อินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส

                                                                  

 

 

                                                                          อินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส

 

  

นักเรียนเคยตรวจสอบสมบัติความเป็นกรด-เบสของสารละลายโดยใช้กระดาษลิตมัสมาแล้ว ซึ่งการเปลี่ยนสีของกระดาษลิตมัสบอกให้ทราบแต่เพียงว่าสารละลายเป็นกรดหรือเบสเท่านั้น แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าสารละลายมีความเป็นกรดหรือเบสมากน้อยเพียงใด นอกจากกระดาษลิตมัสแล้วยังมีสารอีกหลายชนิดที่ใช้ตรวจสอบความเป็นกรด- เบสของสารละลายได้ สารที่ใช้ตรวจสอบความเป็นกรด-เบสของสารละลายเรียกว่าอินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส

 

                 - อินดิเคเตอร์ใช้บอก pH ของสารละลายได้อย่างไร

 

          อินดิเคเตอร์ส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์ มีสมบัติเป็นกรดอ่อน มีสูตรโครงสร้างซับซ้อนจึงใช้ Hin แทนสูตรของอินดิเคเตอร์ เมื่ออินดิเคเตอร์อยู่ในสารละลายจะเกิดสมดุลดังสมการ




                               \displaystyle H\ {I}n(aq)+H_2O(l)\leftrightarrow                    \displaystyle H_3O^+(aq)+In^-(aq)
         

                                      รูปกรด                                                                                      รูปเบส

 

สีของอินดิเคเตอร์ที่ปรากฏ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ HIn และ\displaystyle In^-ในสารละลาย การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ \displaystyle H_3O^+ ในสารละลาย จะทำให้สมดุลนี้ถูกรบกวนรวมทั้งความเข้มข้นของ Hin และ \displaystyle Inเปลี่ยนแปลงไปด้วย สมมติให้ Hin มีสีแดงและ \displaystyle In^- มีสีเหลือง ในกรณีที่อินดิเคเตอร์นี้อยู่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของ \displaystyle H_3 O^ + มาก \displaystyle H_3 O^ + จะทำปฏิกิริยากับ \displaystyle In^ - เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ HIn เกิดขึ้นมาก ถ้าในสารละลายมี Hin เข้มข้นสูงกว่า \displaystyle In^- 10 เท่า สารละลายจะมีสีแดง แต่ถ้าอยู่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของ\displaystyle OH^ -มาก

\displaystyle OH^-จะทำปฏิกิริยากับ \displaystyle H_3O^+ทำให้\displaystyle H_3O^+ลดลง Hin จะทำปฏิกิริยากับ \displaystyle H_2Oเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ \displaystyle In^-เกิดขึ้นมากถ้า\displaystyle In^-เข้มข้นสูงกว่า Hin 10 เท่า สารละลายจะมีสีเหลืองแสดงว่าการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของอ\displaystyle H_3 O^+ในสารละลาย

          อินดิเคเตอร์ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ ส่วนใหญ่อยู่ในรูปสารละลายที่มีน้ำหรือแอลกอฮอล์เป็นตัวทำละลายโดยปกติจะใช้ความเข้มข้นประมาณร้อยละ 0.1 และใช้เพียง 2-3 หยดก็สามารถสังเกตสีได้ชัดเจน อินดิเคเตอร์แต่ละชนิดเปลี่ยนสีได้ในช่วง pH ที่มีค่าเฉพาะ และแตกต่างกัน เช่น เมทิลออเรนจ์ เปลี่ยนสีที่ pH 3.2-4.4 (แดง- เหลือง) ซึ่งหมายความว่า

          ที่ pH 3.2 หรือต่ำกว่า 3.2 จะมีสีแดง

          ที pH 4.4 หรือสูงกว่า 4.4 จะมีสีเหลือง

          ที่ pH ระหว่าง 3.2 ถึง 4.4 จะมีสีส้ม ซึ่งเป็นสีผสมระหว่างสีแดงกับสีเหลือง

          ตัวอย่างอินดิเคเตอร์ และช่วง pH ของการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ต่าง ๆ แสดงในตาราง 8.7

                                ตาราง 8.7 อินดิเคเตอร์ และช่วง pH ของการเปลี่ยนสี                                       

                                

อินดิเคเตอร์

ช่วง pH ที่เปลี่ยนสี

สีที่เปลี่ยน

ไทมอลบลู*(กรด)

โบรโมฟีนนอลบลู

คองโกเรด

เมทิลออเรนจ์

โบรโมครีซอลกรีน

เมทิลเรด

อะโซลิตมิน(ลิตมัส)

โบรโมครีซอลเพอร์เพิล

โบรโมไทมอลบลู

ครีซอลเรด

ฟีนอลเรด

ไทมอลบลู*(เบส)

ฟีนอล์ฟทาลีน

ไทมอล์ฟทาลีน

อะลิซาลินเยลโล อาร์

1.2-2.8

3.0-4.6

3.0-5.0

3.2-4.4

3.8-5.4

4.2-6.3

5.0-8.0

5.2-6.8

6.0-7.6

7.0-8.8

6.8-8.4

8.0-9.6

8.3-10.0

9.4-10.6

10.1-12.0

แดง-เหลือง

เหลือง-น้ำเงิน

น้ำเงิน-แดง

แดง-เหลือง

เหลือง-น้ำเงิน

แดง-เหลือง

แดง-น้ำเงิน

เหลือง-ม่วง

เหลือง-น้ำเงิน

เหลือง-แดง

เหลือง-แดง

เหลือง-น้ำเงิน

ไม่มีสี-ชมพู

ไม่มีสี-น้ำเงิน

เหลือง-แดง

 

 

 ไทมอลบลู เปลี่ยนสีได้ 2 ช่วง

                 -      ในสารละลาย pH 6.5 เมทิลเรดและโบรโมไทมอลบลู จะมีสีใด

                 - ถ้าหยดฟีนอล์ฟทาลีนลงในสารละลายใสไม่สีปรากฏว่า สารละลายยังคงใสไม่มีสีเหมือนเดิมสารละลายนั้นมีสมบัติเป็นกรดหรือเบสจงอธิบาย

 

         เนื่องจากอินดิเคเตอร์แต่ละชนิดเปลี่ยนสีในช่วง pH ที่มีค่าเฉพาะและแตกต่างกัน การใช้อินดิเคเตอร์เพียงชนิดเดียวทดสอบความเป็นกรด-เบสจึงบอกค่า pH ได้เป็นช่วงกว้าง ๆ ถ้านำอินดิเคเตอร์หลายชนิดและแต่ละชนิดเปลี่ยนสีใสช่วง pH แตกต่างกัน เมื่อนำมาผสมกันในสัดส่วนที่เหมาะสม จะได้อินดิเคเตอร์ที่ใช้บอกค่า pH ของสารละลายได้ละเอียดขี้น เรียกอินดิเคเตอร์ผสมนี้ว่า ยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์  ซึ่งสามารถเปลี่ยนสีในสารละลายที่มี pH ต่าง ๆ กันเกือบทุกค่า

          นอกจากตัวอย่างอินดิเคเตอร์ดังตาราง 8.7 แล้ว ยังสามารถสกัดสารที่มีสีจากส่วนทีเป็นดอกหรือใบของพืชในท้องถิ่นมาใช้เป็นอินดิเคเตอร์ได้ ดังตาราง 8.8

 

  

                                                                          ตาราง 8.8 อินดิเคเตอร์จากพืชที่สกัดด้วยน้ำ

                                 

ชนิดของพืช

ช่วง pH ที่เปลี่ยนสี

สีที่เปลี่ยน

อัญชัน(ม่วง)

กระเจี๊ยบ

ขมิ้นชัน

 

ชบาซ้อน

ดาวเรืองเหลือง

กล้วยไม้เหลือง

ทองกวาว

1-3

6-7

6-7

11-12

7-8

9-10

10-11

11-12

แดง-ม่วง

แดง-เขียว

เหลือง-ส้ม

ส้ม-น้ำตาล

แดง-เขียว

ไม่มีสี-เหลือง

ไม่มีสี-เหลือง

เหลืองเขียว-แดง

 

 

 

ที่มา : จากวารสารวิทยาศาสตร์ ปีที่ 36 ฉบับที่ 9 พ.ศ. 2525 หน้า 604

 

กิจกรราเสริม

-                    ทดสอบสีของสารละลายยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ ในสารละลายที่มี pH 1-10

-                    ทดสอบการเปลี่ยนสีของเมทิลเรด เมทิลออเรนจ์ โบรโมไทมอลบลู และฟีนอล์ฟทาลีนในสารละลาย pH 1-10

-                      สกัดอินดิเคเตอร์จากพืช และทดสอบการเปลี่ยนสีในสารละลายที่มี pH 1-10

 

                   สารละลายกรด-เบสในชีวิตประจำวันและในสิ่งมีชีวิต

                                                                              

 

 

 

 

 ในชีวิตประจำวันเราใช้สารที่มีสมบัติเป็นกรดหรือเบสหรือกลางหลายชนิด บางชนิดอยู่ในอาหารหรือเครื่องดื่มที่เรารับประทาน เช่น น้ำส้มสายชู น้ำมะนาว น้ำอัดลม บางชนิดใช้เป็นสารซักล้าง สารทำความสะอาด เครื่องสำอางสารดังกล่าวนี้ล้วนมี pH ต่าง ๆ กัน

          นอกจากนี้ของเหลวในสิ่งมีชีวิตก็มี pH ต่าง ๆ กันด้วยความเป็นกรด - เบส ของสารจึงมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตมากถ้าของเหลวในสิ่งมีชีวิตมี pH เปลี่ยนไป การทำงานของระบบต่าง ๆ จะเกิดการผิดปกติได้ อย่างไรก็ตาม pH ของของเหลวในร่างกายอาจเปลี่ยนแปลงไปได้เล็กน้อยโดยที่ร่างกายยังคงอยู่ในสภาพปกติไม่เกิดอาการเจ็บป่วย แต่ของเหลวบางชนิด เช่น เลือดมี pH เกือบคงที่ (7.35-7.45) จะเปลี่ยนแปลงได้กรณีผู้ที่ป่วยเป็นเบาหวานรุนแรง ค่า pH ของเลือดอาจลดต่ำกว่า 7.35 ทำให้เกิดอาการคลื่นไส้ และถ้าลดต่ำลงมาก ๆ อาจหมดสติหรือเสียชีวิตได้ แต่ในภาวะปกติร่างกายจะมีระบบควบคุม pH ของเลือดไว้ให้เกือบคงที่

          นอกจากความเป็นกรด-เบสในร่างกายแล้ว สารที่ใช้ในชีวิตประจำวันก็มีความเป็นกรด-เบสแตกต่างกัน เช่น

                 น้ำฝน         มี   pH  5.5-6.0

                 น้ำประปา   มี   pH 6.5-8.0

                 น้ำทะเล      มี   pH  7.8-8.2

 

                 - เพราะเหตุใดน้ำฝนจึงมี pH ต่ำกว่า 7

                       

                                                                 แผนภาพการแสดงการเกิดฝนกรด

                                                                     

                                                                \displaystyle CO_2(g)+H_2O(l) \to H_2CO_3(aq)
                                                             

                                              
                 \displaystyle SO_2 (g) + H_2 O(l) \to H_2SO_3(aq)

                                                                \displaystyle 2SO_2(g)+O_2 (g)\to2SO_3(g)

                                             และ           \displaystyle SO_3 (g) + H_2 O(l) \to H_2SO_4(aq)
                                                                

                                                                 \displaystyle 2NO(g)+O_2 (g) \to 2NO_2(g)
                                          

                                             และ              \displaystyle 2NO_2(g)+H_2O(l) \to HNO_2(aq)+HNO_3(aq)

 

                 

                 น้ำฝนจึงมีสภาพเป็นกรดและมี pH ต่ำ กรดที่เกิดขึ้นจะทำให้สิ่งปลูกสร้างหรืออาคารบ้านเรือนเสียหาย เนื่องจากกรดทำปฏิกิริยากับโลหะ ทำให้เกิดการผุกร่อนและเกิดสนิมทำปฏิกิริยากับสิ่งปลูกสร้างที่เป็นหินปูน ทำให้เกิดการสึกกร่อนของหินปูน

          นอกจากนี้ความเป็นกรด-เบส ยังมีความสำคัญในทางการเกษตร เนื่องจากมีผลต่อการละลายของเกลือแร่ในดินทำให้มีสภาวะกรด-เบสเกิดขึ้นในดิน พืชหลายชนิดเจริญเติบโตได้ดีในดินที่เป็นกรดเล็กน้อย เช่น ข้าว หรือดอกไม้บางชนิดจะมีสีเปลี่ยนแปลงตามค่า pH ของดินที่ใช้ปลูก ดังนั้นการปลูกพืชเพื่อให้ได้ผลดีจำเป็นต้องปรับสภาพความเป็นกรด-เบสของดินให้เหมาะสมกับพืชที่จะปลูก เช่น ถ้าดินมีความเป็นกรดสูง ซึ่งไม่เหมาะแก่การเจริญเติบโตของพืช จำเป็นต้องลดความเป็นกรดของดินโดยเติมปูนขาวหรือขี้เถ้าลงไป

 

                 - ปูนขาวหรือขี้เถ้าช่วยลดความเป็นกรดในดินได้อย่างไร

 

 ปฏิกิริยาของกรดและเบส

นักเรียนทราบมาแล้วว่าไฮโดรเนียมไอออนแสดงสมบัติของกรด ส่วนไฮดรอกไซด์ไอออนแสดงสมบัติของเบสถ้านำกรดและเบสมาทำปฏิกิริยากันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างไร และไฮโดรเนียมไอออนดับไฮดรอกไซด์ไอออนมีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหรือไม่

 

 ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส

          จากทฤษฎีกรด-เบสเบรินสเตด-ลาวรี กรดคือสารที่ให้โปรตอน เบสคือสารที่รับโปรตอน เมื่อผสมสารละลายกรดและสารละลายเบสเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาที่เกิดขี้นน่าจะเกิดจากการถ่ายโอนโปรตอนระหว่างสารทั้งสองใช่หรือไม่จะได้ศึกษาจากการทดลองต่อไปนี้

 

 

การทดลอง 8.4 ปฏิกิริยาระหว่าสารละลายกรดกับสารละลายเบส

ตอนที่ 1 ปฏิกิริยาระหว่างกรดซัลฟิวริกกับแบเรียมไฮดรอกไซด์

1.    ใส่สารละลาย\displaystyle H_2SO_4 เข้มข้น 2 \displaystyle mol/dm^3 ประมาณ 4 \displaystyle cm^3 ลงในหลอดทดลองขนาดเล็กทดสอบการนำไฟฟ้าของสารละลาย

2.    ใส่สารละลาย\displaystyle Ba(OH)_2 เข้มข้น 0.1 \displaystyle mol/dm^3 ประมาณ 20 \displaystyle cm^3 ลงในบีกเกอร์ขนาด 50 \displaystyle cm^3 ทดสอบการนำไฟฟ้าของสารละลายโดยจัดอุปกรณ์ดังรูป 8.7 แล้วหยดยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ลงไป 2 หยด สังเกตสีของสารละลาย

3.    ใช้หลอดหยดดูดสารละลาย \displaystyle H_2SO_4 เข้มข้น 2 \displaystyle mol/dm^3 แล้วหยดลงในสารละลาย \displaystyle Ba(OH)_2 ในข้อ 2 ทีละหยด คนให้ทั่วพร้อมกับสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของสารละลาย ทำเช่นนี้ต่อไปจนสารละลายเป็นสีเขียวและความสว่างของหลอดไฟไม่เปลี่ยนแปลง

                                         

  รูป 8.7  การทดสอบการนำไฟฟ้าของสารละลายผสมของ   \displaystyle mol/dm^3
  และ \displaystyle H_2SO_4 

ต่อไปอีก 10 หยด

 

                  - สารละลายกรดซัลฟิวริก แบเรียมไฮดรอกไซด์ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ นำไฟฟ้าได้หรือไม่เพราะเหตุใด

                 - การนำไฟฟ้าของสารแตกต่างกันหรือไม่ เมื่อเติมสารละลายกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายแบเรียมไฮดรอกไซด์ และเติมสารละลายกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เพราะเหตุใด

                 - การทดลองนี้เติมยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์เพื่อวัตถุประสงค์ใด

 

          กรดซัลฟิวริกเป็นกรดแก่ เมื่อละลายน้ำจะแตกตัวเป็นไอออนดังสมการ

\displaystyle H_2SO_4(aq)+H_2O(l) \to H_3O^+(aq)+HSO_4^-(aq)

 

\displaystyle HSO_4^-(aq)+H_2O(l) \leftrightarrow H_3O^+(aq)+SO_4^{2-}(aq)



  ส่วนแบเรียมไฮดรอกไซด์และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นเบสแก่ เมื่อละลายน้ำจะแตกตัวเป็นไอออนดังสมการ

 

                  \displaystyle Ba(OH)_2 (s) + \xrightarrow{{H_2O}}Ba^{2+}(aq)+2OH^-(aq)

 

                  \displaystyle KOH(s)\xrightarrow{{H_2O}}K^+(aq)+OH^-(aq)

 

 ในสารละลายกรดซัลฟิวริกจึงมี \displaystyle H_3O^+HSO_4^- และ \displaystyle SO_4^{2-} ส่วนสารละลายแบเรียมไฮดรอกไซด์จะมี \displaystyle Ba^{2+} กับ \displaystyle OH^- และสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์จะมี \displaystyle K^+ กับ \displaystyle OH^- ไอออนเหล่านี้มีปริมาณมากพอที่จะทำให้สารละลายแต่ละชนิดนำไฟฟ้าได้ เมื่อจุ่มเครื่องตรวจการนำไฟฟ้าลงไปจึงสังเกตเห็นหลอดไฟสว่าง
 

 

          ในการทดลองตอนที่ 1 เมื่อหยดสารละลายกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายแบเรียมไฮดรอกไซด์ ได้ตะกอนสีขาวของแบเรียมซัลเฟตซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ละลายน้ำ ดังนั้นจึงพบว่าสารละลายนำไฟฟ้าได้ลดลงและสีม่วงของสารละลายก็จะเปลี่ยนเป็นสีฟ้ามากขึ้น การนำไฟฟ้าของสารละลายจะลดลงเรื่อย ๆ จนถึงภาวะที่สารละลายนำไฟฟ้าได้ต่ำสุด พบว่าสีของสารละลายเปลี่ยนเป็นสีเขียว ซึ่งเป็นภาวะใกล้เคียงกับการทำปฏิกิริยากันพอดีระหว่างกรดซัลฟิวริกกับแบเรียมไฮดรอกไซด์

          การที่สารละลายนำไฟฟ้าได้ เนื่องจากมีไอออนอยู่ในสารละลาย ขณะที่สารละลายกรดซัลฟิวริกกับสารละลายแบเรียมไฮดรอกไซด์ทำปฏิกิริยาพอดีกัน ในสารละลายผสมยังคงมีไอออนอยู่เล็กน้อย ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของน้ำที่เป็นตัวทำละลาย จึงนำไฟฟ้าได้น้อย แต่เมื่อเติมกรดซัลฟิวริกต่อไป ปรากฏว่าการนำไฟฟ้าของสารละลายเพิ่มขี้นอีกครั้งแสดงว่าในสารละลายมีไอออนเพิ่มขี้น ซึ่งก็คือไอออนที่เกิดจากการแตกตัวของกรดซัลฟิวริกที่เติมลงไป

                            

   ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสจะได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือกับน้ำ เช่น


หรือได้เกลือเพียงอย่างเดียว ไม่มี \displaystyle H_2O เกิดขึ้น เช่น

 

 

                       ปฏิกิริยาที่กล่าวมาแล้วเกิดขึ้นระหว่างกรดแก่กับเบสแก่ โดย \displaystyle H_3O^+ จากกรดทำปฏิกิริยากับ \displaystyle OH^-จากเบสได้ \displaystyle H_2O

ดังสมการ

                 \displaystyle H_3O^+(aq)+OH^-(aq) \leftrightarrow 2H_2O(l)
                 ปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเนียมไอออนจากกรดกับไฮดรอกไซด์ไอออนจากเบสเกิดเป็นน้ำ เรียกว่า ปฏิกิริยาการสะเทิน 

          

  

          การทดลองตอนที่ 2 สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์มีสมบัติเป็นเบส เมื่อหยดยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ลงไปจะเป็นสีม่วง และเมื่อหยดกรดซัลฟิวริกลงไปจะทำให้ปริมาณไฮดรอกไซด์ไอออนในสารละลายลดลงเรื่อย ๆ จนถึงภาวะหนึ่งจะพบว่าสารละลายเปลี่ยนเป็นสีเขียว ณ ภาวะนี้ไฮดรอกไซด์ไอออนจากเบสทำปฏิกิริยาพอดีกับไฮโดรเนียมไอออนจากกรด ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการสะเทิน

          ส่วนซัลเฟตไอออนและโพแทสเซียมไอออนที่แตกตัวมาจากสารละลายกรดและเบสจะยังคงอยู่ในสารละลาย เมื่อนำสารละลายผสมนี้ไประเหยแห้ง จะได้ของแข็งสีขาวคือโพแทสเซียมซังเฟต ปฏิกิริยาระหว่างสารละลายกรดซัลฟิวริกกับสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เขียนสมการได้ดังนี้.

               

                                                \displaystyle H_2 SO_4 (aq) \to 2KOH(aq) \to K_2SO_4(aq)+2H_2O(l)

                    

                                                      

 

 

          จากการทดลอง 8.4 จึงช่วยให้เข้าใจได้ว่า เมื่อกรดกับเบสทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดตะกอน แสดงว่าเกิดเกลือที่ไม่ละลายในน้ำ แต่ถ้าไม่มีตะกอนเกิดขึ้นแสดงว่าไอออนที่เป็นองค์ประกอบของเกลือนั้นไม่รวมตัวกัน หรือกล่าวว่าเกลือนั้นละลายได้ในน้ำ ต้องระเหยน้ำออกจึงจะได้เกลือที่เป็นของแข็ง สรุปได้ว่าเกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสอาจเป็นเกลือที่ละลายน้ำหรือไม่ละลายน้ำ ซึ่งขึ้นกับชนิดของไอออนที่มาจากเบสและกรดคู่นั้น ๆ

 

    ปฏิกิริยาของกรดหรือเบสกับสารบางชนิด

          การทดลอง 8.4 เป็นการศึกษาปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือกับน้ำ ถ้าให้สารละลายกรดหรือสารละลายเบสทำปฏิกิริยากับสารอื่น จะได้ผลิตภัณฑ์ประเภทเดียวกันหรือแตกต่างกันอย่างไร ศึกษาได้จากการทดลอง 8.5

 

  การทดลอง 8.5 ปฏิกิริยาระหว่างกรดหรือเบสกับสารบางชนิด

 

 

ตอนที่ 1ปฏิกิริยาระหว่าง HCl กับ \displaystyle CaCO_3

1.               นำหินอ่อนประมาณ 5 กรัม ล้างน้ำให้สะอาด แล้วใส่ในหลอดทดลองขนาดกลาง

2.               เติมสารละลายกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น 1.0 \displaystyle mol/dm^3   5\displaystyle cm^3ปิดด้วยจุกยางที่มีหลอดนำแก๊สเสียบอยู่ทันทีผ่านแก๊สที่ได้ลงในน้ำปูนใส สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง

3.               เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา รินสารละลายจากหลอดทดลองในข้อ 2 ใส่ลงในถ้วยกระเบื้อง ระเหยให้แห้ง บันทึกผล

                                                                    

 

ตอนที่ 2 ปฏิกิริยาระหว่าง NaOH กับ \displaystyle FeCl_3

1.               ใส่สารละลาย NaOH เข้มข้น 1.0 \displaystyle mol/dm^3 3 \displaystyle cm^3 ลงในหลอดทดลองขนาดกลาง

2.    เติมสารละลาย \displaystyle \[FeCl_3 เข้มข้น 1.0 \displaystyle mol/dm^3 3 \displaystyle cm^3 ลงในสารละลายข้อ 1 เขย่า สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงบันทึกผล


3.               กรองสารในข้อ 2 แล้วนำของเหลวที่กรองได้ไประเหยในถ้วยกรัเบื้อง บันทึกผล

 

                 - จงเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในการทดลองทั้งสองตอน

                 -       จากการทดลองทั้งสองตอน มีผลิตภัณฑ์ประเภทเกลือเกิดขึ้นหรือไม่ ได้แก่สารใดและละลายในน้ำได้หรือไม่

                                                

การทดลองตอนที่ 1 เมื่อผสมสารละลายกรดไฮโดรคลอริกกับแคลเซียมคาร์บอเนตจะได้ฟองแก๊สเกิดขึ้นซึ่งทดสอบได้ว่าเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อนำส่วนที่เป็นของเหลวในหลอดไประเหยแห้ง จะได้ของแข็งสีขาวซึ่งคือแคลเซียมคลอไรด์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเขียนสมการได้ดังนี้

 

                                     \displaystyle CaCO_3(s)+2HCl(aq) \to CaCl_2(aq)+H_2O(l)+CO_2(g)

                                                                     

                                  

การทดลองตอนที่ 2 เมื่อผสมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์กับสารละลายไอร์ออน (III) คลอไรด์ จะได้ตะกอนสีน้ำตาลมีลักษณะคล้ายวุ้นซึ่งคือไอร์ออน (III) ไฮดรอกไซด์ เมื่อนำส่วนที่เป็นของเหลวในหลอดไประเหยแห้งจะได้ของแข็งสีขาว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเขียนสมการได้ดังนี้

                                                          \displaystyle FeCl_3(aq)+3NaOH(aq) \to Fe(OH)_3(s)+3NaCl(aq)

                                                                              

                              

จึงสรุปได้ว่าการทดลองทั้งสองตอนนี้ ได้ผลิตภัณฑ์เป็นสารประกอบของเกลือที่ละลายได้ในน้ำ

          นอกจากนี้ยังมีสารอื่นที่สามารถทำปฏิกิริยากับกรดหรือเบสแล้วได้เกลือเกิดขึ้น เช่น โลหะแมกนีเซียมกับกรดไฮโดรคลอริก จะได้แมกนีเซียมคลอไรด์กับแก๊สไฮโดรเจน โลหะทองแดงกับกรดไนตริกเข้มข้นได้ศึกษามาแล้ว นอกจากนี้โลหะบางชนิดก็สามารถทำปฏิกิริยาได้ทั้งกับกรดและเบส เช่น สังกะสีและอะลูมิเนียม สามารถทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกและสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ได้แก๊สไฮโดรเจน

 

                 - สารประกอบออกไซด์ของธาตุหมู่ IA และ IIA และโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตทำปฏิกิริยากับกรดได้หรือไม่ อย่างไร

                 - ถ้าเป็นออกไซด์ของอโลหะจะทำปฏิกิริยากับกรดหรือไม่

 

          กรดและเบสนอกจากจะทำปฏิกิริยากันโดยตรงแล้วทั้งกรดและเบสยังสามารถทำปฏิกิริยากับสารอื่นได้ด้วย และได้สารประกอบประเภทเกลือตามชนิดของกรดและเบสหรือชนิดของสารตั้งต้นที่เข้าทำปฏิกิริยากัน เมื่อพิจารณาสูตรสารประกอบของเกลือชนิดต่าง ๆ ที่ได้กล่าวมาแล้วพบว่าประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบ เกลือจึงเป็นสารประกอบไอออนิกที่ประกอบด้วยไอออนบวกที่ไม่ใช่\displaystyle H^+ และไอออนลบที่ไม่ใช่\displaystyle OH^-  หรือ \displaystyle O^2-

เกลือทุกชนิดเป็นสารอิเล็กโทรไลต์แก่ แต่สารประกอบของเกลือบางชนิดละลายได้ในน้ำ สารละลายของเกลือจะมีสมบัติความเป็นกรด-เบสอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

 

 

                                                           ปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส  

          จากการศึกษาสารประกอบของเกลือ ทำให้ทราบว่าเกลือที่ละลายในน้ำ จะได้สารละลายมีสมบัติเป็นกรด เบส หรือเป็นกลาง เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น จะได้ศึกษาจากการทดลองต่อไปนี้

 

การทดลอง 8.6 การวัด pH ของสารละลายเกลือโดยใช้ยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์

1.    ใส่สารละลาย Nacl \displaystyle NH_4Cl และ \displaystyle CH_3COONa เข้มข้น 0.1 \displaystyle mol/dm^3 ชนิดละ 3 \displaystyle cm^3 ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก หลอดละชนิด

2.               หยดยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ลงไปหลอดละ 3 หยด เขย่า สังเกตสีของสารละลายแล้วเปรียบเทียบกับสีของยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ในสารละลายที่มี pH ต่าง ๆ เพื่อตรวจดูว่าสารละลายที่ทดสอบมี pH ประมาณเท่าใด

 

                 - สารละลายของเกลือชนิดใดมีสมบัติเป็นกรดเป็นเบส หรือเป็นกลาง เพราะเหตุใด

 

          เมื่อนำเกลือทั้งสามชนิดมาละลายในน้ำแล้ววัด pH ของสารละลายด้วยยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ พบว่าสารละลายเกลือโซเดียมคลอไรด์มี pH ประมาณ 7 สารละลายเกลือแอมโมเนียมคลอไรด์มี pH ต่ำกว่า 7 และสารละลายเกลือโซเดียมแอซีเตตมี pH สูงกว่า 7 การที่เกลือทั้ง 3 ชนิด มี pH แตกต่างกัน อธิบายได้ดังนี้  NaCl ละลายน้ำจะแตกตัวเป็น \displaystyle Na^+ กับ \displaystyle Cl^- แต่ \displaystyle Na^+ และ \displaystyle Cl^- เป็นไอออนจากเบสแก่และกรดแก่ซึ่งไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ ในสารละลายจึงยังคงมีปริมาณ \displaystyle H_3 O^+ และ \displaystyle OH^- ที่มาจากการแตกตัวของน้ำเท่ากัน สารละลายของ NaCl จึงเป็นกลาง   \displaystyle NH_4Cl ละลายน้ำจะแตกตัวเป็น \displaystyle NH_4^+ และ \displaystyle Cl^- โดยที่ \displaystyle Cl^- เป็นไอออนที่มาจากกรดแก่และไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำแต่ \displaystyle NH_4^+ เป็นไอออนทีมาจากเบสอ่อนและทำปฏิกิริยากับน้ำได้ \displaystyle H_3O^+ ตามทฤษฎีกรด-เบสเบรินสเตด-ลาวรี ในสารละลายจึงมี \displaystyle H_3O^+ มากกว่า \displaystyle OH^- ซึ่งเป็นผลให้มี pH ต่ำกว่า 7 สารละลายจึงมีสมบัติเป็นกรด สมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

                       \displaystyle CH_3COONa(s)\xrightarrow {{H_2O}}Na^+(aq)+CH_3COO^-(aq)
                 

                              \displaystyle CH_3COO^-(aq)+H_2O(l) \leftrightarrow CH_3COOH(aq)+OH^-(aq)

                                              

                                                                      \displaystyle Na^+(aq)+H_2O(l) \not\to

 

  

            ปฏิกิริยาที่เกิดจากไอออนบวกหรือไอออนลบของเกลือกับน้ำได้ผลิตภัณฑ์เป็น\displaystyle H_3O^+หรือ\displaystyle OH^-ในสารละลาย เรียกว่าปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสของเกลือจากการทดลอง 8.6 จึงสรุปได้ว่า \displaystyle NH_4Clและ\displaystyle CH_3COONaเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส ส่วน NaCl ไม่เกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส

 

 

- ถ้านำเกลือ เช่น \displaystyle CH_3COONa     \displaystyle (NH_4)_2CO_3  มาละลายน้ำ จะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสได้หรือไม่ถ้าเกิดปฏิกิริยาได้ สารละลายจะมีสมบัติเป็นกรดเป็นเบส หรือเป็นกลาง เพราะเหตุใด เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดับเบส อาจแบ่งตามความแรงหรือความสามารถในการแตกตัวของกรดและเบสที่ทำปฏิกิริยากัน ได้ดังนี้

             

1.         กลือที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่ถ้าละลายได้ในน้ำ สารละลายจะมีสมบัติเป็นกลาง เช่น NaCl \displaystyle KNO_3

2. เกลือที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อนถ้าละลายได้ในน้ำ สารละลายจะมีสมบัติเป็นกรด เช่น  \displaystyle NH_4Cl NH_4NO_3

3.       เกลือที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่ถ้าละลายได้ในน้ำ สารละลายมีสมบัติเป็นเบส เช่น \displaystyle KNO_2 CH_3COONa

4.  เกลือที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อนถ้าละลายได้ในน้ำ สารละลายอาจมีสมบัติเป็นกรดเป็นเบส หรือเป็นกลาง ขึ้นอยู่กับค่า \displaystyle K_a และ \displaystyle K_bของกรดและเบสนั้น

                                

\displaystyle K_a<K_b     สารละลายจะเป็นเบส เช่น\displaystyle NH_4CN (NH_4)_2CO_3         

\displaystyle K_a>K_b          สารละลายจะเป็นกรด เช่น  \displaystyle NH_4NO_2 NH_4Cl

\displaystyle K_a=K_b           สารละลายจะค่อนข้างเป็นกลาง เช่น

       \displaystyle CH_3COONH_4