ปฏิกิริยาระหว่างเบสกับโลหะ

       วันนี้ผู้เขียนมีโอกาสได้อ่านบทความเกี่ยวกับอุบัติเหตุในห้องปฏิบัติการ ของกรมโรงงานอุตสาหกรรม ที่เขียนโดยคุณริกาญจน์  ฉัตรสกุลวิไล ได้รับความรู้ที่สามารถสรุปได้ว่า ในการป้องกันอุบัติเหตุ ในห้องปฏิบัติการนั้นผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับ การใช้สารเคมีที่ถูกวิธี และการที่มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิกิริยาของสารต่าง ๆ ซึ่งอาจเกิดปฏิกิริยารุนแรง เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สไวไฟ เกิดการระเบิด หรือแก๊สพิษขึ้น จะช่วยลดหรือป้องกันอุบัติเหตุในการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการได้

       สารเคมีที่ทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดแก๊สไวไฟ มีหลายชนิดได้แก่ น้ำ กับสารประกอบโลหะไฮไดรด์ เช่น ลิเทียมไฮไดรด์ อะลูมิเนียมไฮไดรด์ กรดกับโลหะอะลูมิเนียม แมกนีเซียม สังกะสี โครเมียม เหล็ก ดีบุก นิกเกิล และตะกั่ว เมื่อเกิดปฏิกิริยากันแล้วจะให้แก๊สไฮโดรเจน ซึ่งปฏิกิริยาระหว่างกรดกับโลหะ ผู้เขียนได้เคยอธิบายไว้แล้วในบทเรียน เรื่องปฏิกิริยาระหว่างกรดกับโลหะ ในบทเรียนนี้จะขอกล่าวในรายละเอียดของเบสกับโลหะ  ซึ่งผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานั้นเกิด แก๊สไฮโดรเจน ซึ่งเป็นมีสมบัติติดไฟได้ง่าย ก่อนจะเรียนรู้ถึงปฏิกิริยา เรามาทบทวนความรู้ที่เกี่ยวข้องกันก่อนนะคะ

        เบส คือ สารที่มีค่า pH มากกว่า 7 ขึ้นไป มีรสฝาดหรือขม เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากสีแดงเป็น     สีน้ำเงิน เมื่อละลายน้ำแล้วจะลื่นคล้ายสบู่ เป็นสารละลายอิเล็กโตรไลต์ สามารถนำไฟฟ้าได้ เปลี่ยนสีฟีนอล์ฟทาลีน จากไม่มีสี เป็นสีชมพู หรือสีแดง และถ้าอธิบายตามทฤษฎีกรด-เบส ของนักเคมีที่สำคัญ ๆ สามารถอธิบายได้ดังนี้

        อาร์เรเนียส  นักเคมีชาวสวีเดนได้ให้นิยามไว้ว่า เบส คือ เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน ( OH^-  ) เช่น

                 KOH ( s ) + H₂O ( l )  -------------- >       K⁺ ( aq ) + OH^-  (aq) 

                 Ca (OH)₂ ( s ) + H₂O ( l )    -------------- >       Ca²⁺ ( aq ) + 2OH^-  (aq)                   

         เบรินสเตด – ลาวรี ได้ให้นิยาม เบส คือสารที่มีสมบัติรับโปรตอน ( Proton accepter ) จากสารอื่น  ตัวอย่างเช่น เมื่อ HCl ทำปฏิกิริยากับ NH₃ พบว่า HCl ให้ H⁺ แก่ NH₃  ดังนั้น HCl ทำหน้าที่เป็นกรด ในขณะที่ NH₃ ทำหน้าที่เป็นเบส ดังปฏิกิริยา A

                   HCl ( aq )  + NH₃ ( aq )  -------------- >  NH₄⁺ ( aq )  +  Cl^- ( aq ) ……….. ปฏิกิริยา A

                   กรด             เบส

                   NH₃ ( g ) + H₂O ( l )  -------------- >    NH₄⁺ ( aq ) + OH^-  (aq)      ……….. ปฏิกิริยา B            

                   เบส           กรด

        จากปฏิกิริยา B เมื่อ H₂O ทำปฏิกิริยากับ NH₃ พบว่า H₂O ให้ H⁺ แก่ NH₃  ดังนั้น H₂O ทำหน้าที่เป็นกรด ในขณะที่ NH₃ ทำหน้าที่เป็นเบส

      ลิวอิส  ให้นิยาม กรด –เบส โดยอาศัยการรับและการให้คู่อิเล็กตรอน โดยกล่าวไว้ว่า เบส คือสารที่สามารถให้คู่อิเล็กตรอน ( Electron pair donor ) กับกรด แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์  ดังตัวอย่างต่อไปนี้

         ในโมเลกุลของ NH₃ มีอิเล็กตรอนอยู่เหลืออยู่ 1 คู่ เมื่อรวมตัวกับ BF₃ ทำให้ BF₃ รวมตัวกับ NH₃ ตรงคู่อิเล็กตรอนนั้น NH₃ จึงเป็นฝ่ายให้อิเล็กตรอนคู่ ส่วน BF₃ เป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอนคู่ ดังนั้น NH₃ ก็เป็นเบสและ BF₃ ก็เป็นกรด

ประเภทของเบส

          เมื่อจำแนกประเภทของเบสตามการแตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน ( OH^- )  สามารถแบ่งออกได้ 2 ประเภทได้แก่

1. เบสแก่ คือ เบสที่แตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน ( OH^- ) ได้ 100% โดยไม่ขึ้นกับความเข้มข้น ได้แก่ CsOH, RbOH, KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)₂, Sr(OH)₂, Ca(OH)₂  ( OH^- ของหมู่ IA และ IIA )
2. เบสอ่อน คือ เบสที่แตกตัวให้ไฮดรอกไซด์ไอออน ( OH^- ) ไม่ 100% เช่น NH₃, NH₄OH   ซึ่งสารละลายเบสอ่อน ถ้ามีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายเบสแก่ จะนำไฟฟ้าได้น้อยกว่าเบสแก่ ทำปฏิกิริยากับโลหะสังกะสีหรือเกลือแอมโมเนียมได้ช้ากว่าเบสแก่ และ มีค่า pH น้อยกว่าเบสแก่

          ตัวอย่างสารในชีวิตประจำวันของเราที่มีฤทธิ์เป็นเบส ได้แก่ ยาลดกรด น้ำขี้เถ้า สบู่  ผงซักฟอก ผงฟู  น้ำปูนใสน้ำยาล้างจาน ( บางยี่ห้อ ) และยาสีฟัน

ปฏิกิริยาระหว่างเบสกับโลหะ

             จากการศึกษาค้นคว้าของผู้เขียน พบว่ามีโลหะที่ทำปฏิกิริยากับสารละลายเบสได้ คือ อะลูมิเนียม และ สังกะสี เมื่อทําปฏิกิริยากันแล้ว จะมีฟองแก๊สและความร้อนเกิดขึ้น ดังสมการ

                                 เบส + อะลูมิเนียม/สังกะสี   -------------- >   เกลือ + แก๊สไฮโดรเจน

             ตัวอย่าง การเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะอะลูมิเนียม และสังกะสี กับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ และสารละลายโพแตสเซียมไฮดรอกไซด์ ดังสมการ

                   2Al ( s ) + 2NaOH ( aq ) -------------- >       2NaAlO₂ + 3H₂ ( g )

                   Zn ( s ) + NaOH ( aq ) -------------- >       Na₂ZnO₂ + H₂ ( g )

                   2Al ( s ) + 2KOH ( aq ) + 6H₂O -------------- >        2K[Al(OH)₄] + 3H₂ ( g )

       จากปฏิกิริยาระหว่างเบสกับโลหะอะลูมิเนียมและสังกะสี จะเห็นได้ว่ามีแก๊สไฮโดรเจน ที่ติดไฟได้ง่ายเกิดขึ้น ดังนั้น เมื่อปฏิบัติงานทั้งในและนอกห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับปฏิกิริยาดังกล่าว จึงจำเป็นต้องปฏิบัติการด้วยความระมัดระวังอยู่เสมอ วิธีป้องกันที่ดีที่สุดคือ ไม่ใช้ หรือไม่ปล่อยให้มีเปลวไฟในห้องปฏิบัติการ        หรือใกล้บริเวณที่ทำปฏิกิริยา เพื่อป้องกันการเกิดเพลิงไหม้ ในขั้นการกำจัดของเสียที่เป็นสารละลายกรดและสารละลายเบสที่มีความเข้มข้นมากกว่า 10% ต้องทำให้เป็นกลางก่อน แล้วจึงเทลงท่อน้ำทิ้งและเปิดน้ำตามปริมาณมาก ๆ เพื่อป้องกันการกัดกร่อน และการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายได้

แหล่งที่มา

ณษมา ชัยพฤกษ์ และณิชาภัทร  คำสอน. ทฤษฎีกรด-เบส. สืบค้นเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2562. จาก https://sites.google.com/a/tupr.ac.th/krd-bes/thvsdi-krd-bes

ริกาญจน์  ฉัตรสกุลวิไล . อุบัติเหตุในห้องปฏิบัติการ. สืบค้นเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2562. จาก http://www2.diw.go.th/research/เอกสารเผยแพร่/อุบัติเหตุในห้องปฏิบัติการ.pdf

ศุภวรรณ ตันตยานนท์. เคมีกับความปลอดภัย ตอนที่ 1 อุบัติเหตุและการป้องกันอันตรายในห้องปฏิบัติการ :แนวปฏิบัติทั่วไป. สืบค้นเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2562. จาก  http://ww.chemsafety.research.chula.ac.th/html/content.html

Chemiday. ( 2018, 25 Feb ). Aluminum react with Potassium hydroxide and water. สืบค้นเมื่อวันที่ 23 มิถุนายน 2562. จาก https://chemiday.com/en/reaction/3-1-0-3052

ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส

        น้อง ๆ คงเคยได้ยินว่า เมื่อถูกแมลงเช่น ผึ้ง มด ต่อย ให้ใช้น้ำสบู่ สำลีชุบแอมโมเนีย หรือสารที่มีฤทธิ์เป็นเบสอ่อน ๆ เช็ดบริเวณที่ถูกแมลงต่อย หรือคนที่เป็นโรคกระเพาะ ให้รับประทานยาลดกรด ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น ?

        การกระทำดังกล่าวเป็นการนำความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาของกรดกับเบสมาใช้ เนื่องจากว่าเหล็กในของแมลงต่างๆ เช่น ผึ้ง มด จะมีสมบัติเป็นกรด เมื่อถูกแมลงพวกนี้ต่อย การใช้เบสอ่อน ๆ หรือผงฟูซึ่งมีสมบัติเป็นเบส เช็ดบริเวณที่ถูกแมลงต่อย เป็นการลบล้างฤทธิ์

        โรคกระเพาะ เกิดจากการที่มีกรดเกลือหลั่งลงไปในกระเพาะอาหารมากเกินไป อาจสืบเนื่องมาจาก ความเครียดของจิตใจหรือการกินอาหารที่ทำให้ระคายเคืองกระเพาะอาหารเข้าไป ทำให้เยื่อบุกระเพาะอักเสบหรือเป็นแผลในกระเพาะอาหารได้ ยาที่ใช้ในการรักษาจะต้องเป็นยาที่ไปลดความเข้มข้นของกรดเกลือในกระเพาะอาหาร โดยระงับการหลั่งของกรดเกลือ หรืออาจจะไประงับการสร้างกรดเกลือก็ได้ ยาต่างๆ เหล่านี้ได้แก่ยาที่มีส่วนผสมของสารพวกอลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ โซเดียมไบคาร์บอเนต     สารเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นเบสจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับกรดเกลือ เป็นการลดความเข้มข้นของกรดเกลือในกระเพาะอาหารได้

        นอกจากนี้ เกษตรกรยังมีการนำความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสไปใช้ในการปรับปรุงดินที่มีสภาพเป็นกรดซึ่งจะปลูกพืชไม่ได้ผลผลิตที่คุ้มทุน ต้องใส่ปูนขาวหรือดินมาร์ล ซึ่งเป็นเบสเพื่อลดความเป็นกรด

แต่ถ้าดินมีสภาพเป็นเบสมาก ก็จะมีการใส่ผงกำมะถัน เพื่อปรับสภาพดินให้เหมาะสมกับพืชที่ปลูก

        ที่กล่าวมาข้างต้น เป็นเพียงบางส่วนของการนำความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสมาใช้ในชีวิตประจำวัน เรามาทำความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบสกันว่ามีผลิตภัณฑ์อะไรเกิดขึ้นบ้างและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นนั้นมีสมบัติอย่างไร

ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส

          ปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส มีชื่อเรียกปฏิกิริยาหลายอย่าง ได้แก่ ปฏิกิริยาสะเทิน ( Neutralization ) หรือปฏิกิริยาการสะเทิน หรือ ปฏิกิริยาลบล้างฤทธิ์ ซึ่งคำว่า “สะเทิน” หมายถึงการทำให้เป็นกลาง ซึ่งเมื่อนำกรดมาทำปฏิกิริยากับเบสจะเกิดการลดความเข้มข้น หรือลดความเป็นกรดเป็นเบสของสารตั้งต้นลง

          เมื่อสารที่มีฤทธิ์เป็นกรดทำปฏิกิริยากับเบส จะเกิดผลิตภัณฑ์เป็นเกลือ และจะมีน้ำเกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่  ( ปฏิกิริยาสะเทินระหว่างกรดและเบสอาร์เรเนียส จะให้น้ำด้วยเสมอ ) แต่จะมีบางปฏิกิริยาที่ได้เกลือเพียงอย่างเดียว ดังสมการ

                             กรด + เบส    -------------- >        เกลือ + น้ำ

ชนิดของปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบส มีดังนี้

1. ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่

ตัวอย่างปฏิกิริยา ได้แก่

              H₂SO₄ ( aq ) + KOH ( aq ) -------------- >   K₂SO₄ ( aq )  + 2H₂O ( l )

              HCl ( aq ) + NaOH ( aq ) -------------- >    NaCl ( aq ) + H₂O ( l )

              HCl ( aq ) + KOH ( aq )  -------------- >     KCl ( aq ) + H₂O ( l )

2. ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน

ตัวอย่างปฏิกิริยา ได้แก่

              HCl ( aq ) + NH₄OH ( aq ) -------------- >   NH₄Cl ( aq ) + H₂O ( l )

              2 NH₃ ( g )  + H₂SO₄ ( aq ) -------------- >   (NH₄)₂SO₄ ( s )

              NH₃ ( aq ) + HCl ( aq )      -------------- >  NH₄Cl ( s )

3. ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่

ตัวอย่างปฏิกิริยา ได้แก่

              CH₃COOH ( aq ) + NaOH ( aq )   ------- >    CH₃COONa  ( aq )  + H₂O ( l )

          2CH₃COOH ( aq ) + Ca(OH)₂ ( aq ) ------- >     (CH₃COO)₂Ca ( aq ) + 2H₂O ( l )

             2H₃PO₄ ( aq ) + 3Ba (OH)₂  ( aq ) ------- >   Ba (PO₄)₂ ( aq )  +  6H₂O ( l )

4. ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อน

HCN ( aq ) +  NH₄OH ( aq ) ------- >  NH₄CN ( aq )  + H₂O ( l )

H₃PO₄ ( aq ) + NH₃  ( aq ) ------- >    (NH₄)₃ PO₄ ( aq )  

          ในการพิจารณาว่าเกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาสะเทินนั้น มีสมบัติเป็นกรด กลาง หรือเบสนั้น สามารถพิจารณาจากสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยากันดังนี้

1. เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่จะมีสมบัติเป็นกลาง เช่น

HCl ( aq ) + KOH ( aq )  ------- >  KCl ( aq ) + H₂O ( l )

                     กรดแก่    +   เบสแก่                             เกลือกลาง

2. เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อนจะมีสมบัติเป็นกรด เช่น

    2 NH₃ ( g )  + H₂SO₄ ( aq )  ------- >  (NH₄)₂SO₄ ( s )

        เบสอ่อน   + กรดแก่                              เกลือกรด

แอมโมเนียมซัลเฟต ((NH₄)₂SO₄ ) เป็นสารเคมีที่ใช้ในอุตสาหกรรมผลิตปุ๋ย มีสมบัติเป็นกรด   ช่วยปรับค่า pH ให้กับดิน

3. เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่จะมีสมบัติเป็นเบส

CH₃COOH ( aq ) + NaOH ( aq )   ------- >    CH₃COONa  ( aq )  + H₂O ( l )

   กรดอ่อน         + เบสแก่                          เกลือเบส

4. เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อนจะมีสมบัติเป็นกรด เบส หรือกลาง สามารถพิจาณาจากค่าคงที่การแตกตัวของกรด และเบส ( K_a, K_b ) โดย
   • ถ้าสารตั้งต้นที่เป็นกรดอ่อนมีค่าคงที่การแตกตัวของกรด ( K_a ) มากกว่าค่าคงที่การแตกตัวของเบส ( K_b ) ของสารตั้งต้นที่เป็นเบสอ่อนแล้ว เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยานี้จะมีสมบัติเป็นกรด เช่น

               H₃PO₄ ( aq ) + NH₃  ( aq )  ------- >  (NH₄)₃ PO₄ ( aq ) 

               K_a = 7.5 x 10^-3   K_b = 1.8 x 10^-5  ------- >  K_a > K_b = เกลือกรด

• ในทางตรงกันข้าม ถ้าสารตั้งต้นที่เป็นกรดอ่อนมีค่าคงที่การแตกตัวของกรด ( K_a ) น้อยกว่าค่าคงที่การแตกตัวของเบส ( K_b ) ของสารตั้งต้นที่เป็นเบสอ่อนแล้ว เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยานี้จะมีสมบัติเป็นเบส
• ถ้าสารตั้งต้นที่เป็นกรดอ่อนมีค่าคงที่การแตกตัวของกรด ( K_a ) เท่ากับค่าคงที่การแตกตัวของเบส ( K_b ) ของสารตั้งต้นที่เป็นเบสอ่อนแล้ว เกลือที่เกิดจากปฏิกิริยานี้จะมีสมบัติเป็นกลาง

แหล่งที่มา

ศรีลักษณ์  ผลวัฒนะ. ( 2562 ). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาสาสตร์ เคมีชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 2 .( พิมพ์ครั้งที่ 1 ). กรุงเทพ ฯ : แม็คเอ็ดดูเคชั่น

The Angle of Chemistry. เรื่องกรด-เบส Ep.11 การเกิดเกลือ เเละปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส. สืบค้นเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2562. จาก https://www.youtube.com/watch?v=u2DA2X2nUCw

ปิยวัฒน์  มีทรัพย์ และคณะ. กรด เบส เกลือ. สืบค้นเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2562. จาก https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/05/featured-content-3/