ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์

Hompage

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์

             ปฏิกิริยารีดอกซ์ คือ ปฏิกิริยาเคมี ที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างสารตั้งต้นทำให้เลขออกซิเดชันมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้มีอะตอมของธาตุบางตัวสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน จะเรียกปฏิกิริยาที่เกิดการเสียอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) และเรียกปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) ดังตัวอย่าง

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันมากมาย เช่น การชุบโลหะ การทำแบตเตอร์รี่ การแยกสารด้วยไฟฟ้า การทำสารให้บริสุทธิ์ เป็นต้น

เลขออกซิเดชัน ( Oxidation number หรือ Oxidation state )

             เลขออกซิเดชัน ย่อว่า ON. คือค่าประจุไฟฟ้าที่สมมติขึ้นของไอออนหรืออะตอมของธาตุ โดยคิดจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้หรือรับหรือใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุตามเกณฑ์ที่กำหนดขึ้น เลขออกซิเดชันส่วนใหญ่เป็นเลขจำนวนเต็มบวกหรือลบหรือศูนย์

ในสารประกอบไอออนิกอะตอมมีการให้และรับอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็นไอออนบวกและไอออนลบ ดังนั้นเลขออกซิเดชันจึงตรงกับค่าประจุไฟฟ้าที่แท้จริง ซึ่งมีค่าเท่ากับประจุไฟฟ้าของไอออนนั้นๆ ในสารประกอบโคเวเลนต์ อะตอมของธาตุใช้อิเล็กตรอนร่วมกันไม่ได้มีการให้และรับอิเล็กตรอนเหมือนกับในสารประกอบไอออนิก ดังนั้นในกรณีนี้เลขออกซิเดชันเป็นแต่เพียงประจุสมมติ ส่วนอะตอมของธาตุใดจะมีค่าเลขออกซิเดชันเป็นบวกหรือลบ ให้พิจารณา ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี อะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ ส่วนอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก ส่วนจะมีค่าบวกเท่าไรนั้นพิจารณาได้จากจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่อะตอมของธาตุนำไปใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุอื่น

หลักเกณฑ์ในการกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน

การกำหนดเลขออกซิเดชันมีเกณฑ์ดังนี้

1. เลขออกซิเดชันของธาตุอิสระทุกชนิดไม่ว่าธาตุนั้นหนึ่งโมเลกุลจะประกอบด้วย กี่อะตอมก็ตามมีค่าเท่ากับศูนย์ เช่น Na, Zn, Cu, He, H 2, N 2,  O 2,  Cl 2,  P 4,  S 8 ฯลฯ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์

2. เลขออกซิเดชันของไฮโดรเจนในสารประกอบโดยทั่วไป (H รวมตัวกับอโลหะ ) เช่น HCl , H 2O , H 2SO 4 ฯลฯ มีค่าเท่ากับ + 1 แต่ในสารประกอบไฮไดรด์ของโลหะ (H รวมตัวกับโลหะ ) เช่น NaH , CaH 2 ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1

3. เลขออกซิเดชันของออกซิเจนในสารประกอบโดยทั่วไปเท่ากับ -2 แต่ในสารประกอบเปอร์ออกไซด์ เช่น H 2O 2 และ BaO 2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 ในสารประกอบซุปเปอร์ออกไซด์ ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1/2 และในสารประกอบ OF 2 เท่านั้น ที่ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2

4. เลขออกซิเดชันของไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากับประจุที่แท้จริงของไอออนนั้น เช่น Mg 2+ ไอออน มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 ,F - ไอออนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 เป็นต้น

5. ไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่าหนึ่งชนิด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดจะเท่ากับประจุที่แท้จริงของไอออนนั้น เช่น SO 4 2- ไอออน เท่ากับ – 2 เลขออกซิเดชันของ NH 4 + ไอออนเท่ากับ + 1 เป็นต้น

6. ในสารประกอบใดๆ ผลบวกของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดเท่ากับศูนย์ เช่น H 2O H มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ + 1 แต่มี H 2 อะตอม จึงมีเลขออกซิเดชันทั้งหมด เท่ากับ + 2 O มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ – 2 เมื่อรวมกันจะเท่ากับศูนย์เป็นต้น

เพิ่มเติม

1. ธาตุหมู่ IA , IIA , IIIA ในสารประกอบต่างๆ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 , + 2 , + 3 ตามลำดับ

2. ธาตุอโลหะส่วนใหญ่ในสารประกอบมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า เช่น Cl ใน HCl HClO HClO 2 HClO 3 และ HClO 4 มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ - 1, +1, +3, +5 และ +7 ตามลำดับ

3. ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่มีเลขออกซิเดชันได้มากกว่าหนึ่งค่า เช่น Fe ใน FeO และ Fe 2O 3 มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 และ +3 ตามลำดับ

การหาเลขออกซิเดชัน การหาเลขออกซิเดชันอาจทำได้โดยวิธีดังนี้

1. สมมติเลขออกซิเดชันของธาตุที่ต้องการหา

2. นำค่าเลขออกซิเดชันของธาตุที่ทราบแล้ว และเลขออกซิเดชันของธาตุที่ต้องการหาเขียนเป็นสมการตามข้อตกลงในข้อ 5 และข้อ 6 แล้วแก้สมการเพื่อหาเลขออกซิเดชันของธาตุ ดังกล่าว

3. สำหรับสารประกอบไอออนิก ที่ประกอบด้วยไอออนเชิงซ้อน และไม่ทราบค่า เลขออกซิเดชันของธาตุมากกว่า 1 ธาตุ เมื่อต้องการหาค่าเลขออกซิเดชันของธาตุ ควรแยกเป็นไอออนบวกและไอออนลบก่อน จึงสมมติค่าเลขออกซิเดชันของธาตุที่ต้องการหา แล้วนำ ค่าเลขออกซิเดชันของธาตุที่ทราบแล้วกับธาตุที่ต้องการทราบไปเขียนสมการตามข้อตกลงในข้อ 5 จากนั้นจึงแก้สมการเพื่อหาเลขออกซิเดชันของธาตุดังกล่าว

ตัวอย่างที่ 1 จงหาเลขออกซิเดชันของ Cr ใน [ Cr(H 2O) 4Cl 2]ClO 4

วิธีทำ H 2O มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ 0

Cl - มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ - 1

ClO 4 มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ - 1

ให้ Cr มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ A

A + ( 0 x 4 ) + ( - 1 x 2 ) + ( - 1 ) = 0

A = + 1 + 2 = + 3

ดังนั้น Cr มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ + 3

ขั้นตอนการดุลสมการรีดอกซ์

      1.      หาธาตุที่มี O.N. เปลี่ยนไป ต่อ 1 อะตอมของธาตุ
2.      นำเลข O.N. ที่เปลี่ยนไปมาคูณไขว้ (เพื่อให้จำนวน e^-   ที่ถ่ายเทเท่ากัน)3.      ดุลอะตอมของธาตุ (H กับ O ทำทีหลัง)4.      ถ้าทอนได้ให้ทอนเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำด้วย

 ตัวอย่างการดุลสมการรีดอกซ์

EX.       FeCl₃ + SnCl₂    FeCl₂ + SnCl₄ 

1.   หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ต่อ 1 อะตอมของธาตุ

                    FeCl₃        +   SnCl₂                   FeCl₂       +    SnCl₄

                      +3               +2                          +2               +4

                                  Fe รับ 1 e^-     Sn เสีย 2 e^-

2.   คูณไขว้จำนวน e^-  ให้ถ่ายเทเท่ากัน

                  2FeCl₃ + SnCl₂   FeCl₂ + SnCl₄

3.   ดุลสมการ

                  2FeCl₃ + SnCl₂    2FeCl₂ + SnCl₄       #

เซลล์กัลวานิก

ได้กล่าวถึงปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อนำแผ่นสังกะสีจุ่มลงในสารละลายของทองแดง หรือตัวรีดิวซ์จุ่มลงในตัวออกซิไดซ์โดยตรงแล้วในบทนำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้เกิดพลังงานในรูปของความร้อน แต่ถ้าแยกตัวรีดิวซ์ออกจากตัวออกซิไดซ์ แล้วเชื่อมต่อวงจรภายนอกและสะพานเกลือ ( salt bridge) อิเล็กตรอนก็จะถูกถ่ายโอนผ่านตัวกลางภายนอกจากขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไปยังขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ เซลล์ไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีนี้เรียกว่า เซลล์กัลวานิก หรือเซลล์โวลตาอิก (galvanic cell or voltaic cell) ดังภาพ

จากรูปเซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่จุ่มลงไปในสารละลาย แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงในเซลล์เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรด ( electrode ) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด ( anode ) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด (cathode)

ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด ( Zn )                 Zn (s ) Zn 2+(aq) + 2e -

ปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด (Cu )                      Cu 2+(aq) + 2e -Cu(s)

หมายเหตุ : ประจุที่สะสมจะทำให้ออกซิเดชันที่แคโทดและรีดักชันที่แอโนดเกิดยากขึ้น

           ระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้นที่ขั้วแอโนด Zn จะค่อย ๆ กร่อนแล้วเกิดเป็น Zn 2+ ละลายลงมาในสารละลายที่มี Zn 2+ และ SO 4 2- ส่วนที่ขั้วแคโทด Cu 2+ จากสารละลายเกิดปฏิกิริยารีดักชันกลายเป็นอะตอมของทองแดงเกาะอยู่ที่ผิวของขั้วไฟฟ้า เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปจะพบว่าในครึ่งเซลล์ออกซิเดชันสารละลายจะมีประจุบวก (Zn 2+) มากกว่าประจุลบ (SO 4 2-) และในครึ่งเซลล์รีดักชันสารละลายจะมีประจุลบ (SO 4 2-) มากกว่าประจุบวก (Cu 2+) จึงเกิดความไม่สมดุลทางไฟฟ้าขึ้น ปัญหานี้สามารถที่จะแก้ไขได้โดยการใช้ สะพานเกลือ (salt bridge) เชื่อมต่อระหว่างสองครึ่งเซลล์ ซึ่งสะพานเกลือทำจากหลอดแก้วรูปตัวยู ภายในบรรจุอิเล็กโตรไลต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์และมีไอออนบวก ไอออนลบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน หรือทำจากกระดาษกรองชุบอิเล็กโตรไลต์ โดยสะพานเกลือทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่เชื่อมต่อระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง และเป็นสิ่งที่ป้องกันการเกิดการสะสมของประจุโดยไอออนบวกจากสะพานเกลือจะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุลบมาก ในทางตรงกันข้ามไอออนลบก็จะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุมาก จึงทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ในเวลาที่มากขึ้น

           และเนื่องจากครึ่งเซลล์ทั้งสองเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก ครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันสูงกว่าจะเกิดรีดักชัน และครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันต่ำกว่าจะ(ถูกบังคับให้)เกิดออกซิเดชัน ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดนี้ เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force: emf) และมีหน่วยเป็น โวลต์ (volt)

เซลล์กัลวานิกแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด

           1. เซลล์ปฐมภูมิ (Primary cell) เมื่อปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นและดำเนินไปแล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้หรือนำมาอัดไฟใหม่ไม่ได้

           2 เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell) เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้หรือนำมาอัดไฟใหม่ได้

ศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทดมาตรฐาน

จากเซลล์ไฟฟ้า Zn -Cu เมื่อใช้ความเข้มข้นของไอออนของสารละลายในแต่ละครึ่งเซลล์เท่ากับ 1.0 M ที่ 25 ๐C เซลล์ไฟฟ้านี้จะมี emf เท่ากับ 1.10 V ถ้าทราบศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดใดอิเล็กโทรดหนึ่งแล้วนำไปลบออกจาก 1.10 V ก็จะทราบค่าของอิเล็กโทรดหนึ่ง แต่ในทางปฏิบัติไม่สามารถวัดศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเดี่ยว ๆ ได้ จึงได้มีการกำหนดอิเล็กโทรดมาตรฐานขึ้นมา ซึ่งได้แก่ ไฮโดรเจนอิเล็กโทรดมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode : SHE) ในครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานนี้ประกอบด้วย ขั้วแพลตินัม (อิเล็กโทรดเฉื่อย) สารละลายกรดไฮโดรคลอริก และก๊าซไฮโดรเจนภายใต้ สภาวะมาตรฐาน ( ความดันของก๊าซไฮโดรเจนเท่ากับ 1 atm ความเข้มข้นของสารละลายกรดไฮโดรคลอริกเท่ากับ 1 M และวัดที่อุณหภูมิ 25 ๐C) โดยผ่านก๊าซไฮโดรเจนในสารละลายกรดไฮโดรคลอริกตลอดเวลา จึงมีสมดุลเกิดขึ้นดังสมการ

2H +(aq) + 2e -H 2(g)

ค่าศักย์มาตรฐานของครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเท่ากับ 0.00 V ใช้สัญลักษณ์ E ๐ แทนศักย์ไฟฟ้าที่สภาวะมาตรฐาน

หมายเหตุ : ครึ่งเซลล์เป็นเหมือนอิเล็กโทรดหรือขั้ว

           สามารถใช้ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานนี้ในการหาศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดอื่น เช่น เมื่อต่อเซลล์กัลวานิก ระหว่างครึ่งเซลล์ SHE และครึ่งเซลล์ Cu ดังรูป

จากโวลต์มิเตอร์ได้ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์เท่ากับ 0.34 V โดยมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้

                ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด (SHE )              H 2(g) -----------> 2H +(aq) + 2e -

                ปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด (Cu )                       Cu 2+(aq) + 2e - -----------> Cu(s)

                จาก                            E ๐ cell        = E ๐ cathode - E ๐ anode

                ดังนั้น                        E ๐ cell          = E ๐ Cu - E ๐ SHE

                                                0.34 V       = E ๐ Cu - 0.00 V

                                                E ๐ Cu          = 0.34 V - 0.00 V      = 0.34 V

เมื่อต่อเซลล์กัลวานิกระหว่างครึ่งเซลล์ SHE และครึ่งเซลล์ Zn จะได้เป็น

อ่านค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ได้เท่ากับ 0.76 V โดยมีปฏิกิริยาเกิดขึ้น ดังสมการ

                ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด (Zn )                Zn (s ) Zn 2+(aq) + 2e -

                ปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด (SHE )                   2H +(aq) + 2e -H 2(g)

               จาก                           E ๐ cell         =    E ๐ cathode - E ๐ anode

                ดังนั้น                       E ๐ cell           =    E ๐ SHE - E ๐ Zn

                                              0.76 V         =   0.00 V - E ๐ Zn

                                              E ๐ Zn             =   0.00 V – 0.76 V      = -0.76 V

           ค่า E ๐ ที่ได้เป็นค่าศักย์รีดักชันของแต่ละครึ่งเซลล์ นั่นคือ

               Cu 2+(aq) + 2e -Cu(s) E ๐ = +0.34 V

               Zn 2+(aq) + 2e -Zn(s) E ๐ = -0.76 V

ศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานที่ 25 ๐C (298 K)

*** ค่า E ๐ เป็นค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยารีดักชัน

*** ค่า E ๐ เป็นบวกมาก แสดงว่าตัวออกซิไดซ์ (ด้านซ้ายของสมการ) จะเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรง ส่วนตัวรีดิวซ์ (ด้านขวาของสมการ) จะเป็นตัวรีดิวซ์ที่อ่อน ดังนั้นสารที่อยู่ทางซ้ายของครึ่งปฏิกิริยาใด ๆ จะทำปฏิกิริยาได้เองกับสารที่อยู่ทางขวาของครึ่งปฏิกิริยาที่อยู่ถัดลงมา เช่น

          Br 2(l) + 2Ag(s) 2Br -(aq) + 2Ag +aq)

*** การเปลี่ยนสัมประสิทธิ์ของปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ไม่มีผลต่อค่า E ๐

*** เมื่อกลับทิศทางของปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน ค่า E ๐ จะมีเครื่องหมายตรงข้าม

*** ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นได้เอง จะต้องมีค่า E ๐ ของเซลล์เป็นบวกเสมอ

Reference : http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/Elec_Chem.htm

กรด-เบส

Hompage

กรด - เบส คืออะไร

กรด เบส ในชีวิตประจำวัน ( Acid Base in Everyday Life)

สารประกอบจำพวกกรด เบส มีความสำคัญและเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของมนุษย์อย่างมาก ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจว่า กรด เบส คืออะไรอย่างง่ายๆ
สารละลายกรด คือสารละลายที่มีรสเปรี้ยว เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากน้ำเงินเป็นแดง หรือทำปฏิกิริยากับโลหะได้ แก๊ส H 2 และ เกลือ
สารละลายเบส คือสารละลายที่มีรสขม เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากแดงเป็นน้ำเงิน หรือมีลักษณะลื่นๆ

นิยามของกรด-เบส

Arrhenius Concept

กรด คือ สารประกอบที่มี H และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ H + หรือ H 3O +
เบส คือ สารประกอบที่มี OH และเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ OH -
ข้อจำกัดของทฤษฎีนี้คือ สารประกอบต้องละลายได้ในน้ำ และไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมสารประกอบบางชนิดเช่น NH 3 จึงเป็นเบส

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

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

คู่กรด – เบส

คู่กรด – เบส คือ สารที่เป็นคู่กรด-เบสกัน H + ต่างกัน 1 ตัว โดยที่ คู่กรดจะมี H + มากกว่าคู่เบส 1 ตัว

ความแรงของกรดและเบส = การแตกตัวในการให้โปรตอน(กรด) ความสามารถในการรับโปรตอน(เบส)

CH 3COOH (aq) + H 2O (aq)  CH 3COO - (aq) + H 3O + (aq)

<<< เราต้องรู้ทิศทางการเลื่อนของสมดุลก่อน เราจึงจะบอกถึงความแรงได้>>>

1. ถ้าสมดุลเลื่อนไปทางขวา CH 3COOH เป็นกรดแรงกว่า H 3O + / H 2O เป็นเบสแรงกว่า CH 3COO -
2. ถ้าสมดุลเลื่อนไปทางซ้าย H 3O + เป็นกรดแรงกว่า CH 3COOH / CH 3COO - เป็นเบสแรงกว่า H 2O

ถ้าค่า K > 1 สมดุลเลื่อนไปข้างหน้า(สารผลิตภัณฑ์มากกว่าสารตั้งต้น)
K < 1 สมดุลเลื่อนย้อนกลับ(สารผลิตภัณฑ์น้อยกว่าสารตั้งต้น)
K = 1 ไปข้างหน้าเท่ากับย้อนกลับ (สารผลิตภัณฑ์=สารตั้งต้น) ความแรงทั้ง 2 ข้างเท่ากัน

เปรียบเทียบกรดแก่กับเบสแก่

กรดแก่	เบสแก่
1. กรดแก่มีอะไรบ้าง 2. กรด Hydro = HCl HBr HI 3. กรด Oxy = HNO3 HClO3 HClO4 H2SO4 4. การแตกตัว 100% 5. การเป็นอิเล็กโทรไลต์ = แก่	1. เบสแก่มีอะไรบ้าง 2. หมู่ 1 = LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 3. หมู่ 2 = Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2 4. การแตกตัว 100 % ( หมู่ 2 แตก 200 %) 5. การเป็นอิเล็กโทรไลต์ = แก่

กรดแก่ ( strong acid) คือกรดที่สามารถแตกตัวได้ 100% ในน้ำ เช่น HCl H2SO4 HN03 HBr HClO4 และ HI
เบสแก่ ( weak base) คือกรดที่สามารถแตกตัวได้ 100% ในน้ำ เช่น Hydroxide ของธาตุหมู่ 1 และ 2 ( NaOH LiOH CsOH Ba(OH) 2 Ca(OH) 2 )
กรดอ่อน ( weak acid) คือกรดที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วน เช่น กรดอะซิติคในน้ำส้มสายชู (vinegar) ยาแอสไพริน (acetylsalicylic acid) ใช้บรรเทาอาการปวดศรีษะ saccharin เป็นสารเพิ่มความหวาน niacin (nicotinic acid) หรือ ไวตามินบี เป็นต้น ตัวอย่างปฏิกิริยาของสารละลายกรด CH 3COOH ในส่วนผสมของน้ำส้มสายชูจะมีดังนี้ :

CH 3COOH (aq) + H2O (1) H3O + (aq) + CH3COO - (aq) มีค่า K a

เบสอ่อน (weak base) คือเบสที่สามารถแตกตัวเป็นไออนได้เพียงบางส่วน เช่น NH 3 urea aniline เป็นต้น ตัวอย่างปฏิกิริยาของ ammonia มีดังนี้

NH3(aq) + H2O (aq) NH4 + (aq) + OH - (aq)

ชนิดของกรดและเบส

กรด แบ่งตามการแตกตัว แบ่งได้ 3 ชนิด
1. กรด Monoprotic แตกตัว 1 ได้แก่ HNO 3 , HClO 3 , HClO 4 , HCN
2. กรด Diprotic แตกตัว 2 ได้แก่ H 2SO 4 , H 2CO 3
3. กรดPolyprotic แตกตัว 3 ได้แก่ H 3PO 4
การแตกตัวของกรด Polyprotic แต่ละครั้งจะให้ H + ไม่เท่ากัน แตกครั้งแรกจะแตกได้ดีมาก ค่า Ka สูงมากแต่แตกครั้งต่อ ๆ ไปจะมีค่า Ka ต่ำมาก เพราะประจุลบในไอออนดึงดูด H + ไว้ดังสมการ

H 2SO 4  H+ + HSO 4 - Ka 1 = 10 11

HSO 4 -  H+ + SO 4 2- Ka 2 = 1.2 x 10 -2

เนื่องมาจากกรด Polyprotic มักมีค่า K 1 >> K 2 >> K 3 H + ในสารละลายส่วนใหญ่จะได้มาจากการแตกตัวครั้งแรก
ถ้าค่า K 1 มากกว่า K 2 =10 3 เท่าขึ้นไปจะพิจารณาค่า pH ของสารละลายกรด Polyprotic ได้จากค่า K 1 เท่านั้น แต่ถ้าค่า K 2 มีค่าไม่ต่ำมาก จะต้องนำค่า K 2 มาพิจารณาด้วย

เบส แบ่งตาม จำนวน OH - ในเบส แบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือ
1. เบสที่มี OH - ตัวเดียว เช่น LiOH NaOH KOH RbOH CsOH
2. เบสที่มี OH - 2 ตัว เช่น Ca(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2
3. เบสที่มี OH - 3 ตัว เช่น Al(OH) 3 Fe(OH) 3

รวมสูตรที่ใช้คำนวณในกรณีหา กรดอ่อน เบสอ่อน ไม่ผสมกัน

สูตรที่	กรณี (ต้องการหาอะไร)	กรดอ่อน	เบสอ่อน
1.	หาค่า K	Ka = [H +] 2 /N	Kb = [ OH -] 2 /N
2.	หา [ H +]	[H +] = [Ka.N]^1/2	[ OH -] = [Kb.N]^1/2
3.	หา % การแตกตัว	% การแตกตัว = [H +] x 100 / N	% การแตกตัว = [ OH -] x 100 / N
4.	การรวมสูตรของ % กับ K	% = Ka x 100 / N	% = Kb x 100 / N

ปฏิกิริยาของกรด - เบส

ปฏิกิริยาของกรด เบส แบ่งได้เป็น 4 ชนิดคือ

• ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่
• ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน
• ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่
• ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อน  

การแตกตัวของน้ำและค่า pH ของสารละลาย

น้ำบริสุทธิ์จัดเป็นตัวทำละลายที่สำคัญ เป็นพวก นอน-อิเลคโตรไลท์ (nonelectrolyte) หรือไม่สามารถนำไฟฟ้า แต่จากการทดลองพบว่า น้ำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้บ้างเล็กน้อย ทั้งนี้เพราะว่าน้ำสามารถแตกตัวได้เอง ซึ่งเรียกว่า self-ionization หรือ autoprotolysis

H 2O (1) + H 2O (1) H 3O + (aq) + OH -(aq)
.... acid 1 .....base 2 .............acid 2 ........base 1
หรือ 2H 2O (1) = H 3O + (aq) + OH - (aq)

จากความสัมพันธ์ของ K w ในปฏิกิริยาการแตกตัวของน้ำ

K w = [H 3O +][ OH -] = 1.0 x 10 -14 ที่ 25 C
(K w ที่ 0 C = 0.12 x 10 -14 และ ที่ 60 C = 9.6 x 10 - 14 M2)

จะได้ pK w = pH + pOH

โดยที่ pH ของ น้ำ = -log [H 30 +] = 7 และpOH ของ น้ำ = -log[ OH -] = 7

โดยทั่วไปแล้ว ค่า pH ของสารละลายที่พบอยู่ทั่วไป จะมีค่าอยู่ในช่วง 1-14 เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ค่า pH อาจแสดงค่าเป็นลบหรือมีค่ามากกว่า 14 ได้เช่นเดียวกัน

ตัวอย่าง ค่า pH ของนมสด เท่ากับ 6.5 ถ้านมเสีย (เปรี้ยว) ค่า pH ของนมเสียจะมากหรือน้อยกว่านมสด
ตอบ น้อยกว่า

ตัวอย่าง จงหาค่า pH ของสารละลายที่เจือจางของ HCl เข้มข้น 1.0 x 10 - 8 M
วิธีทำ HCl เจือจาง แตกตัวได้ H + 1.0 x 10 - 8 M และน้ำแตกตัวได้ H+ 1.0 x 10 - 7 M
          ปริมาณ H + ที่เกิดขึ้น = 1.0 x 10 -8 + 1.0 x 10 - 7 M
          pH = -log (1.0 x 10 -8 + 1.0 x 10 -7 )
          = 6.96

สารละลายบัฟเฟอร์ ( Buffer Solution)

สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่สามารถต้านทานการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลายได้
สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่ค่า pH จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อนำไปทำให้เจือจางหรือเข้มข้นขึ้น
สารละลายบัฟเฟอร์ คือ สารละลายที่ประกอบไปด้วยกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อนหรือเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน และสารในระบบจะไม่ทำปฏิกิริยากัน โดยที่กรดในระบบจะคอยทำปฏิกิริยากับเบสที่เติมลงไป และเบสในระบบจะคอยทำปฏิกิริยากับกรดที่เติมลงไป

Reference :http://nakhamwit.ac.th/pingpong_web/Acid&Base.htm

สารประกอบไฮโดรคาร์บอน

Hompage

สารประกอบไฮโดรคาร์บอน

              สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นสารอินทรีย์ประเภทหนึ่งซึ่งประกอบด้วยธาตุคาร์บอน และไฮโดรเจนเป็นหลัก ได้แก่  แอลเคน  แอลคีน และแอลไคน์

  

ตาราง แสดงตัวอย่างสารประกอบไฮโดรคาร์บอน

ประเภท	โครงสร้าง	สูตรโครงสร้าง	สูตรโมเลกุล	ชื่อสาร
แอลเคน			C 3H 8 (C nH n+2)	โพรเพน ( Propane)
แอลคีน			C 3H 6 (C nH n)	โพรพีน ( Propene)
แอลไคน์			C 2H 2 (C nH n-2)	อีไทน์ ( Ethine) หรือ อะเซตเทอลีน

การอ่านชื่อ สารประกอบไฮโดรคาร์บอน

• อ่านชื่อตามจำนวนของคาร์บอนอะตอม ดังนี้
• ถ้าเป็น แอลเคน ให้ลงท้ายด้วย เอน ( –ane )
• ถ้าเป็น แอลคีน ให้ลงท้ายด้วย อีน (–ene)
• ถ้าเป็น แอลไคน์ ให้ลงท้ายด้วย ไอน์ ( –ine)

สมบัติทั่วไปของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน

1. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล สารประกอบไฮโดรคาร์บอนทุกชนิด จะประกอบด้วยธาตุ C และ H พันธะที่เกิดจาก C กับ C จะเป็นพันธะเดี่ยว (C - C) พันธะคู่ (C = C) หรือพันธะสาม (C = C) มีผลต่างของตัวอิเล็กโทรเนกาตีวิตีเป็นศูนย์ จึงเป็นพันธะไม่มีขั้วและพันธะที่เกิดจาก C กับ H มีผลต่างของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมีค่าน้อยมาก จึงถือว่าเป็นพันธะไม่มีขั้ว ดังนั้นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทุกชนิดจัดเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วแรงยึดเหนี่ยว ระหว่างโมเลกุลของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ โมเลกุลโควาเลนต์มีขั้วละลายน้ำได้โดยโมเลกุลของน้ำ จะหันขั้วที่มีอำนาจไฟฟ้าตรงกันข้าม เข้าดึงดูดกับโมเลกุลโควาเลนต์มีขั้วหรือไอออน น้ำที่ล้อมรอบจะมีจำนวนมากน้อยแค่ไหนขึ้นอยู่กับขนาดและประจุของโมเลกุลหรือไอออน

2. การเผาไหม้ การเผาไหม้ของสารใด ๆ คือ การที่สารชนิดหนึ่งทำปฏิกิริยากับออกซิเจน แล้วคายพลังงานออกมา

ลักษณะสำคัญของการเผาไหม้ของสาร

1. สารที่เผาไหม้ได้ดี และคายพลังงานออกมามาก ได้แก่ สารประกอบไฮโดรคาร์บอน
2. สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเกิดการเผาไหม้กับก๊าซ O 2 อย่างสมบูรณ์จะให้ CO 2 และ H 2O พร้อมกับปล่อยความร้อน ออกมาด้วย ดังสมการของการเผาไหม้ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนดังนี้

  

3. การเผาไหม้ของสารใดเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และการเผาไหม้ของสารทุกชนิดมีทั้งการสลายพันธะและสร้างพันธะใหม่ ด้วยเหตุนี้พลังงานที่ดูดเข้าไปทั้งหมดที่ใช้ในการสลายพันธะน้อยกว่าพลังงานที่เกิดจากการสร้างพันธะใหม่คายออกมา และเนื่องจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเผาไหม้ให้ความร้อนออกมามาก จึงใช้สารเหล่านี้เป็นเชื้อเพลิง
4. สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโมเลกุลเล็ก ๆ จะเผาไหม้กับ O 2 ได้ดีกว่าโมเลกุลใหญ่ เช่น CH 4 เผาไหม้กับ O 2 ได้ดีกว่า C 10H 22 เป็นต้น
5. ปัจจัยที่มีผลต่อการเผาไหม้ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน
6. ปริมาณก๊าซออกซิเจน ถ้ามีก๊าซออกซิเจนมากจะเกิดการเผาไหม้สมบูรณ์ ติดไฟให้เปลวไฟสว่าง แต่ไม่มีควันและเขม่า ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำและความร้อน แต่ถ้ามีก๊าซออกซิเจนน้อยจะเกิดการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ติดไฟให้เปลวไฟสว่าง แต่มีควันและเขม่าให้ผงถ่าน ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำ และความร้อน
7. อัตราส่วนโดยอะตอมระหว่าง C กับ H ถ้าต่ำไม่มีควันเขม่า และถ้ามีค่าสูงจะมีควันเขม่ามาก ปริมาณควันเขม่าขึ้นอยู่กับอัตราส่วนโดยอะตอมของ C กับ H

3. จุดเดือด และจุดหลอมเหลว จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่ำ เมื่อเทียบกับสารอื่นๆ ที่มีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกัน สารประกอบไฮโดรคาร์บอนพวกเดียวกัน จุดเดือดและจุดหลอมเหลวเปลี่ยนตามมวลโมเลกุล หรือจำนวนคาร์บอนอะตอมที่เกิดขึ้น เช่น CH 3CH 3 มีจุดเดือด จุดหลอมเหลวสูงกว่า CH 4 สารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่างชนิดที่มีคาร์บอนอะตอมเท่ากัน และคาร์บอนต่อกันเป็นโซ่สายยาวเรียงลำดับจุดเดือดจากสูงไปต่ำ ดังนี้

  

4. ความหนาแน่น สารประกอบไฮโดรคาร์บอนมีความหนาแน่นต่ำ โดยทั่วไปความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ เช่น เพนเทน (C 5H 12) มีความหนาแน่น 0.626 g/cm 3 ส่วนน้ำมีความหนาแน่น 1 g/cm 3

5. สถานะ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนจะมีสถานะเป็นอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับมวลโมเลกุล หรือจำนวนคาร์บอนอะตอมเป็นเกณฑ์ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนใดมีมวลโมเลกุลน้อย ( จำนวนคาร์บอนอะตอมน้อย) จะมีแรงแวนเดอร์วาลส์ต่ำ โมเลกุลอยู่ห่างกัน จะมีสถานะเป็นก๊าซ ส่วนประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลมาก ( จำนวนคาร์บอนอะตอมมาก) จะมีแรงแวนเดอร์วาลส์สูง โมเลกุลอยู่ใกล้ชิดกันทำให้สถานะเป็นของแข็ง

สารประกอบไฮโดรคาร์บอนมีสถานะต่าง ๆ สรุปได้ดังนี้

- ก๊าซ ได้แก่ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มี C 1 - C 4 เช่น CH 4 , C 2H 6 ,C 2H 4
- ของเหลว ได้แก่ สารประกอบไฮโดรคาร์บอน C 5 - C 17 เช่น C 6H 14 , C 8H 18
- ของแข็ง ได้แก่ สารประกอบไฮโดรคาร์บอน C 8 ขึ้นไป เช่น C 20H 42

6. การละลายน้ำ การที่สารใดละลายในอีกสารหนึ่งได้นั้น อนุภาคของตัวถูกทำลายจะต้องแทรกเข้าไปอยู่ระหว่างอนุภาคของตัวทำละลาย โดยเกิดแรงดึงดูดระหว่างตัวถูกละลายและตัวทำละลาย แล้วผสมเป็นสารเนื้อเดียว Rule of Thumb "Like dissolved like" จากกฎนี้จะได้ว่า โมเลกุลโควาเลนต์มีขั้วจะละลายในโมเลกุลโคเวนเลนต์มีขั้ว โมเลกุลโควาเลนต์ไม่มีขั้ว จะละลายในโมเลกุลโควาเลนต์ไม่มีขั้ว โมเลกุล โควาเลนต์ใดที่ละลายน้ำได้ควรเป็นโมเลกุลมีขั้ว ส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นโมเลกุลโควาเลนต์ไม่มีขั้ว ดังนั้นจึงไม่ละลายน้ำ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนลอลายได้ดีในตัวทำลายที่เป็นโมเลกุลโควาเลนต์ไม่มีขั้ว เช่น เบนซีน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ คลอโรฟรอม และไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ โมเลกุลโควาเลนต์มีขั้วทุกชนิดละลายน้ำได้ และถ้าเป็นโควาเลนต์มีขั้วที่มีสภาพขั้วแรงมากละลาย น้ำจะแตกเป็นไอออน เช่น HCI ส่วนโมเลกุลโควาเลนต์ที่มีขั่วที่มีสภาพขั่วไม่แรงละลายน้ำได้ไม่แตกเป็นไอออนนั่นเอง

หมู่ฟังก์ชัน

หมู่ฟังก์ชัน ( functional group) คือ หมู่อะตอม หรือกลุ่มอะตอมของธาตุที่แสดงสมบัติเฉพาะของสารอินทรีย์ชนิดหนึ่ง เช่น CH 3OH จะมีหมู่ -OH เป็นองค์ประกอบ แสดงหมู่ฟังก์ชันของแอลกอฮอล์

อนึ่งสารอินทรีย์ทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบ 2 ส่วน ส่วนหนึ่งเป็นอะตอมไฮโดรคาร์บอนหรือหมู่อะตอมอื่นๆ อีก ส่วนหนึ่งเป็นหมู่ฟังก์ชัน ซึ่งแสดงสมบัติเฉพาะของสารอินทรีย์นั้นและเป็นส่วนที่มีความว่องไวทางเคมี กล่าวคือ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดกับสารอินทรีย์มักจะเกิดตรงส่วนของหมู่ฟังก์ชัน เช่น

CH 3OH + Na ----------> CH 3O - Na + + 1/2H 2

ตาราง หมู่ฟังก์ชันบางชนิดและสารประกอบที่มีหมู่ฟังก์ชันเป็นองค์ประกอบ

ชนิดของสารอินทรีย์	หมู่ฟังก์ชัน	ชื่อของหมู่ฟังก์ชัน	สูตรทั่วไป	ตัวอย่าง
แอลเคน	C - C	พันธะเดี่ยว	R-H	CH 3CH 2CH 3 โพรเพน
แอลคีน		พันธะคู่
แอลไคน์		พันธะสาม
แอลกอฮอล์	-OH	ไฮดรอกซิล	R-OH	CH 3CH 2OH เอทานอล
อีเทอร์	-O-	ออกซี	R-O-R'	CH 3-O-CH 3 ไดเมทิลอีเทอร์ ( เมทอลซิลมีเทน)
แอลดีไฮด์		ฟอร์มิล หรือคาร์บอกซาลดีไฮด์
คีโตน		คาร์บอนิล
กรดอินทรีย์		คาร์บอกซิล
เอสเทอร์		แอลคอกซิคาร์บอนิล
เอมีน	- NH 2	อะมิโน	R- NH 2	CH 3- NH 2 เมทิลเอมีน ( อะมิโนมีเทน)
เอไมด์		เอไมด์

Reference : http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/Hydrocarbon.htm