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⁻