|

การแตกตัวของกรดและเบส

ที่มา : http://student.nu.ac.th/pumpuy

     การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ จะแตกตัวได้ 100% หมายถึง การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ เป็นไอออนได้หมดในตัวทำละลายซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำ เช่น การแตกตัวของกรด HCl จะได้ H⁺ หรือ H₃O⁺ และ Cl^- ไม่มี HCl เหลืออยู่ หรือการแตกตัวของเบส เช่น NaOH ได้ Na⁺ และ OH^- ไม่มี NaOH เหลืออยู่

     การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่เขียนแทนด้วยลูกศร ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเพียงอย่างเดียว เช่น

การคำนวณเกี่ยวกับการแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่

ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหา [H₃O⁺] , [NO₃^-] ในสารละลาย 0.015 M HNO₃

วิธีทำ

HNO₃(aq) +H₂O(l) H₃O⁺(aq) + NO₃^-(aq)

0.015              

เพราะฉะนั้น [H₃O⁺] = [NO₃^-] = 0.015 โมล/ ลิตร

ตัวอย่างที่ 2 ถ้า KOH 0.1 โมล ละลายน้ำและสารละลายมีปริมาตร 2 ลิตร ในสารละลายจะมีไอออนใดบ้างอย่างละกี่โมลต่อลิตร

วิธีทำ

KOH (s) K⁺ (aq) + OH^- (aq)

0.1โมล/ 2 ลิตร

สารละลาย KOH 2 ลิตร มี KOH 0.1 โมล

สารละลาย KOH 1 ลิตร มี KOH = 0.05 โมล/ ลิตร

ดังนั้น KOH จะแตกตัวให้ K⁺ และ OH^- อย่างละ 0.05 โมล/ ลิตร

ตัวอย่างที่ 3 สารละลายกรดแก่ (HA) 250 ลูกบาศก์เซนติเมตร มีปริมาณ H₃O⁺ ไอออน 0.05 โมล สารละลายนี้มีความเข้มข้นเท่าใด ถ้าเติมกรดนี้ลงไปอีก 0.2 โมล โดยที่สารละลายมีปริมาตรคงเดิม สารละลายที่ได้จะมีความเข้มข้นเท่าใด

วิธีทำ

HA H₃O⁺ (aq) + A^- (aq)

0.05 โมล/ 250 cm³

สารละลาย HA 250 cm³ มี HA 0.05 โมล

สารละลาย HA 1000 cm³ มี HA = = 0.20 โมล

เพราะฉะนั้นสารละลายที่ได้มีความเข้มข้น 0.20 โมล/ ลิตร

ถ้าเติมกรดอีก 0.2 โมล

สารละลายมี HA รวมทั้งหมด = 0.05 + 0.2 = 0.25 โมล

สารละลาย HA 250 cm³มี HA 0.25 โมล

สารละลาย HA 1000 cm³ มี HA = = 1.00 โมล

เพราะฉะนั้นสารละลายที่ได้มีความเข้มข้น 1.00 โมล/ ลิตร

ตัวอย่างที่ 4 จงหาความเข้มข้นของ OH^- ที่เกิดจากการเอา NaOH 10.0 กรัม ละลายในน้ำทำเป็นสารละลาย 0.2 dm³ (Na = 23, O = 16, H = 1)

วิธีทำ

จำนวนโมลของ NaOH = = 0.25 mol

สารละลาย 0.2 dm³ มีเนื้อของ NaOH = 0.25 โมล

สารละลาย 1 dm ³มี NaOH = = 1.25 โมล/ ลิตร

เพราะฉะนั้นสารละลายมีความเข้มข้น 1.25 โมล/ ลิตร

และปฏิกิริยาการแตกตัวของ NaOH เป็นดังนี้

NaOH (aq)   Na⁺ (aq) + OH^- (aq)

1.25 โมล            1.25 โมล   1.25 โมล

เพราะฉะนั้นความเข้มข้นของ OH^- = 1.25 โมล/ ลิตร

การแตกตัวของกรดอ่อน

สารละลายกรดอ่อน เช่น กรดแอซิติก (CH₃COOH) เมื่อละลายน้ำ จะนำไฟฟ้าได้ไม่ดี ทั้งนี้ เพราะกรดแอซิติกแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วน เขียนแทนโดยสมการจะใช้ลูกศร เพื่อชี้ว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นทั้งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ และอยู่ในภาวะสมดุลกัน เช่น

CH₃COOH (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

ปริมาณการแตกตัวของกรดอ่อน นิยมบอกเป็นร้อยละ เช่น กรด HA แตกตัวได้ร้อยละ 10 ในน้ำ หมายความว่า กรด HA 1 โมล เมื่อละลายน้ำ จะแตกตัวให้ H⁺
เพียง 0.10 โมล

การแตกตัวของกรดของกรดอ่อนชนิดเดียวกัน จะเพิ่มขึ้นเมื่อสารละลายมีความเจือจางมากขึ้น เช่น กรดแอซิติก CH₃COOH ความเข้มข้นต่างกันจะมีเปอร์เซ็นต์การแตกตัวต่างกัน ดังนี้

CH₃COOH 1.0 M แตกตัวได้ 0.42 %

CH₃COOH 0.10 M แตกตัวได้ 1.30 %

CH₃COOH 0.010 M แตกตัวได้ 4.20 %

การแตกตัวของกรดมอนอโปรติก (monoprotic acid dissociation)

กรดมอนอโปรติก คือ กรดที่แตกตัวให้ H⁺ ได้เพียง 1 ตัว เช่น HCOOH และ CH₃COOH

HCOOH (aq) H⁺(aq) + HCOO^-(aq)

CH₃COOH (aq) H⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

การแตกตัวของกรดพอลิโปรติก (polyprotic acid dissociation )

กรดพอลิโปรติก หมายถึง กรดที่มีโปรตอนมากกว่า 1 ตัว และสามารถแตกตัวให้ H⁺ ได้มากกว่า 1 ตัว ถ้าแตกตัวได้ H⁺
2 ตัว เรียกว่า กรดไดโปรติก เช่น H₂CO₃ , H₂S , H₂C₂O₄ เป็นต้น

H₂S(aq) H⁺(aq) + HS ^-(aq)

HS^- (aq) H⁺ (aq) + S^2-(aq)

H₂CO₃(aq) H⁺(aq) + HCO₃^-(aq)

HCO₃^-(aq) H⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

กรดที่แตกตัวให้ H⁺ ได้ 3 ตัว เรียกว่า กรดไตรโปรติก เช่น H₃PO₄ , H₃PO₃

H₃PO₄ (aq) H⁺ (aq) + H₂PO₄^-(aq)

H₂PO₄^- (aq) H⁺(aq) + HPO₄^2-(aq)

HPO₄^2-(aq) H⁺(aq) + PO₄^3-(aq)

ค่าคงที่สมดุลของกรดอ่อน (K_a)

กรดอ่อนแตกตัวได้เพียงบางส่วน ปฏิกิริยาการแตกตัวไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นได้พร้อมกัน และปฏิกิริยาการแตกตัวของกรดอ่อนนี้จะอยู่ในภาวะสมดุล ค่าคงที่สมดุลนี้จะหาได้ดังนี้

ค่าคงที่สมดุลของกรดนี้ใช้เปรียบเทียบความแรงของกรดได้ ถ้าค่า K_aมีค่ามากแสดงว่ากรดมีความแรงมาก แตกตัวได้ดี ถ้าค่า K_a น้อยแสดงว่ากรดแตกตัวได้น้อย มีความแรงน้อย สำหรับกรดที่แตกตัวได้ 100% จะไม่มีค่า K_a

ตัวอย่างค่า K_a

ถ้าเปรียบเทียบความแรงของกรดโดยใช้ K_a

K_a (HF) > K_a (CH₃COOH) > K_a (HCN)

เพราะฉะนั้นความแรงของกรด HF > CH₃COOH > HCN

• กรณีกรดไดโปรติก

• กรณีกรดไตรโปรติก

การคำนวณเกี่ยวกับกรดอ่อน

ตัวอย่างที่ 5 จงคำนวณเปอร์เซ็นต์การแตกตัวของกรด HA 1 โมล/ ลิตร ซึ่งมี H₃O⁺ 0.05 โมล/ ลิตร

วิธีทำ                HA (aq) + H₂O (l) H₃O⁺(aq) + A^- (aq)

เริ่มต้น                1                                      0              0

ภาวะสมดุล          1 - 0.05                         0.05           0.05        โมล/ ลิตร

ตัวอย่างที่ 6 สารละลายกรด HA มีค่า K_a เป็น 6.8 x 10^-4 สารละลายกรดนี้มีความเข้มข้น 1 โมล/ ลิตร สารละลายกรดนี้จะมีความเข้มข้นของ H₃O⁺ เท่าใด

วิธีทำ          HA (aq) + H₂O (l) H₃O⁺(aq) + A^- (aq)

เริ่มต้น             1                                  0            0

ภาวะสมดุล     1 - x                               x             x

ตัวอย่างที่ 7 ที่ 25⁰C กรดแอซิติก (CH₃COOH) เข้มข้น 0.1 โมล/ ลิตร แตกตัวได้ 1.34 % จงคำนวณหาความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน แอซิเตตไอออน และ K_a

วิธีทำ

0.1 mol/dm³ CH₃COOH แตกตัวได้ 1.34 % หมายความว่า

CH₃COOH 100 mol/dm³แตกตัวได้ = 1.34 mol/dm³

CH₃COOH 0.1 mol/dm³ แตกตัวได้ = = 0.00134 mol/dm ³

               CH ₃COOH(aq) + H₃O(l) H ₃O⁺ (aq) + CH₃COO^-(aq)

เริ่มต้น                0.1                                      0               0

ภาวะสมดุล    0.1- 0.00134                         0.00134       0.00134

ตัวอย่างที่ 8 จงคำนวณหาความเข้มข้นของ H⁺ , SO₄^2- , และ HSO₄^-ของสารละลายกรด H₂SO₄ เข้มข้น 0.05 โมล/ ลิตร กำหนดค่า
Ka₂ = 1.26 x 10^-2

วิธีทำ

กรด H₂SO₄เป็นกรดแก่แตกตัวได้ 100 %

ขั้นที่ 1   H₂SO₄ (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + HSO₄^- (aq)

            0.50 โมล/ ลิตร

ขั้นที่ 2 HSO₄^-(aq) แตกตัวให้ H₃0⁺(aq) และ SO₄^2-(aq) ดังนี้

             HSO₄^- (aq) + H₂O (l)  H₃O⁺(aq) + SO₄^2-(aq)

เริ่มต้น           0.50                               0.50             0  

ภาวะสมดุล    0.50-x                           0.50+x           x

การแตกตัวของเบสอ่อน

     เบสอ่อนเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวเป็นไอออนเพียงบางส่วน และปฏิกิริยาการแตกตัวของเบสอ่อน เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ เช่น แอมโมเนีย เมื่อละลายน้ำจะมีภาวะสมดุลเกิดขึ้น ดังสมการ

NH₃(aq) + H₂O (l) NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)

K_b คือ ค่าคงที่สมดุลของเบส ค่า K_b นี้เป็นค่าคงที่และใช้เปรียบเทียบความแรงของเบสได้ เช่นเดียวกับค่า K_a

• โมโนโปรติกเบส (monoprotic base) จะรับ H⁺ ได้ 1 ตัว และมีค่า K_b เพียงค่าเดียว เช่น NH₃
• โพลิโปรติกเบส (polyprotic base) จะรับ H⁺ ได้มากกว่า 1 ตัว และมีค่า K_b ได้หลายค่า เช่น ไฮดราซีน H₂NNH₂

H₂NNH₂(aq) + H₂O(l) H₂NNH₃⁺(aq) + OH^-(aq) ; K_b1 = 9.1 x 10^-7

H₂NNH₃⁺(aq) + H₂O(l) H₃NNH₃²⁺(aq) + OH^-(aq) ; K_b2 = 1.0 x 10^-15

ตารางที่ 1ค่าคงที่สมดุลของเบสอ่อนบางตัว

นอกจาก การบอกปริมาณการแตกตัวของเบสอ่อน ในลักษณะของค่า K_b แล้วก็ยังสามารถบอกปริมาณการแตกตัวของเบสอ่อนได้ในลักษณะของเปอร์เซ็นต์ของการแตกตัว ดังนี้

ตัวอย่างการคำนวณ

ตัวอย่างที่ 9 จงเขียนค่าคงที่สมดุลของเบสอ่อนต่อไปนี้ C₆H₅NH₂ , N₂H₄

วิธีทำ

ตัวอย่างที่ 10 จงคำนวณหาความเข้มข้นของ OH^-  ในสารละลายแอมโมเนียเข้มข้น 0.200 โมล/ ลิตร กำหนดค่า K b = 1.77 x 10^-5

วิธีทำ

ตัวอย่างที่ 11 เมื่อแอมโมเนียละลายน้ำจะแตกตัวให้ NH₄⁺ และ OH^- ถ้าแอมโมเนียจำนวน 0.106 โมล ละลายในน้ำ 1 ลิตร ที่ภาวะสมดุลแตกตัวให้ NH₄⁺ และ OH^- เท่ากัน คือ 1.38 x 10^-3 โมล จงหาค่าคงที่ของการแตกตัวของ NH₃

วิธีทำ

ตัวอย่างที่ 12 สารละลาย NH₃ 0.10 โมล/ ลิตร แตกตัวให้ NH₄⁺และ OH^- = 1.88 x 10 ^-3 โมล/ ลิตร จะแตกตัวได้กี่เปอร์เซ็นต์ และถ้าสารละลายเบสเข้มข้น 0.20 โมล/ ลิตร จะแตกตัวได้กี่เปอร์เซ็นต์

วิธีทำ

กรณีสารละลายเบสเข้มข้น 0.2 โมล/ ลิตร