Ans - มหาวิทยาลัยแม่โจ้
Download
Report
Transcript Ans - มหาวิทยาลัยแม่โจ้
บทที่ 6 สารละลายและสมดุลกรดเบส
ดร.อุษารัตน์ รัตนคานวณ
ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยแม่โจ้
องค์ ประกอบของสารละลาย
สารละลาย คือ ของผสมเนื้อเดียวที่เกิดจากองค์ประกอบ 2
ชนิด หรื อมากกว่า
องค์ประกอบที่มีปริ มาณมากกว่า “ ตัวทาละลาย” (solvent)
องค์ประกอบที่มีปริ มาณน้อยกว่า “ตัวถูกละลาย” (solute)
สารละลายที่มีนา้ เป็ นตัวทาละลาย สารละลายในน้า Aqueous
solution
ชนิดของสารละลาย
แบ่งได้ 3 ชนิด ตามสถานะ คือ สารละลายแก๊ส สารละลายของเหลว และสารละลายของแข็ง
สารละลาย
สถานะของตัวทาละลาย สถานะของตัวถูกละลาย
ตัวอย่างสารละลาย
สารละลาย
แก๊ส
แก๊ส
แก๊ส
แก๊ส
ของแข็ง
ของเหลว
แก๊ส
ไอของ I2 ในอากาศ
อากาศชื้น (น้ าในอากาศ)
อากาศ (O2 และอื่นๆใน N2)
สารละลาย
ของเหลว
ของเหลว
ของเหลว
ของเหลว
ของแข็ง
ของแข็ง
ของแข็ง
ของแข็ง
ของเหลว
แก๊ส
ของแข็ง
ของเหลว
แก๊ส
น้ าเกลือ (น้ า+เกลือแกง)
แอลกอฮอล์ในน้ า
โซดา (CO2 ในน้ า)
โลหะเจือ เช่น Cu ใน Zn
Hg ใน Ag
H2 ใน Pd
สารละลาย
ของแข็ง
ความเข้ มข้ นของสารละลาย
ปริ มาณของตัวถูกละลายที่มีอยูใ่ นสารละลาย
ส่ วนใหญ่มกั ระบุเป็ น มวลของตัวถูกละลายต่ อปริมาตรของสารละลาย
หน่วย SI คือ โมลต่ อลูกบาศก์ เมตร
ร้ อยละของตัวถูกละลาย (Percent)
ร้ อยละโดยนา้ หนัก (%W/W) : น้ าหนักของตัวลูกละลายที่ละลายอยู่
ในสารละลาย 100 หน่วยน้ าหนักเดียวกัน
เช่น สารละลาย NaCl เข้มข้น 2% โดยน้ าหนัก หมายถึง NaCl หนัก 2
กรัม ละลายในสารละลาย NaCl หนัก 100 กรัม ซึ่งเตรี ยมได้โดยชัง่ NaCl
2 กรัม มาละลายในน้ า 98 กรัม จะได้สารละลายหนัก 100 กรัม
หน่วยนี้ใช้กนั มากเมื่อตัวถูกละลายเป็ นของแข็ง
ร้ อยละ (Percent)
ร้ อยละโดยปริมาตร (%V/V) : ปริ มาตรของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่
ในสารละลาย 100 หน่วยปริ มาตร
เช่น สารละลายแอลกอฮอล์เข้มข้น 10% โดยปริ มาตร หมายถึง
แอลกอฮอล์ 10 ลูกบาศก์เซนติเมตร ละลายอยูใ่ นสารละลาย 100 ลูกบาศก์
เซนติเมตร
หน่วยนี้ใช้เมื่อตัวถูกละลายเป็ นของเหลว
ร้ อยละ (Percent)
ร้ อยละโดยนา้ หนักต่ อปริมาตร (%W/V) : น้ าหนักของตัวถูกละลาย
ที่ละลายอยูใ่ นสารละลาย 100 หน่วยปริ มาตร
เช่น สารละลาย KCl เข้มข้น 10% โดยน้ าหนักต่อปริ มาตร หมายถึง
KCl หนัก 10 กรัม ละลายอยูใ่ นสารละลาย 100 ลูกบาศก์เซนติเมตร
Example 6.1
ถ้ าต้ องการเตรียมสารละลาย BaCl2 เข้ มข้ น 12.0% โดยนา้ หนัก จานวน 50 กรัม
จากเกลือ BaCl2.2H2O และนา้ บริสุทธิ์ จะเตรียมได้ อย่ างไร (Ba=137.3, Cl=35.5,
H=1.0, O=16.0)
วิธีทา BaCl2 เข้มข้น 12.0% โดยน้ าหนัก หมายถึง
สารละลายหนัก 100 กรัม มี BaCl2 ละลายอยู่ 12 กรัม
ดังนั้นถ้า สารละลายหนัก 50 กรัม จะมี BaCl2 ละลายอยู่ = 5012 = 6 กรัม
100
แต่สารละลายนี้เตรี ยมจาก BaCl2.2H2O ไม่ใช่จาก BaCl2 จึงต้องหาว่าจะชัง่
BaCl2.2H2O มาหนักกี่กรัม และละลายในน้ ากี่กรัม
Example 6.1 (ต่ อ)
มวลโมเลกุลของ BaCl2 = 208.3
มวลโมเลกุลของ BaCl2.2H2O = 244.3
แสดงว่าถ้าต้องการ BaCl2 208.3 กรัม จะต้องใช้ BaCl2.2H2O 244.3 กรัม
เมื่อต้องการ BaCl2 6 กรัม จึงต้องใช้ BaCl2.2H2O = 6 244.3 = 7.04 กรัม
208.3
ดังนั้นต้องใช้ BaCl2.2H2O หนัก 7.04 กรัม ละลายในน้ า 42.96 กรัม จึง
จะได้สารละลาย BaCl2 เข้มข้น 12.0% โดยน้ าหนัก จานวน 50 กรัม Ans
โมลาริตี (Molarity)
หมายถึงจานวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลายอยูใ่ นสารละลาย 1 ลูกบาศก์เดซิ เมตร
หน่วยคือ โมลต่อลูกบาศก์เดซิ เมตร (mol/dm3), โมลต่อลิตร (mol/L), หรื อ โมลาร์
(Molar, M)
เช่น ถ้านา NaCl หนัก 58.44 กรัม (1 โมล) มาเติมน้ าจนสารละลายที่ได้มีปริ มาตร
1 ลูกบาศก์เดซิ เมตร สารละลาย NaCl ที่ได้น้ ีจะมีความเข้มข้น 1 โมลาร์
หรื ออาจกล่าวได้วา่ สารละลาย NaCl เข้มข้น 1 โมลาร์ หมายถึง สารละลาย NaCl
1 ลูกบาศก์เดซิ เมตร มี NaCl ละลายอยู่ 1 โมล
จานวนโมล สัมพันธ์กบั น้ าหนักของสาร ดังนี้
จานวนโมล = น้ าหนัก (g)
n= m
M.W.
มวลโมเลกุล (g/mol)
Example 6.2
สารละลาย H2SO4 เข้ มข้ น 27% โดยนา้ หนัก และมีความหนาแน่ น 1.198 g/cm3 จะมี
ความเข้ มข้ นกีโ่ มลาร์ (H = 1.0, S = 32, O = 16.0)
วิธีทา ต้องหาว่ามี H2SO4 กี่โมล ในสารละลาย 1 dm3
จากค่าความหนาแน่น สารละลาย 1.198 g มีปริ มาตร 1 cm3
ถ้าสารละลายหนัก 100 g จะมีปริ มาตร = 1001 = 83.472 cm3
1.198
จากโจทย์ H2SO4 เข้มข้น 27% โดยน้ าหนัก
แสดงว่า สารละลาย 100 กรัม หรื อ 83.473 cm3 มี H2SO4 อยู่ 27 กรัม หรื อ 27 โมล
98
ดังนั้น ถ้าสารละลาย 1000 cm3 (1 dm3) จะมี H2SO4 = 1000 cm3 27 โมล = 3.30 โมล
83.473 cm3 98
สารละลาย H2SO4 เข้มข้น 3.30 โมลาร์ Ans
โมแลลริตี (Molality)
หมายถึงจานวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลายอยูใ่ นตัวทาละลายหนัก
1 กิโลกรัม
หน่วยคือ โมลต่อกิโลกรัม หรื อโมแลล (molal, m)
เช่น สารละลาย HNO3 เข้มข้น 2.0 โมแลล จะมี HNO3 2 โมล ละลาย
อยูใ่ นน้ า 1 กิโลกรัม ซึ่งเตรี ยมได้โดยนากรด HNO3 มา 2 โมล เติมลงใน
น้ าซึ่งหนัก 1 กิโลกรัม
การเตรี ยมสารในความเข้มข้นนี้มกั ไม่นิยม เนื่องจากไม่สะดวก เพราะ
ต้องชัง่ น้ าหนักของตัวทาละลาย แต่ในงานที่ตอ้ งการเปลี่ยนอุณหภูมิ
ในช่วงที่แตกต่างกันมากก็มนั ใช้หน่วยความเข้มข้นนี้เนื่องจากผลการ
เปลี่ยนอุณหภูมิจะไม่ทาให้ความเข้มข้นในหน่วยนี้เปลี่ยนไป
Example 6.3
นา้ ตาลซึ่งมีสูตร C12H22O11 หนัก 10 กรัม ละลายนา้ 125 กรัม จะมีความเข้ มข้ นกี่
โมแลล (C = 12.0, H = 1, O = 16.0)
วิธีทา น้ า 125 กรัม มีน้ าตาลละลายอยู่ 10 กรัม = 10 โมล
342
ดังนั้น น้ า 1000 กรัม (1 กิโลกรัม) จะมีน้ าตาลละลายอยู่ 1000 กรัม 10 โมล
125 กรัม 342
= 0.23 โมล
สารละลายมีความเข้มข้น 0.23 โมแลล Ans
ฟอร์ มาลิตี (Formality)
หมายถึง จานวนกรัมสู ตรของตัวถูกละลายที่ละลายอยูใ่ นสารละลาย 1 ลูกบาศก์
เดซิ เมตร
หน่วยคือ ฟอร์ มาล (formal, F)
คล้ายกับหน่วยโมลาร์ ต่างกันที่ หน่วยโมลาร์ ใช้กบั สารประกอบที่มีสูตรโมเลกุล
แต่หน่วยฟอร์ มาลใช้กบั สารประกอบไอออนิกซึ่ งไม่มีสูตรโมเลกุล
เช่น NaOH เมื่อละลายน้ าจะแตกตัวเป็ น Na+ และ OH- หมดโดยไม่มี NaOH
เหลืออยูใ่ นสภาพโมเลกุลในสารละลายเลย สารละลาย NaOH 1 ฟอร์มาล จะมี
NaOH 1 กรัมสูตร ซึ่ งหนัก 40 กรัม ในสารละลาย 1 ลูกบาศก์เดซิ เมตร
แต่ นักเคมีมกั จะใช้ “โมลาริ ตี” แทน “ฟอร์ มาลิตี” เสมอ เช่น NaOH 1
ฟอร์ มาล มักจะกล่าวเป็ น NaOH 1 โมลาร์
1 กรัมสู ตร = น้ าหนักโมเลกุล ของสารนั้นๆ
Example 6.4
ถ้ าต้ องการเตรียมสารละลาย Pb(NO3)2 เข้ มข้ น 0.1 F จานวน 1 dm3 จะต้ องใช้
Pb(NO3)2 หนักเท่ าใด และสารละลาย Pb(NO3)2 เข้ มข้ น 0.1 F นีจ้ ะมี Pb2+ และ
NO3- เข้ มข้ นกีโ่ มลาร์ (Pb = 207.2, N = 14.0, O = 16)
วิธีทา น้ าหนักสู ตรของ Pb(NO3)2 = 331.2
สารละลาย Pb(NO3)2 เข้มข้น 0.1 F หมายถึง สารละลาย Pb(NO3)2 1 dm3 มี
Pb(NO3)2 ละลายอยู่ 0.1 กรัมสู ตร ซึ่ งคิดเป็ นน้ าหนัก = 0.1 331.2 = 33.12 กรัม
นัน่ คือต้องใช้ Pb(NO3)2 หนัก 33.12 กรัม Ans
เมื่อ Pb(NO3)2 1 โมล ละลายน้ า จะแตกตัวเป็ น Pb2+ 1 โมล และ NO3- 2 โมล
ดังนี้
Pb(NO3)2
Pb2+ + 2NO3ดังนั้นสารละลาย Pb(NO3)2 0.1F จะมี Pb2+ เข้มข้น 0.1M และ NO3+ เข้มข้น 0.2M Ans
นอร์ มาลิตี (Normality)
หมายถึง จานวนกรัมสมมูลของตัวถูกละลายที่ละลายอยูใ่ นสารละลาย 1 ลูกบาศก์
เดซิ เมตร
หน่วยคือ นอร์ มาล (normal, N)
เช่น สารละลายกรด HCl เข้มข้น 1 นอร์ มาล หมายถึงสารละลาย HCl 1 ลูกบาศก์
เดซิ เมตร มี HCl ละลายอยู่ 1 กรัมสมมูล ซึ่ งคิดเป็ นน้ าหนัก 36.5 กรัม
N=
จานวนกรัมสมมูล
สารละลาย 1 dm3
จานวนกรัมสมมูล =
น้ าหนัก (กรัม)
น้ าหนักกรัมสมมูล (กรัม)
นอร์ มาลิตี (Normality)
น้ าหนักกรัมสมมูลของสาร สามารถหาได้ดงั ต่อไปนี้
นา้ หนักกรัมสมมูลของกรด : นา้ หนักเป็ นกรัมของกรดที่สามารถให้ H+
ได้ 1 โมล เช่น HCl 1 โมล ซึ่ งหนัก 36.5 กรัม สามารถให้ H+ 1 โมล
น้ าหนักกรัมสมมูลของ HCl จึงเท่ากับ 36.5 = 36.5 และ H2SO4 ซึ่ ง
1
+
หนัก 98 กรัม สามารถให้ H 2 โมล น้ าหนักกรัมสมมูลของ H2SO4 จึง
เท่ากับ 98 = 49 กรัม
2
น้ าหนักกรัมสมมูลของกรด = มวลโมเลกุลของกรด
จานวนโมลของ H+ ที่แตกตัว
นอร์ มาลิตี (Normality)
นา้ หนักกรัมสมมูลของเบส : นา้ หนักเป็ นกรัมของเบสทีส่ ามารถให้ OH- 1 โมล หรือ
รับ H+ 1 โมล
เช่น NaOH 1 โมล ซึ่ งหนัก 40 กรัม สามารถให้ OH- 1 โมล น้ าหนักกรัมสมมูลของ
NaOH จึงเท่ากับ 40 = 40 กรัม และ Ca(OH)2 1 โมล ซึ่ งหนัก 74 กรัม สามารถให้
1
OH 2 โมล น้ าหนักกรัมสมมูลของ Ca(OH)2 จึงเท่ากับ 74 = 37 กรัม
2
นา้ หนักกรัมสมมูลของเกลือ : นา้ หนักเป็ นกรัมของเกลือที่สามารถให้ ประจุบวก
หรือประจุลบ 1 โมล
เช่น NaCl 1 โมล ซึ่ งหนัก 58.5 กรัม สามารถให้ Na+ 1 โมล หรื อ Cl- 1 โมล NaCl จึงมี
น้ าหนักกรัมสมมูล 58.5 = 58.5 กรัม
1
หรื อ AlCl3 1 โมล ซึ่ งหนัก 133.5 กรัม สามารถให้ Al3+ 1 โมล (ประจุบวก 3 โมล)
หรื อ Cl- 3 โมล (ประจุลบ 3 โมล) จึงมีน้ าหนักกรัมสมมูล 133.5 = 44.5 กรัม
3
นอร์ มาลิตี (Normality)
นา้ หนักกรัมสมมูลของสารทีเ่ กิดปฏิกริ ิยาออกซิเดชัน-รีดก
ั ชัน : เป็ นปริ มาณของ
สารที่ให้หรื อรับอิเล็กตรอน1 โมล
ตัวรี ดิวซ์ 1 กรัมสมมูล จะให้อิเล็กตรอน 1 โมล
ตัวออกซิ ไดส์ 1 กรัมสมมูล จะรับอิเล็กตรอน 1 โมล
ั ตัวออกซิ ไดส์ 1 กรัมสมมูล (ตัว
ตัวรี ดิวซ์ 1 กรัมสมมูลจะทาปฏิกิริยาพอดีกบ
รี ดิวซ์และตัวออกซิ ไดส์จะทาปฏิกิริยาพอดีดว้ ยจานวนกรัมสมมูลที่เท่ากัน)
น้ าหนักกรัมสมมูลของตัวออกซิไดส์ หรื อตัวรี ดิวซ์ =
น้ าหนักกรัมสู ตร (กรัม)
จานวนเลขออกซิ เดชันที่เปลี่ยนไปต่อ 1 สูตร
นอร์ มาลิตี (Normality)
เช่น เมื่อ KMnO4 ถูกรี ดิวซ์เป็ น Mn2+
KMnO4 + 5eMn2+
+7
+2
เลขออกซิ เดชันของ Mn เปลี่ยนจาก +7 ใน KMnO4 เป็ น +2 ใน Mn2+
KMnO4 1 โมล รับอิเล็กตรอน 5 โมล
KMnO4 1 กรัมสมมูล = KMnO4 1/5 โมล = 158/5 กรัม = 31.6 กรัม
น้ าหนักกรัมสมมูลของ KMnO4 = 31.6 กรัม
KMnO4 เข้มข้น 1 นอร์ มาล มี KMnO4 ละลายอยู่ 1 กรัมสมมูล หรื อ 1/5 โมล ใน
สารละลาย 1 ลูกบาศก์เดซิ เมตร
นอร์ มาลิตี (Normality)
นอร์มาลิตี และโมลาลิตี มีความสัมพันธ์กนั ดังนี้
N = nM
เมื่อ n = จานวนอิเล็กตรอนที่รับหรื อให้ต่อสาร 1 โมลในปฏิกิริยาออกซิ เดชัน-รี ดกั ชัน
เช่น กรณี KMnO4 ถูกรี ดิวซซ์เป็ น Mn2+ n มีค่าเท่ากับ 5 ดังนั้น
สารละลาย KMnO4 1 นอร์มาล คือ สารละลาย 0.200 โมลาร์
1 = 5M
M = 1/5 = 0.200 โมลาร์
Example 6.5
จงคานวณหานอร์ มาลิตีของสารละลายต่ อไปนี้
(ก) HNO3 7.88g ในสารละลาย 1 dm3 (N = 14, H = 1.0, O = 16.0, Na = 23.0)
วิธีทา น้ าหนักกรัมสู ตรของ HNO3 = 63.0 g
น้ าหนักกรัมสมมูลของ HNO3 = 63.0 g
N = จานวนกรัมสมมูลของตัวถูกละลายในสารละลาย 1 dm3
สารละลาย 1 dm3 มี HNO3 ละลายอยู่ = 7.88 g
ดังนั้น จานวนกรัมสมมูล = น้ าหนัก (g)
= 7.88 g = 0.1251 กรัมสมมูล
น้ าหนักกรัมสมมูล (g) 63.0 g/g equiv.
นอร์มาลิตีของสารละลาย HNO3 = 0.1251 N Ans
Example 6.6
จงคานวณหานอร์ มาลิตีของสารละลายต่ อไปนี้
(ข) Na2CO3 26.5g ในสารละลาย 1 dm3
วิธีทา น้ าหนักกรัมสู ตรของ Na2CO3 = 106.0 g
น้ าหนักกรัมสมมูลของ Na2CO3 = 106.0 = 53.0 g
2
3
สารละลาย 1 dm มี Na2CO3 ละลายอยู่ = 26.5 g
จานวนกรัมสมมูล = น้ าหนัก (g)
= 26.5 g
53
น้ าหนักกรัมสมมูล (g)
= 0.500 กรัมสมมูล
นอร์มาลิตีของสารละลาย Na2CO3 = 0.500 N Ans
Example 6.7
เมือ่ FeSO4 ทาปฏิกริ ิยากับ KMnO4 ใน H2SO4 จะได้ Fe2(SO4)3 และ MnSO4 จง
คานวณหานา้ หนักของ FeSO4 ทีท่ าปฏิกริ ิยาพอดีกบั KMnO4 หนัก 3.71 g
FeSO4
Fe2(SO4)3
+2
+3
FeSO4 1 โมล ให้อิเล็กตรอน 1 โมล
FeSO4 1 กรัมสมมูล = FeSO4 1 โมล = 152 กรัม
KMnO4
MnSO4
+7
+2
KMnO4 1 โมล รับอิเล็กตรอน 5 โมล
ดังนั้น KMnO4 1/5 โมล รับอิเล็กตรอน 1 โมล
Example 6.7 (ต่ อ)
KMnO4 1 กรัมสมมูล = KMnO4 1/5 โมล = 158/5 กรัม = 31.6 กรัม
แต่ FeSO4 1 กรัมสมมูล ทาปฏิกิริยาพอดีกบั KMnO4 1 กรัมสมมูล
นัน่ คือ FeSO4 หนัก 152 กรัม ทาปฏิกิริยาพอดีกบั KMnO4 หนัก 31.6 กรัม
KMnO4 หนัก 31.6 กรัม ทาปฏิกิริยาพอดีกบั FeSO4 หนัก 152 กรัม
KMnO4 หนัก 3.71 กรัม ทาปฏิกิริยาพอดีกบั FeSO4 หนัก = 3.71 152 กรัม
31.6
= 17.8 กรัม Ans
เศษส่ วนโมล (mole fraction)
เศษส่ วนโมลของสารองค์ประกอบหนึ่ งในสารละลาย คือ จานวนโมลของสาร
องค์ประกอบนั้นหารด้วยจานวนโมลของสารองค์ประกอบทั้งหมดในสารละลาย
ถ้าสารละลายประกอบด้วยองค์ประกอบ 2 ชนิด เศษส่ วนโมลของแต่ละสาร
องค์ประกอบเขียนได้ดงั นี้
A =
n1
และ
B =
n2
n1 + n 2
n1 + n 2
A = เศษส่ วนโมลของสารองค์ประกอบที่ 1
B = เศษส่ วนโมลของสารองค์ประกอบที่ 2
n1 = จานวนโมลของสารองค์ประกอบที่ 1 ในสารละลาย
n2 = จานวนโมลของสารองค์ประกอบที่ 2ในสารละลาย
เศษส่ วนโมล (mole fraction)
ผลบอกของเศษส่ วนโมลของสารองค์ประกอบทั้งหมด เท่ากับ 1 เสมอ
A+B = 1
ถ้าต้องการทราบโมลเปอร์เซ็นต์ (mole percent) ทาได้โดยนา 100 คูณ
เข้ากับเศษส่ วนโมล
โมลเปอร์เซ็นต์ = 100 เศษส่ วนโมล
Example 6.8
สารละลายประกอบด้ วยนา้ 36.0 g และกลีเซอรีน [C3H5(OH)3] 46.0 g จง
คานวณหาเศษส่ วนโมลของนา้ และกลีเซอรีน (H=1.0, C=12.00)
วิธีทา น้ าหนักสู ตรของน้ า = 18.0 กรัม
น้ าหนักสู ตรของกลีเซอรี น = 92.0 กรัม
จานวนโมลของน้ า = 36.0/18.0 = 2.0 โมล
จานวนโมลของกลีเซอรี น = 46.0/92.0 = 0.50 โมล
จานวนโมลทั้งหมด = 2.0 + 0.50 = 2.50 โมล
เศษส่ วนโมลของน้ า = 2.0 = 0.80 Ans
2.50
เศษส่ วนโมลของกลีเซอรี น = 0.50 = 0.20 Ans
2.50
สารละลายอิเล็กโทรไลต์
สารอิเล็กโทรไลต์ : สารที่เมื่อละลายน้ าหรื ออยูใ่ นสภาพหลอมเหลวแล้วสามารถนา
ไฟฟ้ าได้
เช่น สารละลายของ NaCl, KNO3, HCl
สารเหล่านี้ละลายน้ าได้เนื่องจาก ตัวถูกละลายประกอบด้วยไอออน การละลายน้ า
หรื อการหลอมเหลวทาให้ไอออนแตกตัวเป็ นไอออนอิสระ แล้วไอออนอิสระจะเคลื่อน
ตัวย้ายไปยังอิเล็กโทรดที่มีประจุตรงกันข้าม ไอออนบวกเคลื่อนที่ไปยังแคโทด
ไอออนลบเคลื่อนที่ไปยังแอโนด
อิเล็กโทรไลต์ แก่ จะแตกตัวให้ไอออนอิสระได้มาก
อิเล็กโทรไลต์ อ่อน จะแตกตัวให้ไอออนอิสระได้นอ้ ย
นิยามกรด-เบส
1. นิยามของอาร์ เรเนียส
กรด (acid) คือ สารซึ่ งเมื่อละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ H+ (hydrogen ion)
เบส (base) คือ สารซึ่ งเมื่อสารละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ OH- (hydroxyl ion)
เช่น
HCl
H+ + ClH2SO4
2H+ + SO42CH3COOH
H+ + CH3COONaOH
Na+ + OHNH4OH
NH4+ + OH ความแรงของกรด-เบสขึ้นกับความสามารถในการแตกตัวให้ H+ และ OH-
นิยามกรด-เบส
ปฏิกิริยาสะเทินของกรดและเบสจะเป็ นปฏิกิริยาระหว่าง H+ และ OHเกิดเป็ นน้ า ดังสมการ H+ + OHH2O
ข้อจากัดของนิยามอาร์เรเนียส
กรดหรื อเบสต้องละลายในน้ าเท่านั้น
สารที่ไม่มี H+ หรื อ OH- ในโมเลกุลแต่อาจเป็ นกรดหรื อเบสได้โดย
ทาปฏิกิริยากับน้ าแล้วให้ H+ หรื อ OH- ตามนิยามของอาร์เรเนียส
ไม่จดั เป็ นกรดหรื อเบส
นิยามกรด-เบส
2. นิยามของบรอนสเตด-เลารี
กรด คือสารที่ให้โปรตอน
เบส คือสารที่รับโปรตอน
ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจะเป็ นการเคลื่อนย้ายโปรตอนจากกรดไปยัง
เบส
HCl + H2O
H3O+ + ClHCl จะให้ H+ กับน้ า และน้ ารับ H+ จาก HCl ตามนิยามนี้ HCl เป็ นกรด และ
น้ าเป็ นเบส Cl- ซึ่งเป็ นส่ วนที่เหลือหลังจากกรดให้ H+ ไปแล้วอาจรับ H+
จากH3O+ และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ ในลักษณะนี้ Cl- กลายเป็ นเบส และ
H3O+ กลายเป็ นกรด
นิยามกรด-เบส
จะเห็นได้วา่ ปฏิกิริยารวมจะเป็ นสภาวะสมดุลของกรดและเบส 2 คู่ อยูค่ นละข้าง
ของลูกศร ดังนี้
HCl + H2O
H3O+ + Cl-
กรด1 เบส2
กรด2
เบส1
โดยมี HCl และ Cl- เป็ นคู่กรด-เบส คู่ที่ 1 และ H3O+ และ H2O เป็ นคูก่ รด-เบส คู่
ที่ 2
ความแรงของกรดและเบสขึ้นอยูก่ บั ความสามารถในการให้และการรับ
โปรตอน
คู่กรด-เบส คู่หนึ่ง ถ้ากรดเป็ นกรดแก่ คู่เบสจะเป็ นเบสอ่อน
กรดหรื อเบสอาจเป็ นโมเลกุลหรื อไอออนก็ได้
นิยามกรด-เบส
น้ า อาจให้โปรตอนหรื อรับโปรตอนก็ได้ คือน้ าเป็ นได้ท้ งั กรดและเบส แอม
โฟเทอริ ก (Amphoteric) หรื อ แอมฟิ โปรติก (amphiprotic)
สมมุติ HA เป็ นกรดชนิ ดหนึ่ ง
จะมีสมดุลในน้ าดังนี้
HA + H2O
H3O+ + Aค่าคงที่สมดุล Ka = [H3O+] [A-]
[HA]
สมมุติ B เป็ นเบสชนิ ดหนึ่ ง จะมีสมดุลในน้ าดังนี้
B + H2O
ค่าคงที่สมดุล Kb = [BH+] [OH-]
BH+ + OH-
[B]
Ka และ Kb คือ ค่าคงที่ของการแตกตัว ของกรดและเบส ตามลาดับ ถ้ามีค่าสูง แสดงว่ามี
การแตกตัวมาก แปลว่าเป็ นกรดหรื อเบสแรง(แก่)
นิยามกรด-เบส
3. นิยามของลิวอิส
กรด คือสารที่รับคู่อิเล็กตรอนจากเบสแล้วเกิดพันธะโควาเลนต์
เบส คือสารที่สามารถให้คู่อิเล็กตรอนในการเกิดพันธะโควาเลนต์
H+ + :OH
H H
:O:
OH- จัดเป็ นเบสเพราะให้คู่อิเล็กตรอนกับ H+ และ H+ จัดเป็ นกรด เพราะรับคู่
อิเล็กตรอนจาก OH- แล้วเกิดพันธะ O-H
สารประกอบที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนไม่ครบแปด เรี ยก กรดลิวอิล (Lewis acid)
สารประกอบที่มีคู่อิเล็กตรอนที่ยงั ไม่ได้ใช้สร้างพันธะ เรี ยก เบสลิวอิส (Lewis
base)
นิยามกรด-เบส
ถ้า เบส ประกอบด้วยหลายอะตอม อะตอมที่ทาหน้าที่ให้คู่อิเล็กตรอนในการสร้าง
พันธะ เรี ยก donor atom เช่น O ใน OH กรดลิวอิส = อิเล็กโตรไฟล์ (electrophile) = อะตอมหรื อไอออนบวกที่มีออร์ บิทลั
ว่างพอที่จะรับคู่อิเล็กตรอนเมื่อทาปฏิกิริยากับเบส
เบสลิวอิส = นิวคลีโอไฟล์ (nucleophile) = ต้องมีคู่อิเล็กตรอนที่จะให้กบั นิวเคลียส
อื่นที่ขาดอิเล็กตรอน
นิยามกรด-เบส
4. นิยามของระบบตัวทาละลาย
กรด คือ สารที่ให้ไอออนบวกของตัวทาละลายที่เรี ยกว่าไอออนกรด
เบส คือ สารที่ให้ไอออนลบของตัวทาละลายที่เรี ยกว่าไอออนเบส
เช่น HCl เป็ นกรด ในตัวทาละลายกรดอะซี ติกบริ สุทธิ์ (HC2H3O2) เพราะ
สามารถละลายและแตกตัวให้ไอออนกรด H2C2H3O2+
HCl + HC2H3O2
H2C2H3O2+
+ Clกรด ตัวทาละลาย
ไอออนกรดของตัวทาละลาย
NaC2H3O2 เป็ นเบสในตัวทาละลายกรดอะซี ติกบริ สุทธิ์ เพราะสามารถละลาย
และแตกตัวให้ไอออนเบส (C2H3O2-)
NaC2H3O2 + HC2H3O2
C2H3O2- + Na+ + HC2H3O2
เบส
ตัวทาละลาย
ไอออนเบสของตัวทาละลาย
ความแรงของกรด
กรดไฮโดร (HnX เมื่อ X เป็ นอโลหะ) ของธาตุที่อยูค่ าบเดียวกัน ความ
แรงของกรดเพิ่มขึ้นเมื่อธาตุมีเลขอะตอมสูงขึ้น
เช่น NH3 < H2O < HF (คาบที่ 2 )
H2S < HCl (คาบที่ 3)
กรดไฮโดรของอโลหะในหมู่เดียวกันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น
เช่น HF < HCl < HBr < HI (หมู่ 7)
H2O < H2S < H2Se < H2Te (หมู่ 6)
ความแรงของกรด
กรดออกซีที่ประกอบด้วย H, O และอโลหะ และมีโครงสร้างเป็ น H-O-Z
(เมื่อ Z เป็ นอโลหะ) ความแรงของกรดเพิ่มขึ้นเมื่อค่า EN ของ Z สู งขึ้น
HOI < HOBr < HOCl
ถ้าเป็ นกรดออกซีของอโลหะตัวเดียวกัน ถ้าจานวนอะตอมของ O ที่ยดึ กับ
Z เพิ่มขึ้น ความแรงของกรดจะเพิ่มขึ้น
HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4
หรื ออาจมองได้วา่ ความแรงของกรด เพิ่มตามเลขออกซิเดชันของคลอรี น
ความแรงของเบส
ธาตุที่อยูค่ าบเดียวกัน ความแรงของเบสลดลง เมื่อค่า EN เพิ่มขึ้น
เช่น เบสที่เป็ นไอออน NH2- > OH- > Fเบสที่เป็ นโมเลกุล NH3 > H2O > HF (ค่า EN ของ N < O < F)
เบสที่เป็ นไอออนลบอะตอมเดี่ยว ความแรงของเบสลดลงเมื่อประจุของ
ไอออนลดลง N3- > O2- > F- และ N3- > NH2- > NH2- > HN3
ค่ าคงทีข่ องการแตกตัวเป็ นไอออนของกรดอ่อน, Ka
สมมุติ HA เป็ นกรดชนิดหนึ่ง จะมีสมดุลในน้ าดังนี้
HA + H2O
H3O+ + Aค่าคงที่การแตกตัวของกรด Ka = [H3O+] [A-]
[HA]
เช่น ถ้าเป็ นกรดอ่อน กรดอะซีติก (CH3COOH) ละลายน้ าจะแตกตัวให้
H+ และไอออนลบของกรด ดังสมการ
CH3COOH + H2O
H3O+ + CH3COOKa = [H3O+] [CH3COO-]
[CH3COOH]
ค่ าคงทีข่ องการแตกตัวเป็ นไอออนของกรดอ่อน, Ka
เศษส่ วนการแตกตัวของกรด (= จานวนโมลของกรดที่แตกตัว
จานวนโมลของกรดทั้งหมด
= [H3O+]
[HA]
ร้อยละของการแตกตัวของกรด = [H3O+] 100
[HA]
ค่ าคงทีข่ องการแตกตัวเป็ นไอออนของเบสอ่อน, Kb
สมมุติ B เป็ นเบสชนิดหนึ่ง จะมีสมดุลในน้ าดังนี้
B + H2O
BH+ + OHค่าคงที่ของการแตกตัวของเบส Kb = [BH+] [OH-]
[B]
เช่น ถ้าเป็ นเบสอ่อน แอมโมเนีย (NH3) เมื่อละลายน้ าจะแตกตัวดัง
สมการ NH3 + H2O
NH4+ + OHKb = [NH4+] [OH-]
[NH3]
ค่ าคงทีข่ องการแตกตัวเป็ นไอออนของเบสอ่อน, Kb
เศษส่ วนการแตกตัวของเบส (= จานวนโมลของเบสที่แตกตัว
จานวนโมลของเบสทั้งหมด
= [OH-]
[B]
ร้อยละของการแตกตัวของเบส = [OH-] 100
[B]
ค่ าคงทีผ่ ลคูณของไอออนของนา้ , Kw
จากการแตกตัวของกรดและเบสในน้ า จะเห็นว่าน้ าสามารถรับและให้โปรตอนได้
ดังนั้น น้ าจึงมีการแตกตัวดังนี้
HOH + HOH
H3O+ + OHกรด1 เบส2
กรด2 เบส1
ปฏิกิริยานี้เรี ยกว่า การแตกตัวได้เอง (autoprotolysis หรื อ self-ionization) ของน้ า
ค่าคงที่ผลคูณของไอออนของน้ า Kw = [H3O+] [OH-] = 10-14
หรื อ
Kw = [H+] [OH-] = 10-14
น้ าบริ สุทธิ์ ความเข้มข้นของ H3O+ ต้องเท่ากับ OH- เสมอ นัน่ คือ
[H3O+] = [OH-] = 10-7
มาตราส่ วน pH
สารละลายในน้ า ไม่วา่ จะเป็ นกรดหรื อเป็ นเบสหรื อเป็ นกลาง ก็ยอ่ ม
ประกอบไปด้วย H3O+ และ OH- เสมอ โดยมีผลคูณของไอออนทั้งสอง
เท่ากับ 10-14 ดังนั้นถ้าทราบ [H3O+] อย่างเดียวก็สามารถบอกได้วา่
สารละลายเป็ นกรด เป็ นเบส หรื อเป็ นกลาง
มาตราส่ วน pH (pH scale)
pH = -log[H+] หรื อ pH = -log[H3O+]
pOH = -log[OH-]
เนื่องจาก
[H+] [OH-] = 10-14
เมื่อใส่ log ทั้งสองข้าง log [H+] [OH-] = log10-14
มาตราส่ วน pH
log [H+] + log [OH-] = -14 log 10
log [H+] + log [OH-] = -14 (1)
-log [H+] - log [OH-] = 14
pH + pOH
= 14
สารละลายกรด จะมี [H+] > [OH-] pH < 7
สารละลายเบส จะมี [H+] < [OH-] pH > 7
สารละลายที่เป็ นกลาง จะมี [H+] = [OH-] pH = pOH = 7
Example 6.9
จงคานวณหา pH ของสารละลายกรด ที่มี [H3O+] = 3 10-3 mol/dm3
วิธีทา pH = -log [H3O+] = -log [310-3] = -log [0.003] = -(-2.523)
= 2.523 Ans
จงคานวณหา pH ของสารละลายกรด ที่มีความเข้ มข้ น 0.0020 mol/dm3
วิธีทา pH = -log [H+] = -log [0.0020] = -(-2.699) = 2.699 Ans
Example 6.10
จงคานวณ [H3O+] และ [OH-] ของสารละลายที่มี pH = 4.5
วิธีทา -log [H3O+] = pH = 4.5
[H3O+] = 10-4.5 = 100.5 10-5 = 3.16 10-5 mol/dm3 Ans
pH + pOH = 14
4.5 + pOH = 14
pOH = 14-4.5 = 9.5
-log [OH-] = pOH = 9.5
[OH-] = 10-9.5 = 100.5 10-10 = 3.16 10-10 mol/dm3 Ans
ปฏิกริ ิยาระหว่างกรด-เบส
กรดแก่ = กรดที่ละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน (H+) หรื อไฮโดรเนียม
ไอออน (H3O+) เกือบทั้งหมด เช่น HCl, H2SO4
กรดอ่อน = กรดที่ละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน (H+) หรื อไฮโดร
เนียมไอออน (H3O+) เพียงบางส่ วน เช่น CH3COOH
เบสแก่ = เบสที่ละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกซิ ลไอออน (OH-)ได้มาก เช่น
NaOH, KOH
เบสอ่อน = เบสที่ละลายน้ าแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกซิ ลไอออน (OH-) น้อย เช่น
NH4OH
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างกรดกับเบส แล้วได้เกลือกับน้ า เรี ยกว่า การทาให้เป็ น
กลาง
ถ้าปริ มาณของ H+ พอดีกบั OH- จุดที่ได้เรี ยกว่าจุดสมมูล (equivalent point)
ปฏิกริ ิยาระหว่างกรด-เบส
ปฏิกริ ิยาระหว่ างกรดแก่ -เบสแก่
เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง HCl กับ NaOH ที่จุดสะเทินจะได้เกลือ NaCl ซึ่ งเป็ น
สารละลายที่มีฤทธิ์ เป็ นกลาง pH = 7
HCl + NaOH
NaCl + H2O
ปฏิกริ ิยาระหว่ างกรดแก่ -เบสอ่ อน
เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง HCl กับ NH4OH ที่จุดสะเทินจะได้เกลือ NH4Cl เกลือนี้
จะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิ สในน้ า โดย NH4+ จะไปทาปฏิกิริยากับน้ า เกิดเป็ น
สารละลายที่มีสภาพเป็ นกรด (pH3-4)
HCl + NH4OH
NH4Cl + H2O
ปฏิกริ ิยาระหว่างกรด-เบส
ปฏิกริ ิยาระหว่ างกรดอ่ อน-เบสแก่
เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง CH3COOH กับ NaOH ที่จุดสะเทินจะได้เกลือ CH3COONaซึ่ ง
CH3COO- จะเกิดไฮโดไลซิ สในน้ าให้สารละลายที่มีสภาพเป็ นเบส (pH9-10)
CH3COOH + NaOH
CH3COONa + H2O
ปฏิกริ ิยาระหว่ างกรดอ่ อน-เบสอ่ อน
ที่จุดสะเทินจะพิจารณาจากค่าคงที่ของการแตกตัว Ka และ Kb
ถ้า Ka = Kb ที่จุดสะเทิน pH = 7
ถ้า Ka > Kb การแตกตัวของกรดจะมากกว่าเบส ที่จุดสะเทิน สารละลายจะเป็ นกรด
ถ้า Ka < Kb การแตกตัวของกรดจะน้อยกว่าเบส ที่จุดสะเทิน สารละลายจะเป็ นเบส
การไทเทรตกรดและเบส
เป็ นการนากรดและเบสมาทาปฏิกิริยากัน เพื่อหาปริ มาณของกรดและ
เบสที่ทาปฏิกิริยากันพอดี โดยมีสารละลายหนึ่งเป็ นสารละลายที่ทราบค่า
ความเข้มข้น เรี ยกว่า สารละลายมาตรฐาน ซึ่งจะใส่ ไว้ในบิวเรต ส่ วนอีก
สารละลายหนึ่งเป็ นสารละลายที่ตอ้ งการทราบค่าความเข้มข้น หรื อต้องการ
หาค่า pH จะใส่ ไว้ในขวดรู ปชมพู่ และหยดอินดิเคเตอร์ลงไป 2-3 หยด แล้ว
ค่อยๆเปิ ดให้สารละลายจากบิวเรตลงไปในสารละลายในขวดรู ปชมพูจ่ น
กรดและเบสทาปฏิกิริยากันพอดี เรี ยกว่า จุดสมมูล และถ้าไทเทรต่อจากนั้น
จนสี ของสารละลายเปลี่ยนสี อ่อนๆอย่างถาวร เรี ยกจุดนี้วา่ จุดยุติ
Example 6.11
จงหาค่ า pH ของสารละลายเมื่อทดลองหยดสารละลาย NaOH เข้ มข้ น 0.10 M
จานวน 50 cm3 ลงในสารละลาย HCl เข้ มข้ น 0.10 M จานวน 100 cm3
วิธีทา NaOH เข้มข้น 0.10 M แสดงว่า
ในสารละลาย 1000 cm3 มี NaOH = 0.10 โมล
ถ้าในสารละลาย 50 cm3 มี NaOH = 0.10 โมล 50 cm3 = 0.005 โมล
1000 cm3
HCl เข้มข้น 0.10 M แสดงว่า
ในสารละลาย 1000 cm3 มี HCl = 0.10 โมล
ถ้าในสารละลาย 100 cm3 มี HCl = 0.10 โมล 100 cm3 = 0.01 โมล
1000 cm3
Example 6.11 (ต่ อ)
สมการแสดงปฏิกิริยาระหว่าง HCl กับ NaOH ที่ทาให้ดุลแล้วเป็ นดังนี้
HCl(aq) + NaOH(aq)
NaCl(aq) + H2O(l)
ซึ่ งแสดงว่า HCl ทาปฏิกิริยากับ NaOH ด้วยจานวนโมลที่เท่ากัน คือ 1:1 แต่จากการ
ทดลองนี้ในสารละลาย HCl มี HCl อยู่ 0.01 โมล สารละลาย NaOH มี NaOH อยู่
0.005 โมล แสดงว่า
หลังปฏิกิริยาจะเหลือ HCl = 0.01 โมล - 0.005 โมล = 0.005 โมล
ในปฏิกิริยาสารละลายทั้งหมด
= สารละลาย HCl + สารละลาย NaOH
= 100 cm3 + 50 cm3
= 150 cm3
Example 6.11 (ต่ อ)
ในสารละลาย 150 cm3 เหลือ HCl = 0.005 โมล
ถ้าในสารละลาย 1000 cm3 เหลือ HCl = 0.005 โมล 1000 cm3 = 0.033 โมล
150 cm3
ดังนั้น HCl เข้มข้น = 0.033 M
หาค่า pH ได้ดงั นี้
pH = -log[H+]
เนื่องจาก HCl เป็ นกรดแก่ ซึ่ งในปฏิกิริยาจะแตกตัวให้ H+ ที่มีอยูท่ ้ งั หมดคือ 0.033 M
pH = -log[0.033]
= 1.48
pH ของสารละลาย = 1.48 Ans
Example 6.12
จงหาค่ า pH ของสารละลายเมื่อทดลองหยดสารละลาย NaOH เข้ มข้ น 0.10 M
จานวน 50 cm3 ลงในสารละลาย CH3COOH เข้ มข้ น 0.10 M จานวน 100 cm3
กาหนดให้ Ka ของ CH3COOH = 1.810-5
วิธีทา NaOH เข้มข้น 0.10 M แสดงว่า
ในสารละลาย 1000 cm3 มี NaOH = 0.10 โมล
ถ้าในสารละลาย 50 cm3 มี NaOH = 0.10 โมล 50 cm3 = 0.005 โมล
1000 cm3
CH3COOH เข้มข้น 0.01 M แสดงว่า
ในสารละลาย 1000 cm3 มี CH3COOH = 0.01 โมล
ถ้าในสารละลาย 100 cm3 มี CH3COOH = 0.01 โมล 100 cm3 = 0.01 โมล
1000 cm3
Example 6.12 (ต่ อ)
สมการแสดงปฏิกิริยาระหว่าง NaOH กับ CH3COOH ที่ดุลแล้วเป็ นดังนี้
NaOH + CH3COOH
CH3COONa + H2O
ซึ่ งแสดงว่า NaOH ทาปฏิกิริยากับ CH3COOH ด้วยจานวนโมลที่เท่ากัน คือ 1:1
แต่จากการทดลอง ในสารละลาย NaOH มี NaOH อยู่ 0.005 โมล และสารละลาย
CH3COOH มี CH3COOH อยู่ 0.01 โมล ดังนั้น
หลังปฏิกิริยาจะเหลือ CH3COOH = 0.01 โมล – 0.005 โมล = 0.005 โมล
ในปริ มาตรสารละลายทั้งหมด = 100 + 50 = 150 cm3
ในสารละลาย 150 cm3 เหลือ CH3COOH = 0.005 โมล
ในสารละลาย 150 cm3 เหลือ CH3COOH = 0.005 โมล
ถ้าในสารละลาย 1000 cm3 เหลือ CH3COOH = 0.005 โมล 1000 cm3 = 0.033 โมล
150 cm3
Example 6.12 (ต่ อ)
ดังนั้น CH3COOH เข้มข้น = 0.033 M
หาค่า pH จาก pH = -log[H+]
และหาค่า [H+] ได้ 2 วิธี ดังนี้
วิธีท1ี่ เนื่องจาก CH3COOH เป็ นกรดอ่อน แตกตัวได้ดงั นี้
CH3COOH
H+ + CH3COO0.033-x
x
x
Ka = [H+] [CH3COO-]
[CH3COOH]
1.810-5 = x . x
0.033-x
Example 6.12 (ต่ อ)
ให้ 0.033-x มีค่าประมาณ 0.033 เนื่องจาก x มีคา่ น้อยมาก เมื่อเทียบกับ 0.033
ดังนั้น
1.8 10-5 = x2
0.033
x2 = 0.033 1.8 10-5
x = 7.707 10-4
นัน่ คือ [H+] = 7.707 10-4
วิธีท2ี่ หาจากสูตร [H+] = Ca Ka
เมื่อ Ca คือความเข้มข้นของกรด = 0.033 M
[H+] = 0.033 1.8 10-5 = 7.707 10-4
Example 6.12 (ต่ อ)
จากนั้นหาค่า pH จาก
pH = -log[H+]
= -log [7.707 10-4]
= 3.1131
pH ของสารละลาย = 3.1131 Ans
Example 6.13
จงหาความเข้ มข้ นของ CH3COOH ทีม่ ี pH = 5.3
กาหนดให้ Ka ของ CH3COOH = 1.85 10-5
วิธีทา หา [H+] จาก pH = -log[H+]
5.3 = -log[H+]
-log[H+] = 5.3
[H+] = 10-5.3 = 5.012 10-6
หาความเข้มข้นของ CH3COOH
[H+] = Ca Ka
5.012 10-6 = Ca 1.85 10-5
Example 6.13 (ต่ อ)
Ca
= 5.012 10-6
1.85 10-5
Ca = 3.414 10-2
ความเข้มข้นของ CH3COOH = 3.414 10-2 M Ans