้น

นิยามของอาร์เรเนียสเป็นแบบที่ง่ายที่สุดสำหรับเคมีในสารละลายน้ำ กรดทำให้ $[H_3O^+]$ ใน น้ำเพิ่มขึ้น และเบสทำให้ $[OH^-]$ ในน้ำเพิ่มขึ้น นี่เป็นภาพที่ใช้ได้จริงที่สุดเมื่อโจทย์ถามเกี่ยวกับ pH หรือปฏิกิริยานิวทรัลไลเซชันแบบมาตรฐาน

นิยามของบรอนสเตด-ลาวรีกว้างกว่า กรดเป็นผู้ให้โปรตอน $H^+$ และเบสเป็นผู้รับโปรตอน นิยามนี้อธิบายได้ว่าทำไมปฏิกิริยากรด-เบสจำนวนมากจึงเข้าใจได้ดีที่สุดในฐานะปฏิกิริยาการถ่ายโอนโปรตอน

ไม่มีนิยามใดผิด ใช้มุมมองแบบอาร์เรเนียสเมื่อโจทย์พูดถึงสารละลายน้ำและ pH อย่างชัดเจน ใช้มุมมองแบบบรอนสเตด-ลาวรีเมื่อต้องติดตามว่าสารใดเป็นผู้ให้โปรตอนและสารใดเป็นผู้รับโปรตอน

pH เกี่ยวข้องกับกรดและเบสอย่างไร

ในสารละลายน้ำ pH เป็นสเกลที่ใช้ได้จริงในการบอกความเป็นกรดและความเป็นเบส pH ต่ำหมายถึงความเข้มข้นของไฮโดรเนียมสูงกว่า ดังนั้นสารละลายจึงเป็นกรดมากกว่า pH สูงหมายถึงความเข้มข้นของไฮโดรเนียมต่ำกว่า ดังนั้นสารละลายจึงเป็นเบสมากกว่า

สำหรับสารละลายน้ำเจือจางที่อุณหภูมิใกล้ $25^\circ \mathrm{C}$ กฎทั่วไปที่ใช้ในห้องเรียนคือ:

• pH ต่ำกว่า $7$: เป็นกรด
• pH ประมาณ $7$: เป็นกลาง
• pH สูงกว่า $7$: เป็นเบส

แต่กฎนี้มีเงื่อนไข สารละลายเป็นกลางไม่ได้มีค่า pH เท่ากับ $7$ เสมอไป และสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงมากอาจอยู่นอกช่วง $0$ ถึง $14$ ที่มักใช้ในห้องเรียน

เกิดอะไรขึ้นในปฏิกิริยากรด-เบส

ปฏิกิริยากรด-เบสคือการถ่ายโอนโปรตอนจากกรดไปยังเบส ในหลายตัวอย่างที่เป็นสารละลายน้ำ สิ่งนี้จะปรากฏในรูปของการเกิดนิวทรัลไลเซชัน

สำหรับกรดแก่และเบสแก่ในน้ำ สมการไอออนสุทธิคือ:

$$H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O$$

สมการนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงหลัก ไฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์รวมกันเป็นน้ำ ดังนั้นสารละลายจึงมีความเป็นกรดและความเป็นเบสน้อยลงกว่าก่อนเกิดปฏิกิริยา

ตัวอย่างคำนวณ: HCl ทำปฏิกิริยากับ NaOH

สมมติว่าคุณผสม HCl $25.0 \, \mathrm{mL}$ ความเข้มข้น $0.10 \, \mathrm{M}$ กับ NaOH $25.0 \, \mathrm{mL}$ ความเข้มข้น $0.10 \, \mathrm{M}$

ในบริบทเบื้องต้นนี้ ให้ถือว่าทั้งสองเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ที่แตกตัวให้สปีชีส์กรดหรือเบสในน้ำอย่างสมบูรณ์ จำนวนโมลของแต่ละชนิดคือ

$$n = MV = 0.10 \times 0.0250 = 0.00250 \, \mathrm{mol}$$

ดังนั้นสารผสมเริ่มต้นด้วยจำนวนโมลของกรดและเบสเท่ากัน

สปีชีส์ที่เป็นกรดและเบสทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วน $1:1$ เพราะปริมาณเท่ากัน จึงไม่มีฝ่ายใดเหลืออยู่หลังการนิวทรัลไลเซชัน สิ่งที่เหลือส่วนใหญ่คือน้ำและ spectator ions คือ $Na^+$ และ $Cl^-$

ภายใต้เงื่อนไขนี้ สารละลายสุดท้ายจะมีสภาพเป็นกลางโดยประมาณ แนวคิดสำคัญไม่ใช่แค่ “pH ประมาณ $7$” แต่คือค่า pH สุดท้ายขึ้นอยู่กับสิ่งที่เหลืออยู่หลังขั้นตอนการถ่ายโอนโปรตอน

ถ้าฝ่ายใดฝ่ายหนึ่งมีมากเกินไป สารละลายสุดท้ายจะไม่เป็นกลาง เงื่อนไขนี้สำคัญกว่าคำว่า “นิวทรัลไลเซชัน” เพียงอย่างเดียว

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับกรด-เบส

สับสนว่ากรดแก่ต้องมี pH ต่ำมากเสมอ

ความแรงของกรดและค่า pH มีความเกี่ยวข้องกัน แต่ไม่ใช่สิ่งเดียวกัน ความแรงบอกว่ากรดแตกตัวได้สมบูรณ์เพียงใดภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ส่วน pH ยังขึ้นอยู่กับความเข้มข้นด้วย

คิดว่าปฏิกิริยากรด-เบสทุกครั้งต้องจบที่ pH 7

สิ่งนี้เป็นจริงเฉพาะบางกรณี เช่น กรดแก่และเบสแก่ที่มีปริมาณพอดีกันในสารละลายน้ำแบบพื้นฐานทั่วไป กรดอ่อน เบสอ่อน หรือปริมาณที่ไม่เท่ากัน จะทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนไป

ใช้ pH เป็นสมบัติในระบบที่ไม่ใช่น้ำโดยไม่ระบุระบบให้ชัดเจน

pH ใช้กับระบบสารละลายน้ำเป็นหลัก ถ้าสถานการณ์ไม่ใช่สารละลายน้ำ ต้องระวังมากขึ้นว่า pH ยังเป็นภาษาที่เหมาะสมหรือไม่

คิดว่าเบสปลอดภัยเสมอเพราะ “เป็นกรดน้อยกว่า”

เบสก็อาจมีปฏิกิริยาสูงและกัดกร่อนได้เช่นกัน ความเป็นกรดหรือความเป็นเบสไม่ได้หมายความว่าไม่เป็นอันตรายหรืออันตรายเสมอไป

แนวคิดกรด-เบสถูกใช้ที่ไหนบ้าง

แนวคิดกรด-เบสปรากฏขึ้นทุกครั้งที่คุณต้องอธิบายการเกิดปฏิกิริยาในน้ำ ค่า pH ของสารละลาย การนิวทรัลไลเซชัน การไทเทรต บัฟเฟอร์ เคมีของดิน การย่อยอาหาร ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาด หรือการควบคุมกระบวนการในอุตสาหกรรม

แนวคิดนี้ยังเชื่อมโยงหัวข้อเคมีหลายเรื่องที่นักเรียนมักเรียนแยกกัน เมื่อเข้าใจกรด เบส และการถ่ายโอนโปรตอนร่วมกันแล้ว การอ่านค่า pH บัฟเฟอร์ และกราฟการไทเทรตจะง่ายขึ้นมาก

ลองทำกรณีที่คล้ายกัน

ลองทำโจทย์ของคุณเองโดยใช้ปริมาณไม่เท่ากัน เช่น ผสม HCl $25.0 \, \mathrm{mL}$ ความเข้มข้น $0.10 \, \mathrm{M}$ กับ NaOH $20.0 \, \mathrm{mL}$ ความเข้มข้น $0.10 \, \mathrm{M}$ ก่อนอื่นให้ตัดสินว่ารีแอกแตนต์ใดเหลืออยู่ จากนั้นค่อยทำนายว่าสารละลายสุดท้ายเป็นกรดหรือเป็นเบสก่อนจะคำนวณอย่างอื่น