เครื่องคำนวณการสะเทินกรด-เบส - ปฏิกิริยาสโตอิคิโอเมตรีการสะเทิน

เครื่องคำนวณการทำให้เป็นกลาง

เครื่องคำนวณการทำให้เป็นกลางใช้หาปริมาณกรดหรือเบสที่ต้องใช้เพื่อทำให้สารตรงข้ามในปริมาณที่กำหนดหมดฤทธิ์ เครื่องคำนวณปริมาตรของกรดหรือเบสที่เลือกซึ่งจะทำปฏิกิริยากับสารละลายตั้งต้นอย่างสมบูรณ์ และแสดงสมการดุลของปฏิกิริยา

การทำให้กรด-เบสเป็นกลางคืออะไร?

การทำให้เป็นกลางเป็นปฏิกิริยาเคมีระหว่างกรดกับเบส โดยทั่วไปจะได้เกลือและน้ำ ทฤษฎีเบรินสเตด-ลาวรี ซึ่งเป็นคำนิยามมาตรฐานที่ใช้ในเคมีสมัยใหม่ อธิบายว่ากรดคือสารที่ให้ไฮโดรเจนไอออน (H⁺) ส่วนเบสคือสารที่รับไฮโดรเจนไอออน ปฏิกิริยาทั่วไปคือ:

$\text{กรด} + \text{เบส} \rightarrow \text{เกลือ} + \text{น้ำ}$

ในระดับโมเลกุล ไฮโดรเจนไอออนจากกรดจะรวมกับไฮดรอกไซด์ไอออน (OH⁻) จากเบสเพื่อเกิดเป็นน้ำ:

$\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$

แอมโมเนีย (NH₃) เป็นข้อยกเว้นในบรรดาเบสที่เครื่องคำนวณนี้มีให้เลือก แอมโมเนียไม่มีไฮดรอกไซด์ไอออนให้ จึงรับไฮโดรเจนไอออนไว้กับตัวเอง กรดกับแอมโมเนียให้แอมโมเนียมเกลือและไม่เกิดน้ำเลย: HCl + NH₃ → NH₄Cl เครื่องคำนวณจะแสดงผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจริงสำหรับสารแต่ละคู่ ดังนั้นปฏิกิริยากับแอมโมเนียจึงไม่ระบุว่าเกิดน้ำ

การทำให้เป็นกลางคายความร้อน กรดและเบสเข้มข้นอาจร้อนขึ้นอย่างเห็นได้ชัดขณะทำปฏิกิริยาทำให้กันเป็นกลาง จึงมีคำแนะนำด้านความปลอดภัยให้เติมกรดลงในน้ำ ไม่ใช่เติมน้ำลงในกรด

วิธีคำนวณการทำให้กรด-เบสเป็นกลาง

การคำนวณการทำให้เป็นกลางอาศัยสโตอิชิโอเมทรี ซึ่งเป็นหลักที่ว่าสารจะทำปฏิกิริยากันในสัดส่วนคงที่ตามสูตรเคมีของสารนั้น การทำให้เป็นกลางอย่างสมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อปริมาณรวมของ H⁺ จากกรดเท่ากับปริมาณรวมของ OH⁻ จากเบส

จำนวนโมลของสารในสารละลายคำนวณได้จากความเข้มข้นและปริมาตร:

$n = \frac{C \times V}{1000}$

โดย $n$ คือจำนวนโมล $C$ คือความเข้มข้นในหน่วย mol/L และ $V$ คือปริมาตรในหน่วย mL (การหารด้วย 1000 เป็นการแปลง mL เป็น L)

กรดและเบสหลายชนิดให้ H⁺ หรือ OH⁻ มากกว่าหนึ่งไอออนต่อหนึ่งโมเลกุล กรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) ให้ H⁺ สองไอออน ส่วนกรดฟอสฟอริก (H₃PO₄) ให้สามไอออน จำนวนนี้เรียกว่าปัจจัยสมมูล $e$ สำหรับการทำให้เป็นกลางอย่างสมบูรณ์:

$n_a \times e_a = n_b \times e_b$

เมื่อนำสมการทั้งสองมารวมกันและแก้สมการหาปริมาตรที่ต้องใช้ของสารทำให้เป็นกลาง จะได้:

$V_{\text{ที่ต้องใช้}} = \frac{n_{\text{แหล่งเดิม}} \times e_{\text{แหล่งเดิม}} \times 1000}{C_{\text{เป้าหมาย}} \times e_{\text{เป้าหมาย}}}$

โดย $n_{\text{source}}$ และ $e_{\text{source}}$ อธิบายกรดหรือเบสที่มีอยู่แล้วในสารละลาย ส่วน $C_{\text{target}}$ และ $e_{\text{target}}$ อธิบายกรดหรือเบสที่เติมลงไปเพื่อทำให้สารนั้นเป็นกลาง

ปัจจัยสมมูลของกรดและเบสทั่วไป

ตัวอย่าง: การทำให้กรดไฮโดรคลอริกเป็นกลางด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์

ห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งมีกรดไฮโดรคลอริก (HCl) 100 มล. ความเข้มข้น 1.0 mol/L และต้องการทราบว่าต้องใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ความเข้มข้น 1.0 mol/L เท่าใดจึงจะทำให้กรดเป็นกลาง

1. จำนวนโมลของ HCl: $n = (1.0 \times 100) / 1000 = 0.1$ mol
2. HCl มีปัจจัยสมมูลเท่ากับ 1 จึงให้ H⁺ ปริมาณ 0.1 mol
3. NaOH ก็มีปัจจัยสมมูลเท่ากับ 1 ดังนั้นต้องใช้ NaOH ปริมาณ 0.1 mol
4. ปริมาตรที่ต้องใช้: $V = (0.1 \times 1000) / 1.0 = 100$ mL

ปฏิกิริยาคือ HCl + NaOH → NaCl + H₂O ดังนั้น NaOH ความเข้มข้น 1.0 mol/L ปริมาตร 100 มล. จะทำให้กรดเป็นกลางได้พอดี

ตัวอย่าง: การทำให้กรดไดโพรติกเป็นกลาง

ตัวอย่างนี้ใช้ความเข้มข้นสองค่าที่แตกต่างกัน จึงคำนวณด้วยสูตรแทนการใช้เครื่องคำนวณ โรงงานแห่งหนึ่งมีน้ำเสีย 10,000 ล. ที่มีกรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) ความเข้มข้น 0.05 mol/L และทำให้เป็นกลางด้วยสารแขวนลอยแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (Ca(OH)₂) ความเข้มข้น 2 mol/L

1. จำนวนโมลของ H₂SO₄: $0.05 \times 10{,}000 = 500$ mol
2. H₂SO₄ มีปัจจัยสมมูลเท่ากับ 2 จึงให้ H⁺ ปริมาณ $500 \times 2 = 1000$ mol
3. Ca(OH)₂ มีปัจจัยสมมูลเท่ากับ 2 ดังนั้นต้องใช้ Ca(OH)₂ จำนวนโมล $1000 / 2 = 500$ mol
4. ปริมาตรที่ต้องใช้: $500 / 2 = 250$ L ของสารแขวนลอยความเข้มข้น 2 mol/L

ปฏิกิริยาคือ H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + 2H₂O ในทางปฏิบัติ ผู้ปฏิบัติงานจะเติมสารแขวนลอยทีละน้อยและตรวจวัดค่า pH ด้วยเครื่องวัด เนื่องจากการผสมและสิ่งเจือปนอาจทำให้ปริมาตรที่ต้องใช้จริงคลาดเคลื่อนได้เล็กน้อย

วิธีใช้เครื่องคำนวณการทำให้เป็นกลาง

1. เลือกว่าสารละลายตั้งต้นเป็นกรดหรือเบส
2. เลือกสารเคมีที่ต้องการ เช่น HCl, H₂SO₄ หรือ NaOH เครื่องคำนวณจะใช้ปัจจัยสมมูลที่ถูกต้องโดยอัตโนมัติ
3. ป้อนความเข้มข้นในหน่วย mol/L
4. ป้อนปริมาตรในหน่วย mL
5. เลือกกรดหรือเบสที่จะใช้ทำให้สารนั้นเป็นกลาง
6. อ่านปริมาตรที่ต้องใช้ในหน่วย mL สมการดุล และแผนภาพที่ระบุชื่อผลิตภัณฑ์

เครื่องคำนวณจะถือว่าสารละลายที่ใช้ทำให้เป็นกลางมีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายตั้งต้น และจะแสดงความเข้มข้นนั้นพร้อมกับปริมาตร หากต้องการใช้ความเข้มข้นสองค่าที่แตกต่างกัน ให้ใช้สูตรข้างต้นและใส่ความเข้มข้นที่สองเป็น $C_{\text{target}}$

ความเข้มข้นต้องอยู่ในหน่วย mol/L (โมลาริตี) ไม่ใช่มวลต่อปริมาตร สารละลายที่ระบุเป็นกรัมต่อลิตรสามารถแปลงได้โดยหารด้วยมวลโมลาร์ของสาร

การประยุกต์ใช้การคำนวณการทำให้เป็นกลาง

• การไทเทรต: การทราบปริมาตรที่คาดว่าจะถึงจุดยุติล่วงหน้าช่วยให้นักวิเคราะห์ชะลอการเติมเมื่อเข้าใกล้จุดสมมูล และหลีกเลี่ยงการเติมเกินจุดดังกล่าว
• การบำบัดน้ำเสีย: โรงงานอุตสาหกรรมต้องปรับน้ำเสียที่เป็นกรดหรือด่างให้มีค่า pH อยู่ในขอบเขตตามกฎหมาย โดยทั่วไปคือ pH 5.5–9.5 ก่อนปล่อยทิ้ง
• การผลิต: การผลิตอาหาร เครื่องดื่ม และเภสัชภัณฑ์มักต้องปรับค่า pH อย่างแม่นยำเพื่อความปลอดภัยและความสม่ำเสมอ
• การแปรรูปโลหะ: การกัดผิวโลหะด้วยกรดทำให้เกิดของเสียที่เป็นกรด ซึ่งโดยทั่วไปจะทำให้เป็นกลางด้วยแคลเซียมไฮดรอกไซด์เนื่องจากมีราคาถูก
• การศึกษา: การคำนวณช่วยให้นักเรียนเคมีคาดการณ์ผลการไทเทรตก่อนทำการทดลอง

ผลลัพธ์นี้ถือว่ากรดและเบสแตกตัวอย่างสมบูรณ์ ซึ่งใกล้เคียงความเป็นจริงสำหรับกรดและเบสแก่ เช่น HCl, H₂SO₄, NaOH และ KOH กรดและเบสอ่อน เช่น กรดอะซิติกหรือแอมโมเนีย ไม่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ในน้ำ ดังนั้นปริมาตรที่คำนวณได้จึงเป็นค่าประมาณที่ใกล้เคียง ไม่ใช่ค่าที่ตรงกับผลในห้องปฏิบัติการทุกประการ

ประวัติการทำให้กรด-เบสเป็นกลาง

นักเคมีในยุคแรกจำแนกกรดและเบสจากรสชาติ คำว่า "กรด" มาจากภาษาละติน acidus ซึ่งหมายถึงมีรสเปรี้ยว ใน 1884 สวันเต อาร์เรเนียสให้นิยามกรดว่าเป็นสารที่สร้าง H⁺ ในน้ำ และเบสว่าเป็นสารที่สร้าง OH⁻ พร้อมอธิบายการทำให้เป็นกลางว่าเป็นการรวมตัวของไอออนเหล่านี้เพื่อเกิดเป็นน้ำ ใน 1923 โยฮันเนส เบรินสเตดและโทมัส โลว์รีให้นิยามกรดและเบสใหม่อย่างเป็นอิสระต่อกันว่าเป็นผู้ให้และผู้รับโปรตอน ซึ่งขยายแนวคิดให้ครอบคลุมปฏิกิริยาที่ไม่ได้เกิดในน้ำ ในปีเดียวกันนั้น กิลเบิร์ต ลูอิสเสนอคำนิยามที่กว้างขึ้นโดยอาศัยคู่อิเล็กตรอน ครอบคลุมปฏิกิริยาที่ไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโปรตอนเลย

คำถามที่พบบ่อย

ปฏิกิริยาการทำให้เป็นกลางคืออะไร คือปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสที่เป็นไปตามรูปแบบ กรด + เบส → เกลือ + น้ำ ตัวอย่างเช่น HCl + NaOH → NaCl + H₂O การที่กรดทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเป็นข้อยกเว้น โดยเกิดแอมโมเนียมเกลือและไม่เกิดน้ำ ดังเช่น HCl + NH₃ → NH₄Cl

เครื่องคำนวณการทำให้เป็นกลางมีความแม่นยำเพียงใด สำหรับกรดและเบสแก่ ผลลัพธ์โดยทั่วไปอยู่ภายใน 1–2% ของผลที่วัดได้จากการไทเทรต สำหรับกรดและเบสอ่อน ปริมาตรที่คำนวณได้เป็นค่าประมาณ เนื่องจากสารชนิดอ่อนไม่แตกตัวอย่างสมบูรณ์ในน้ำ

เครื่องคำนวณใช้หน่วยใด ความเข้มข้นในหน่วย mol/L (โมลาริตี) และปริมาตรในหน่วย mL ความเข้มข้นที่ระบุเป็น g/L สามารถแปลงเป็น mol/L ได้โดยหารด้วยมวลโมลาร์ของสารในหน่วย g/mol

จัดการกับกรดพอลิโพรติก เช่น H₂SO₄ หรือ H₃PO₄ อย่างไร โดยใช้ปัจจัยสมมูล ซึ่งนับจำนวน H⁺ หรือ OH⁻ ที่หนึ่งโมเลกุลสามารถให้ได้ H₂SO₄ มีปัจจัยเท่ากับ 2 และ H₃PO₄ มีปัจจัยเท่ากับ 3 ดังนั้นเครื่องคำนวณจะคูณจำนวนโมลด้วยปัจจัยนี้ก่อนเปรียบเทียบกรดกับเบส

เครื่องคำนวณนี้ช่วยเรื่องการไทเทรตหรือการเตรียมบัฟเฟอร์ได้หรือไม่ เครื่องคำนวณสามารถประมาณปริมาตรที่ถึงจุดยุติสำหรับการไทเทรตได้ สำหรับบัฟเฟอร์ซึ่งต้องทำให้เป็นกลางเพียงบางส่วนเพื่อรักษา pH ให้คงที่ ปริมาตรที่คำนวณได้สำหรับการทำให้เป็นกลางอย่างสมบูรณ์เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ต้องใช้สมการเฮนเดอร์สัน-แฮสเซลบาล์คเพื่อกำหนดอัตราส่วนกรดต่อเบสสุดท้าย

เหตุใดปริมาตรที่ใช้จริงจึงอาจแตกต่างจากค่าที่คำนวณได้ สาเหตุทั่วไป ได้แก่ สิ่งเจือปนในสารเคมีเกรดรีเอเจนต์ การผสมไม่สมบูรณ์ การดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์โดยเบส เช่น NaOH และการระเหยซึ่งทำให้ความเข้มข้นของสารละลายเปลี่ยนไปตามเวลา ความแตกต่างเล็กน้อยในระดับไม่กี่เปอร์เซ็นต์ถือเป็นเรื่องปกติ ส่วนความแตกต่างเกิน 10% มักชี้ว่ามีข้อผิดพลาดในการป้อนข้อมูล

เอกสารอ้างอิง

1. IUPAC. ประมวลศัพท์เคมี (โกลด์บุ๊ก)
2. IUPAC. ทฤษฎีกรด-เบสของเบรินสเตด-ลาวรี
3. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., และ Woodward, P. M. (2017). เคมี: วิทยาศาสตร์แกนกลาง (ฉบับที่ 14). Pearson
4. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (การวิเคราะห์ทางเคมีเชิงปริมาณ) (ฉบับที่ 9). W. H. Freeman and Company.