สมดุลไอออนของสารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน

สวัสดีครับวันนี้ผม เพ็ชร สรุปราษฎร์ จะมาบอกเกี่ยวกับ สมดุลไอออนของสารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน กันนะครับซึ่งหลายๆคนอาจจะยังเรียนอยู่หรือไม่ได้เรียน หรือว่าเรียนไปแล้ว

1.บทนำ

 สารละลายแบ่งเกณฑ์ตามการนำไฟฟ้าได้เป็น 2 ประเภทคือ

1.1 สารละลายนอน-อิเล็กโทรไลต์ คือสารละลายที่ไม่นำไฟฟ้า่ได้ เนื่องจากโมเลกุลของตัวถูกละลายไม่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ เช่น น้ำบริสุทธิ์ น้ำตาล แอลกอฮอล์ เป็นต้น

1.2 สารละลายอิเล็กโทรไลต์ คือสารที่เมื่อละลายน้ำจะนำไฟฟ้าได้ เนื่องจากมีไอออนซึ่งอาจจะเป็นไอออนบวก หรือไอออนลบเคลื่อนที่อยู่ในสารละลาย สารละลายอิเล็กโทรไลต์นี้อาจเป็นสารละลายกรด เบสหรือเกลือก็ได้ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ

  1.2.1 อิเล็กโทรไลต์แก่ คือสารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออนได้มาก อาจแตกตัวได้ 100% และนำไฟฟ้าได้ดีมาก เช่นกรดแก่ และเบสแก่ และเกลือ ส่วนใหญ่จะแตกตัวได้ 100%
  1.2.2 อิเล็กโทรไลต์อ่อนคือสารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวได้บางส่วน นำไฟฟ้าได้น้อย และไอออนสามรถทำปฎิกริยาย้อนกลับกลับมาเป็นโมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์อ่อนได้จึงทำให้เกิดสมดุลของการแตกตัว

ตัวอย่างของอิเล็กโทรไลต์อ่อน ได้แก่ กรดอ่อนทั้งหมดและเบสอ่อนทั้งหมด เช่น

CH3COOH , H2CO 3 , HNO2 , H2SO 3 , H2S , H2C 2O4 , H3BO 3

2.ทฤษฎีกรด-เบส

2.1 ทฤษฎีกรด-เบสของอาเรเนียส

กรด คือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน

CH 3COOH (l) H + (aq) + CH 3COO - (aq)

เบสคือ สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน

NH 4OH (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq)

ทฤษฎีกรด-เบสของอาเรเนียสมีข้อบกพร่องคือถ้าสารนั้นไม่สามารถละลายน้ำได้เราก็ไม่สามารถที่จะรู้ได้ว่าสารนั้นเป็นกรดหรือเบส

2.2ทฤษฎีกรด-เบสของเบรินสเตด-ลาวรี

กรด คือ สารที่สามารถให้โปรตอนกับสารอื่นๆ ได้(H+)

เบส คือ สารที่สามารถรับโปรตอนจากสารอื่นได้(H+)

NH 3(aq) + H 2O (1) NH 4 + (aq) + OH - (aq)

เบส 2 ........ กรด 1 ...........  กรด 2 ........... เบส 1

การเขียนคู่กรด-เบส

สาร                                                คู่กรด                                   คู่เบส

H2O                                               H30+                                  OH-

NH3                                               NH4+                                  NH2-

HS-                                                H2S                                      S2-

            

2.3ทฤษฎีกรด-เบสของลิวอีส

 กรด คือ สารที่สามารถรับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจากสารอื่น

เบส คือ สารที่สามารถให้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแก่สารอื่น

3.สารแอมโฟเทอริก

 คือสารที่มีสมบัติเป็นได้ทั้วกรดและเบส นั้นคือสามารถให้และรับโปรตอนได้

นั้นเอง

 ตัวอย่างเช่นน้ำ สามารถรับโปรตอนกลายเป็น

H3O+ และสามารถทำหน้าที่ให้โปรตอนกลายเป็น OH- เป็นต้น

4.การแตกตัวของกรดและเบส

สารละลายกรดและเบสจัดเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ลำดับวิธีการพิจารณากรดและเบสที่แก่กว่ามีวิธีพิจาณาเปรียบเทียบได้สองวิธีคือ

- เปรียบเทียบจากร้อยละการแตกตัวเป็นไอออนในตัวทำละลายชนิดเดียวกัน

- เปรียบเทียบจากโครงสร้างโมเลกุลของกรดและเบส

  4.1 การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ กรดแก่และเบสแก่เป็นสารอิเล็กโทรไลต์แก่ที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้มากหรือแตกตัวเป็นไอออนได้อย่างสมบูรณ์ 100% จึงเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพียงอย่าเดียว  

ตัวอย่าง กรดแก่แบสแก่ที่พบกันโดยทั่วไปแสดงดังตาราง ซึ่งกรดและเบสเหล่านี้สามารถแตกตัวได้100% กรดแก่ได้แก่กรดเฮไลด์ และกรดออกซีบางชนิด ส่วนเบส

แก่ เป็นเบสจำพวกไฮรดรอกไซด์ของหมู่ 1A และ หมู่ 2A บางตัว

ตาราง กรดแก่และเบสแก่ทั่วไป

 4.2 การแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อน กรดอ่อนและเบสอ่อนจัดเป็นสารอิเล็กโทรไลต์แบบอ่อน ซึ่งการแตกตัวจะเป็นแบบผันกลับได้โดยทั่วไปนิยมจะบอกการแตกตัวของกรด เบสเมื่อละลายน้ำแล้วจะแตกตัวได้ไม่สมบูรณ์ เกิดภาวะสมดุลจึงสามารถหาค่าคงที่สมดุลของกรดอ่อน(Ka)หรือค่าคงที่สมดุลของเบสอ่อน(Kb)ได้นอกจากนี้ค่าคงที่ดังกล่าวยังสามารถบอกความแรงของกรดหรือเบสได้อีกด้วย

-ถ้า Ka ,Kb มากแสดงว่ากรดอ่อนหรือเบสอ่อนนั้นมีความแรงมาก
-ถ้าKa ,Kb น้อยแสดงว่ากรดอ่อนหรือเบสอ่อนนั้นมีความแรงน้อย

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

5. pH, pOH ของสารละลาย

   สารละลายไม่ว่าเป็นกรดหรือเบสจะมี H+ และ OH- อยู่ด้วยโดยมีผลคูณของไอออนทั้งสองเท่ากับ 1.0 × 10-14 ถ้าเราทราบ H+ เราก็สามารถที่จะบอกได้ว่าสารละลายนั้นเป็นกรด เบส หรือ กลาง

ความสัมพันธ์ระหว่างกรดและเบส

pH = -log[H+] หรือ pH = -log[H3O+]

โดยที่ pH ที่มีค่าน้อยกว่า 7 จะมีความเป็นกรดแต่ถ้าค่าpH ที่ได้มีค่ามากกว่า 7 จะมีความเป็นเบส ดังนั้นถ้า pH มีค่าเท่ากับ 7 จึงมีสภาพเป็นกลาง เราจึงมักใช้ค่า pH เพื่อบอกสภาพความเป็นกรด เบส หรือกลางของสารละลายที่วัดได้ และ สะดวกต่อความเข้าใจสภาพความเป็นกรด เบส หรือกลางของสารละลาย

6. การแตดตัวของกรดหลายโปรตอน

   การที่กรดแตกตัวหลายครั้งคือกรดที่มีโปรตอนมากกว่าหนึ่งตัวที่สามารถแตกตัวได้

ตัวอย่างเช่น H2CO3, H2S, H3PO4, H2SO4 เป็นต้น ดังนั้นจึงมีค่าคงที่การแตกตัวได้หลายค่า

7. เกลือปฎิกิริยาไฮโดรไลซิส

   หมายถึงปฏิกิริยาของสารกับน้ำ ซึ่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจัดเป็นปฏิกิริยาผันกลับของปฏิกิริยาสะเทินที่เกิดขึ้นจากกรดที่ทำปฏิกิริยากับเบส ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ดังนี้

กรด + เบส เกลือ + น้ำ

     ไฮโดรไลซิสของเกลือ หมายถึงปฏิกิริยาของเกลือกับน้ำแล้วทำให้สารละลายของเกลือนั้นมีสมบัติเป็นกรดอ่อนหรือเป็นเบสอ่อน เมื่อนำเกลือมาละลายน้ำ จะทำให้ pH เปลี่ยนแปลงหรือไม่ก็เกิดจากเกลือที่เกิดขึ้นนั้นสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำได้หรือไม่ เมื่อทำปฏิกิริยาแล้วทำให้เกิดไฮโดรเนียมไอออนหรือไฮดรอกไซด์ไออนเกิดขึ้น หากเกิดไฮโดรเนียมไอออนเกิดขึ้นจะทำให้สารละลายที่เกิดขึ้นมีสภาพเป็นกรดและหากเกิดไฮดรอกไซด์ไอออนเกิดขึ้นจะทำให้เกิดสภาวะที่เป็นเบสเกิดขึ้น

8. สารละลายบัฟเฟอร์

สารละลายบัฟเฟอร์ คือสารละลายที่ได้จากการผสมระหว่างกรดอ่อนกับเกลือของมัน หรือ เบสอ่อนกับเกลือของมัน หน้าที่สำคัญคือเป็นสารละลายที่ใช้ในการควบคุมความเป็นกรดเบสของสารละลายเพื่อไม่ให้เปลี่ยนไปมากเมื่อเติมกรดหรือเบสลงไปเล็กน้อยจะสามารถรักษาระดับ pH ของสารละลายไม่ให้เปลี่ยนแปลงได้

9. การคำนวณค่า pH ของสารละลายบัฟเฟอร์

สำหรับการคำนวณหา [H+] หรือ [H3O+] หรือค่า pH ของสารละลายมีขั้นตอนดังนี้

เราสามารถใช้ความเข้มข้นเริ่มต้นเป็นความเข้มข้นที่สมดุลได้เลย

10. อินดิเคเตอร์และช่วงของการเปลี่ยนสี

 

 

11. การคำนวณช่วง pH ของอินดิเคเตอร์

หลักการทำงานของอินดิเคเตอร์เหมือนการรบกวนสมดุลที่เกิดขึ้น ถ้าให้สูตรโมเลกุลของ HIn แทนลิตมัสในรูปของกรดซึ่งมีสีแดง และ In- แทนในรูปของ เบสซึ่งมีสีน้ำเงินสามารถเขียนภาวะสมดุลได้

HIn(aq)          H+      +      In-

สีแดง                                     สีน้ำเงิน

ถ้าเพิ่ม H+ สมดุลเลื่อนไปทางซ้ายสีที่เกิดขึ้นคือสีแดง

ถ้าเพิ่ม OH- สมดุลเลื่อนไปทางขวาสีที่เกิดขึ้นคือสีน้ำเงิน

หากค่าคงที่สมดุลของอินดิเคเตอร์มีค่าประมาณ 1 × 10-7

12. ปฏิกิริยาของกรดและเบส

ปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบสจะเป็นปฎิกิริยาที่เกิดจากการถ่ายเทของสารทั้งสองปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจะได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือกับน้ำ

HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l)

ในบางครั้งอาจไม่มีน้ำเกิดขึ้นแต่ได้เกลือเพียงอย่างเดียว เช่น

NH3(g) + HCl(g) NH4Cl

  ปฏิกิริยาที่ที่ไฮโดรเนียมไอออนจากกรดทำปฏิกิริยากับไฮดรอกไซด์ไอออนจากเบสเกิดเป็นน้ำเกิดขึ้นเราปฏิกิริยานี้ว่าปฏิกิริยาสะเทิน

ในการทำปฏิริยาระหว่างกรดกับเบสได้เกลือ เกลือนั้นอาจละลายน้ำได้ดี หรือ ละลายน้ำได้ยากก็ได้ หากได้เกลือที่ละลายน้ำได้ยากจะทำให้การนำไฟฟ้าได้น้อยลง 

13. การไทเทรต

การไทเทรต หมายถึงกระบวนการหาปริมาณของสาร โดยทราบความเข้มข้นของ กรดหรือเบสอย่างใดอย่างหนึ่ง และทราบปริมาตรของสารละลายทั้งสองชนิดที่ทำปฏิกิริยากันพอดีก็สามารถหาความเข้มข้นของสารละลายอีกชนิดหนึ่งได้ จุดที่กรดและเบสทำกันพอดี เรียกว่า จุดสมมูล (Equivalent point) ซึ่งจุดสมมูลของกรดและเบสแต่ละคู่จะมี pH ที่ต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของกรดและเบสที่ทำการไทเทรต

ไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสแก่ จุดสมมูลจะมี pH เท่ากับ 7

ไทเทรตระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่ จุดสมมูลจะมี pH มากกว่า 7

ไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน จุดสมมูลจะมี pH น้อยกว่า 7

ในการไทเทรตระหว่างกรดกับเบส เราไม่ทราบว่าถึงจุดสมมูลแล้วหรือยัง หรือเกินไปแล้ว

ดังนั้นเราจึงต้องอาศัยอินดิเคเตอร์เป็นตัวบอกเพื่อบอกว่าควรยุติการไทเทรตเมื่อไร ดูจากการเปลี่ยนสีเมื่อสารทำปฏิกิริยากับอินดิเคเตอร์ที่เกิดขึ้น เราเรียกจุดนี้ว่า จุดยุติ (End Point)

ในการไทเทรตเราต้องทราบความเข้มข้นอย่างแน่นอน ซึ่งเราเรียกสารละลายนั้นว่าสารละลายมาตรฐาน (Standard solution) และสารละลายที่ไม่ทราบความเข้มข้น ซึ่งเราต้องการทราบว่าความเข้มข้นของสารนั้นมีความเข้มข้นเท่าไดเราเรียกสารละลายชนิดนั้นว่า (Unknown solution)

   13.1 การไทเทรตกรดแก่-เบสแก่

การไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสแก่ที่จุดสมมูล pH ของสารละลายประมาณ 7 ในการเลือกใช้อินดิเคเตอร์นั้น ควรเลือกใช้อินดิเคเตอร์ที่มีการเปลี่ยนแปลง pH ที่ประมาณ 7 จากนั้นเลือกอินดิเคเตอร์ในช่วงการเปลี่ยนแปลงของสีนั้น จากการไทเทรตของกรดแก่และเบสแก่ ดังนั้นอินดิเคเตอร์ที่เราควรเลือกใช้คือโบรโมไทมอลบลูหรือฟีนอล์ฟทาลีน

 

                      กราฟการไทเทรตระหว่างกรดไฮโดรคลอริกกับโซเดียมไฮดรอกไซด์

13.2 การไทเทรตกรดอ่อนกับเบสแก่

   จุดสมมูลระหว่างกรดกับเบสจะเปลี่ยนไป โดยจุดสมมูลที่ได้จะมี pH มากกว่า 7 เมื่อเปรียบเทียบจุดสมมูลระหว่างกรดแก่กับเบสแก่ และจุดสมมูลระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่จะเห็นได้ว่าจุดสมมูลมี pH ที่ต่างกัน ดังนั้นการเลือกใช้ อินดิเคเตอร์ควรจะเลือกใช้ไทมอลบลูหรือฟีนอล์ฟทาลีนเพราะอินดิเคอเตอร์จะบอกจุดยุติถูกต้อง

 

                                 กราฟการไทเทรตของกรดอ่อนชนิดต่างๆ กับเบสแก่

13.3 การไทเทรตกรดแก่กับเบสอ่อน

เมื่อไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อนจุดสมมูลที่ได้จะมี pH ของสารละลายน้อยกว่า 7

ในการเลือกอินดิเคเตอร์คุมจุดสมมูล จากกราฟพบว่าควรเลือกอินดิเคเตอร์ในช่วง pH 3-6 อินดิเค

เตอร์ที่ดีนั้นก็คือเมทิลเรดซึ่งจะครอบคลุมช่วงจุดสมมูล

 

กราฟการไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน

13.4 ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อน จุดสมมูล หรือ จุดที่กรดและเบสทำปฏิกิริยาพอดีกัน สังเกตการเปลี่ยนแปลงได้ไม่ชัดเจน

คลิปการไทเทรตนะครับ คลิก

 จบแล้วนะครับสำหรับบทความของผมในครั้งนี้ผมขอขอบคุณทุกท่านที่กรุณาอ่านมาจนถึงตอนจบนี้ด้วยครับถ้ามีข้ผิดพลาดประการใดก็ขอโทษไว้ ณ ที่นี้ด้วยครับ