ทฤษฎีกรด-เบส [Acid-Base Theory]

Acid-Base Theory

Arrhenius Concept

กรด คือ สารประกอบที่มี H และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ H + หรือ H 3O +

เบส คือ สารประกอบที่มี OH และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ OH -

ปัญหาที่สำคัญของทฤษฎีกรด-เบสของอาร์รีเนียส คือ ไม่สามารถระบุความเป็นกรด-เบสของสารที่ไม่ละลายน้ำได้ และไม่สามารถระบุความเป็นกรดที่ไม่มีไฮโดรเจนได้ เช่น AlCl₃ หรือเบสที่ไม่มีไฮดรอกไซด์ไอออน เช่น NH₃ หรือ N(CH₃)₃ ได้ จึงมีการนิยามขึ้นใหม่โดยนักเคมีรุ่นหลัง

Bronsted-Lowry Concept

กรด คือ สารที่สามารถให้โปรตอน ( proton donor)แก่สารอื่น

เบส คือ สารที่สามารถรับโปรตอน ( proton acceptor)จากสารอื่น

ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจึงเป็นการถ่ายเทโปรตอนจากกรดไปยังเบสเช่น แอมโมเนียละลายในน้ำ

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

base 2 ........ acid 1 ........ acid 2 ........ base 1

ในปฏิกิริยาไปข้างหน้า NH 3 จะเป็นฝ่ายรับโปรตอนจาก H 2O ดังนั้น NH 3 จึงเป็นเบสและ H 2O เป็นกรด แต่ในปฏิกิริยาย้อนกลับ NH 4 + จะเป็นฝ่ายให้โปรตอนแก่ OH - ดังนั้น NH 4 + จึงเป็นกรดและ OH - เป็นเบส อาจสรุปได้ว่าทิศทางของปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับความแรงของเบส

สารแอมโฟเทอริก สารประกอบที่ทำหน้าที่ได้ทั้งกรดเบรินสเตดและเบสเบรินสเตด โดยน้ำเป็นตัวอย่างของสารแอมโฟเทอริก ดังสมการ: AH + B ⇌ A⁻ + BH⁺

HNO₃ + H₂O ⇌ NO₃⁻ + H₃O⁺(น้ำทำหน้าที่เป็นเบส)

H₂O + NH=C(NH₂)₂ ⇌ OH⁻ + H₂N=C(NH₂)₂⁺(น้ำทำหน้าที่เป็นกรด)

ความแรงสัมพัทธ์ของกรดเบรินสเตดความแรงของกรดเบรินสเตดสามารถเปรียบเทียบโดยใช้ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Acid Dissociation Constant: K_a) โดยที่:

HA ⇌ A⁻ + H⁺

อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่การแตกตัวของกรดเป็นค่าคงที่ที่เป็นค่าเฉพาะ ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ และมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ รวมถึงขึ้นอยู่กับชนิดองตัวทำละลายด้วย ดังตารางเป็นตัวอย่างของค่า pK_a ของกรดบางชนิดในตัวทำละลายชนิดต่างๆ ที่อุณหภูมิ 25℃

Lewis Concept

กรด คือ สารที่สามารถรับอิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยว ( electron pair acceptor) จากสารอื่น

เบส คือ สารที่สามารถให้อิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยว ( electron pair donor)แกสารอื่น

ทฤษฎีนี้ใช้อธิบาย กรด เบส ตาม concept ของ Arrhenius และ Bronsted-Lowry ได้ และมีข้อได้เปรียบคือสามารถอธิบาย กรด เบส ในกรณีที่เกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน และได้สารประกอบที่มีพันธะโควาเลนซ์ เช่น

OH - (aq) + CO 2 (aq) HCO 3 - (aq)

BF 3 + NH 3BF 3-NH 3

ตัวอย่างปฏิกิริยากรด-เบสของลิวอิส

BF₃ + F⁻ → BF₄⁻

BF₃ + OMe₂ → BF₃O

Me₂I₂ + I⁻ → I₃⁻

SiF₄ + 2 F⁻ → SiF₆²⁻

บทความวิทยาศาสตร์-4[Gallium]

แกลเลียม (Gallium) คือธาตุเคมีที่มีหมายเลขอะตอม เท่ากับ 31 และมีสัญลักษณ์คือ Ga แกลเลียมอยู่ในตารางธาตุหมู่ 31 ซึ่งในธรรมชาติเราจะพบในแร่บอไซต์ (bauxite) และสังกะสี (zinc ores) สารประกอบแกลเลียม อาร์ซิไนด์ ใช้ทำสารกึ่งตัวนำในหลอดไดโอดส์ หรือที่เรามักเรียกกันว่า หลอดแอล อี ดี (LEDs) นั่นเอง

ธาตุแกลเลียม ถูกค้นพบโดย P.E. Lecoq de Boisbaudran นักเคมีชาวฝรั่งเศส ในวันที่ 27 สิงหาคม ค.ศ.1875 โดยเขาได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมของ Pyrenean zinc blend ที่ทำให้เข้มข้นแล้ว จนพบเส้นสเปกตรัมอยู่ตำแหน่งตรงกับธาตุที่ขาดหายไปคือธาตุ "eka-alumina" ซึ่งเป็นธาตุอยู่ระหว่าง Al และ In ในตารางธาตุ จากการเตรียมโลหะอิสระได้จากการนำสารของธาตุนี้ในสารละลายเบสมาแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis) และได้ศึกษาสมบัติบางประการของธาตุนี้จนสำเร็จ และได้ตั้งชื่อธาตุนี้ว่า แกลเลียม (Gallium) มาจากภาษาลาตินว่า แกลเลีย (Gallia) ซึ่งเขาได้กล่าวไว้ในบทความของวารสาร the Annales de Chimie ว่าเขาได้เริ่มต้นการค้นหาธาตุนี้มาแล้วกว่า 15 ปี แต่เนื่องจากมีปริมาณวัตถุดิบไม่เพียงพอ จนกระทั่งเดือนกุมภาพันธ์ ปี 1874 จึงได้รับแร่จำนวน 52 กิโลกรัมจากเหมือง Pierrefitte และสกัดตัวอย่างออกมาได้จำนวนเล็กน้อย (ประมาณ 1/100 มิลลกรัม) ในคืนวันที่ 27 สิงหาคม 1875 จากเครื่องวิเคราะห์แบบสเปกโตรสโคปี แสดงถึงแถบสีม่วงที่ความยาวคลื่น 417.0 แสดงถึงธาตุใหม่ 

คนมักเข้าใจผิดคิดว่าแกลเลี่ยมเป็นปรอท นั่น

อาจเพราะลักษณะที่มีสีเงินอ่อนนุ่ม เป็นของเหลวเหมือนปรอทนั่นเอง และที่สำคัญมีจุดหลอมเหลวต่ำอีกด้วย ประมาณ 30 องศาเซลเซียส ฉะนั้นประเทศเขตร้อนอย่างเมืองไทยบ้านเรา โดยเฉพาะในวันที่อุณหภูมิสูงกว่า 30 องศาเซลเซียส สงสัยแกลเลียมมีโอกาสเป็นของเหลวได้แน่ๆ และที่สำคัญยังสามารถเป็นของเหลวบนฝ่ามือเราได้อีกด้วยเพราะอุณหภูมิร่างกายของมนุษย์นั่นมากกว่า 30 องศาเซลเซียส แต่ถ้าหากอุณหภูมิต่ำกว่า 30 องศาเซลเซียสเจ้าแกลเลียมจะเปลี่ยนเป็นของแข็งขึ้นมาทันที

บทความวิทยาศาสตร์-3[luminal]

  ลูมินอล (Luminol: C₈H₇N₃O₂) เป็นสารเคมีที่สามารถตรวจพบร่องรอยของเลือดได้ ซึ่งหน่วยงาน Crime Scene Investigation หรือ CSI จะใช้บ่อยเพื่อหาร่องรอยของเลือดถึงแม้ว่าจะใช้ไม้ถูพื้นทำความสะอาดลบรอยเลือดแล้วก็ตาม แต่ถ้าไม่ใช้สารเคมีช่วยล้าง รอยเลือดนั้นจะติดอยู่นานเป็นปีโดยที่คนเราไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า โดยในการสืบสวนสอบสวนคดีฆาตกรรม จะใช้สารเคมีนี้ พ่นเป็นฝอยบนพื้นที่ที่สงสัยว่าจะมีคราบเลือด จากนั้นจะใช้ไฟฉายแสงยูวีส่อง ก็จะเห็นคราบเลือดเรืองแสงสีน้ำเงินอมเขียว

 การตรวจร่องรอยเลือดจากการเรืองแสงของลูมินอล

  ลูมินอลเป็นสารชนิดผงที่มีคุณสมบัติเรืองแสง (Chemiluminescence) ได้เมื่อผสมกับตัวออกซิไดซ์ที่เหมาะสม ในทางนิติวิทยาศาสตร์ได้มีการใช้ลูมินอลเพื่อหาร่องรอยเลือดในสถานที่เกิดเหตุ โดยสารละลายลูมินอลจะทำปฏิกิริยากับเลือดทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น สารละลายลูมินอลเตรียมจากการละลายผงลูมินอลกับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ทำให้ได้ลูมินอลในรูปไดแอนไออน (dianion)  ซึ่งมีความเสถียรสูง 

 จากนั้นจึงเติมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ทำให้ได้ก๊าซออกซิเจน ซึ่งจะทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับลูมินอลในรูปไดแอนไอออน เกิดเป็นลูมินอลที่มีโครงสร้างไม่เสถียร (intermediate luminal) และมีพลังงานสูง ทำให้ต้องมีการปล่อยพลังงานออกมาในรูปแสงสีฟ้าเพื่อทำให้เกิดโครงสร้างลูมินอลที่มีความเสถียรที่สุด

สารเคมีที่ใช้

- ลูมินอล Luminol
- 10% โซเดียมไฮดรอกไซด์ NaOH
- 3% สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในน้ำกลั่น H₂O₂
- 10% สารละลายเลือดในน้ำกลั่น (Blood)
- เอธานอล (Ethanol)
- 10% โซเดียมไฮดรอกไซด์ : โซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตอิ่มตัว

สารลูมินอลจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เป็นกระบวนการที่พลังงานของสารเริ่มต้นมากกว่าสารผลิตภัณฑ์ ทำให้โมเลกุลคายพลังงานที่เหลือออกมาในรูปแบบของโฟตอนแสง โดยเหล็กที่อยู่ในฮีโมโกลบินในเลือดจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้การเรืองแสงเด่นชัดขึ้น เรียกกระบวนการนี้ว่า “Chemiluminescence”