chemeng_acid-base
TRANSCRIPT
Rajamangala University of Technology Phra Nakhon
Acid-base equilibrium
Acid-base theory\ Acid-base dissociation pH Acid-base reaction
These subjects will be presented according to the curriculum of Chemistry for Engineers (02-411-103)
Faculty of Science and Technology, RMUTP
Dr.Woravith ChansuvarnLasted update: May 2014iamworavith
สมดลกรด-เบส
2
แผนการสอนและการเรยนร
จดประสงคการเรยนร อธบายนยามกรด-เบส ค านวณเกยวกบคาคงทกรด-เบส ค านวณเกยวกบคา pH ค านวณเกยวกบการไทเทรตกรด-เบส
บทเรยน 7.1 สมดลกรด-เบส
การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบปลายภาค
เอกสารประกอบการสอน
หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2550. เคม 3. กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.
อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป สาหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.
อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปสาหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.
Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013 Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.
3
เอกสารประกอบการสอน หนวยท 7http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-ionic-equilibrium
เวบไซตแนะนา
กรด (acid) คออะไร?เบส (base) คออะไร?
http://www.choose-healthy-eating-for-life.com/pH-scale.html
4
ทฤษฎกรด-เบส ของอารเรเนยส
กรด คอสารทละลายน าแลวแตกตวใหไฮโดรเจนไอออน(H+) (หรอ H3O
+)
5
เบส คอ สารทละลายน าแลวแตกตวให ไฮดรอกไซดไอออน (OH-)
HCl + H2O H3O+ + Cl-
HNO3 + H2O H3O+ + NO3-
NaOH + H2O Na+ + OH-
NH3 + H2O NH4+ + OH-
ขอจ ำกด- กรด เบส ตองละลายในน า- กรด ตองม H+ และ เบส ตองม OH- ในโมเลกล
ทฤษฎกรด-เบส ของเบรนสเตด-ลาวร
กรด คอสารทให H+ แกสารอน (เรยกวา proton donor)
6
เบส คอ สารทรบ H+
จากสารอน (เรยกวาproton receptor)
คกรด-คเบส
7
เบส กรด คกรดของ NH3 คเบสของ H2O
NH3 + H2O NH4+ + OH-
คกรด-คเบสNH4
+-NH3H2O-OH-
8
9
10
แอมพโปรตก
แอมพโปรตก (amphiprotic) คอ สารบางอยางทสามารถเปนไดทงกรดหรอเบส ขนกบสภาวะแวดลอม
11
ทฤษฎกรด-เบส ของลวอส
12
กรด คอ สารทสามารถรบคอเลกตรอน (electron pair acceptor)เบส คอ สารทสามารถใหคอเลกตรอน (electron pair donor)
13
การแตกตวของกรด-เบส
กรดแก หรอ เบสแก แตกตวเปนไอออนอยางสมบรณ
กรดออน หรอ เบสออน
- แตกตวเปนไอออนอยางไมสมบรณ - แตกตวไดเพยงบางสวน (นอย)
[H+] ทแตกตว = ความเขมขนของกรดเรมตน[OH-] ทแตกตว = ความเขมขนของเบสเรมตน
[H+] ทแตกตว < ความเขมขนของกรดเรมตน[OH-] ทแตกตว < ความเขมขนของเบสเรมตน
14
การแตกตวของกรดออน-เบสออนการแตกตวของกรดออน-เบสออน บอกเปนรอยละ
15
ตวอยาง
กรด HA มความเขมขนเรมตนเทากบ 2.50 mol/L พบวาทภาวะสมดล ม H+ ทแตกตวไดเทากบ 6.4x10-3 mol/L จงค านวณรอยละการแตกตว
16
ความแรงของคกรด-คเบส
17
คาคงทการแตกตวของกรดออน-เบสออน
คาคงทของการแตกตวของกรด, KaCH3COOH CH3COO- + H+
18
คาคงทของการแตกตวของเบส, Kb
NH3 + H2O NH4+ + OH-
3a
3
[CH COO ][H ]K
[CH COOH]
4b
3
[OH ][NH ]K
[NH ]
บอกความสามารถในการแตกตวเปนไอออน(H+) ของกรดออน
บอกความสามารถในการแตกตวเปนไอออน (OH-) ของเบสออน
Ka Kb
19
การคานวณหา H+ ทแตกตว ณ ภาวะสมดล
20
การคานวณหา OH- ทแตกตว ณ ภาวะสมดล
สมมต x << Cb
21
คาคงทการแตกตว
[H+] ของกรดออนCH3COOH CH3COO- + H+
22
[OH-] ของเบสออนNH3 + H2O NH4
+ + OH-
3a
3
[CH COO ][H ]K
[CH COOH]
4b
3
[OH ][NH ]K
[NH ]
a a[H ] K C
-
b b[OH ] K C
Ca = ความเขมขนของกรดออน
Cb = ความเขมขนของเบสออน
ค านวณ %การแตกตว = ?
23
ค านวณ %การแตกตว = ?
24
การแตกตวของกรดหลายโปรตอน
25
26
การแตกตวเปนไอออนของนา
Kw เรยกวา คาคงทของการแตกตวเปนไอออนของน า (ion product constant หรอ dissociation constant of water)
Kw = 1.0x10-14
27
H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq)
ณ สมดล w 3K [H O ][OH ]
น าบรสทธทสมดล [H+]=[OH-] =1.0x10-7 mol/L
ดงนน[H+]=[OH-] สารละลายเปนกลาง[H+]>[OH-] สารละลายเปนกรด[H+]<[OH-] สารละลายเปนเบส
14
w 3K [H O ][OH ] 1.0x10 ท 25C
28
มาตรวด pH
ความสมพนธระหวาง [H+] กบคา pH (Sorensen’s method)
pH log[H ]
สารละลายสภาพเปนกรด: [H+] > 1.0x10-7 mol/L, pH<7สารละลายสภาพเปนเบส: [H+] < 1.0x10-7 mol/L, pH>7สารละลายสภาพเปนกลาง: [H+] = 1.0x10-7 mol/L, pH=7
29
30
สตรการคานวณ
pH log[H ]
pOH log[OH ]
pH pOH 14
pH[H ] 10 pOH[OH ] 10
ตองนกถงเสมอกรดแก-เบสแก
[H+] = ความเขมขนเรมตนของกรด[OH-] = ความเขมขนเรมตนของเบส
กรดออน-เบสออน[H+] ตองหาจากการแตกตวกอน[OH-] ตองหาจากการแตกตวกอน
31
ความสมพนธระหวาง Ka Kb และ Kw
CH3COOH(aq) H+(aq) + CH3COO-(aq)
CH3COO-(aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) +OH-(aq)
-
3a
3
[H ][CH COO ]K
[CH COOH]
-
3b -
3
[OH ][CH COOH]K
[CH COO ]
- -
3 3a b -
3 3
[H ][CH COO ] [OH ][CH COOH]K K x
[CH COOH] [CH COO ]
- 14
a b wK K [H ][OH ] K 1.0x10
32
33
34
35
ปฏกรยาระหวางกรดกบเบส
1) ปฏกรยาระหวางกรดแกกบเบสแก (กรดแกและเบสแกจะแตกตว 100% หรอสมบรณในน า)
36
เชน HCl + NaOH ได net ionic equation ; H+ + OH- H2Ospectator ions : Na+ Cl- เปนคกรด และคเบสทออนมากๆ จงไมท าปฏกรยากบ H2O H+ OH-
HCl + NaOH (Na++ Cl-) + H2Oไดสารละลายทเปนกลาง(pH = 7.0)
2) ปฏกรยาระหวางกรดออนกบเบสแกเบสแกแตกตวได 100 % เชน NaOH Na+ + OH-
37
เชน CH3COOH(aq) + OH-(aq) CH3COO-(aq) + H2Oเนองจาก CH3COO- เปนคเบสของกรดออน (CH3COOH) จงท าปฏกรยากบน าไดบาง ดงสมการ
CH3COO-(aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) + OH-(aq)ไดสารละลายทเปนเบส
3) ปฏกรยาระหวางกรดแกกบเบสออนกรดแกแตกตวได 100 % เชน HCl H+ + Cl-
38
เชน H+(aq) + NH3(aq) NH4+(aq)
เนองจาก NH4+ เปนคกรดของเบสออน (NH3)
จงท าปฏกรยากบน าไดบาง ดงสมการNH4
+(aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O+(aq)ไดสารละลายทเปนกรด
4) ปฏกรยาระหวางกรดออนกบเบสออน
39
CH3COOH(aq) + NH3(aq) CH3COO-(aq) + NH4+(aq)
ในกรณน ทงไอออนบวกและไอออนลบตางท าปฏกรยากบน า CH3COO-(aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) + OH-(aq)
NH4+(aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O+(aq)
*ไดทง OH- และ H3O+ พอ ๆ กน ดงนนจงเปน กลาง (neutral) หรอกรด / เบส ทออนมาก ๆ
กรดออนและเบสออนแตกตว < 100%
การไทเทรตกรด-เบส
เทคนคเพอหาความเขมขนของสารละลายชนดหนงทไมทราบความเขมขน โดยการใชสารมาตรฐานททราบความเขมขนทแนนอน ไปท าปฏกรยากน
สารทบรรจในบวเรต เรยกวา ไทแทรนต โดยจดทกรดกบเบสท าปฏกรยากนพอดตามปรมาณสมพนธ เรยกวา จดสมมล(equivalence point)
จดทอนดเคเตอรเปลยนจากสหนงเปนอกสหนงเรยกวา จดยต (end point)
40
ปฏกรยา a HA + b B- HB + A-
41
mmolof HA a
bmmolof B
HA HA B B
aM V M V
b
MHA, MB- คอ ความเขมขนเปน mol/L ของกรดและเบส ตามล าดบVHA, VB- คอ ปรมาตรเปน ลตร ของสารละลายกรดและเบส ตามล าดบa, b คอ จ านวนโมลของกรดและเบส ตามล าดบ
ตวอยางการคานวณ pH ปฏกรยากรด-เบส
ปฏกรยาระหวางกรด กบ เบส
การค านวณคา pH แตละจด (ชวง) ขนกบชนดของกรดและเบส
42
กรด – titrantเบส – analyte
กรด – analyteเบส – titrant
Initial point pre-equivalent point equivalent point post-equivalent
ตวอยาง 7.16สารละลาย H2SO4 ปรมาตร 20 mL น ามาไทเทรตกบสารละลาย NaOHเขมขน 0.10 mol/L ปรมาตร 30 mL จงหาความเขมขนของสารละลาย H2SO4
43
ตวอยาง 7.17
จงหาวาตองใชสารละลาย NaOH 0.1 mol/L ปรมาตรก mL ในการไทเทรตกบสารละลาย CH3COOH 0.24 mol/L ปรมาตร 15 mL
44
NaOH(aq) + CH3COOH(aq) CH3COONa(aq) + H2O(l)
อนดเคเตอร
สารประกอบประเภทสยอม อนดเคเตอรเปนกรดออนหรอเบสออน ปรากฏส 2 สคอเมออยในรปกรด (acid form) จะแสดงสหนง แตเมออยในรปเบส (base form) จะแสดงอกสหนง
45
46
กราฟการไทเทรต
กราฟของการไทเทรต (titration curve) เปนกราฟทไดจากการเขยนระหวางคา pH ของสารละลายทเปลยนไปขณะไทเทรตกบปรมาตรของไทแทรนต
จดประสงคของการเขยนกราฟของการไทเทรต เพอศกษาดวาการไทเทรตระหวางกรด-เบสคนนจะท าไดหรอไม
การไทเทรตกรด-เบสอาจแบงได 4 ชนดตามประเภทของกรดและเบส การค านวณ pH ของการไทเทรตแบงออกไดเปน 4 ชวงคอ จดเรมตน (initial point) ชวงกอนถงจดสมมล (pre-equivalent point) ทจดสมมล (equivalent point) ชวงหลงจดสมมล (post-equivalent point)
47
การคานวณหาคา pH ของการไทเทรตกรดแก-เบสแก
48
1) Initial point – คา pH เมอยงไมมการเตมไทแทรนตลงไป : ค านวณอยางกรดแกเรมตน
2) pre-equivalent point – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปแตไมถงจดสมมล : ค านวณอยางกรดแก ทเหลอ
3) equivalent point – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปถงจดสมมล : ค านวณทจดสมมล
4) post-equivalent – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปเกนจดสมมล : ค านวณอยางเบสแก ทเกน
Initial point
49
HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(aq) + NaCl(aq)
0.10 M NaOH
0.10 M HCl25 mL
Initial point : กอนเตม NaOH (ในสารละลายมเพยง 0.10 M HCl อยางเดยวเทานน)
HCl(aq) H+(aq) + Cl-(aq)pH = -log [H+]
= -log(1.0x10-1) = 1.00
pre-equivalent point
50
pre-equivalent point – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปแตไมถงจดสมมล : ค านวณอยางกรดแกทเหลอ
mmol ของ HCl ทเหลอ = mmolHCl – mmolNaOH
= (MHClVHCl) – (MNaOHVNaOH)
ปรมาตรรวมของสารละลาย VHCl + VNaOH = Vtotal
))(( HClHCl VMmmolHCl
))(( NaOHNaOH VMmmolNaOH
otalt
NaOHNaOHHClHCl
V
VMVMH
))(())((][
equivalent point
equivalent point – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปถงจดสมมล : ค านวณทจดสมมล
51
ณ จดนกรดแกและเบสท าปฏกรยากนพอด กรดหรอเบสเหลอในปฏกรยา แตจะเกดเปนเกลอกบนาดงนนทจดนจะคดจากการแตกตวของน า ซงจะได pH = 7
HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(aq) + NaCl(aq)
post-equivalent
post-equivalent – คา pH เมอมการเตมไทแทรนตลงไปเกนจดสมมล : ค านวณอยางเบสแก ทเกน
52
mmol ของ NaOH ทเหลอ = mmolNaOH - mmolHCl
= (MNaOHVNaOH) - (MHClVHCl)
[OH-] = [NaOH] ทเหลอ = ---------------------------------(MNaOHVNaOH) - (MHClVHCl)
V total
pOH = -log [OH-]
กราฟการไทเทรตกรด-เบส
53
กราฟการไทเทรตกรดแก-เบสแก กราฟการไทเทรตเบสแก-กรดออน
กจกรรม
ท ากจกรรม 7.1 ตอนท 1 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด
54