เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 27
ปฏิบัติการประจำบทที่ 1
สมดุลเคมี
วัตถุประสงค์
1. เพื่อศึกษาลักษณะทั่วไปของสถานะสมดุล (Equilibrium state)
ุ
2. เพื่อศึกษาผลของความเข้มข้นและอณหภูมิต่อสถานะสมดุล
หลักการ
การเปลี่ยนแปลงทางเคมีส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นอย่างไม่สมบูรณ์ไม่ว่าจะใช้เวลานานเท่าใด
เนื่องจากเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ย้อนกลับได้(irreversible process) ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาอัตราการ
เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า (forward reaction rate) จะลดลงเรื่อย ๆ เนื่องจากความเข้มข้นของสารตั้ง
ต้น (reactants) ลดลง และอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ (reverse reaction rate) จะสูงขึ้น เมื่อ
อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากันอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ จะเกิดสถานะสมดุล ซึ่งที่
สถานะสมดุลนี้สมบัติทางกายภาพของระบบจะคงที่ แต่ระบบไม่ได้หยุดนิ่ง ยังคงมีการเปลี่ยนแปลง
เกิดขึ้นตลอดเวลา จึงเรียกสถานะสมดุลนี้ว่า สมดุลไดนามิก (Dynamic equilibium) ระบบจะเข้าสู่
สมดุลเร็วหรือช้าขึ้นกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา
ในปฏิกิริยาทั่ว ๆ ไป aA + bB cC + dD ………………(1)
[C] [D] d
c
ที่สถานะสมดุล K =
c a b
[A] [B]
เมื่อ KC คือค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิหนึ่ง
[A], [B], [C] และ [D] คือความเข้มข้นของสารขณะสมดุลในหน่วย โมล/ลิตร (mol/L)
หลักของเลอชาเตลิเยอร์ (Le’Chaterlier’principle) กล่าวไว้ว่า ถ้ารบกวนสมดุลของระบบ (เปลี่ยน
ความเข้มข้น, ความดัน หรือ อุณหภูมิ) ระบบจะเสียสมดุลไปแล้วระบบจะปรับตัวให้เข้าสู่สถานะสมดุล
ใหม่อีกครั้งโดยเกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางททำให้รบกวนลดลง
ี่
จากสมการ (1) ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของสาร C อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับจะเพิ่มขึ้น
เพื่อให้ทำให้ความเข้มข้นของสาร C ลดลงและความเข้มข้นของสาร D ก็ลดลงตามปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น
ด้วยในขณะที่ความเข้มข้นของสาร A และ B จะเพิ่มความเข้มข้นจนกระทั่งระบบเข้าสู่สถานะสมดุล
อีกครั้งหนึ่ง ดังนี้
[C] [D] d
c
K =
c a b
[A] [B]
28 สมดุลเคมี
้
ในการศึกษาผลของความเข้มขนและอณหภูมิที่มีผลต่อสถานะสมดุลนั้น ทำโดยใช้สารละลาย
ุ
โคบอลต์ (II) ไอออน ซึ่งเมื่ออยู่ในน้ำจะอยู่ในรูปของไอออนเชิงซ้อน (Complex ion) [Co(H2O)]
2+
โดยที่น้ำถึง 6 โมเลกุลจะจัดตัวอยู่รอบ ๆ โคบอลต์ไอออนเป็นโครงสร้างแบบออกตะฮีดรัล
2+
(Octahedral) สารละลายสีชมพู แต่ถ้ามีคลอไรด์ไอออนจะเข้าแทนที่โมเลกุลของน้ำใน [Co(H2O)6]
2+
อย่างรวดเร็วเกิดเป็นไอออนเชิงซ้อน [CoCl4] ซึ่งเป็นสารสีน้ำเงิน มีการจัดโครงสร้างคลอไรด์ไอออน
รอบโคบอลต์ไอออนเป็บแบบเตตระฮีดรัล (tetrahedral) สมดุลที่เกิดขึ้นเป็นไปตามสมการ
[Co(H2O)6] (aq) + 4Cl (aq) [CoCl4] (aq) + 6H2O(l)
2-
-
2+
สีชมพู สีน้ำเงิน
และมีค่าสมดุลเป็นดังข้างล่าง
[CoCl ] [H O] 6
2-
K = 4 2
c 2+
[Co(H O) ]
2 6
การทดลอง
อปกรณ์
ุ
1. หลอดทดลอง 6 หลอด พร้อมที่วางหลอด
3
3
2. บีกเกอร์ขนาด 50 cm และขนาด 250 cm อย่างละ 2 ใบ
3
3. ขวดรูปชมพู่ขนาด 250 cm พร้อมจุก 2 ชุด
3
4. กระบอกตวงขนาด 10 cm
5. แท่งแก้วคน
6. แผ่นความร้อน (hot plate )
สารเคม ี
1. น้ำกลั่น
2. 0.1 M iron(III) chloride (0.1 M FeCl3)
3. 0.1 M ammonium thiocyanate (0.1 M NH4SCN)
4. ammonium chloride (NH4Cl)
5. 0.1 M acetic acid (0.1 M CH3COOH)
6. methyl orange
7. sodium acetate (CH3COONa)
8. 6 M sodium hydroxide (6 M NaOH)
9. สารละลายอิ่มตัวของ bismuth chloride (BiCl3)
10. hydrochloric acid (conc.HCl)
11. 0.4 M cobolt(II) chloride (0.4 M CoCl2)
12. น้ำแข็ง
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 29
วิธีการทดลอง
ตอนที่ 1 ความเข้มข้นกับภาวะสมดุล
2+
1.1 สมดุลของไอออนเชิงซอน [Fe(SCN)]
้
ี
ี
ี
สเหลือง ไม่มีส สแดง
3
นำหลอดทดลอง 2 หลอด ใส่น้ำกลั่นลงไปหลอดละ 10 cm หลอดที่หนึ่งเติมสารละลาย
3
0.1 M FeCl3 3 cm หลอดที่สองเติมสารละลาย 0.1 M NH4SCN 5 หยด ผสมสารละลายทั้งสอง
3
หลอดเข้าด้วยกันในบีกเกอร์ขนาด 50 cm ทิ้งไว้จนเข้าสู่ภาวะสมดุล แบ่งสารละลายที่เกิดขึ้น
ออกเป็น 4 หลอด หลอดละเท่ากัน
หลอดที่ 1 เก็บไว้สำหรับเปรียบเทียบสี (blank)
หลอดที่ 2 เติมสารละลาย 0.1 M FeCl3 3 หยด เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลง
หลอดที่ 3 เติมสารละลาย 0.1 M NH4SCN 3 หยด เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลง
หลอดที่ 4 ค่อยๆ เติมผง NH4Cl 0.1–0.3 g เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลง
เปรียบเทียบสีของสารละลายในหลอดทดลองทั้ง 4 หลอด บันทึกผล อธิบายการ
เปลี่ยนแปลงตามหลักของเลอชาเตลิเยอร์
1.2 สมดุลของ CH3COOH
3
นำหลอดทดลอง 2 หลอด ใส่ 0.1 M CH3COOH หลอดละ 2 cm เติม methyl orange
หลอดละ 2 หยด เขย่า บันทึกสีของสารละลายทิ้งไว้จนเข้าสู่ภาวะสมดุล
หลอดที่ 1 เติม CH3COONa ชิ้นเล็กๆ ลงไป เขย่าให้ละลาย บันทึกผล
หลอดที่ 2 เติม 6 M NaOH 2 หยด เขย่า บันทึกสีของสารละลาย
1.3 สมดุลของ BiCl3 ในน้ำ
ใส่สารละลาย BiCl3 ปริมาตร 2 cm ในหลอดทดลอง แล้วเติมน้ำกลั่น 2 cm ทิ้งไว้จนเข้าสู่
3
3
สมดุล สังเกตผลและลักษณะของสาร แบ่งสารออกเป็น 2 หลอดเท่า ๆ กัน
หลอดที่ 1 เติมน้ำกลั่น 5 cm เขย่าสังเกตการเปลี่ยนแปลง และบันทึกผล
3
หลอดที่ 2 เติม HCl ทีละหยด จนครบ 2.5 cm พร้อมคนสารละลาย และบันทึกผล
3
30 สมดุลเคมี
ตอนที่ 2 อุณหภูมกับภาวะสมดุล
ิ
สมดุลของไอออนเชิงซ้อนของ Co 2+
สีชมพู สีน้ำเงิน
เติมสารละลาย 0.4 M CoCl2 ปริมาตร 2.5 cm ลงในหลอดทดลอง ค่อยๆ เติมสารละลาย
3
HCl ทีละหยดจนครบ 2 cm เขย่าให้เข้ากันจะได้สารละลายสีม่วง (สีผสมระหว่างสีชมพูกับสีน้ำเงิน)
3
ถ้าไม่เป็นสีม่วงให้เติม conc. HCl ลงไปอีกทีละหยดจนสารละลายเป็นสีม่วงทิ้งไว้จนเข้าสู่ภาวะสมดุล
จากนั้นแบ่งสารละลายออกเป็น 3 ส่วนใส่ลงในหลอดทดลองแล้วทำการทดลองดังนี้
หลอดที่ 1 นำไปแช่ในอ่างน้ำแข็ง
o
หลอดที่ 2 นำไปอุ่นให้ร้อนที่อุณหภูมิ 80 C
หลอดที่ 3 ตั้งทิ้งไว้ที่อุณหภูมิห้อง
ิ
สังเกตการเปลี่ยนแปลงที่เกดขึ้นในหลอดทดลองที่ 1 และ 2 เทียบกับหลอดที่ 3 บันทึกผล
คำถามหลังการทดลอง
1. จากสมการ
ภายในขวดที่ปิดจุกสนิท เมื่อนำขวดไปแช่ในน้ำแข็ง สีของแก๊สในขวดจะเป็นสีอะไร
2. จากสมการ
ที่ภาวะสมดุล จงเขียนสมการเพื่อหาค่า K
3. ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นกับอุณหภูมิของระบบที่สมดุลกระทบต่อภาวะสมดุลและ
ค่าคงที่สมดุลอย่างไร
4. พิจารณาตารางที่ 1.1 แสดงด้านล่าง ตารางแสดงภาวะสมดุลที่กำหนดให้ เมื่อรบกวนภาวะสมดุล
ของระบบแล้วจะมีผลทำให้สมดุลของปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงอย่างไร
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 31
ตารางที่ 1.1 การรบกวนภาวะสมดุลของปฏิกิริยาที่กำหนด
4.1 เมื่อรบกวนภาวะสมดุล ทิศ ผลการเปลี่ยนแปลง
ทางการ
ปรับตัว [Fe ] [SCN] [Fe(SCN) ]
-
2+
3+
1. เติม FeCl3
2. เติม NH4SCN
3. เติม Na3PO4
4. เติม NaCl
4.2 เมื่อรบกวนภาวะสมดุล ทิศ
+
-
ทางการ [CH3COOH] [H ] [CH3COO]
ปรับตัว
1. เติม methyl orange
2. เติม CH3COONa
3. เติม 6M NaOH
4.3 เมื่อรบกวนภาวะสมดุล ทิศ
ทางการ [BiCl3] [BiOCl] [HCl]
ปรับตัว
1. เติมน้ำกลั่น
2. เติม conc.HCl
4.4 เมื่อรบกวนภาวะสมดุล ทิศ
-
2-
+
ทางการ [Co(H2O)6] [Cl] [CoCl4]
ปรับตัว
็
1. ที่อุณหภูมิน้ำแขง
2. ที่อุณหภูมิน้ำร้อน
3. ที่อุณหภูมิห้อง
32 สมดุลเคมี
แบบฝึกหัดท้ายบทที่ 1
1) จงเขียนค่า K ของปฏิกิริยาต่อไปนี้
a. H2(g) + I2(g) 2HI(g)
b. 2NO(g) + O2 2NO2 (g)
c. C(s) + O2(g) CO2 (g)
–
+
d. C6H5COOH(aq) C6H5COO (aq) + H (aq)
2) จงคำนวณค่าคงทของปฏิกิริยา K4 จากผลรวมของปฏิกิริยาต่อไปนี้ (ตอบในเทอม k1 k2 k3)
ี่
5
C2H2(g) + O2(g) 2CO2(g) + H2O(l) K = K1
2
C(s) + O2(g) CO2 (g) K = K2
1
H2(g) + O2(g) H2O(l) K = K3
2
2C(s) + H2(g) C2H2 (g) K4 = ?
ี่
3) จงคำนวณค่าคงทของปฏิกิริยา K4 จากผลรวมของปฏิกิริยาต่อไปนี้ (ตอบในเทอม k1 k2 k3)
N2H4(l) + H2(g) 2NH3(g) K = K1
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) K = K2
CH2O(g) + H2(g) CH4O(l) K = K3
N2H4(l) + CH4O(l) CH2O(g) + N2(g) + 3H2(g) K4 = ?
4) พิจารณาปฏิกิริยาการสลายตัวของ PCl5
PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2(g)
โดยเมื่อระบบเข้าสู่สมดุล พบว่า [PCl5] = 0.0350 M, [PCl3] = 0.0101 M, [Cl2] = 0.00250
M จงคำนวณหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้
5) ในภาชนะชนิดหนึ่งปริมาตร 0.45 L ที่ภาวะสมดุลพบว่ามีปริมาณ N2 2.8 กรัม H2 0.063
กรัม และมี NH3 หนัก 0.85 กรัม จงหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 33
6) ที่ภาวะเริ่มต้นใส่ NOCl จำนวน 2.50 โมลลงในภาชนะขนาด 1.50 L ที่อุณหภูมิ 400 °C เมื่อ
ปล่อยให้ระบบเข้าสู่สมดุล พบว่า NOCl สลายตัวไป 28% จงคำนวณค่าคงที่ของปฏิกิริยานี้
7) พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
ถ้าเริ่มต้นโดยใส่ CO ปริมาณ 0.25 โมล และ H2O 0.25 โมล ลงในภาชนะขนาด 125 mL ที่
อุณหภูมิ 900 K จงหาความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของสารทุกตัว ถ้าค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา
นี้มีค่า 1.56
8) พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้
2HI(g) H2(g) + I2(g)
ความเข้มข้นเริ่มต้นของ HI เท่ากับ 1.50 M และความเข้มข้นเริ่มต้นของ H2 และ I2 มีค่า
้
เท่ากันคือ 0.005 M ถ้าค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้มีค่าเท่ากับ 0.0150 จงหาความเข้มขนที่
ภาวะสมดุลของทุกสารที่ปรากฏในปฏิกิริยานี้
9) บรรจุแก๊สไนโตรเจน 1.0 mol แก๊สไฮโดรเจน 3.0 mol และแก๊สแอมโมเนีย 0.2 mol ใน
ภาชนะปิดปริมาตร 2 L ปฎิกิริยาเกิดขึ้นดังสมการ
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
ที่ความดันและอุณหภูมิคงที่ พบว่าที่ภาวะสมดุลในภาชนะมีแก๊สแอมโมเนียร้อยละ 80 โดย
โมล คิดเป็นความเข้มข้นของแก๊สแอมโมเนียกี่โมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร
10) แก๊ส SO2Cl2 แตกตัวให้ แก๊ส Cl2 และ SO2 ดังสมการ
SO2Cl2 Cl2 + SO2
เมื่อทำการทดลองโดยบรรจุแก๊ส SO2Cl2 ปริมาณหนึ่งในภาชนะปิดขนาด 5 L ควบคุม
อุณหภูมิที่ 127 °C พบว่ามีความดันเริ่มต้นเท่ากับ 1.64 atm จากนั้นปล่อยทิ้งไว้ที่อุณหภูมิ
คงที่ จนปฏิกิริยาการแตกตัวของแก๊ส SO2Cl2 เข้าสู่ภาวะสมดุล พบว่าในภาชนะนั้นมีแก๊ส
3
ทั้งหมดเข้มข้น 0.09 mol/dm ร้อยละการแตกตัวของแก๊ส SO2Cl2 มีค่าเท่าใด
11) พิจารณาสมการเคมีและค่าคงที่สมดุล (K) ของปฏิกิริยาต่อไปนี้
28
a. 4NH3(g) + 3O2(g) 2N2(g) + 6H2O(g) K = 1 × 10
–31
b. N2(g) + O2(g) 2NO(g) K = 5 × 10
–12
c. 2HF(g) H2(g) + F2(g) K = 1 × 10
–3
d. 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2 K = 4.5 × 10
34 สมดุลเคมี
จงทำเครื่องหมายถูกหน้าข้อความที่ถูก ทำเครื่องหมายผิดหน้าข้อความที่ผิด
ก. ปฎิกิริยาทั้งหมดจะเกิดสมดุลได้เมื่ออยู่ในภาชนะปิดเท่านั้น
ข. เมื่อเพิ่มแก๊ส O2 ปฏิกิริยา a. และ b. จะปรับตัวในทิศทางย้อนกลับมากขึ้น
ค. เมื่อเพิ่มแก๊ส N2 ปฏิกิริยา a. และ b. จะปรับตัวในทิศทางไปข้างหน้ามากขึ้น
ง. เมื่อเพิ่มความดัน ปฏิกิริยา a. และ d. เท่านั้นที่ จะปรับตัวในทิศทางไปข้างหน้า
มากขึ้น
จ. เมื่อลดความดัน ปฏิกิริยา b. และ c. เท่านั้นที่ จะปรับตัวในทิศทางตรงกันข้าม
ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน
12) พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้
PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) ∆H° = 92.5 kJ/mol
จงทำนายทิศทางการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาว่าไปขางหน้าหรือย้อนกลับ เมื่อ
ิ่
(a) เพิ่มอุณหภูมิ (b) เพมปริมาณ Cl2 (c) PCl3 ถูกดึงออกจากปฏิกิริยา (d) เพิ่มความดัน
(e) ใส่ตัวเร่งปฏิกิริยา
13) พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
ิ่
จงทำนายทิศทางการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาว่าไปขางหน้าหรือย้อนกลับ เมื่อ (a) เพม
ปริมาตร (b) เพิ่ม CaO (c) ลดปริมาณของ CaCO3 (d) เพิ่มปริมาณของ CO2 เข้าไปในระบบ
(e) ใส่ NaOH เข้าไปเล็กน้อย (f) ใส่ HCl เข้าไปเล็กน้อย
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 35
เอกสารอ้างอิง
Chang, R. (2010). Chemistry: McGraw-Hill.
Ebbing, D.; Gammon, S. D. (2007). General Chemistry: Cengage Learning.
Henri Louis Le Chatelier (1815-1873). (n.d.). Retrieved April 18, 2019, from
http://annales.org/archives/x/chatelier.html.
Silberberg, M., & Amateis, P. (2014). Chemistry The Molecular Nature of Matter and
Change 7th edition: McGraw-Hill Science.
Zumdahl, S. S. (2001). World of Chemistry: McDougal Littell.
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์. (ม.ป.ป.). สมดุลเคมี. สืบค้นเมื่อ 13 เมษายน 2562, จาก
เวปไซต์: http:// www.mwit.ac.th /~teppode/53_sheet_eq.pdf.
สถาบันนวัตกรรมและพัฒนากระบวนการเรียนรู้ มหาวิทยาลัยมหิดล. (ม.ป.ป.). กฎอัตรา. สืบค้นเมื่อ
6 มิถุนายน 2562, จาก https://il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry2/kinetics/
rate_law.htm
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี กระทรวงศึกษาธิการ. (2556). หนังสือเรียน
รายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์เคมี เล่ม 5 (พิมพ์ครั้งที่ 3). กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์ สกสค
ลาดพร้าว.
36 สมดุลเคมี
แผนบริหารการสอนประจำบทที่ 2
หัวข้อเนื้อหาประจำบท
บทที่ 2 กรดและเบส
1. บทนำ
2. ความหมายและคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์
3. กรดและเบสกับความเป็นอิเล็กโทรไลต์
4. ทฤษฎีกรดและเบส
5. คู่กรดเบส
6. สมบัติกรด-เบสของน้ำ
7. การแสดงความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน โดยใช้ค่า pH
8. ความสัมพันธ์ระหว่าง pH pOH และ Kw
9. การคำนวณ pH และ pOH ของกรดแก่และเบสแก ่
่
10. กรดออนและค่าคงที่การแตกตัวของกรดออน
่
ี่
11. เบสอ่อนและค่าคงทการแตกตัวของเบสอ่อน
12. ปฏิบัติการประจำบทที่ 2 กรดและเบส
วัตถุประสงค์เชิงพฤติกรรม
เมื่อศึกษาบทที่ 2 แล้วนักศึกษาสามารถ:
ิ
ิ
1. อธิบายความหมายและแยกประเภทของสารละลายอเล็กโทรไลต์แก่ อเล็กโทร
ไลต์อ่อน สารละลายที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ ได้
2. อธิบายความหมายของทฤษฎีกรดเบสของ Arrhenius, ทฤษฎีกรดเบสของ
BrØnsted และ Lowry และทฤษฎีกรดและเบสของ Lewis ได้
3. อธิบายความหมายของคู่กรดคู่เบสได้ และสามารถแสดงตัวอย่างของคู่กรดคู่เบส
ได้
4. อธิบายความหมายและยกตัวอย่างกรดแก่ กรดอ่อน เบสแกเบสอ่อนได้
่
+
-
5. ใช้ค่า Kw เพื่อคำนวณหา [H ] และ [OH] ได้
+
-
6. คำนวณหาค่า pH หรือ pOH ในกรณีที่กำหนดความเข้มข้นของ [H ] และ[OH]
ได้
7. คำนวณ pH และ pOH ของกรดแก่และเบสแก่ได้
่
8. อธิบายและเขียนค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนและเบสออนได้
9. คำนวณร้อยละการแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อนได้
่
่
10. คำนวณหา pH ของกรดออน หรือ pOH ของเบสออน ในกรณีที่กำหนดความ
เข้มข้นเริ่มต้นและค่าคงที่การแตกตัวของกรดออนหรือเบสอ่อนมาให้ได้
่
38
วิธีสอนและกิจกรรมการเรียนการสอนประจำบท
1. จัดการเรียนรู้แบบสืบเสาะหาความรู้ 5 ขั้น พร้อมเสริมการเรียนรู้ด้วยปฏิบัติการที่
เกี่ยวข้องกับเนื้อหารายวิชา มีการบันทึกวิดีโอในระหว่างการสอนเพื่อให้นักศึกษาชม
ย้อนหลังได้
2. การศึกษาเอกสารประกอบคำสอนด้วยตนเอง
3. การใช้ปัญหาเป็นฐาน อภิปรายปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกรดเบสร่วมกันในห้องเรียน
4. การศึกษาค้นคว้าและทบทวนด้วยตนเอง
5. การฝึกทำแบบฝึกหัดระหว่างเรียนและแบบฝึกหัดท้ายบท
สื่อการเรียนการสอน
1. เอกสารประกอบคำสอน
2. เอกสารประกอบการบรรยาย หรือตัวอย่างงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
3. คลิปวิดีโอเพอการเรียนรู้ย้อนหลัง
ื่
4. แบบฝึกหัดท้ายบทและเฉลยพร้อมคำอธิบาย
5. คู่มือปฏิบัติการเคมีสำหรับครู 2
การวัดผลและการประเมินผล
1. สังเกตจากการซักถามในระหว่างการจัดการเรียนรู้
2. สังเกตจากความตั้งใจ และความตรงต่อเวลา
3. ประเมินจากการทําแบบฝึกหัด และรายงานปฏิบัติการที่เกี่ยวข้อง
4. วัดผลจากการสอบกลางภาค
บทที่ 2
กรดและเบส
2.1 บทนำ
ในชีวิตประจำวันของเรามีสารที่มีคุณสมบัติเป็นกรดและเบสอยู่ในชีวิตประจำวันทั้งที่เป็น
อาหาร ยา และสารทำความสะอาด สารที่มีฤทธิ์เป็นกรด เช่น น้ำส้มสายชู (CH3COOH) ยาหยอดตา
(H2BO3) น้ำโซดา(H2CO3) น้ำส้ม น้ำมะนาว ผลไม้รสเปรี้ยวที่มีส่วนผสมของกรดอะซิตริก (Citric
Acid) ยาแอสไพรินคือกรดอะเซทิลซาลิซิลิก (Acetyl salicylic Acid) วิตามินซี (Ascorbic acid) หรือ
น้ำยาทำความสะอาดบางชนิดจะมีส่วนผสมของกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ส่วนสารที่มีฤทธิ์เป็นเบส มัก
พบในยาลดกรดมีส่วนผสมของแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์และอะลูมีเนียมไฮดรอกไซด์ เป็นต้น
ในบท กรดและเบส นี้ กล่าวถึงชนิดของสารละลายซึ่งเป็นพื้นฐานของ กรดและเบสก่อน ตาม
ด้วยนิยามของกรดเบส ชนิดของกรดเบส ความแรงของกรดและเบส การวัด pH ของสารละลายกรด
เบส การคำนวณกรดอ่อนเบสอ่อน และร้อยละการแตกตัว
2.2 ความหมายและคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์
(Electrolytic properties)
สารอิเล็กโทรไลต์ คือ สารที่เมื่อละลายในน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออนได้ดี แล้วมีคุณสมบัตินำ
ไฟฟ้าได้ดี อาจกล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ อิเล็กโทรไลต์เป็นตัวถูกละลายที่เมื่อละลายน้ำแล้วนำไฟฟ้าได้ เช่น
ิ
NaCl, HCl, KOH เป็นต้น ส่วนสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) คือ สารละลายที่เมื่อตัวอเล็ก
โทรไลต์ละลายในน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออน และสารละลายนั้นนำไฟฟ้าได้ ส่วนสารละลายนอนอเล็ก
ิ
้
โทรไลต์ (non-electrolyte) คือ สารที่ละลายน้ำแล้วไม่แตกตัวเป็นไอออน และไม่นำไฟฟา
(สารประกอบโคเวเลนต์บางชนิด) เช่น น้ำตาล , แอลกอฮอล์ เป็นต้น สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์
คือ สารละลายที่มีสารนอนอิเล็กโทรไลต์ละลายอยู่ในน้ำ และไม่นำไฟฟ้า
2.2.1 อิเล็กโทรไลต์อ่อน (weak electrolyte) หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวได้
บางส่วน นำไฟฟ้าได้น้อย เช่น HF, NH4OH เป็นต้น
2.2.2 อิเล็กโทรไลต์แก่ (strong electrolyte) หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวเป็น
ไอออนได้ 100% และนำไฟฟ้าได้ดีมาก เช่น กรดแก่ เบสแก่ และเกลือส่วนใหญ่จะแตกตัวได้ 100%
ภาพที่ 2.1 แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างระหว่างสารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์ สารละลายอิเล็กโทร
ไลต์อ่อน และสารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่ โดยใช้ความสามารถในการนำไฟฟ้าของสารละลายเป็น
เกณฑ์ โดยตัวถูกละลายต่างชนิดกันจะละลายในตัวทำละลายที่เป็นน้ำ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไป
สารละลายใดนำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งจะสังเกตจากหลอดไฟที่ส่องสว่าง จะเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ สารละลายที่
40 กรดและเบส
นำไฟฟ้าได้บ้างจะเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน สังเกตได้จากความสว่างของหลอดไฟที่สว่างเล็กน้อย และ
สารละลายที่หลอดไฟไม่สว่างเป็น สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์
ภาพที่ 2.1 สารละลานนอนอิเล็กโทรไลต์ (ซ้าย) สารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน (กลาง) สารละลาย
อิเล็กโทรไลต์แก่ (ขวา)
ที่มา: Chang, R. (2010). Chemistry: McGraw-Hill. p 122
2.3 กรดและเบสกับความเป็นอิเล็กโทรไลต์
(Acids and Bases as Electrolyte)
กรดและเบสสามารถแบ่งประเภทตาม “ความแรง (strength)” ของกรดและเบสนั้น ความ
แรงในที่นี้ หมายถึง ความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนของกรดและเบสในน้ำ ว่าแตกตัวได้มาก
เพียงใด ซึ่งจะสามารถใช้บอกความแรงของกรดและเบสได้
❑ กรดแก่ (strong acids) และเบสแก่ (strong bases) จัดเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ เพราะ กรด
แก่และเบสแก่สามารถแตกตัวได้ 100% หรือแตกตัวได้สมบูรณ์ในน้ำ และเมื่อแตกตัวแล้ว
สามารถนำไฟฟ้าได้ดี
❑ กรดอ่อน (weak acids) และเบสอ่อน (weak bases) จัดเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน เพราะ
กรดอ่อนและเบสอ่อนสามารถแตกตัวเป็นไอออนในน้ำได้เล็กน้อย และเมื่อแตกตัวแล้ว
สามารถนำไฟฟ้าได้เล็กน้อย
กรดแก่ กรดอ่อน เบสแก่ และเบสอ่อนที่พบได้บ่อยและเป็นตัวพื้นฐานที่ควรจำในการเรียนรู้ในรายวิชา
เคมี แสดงในตารางที่ 2.1 ขอให้ผู้ศึกษา พยายามจดจำชนิดของกรดและเบสในตารางนี้ไว้ เพราะ
ค่อนข้างใช้บ่อยและเป็นพื้นฐานในการคำนวณในหัวข้อถัดไป
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 41
ตารางที่ 2.1 กรดแก่ กรดอ่อน เบสแก่และเบสอ่อนที่พบบ่อย
กรด เบส
กรดแก่ เบสแก่
Hydrochloric acid (HCl) Group 1A(1) hydroxides: Group 2A(2) hydroxides:
Hydrobromic acid (HBr) Lithium hydroxide (LiOH) Calcium hydroxide, Ca(OH)2
Hydroiodic acid (HI) Sodium hydroxide (NaOH) Strontiumhydroxide, Sr(OH)2
Nitric acid (HNO3) Potassium hydroxide (KOH) Barium hydroxide, Ba(OH)2
Sulfuric acid (H2SO4) Rubidium hydroxide (RbOH)
Perchloric acid (HClO4) Cesium hydroxide (CsOH)
กรดอ่อน เบสอ่อน
Hydrofluoric acid (HF) Ammonia, NH3 (NH4OH)
Phosphoric acid (H3PO4)
Acetic acid (CH3COOH)
* หมายเหตุ กรดและเบสในตารางนี้เป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนเท่านั้น
คำว่าแตกตัวได้ 100% หรือแตกตัวอย่างสมบูรณ์ (complete dissociation) จะอธิบายให้
เข้าใจง่ายขึ้นจากตัวอย่างดังนี้ สารอิเล็กโทรไลต์ในที่นี้ใช้ HCl ละลายในน้ำ ในสภาวะเริ่มต้นมีสาร
HCl อยู่ 1.0 mol เมื่อละลายน้ำ จนกระทั่งการแตกตัวสิ้นสุด ในสภาวะสุดท้ายจะไม่พบ HCl ในรูป
-
+
โมเลกุลอยู่ในบีกเกอร์ แต่จะพบ H และ Cl อย่างละ 1.0 mol แทน นั่นคือ HCl จะสลายแตกตัว ให้
+
-
H และ Cl จนตัว HCl หายไปหมด กรณีนี้จึงเรียกว่า แตกตัว 100% พิจารณาภาพที่ 2.2 ประกอบ
ภาพที่ 2.2 อธิบายการแตกตัวอย่างสมบูรณ์ของกรดแก่ โดยใช้ HCl เป็นตัวอย่างประกอบการอธิบาย
ส่วนคำว่า แตกตัวได้บ้างหรือแตกตัวไม่สมบูรณ์ จะอธิบายให้เห็นภาพจากตัวอย่างดังนี้ เมื่อละลาย
กรดอ่อนหรือเบสอ่อนในน้ำ เช่น ละลาย HF ในน้ำ ที่สภาวะเริ่มต้นมีโมเลกุล HF อยู่ 1.0 โมล โดย
+
-
ทราบว่า HF แตกตัวจะให้ H และ F เมื่อระบบเข้าสู่ภาวะสมดุล จะพบ สารทั้งสามสปีชีส์ คือ HF,
-
+
-
+
H และ F อยู่ในระบบ ที่ใช้คำว่าเข้าสู่สมดุลนั้นเพราะ H และ F ก็สามารถทำปฏิกิริยากันแล้ว
-
+
ย้อนกลับไปเป็น HF ได้ และ HF ก็สามารถแตกตัวให้ H และ F ได้ จึงใช้ลูกศรสองหัว (ทบทวน
42 กรดและเบส
บทเรียนเรื่องสมดุลเคมี) นั่นคือ HF แตกตัวไม่หมดจึงมี HF ในรูปโมเลกุลหลงเหลืออยู่ พิจารณาภาพที่
2.3 ประกอบ
่
ภาพที่ 2.3 อธิบายการแตกตัวไม่สมบูรณ์ของกรดออน โดยใช้ HF เป็นตัวอย่างประกอบการอธิบาย
2.4 ทฤษฎีกรดและเบส
2.4.1 ทฤษฎีกรดและเบสของ Arrhenius
Arrhenius ให้นิยามของกรดไว้ คือ สาร ไฮโดรเนียมไอออน (Hydronium
ที่มี H อยู่ในสูตรและเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ไฮโดร ion) คือ การที่ H ละลายในน้ำ แล้ว
+
+
เนียมไอออน (hydronium ion, H3O ) หรือให้โปรตอน
+
+
ออกมา (H ) เช่น เมื่อ HBr ละลายน้ำจะแตกตัวให้ H โมเลกุลของน้ำ (H2O) เข้ามาล้อมรอบ
+
-
และ Br ดังปฏิกิริยา H เกิดพันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้น (ภาพที่
+
2.4) ซึ่งจะนิยมเขียนเป็น H3O ไฮโดร
+
-
HBr(g) + H2O(l) → H (aq) + Br เนียมไอออนมีประจุไฟฟาเป็นบวก
้
เบส คือ สารที่มี OH อยู่ในสูตรและเมื่อละลายน้ำจะแตก
-
ตัวให้ OH ออกมา เช่น เมื่อ NaOH ละลายน้ำจะให้ Na +
-
และ OH ออกมา ดังแสดง
-
+
NaOH(s) + H2O(l) → Na (aq) + OH(aq)
อย่างไรก็ตามทฤษฎีกรดและเบสของ Arrhenius นี้ก็มี ภาพที่ 2.4 H ที่ถกล้อมด้วย H2O
+
ู
ข้อจำกัด กล่าวคือ หากสารนั้นไม่มี H หรือ OH ในสูตร ที่มา: Silberberg, M., and Amateis, P. (2014).
หรือสารนั้นไม่ละลายน้ำ ก็ไม่สามารถกำหนดความเป็น Chemistry The Molecular Nature of Matter
กรดเบสของสารนั้น ๆ ได้ and Change: McGraw-Hill Science. p 159
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 43
2.4.2 ทฤษฎีกรดและเบสของ BrØnsted และ Lowry
ด้วยข้อจำกัดนิยามของกรดและเบสของ Arrhenius หากสารนั้นไม่มี H หรือ OH อยู่
ในสูตรก็อาจจะไม่สามารถกำหนดความเป็นกรดเบสได้ นักวิทยาศาสตร์ชื่อ BrØnsted และ Lowry ได้
ให้นิยามของกรดและเบสไว้
+
กรด คือ สารที่ให้โปรตอน (H )
เบส คือ สารที่รับโปรตอน
-
ยกตัวอย่างเช่น CH3COO (acetate anion) เป็นสารที่ไม่มี H หรือ OH ในสูตร (CH3 เป็นหมู่ methyl
-
ไม่เกี่ยวข้องกับความเป็นกรดหรือเบส จะกล่าวต่อไปในบทเคมีอินทรีย์) แต่เมื่อ CH3COO ละลายน้ำ
แล้วสามารถกำหนดความเป็นกรดเบสได้ตามทฤษฎีของ BrØnsted และ Lowry กล่าวคือ CH3COO
-
+
จะรับ H จากน้ำ แล้วเกิดเป็น CH3COOH นั่นแสดงว่า CH3COO ทำหน้าที่เป็นเบสตามทฤษฎีของ
-
+
BrØnsted และ Lowry ส่วนน้ำทำหน้าที่ให้ H แสดงว่า H2O ทำหน้าที่เป็นกรด ดังแสดงในปฏิกิริยา
ด้านล่าง
2.4.3 ทฤษฎีกรดและเบสของ Lewis
+
ทฤษฎีกรดเบสของ BrØnsted และ Lowry มีข้อจำกัดตรงที่ หากสารใดไม่มี H ใน
สูตร สารนั้นจะไม่สามารถกำหนดความเป็นกรดเบสได้ แต่กรดและเบสในทฤษฎีของ Lewis ได้ให้
นิยามไว้ว่า กรด คือ สารที่สามารถรับคู่อิเล็กตรอนจากเบส แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์ ส่วน เบส คือ
สารที่สามารถให้คู่อิเล็กตรอนในการเกิดพันธะโคเวเลนต์ ดังตัวอย่างที่แสดงด้านล่าง
จากปฏิกิริยาด้านบน BF3 จะทำหน้าที่เป็นกรดเพราะ B จะรับคู่อิเล็กตรอนจาก N อะตอม ส่วน NH3
จะทำหน้าที่เป็นเบส เพราะอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนไนโตรเจนอะตอม สามารถให้อิเล็กตรอนกับ B ได้
เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ใหม่เกิดขึ้น
44 กรดและเบส
2.5 คู่กรดเบส
(Conjugate acid-base pair)
เรื่องคู่กรดเบสนี้เป็นทฤษฎีที่ขยายมาจาก ทฤษฎีกรดเบสของ BrØnsted และ Lowry คู่กรด-
+
+
เบส จะมีจำนวนโปรตอน (H ) ต่างกัน 1 ตัว โดยที่ คู่กรด คือ สารที่มีโปรตอน (H ) มากกว่าเบส 1 ตัว
ส่วนคู่เบส คือ สารที่มีโปรตอนน้อยกว่ากรด 1 ตัว เพื่อความเข้าใจมากยิ่งขึ้น สามารถพจารณาได้จาก
ิ
ตัวอย่างที่ 2.1 และ 2.2 ดังแสดง
ตัวอย่างที่ 2.1 | ปฏิกิริยาระหว่าง CH3COOH กับ H2O
ปฏิกิริยาการละลายน้ำของ CH3COOH
จากปฏิกิริยาที่แสดงด้านบน เมื่อพิจารณาทฤษฎีกรดเบสของ BrØnsted และ Lowry จะพบว่า
ั
CH3COOH ทำหน้าที่เป็นกรด ส่วนน้ำทำหน้าที่เป็นเบส เพราะ CH3COOH ให้โปรตอนกบน้ำ และ
-
น้ำรับโปรตอนจาก CH3COOH เมื่อพิจารณาคู่ของกรด CH3COOH นั้น คือ CH3COO จะมีโปรตอน
-
น้อยกว่ากรด CH3COOH อยู่ 1 ตัว ดังนั้น CH3COO เป็นคู่เบสของกรด CH3COOH เมื่อพิจารณาคู่
+
+
+
ของ H2O และ H3O พบว่า H3O มีโปรตอนมากกว่า H2O อยู่ 1 ตัว ดังนั้น H3O เป็นคู่กรดของ
เบส H2O
ตัวอย่างที่ 2.2 | ปฏิกิริยาระหว่าง NH3 กับ H2O
ปฏิกิริยาการละลายน้ำของ NH 3
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 45
ตัวอย่างที่ 2.2 | ปฏิกิริยาระหว่าง NH3 กับ H2O
จากปฏิกิริยาที่แสดงด้านบน เมื่อพิจารณาทฤษฎีกรดเบสของ BrØnsted และ Lowry จะพบว่า
NH3 ทำหน้าที่เป็น เบส ส่วนน้ำทำหน้าที่เป็นกรด เพราะ NH3 รับโปรตอนจากน้ำ และน้ำให้
+
+
+
โปรตอนกับ NH3 เกิดเป็น NH4 เมื่อพิจารณาคู่ของ NH3 และ NH4 พบว่า NH4 มีโปรตอน
+
มากกว่า NH3 อยู่ 1 ตัว ดังนั้น NH4 เป็นคู่กรด ของเบส NH3 ส่วนเมื่อพิจารณาคู่ของ H2O และ
-
-
-
OH พบว่า OH มีโปรตอนน้อยกว่ากรด H2O อยู่ 1 ตัว ดังนั้น OH เป็นคู่เบสของกรด H2O
2.6 สมบัติกรด-เบสของน้ำ
(Acid-Base properties of water)
น้ำเป็นตัวทำละลายที่สามารถรับและจ่ายโปรตอนได้ หากน้ำทำปฏิกิริยากับกรด เช่น HCl
CH3COOH น้ำจะทำหน้าที่เป็นเบส หากน้ำทำปฏิกิริยากับเบส เช่น NaOH น้ำจะทำหน้าที่ป็นกรด
ดังนั้นตามทฤษฎีของ BrØnsted และ Lowry น้ำจึงมีคุณสมบัติเป็นได้ทั้งกรดและเบส โดยปกติแล้วน้ำ
+
-
จะเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน สามารถแตกตัวให้ H3O และ OH ได้ ดังสมการ
การแตกตัวของน้ำนี้ เพื่ออธิบายคุณสมบัติกรดเบสของน้ำ จะเขียนแสดงปฏิกิริยาในรูปของ
autoionization หรือเรียกอีกอย่างว่า self-ionization ดังแสดง
หากพิจารณาเรื่องสมดุลแล้ว ปฏิกิริยาการแตกตัวของน้ำ สามารถเขียนแสดงค่าคงที่สมดุลได้ ดังแสดง
[H O] [OH ]
+
-
K = 3
c 2
[H O]
2
เนื่องจากความเข้มข้นของ [H2O] มีค่า 55.5 mol/L ซึ่งเป็นค่าคงที่ เราสามารถตัดพจน์ของ [H2O]
ออกจากสมการค่าคงทการแตกตัวของน้ำได้ ซึ่งจะแสดงค่าคงที่การแตกตัวของน้ำ (ใช้ตัวย่อ Kw) ได้
ี่
ใหม่เป็น
… (สมการที่ 2.1)
K = [H O] [OH ]
+
-
w 3
46 กรดและเบส
-7
-
+
ที่อุณหภูมิ 25 °C น้ำจะแตกตัวให้ [H ] เข้มข้น 1.0 × 10 mol/L และ [OH] เข้มข้น 1.0 × 10 -7
mol/L เมื่อแทนค่าพจน์เหล่านี้ในสมการที่ 2.1 จะได้
K = [H O ][OH ]
-
+
w 3
K = (1.0 × 10 )(1.0 × 10 ) = 1.0 × 10 − 14
-7
-7
w
-14
ดังนั้นค่า Kw จะมีค่า 1.0 x 10 ที่อุณหภูมิ 25 °C
สรุปสูตร |
14
−
+
-
K = [H O ][OH ] = 1.0 × 10 … (สมการที่ 2.2)
w 3
-14
เมื่อ Kw เป็นค่าคงที่การแตกตัวของน้ำ มีค่า 1.0 x 10 ที่อุณหภูมิ 25 °C
+
[H3O ] คือ ความเข้มข้นของกรด (หน่วย mol/L)
-
[OH] คือ ความเข้มข้นของเบส (หน่วย mol/L)
+
จากสมการที่ 2.2 จะพบว่า หากสารละลายใดๆ มี [H3O ] เท่ากับ [OH] แสดงว่าสารละลายนั้นมี
-
คุณสมบัติเป็นกลาง หากสารละลาย มี [H3O ] มากกว่า [OH] แสดงว่าสารละลายนั้นมีฤทธิ์เป็นกรด
+
-
+
-
แต่ถ้าหากสารละลายมี [H3O ] น้อยกว่า [OH] สารละลายนั้นจะมีฤทธิ์เป็นเบส ตัวอย่างการใช้สมการ
ที่ 2.2 ในการคำนวณแสดงในตัวอย่างที่ 2.3
+
-
ตัวอย่างที่ 2.3 | การคำนวณความเข้มข้นของ [H3O ] และ[OH] ในสารละลาย
+
์
โจทย นักเคมีวัดความเข้มข้นของ H3O ในสารละลาย HCl พบว่ามีความเขมข้น 3.0 x 10 M
-4
้
-
ที่อุณหภูมิ 25 °C จงคำนวณหาความเข้มข้นของ OH ในสารละลายนี้พร้อมทั้งระบุว่าสารละลาย
นี้มีคุณสมบัติเป็นกรดหรือเบส
วิธีคิด โจทย์กำหนด [H3O ] มีค่า 3.0 x 10 M และค่า Kw เราทราบค่า มีค่า 1.0 x 10
+
-14
-4
เพราะวัดที่อุณภูมิคงที่ 25 °C เมื่อนำค่าเหล่านี้แทนค่าในสมการ 2.2 และคำนวณหาคำตอบจะได้
K = [H O ][OH ]
+
-
w 3
−
-
-4
1.0 × 10 = (3.0 × 10 )[OH ]
14
1.0 × 10 − 14
[OH ] = = 3.3 × 10 mol/L
-11
-
3.0 × 10 -4
+
-
จะเห็นว่า [H3O ] มีค่ามากกว่า [OH] ดังนั้น สารละลายนี้เป็น กรด
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 47
-
+
ตัวอย่างที่ 2.3 | การคำนวณความเข้มข้นของ [H3O ] และ[OH] ในสารละลาย
2.7 การแสดงความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน โดยใช้ค่า pH
(Expressing the Hydronium ion Concentration: The pH Scale)
แม้ว่าเราสามารถบอกความเป็นกรดเป็นเบสของสารละลายได้จากความเข้มข้นของ [H3O ]
+
-
กับ [OH] แต่เพื่อความสะดวกในการบอกความเป็นกรดเป็นเบส นิยมใช้ค่า pH ในการแสดงความเป็น
กรดเบสของสาร ค่า pH คือ ค่าที่ใช้แสดงความเป็นกรด-เบส ของสารละลาย มีค่าอยู่ระหว่าง 1–14
ค่า pH สามารถคำนวณได้จาก ลบของลอการึทึม (negative logarithm) ของความเข้มข้นของ
+
ไฮโดรเจนไอออน (H ) ในสารละลาย ดังแสดงในสมการที่ 2.3
+
pH = -log [H ] … (สมการ 2.3)
ตัวอย่างแสดงการคำนวณ pH และการแทนค่าสูตร พร้อมทั้งการแก้สมการลอการึทึมพื้นฐาน แสดงใน
ตัวอย่างที่ 2.4 และ 2.5
ตัวอย่างที่ 2.4 | การคำนวณ pH ของละลาย
-12
์
+
โจทย จงคำนวณหา pH ของสารละลายกรดที่มีความเข้มข้นของ H เท่ากับ 10 M
วิธีคิด โจทย์กำหนด [H ] มีค่า 10 M นำค่านี้แทนค่าในสมการ 2.3 แก้สมการถอด log จะ
-12
+
-12
เห็นว่า log(10 ) จะได้ค่า -12 เมื่อคูณกับ (-1) จะได้ pH เท่ากับ 12 ดังแสดงด้านล่าง
pH = -log [H ]
+
−
pH = -log (10 )
12
pH = (-1)(-12)
pH = 12
ตัวอย่างที่ 2.5 | การคำนวณ pH ของละลาย
+
์
-4
โจทย จงคำนวณหา pH ของสารละลายกรดที่มีความเข้มข้นของ H เท่ากับ 5.4 x 10 M
วิธีคิด โจทย์กำหนด [H ] มีค่า 5.4 x 10 M นำค่านี้แทนค่าในสมการ 2.3 แก้สมการถอด log
+
-4
รายละเอียดแสดงด้านล่าง
48 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.5 | การคำนวณ pH ของละลาย
pH = -log [H ]
+
−
4
pH = -log (5.4 x 10 )
4
−
pH = (-1)(log 5.4 + log 10 )
pH = 3.27
+
เนื่องด้วย pH เป็นค่าที่ง่ายและสะดวกที่สุดในการบ่งบอกถึงความเข้มข้นของ H สารละลายของกรด
และเบส ที่อุณหภูมิ 25 °C สามารถแยกความเป็นกรด เบส กลาง ได้ดังนี้
ในกรณีที่สารละลายมีฤทธิ์เป็นกรด โดย [H ] > 1.0 x 10 M, จะมีค่า pH < 7.00
+
-7
ในกรณีที่สารละลายเป็นกลาง โดย [H ] = 1.0 x 10 M, จะมีค่า pH = 7.00
+
-7
+
ในกรณีที่สารละลายมีฤทธิ์เป็นเบส โดย [H ] < 1.0 x 10 M, จะมีค่า pH > 7.00
-7
ภาพที่ 2.5 แสดงค่าของ pH ของสารแต่ละชนิดที่พบเจอได้บ่อยในชีวิตประจำวันและมักพบอยู่ใกล้ตัว
เรา เช่น กรดที่อยู่ในกระเพาะอาหารมีความเป็นกรดมาก pH ประมาณ 1 หรือแม้กระทั่งสบู่ถูตัวก็มี
pH สูงมากแสดงถึงความเป็นเบสมาก เป็นต้น
ภาพที่ 2.5 ค่า pH ของสารละลายที่มักพบในชีวิตประจำวัน
ที่มา: Little Coffee Place. (2019). Is Coffee Acidic? pH of Coffee. Retrieved July 20, 2019, from https://neptune-
coffee.com/ is-coffee-acidic
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 49
เมื่อรู้จักกับ pH ในนามของ ลบของลอการึทึม (negative logarithm) ของความเข้มข้นของไฮโดรเจน
–
ไอออน ดังนั้น เมื่อแทนความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนด้วย ไฮดรอกไซด์แอนไอออน (OH ) เราจะ
เรียกค่านี้ว่า pOH นิยามของ pOH คือ ลบของลอการึทึมของความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์แอน
–
ไอออน (OH ) เขียนเป็นสมการได้ดังแสดงในสมการ 2.4
−
pOH = -log [OH ] … (สมการ 2.4)
2.8 ความสัมพันธ์ระหว่าง pH pOH และ Kw
เมื่อเราพิจารณาสมการที่ 2.2 สมการการแตกตัวของน้ำที่ 25 °C จะได้ว่า
−
-
+
[H O ][OH ] = 1.0 × 10
14
3
เมื่อทำการใส่ log ทั้งสองข้างของสมการจะได้ว่า
−
-log ( [H O ] [OH ] ) = -log (1.0 × 10 )
14
-
+
3
+
-
-log [H O ] + -log [OH ] = 14
3
pH + pOH = 14
ดังนั้น สรุปความสัมพันธ์ดังสมการ 2.5
pH + pOH = 14 … (สมการ 2.5)
สมการ 2.5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง pH และ pOH ตัวอย่างการคำนวณที่ใช้สมการนี้จะแสดงใน
ตัวอย่างที่ 2.6
้
ตัวอย่างที่ 2.6 | โจทย์คำนวณที่ใช้สมการที่ 2.5 ในการแกโจทย์ปัญหา
-4
์
-
โจทย จงคำนวณหา pH ของสารละลาย NaOH ที่มีความเข้มข้นของ OH เท่ากับ 2.9 x 10 M
-
วิธีคิด โจทย์กำหนด [OH] มีค่า 2.9 x 10 M นำค่านี้แทนค่าในสมการ 2.4 จะได้
-4
−
pOH = -log [OH ]
4
−
pOH = -log (2.9 x 10 )
pOH = 3.54
50 กรดและเบส
้
ตัวอย่างที่ 2.6 | โจทย์คำนวณที่ใช้สมการที่ 2.5 ในการแกโจทย์ปัญหา
อย่างไรก็ตามโจทย์ต้องการหาค่า pH ของสารละลาย NaOH ดังนั้น ต้องใช้สมการ 2.5
เพื่อหาคำตอบ
pH + pOH = 14
pH + 3.54 = 14
pH = 14-3.54 = 10.46
ดังนั้น สารละลายนี้มี pH เท่ากับ 10.46
2.9 การคำนวณ pH และ pOH ของกรดแก่และเบสแก่
จากที่กล่าวไปในหัวข้อ 2.2 แล้วนั้น กรดแก่และเบสแก่สามารถแตกตัวได้ 100% ดังนั้นถ้า
-
+
ทราบความเข้มข้นของกรดแกหรือเบสแก่ ก็จะสามารถทราบความเข้มข้นของ [H ] หรือ [OH] ได้ ซึ่ง
่
จะสามารถใช้ค่าความเข้มข้นเหล่านี้แทนค่าใน สมการที่ 2.3 หรือ 2.4 ได้เลย ตัวอย่างการคำนวณค่า
pH และ pOH ของกรดแก่และเบสแก่ สามารถพิจารณาได้จากตัวอย่างโจทย์ที่ 2.7 และ 2.8
ตัวอย่างที่ 2.7 | การคำนวณ pH ของกรดแก่
-3
์
โจทย จงคำนวณหา pH ของสารละลาย HCl ที่มีความเข้มข้น 1.3 x 10 M
วิธีคิด จากโจทย์จะเห็นว่า HCl เป็นกรดแก่ แสดงว่าแตกตัวได้สมบูรณ์ในน้ำ (แตกตัว 100%)
โดยเมื่อเราสร้างตาราง ICF จะได้
-
+
HCl(aq) → H (aq) + Cl(aq)
-3
Initial (M) : 1.3 x 10 0 0
-3
-3
-3
Change (M) : -1.3 x 10 +1.3 x 10 +1.3 x 10
Final (M) : 0 1.3 x 10 1.3 x 10
-3
-3
จากตาราง ICF ที่แสดงด้านบนจะเห็นว่าเมื่อสภาวะเริ่มต้น (initial) จะมีโมเลกุลของ
HCl อยู่ 1.3 x 10 M แต่เมื่อให้มันละลายน้ำจนแตกตัวสมบูรณ์ HCl โมเลกุล จะแตก
-3
ตัวไปจนหมดไม่เหลือ บรรทัด Change ในแถวแรกจึงใส่ว่า HCl หายไป -1.3 x 10 M
-3
-
-3
+
แล้วเกิด H และ Cl ขึ้นมาอย่างละ 1.3 x 10 M ดังนั้นจะเห็นว่าที่ภาวะสุดท้าย
+
-3
(Final) จะมี H เข้มข้น 1.3 x 10 M แล้วจึงนำไปแทนค่าในสูตรที่ 2.3
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 51
ตัวอย่างที่ 2.7 | การคำนวณ pH ของกรดแก่
+
จากสูตรที่ 2.3 จะได้ว่า pH = -log [H ]
+
-3
แทนค่า [H ] = 1.3 x 10 M จะได้
+
pH = -log [H ]
−
3
pH = -log (1.3 x 10 )
pH = 3.00
-3
ดังนั้น สารละลายกรด HCl เข้มข้น 1.3 x 10 M จะมี pH เท่ากับ 3.00
ตัวอย่างที่ 2.8 | การคำนวณ pH ของเบสแก่
์
โจทย จงคำนวณหา pH ของสารละลาย Ba(OH)2 ที่มีความเข้มข้น 0.02M
วิธีคิด จากโจทย์จะเห็นว่า Ba(OH)2 เป็นเบสแก่ แสดงว่าแตกตัวได้สมบูรณ์ในน้ำ (แตกตัว
100%) โดยเมื่อเราสร้างตาราง ICF จะได้
-
2+
Ba(OH)2(aq) → Ba (aq) + 2OH(aq)
Initial (M) : 0.02 0 0
Change (M) : -0.02 +0.02 +0.04 อัตราส่วน 1:1:2
Final (M) : 0 0.02 0.04
จากตาราง ICF ที่แสดงด้านบนจะเห็นว่าเมื่อสภาวะเริ่มต้น (initial) จะมีโมเลกุลของ
Ba(OH)2 อยู่ 0.02 M แต่เมื่อให้มันละลายน้ำจนแตกตัวสมบูรณ์ Ba(OH)2 โมเลกุล จะแตก
ตัวไปจนหมดไม่เหลือ บรรทัด Change ในแถวแรกจึงใส่ว่า Ba(OH)2 หายไป -0.02M
แล้วเกิด Ba ขึ้นมาที่ความเข้มข้น +0.02 M และเกิด OH ขึ้นมาที่ความเข้มข้น +0.04 M
-
2+
-
สาเหตุที่ได้ OH ขึ้นมาที่ความเข้มข้น +0.04 M นั่นเพราะสัมประสิทธิ์หน้าสารในสมการที่
ดุลแล้ว (หน้า OH ในสมการเคมีมีเลข 2 อยู่) แสดงถึงอัตราส่วนในการเกิดปฏิกิริยาเป็น
-
1: 1: 2 ดังนั้นจะเห็นว่าที่ภาวะสุดท้าย (Final) จะมี OH เข้มข้น 0.04M แล้วจึงนำไป
แทนค่าในสูตรที่ 2.4
−
จากสูตรที่ 2.4 จะได้ว่า pOH = -log [OH ]
-
แทนค่า [OH] = 0.04M จะได้
52 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.8 | การคำนวณ pH ของเบสแก่
pOH = -log (0.04)
pOH = 1.4
เมื่อนำ pOH มาแทนค่าในสมการที่ 2.5 จะได้
pH + pOH = 14
pH + 1.40 = 14
pH = 14-1.40 = 12.6
ดังนั้น สารละลายเบส Ba(OH)2 เข้มข้น 0.02M จะมี pH เท่ากับ 12.60
2.10 กรดอ่อนและค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน
หัวข้อ 2.2 ได้อธิบายความหมายของกรดออนไว้ โดยกรดออนได้แก่ HF, CH3COOH เป็นต้น
่
่
่
่
หากเราแทนกรดออนที่แตกตัวหนึ่งครั้งด้วย HA จะสามารถเขียนเป็นสมการการแตกตัวของกรดออน
ได้ดังนี้
หรือมักเขียนแบบอย่างง่ายได้เป็น
เนื่องจากกรดอ่อนเมื่อละลายน้ำจะแตกตัวให้ H (aq) และ A(aq) ซึ่งทั้งสองตัวนี้สามารถทำปฏิกิริยา
+
-
แล้วย้อนกลับไปเป็น HA(aq) ได้ การแตกตัวของกรดอ่อนนี้มักจะอยู่ในสมดุล (ทบทวนเรื่อง สมดุล
ี่
เคมี) เมื่อนำความรู้เรื่องค่าคงทของสมดุลมาใช้ ทำให้สามารถเขียนเป็นค่าคงที่ของการแตกตัวของกรด
อ่อนได้ว่า
+
-
[H ][A ]
K =
a
[HA]
เมื่อ Ka คือ ค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน ซึ่งมาจากค่าคงที่ของสมดุลของปฏิกิริยาการแตกตัวของ
กรดอ่อนที่อุณหภูมิคงที่ (โดยทั่วไปมักแสดงค่า Ka ที่ 25◦ C) ค่า Ka ของกรดแต่ละชนิดจะเป็นค่าที่บอก
+
ความแรงของกรดอ่อนนั้น ว่ามีความสามารถในการแตกตัวให้ [H ] มากน้อยเพียงใด ยิ่งค่า Ka มาก
นั่นหมายความว่า [H ] มีค่ามาก แสดงว่ากรดนั้นเป็นกรดที่แรง ดังนั้นสรุปได้ว่า ค่า Ka ของกรดอ่อน
+
ชนิดใดที่มีค่ามากกว่าจะเป็นกรดที่แรงกว่า
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 53
+
กรดที่แรงกว่า [H ] มากกว่า Ka มีค่ามาก
ยกตัวอย่างเช่น กรดอ่อน HF ซึ่งมีค่า Ka ที่ 25◦ C เท่ากับ 6.8 x 10 ส่วน HCN ซึ่งเป็นกรดอ่อน
-4
-10
เหมือนกันแต่มีค่า Ka เท่ากับ 6.2 x 10 ค่า Ka ของ HF มีค่ามากกว่าดังนั้น HF จึงเป็นกรดที่แรง
กว่า HCN เป็นต้น ดังนั้นโปรดระลึกเสมอว่า ค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อน (Ka) จะใช้อธิบายการ
แตกตัวของกรดอ่อนเท่านั้น ไม่ใช้ในการอธิบายความแรงของกรดแก่
ตารางที่ 2.2 แสดงค่า Ka ของกรดอ่อนบางชนิด ที่อุณหภูมิ 25◦ C โดยจะเรียงลำดับจากค่า
Ka มากไปน้อย หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เรียงลำดับจากความแรงของกรดมากไปน้อย
ุ
ตารางที่ 2.2 ค่าคงที่การแตกตัวของกรดบางชนิดที่อณหภูมิ 25◦ C
ชื่อ (สูตร)* โครงสร้างลิวอิส ปฏิกิริยาการแตกตัว Ka
Chlorous acid H (aq) + ClO2 (aq) 1.1 x 10
-
+
-2
(HClO2) HClO2(aq)
Nitrous acid H (aq) + NO2 (aq) 7.1 x 10
-
-4
+
(HNO2) HNO2(aq)
Hydrofluoric + - -4
acid (HF) HF (aq) H (aq) + F (aq) 6.8 x 10
Formic acid HCOOH(aq) H (aq) + HCOO (aq) 1.8 x 10
-4
-
+
(HCOOH)
+
Benzoic acid C6H5COOH(aq) H (aq) + C6H5COO - 6.5 x 10
-5
(C6H5COOH) (aq)
Acetic acid CH3COOH(aq) H (aq) + CH3COO (aq) 1.8 x 10
-5
-
+
(CH3COOH)
Hydrocyanic H (aq) + CN (aq) 6.2 x 10
-
+
-10
acid (HCN) HCN (aq)
Phenol C6H5OH(aq) H (aq) + C6H5O (aq) 1.3 x 10
-10
+
-
(C6H5OH)
* H ตัวหนาคือ H ที่จะแตกตัวออกไป
2.10.1 การแก้ปัญหาโจทย์คำนวณค่า pH ของกรดอ่อน
ในการแก้ปัญหาโจทย์คำนวณของกรดอ่อนนั้น จะมีแนวทางในการแก้ปัญหาดังนี้
1) เขียนสมการการแตกตัวของกรดอ่อน ระบุสิ่งที่โจทย์ให้มา และสิ่งที่โจทย์ถาม
2) สร้างตาราง ICE กำหนดความเข้มข้นที่โจทย์ให้มา และในบรรทัด change อาจ
ใส่เป็น x (ขั้นตอนเหมือนดังการแก้โจทย์ในเรื่องสมดุลเคมี)
3) เขียนค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนในเทอมของ x (จากตาราง ICE) และให้
่
เท่ากับค่าคงที่การแตกตัวของกรดออนที่โจทย์กำหนดมาให้
54 กรดและเบส
4) แก้สมการหาค่า x และแก้สมการหาค่า pH ตามที่โจทย์ถาม
ตัวอย่างการคำนวณการหาค่า pH ของกรดอ่อน พิจารณาจากตัวอย่างที่ 2.9
ตัวอย่างที่ 2.9 | การคำนวณ pH ของกรดอ่อน
โจทย ์ จงหาค่า pH ของสารละลายกรด HF เข้มข้น 0.5 mol/L (กำหนดค่า Ka ของ HF
เท่ากับ 6.8 x 10 )
-4
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์ให้ความเข้มข้นเริ่มต้นของ HF เท่ากับ 0.5 mol/L และต้องการให้หา ค่า pH
ของสารละลาย
ขั้นที่ 2 สร้างตาราง ICE กำหนดความเข้มข้นที่โจทย์ให้มา
H (aq) + F (aq)
HF (aq) + -
Initial (M) : 0.5 0 0
Change (M) : -x +x +x
Equilibrium (M) : 0.5-x x x
[H ][F ] (x)(x)
-
+
K = =
a
[HF] (0.5-x)
ขั้นที่ 3 เขียนค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนในเทอมของ x (จากตาราง ICE) และให้เท่ากับ
ค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนที่โจทย์กำหนดมาให้
x 2
-4
K = = 6.8 x 10
(0.5-x)
a
จัดสมการใหม่จะได้สมการใหม่ในรูปสมการกำลังสอง (quadratic equation) จะได้
2
-4
-4
X + 6.8 x 10 x – 3.6 x 10 = 0
ซึ่งจะเห็นว่าการแก้สมการกำลังสองนี้จะใช้หลักการทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน ดังนั้น
เพื่อให้การแก้โจทย์ทางคณิตศาสตร์ง่ายขึ้นจะใช้การประมาณ
0.5-x ≈ 0.5
จะได้
x 2 = 6.8 x 10 -4
(0.05)
-4
x = 3.55 x 10
2
x = 0.019
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 55
ตัวอย่างที่ 2.9 | การคำนวณ pH ของกรดอ่อน
ค่า x ที่หามาได้มีค่าเทากับ [H ] ดังนั้น [H ] = 0.019 mol/L
+
+
่
-
+
และจะพบว่าที่สมดุล [H ] = [F] = 0.019 mol/L
[HF] = 0.5-0.019 = 0.48 mol/L
ขั้นที่ 4 แก้สมการหาค่า pH ตามที่โจทย์ถาม
pH = -log [H ]
+
pH = -log (0.019)
pH = 1.72
ดังนั้นสารละลาย HF ความเข้มข้น 0.5 M นี้ มีค่า pH เท่ากับ 1.72
+
ในการประมาณค่า 0.5-x ≈ 0.5 นั้นมีหลักการประมาณอยู่ โดยพิจารณาจากพจน์ของ [H ] ส่วนด้วย
ความเข้มข้นเริ่มต้นของสาร คูณ 100 (เรียกชื่อพจน์นี้ว่า ค่าร้อยละการแตกตัว ดูรายละเอียดจาก
หัวข้อ 2.10.2) มีค่าน้อยกว่า 5% แสดงว่าการประมาณนี้ใช้ได้ เพราะการแตกตัวออกมาเป็น H ของ
+
กรดอ่อนมีค่าน้อยมาก ค่า x จึงน้อยมาก ๆ สามารถตัดทิ้งได้เพื่อความสะดวกในการคำนวณ แต่ถ้า
หากมีค่ามากกว่า 5% การประมาณไม่สามารถใช้ได้ ต้องแก้สมการทางคณิตศาสตร์ด้วยสมการกำลัง
สอง ดังนั้นเมื่อคำนวณเสร็จสิ้นแล้วควรต้องตรวจสอบการประมาณค่าด้วยทุกครั้งว่าสามารถประมาณ
ค่าได้หรือไม่
การทดสอบการประมาณ
ค่าที่ได้จากการประมาณ (ค่า x) 0.019
x 100 = 3.8%
ความเข้มข้นเริ่มต้น 0.5
ค่าที่ได้น้อยกว่า 5% แสดงว่าการประมาณสามารถใช้ได้
2.10.2 ร้อยละการแตกตัวของกรด
ในการทดสอบการประมาณค่าการตัด -x ทิ้งนั้น ในความเป็นจริงแล้วพจน์ที่กล่าว
่
ข้างต้นนั้น คือ ร้อยละการแตกตัวของกรด ซึ่งค่านี้ก็เป็นอกคาหนึ่งที่สามารถใช้บอกความแรงของกรด
ี
อ่อนนั้น ๆ ได้ ค่าร้อยละการแตกตัวของกรด แสดงเป็นสูตรได้ดังนี้
56 กรดและเบส
[H ]
+
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 …..(สมการที่ 2.6)
[HA]
0
+
+
เมื่อ [H ] คือ ความเข้มข้นของ H ที่สภาวะสมดุล และ [HA]0 คือ ความเข้มข้นของกรดที่ภาวะเริ่มต้น
-3
+
ยกตัวอย่างเช่น สารละลายกรด HF เข้มข้น 0.05 M มีความเข้มข้นของ [H ] เท่ากับ 5.6 x 10 M จะ
สามารถคำนวณหาค่า ร้อยละการแตกตัวของกรด ได้ดังนี้
5.6 x 10 M
-3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 11%
0.05 M
จะเห็นว่าสารละลายกรด HF เข้มข้น 0.05 M มีค่าร้อยละการแตกตัวเท่ากับ 11% ซึ่งในการคำนวณ
แก้โจทย์ปัญหาของกรดออน จะไม่สามารถใช้การประมาณตัด x ทิ้งได้
่
2.10.3 การใช้สูตรในการแก้โจทย์คำนวณค่า pH ของกรดอ่อน
แม้ว่าจะมีการแสดงขั้นตอนอย่างละเอียดในการแก้โจทย์ปัญหาการ
คำนวณ pH ของกรดอ่อนไว้ แต่ก็มีขั้นตอนที่ซับซ้อนในระดับหนึ่ง อาจไม่สะดวกในการคำนวณเพอ
ื่
นำไปใช้ในห้องปฏิบัติการ หรืออาจจะคิดไม่ทันในการสอบแข่งขัน เมื่อพิจารณาตัวอย่างที่ 2.9
ประกอบจะเห็นได้ว่าทุกครั้งในการแก้โจทย์ปัญหาจะมีการสร้างตาราง ICE และตัด -x ทิ้ง (ในกรณีที่
การทดสอบการประมาณใช้ได้) เมื่อสามารถหาค่า x ได้ ก็จะสามารถนำไปคำนวณค่า pH ได้ ดังนั้น
เมื่อเริ่มจากสมการดังนี้ (พิจารณาตัวอย่างที่ 2.9 ประกอบ)
x 2
K =
a
(0.5)
+
ี
ค่า x จะมค่าเท่ากับ [H ] และ ตัวเลข 0.5 จะเป็นค่าความเข้มข้นเริ่มต้นตามที่โจทย์กำหนดให้ ในที่นี้
จะกำหนดเป็นตัว M จะได้สมการใหม่
+ 2
[H ]
K =
a
M
จัดสมการใหม่จะได้
[H ] = K × M …(สมการที่ 2.7)
+
a
+
+
เมื่อ [H ] คือ ความเข้มข้นของ H ที่สมดุล, Ka คือ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด, M คือ ความเข้มข้น
เริ่มต้นของกรด
ตัวอย่างการใช้สูตรในการคำนวณสามารถพิจารณาได้จากตัวอย่าง 2.10
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 57
ตัวอย่างที่ 2.10 | การคำนวณ pH ของกรดอ่อนโดยใช้สูตร (สมการที่ 2.7)
โจทย ์ จงหาค่า pH ของสารละลายกรด benzoic เข้มข้น 0.2 mol/L (กำหนดค่า Ka ของ
benzoic เท่ากับ 6.5 x 10 )
-5
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์ให้ความเข้มข้นเริ่มต้นกรด benzoic เท่ากับ 0.2 mol/L และต้องการให้หา ค่า
pH ของสารละลาย
ขั้นที่ 2 แทนค่า ความเข้มข้นเริ่มต้นกรด benzoic (M) และค่า Ka ลงในสมการที่ 2.7 จะได้
+
[H ] = K ×M
a
-5
= (6.5x10 )×(0.2)
= 3.6 x 10 M
-3
ขั้นที่ 3 ทดสอบการประมาณค่าว่า ค่าร้อยละการแตกตัวของกรดเกินกว่า 5% หรือไม่ โดยแทน
ค่าลงในสมการ 2.6 จะได้
[H ]
+
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100
[HA]
0
3.6 x 10 -3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 1.8%
(0.2)
ได้ค่าร้อยละการแตกตัวของกรด เท่ากับ 1.8% แสดงว่าการประมาณค่าใช้ได้ และ
สามารถใช้สูตรในการแก้โจทย์ปัญหาได้
ขั้นที่ 4 แก้สมการหาค่า pH ตามที่โจทย์ถาม
pH = -log [H ]
+
pH = -log (3.6 x 10 )
−
3
pH = 2.44
ดังนั้นสารละลายกรด benzoic เข้มข้น 0.2 mol/L นี้ มีค่า pH เท่ากับ 2.44
การแก้ปัญหาโจทย์ของกรดอ่อน บางกรณีโจทย์อาจให้ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารและค่า
pH มาให้ แล้วให้หาค่า Ka ของสารนั้น ซึ่งสามารถพิจารณาตัวอย่างโจทย์แนวนี้ได้จากตัวอย่างที่ 2.11
58 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.11 | การคำนวณหาค่า Ka ของกรด
โจทย ์ สารละลายกรด butanoic acid (CH3CH2CH2COOH แทนด้วย PrCOOH) เข้มข้น
0.15 M มีค่า pH เท่ากับ 2.82 จงหาค่าคงที่การแตกตัวของกรด butanoic acid
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์กำหนดให้
ความเข้มข้นเริ่มต้นกรด butanoic acid เท่ากับ 0.15 mol/L
+
ค่า pH เท่ากับ 2.82 นั่นหมายความว่าให้ความเข้มข้นของ [H ] ที่สมดุลมาให้ และ
ต้องการให้หา Ka ของ butanoic acid
ขั้นที่ 2 สร้างตาราง ICE กำหนดความเข้มข้นที่โจทย์ให้มา
PrCOOH (aq) + -
H (aq) + PrCOO (aq)
Initial (M) : 0.15 0 0
Change (M) : -x +x +x
Equilibrium (M) : 0.15-x x x
[H ][PrCOO ] (x)(x) x 2
+
-
K = = =
a
[PrCOOH] (0.15-x) (0.15-x)
ประมาณ 0.15-x เท่ากับ 0.15 จะได้
x 2
K =
a
(0.15)
จากสูตรนี้ หากเราสามารถหาค่า x ได้ ก็จะสามารถหาค่า Ka ของ butanoic acid ได้
่
ซึ่งค่า x มีค่าเท่ากับ [H ] ที่สามารถหาได้จากคา pH ที่โจทย์กำหนดมาให้
+
+
ขั้นที่ 3 แก้สมการหา [H ] จากค่า pH ที่โจทย์ให้มา
pH = -log [H ]
+
+
2.82 = -log [H ]
3
−
[H ] = 1.51 x 10 M
+
ดังนั้นสารละลายกรด butanoic acid เข้มข้น 0.15 mol/L นี้ มีค่า [H ] เท่ากับ
+
1.51 x 10 M
-3
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 59
ตัวอย่างที่ 2.11 | การคำนวณหาค่า Ka ของกรด
+
-3
ขั้นที่ 4 แทนค่า [H ] = 1.51 x 10 M ในสมการหาค่า Ka ที่ได้จากขั้นที่ 2
x 2
K =
a
(0.15)
(1.51 x 10 )
-3 2
K =
a
(0.15)
K = 1.52 x 10 -5
a
ขั้นที่ 5 ทดสอบการประมาณค่าว่า ค่าร้อยละการแตกตัวของกรดเกินกว่า 5% หรือไม่ โดยแทน
+
ค่า [H ] และความเข้มข้นเริ่มต้น ลงในสมการ 2.6 จะได้
[H ]
+
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100
[HA]
0
1.5 x 10 -3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 1.0 %
(0.15)
่
ได้ค่า ร้อยละการแตกตัวของกรด เท่ากับ 1.0% แสดงว่า การประมาณคาใช้ได้ และค่า
Ka ที่คำนวณออกมาได้นั้นถูกต้อง
ตัวอย่างที่ 2.12 | การคำนวณหาค่า Ka ของกรดอ่อน โดยใช้สูตร
โจทย ์ สารละลายกรด butanoic acid (CH3CH2CH2COOH แทนด้วย PrCOOH) เข้มข้น
0.15 M มีค่า pH เท่ากับ 2.82 จงหาค่าคงที่การแตกตัวของกรด butanoic acid
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์กำหนดให้:
ความเข้มข้นเริ่มต้นกรด butanoic acid เท่ากับ 0.15 mol/L คือ M ในสมการ 2.7
+
ค่า pH เท่ากับ 2.82 นั่นหมายความว่าให้ความเข้มข้นของ [H ] ที่สมดุลมาให้
โจทย์ต้องการให้หา Ka ของ butanoic acid
ขั้นที่ 2 จาก สมการที่ 2.7 [H ] = K × M
+
a
+
จะเห็นว่าตัวแปรอีกตัวหนึ่งที่ไม่ทราบคือ [H ] แต่สามารถหาค่าได้ดังแสดง
pH = -log [H ]
+
+
2.82 = -log [H ]
−
3
+
[H ] = 1.51 x 10 M
+
เมื่อทราบความเข้มข้นของ [H ] แล้วจึงนำไปแทนค่าในสมการที่ 2.7
60 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.12 | การคำนวณหาค่า Ka ของกรดอ่อน โดยใช้สูตร
ขั้นที่ 3 แทนค่าตัวแปรที่ทราบค่าในสมการที่ 2.7 จะได้
+
[H ] = K × M
a
-3
1.51 x 10 = K × (0.15 M)
a
K = 1.52 x 10 -5
a
ขั้นที่ 4 ทดสอบการประมาณค่าว่า ค่าร้อยละการแตกตัวของกรดเกินกว่า 5% หรือไม่ โดยแทน
+
ค่า [H ] และความเข้มข้นเริ่มต้น ลงในสมการ 2.6 จะได้
+
[H ]
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100
[HA]
0
1.5 x 10 -3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 1.0 %
(0.15)
ได้ค่า ร้อยละการแตกตัวของกรด เท่ากับ 1.0% แสดงว่าการประมาณค่าใช้ได้ และค่า
Ka ที่คำนวณออกมาจากการใช้สูตรก็ถูกต้องด้วย
2.11 เบสอ่อนและค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อน
การแตกตัวของเบสอ่อนเหมือนดั่งเช่นการแตกตัวของกรดอ่อน ยกตัวอย่างเช่น การแตกตัว
ของสารละลายแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (NH4OH) ดังแสดง
เมื่อ NH4OH แตกตัวแล้วระบบปรับตัวเข้าสู่สมดุล สามารถเขียนค่าคงที่สมดุลได้ดังแสดง
[NH ][OH ]
-
+
K = 4
b
[NH OH]
4
่
เนื่องจากค่า K ที่แสดงด้านบนเป็นค่าคงที่การแตกตัวของเบสออน สัญลักษณ์ตัว K จึงเปลี่ยนไปใช้เป็น
Kb ซึ่งแสดงถึงค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อน ในตาราง 2.3 แสดงค่าคงที่การแตกตัวของเบสออนบาง
่
ชนิด
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 61
ตารางที่ 2.3 ค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อนบางชนิดที่อุณหภูมิ 25◦ C
ชื่อ สูตร โครงสร้างลิวอิส Kb
Methylamine CH3NH2 4.4 x 10
-4
Ammonia solution NH3 or NH4OH 1.8 x 10
-5
Pyridine C5H5N 1.7 x 10
-9
Aniline C6H5NH2 3.8 x 10
-10
-14
Urea (NH2)2CO 1.5 x 10
ในการแก้โจทย์ปัญหาการหาค่า pH ของเบสอ่อนจะเหมือนในการแก้โจทย์ปัญหาในกรดอ่อนทุก
ประการ ส่วนสูตรที่ใช้ในการแก้โจทย์จะเปลี่ยนจาก [H ] เป็น [OH] และ Ka ก็กลายเป็น Kb ดังแสดง
-
+
ในตารางที่ 2.4 ส่วนตัวอย่างการคำนวณแสดงในตัวอย่างที่ 2.13
ตารางที่ 2.4 สรุปสูตรที่ใช้ในการแก้โจทย์ปัญหากรดอ่อน/เบสอ่อน
กรดอ่อน
+
[H ] = K ×M …( สมการ 2.7)
a
+
[H ]
% ionization = x 100 …( สมการ 2.6)
[HA]
0
เบสอ่อน
−
[OH ] = K ×M …( สมการ 2.8)
b
−
[OH ]
%ionization = x 100 …( สมการ 2.9)
[MOH] 0
[MOH]0 คือความเข้มข้นเริ่มต้นของเบสอ่อน
62 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.13 | การคำนวณ pH ของเบสอ่อน
โจทย ์ จงหา pH ของสารละลาย NH3 เข้มข้น 0.4 M
-5
(กำหนดค่า Kb ของ NH3 เท่ากับ 1.8 x 10 )
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์กำหนดให้:
ความเข้มข้นเริ่มต้นของ NH3 เท่ากับ 0.4 mol/L
-5
ค่า Kb ของ NH3 เท่ากับ 1.8 x 10
ขั้นที่ 2 สร้างตาราง ICE กำหนดความเข้มข้นที่โจทย์ให้มา
NH4OH (aq) + -
NH4 (aq) + OH(aq)
Initial (M) : 0.40 0 0
Change (M) : -x +x +x
Equilibrium (M) : 0.40-x x x
+
-
[NH ][OH ] x 2
K = 4 =
b
[NH OH] (0.40-x)
4
ประมาณ 0.40-x เท่ากับ 0.40 จะได้
x 2
K =
b
(0.40)
x 2
-5
1.8 x 10 =
(0.40)
−
-3
x = [OH ] = 2.7 x 10 M
ขั้นที่ 3 ทดสอบการประมาณค่าว่า ค่าร้อยละการแตกตัวของกรดเกินกว่า 5% หรือไม่ โดยแทน
ค่า [H ] และความเข้มข้นเริ่มต้น ลงในสมการ 2.9 จะได้
+
−
[OH ]
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100
[MOH]
0
2.7 x 10 -3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 0.68 %
(0.40)
ได้ค่า ร้อยละการแตกตัวของกรด เท่ากับ 0.68% แสดงว่าการประมาณค่าใช้ได้
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 63
ตัวอย่างที่ 2.13 | การคำนวณ pH ของเบสอ่อน
ขั้นที่ 4 แก้สมการหา ค่า pH
pH + pOH = 14
−
pH + (-log[OH ]) = 14
-3
pH + (-log(2.7 x 10 )) = 14
pH + 2.57 = 14
pH = 14-2.57
pH = 11.43
ดังนั้นสารละลาย NH3 เข้มข้น 0.40 mol/L นี้ มีค่า pH เท่ากับ 11.43
ตัวอย่างที่ 2.14 | การคำนวณ pH ของเบสอ่อนโดยใช้สูตร
โจทย ์ จงหา pH ของสารละลาย NH3 เข้มข้น 0.4 M
-5
(กำหนดค่า Kb ของ NH3 เท่ากับ 1.8 x 10 )
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 โจทย์กำหนดให้:
ความเข้มข้นเริ่มต้นของ NH3 เท่ากับ 0.4 mol/L
-5
ค่า Kb ของ NH3 เท่ากับ 1.8 x 10
ขั้นที่ 2 แทนค่า ความเข้มข้นเริ่มต้นสารละลาย NH3 (M) และค่า Ka ลงในสมการที่ 2.8 จะได้
−
[OH ] = K ×M
b
= (1.8x10 )×(0.4)
-5
= 2.7 x 10 M
-3
ขั้นที่ 3 ทดสอบการประมาณค่าว่า ค่าร้อยละการแตกตัวของกรดเกินกว่า 5% หรือไม่ โดยแทน
+
ค่า [H ] และความเข้มข้นเริ่มต้น ลงในสมการ 2.9 จะได้
−
[OH ]
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100
[MOH]
0
2.7 x 10 -3
ร้อยละการแตกตัวของกรด = x 100 = 0.68 %
(0.40)
ได้ค่า ร้อยละการแตกตัวของกรด เท่ากับ 0.68% แสดงว่าการประมาณค่าใช้ได้
64 กรดและเบส
ตัวอย่างที่ 2.14 | การคำนวณ pH ของเบสอ่อนโดยใช้สูตร
ขั้นที่ 4 แก้สมการหา ค่า pH
pH + pOH = 14
−
pH + (-log[OH ]) = 14
-3
pH + (-log(2.7 x 10 )) = 14
pH + 2.57 = 14
pH = 14-2.57
pH = 11.43
ดังนั้นสารละลาย NH3 เข้มข้น 0.40 mol/L นี้ มีค่า pH เท่ากับ 11.43
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 65
ปฏิบัติการประจำบทที่ 2
การหา pH ของสารละลายกรดและสารละลายเบสโดยใช้อินดิเคเตอร์
วัตถุประสงค์
1. เพื่อศึกษาการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ในสารละลาย pH ต่าง ๆ
2. เพื่อศึกษาถึงการใช้อินดิเคเตอร์ และ pH meter หาค่า pH ของสารละลายชนิดต่าง ๆ
หลักการ
อินดิเคเตอร์ (indicator) เป็นสารอินทรีย์จำพวกกรดอ่อน มีสูตรโครงสร้างที่ซับซ้อนมาก ใช้
ทดสอบความเป็นกรด-เบสของสาร สีของสารจะเปลี่ยนไปเมื่อค่าความเป็นกรด-เบสเปลี่ยนไป และใช้
เป็นตัวชี้จุดยุติ (end point) ของการไทเทรต อินดิเคเตอร์นิยมเขียนในรูปของสูตรทั่วไป คือ HIn
เขียนปฏิกิริยาที่ภาวะสมดุลได้ดังนี้
HIn + H2O H3O + + In
−
(สีของอินดิเคเตอร์กรด) (สีของอินดิเคเตอร์เบส)
ถ้าหยดอินดิเคเตอร์ลงในสารละลายกรด สมดุลจะไปทางซ้ายได้สีของ HIn แต่ถ้าหยด อินดิเค
เตอร์ลงในสารละลายเบสสมดุลจะไปทางขวาได้สีของ In เช่น ในสารละลายกรดฟีนอล์ฟทาลีนจะอยู่
-
ในรูปที่ยังไม่ได้แตกตัว (HIn) จึงไม่มีสี แต่เมื่อมีเบสมากเกินพอเพียงเล็กน้อย ทำให้เกิดไอออนอิสระ
(In) ขึ้น จึงเปลี่ยนเป็นสีชมพูอ่อน
-
+
โดยปกติสภาพกรด (acidity) หรือความเป็นกรดของสารละลาย หมายถึงปริมาณ H ที่
3
ปรากฏอยู่ในสารละลายนั้นซึ่งคิดเป็นจำนวนโมลต่อสารละลายหนึ่งลูกบาศก์เดซิเมตร (mol/dm )
+
แต่เนื่องจากในสารละลายกรดที่มีความเข้มข้นน้อยๆ การที่จะกล่าวถึงปริมาณ H ในสารละลายนั้น
เป็นสิ่งที่ยุ่งยากมาก เช่น
+
[H ] = 0.000001 mol/dm
3
3
-6
= 10 mol/dm
จึงได้มีการกำหนดรูปแบบขึ้นมาใหม่ในเทอมของ pH ซึ่งการระบุความเป็นกรดของ
สารละลายอาจจะระบุในเทอมของ pH
+
pH = -log [H ]
+
เมื่อ [H ] คือ ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน
-6
ดังนั้น pH = -log 10
= 6
ในทำนองเดียวกันสภาพเบส (basicity) หรือ ความเป็นเบสของสารละลาย หมายถึง ปริมาณ
OH ที่ปรากฏอยู่ในสารละลายนั้น ซึ่งคิดเป็นจำนวนโมลต่อสารละลายหนึ่งลูกบาศก์เดซิเมตร ดังนั้น
-
การระบุความเป็นเบสของสารละลายอาจจะระบุในเทอมของ pOH ได้ดังนี้
66 กรดและเบส
pOH = -log [OH ]
-
เมื่อ [OH] คือ ความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออน
-
แต่เนื่องจาก pH + pOH = 14
ดังนั้น pOH = 14 – pH
ด้วยเหตุนี้เองเมื่อพิจารณาความเป็น กรด–เบส ของสารละลาย จึงมักจะพิจารณาในเทอม
ของ pH เป็นส่วนใหญ่ ดังนี้
สารละลายที่มี pH เท่ากับ 7 ถือว่าสารละลายเป็นกลาง
สารละลายที่มี pH ต่ำกว่า 7 ถือว่าสารละลายมีฤทธิ์เป็นกรด
สารละลายที่มี pH มากกว่า 7 ถือว่าสารละลายมีฤทธิ์เป็นเบส
ี
ตัวอย่างที่ 1 HCl เข้มข้น 0.0001 M จะม pH เท่าใด
- 4
วิธีทำ เนื่องจาก HCl เป็นกรดแก่จึงแตกตัวให้ H ได้หมดจึงมี [H ] = 1 x 10 mol.dm
+
+
-3
จากสูตร pH = -log[H ]
+
- 4
= -log(1x10 )
- 4
= -log1 - log10
= -log1 + 4log10
= -0+4
= 4
ตัวอย่างที่ 2 สารละลายมี [H ] = 5 x 10 จะม pH เท่าใด
- 3
ี
+
+
วิธีทำ จากสูตร pH = -log[H ]
= -log(5x10 )
- 3
= -log5 + 3log10
= -0.7 + 3 = 2.3
การทดลอง
อุปกรณ์
1. หลอดทดลอง 22 หลอด พร้อมที่วางหลอด
2. บีกเกอร์ขนาด 50 cm 1 ใบ และขนาด 100 cm 11 ใบ
3
3
3
3. กระบอกตวงขนาด 50 cm และขนาด 100 cm
3
3
4. ขวดรูปชมพู่ขนาด 500 cm 1 ใบ
5. เครื่อง pH meter
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 67
สารเคม ี
1. 0.1 M hydrochloric acid (0.1 M HCl)
2. 0.001 M sodium hydroxide (0.001 M NaOH)
3. 0.1 M boric acid (0.1 M H3BO3)
4. 0.1 M acetic acid (0.1 M CH3COOH)
5. 0.1 M sulfuric acid (0.1 M H2SO4)
6. 0.1 M ammonium hydroxide (0.1 M NH4OH)
7. 0.1 M sodium carbonate (0.1 M Na2CO3)
่
8. อินดิเคเตอร์ ได้แก methyl orange methyl red bromothymol blue และ
phenolphthalein
ิ
ิ
9. ให้นักศึกษานำดอกไม้ที่คดว่าน่าจะใช้เป็นอนดิเคเตอร์ได้มากลุ่มละ 1 ชนิดแล้วสกัดสีด้วย
น้ำจำนวนเล็กน้อยจะได้สารละลายสีดอกไม้ (แต่ละกลุ่มควรเตรียมมาอย่าให้ซ้ำกัน)
10. ให้นักศึกษาเตรียมสารเคมีภายในบ้าน เช่น น้ำฝน น้ำบาดาล น้ำขี้เถ้า น้ำโซดา
ผงซักฟอก สบู่ น้ำผลไม้ ยาลดกรด อีโน ยาระบาย โซดาซักผ้า ผงฟู น้ำยาเช็ดกระจก
หรือ น้ำแอมโมเนีย โดยนำมากลุ่มละ 1 ชนิด เพื่อหาค่า pH
วิธีการทดลอง
ตอนที่ 1 การเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ในสารละลายที่มี pH ต่าง ๆ
นำขวดรูปชมพู่ขนาด 500 cm ใส่น้ำกลั่น 400 cm นำมาต้มให้เดือด แล้วปิดปากขวดด้วย
3
3
บีกเกอร์และทิ้งไว้ให้เย็นหรือนำไปแช่น้ำประปา (การต้มเพื่อไล่ CO2 ที่ละลายอยู่ออกไป) น้ำกลั่นที่ต้ม
แล้วจะมี pH 7 และนำไปเตรียมสารละลายต่อไปนี้
นำบีกเกอร์ขนาด 100 cm จำนวน 11 ใบ ติดป้าย pH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
3
ตามลำดับ
3
นำบีกเกอร์ pH 1 มาใส่ 0.1 M HCl 25 cm
3
3
นำบีกเกอร์ pH 2 มาใส่ 0.1 M HCl 5 cm เติมน้ำกลั่นที่ต้มจนเย็นแล้ว 45 cm คนให้
- 2
+
สารละลายเข้ากันสารละลายมี [H ] = 10 M หรือ pH 2
3
3
นำบีกเกอร์ pH 3 ใส่สารละลาย pH 2 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้
3
สารละลายที่มี pH 3 จำนวน 50 cm
3
3
นำบีกเกอร์ pH 4 ใส่สารละลาย pH 3 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้
สารละลายที่มี pH 4 จำนวน 50 cm
3
3
3
นำบีกเกอร์ pH 5 ใส่สารละลาย pH 4 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้
3
สารละลายที่มี pH 5 จำนวน 50 cm
3
นำบีกเกอร์ pH 6 ใส่สารละลาย pH 5 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้สารละลาย
3
ที่มี pH 6 จำนวน 50 cm
3
นำบีกเกอร์ pH 7 ใส่น้ำกลั่นที่ต้มแล้ว จำนวน 25 cm
3
3
นำบีกเกอร์ pH 11 ใส่สารละลาย 0.001 M NaOH 25 cm
68 กรดและเบส
3
3
นำบีกเกอร์ pH 10 ใส่สารละลาย 0.001 M NaOH 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้
สารละลายที่มี pH 10
3
นำบีกเกอร์ pH 9 ใส่สารละลาย pH 10 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้สารละลาย
3
ที่มี pH 9
3
3
นำบีกเกอร์ pH 8 ใส่สารละลาย pH 9 จำนวน 5 cm เติมน้ำกลั่น 45 cm จะได้สารละลาย
ที่มี pH 8
จากสารละลายที่เตรียมไว้ทั้งหมด 11 ชนิด จะมี pH ตั้งแต่ 1 ถึง 11 แบ่งสารละลาย pH
3
ต่างๆ อย่างละ 3 cm ลงในหลอดทดลอง 11 หลอดที่เตรียมไว้หลอดละชนิดจากนั้นให้หยด methyl
orange ลงในแต่ละหลอดๆ ละ 2 หยด เขย่าให้เข้ากัน สังเกตสีของแต่ละหลอด บันทึกผล ทำการ
ทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนอินดิเคเตอร์เป็น methylred bromothymol blue phenolphthalein และ
สารละลายสีดอกไม้ตามลำดับ บันทึกผล และหาช่วงpH ที่เปลี่ยนสีของ อินดิเคเตอร์แต่ละชนิด
ให้ใช้ pH meter วัดค่า pH ของสารละลายที่เหลืออยู่ในบีกเกอร์ทั้งหมด 11 ชนิด ตั้งแต่
pH 1-11 แล้วบันทึกผลเปรียบเทียบค่าที่วัดได้กับค่าที่ได้จากการเตรียม
ตอนที่ 2 การหา pH ของสารละลายชนิดต่าง ๆ โดยใช้อินดิเคเตอร์
3
นำหลอดทดลองที่สะอาด 4 หลอด ใส่ 0.1 M H3BO3 หลอดละ 5 cm หยดอินดิเคเตอร์ทั้ง
4 ชนิด ได้แก่ methyl orange methyl red bromothymol blue และ phenolphthalein ที่ใช้ใน
ตอนที่ 1 ลงในหลอดๆ ละ ชนิดๆ ละ 2 หยด เขย่าให้เข้ากัน แล้วสังเกตสี บันทึกผลทำการทดลอง
ซ้ำโ ดย ใช ้ส าร ล ะล าย 0.1 M CH3COOH ส าร ล ะล าย 0.1 M H2SO4 ส าร ล ะล าย
0.1 M NH4OH สารละลาย 0.1 M Na2CO3 และสารละลายของสารเคมีภายในบ้าน 1 ชนิด
ตามลำดับ บันทึกผล และบอกค่า pH ของสารละลายชนิดต่างๆ และให้วัดค่า pH ของ
สารละลายทั้ง 4 ชนิดนี้ด้วย pH meter แล้วบันทึกผล เปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการใช้อินดิเคเตอร์
คำถามหลังการทดลอง
1. สารละลายที่มี pH 0 จะมีฤทธิ์เป็นอย่างไร
-3
+
ี
2. สารละลายที่มี pH 16 จะม [H ] กี่ mol.dm
-3
3. สารละลาย H2SO4 ที่มี pH 2 จะมีความเข้มข้นกี่ mol.dm
-3
4. สารละลาย NaOH ที่มี pH 12.2 จะมีความเข้มข้นกี่ mol.dm
5. phenolphthalein ในสารละลายกรดมีสีอะไร
6. หยด methyl orange ในสารละลาย NaCl จะได้สารละลายสีอะไร
7. นำสารละลายที่มี pH 2 จำนวน 10 cm ผสมกับสารละลายที่มี pH 3 จำนวน 20 cm
3
3
จะได้สารละลายที่มี pH เท่าใด
3
8. เมื่อผสม H2SO4 ซึ่งมี pH 2 จำนวน 20 cm กับ NaOH ซึ่งมีpH 10 จำนวน 40 cm
3
เข้าด้วยกันจะได้สารละลายที่มี pH เท่าใด
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 69
แบบฝึกหัดท้ายบทที่ 2
กรดและเบส
1) จงระบุว่าสารต่อไปนี้เป็น กรด เบส หรือทั้งสอง ตามทฤษฎีของ BrØnsted และ Lowry:
2-
+
a) H2O b) OH - c) H3O d) NH3 e) CO3
f) HI g) CH3COO - h) H2PO4 - i) HSO4 - j) NH4 +
2) จงเขียนคู่เบสของกรดต่อไปนี้
a) HNO2 b) H2SO4 c) H2S d) OH - e) HCOOH
3) จงระบุคู่กรดคู่เบส จากปฏิกิริยาเคมีดังต่อไปนี้
4) กรด oxalic มีโครงสร้างดังแสดง
จงเขียนโครงสร้างของสารนี้ ที่สามารถเป็นได้ทั้งกรดและเบส
+
5) จงคำนวณความเข้มข้นของ H ของสารละลาย NaOH เข้มข้น 0.62 M
6) จงคำนวณ pH ของสารละลายต่อไปนี้
(a) HCl เข้มข้น 0.001 M, (b) KOH เข้มข้น 0.76 M
+
7) จงคำนวณความเข้มข้นของ H ในหน่วย mol/L (M) ของสารละลายที่มี pH ต่อไปนี้
(a) pH = 2.42, (b) pH = 11.21, (c) pH = 6.96, (d) pH = 14.00.
8) สารละลาย KOH เข้มข้น 0.36 M ปริมาตร 5.50 mL จงคำนวณหาจำนวนโมลของ KOH
และ pOH ของสารละลายนี้
9) หากต้องการเตรียมสารละลาย NaOH ที่มี pH เท่ากับ 10 ปริมาตร 546 mL ต้องใช้ NaOH
หนักกี่กรัม
70 กรดและเบส
10) นักศึกษาผู้หนึ่งละลาย HCl หนัก 18.4 กรัม ในน้ำ 662 mL จงคำนวณหา pH ของ
สารละลายนี้ (กำหนด ปริมาตรของสารละลายไม่เปลี่ยน)
่
11) จงระบุ กรดแก่ กรดอ่อน เบสแก่ เบสออน ให้ได้มากที่สุด โดยไม่ดูจากหนังสืออ้างอิง (ทดสอบ
ความจำในระหว่างเรียน)
acid base
strong weak strong weak
12) จงระบุสารใดต่อไปนี้เป็น กรดแก่ หรือ กรดออน
่
–
(a) HNO3, (b) HF, (c) H2SO4, (d) HSO4 , (e) H2CO3,
–
(f) HCO3 , (g) HCl, (h) HCN, (i) HNO2
13) จงทำเครื่องหมายถูกหน้าข้อความที่ถูกต้อง เกี่ยวกับสารละลายกรดแก่ HA เข้มข้น 1.0 M
–
+
(a) [A ] > [H ]
(b) The pH is 0.00.
+
(c) [H ] = 1.0 M
(d) [HA] = 1.0 M
14) จงคำนวณ pH ของสารละลายกรด benzoic เข้มข้น 0.1 M (กำหนด Ka ของกรด benzoic
–5
มีค่า 6.5 × 10 )
15) เมื่อนำกรด CH3COOH หนัก 0.056 กรัม ละลายน้ำจนมีปริมาตรเป็น 50 mL จงคำนวณ
–
+
ความเข้มข้นของ H , CH3COO , และ CH3COOH ที่ภาวะสมดุล (Ka ของกรด acetic เท่ากับ
1.8 × 10 )
–5
16) สารละลายกรด formic (HCOOH) มี pH 3.26 จงคำนวณหาความเข้มข้นเริ่มต้นของกรด
–4
formic นี้ (Ka ของ HCOOH เท่ากับ 1.7 × 10 )
เคมีสำหรับครู 2 (Chem. for teachers 2) 71
17) สารละลายกรดชนิดหนึ่งมี pH เท่ากับ 6.20 และมีความเข้มข้นเริ่มต้นเท่ากับ 0.01 M จง
คำนวณค่า Ka ของกรดชนิดนี้
18) จงคำนวณร้อยละการแตกตัวของสารละลายกรด benzoic เข้มข้น 0.2 M (กำหนด Ka for
–5
benzoic acid is 6.5 × 10 )
19) กรดชนิดหนึ่งแตกตัวได้ครั้งเดียว (monoprotic acid) เข้มข้น 0.04 M มีค่าร้อยละการแตก
ตัวเท่ากับ 14% จงคำนวณค่า Ka ของกรดชนิดนี้
20) สารละลายเบสชนิดหนึ่งมี pH 10.66 เข้มข้น 0.30 M จงคำนวณค่า Kb ของกรดชนิดนี้
21) จงคำนวณหาความเข้มข้นเริ่มต้นของสารละลาย NH3 ที่มี pH 11.22 (กำหนด Kb for NH3 is
–5
1.8 × 10 )
72 กรดและเบส
เอกสารอ้างอิง
Books, Y. S. (2018). Chemistry: Concepts and Problems: A Self-Teaching Guide. Kim.
Brown, T. L., LeMay, H. E., & Bursten, B. E. (2015). Chemistry: The Central Science.
Prentice Hall.
Chang, R. (2010). Chemistry: McGraw-Hill.
Ebbing, D.; Gammon, S. D. (2007). General Chemistry: Cengage Learning.
Haynes, W. M., Lide, D. R., & Bruno, T. J. (2017). CRC handbook of Chemistry and Physics:
a ready-reference book of chemical and physical data. Boca Raton, Florida:
CRC Press.
Little Coffee Place. (2019). Is Coffee Acidic? pH of Coffee. Retrieved July 20, 2019, from
https://neptunecoffee.com/is-coffee-acidic
Silberberg, M., & Amateis, P. (2014). Chemistry The Molecular Nature of Matter and
Change 7th edition: McGraw-Hill Science.
Zumdahl, S. S. (2001). World of Chemistry: McDougal Littell.
แผนบริหารการสอนประจำบทที่ 3
หัวข้อเนื้อหาประจำบท
บทที่ 3 สมดุลกรด-เบส
1. บทนำ
2. ปฏิกิริยาสะเทิน
3. ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเกลือ
4. สารละลายบัฟเฟอร์
5. การไทเทรตกรดเบส
6. ปฏิบัติการประจำบทที่ 3 สมดุลกรด-เบส
วัตถุประสงค์เชิงพฤติกรรม
เมื่อศึกษาบทที่ 3 แล้วนักศึกษาสามารถ:
1. ทำนายสารผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาสะเทินได้
2. อธิบายความหมายของปฏิกิริยาไอโดรไลซิสของสารละลายเกลือได้ และอธิบาย
ได้ว่าเพราะเหตุใดเกลือ จึงมีคุณสมบัติเป็นเกลือกรด เกลือเบส และเกลือกลาง
3. อธิบายความหมายของสารละลายบัฟเฟอร์ และระบุสารละลายบัฟเฟอร์ได้
4. อธิบายคุณสมบัติบัฟเฟอร์ที่สามารถต้านการเปลี่ยน pH ได้
5. คำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ได้
6. ใช้ค่า Kw เพื่อคำนวณหา [H ] และ [OH] ได้
+
-
-
7. คำนวณหาค่า pH หรือ pOH ในกรณีที่กำหนดความเข้มข้นของ [H ] และ[OH]
+
ได้
8. คำนวณ pH และ pOH ของกรดแก่และเบสแก่ได้
9. อธิบายวิธีการไทเทรตและสามารถเขียนกราฟของการไทเทรตระหว่างปฏิกิริยา
กรดแก่กับเบสแก่ได้ พร้อมทั้งสามารถคำนวณ pH ที่ทุกตำแหน่งในกราฟได้
10. อธิบายความแตกต่างระหว่างจุดสมมูลกับจุดยุติของการไทเทรตได้
วิธีสอนและกิจกรรมการเรียนการสอนประจำบท
1. จัดการเรียนรู้แบบสืบเสาะหาความรู้ 5 ขั้น พร้อมเสริมการเรียนรู้ด้วยปฏิบัติการที่
เกี่ยวข้องกับเนื้อหารายวิชา มีการบันทึกวิดีโอในระหว่างการสอนเพื่อให้นักศึกษาชม
ย้อนหลังได้
2. การศึกษาเอกสารประกอบคำสอนด้วยตนเอง
3. การใช้ปัญหาเป็นฐาน อภิปรายปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกรดเบสร่วมกันในห้องเรียน
4. การศึกษาค้นคว้าและทบทวนด้วยตนเอง
74
5. การฝึกทำแบบฝึกหัดระหว่างเรียนและแบบฝึกหัดท้ายบท
สื่อการเรียนการสอน
1. เอกสารประกอบคำสอน
2. เอกสารประกอบการบรรยาย หรือตัวอย่างงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
3. คลิปวิดีโอเพอการเรียนรู้ย้อนหลัง
ื่
4. แบบฝึกหัดท้ายบทและเฉลยพร้อมคำอธิบาย
5. คู่มือปฏิบัติการเคมีสำหรับครู 2
การวัดผลและการประเมินผล
1. สังเกตจากการซักถามในระหว่างการจัดการเรียนรู้
2. สังเกตจากความตั้งใจ และความตรงต่อเวลา
3. ประเมินจากการทําแบบฝึกหัด และรายงานปฏิบัติการที่เกี่ยวข้อง
4. วัดผลจากการสอบกลางภาค
บทที่ 3
สมดุลกรด-เบส
3.1 บทนำ
ในบทที่ 2 จะเป็นการศึกษาเกี่ยวกับกรดและเบส และการคำนวณ pH ของกรดและเบสแต่
ละชนิด ส่วนในบทที่ 3 เรื่อง สมดุลกรด-เบส นี้ จะเป็นการศึกษาปฏิกิริยากรดกับเบส (เสมือนนำกรด
และเบสเทผสมกันจะเกิดอะไรขึ้น) การทำนายผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส การ
ทำนายสมบัติของเกลือชนิดต่าง คุณสมบัติและความหมายของสารละลายบัฟเฟอร์ นอกจากนี้ยังมีการ
วิเคราะห์หาปริมาณของสารละลายกรดและเบสในการไทเทรตอีกด้วย
3.2 ปฏิกิริยาสะเทิน
(Neutralization reaction)
ปฏิกิริยาสะเทิน เป็นปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส โดยทั่วไปจะให้สารผลิตภัณฑ์เป็น เกลือ
กับ น้ำ สามารถแสดงเป็นสมการเคมีโดยทั่วไปได้ว่า
acid + bases → salts + water
ยกตัวอย่างปฏิกิริยาสะเทินระหว่างสารละลายกรด HCl และ สารละลายเบส NaOH จะได้สาร
ผลิตภัณฑ์เป็น NaCl และ H2O ดังแสดง
HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)
ตัวอย่างปฏิกิริยาสะเทินที่แสดงด้านบนนี้เป็นปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่และเบสแก่ ปฏิกิริยาสะเทินนี้
ไม่ได้จำกัดแค่กรดแก่ทำปฏิกิริยากับเบสแก่เท่านั้น แต่ครอบคลุมปฏิกิริยาที่เป็นกรดประเภทใด ๆ ทำ
ปฏิกิริยากับเบสประเภทใด ๆ ดังแสดง
กรดอ่อน + เบสแก่ HCN (aq) + NaOH (aq) → NaCN (aq) + H2O (l)
(กรดอ่อน) (เบสแก่) (เกลือ)
กรดแก่ + เบสอ่อน HNO3 (aq) + NH4OH (aq) → NH4NO3 (aq) + H2O (l)
(กรดแก่) (เบสอ่อน) (เกลือ)
76 สมดุลกรด-เบส
3.2.1 การทำนายสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาสะเทิน
ผู้ศึกษาส่วนใหญ่ประสบปัญหาไม่สามารถทำนายสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาสะเทิน
ได้ โดยทั่วไปเราทราบดีอยู่แล้วว่าผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาสะเทิน คือ เกลือ และ น้ำ หากสามารถ
ทำนายผลิตภัณฑ์เกลือที่เกิดขึ้นได้ถูกต้องก็จะสามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาสะเทินได้อย่าง
สมบูรณ์ หลักในการทำนายสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาสะเทินมีหลักการดังนี้
(1) เขียนสูตรของกรดและเบสให้ถูกต้อง
(2) เขียนประจุบวกและประจุลบของทั้งกรดและเบสในกรณีที่แตกตัวละลายน้ำ
(เนื่องจากกรดและเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์)
(3) สลับประจุบวกของกรดไปจับกับประจุลบของเบส และประจุลบของกรดไปจับ
กับประจุบวกของเบส
(4) ใช้ความรู้เรื่องการเขียนสูตรสารประกอบไอออนิก เขียนสูตรของผลิตภัณฑ์ให้
ถูกต้อง
ื่
แม้หลักการจะดูไม่ซับซ้อนแต่เพอความเข้าใจมากขึ้น สามารถพิจารณาได้จากตัวอย่างที่ 3.1
ตัวอย่างที่ 3.1 | การทำนายสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาสะเทิน
โจทย ์ จงทำนายสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาต่อไปนี้
Sulfuric acid + Sodium hydroxide →
วิธีคิด
ขั้นที่ 1 เขียนสูตรของกรดและเบสให้ถูกต้อง
Sulfuric acid + Sodium hydroxide →
H2SO4 + NaOH →
ขั้นที่ 2 เขียนประจุบวกและประจุลบของทั้งกรดและเบสในกรณีที่แตกตัวละลายน้ำ (เนื่องจาก
กรดและเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์)
H2SO4 + NaOH →
-
+
+
H + SO4 + Na + OH
2-
The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search