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)

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)

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)

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:

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⁺)

Part 2 — Strong vs. Weak Acids and Bases, Ka, Kb, pKa, pKb

Strong vs. Weak: ต่างกันตรงไหน?

ความแข็งแรง (strength) ของกรด/เบส = ระดับการแตกตัว (dissociation) ใน solution

Strong acids ที่ต้องจำ: HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄
Strong bases ที่ต้องจำ: all Group I hydroxides (NaOH, KOH, CsOH ฯลฯ)

Weak acids: HF, CH₃COOH (acetic acid), H₂CO₃, H₃PO₄, กรด organic ทั่วไป
Weak bases: NH₃, amines ทั่วไป (morphine, quinine)

Polyprotic Acids — กรดที่แตกตัวได้หลายครั้ง

กรดที่มี H⁺ มากกว่า 1 ตัวที่ให้ได้ เรียกว่า polyprotic acid

ตัวอย่าง H₂SO₄ (diprotic acid):

Step 1 (strong): H₂SO₄(aq) → H⁺(aq) + HSO₄⁻(aq)
Step 2 (weak):   HSO₄⁻(aq) ⇌ H⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)

แต่ละ step มี Ka ลดลงเรื่อยๆ เพราะการดึง H⁺ จาก species ที่มีประจุลบแล้วทำได้ยากขึ้น

H₂CO₃ (bicarbonate buffer):

H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻    pKa1 = 6.1 (physiological)
HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻    pKa2 = 10.3

Acid Dissociation Constant: Ka

สำหรับ weak acid: HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq)

Ka = [H₃O⁺][A⁻] / [HA]

• ยิ่ง Ka ใหญ่ → dissociate มาก → acid แรงกว่า
• Ka คงที่สำหรับกรดที่กำหนดที่อุณหภูมิคงที่

pKa = -log₁₀(Ka)

• ยิ่ง pKa น้อย → Ka ใหญ่ → acid แรงกว่า
• ตัวอย่าง: HCl pKa = -6, acetic acid pKa = 4.76 → HCl แรงกว่ามาก

Base Dissociation Constant: Kb

สำหรับ weak base: B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq)

Kb = [BH⁺][OH⁻] / [B]

pKb = -log₁₀(Kb)

• ยิ่ง pKb น้อย → base แรงกว่า
• ตัวอย่าง: NH₃ pKb = 4.75, morphine pKb = 5.79 → NH₃ แรงกว่า

ความสัมพันธ์ conjugate acid-base pairs

สำหรับ aqueous solution ที่ 25°C:

pKa (acid) + pKb (conjugate base) = 14

pKb (base) + pKa (conjugate acid) = 14

สาเหตุ: Ka × Kb = Kw = 10⁻¹⁴ ที่ 25°C เมื่อเอา -log ทั้งสองข้าง → pKa + pKb = pKw = 14

ตัวอย่าง:

• NH₃: pKb = 4.75 → conjugate acid NH₄⁺ มี pKa = 14 - 4.75 = 9.25
• CH₃COOH: pKa = 4.75 → conjugate base CH₃COO⁻ มี pKb = 14 - 4.75 = 9.25

กฎทอง: กรดที่แรง → conjugate base ที่อ่อน และในทางกลับกัน

Part 3 — pH, Neutralisation, Hydrolysis, และ Pharmaceutical Salts

pH Scale

pH = -log₁₀[H₃O⁺]

• pH < 7 → acidic ([H₃O⁺] > [OH⁻])
• pH = 7 → neutral (pure water, 25°C)
• pH > 7 → basic ([H₃O⁺] < [OH⁻])

pOH = -log₁₀[OH⁻]

สำหรับ aqueous solution ที่ 25°C: pH + pOH = 14 (เพราะ Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴)

การคำนวณ pH

กรณีที่ 1: Strong acid

0.1 M HCl → แตกตัวสมบูรณ์ → [H₃O⁺] = 0.1 M
pH = -log(0.1) = 1

กลับกัน: ถ้า pH = 2 → [H₃O⁺] = 10⁻² = 0.01 M (pH ของกระเพาะอาหาร)

กรณีที่ 2: Strong base

0.10 M NaOH → แตกตัวสมบูรณ์ → [OH⁻] = 0.10 M
pOH = -log(0.10) = 1
pH = 14 - pOH = 13

กรณีที่ 3: Weak acid (ต้องใช้ % dissociation หรือ Ka)

0.10 M CH₃COOH, % dissociation = 1.3%:
x = 0.0013 M = [H₃O⁺]
pH = -log(0.0013) = 2.9

กรณีที่ 4: Weak base (ใช้ Kb)

0.10 M NH₃, pKb = 4.75:
Kb = 10⁻⁴·⁷⁵
Kb = x² / 0.10 (approximation เพราะ x << 0.10)
x = [OH⁻] = 1.3 × 10⁻³ M
pOH = 2.9 → pH = 14 - 2.9 = 11.1

Trick สำหรับ weak acid/base: ถ้า degree of dissociation น้อยมาก (< 5%) สามารถ approximate ว่า (C - x) ≈ C ทำให้คำนวณง่ายขึ้น

Neutralisation — ปฏิกิริยาสะเทิน

Strong acid + Strong base → Neutral salt + H₂O

HNO₃(aq) + NaOH(aq) → NaNO₃(aq) + H₂O(l)   (neutral)
HBr(aq)  + CsOH(aq) → CsBr(aq)  + H₂O(l)   (neutral)

Weak base + Strong acid → Weakly acidic salt

NH₄OH(aq) + HCl(aq) → NH₄Cl(aq) + H₂O(l)
                         (weak acid)

Weak acid + Strong base → Weakly basic salt

CH₃COOH(aq) + NaOH → CH₃COONa(aq) + H₂O(l)
                         (weak base)

Hydrolysis — เกลือละลายน้ำแล้วเป็นกรดหรือเบส

Salt ที่เกิดจาก weak acid/base เมื่อละลายน้ำสามารถ hydrolyse กลับได้:

Weakly acidic salt (NH₄Cl) → ให้สภาพเป็นกรด:

NH₄Cl(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₃(g) + H₃O⁺(aq) + Cl⁻(aq)

Weakly basic salt (CH₃COONa) → ให้สภาพเป็นเบส:

CH₃COONa(aq) + H₂O(l) ⇌ CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) + Na⁺(aq)

Link to Clinical: Pharmaceutical Salts

ยาหลายชนิดถูกขายในรูป salt form แทน free acid/base เพราะ:

1. Bioavailability สูงกว่า — ละลายน้ำได้ดีกว่า → ดูดซึมเข้ากระแสเลือดได้มากกว่า
2. Stability ดีกว่า — เสื่อมสภาพช้ากว่า
3. Manufacturability — ตกผลึกได้ง่ายกว่า → ทำยาเม็ดได้ง่าย

ตัวอย่าง:

• Aspirin (free acid) → ละลายน้ำได้น้อย → ทำเป็น sodium/calcium aspirin salt ได้ดีกว่า
• Epinephrine (adrenaline) — มี amine group (basic) → ทำเป็น epinephrine bitartrate (amine + tartaric acid)
• Fexofenadine (antihistamine) — มี amine group → ทำเป็น fexofenadine HCl (Allegra)

กลไก: ยาที่มี amine group (base) + strong acid (HCl, tartaric acid) → เกิด salt ที่ละลายน้ำได้ดีกว่า → bioavailability สูงขึ้น

สรุปทั้งหมด (Big Picture)