K ME อินดิเคเตอร์

อินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส

        อินดิเคเตอร์ คือ สารที่ใช้บอกความเป็นกรด-เบส ของสารละลายได้อย่างหนึ่ง สารประกอบที่เปลี่ยนสีได้ที่ pH เฉพาะตัว จะถูกนำมาใช้เป็นอินดิเคเตอร์ได้ เช่น ฟีนอล์ฟทาลีน จะไม่มีสีเมื่ออยู่ในสารละลายกรด และจะเปลี่ยนเป็นสีชมพู เมื่ออยู่ในสารละลายเบสที่มี pH 8.3

ภาพฟีนอล์ฟทาลีน

        

          อินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส เป็นสารอินทรีย์ อาจเป็นกรดหรือเบสอ่อนๆ ซึ่งสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ เมื่อ pH ของสารละลายเปลี่ยน         

การเปลี่ยนสีองอินดิเคเตอร

         HIn เป็นสัญลักษณ์ของอินดิเคเตอร์ที่อยู่ในรูปกรด (Acid form)
         In^- เป็นสัญลักษณ์ของอินดิเคเตอร์ที่อยู่ในรูปเบส (Basic form)
รูปกรดและรูปเบสมีภาวะสมดุล เขียนแสดงได้ด้วยสมการ ดังนี้

HIn (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + In^- (aq)
 ไม่มีสี *      สีชมพู*   ; (* = กรณีเป็นฟีนอล์ฟทาลีน)
(รูปกรด)     (รูปเบส)

Kind =

    HIn และ In^- มีสีต่างกันและปริมาณต่างกัน จึงทำให้สีของสารละลายเปลี่ยนแปลงได้ ถ้าปริมาณ HInมากก็จะมีสีของรูปกรด ถ้ามีปริมาณ In^-มากก็จะมีสีของรูปเบส การที่จะมีปริมาณ HIn หรือ In มากกว่าหรือน้อยกว่านั้นขึ้นอยู่กับปริมาณ H₃O⁺ ในสารละลาย ถ้ามี H₃O⁺ มากก็จะรวมกับ In^- ได้เป็น HIn ได้มากจะเห็นสารละลายใสไม่มีสีของ HIn แต่ถ้าอยู่ในสารละลายที่มี OH^- มาก OH^-จะทำปฏิกิริยากับ H₃O⁺ ทำให้H₃O⁺ ลดลง ซึ่งจะมีผลทำให้เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ In^- มากขึ้น จะเห็นสารละลายในรูปของ In^- คือเห็นเป็นสีชมพู


        ช่วง pH ที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง สารละลายจะมีสีผสมระหว่างรูปกรดและรูปเบส เรียกว่า ช่วง pH ของอินดิเคเตอร์ (pH range หรือ pH interval)
        ช่วง pH ของอินดิเคเตอร์หาได้จากค่า K_ind ของอินดิเคเตอร์ดังนี้

           HIn (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + In^- (aq)
          ไม่มีสี * (รูปกรด) สีชมพู* (รูปเบส) ; (* = กรณีเป็นฟีนอล์ฟทาลีน)

นั่นคือ ช่วง pH ของอินดิเคเตอร์ = pK_ind 1        หมายความว่า สีของอินดิเคเตอร์จะเริ่มเปลี่ยนแปลงเมื่อ pH = pK_ind 1 ซึ่งเป็นค่าโดยประมาณ แต่ถ้า [HIn] มากกว่าหรือน้อยกว่า [In^- ] 10 เท่าขึ้นไป อาจถึง 100 เท่า ช่วง pH ของอินดิเคเตอร์ก็จะเปลี่ยนไป ช่วง pH ของอินดิเคเตอร์ที่ถูกต้องจริงๆ ของแต่ละอินดิเคเตอร์หาได้จากการทดลอง
ตัวอย่างเช่น เมทิลเรด มีช่วง pH 4.4 - 6.2 หมายความว่า สารละลายที่หยดเมทิลเรดลงไป จะเปลี่ยนสีจากรูปกรด (แดง) ไปเป็นรูปเบส (เหลือง) ในช่วง pH ตั้งแต่ 4.4 - 6.2 นั่นคือ

- ถ้า pH < 4.4 จะให้สีแดง (รูปกรด)
- pH อยู่ระหว่าง 4.4 - 6.2 จะให้สีผสมระหว่างสีแดงกับเหลือง คือ สีส้ม
- pH > 6.2 จะให้สีเหลือง (รูปเบส)

สีของอินดิเคเตอร์แต่ละชนิด จะเปลี่ยนในช่วง pH ที่ต่างกัน ซึ่งแสดงได้ดังภาพ



ภาพแสดงสีของอินดิเคเตอร์แต่ละชนิด

        อย่างไรก็ตาม อินดิเคเตอร์ชนิดหนึ่งๆ จะใช้หาค่า pH ของสารละลายได้อย่างคร่าวๆ เท่านั้น เช่น เมื่อนำสารละลายมาเติม เมทิลออเรนจ์ลงไป (ช่วง pH ของเมทิลออเรนจ์เท่ากับ 3.0 - 4.4 และสีที่เปลี่ยนอยู่ในช่วง สีแดง เหลือง) ถ้าสารละลายมีสีเหลืองหลังจากหยดเมทิลออเรนจ์ แสดงว่าสารละลายนี้มี pH ตั้งแต่ 4.4 ขึ้นไป ซึ่งอาจมีฤทธิ์เป็นกรด กลางหรือ เบส ก็ได้ ดังนั้น การหาค่า pH ของสารละลายหนึ่งๆ อาจจะต้องใช้อินดิเคเตอร์หลายๆ ตัว แล้วนำข้อมูลมาวิเคราะห์ pH ของสารละลายร่วมกัน

K ME pH pOH

เราสามารถบอกความเป็นกรดเป็นเบสของสารละลายโดยค่า pH

         pH ย่อมาจากคำว่า positive potential of the hydrogen ions คือ ค่าที่แสดงถึงความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน (H⁺) หรือไฮโดรเนียมไอออน (H₃O⁺) ใช้บอกความเป็นกรดหรือเบสของสารละลาย โดยค่า pH ของสารละลายเป็นค่าลอการิทึมของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน

          pH = -log [H₃O⁺]
หรือ [H₃O] ⁺ = 10^-pH โดยที่ [H₃O⁺] คือ ความเข้มข้นของ H₃O⁺ หรือ H⁺ เป็นโมล/ลิตร
น้ำบริสุทธิ์ ที่อุณหภูมิ 25 ⁰C จะมี [H₃O⁺] = 1 x 10 ^-7 โมล/ลิตร
ดังนั้น pH = -log [H₃O⁺] = -log [1 x 10 ^-7] = 7
นั่นคือ pH ของน้ำบริสุทธิ์ ที่อุณหภูมิ 25  ⁰C เท่ากับ 7 ถือว่ามีสภาพเป็นกลาง คือไม่มีความเป็นกรดหรือเบส
     ถ้า [H₃O⁺]     = 1 x 10 ^-5     ;     pH     =     -log [H₃O⁺]     =     -log [1 x 10 ^-5]     =     5     (เป็นกรด)
     ถ้า [H₃O⁺]     = 1 x 10 ^-9     ;     pH     =     -log [H₃O⁺]     =     -log [1 x 10 ^-9]     =     9     (เป็นเบส)

ดังนั้นสรุปว่า
pH < 7 สารละลายเป็นกรด
pH = 7 สารละลายเป็นกลาง
pH > 7 สารละลายเป็นเบส
หรืออาจจะเขียนเป็นสเกลได้ดังนี้

นอกจากจะบอกความเป็นกรดเป็นเบสของสารละลายด้วยค่า pH แล้วยังสามารถบอกค่าความเป็นกรด-เบส ได้โดยใช้ค่า pOH ของสารละลาย คือ ค่าที่บอกความเข้มข้นของ OH^-

pOH = -log[OH^- ]

โดย pH + pOH = 14

K ME การแตกตัวของน้ำบริสุทธิ์

การแตกตัวของน้ำบริสุทธิ์เป็นอย่างไร

ตามทฤษฎีของเบรินสเตตและลาวรี น้ำทำหน้าที่ี่เป็นทั้งกรดและเบส ไอออนที่ี่เกิดขึ้นจากการแตกตัวของน้ำ และมีการถ่ายเทโปรตอนกันเองได้

โมเลกุลของน้ำที่ี่เสีย H⁺ จะเปลี่ยนเป็น OH^- ซึ่งมีประจุลบและโมเลกุลของน้ำที่ได้รับ H⁺ จะเปลี่ยนเป็น H₃O⁺ ซึ่งมีประจุบวก เราอาจเขียนสมการกรด- เบส ได้ง่ายๆ ดังนี้

    H₂O (l) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + OH^-(aq)

เนื่องจากระบบนี้อยู่ในภาวะสมดุล สามารถเขียนสมการค่าคงที่สมดุลของ H₂O ได้ดังนี้

K_w คือค่าคงที่การแตกตัวของน้ำ มีค่าเท่ากับ 1 x 10^-14ที่ 25⁰C เนื่องจากน้ำบริสุทธิ์แตกตัวเป็นไอออนจะให้ความเข้มข้นของ H₃O⁺ และ OH^- เท่ากัน

ดังนั้น น้ำบริสุทธิ์จึงมีสภาพเป็นกลางเนื่องจากปริมาณ H₃O⁺ เท่ากับ OH^-

K ME การแตกตัวของกรด-เบส

การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่

    การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ จะแตกตัวได้หมด 100% หมายถึง การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ เป็นไอออนได้หมดในตัวทำละลายซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำ เช่น การแตกตัวของกรด HCl จะได้ H⁺ หรือ H₃O⁺ และ Cl^-ไม่มี HCl เหลืออยู่ หรือการแตกตัวของเบส เช่น NaOH ได้ Na⁺ และ OH^- ไม่มี NaOH เหลืออยู่

     การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่เขียนแทนด้วยลูกศร ซึ่งแสดงการเปลี่ี่ยนแปลงไปข้างหน้าเพียงอย่างเดียว เช่น

 การแตกตัวของกรดอ่อน

สารละลายกรดอ่อน เช่น กรดแอซิติก (CH₃COOH) เมื่อละลายน้ำ จะนำไฟฟ้าได้ไม่ดี ทั้งนี้ เพราะกรดแอซิติกแตกตัวเป็นไอออนได้เพียงบางส่วน เขียนแทนโดยสมการจะใช้ลูกศร เพื่อชี้ว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นทั้งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ และอยู่ในภาวะสมดุลกัน เช่น

CH₃COOH (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

ปริมาณการแตกตัวของกรดอ่อน นิยมบอกเป็นร้อยละ เช่น กรด HA แตกตัวได้ร้อยละ 10 ในน้ำ หมายความว่า กรด HA 1 โมล เมื่อละลายน้ำ จะแตกตัวให้ H⁺
เพียง 0.10 โมล

 

กรดมอนอโปรติก คือ กรดที่ี่แตกตัวให้ H⁺ ได้เพียง 1 ตัว เช่น HCOOH และ CH₃COOH

HCOOH (aq) H⁺(aq) + HCOO^-(aq)

CH₃COOH (aq) H⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

กรดพอลิโปรติก หมายถึง กรดที่ี่มีโปรตอนมากกว่า 1 ตัว และสามารถแตกตัวให้ H⁺ ได้มากกว่า 1 ตัว ถ้าแตกตัวได้ H⁺
2 ตัว เรียกว่า กรดไดโปรติก เช่น H₂CO₃ , H₂S , H₂C₂O₄ เป็นต้น

ค่าคงที่สมดุลของกรดอ่อน (K_a)

กรดอ่อนแตกตัวได้เพียงบางส่วน ปฏิกิริยาการแตกตัวไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นได้พร้อมกัน และปฏิกิริยาการแตกตัวของกรดอ่อนนี้ี้จะอยู่ในภาวะสมดุล ค่าคงที่สมดุลนี้ี้จะหาได้ดังนี้

Kaยิ่งมากยิ่งมีความแรงมากขึ้น

สำหรับกรดที่ี่แตกตัวได้ 100% จะไม่มีค่า K_a