|

ทฤษฎีกรด - เบส  

   ในการที่จะให้นิยามของกรด- เบส และในการจำแนกสารต่างๆ ว่าเป็นกรดหรือเบสนั้นได้มีนักวิทยาศาสตร์ ได้ศึกษาและตั้งทฤษฎีกรด- เบส ขึ้นหลายทฤษฎีด้วยกัน ทฤษฎีกรด- เบสที่สำคัญมีดังนี้

ทฤษฎีกรด- เบสของอาร์เรเนียส

     อาร์เรเนียส เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ตั้งทฤษฎีกรด-เบส ในปี ค.ศ.1887 อาร์เรเนียสศึกษาสารที่ละลายน้ำ (Aqueous solution) และการนำไฟฟ้าของสารละลาย เขาพบว่าสารอิเล็กทรอไลต์จะแตกตัวเป็นไอออน เมื่อละลายอยู่ในน้ำและให้นิยามกรดไว้ว่า

“กรด คือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน” เช่น

HCl(g)   H⁺ (aq) + Cl^- (aq)

HClO₄(l) H⁺ (aq) + ClO₄^- (aq)

“เบสคือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน” เช่น

NaOH (s) Na⁺ (aq) + OH^- (aq)

KOH (s) K⁺ (aq) + OH^- (aq)

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบส อาร์เรเนียส

• ทฤษฎีกรด- เบส อาร์เรเนียส จะเน้นเฉพาะการแตกตัวในน้ำ ให้เป็น H⁺ และ OH^- ไม่รวมถึงตัวทำละลายอื่นๆ ทำให้อธิบายความเป็นกรด- เบสได้จำกัด
• สารที่จะเป็นกรดได้ต้องมี H⁺ อยู่ในโมเลกุล และสารที่จะเป็นเบสได้ก็ต้องมี OH^- อยู่ในโมเลกุล

ทฤษฎีกรด- เบส ของเบรินสเตต- เลาว์รี

     โจฮันส์ นิโคลัส เบรินสเตต นักเคมีชาวเดนมาร์ก และ โทมัส มาร์ติน เลาว์รี นักเคมีชาวอังกฤษ ได้ศึกษาการให้และรับโปรตอนของสาร เพื่อใช้ในการอธิบายและจำแนกกรด- เบสได้กว้างขึ้น และได้ตั้งทฤษฎีกรด- เบสขึ้นในปี ค. ศ.1923 (พ.ศ. 2466)

กรด คือ สารที่สามารถให้โปรตอนกับสารอื่นๆ ได้ (Proton donor)

เบส คือ สารที่สามารถรับโปรตอนจากสารอื่นได้ (Proton acceptor)

พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

1.  

HCl เป็นสารที่ให้โปรตอน (H⁺) ดังนั้น HCl จึงเป็นกรด
H₂O เป็นสารที่รับโปรตอน (H⁺) ดังนั้น H₂Oจึงเป็นเบส

2.  

NH₄⁺ เป็นสารที่ให้โปรตอน (H⁺) ดังนั้น NH₄⁺จึงเป็นกรด
H₂Oเป็นสารที่รับโปรตอน (H⁺) ดังนั้น H₂O จึงเป็นเบส

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบสของเบรินสเตต- เลาว์รี

     ทฤษฎีกรด- เบสของเบรินสเตต- เลาว์รี ใช้อธิบายสมบัติของกรด- เบส ได้กว้างกว่าทฤษฎีของอาร์เรเนียส แต่ยังมีข้อจำกัดคือ สารที่จะทำหน้าที่เป็นกรดจะต้องมีโปรตอนอยู่ในสารนั้น

สารที่เป็นได้ทั้งกรดและเบส (Amphoteric)

     สารบางตัวทำหน้าที่เป็นกรด เมื่อทำปฏิกิริยากับสารตัวหนึ่ง และทำหน้าที่เป็นเบส เมื่อทำปฏิกิริยากับอีกสารหนึ่ง นั่นคือเป็นได้ทั้งกรดและเบส สารที่มีลักษณะนี้เรียกว่า สารเอมโพเทอริก(Amphoteric) เช่น H₂O , HCO₃^- เป็นต้น

กรณีของ H₂O  

ในกรณีนี้ H₂O เป็นกรดเมื่อทำปฏิกิริยากับ NH₃ และเป็นเบสเมื่อทำปฏิกิริยากับNH₄⁺

ดังนั้นอาจจะสรุปได้ว่า สารที่เป็นเอมโฟเทอริก ถ้าทำปฏิกิริยากับสารที่ให้โปรตอนได้ดีกว่า ตัวมันเองจะรับโปรตอน ( ทำหน้าที่เป็นเบส) แต่ถ้าไปทำปฏิกิริยากับสารที่ให้โปรตอนได้ไม่ดี ตัวมันเองจะเป็นตัวให้โปรตอนกับสารนั้น ( ทำหน้าเป็นกรด)

ทฤษฎีกรด- เบสของลิวอีส

ในปี ค. ศ. 1923 ( พ. ศ. 2466) ลิวอีสได้เสนอนิยามของกรดและเบสดังนี้

กรด คือ สารที่สามารถรับอิเล็กตรอนคู่ จากเบส แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์

เบส คือ สารที่สามารถให้อิเล็กตรอนคู่ในการเกิดพันธะโคเวเลนต์

ปฏิกิริยาระหว่างกรด- เบส ตามทฤษฎีนี้ อธิบายในเทอมที่มีการใช้อิเล็กตรอนคู่ร่วมกัน กรดรับอิเล็กตรอนเรียกว่าเป็น Electrophile และเบสให้อิเล็กตรอนเรียกว่าเป็น Nucleophile และตามทฤษฎีนี้สารที่เป็นเบสต้องมีอิเล็กตรอนคู่อิสระ เช่น

ในกรณีนี้ NH₃ เป็นเบส มีอิเล็กตรอนคู่ 1 คู่ จะให้อิเล็กตรอนคู่กับกรดในการเกิดพันธะโคเวเลนต์ และ BF₃ รับอิเล็กตรอนจาก NH₃ ดังนั้น BF₃จึงเป็นกรด

ทฤษฎีของลิวอิสนี้มีข้อดีคือ สามารถจำแนกกรด- เบส ที่ไม่มีทั้ง H⁺ หรือ OH^- ในสารนั้น และแม้ว่าสารนั้นไม่ได้อยู่ในรูปสารละลาย แต่อยู่ในสถานะก๊าซก็สามารถใช้ทฤษฎีลิวอิสอธิบายความเป็นกรดเบสได้