ทฤษฎีกรด - เบส | ทฤษฎีกรด- เบสของอาร์เรเนียส | ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบส อาร์เรเนียส
ทฤษฎีกรด- เบส ของเบรินสเตต- เลารี | ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบสของเบรินสเตต- ลาวรี
สารที่เป็นได้ทั้งกรดและเบส | ทฤษฎีกรด- เบสของลิวอีส

ทฤษฎีกรด - เบส

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

::กลับด้านบน::

ทฤษฎีกรด- เบสของอาร์เรเนียส

     อาร์เรเนียส เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ตั้งทฤษฎีกรด- เบส ในปี ค. ศ. 1887 ( พ. ศ. 2430) อาร์เรเนียสศึกษาสารที่ละลายน้ำ (Aqueous solution) และการนำไฟฟ้าของสารละลายนั้น เขาพบว่าสารอิเล็กโทรไลต์จะแตกตัวเป็นไอออน เมื่อละลายอยู่ในน้ำและให้นิยามกรดไว้ว่า

“ กรด คือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน” เช่น

HCl (g) H⁺ (aq) + Cl^- (aq)

HClO₄(l) H⁺ (aq) + ClO₄^- (aq)

CH₃COOH (l) H⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

H₂SO₄ (l) H⁺ (aq) + SO₂^2-(aq)

H₂CO₃ (l) H⁺ (aq) + HCO₃^- (aq)

“ เบสคือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน” เช่น

NaOH (s) Na⁺ (aq) + OH^- (aq)

Ca(OH)₂ (s) Ca₂⁺ (aq) + 2OH^- (aq)

KOH (s) K⁺ (aq) + OH^- (aq)

NH₄OH (l) NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)

::กลับด้านบน::

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบส อาร์เรเนียส

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

::กลับด้านบน::

ทฤษฎีกรด- เบส ของเบรินสเตต- เลารี

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

     กรด คือ สารที่ี่สามารถให้โปรตอนกับสารอื่นๆ ได้ (Proton donor)

     เบส คือ สารที่ี่สามารถรับโปรตอนจากสารอื่นได้ (Proton acceptor)

พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

1.

     HCl เป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H⁺) ดังนั้น HCl จึงเป็นกรด
     H₂O เป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H⁺) ดังนั้น H₂Oจึงเป็นเบส

2.

     NH₄⁺ เป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H⁺) ดังนั้น NH₄⁺จึงเป็นกรด
     H₂Oเป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H⁺) ดังนั้น H₂Oจึงเป็นเบส

3.

     H₂Oเป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H⁺) ดังนั้น H₂Oจึงเป็นกรด
     NH₃เป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H⁺) ดังนั้น NH₃ จึงเป็นเบส
     
      จากปฏิกิริยาทั้ง 3 ปฏิกิริยา จะมีสารที่ี่ให้และรับโปรตอนในแต่ละปฏิกิริยา และมี H₃O⁺ และ OH^- เกิดขึ้น

::กลับด้านบน::

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบสของเบรินสเตต- ลาวรี

ทฤษฎีกรด- เบสของเบรินสเตต- ลาวรี ใช้อธิบายสมบัติของกรด- เบส ได้กว้างกว่าทฤษฎีของอาร์เรเนียส แต่ยังมีข้อจำกัดคือ สารที่จะทำหน้าที่เป็นกรดจะต้องมีโปรตอนอยู่ในสารนั้น

::กลับด้านบน::

สารที่เป็นได้ทั้งกรดและเบส

(Amphoteric)

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

กรณีของ H₂O

ในกรณีนี้ H₂O เป็นกรดเมื่อทำปฏิกิริยากับ NH₃ และเป็นเบสเมื่อทำปฏิกิริยากับNH₄⁺

กรณีของ HCO₃^-

ในกรณีนี้ HCO₃^- เป็นเบสเมื่อทำปฏิกิริยากับ HCl และเป็นกรดเมื่อทำปฏิกิริยากับ OH^-

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

::กลับด้านบน::

ทฤษฎีกรด- เบสของลิวอีส

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

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 BF₃รับอิเล็กตรอนจาก NH₃BF₃ จึงเป็นกรด

ทฤษฎีของลิวอิสนี้มีข้อดีคือ สามารถจำแนกกรด- เบส ที่ไม่มีทั้ง H หรือ OH^- ในสารนั้น และแม้ว่าสารนั้นไม่ได้อยู่ในรูปสารละลาย แต่อยู่ในสถานะแก๊สก็สามารถใช้ทฤษฎีลิวอิสอธิบายความเป็นกรดเบสได้

ตัวอย่างอื่นๆ เช่น

ตัวอย่างที่ 4 ปฏิกิริยาต่อไปนี้ สารตั้งต้นใดทำหน้าที่เป็นกรด สารใดทำหน้าที่เป็นเบสตามทฤษฎีของอาร์เรเนียส

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

ข. LiOH (s) Li₂⁺ + OH^-

ค. H₂O + H₂O H₃O + + OH^-

วิธีทำ

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

HSO₄^- ให้ H⁺ ในน้ำ HSO₄^-- ทำหน้าที่เป็นกรด

ข. LiOH (s) เป็นเบสเพราะ แตกตัวให้ OH^- ในน้ำ

ค. H₂Oเป็นทั้งกรดและเบส โมเลกุลหนึ่งให้ H₃O⁺ ( เป็นกรด) อีกโมเลกุลหนึ่งแตกตัวให้ OH^- ( เป็นเบส)

ตัวอย่างที่ 5 ในปฏิกิริยาต่อไปนี้ HCO₃^- ไอออนทำหน้าที่เป็นกรดในปฏิกิริยาใด

ก. HCO₃^- (aq) + H₂O (l) H₂CO₃ (aq) + OH^- (aq)

ข. HCO₃^- (aq) + OH^- (aq) H₂O (l) + CO₃ ^2- (aq)

ค. HCO₃^- (aq) + HSO₄ ^- (aq) H₂CO₃ (aq) + SO ₄ ^2- (aq)

ง. HCO₃^- (aq) + CH₃COOH (aq) H₂O (l) + CO₂ (g) + CH₃COO^- (aq)

วิธีทำ

ก. HCO₃^- (aq) ไม่ใช่กรด แต่เป็นเบสเพราะรับ H⁺

ข. HCO₃^- (aq) เป็นกรด เพราะให้ H⁺ กับ OH^-

ค. HCO₃^- (aq) เป็นเบส เพราะรับ H⁺

ง. HCO₃^- (aq) เป็นเบส เพราะรับH⁺จาก CH₃COOH (aq) ได้ H₂O (l) + CO₂(g)

ตัวอย่างที่ 6 สารต่อไปนี้ ข้อใดทำหน้าที่ได้ทั้งกรดและเบส

ก. HC₂O₄ ^2-

ข. CO₃ ^2-

ค. CN ^-

ง. HSO₄ ^-

เฉลย

ข้อ ก และ ง เป็นได้ทั้งกรดและเบส เพราะสามารถให้ และรับ H⁺ ได้

ข้อ ข และ ค. เป็นเบสได้เพียงอย่างเดียว เพราะให้โปรตอนไม่ได้เนื่องจากไม่มี H แต่สามารถรับโปรตอนได้ กลายเป็น HCO₃^- และ HCN ตามลำดับ

::กลับด้านบน::