กรด: ลักษณะและตัวอย่าง - เคมี - 2025

กรดเป็นสารประกอบที่มีแนวโน้มสูงของโปรตอนบริจาคหรือรับคู่อิเล็กตรอน มีคำจำกัดความมากมาย (Bronsted, Arrhenius, Lewis) ที่อธิบายคุณสมบัติของกรดและแต่ละคำก็เสริมเพื่อสร้างภาพลักษณ์ของสารประกอบประเภทนี้ทั่วโลก

จากมุมมองข้างต้นสารที่รู้จักทั้งหมดอาจเป็นกรดอย่างไรก็ตามมีเพียงสารที่โดดเด่นเหนือกว่าสารอื่นเท่านั้นที่ถูกพิจารณาว่าเป็นเช่นนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง: หากสารเป็นผู้บริจาคโปรตอนที่อ่อนแอมากเมื่อเทียบกับน้ำก็สามารถกล่าวได้ว่าไม่ใช่กรด

กรดอะซิติกซึ่งเป็นกรดอ่อนจะบริจาคโปรตอน (ไฮโดรเจนไอออนเน้นด้วยสีเขียว) ให้กับน้ำในปฏิกิริยาสมดุลเพื่อให้อะซิเตทไอออนและไฮโดรเนียมไอออน สีแดง: ออกซิเจน สีดำ: คาร์บอน สีขาว: ไฮโดรเจน

ในกรณีนี้กรดและแหล่งที่มาจากธรรมชาติคืออะไร? ตัวอย่างทั่วไปสามารถพบได้ในผลไม้หลายชนิดเช่นส้ม น้ำมะนาวมีรสชาติที่เป็นเอกลักษณ์เนื่องจากกรดซิตริกและส่วนประกอบอื่น ๆ

ลิ้นสามารถตรวจจับการมีอยู่ของกรดได้เช่นเดียวกับรสชาติอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับความเป็นกรดของสารประกอบเหล่านี้รสชาติจะไม่สามารถทนต่อได้มากขึ้น ด้วยวิธีนี้ลิ้นจะทำหน้าที่เป็นเครื่องวัดทางประสาทสัมผัสสำหรับความเข้มข้นของกรดโดยเฉพาะความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน (H ₃ O ⁺ )

ในทางกลับกันกรดไม่เพียง แต่พบในอาหารเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสิ่งมีชีวิตด้วย ในทำนองเดียวกันดินมีสารที่สามารถแสดงลักษณะเป็นกรดได้ เช่นกรณีของอลูมิเนียมและไอออนบวกโลหะอื่น ๆ

ลักษณะของกรด

สารประกอบต้องมีลักษณะอย่างไรตามคำจำกัดความที่มีอยู่จึงจะถือว่าเป็นกรด

ต้องสามารถสร้าง H ⁺และ OH ^-ไอออนได้โดยการละลายในน้ำ (Arrhenius) ต้องบริจาคโปรตอนให้กับสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นได้ง่ายมาก (Bronsted) หรือสุดท้ายก็ต้องสามารถรับอิเล็กตรอนคู่หนึ่งซึ่งมีประจุลบ (Lewis)

อย่างไรก็ตามลักษณะเหล่านี้มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างทางเคมี ดังนั้นโดยการเรียนรู้ที่จะวิเคราะห์ความแรงของความเป็นกรดหรือสารประกอบสองสามชนิดจึงสามารถอนุมานได้ว่าในสองชนิดใดเป็นกรดมากที่สุด

- คุณสมบัติทางกายภาพ

กรดมีรสชาติคุ้มค่าซ้ำซากกรดและกลิ่นมักจะไหม้รูจมูก เป็นของเหลวที่มีเนื้อเหนียวหรือมันและมีความสามารถในการเปลี่ยนสีของกระดาษลิตมัสและเมทิลออเรนจ์เป็นสีแดง (คุณสมบัติของกรดและเบส, SF)

- ความสามารถในการสร้างโปรตอน

ในปีพ. ศ. 2466 โยฮันเนสนิโคลัสบรอนสเต็ดนักเคมีชาวเดนมาร์กและโทมัสมาร์ตินโลว์รีนักเคมีชาวอังกฤษได้แนะนำทฤษฎีBrønstedและ Lowry โดยระบุว่าสารประกอบใด ๆ ที่สามารถถ่ายโอนโปรตอนไปยังสารประกอบอื่น ๆ ได้คือกรด (Encyclopædia Britannica, 1998) ตัวอย่างเช่นในกรณีของกรดไฮโดรคลอริก:

HCl → H ⁺ + Cl ^-

ทฤษฎีของBrønstedและ Lowry ไม่ได้อธิบายถึงพฤติกรรมที่เป็นกรดของสารบางชนิด ในปีพ. ศ. 2466 Gilbert N. Lewis นักเคมีชาวอเมริกันได้แนะนำทฤษฎีของเขาซึ่งกรดถือเป็นสารประกอบใด ๆ ที่ในปฏิกิริยาทางเคมีสามารถจับคู่อิเล็กตรอนที่ไม่ได้ใช้ร่วมกันในโมเลกุลอื่น (Encyclopædia Britannica, 1998) .

ด้วยวิธีนี้ไอออนเช่น Cu ²⁺ , Fe ²⁺และ Fe ³⁺มีความสามารถในการจับคู่ของอิเล็กตรอนอิสระตัวอย่างเช่นจากน้ำเพื่อผลิตโปรตอนด้วยวิธีต่อไปนี้:

Cu ²⁺ + 2H ₂ O → Cu (OH) ₂ + 2H ⁺

- มีไฮโดรเจนในความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไม่ดี

สำหรับโมเลกุลของมีเธน CH ₄ไม่มีไฮโดรเจนใดที่ขาดทางอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากความแตกต่างของอิเล็กโตรเนกาติวิตีระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจนมีน้อยมาก แต่ถ้าคุณแทนที่หนึ่งของอะตอม H โดยหนึ่งของฟลูออรีนแล้วจะ ต้อง มีการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดในช่วงเวลาที่ไดโพล: H ₂ FC- H

Hสัมผัสกับการกระจัดของเมฆอิเล็กตรอนไปยังอะตอมที่อยู่ติดกันที่ผูกมัดกับ F ซึ่งเหมือนกันδ + จะเพิ่มขึ้น อีกครั้งถ้า H อีกจะถูกแทนที่ด้วย F อื่นแล้วโมเลกุลกลายเป็น: HF ₂ C- H

ตอนนี้δ + จะยิ่งใหญ่กว่าเพราะสอง F อะตอมสูงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนขั้วลบซึ่งเอา C และหลังนี้จึงไปHหากขั้นตอนการเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องในที่สุดได้รับ: F ₃ C- H

ในโมเลกุลสุดท้ายนี้Hนำเสนออันเป็นผลมาจากอะตอม F ที่อยู่ใกล้เคียงทั้งสามซึ่งเป็นข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำเครื่องหมายไว้ δ + นี้ไม่มีใครสังเกตเห็นสำหรับสิ่งมีชีวิตใด ๆ ที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอนมากพอที่จะตัดHนี้และด้วยวิธีนี้ F ₃ CH จะกลายเป็นประจุลบ:

F ₃ C– H +: N ^- (สายพันธุ์ลบ) => F ₃ C: ^- + H N

สมการทางเคมีข้างต้นสามารถพิจารณาได้ด้วยวิธีนี้: F ₃ CH บริจาคโปรตอน (H ⁺ , Hเมื่อแยกออกจากโมเลกุล) เป็น: N; หรือ F ₃ CH รับคู่ของอิเล็กตรอนจากHเมื่อคู่อื่นบริจาคให้หลังจาก: N -

- ความแข็งแรงหรือความเป็นกรดคงที่

F ₃ C: ^-มีอยู่ในสารละลายเท่าไร? หรือ F ₃ CH สามารถบริจาคไฮโดรเจนที่เป็นกรดให้ N ได้กี่โมเลกุล? ในการตอบคำถามเหล่านี้จำเป็นต้องกำหนดความเข้มข้นของ F ₃ C: ^-หรือH N และใช้สมการทางคณิตศาสตร์กำหนดค่าตัวเลขที่เรียกว่าค่าคงที่ความเป็นกรด Ka

ยิ่งสร้างโมเลกุลของ F ₃ C: ^-หรือ HN ได้มากเท่าใด F ₃ CH ก็จะมีความเป็นกรดมากขึ้นและ Ka ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ด้วยวิธีนี้ Ka จะช่วยชี้แจงในเชิงปริมาณสารประกอบใดที่มีความเป็นกรดมากกว่าสารอื่น และในทำนองเดียวกันจะทิ้งเป็นกรดที่มี Ka มีขนาดเล็กมาก

บางกะจะมีค่าที่มีประมาณ 10 ^-1และ 10 ^-5และอื่น ๆ millionths ค่าขนาดเล็กเช่น 10 ^-15และ 10 -35 จากนั้นกล่าวได้ว่าค่าคงที่ของความเป็นกรดเป็นกรดอ่อนมากและสามารถทิ้งได้

โมเลกุลใดต่อไปนี้มี Ka สูงสุด: CH ₄ , CH ₃ F, CH ₂ F ₂หรือ CHF ₃ ? คำตอบอยู่ที่การขาดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนδ + ในไฮโดรเจน

วัด

แต่อะไรคือเกณฑ์ในการกำหนดมาตรฐานการวัด Ka? ค่าของมันสามารถแตกต่างกันอย่างมากซึ่งขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ที่จะได้รับเอช+ ตัวอย่างเช่นถ้า: N เป็นฐานที่แข็งแกร่ง Ka จะมีขนาดใหญ่ แต่ถ้าตรงกันข้ามมันเป็นฐานที่อ่อนแอมาก Ka จะมีขนาดเล็ก

การวัด Ka ทำโดยใช้ฐาน (และกรด) ที่พบมากที่สุดและอ่อนแอที่สุด: น้ำ ขึ้นอยู่กับระดับของการบริจาค H ⁺ไปยังโมเลกุล H ₂ O ที่25ºCและที่ความดันของบรรยากาศหนึ่งเงื่อนไขมาตรฐานกำหนดขึ้นเพื่อกำหนดค่าคงที่ความเป็นกรดสำหรับสารประกอบทั้งหมด

จากสิ่งนี้ทำให้เกิดตารางค่าคงที่ของความเป็นกรดสำหรับสารประกอบหลายชนิดทั้งอนินทรีย์และอินทรีย์

- มีฐานคอนจูเกตที่เสถียรมาก

กรดมีอะตอมหรือหน่วยอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง (วงแหวนอะโรมาติก) ในโครงสร้างทางเคมีของพวกมันซึ่งดึงดูดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจากไฮโดรเจนโดยรอบจึงทำให้พวกมันกลายเป็นบวกบางส่วนและมีปฏิกิริยากับฐาน

เมื่อโปรตอนบริจาคกรดจะเปลี่ยนเป็นเบสคอนจูเกต นั่นคือสปีชีส์เชิงลบที่สามารถรับ H ⁺หรือบริจาคอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง ในตัวอย่างของโมเลกุล CF ₃ H ฐานคอนจูเกตคือ CF ₃ ^- :

CF ₃ ^- + HN <=> CHF ₃ +: N ^-

ถ้า CF ₃ ^-เป็นฐานคอนจูเกตที่เสถียรมากความสมดุลจะเลื่อนไปทางซ้ายมากกว่าทางขวา ยิ่งมีความเสถียรมากเท่าใดกรดก็จะยิ่งมีปฏิกิริยาและเป็นกรดมากขึ้นเท่านั้น

คุณรู้ได้อย่างไรว่าพวกเขามั่นคงแค่ไหน? ทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่าพวกมันจัดการกับประจุลบใหม่อย่างไร ถ้าพวกมันสามารถแยกความแตกต่างหรือกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพก็จะไม่สามารถใช้ในการเชื่อมกับฐาน H

- สามารถมีประจุบวกได้

กรดบางชนิดไม่ได้มีไฮโดรเจนที่ขาดอิเล็กตรอน แต่อาจมีอะตอมอื่น ๆ ที่สามารถรับอิเล็กตรอนได้โดยมีหรือไม่มีประจุบวก

นี่มันยังไง? ตัวอย่างเช่นในโบรอนไตรฟลูออไรด์ BF ₃อะตอม B ไม่มีค่าออกเตตของเวเลนซ์ดังนั้นจึงสามารถสร้างพันธะกับอะตอมใดก็ได้ที่ให้คู่อิเล็กตรอน หากมีประจุลบ F ^-รอบในบริเวณใกล้เคียงของมันเกิดปฏิกิริยาเคมีต่อไปนี้:

BF ₃ + F ^- => BF ₄ ^-

ในทางกลับกันไอออนบวกโลหะอิสระเช่น Al ³⁺ , Zn ²⁺ , Na ⁺เป็นต้นถือว่าเป็นกรดเนื่องจากสภาพแวดล้อมของพวกมันสามารถรับพันธะ (การประสานงาน) ของสิ่งมีชีวิตที่อุดมด้วยอิเล็กตรอนได้ ในทำนองเดียวกันพวกเขาทำปฏิกิริยากับ OH ^-ไอออนเพื่อตกตะกอนเป็นไฮดรอกไซด์ของโลหะ:

Zn ²⁺ (aq) + 2OH ^- (aq) => Zn (OH) ₂ (s)

สิ่งเหล่านี้เรียกว่ากรดลิวอิสในขณะที่โปรตอนที่บริจาคคือกรด Bronsted

- สารละลายของพวกเขามีค่า pH ต่ำกว่า 7

รูปภาพ: ระดับ pH

โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรดเมื่อละลายในตัวทำละลายใด ๆ (ซึ่งไม่ทำให้เป็นกลางอย่างเห็นได้ชัด) จะสร้างสารละลายที่มีค่า pH ต่ำกว่า 3 แม้ว่าจะต่ำกว่า 7 ก็ถือว่าเป็นกรดอ่อนมาก

สิ่งนี้สามารถตรวจสอบได้โดยใช้ตัวบ่งชี้ความเป็นกรด - เบสเช่นฟีนอฟทาลีนอินดิเคเตอร์สากลหรือน้ำกะหล่ำปลีสีม่วง สารประกอบเหล่านั้นที่เปลี่ยนสีเป็นสีที่ระบุว่ามี pH ต่ำจะถือว่าเป็นกรด นี่เป็นหนึ่งในการทดสอบที่ง่ายที่สุดในการตรวจสอบว่ามีอยู่หรือไม่

สามารถทำได้เช่นเดียวกันตัวอย่างเช่นสำหรับตัวอย่างดินที่แตกต่างกันจากส่วนต่างๆของโลกดังนั้นการกำหนดค่า pH ของพวกเขาร่วมกับตัวแปรอื่น ๆ

และในที่สุดกรดทั้งหมดจะมีรสเปรี้ยวตราบใดที่มันไม่เข้มข้นจนเผาผลาญเนื้อเยื่อของลิ้นอย่างกลับไม่ได้

- ความสามารถในการต่อต้านฐาน

Arrhenius ในทฤษฎีของเขาเสนอว่ากรดโดยสามารถสร้างโปรตอนทำปฏิกิริยากับไฮดรอกซิลของเบสเพื่อสร้างเกลือและน้ำในลักษณะต่อไปนี้:

HCl + NaOH → NaCl + H ₂ O

ปฏิกิริยานี้เรียกว่าการทำให้เป็นกลางและเป็นพื้นฐานของเทคนิคการวิเคราะห์ที่เรียกว่าการไตเตรท (Bruce Mahan, 1990)

กรดแก่และกรดอ่อน

กรดจัดเป็นกรดแก่และกรดอ่อน ความแรงของกรดสัมพันธ์กับค่าคงที่สมดุลดังนั้นในกรณีของกรดค่าคงที่เหล่านี้เรียกว่าค่าคงที่ของกรด Ka

ดังนั้นกรดแก่จึงมีค่าคงที่ของกรดมากจึงมีแนวโน้มที่จะแยกตัวออกอย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างของกรดเหล่านี้ ได้แก่ กรดซัลฟิวริกกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริกซึ่งค่าคงที่ของกรดมีมากจนไม่สามารถวัดได้ในน้ำ

ในทางกลับกันกรดอ่อนคือกรดที่มีค่าคงที่การแยกตัวต่ำดังนั้นจึงอยู่ในสภาวะสมดุลทางเคมี ตัวอย่างของกรดเหล่านี้มีกรดอะซิติกและกรดแลคติกและกรดไนตรัสที่มีความเป็นกรดคงอยู่ในลำดับที่ 10 -4 รูปที่ 1 แสดงค่าคงที่ของความเป็นกรดที่แตกต่างกันสำหรับกรดต่างๆ

รูปที่ 1: ค่าคงที่การแยกตัวของกรด

ตัวอย่างของกรด

ไฮโดรเจนเฮไลด์

ไฮโดรเจนเฮไลด์ทั้งหมดเป็นสารประกอบที่เป็นกรดโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อละลายในน้ำ:

-HF (กรดไฮโดรฟลูออริก)

-HCl (กรดไฮโดรคลอริก)

-HBr (กรดไฮโดรโบรมิก)

-HI (กรดไอโอดิก)

Oxoacids

กรดออกโซเป็นรูปแบบของ oxoanions ที่มีโปรตอน:

HNO ₃ (กรดไนตริก)

H ₂ SO ₄ (กรดซัลฟิวริก)

H ₃ PO ₄ (กรดฟอสฟอริก)

HClO ₄ (กรดเปอร์คลอริก)

กรดซุปเปอร์

กรดซุปเปอร์เป็นส่วนผสมของกรด Bronsted ที่เข้มข้นและกรดลิวอิสที่เข้มข้น เมื่อผสมแล้วจะก่อให้เกิดโครงสร้างที่ซับซ้อนซึ่งจากการศึกษาบางชิ้น H ⁺ "กระโดด" อยู่ภายใน

พลังกัดกร่อนของพวกมันนั้นแข็งแกร่งกว่า H ₂ SO _{4 แบบ}เข้มข้นหลายพันล้านเท่า ใช้ในการแตกโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในน้ำมันดิบให้เป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่แตกแขนงและมีมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจ

-BF ₃ / HF

-SbF ₅ / HF

-SbF ₅ / HSO ₃ F

-CF ₃ SO ₃ H

กรดอินทรีย์

กรดอินทรีย์มีลักษณะโดยการมีหมู่คาร์บอกซิลิก (COOH) อย่างน้อยหนึ่งกลุ่มและในหมู่พวกเขา ได้แก่ :

- กรดซิตริก (มีอยู่ในผลไม้หลายชนิด)

กรดมาลิก (จากแอปเปิ้ลเขียว)

- กรดอะซิติก (จากน้ำส้มสายชูทางการค้า)

- กรดบิวทิริก (จากเนยหืน)

- กรดทาร์ทาริก (จากไวน์)

- และตระกูลของกรดไขมัน

อ้างอิง

1. Torrens H. กรดและเบสแข็งและอ่อน . นำมาจาก: depa.fquim.unam.mx
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 พฤษภาคม 2561). ชื่อกรดทั่วไป 10 ชนิด ดึงมาจาก: thoughtco.com
3. Chempages Netorials กรดและเบส: โครงสร้างโมเลกุลและพฤติกรรม. นำมาจาก: chem.wisc.edu
4. เดเซียลคริส (27 เมษายน 2561). ลักษณะทั่วไปของกรดและเบส Sciencing ดึงมาจาก: sciencing.com
5. Pittsburgh Supercomputing Center (PSC) (25 ตุลาคม 2543). กู้คืนจาก: psc.edu.