Acids, Bases and Their Reactions — กรด เบส และปฏิกิริยา
Part 1 — นิยามของกรดและเบส (Definitions of Acids and Bases)
ทำไมต้องเรียนเรื่องนี้?
กรดและเบสอยู่รอบตัวเราและอยู่ ในร่างกายเราตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น:
- HCl ที่หลั่งจากกระเพาะอาหาร → ช่วย hydrolysis ของอาหารและฆ่าเชื้อโรค
- H⁺ gradient ใน mitochondria → ขับเคลื่อน oxidative phosphorylation สร้าง ATP
- H₂CO₃ / HCO₃⁻ → bicarbonate buffer system ควบคุม pH เลือด
1. Arrhenius's Definition (ใช้ในน้ำเท่านั้น)
| นิยาม | ตัวอย่าง | |
|---|---|---|
| Acid | เมื่อละลายน้ำแล้วให้ H⁺ | HCl(g) → H⁺(aq) + Cl⁻(aq) |
| Base (Alkali) | เมื่อละลายน้ำแล้วให้ OH⁻ | NaOH(s) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq) |
จำไว้: ใน solution จริง H⁺ ไม่ได้อยู่ตัวเดียว — มันจับกับน้ำกลายเป็น H₃O⁺ (hydronium ion) ใช้แทนกันได้กับ H⁺
- Soluble bases = alkalis (NaOH, KOH)
- Bases ที่ไม่ละลายน้ำก็มี เช่น Mg(OH)₂ (Milk of Magnesia)
- Neutral species เช่น NaCl → ละลายน้ำได้ Na⁺ + Cl⁻ ไม่มี H⁺ หรือ OH⁻
2. Brønsted-Lowry's Definition (กว้างกว่า — ใช้ได้แม้ไม่มีน้ำ)
| นิยาม | |
|---|---|
| Acid | H⁺ donor (ให้ proton) |
| Base | H⁺ acceptor (รับ proton) |
ตัวอย่างที่ 1:
HBr(aq) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + Br⁻(aq)
Acid Base Conj. acid Conj. base
- HBr ให้ H⁺ → HBr = acid
- H₂O รับ H⁺ → H₂O = base
- H₃O⁺ = conjugate acid ของ H₂O
- Br⁻ = conjugate base ของ HBr
ตัวอย่างที่ 2:
HCl(aq) + NH₃(aq) → NH₄⁺(aq) + Cl⁻(aq)
Acid Base Conj. acid Conj. base
3. Lewis's Definition (BONUS — กว้างที่สุด)
| นิยาม | |
|---|---|
| Acid | electron pair acceptor |
| Base | electron pair donor |
ตัวอย่าง: BF₃ + :NH₃ → H₃N→BF₃
BF₃ = Lewis acid (รับ electron pair), NH₃ = Lewis base (ให้ lone pair บน N)
4. Amphotheric Species — ทำได้ทั้งกรดและเบส
Species ที่ทำได้ทั้งสองหน้าที่ เรียกว่า amphotheric ตัวอย่างสำคัญทางคลินิก:
| Species | เมื่อเป็น acid | เมื่อเป็น base |
|---|---|---|
| H₂O | ให้ H⁺ → OH⁻ | รับ H⁺ → H₃O⁺ |
| HCO₃⁻ | ให้ H⁺ → CO₃²⁻ | รับ H⁺ → H₂CO₃ |
| H₂PO₄⁻ | ให้ H⁺ → HPO₄²⁻ | รับ H⁺ → H₃PO₄ |
Clinically relevant: HCO₃⁻ ใน blood เป็น amphotheric — นี่คือหัวใจของ bicarbonate buffer ที่ควบคุม acid-base balance ของร่างกาย
5. Organic Acids and Bases
-
Carboxylic acid (R-COOH) = weak acid → ให้ H⁺ จาก -COOH group
- ตัวอย่าง: lactic acid, acetic acid (น้ำส้มสายชู), formic acid
- หลังให้ H⁺ แล้ว carboxylate ion (R-COO⁻) จะ stabilize ด้วย delocalisation ของ negative charge
-
Amines (-NH₂, -NH-) = weak base → lone pair บน N รับ H⁺ ได้ → เกิด ammonium ion (-NH₃⁺)
- ตัวอย่าง: NH₃, morphine, quinine
-
Amino acid = มีทั้ง -COOH และ -NH₂ → เป็น amphotheric
- รูปที่ dominant ในน้ำ = zwitterion: -COOH ถูก deprotonate (-COO⁻) ขณะที่ -NH₂ ถูก protonate (-NH₃⁺)