Chemistry: ทฤษฎีกรด

ในการที่จะให้นิยามของกรด- เบส และในการจำแนกสารต่างๆ ว่าเป็นกรดหรือเบสนั้นได้มีนักวิทยาศาสตร์ ได้ศึกษาและตั้งทฤษฎีกรด- เบส ขึ้นหลายทฤษฎีด้วยกัน ทฤษฎีกรด- เบสที่สำคัญมีดังนี้

ทฤษฎีกรด- เบสของอาร์เรเนียส

อาร์เรเนียส เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ตั้งทฤษฎีกรด- เบส ในปี ค. ศ. 1887 ( พ. ศ. 2430) อาร์เรเนียสศึกษาสารที่ละลายน้ำ (Aqueous solution) และการนำไฟฟ้าของสารละลายนั้น เขาพบว่าสารอิเล็กโทรไลต์จะแตกตัวเป็นไอออน เมื่อละลายอยู่ในน้ำและให้นิยามกรดไว้ว่า

“ กรด คือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน” เช่น

“ เบส คือ สารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน” เช่น

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบส อาร์เรเนียส

ทฤษฎีกรด- เบส อาร์เรเนียส จะเน้นเฉพาะการแตกตัวในน้ำ ให้เป็น H+และ OH- ไม่รวมถึงตัวทำละลายอื่นๆ ทำให้อธิบายความเป็นกรด- เบสได้จำกัด

สารที่ี่จะเป็นกรดได้ต้องมี H+ อยู่ในโมเลกุล และสารที่ี่จะเป็นเบสได้ก็ต้องมี OH- อยู่ในโมเลกุล

ทฤษฎีกรด- เบส ของเบรินสเตต- เลารี

โจฮันส์ นิโคลัส เบรินสเตต นักเคมีชาวเดนมาร์ก และ โทมัส มาร์ติน ลาวรี นักเคมีชาวอังกฤษ ได้ศึกษาการให้และรับโปรตอนของสาร เพื่อใช้ในการอธิบายและจำแนกกรด- เบสได้กว้างขึ้น และได้ตั้งทฤษฎีกรด- เบสขึ้นในปี ค. ศ.1923 ( พ. ศ.2466)

กรด คือ สารที่ี่สามารถให้โปรตอนกับสารอื่นๆ ได้ (Proton donor)

เบส คือ สารที่ี่สามารถรับโปรตอนจากสารอื่นได้ (Proton acceptor)

พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

HCl เป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H+) ดังนั้น HCl จึงเป็นกรด
H2O เป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H+) ดังนั้น H2Oจึงเป็นเบส

NH4+ เป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H+) ดังนั้น NH4+จึงเป็นกรด
H2Oเป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H+) ดังนั้น H2Oจึงเป็นเบส

     H2Oเป็นสารที่ี่ให้โปรตอน (H+) ดังนั้น H2Oจึงเป็นกรด
     NH3เป็นสารที่ี่รับโปรตอน (H+) ดังนั้น NH3 จึงเป็นเบส

      จากปฏิกิริยาทั้ง 3 ปฏิกิริยา จะมีสารที่ี่ให้และรับโปรตอนในแต่ละปฏิกิริยา และมี H3O+ และ OH-เกิดขึ้น

ข้อจำกัดของทฤษฎีกรด - เบสของเบรินสเตต- ลาวรี

ทฤษฎีกรด- เบสของเบรินสเตต- ลาวรี ใช้อธิบายสมบัติของกรด- เบส ได้กว้างกว่าทฤษฎีของอาร์เรเนียส แต่ยังมีข้อจำกัดคือ สารที่จะทำหน้าที่เป็นกรดจะต้องมีโปรตอนอยู่ในสารนั้น

สารที่เป็นได้ทั้งกรดและเบส(Amphoteric)

สารบางตัวทำหน้าที่เป็นทั้งกรด เมื่อทำปฏิกิริยากับสารตัวหนึ่ง และทำหน้าที่เป็นเบส เมื่อทำปฏิกิริยากับอีกสารหนึ่ง นั่นคือเป็นได้ทั้งกรดและเบส สารที่มีลักษณะนี้เรียกว่า สารเอมโพเทอริก(Amphoteric) เช่น H2O , HCO3- เป็นต้น

กรณีของ H2O

ในกรณีนี้ H2O เป็นกรดเมื่อทำปฏิกิริยากับ NH3 และเป็นเบสเมื่อทำปฏิกิริยากับNH4+

กรณีของ HCO3-

ในกรณีนี้ HCO3- เป็นเบสเมื่อทำปฏิกิริยากับ HCl และเป็นกรดเมื่อทำปฏิกิริยากับ OH-

ดังนั้น อาจจะสรุปได้ว่า สารที่เป็นเอมโฟเทอริก ถ้าทำปฏิกิริยากับสารที่ให้โปรตอนได้ดีกว่า ตัวมันเองจะรับโปรตอน ( ทำหน้าที่เป็นเบส) แต่ถ้าไปทำปฏิกิริยากับสารที่ให้โปรตอนได้ไม่ดี ตัวมันเองจะเป็นตัวให้โปรตอนกับสารนั้น ( ทำหน้าเป็นกรด)

ทฤษฎีกรด- เบสของลิวอีส

ในปี ค. ศ. 1923 ( พ. ศ. 2466) ลิวอีสไดเสนอนิยามของกรดและเบสดังนี้

กรด คือ สารที่สามารถรับอิเล็กตรอนคู่ จากเบส แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์

เบส คือ สารที่สามารถให้อิเล็กตรอนคู่ในการเกิดพันธะโคเวเลนต์

ปฏิกิริยาระหว่างกรด- เบส ตามทฤษฎีนี้ อธิบายในเทอมที่มีการใช้อิเล็กตรอนคู่ร่วมกัน กรดรับอิเล็กตรอนเรียกว่าเป็น Electrophile และเบสให้อิเล็กตรอนเรียกว่าเป็น Nucleophile และตามทฤษฎีนี้สารที่เป็นเบสต้องมีอิเล็กตรอนคู่อิสระ เช่น

ในกรณีนี้ NH3 เป็นเบส มีอิเล็กตรอนคู่ 1 คู่ จะให้อิเล็กตรอนคู่กับกรดในการเกิดพันธะโคเวเลนต์ และ BF3รับอิเล็กตรอนจาก NH3BF3 จึงเป็นกรด

ทฤษฎีของลิวอิสนี้มีข้อดีคือ สามารถจำแนกกรด- เบส ที่ไม่มีทั้ง H หรือ OH- ในสารนั้น และแม้ว่าสารนั้นไม่ได้อยู่ในรูปสารละลาย แต่อยู่ในสถานะแก๊สก็สามารถใช้ทฤษฎีลิวอิสอธิบายความเป็นกรดเบสได้

ตัวอย่างอื่นๆ เช่น