ทำความเข้าใจเรื่องไตเตรชั่น (ตอนที่ 2) กรดอ่อนกับเบสแก่ และเบสอ่อนกับกรดแก่ [เคมีวิเคราะห์, โปรแกรมแจกฟรี]

    เพื่อน ๆ ครับ กระทู้ก่อนหน้านี้เราได้พูดถึงเส้นโค้งไตเตรชั่นระหว่างกรดแก่และเบสแก่ไปแล้ว ในกระทู้นี้เราจะได้
    พิจารณากันถึง การไตเตรตระหว่างกรดอ่อนและเบสแก่กันบ้าง ซึ่งมีความสลับซับซ้อนกว่าครับ หลังจากได้พิจารณา
    หลักการแล้ว เราก็จะได้ประยุกต์โปรแกรมคอมพิวเตอร์มาช่วยเหลือการคำนวณให้สะดวก รวดเร็วขึ้น ซึ่งเราจะได้
    เห็นแนวโน้มของเส้นโค้งไตเตรชั่นระหว่างกรณีของกรดแก่กับเบสแก่ เปรียบเทียบกับกรณีกรดอ่อนกับเบสแก่ ที่มีค่า
    Ka (acid dissociation constant) แตกต่างกัน

    http://www.pantip.com/cafe/wahkor/topic/X2596320/X2596320.html

    โปรแกรมไตเตรชั่นเวอร์ชั่น 2 ที่ได้รับการปรับปรุงแล้วอยู่ใน อีเมลล์ TrialTempHere_2@hotmail.com มีพาสเวิร์ด
    download ครับ (เนื่องจากข้อจำกัดของขนาดหน่วยความจำในอีเมลล์ ผมจึงได้ลบเวอร์ชั่น 1 จากกระทู้ที่แล้วไป
    แต่เวอร์ชั่น 2 ก็คือ เวอร์ชั่น 1 ที่ได้รับการปรับปรุง ยังคงสร้างเส้นโค้งไตเตรชั่นกรดแก่และเบสแก่ได้ และตอนนี้ยัง
    สร้างเส้นโค้งไตเตรชั่นระหว่าง กรด(เบส)อ่อน และ เบส(กรด)แก่ ได้ด้วยครับ)

    แต่เวอร์ชั่น 2 นี้ก็ยังไม่สมบูรณ์ที่สุดครับ เพราะยังมีกรณีการสร้างเส้นโค้งไตเตรชั่นที่ยากกว่านี้ คือ กรณีของกรดอ่อน
    ที่แตกตัวให้โปรตอนได้ถึง 3 ครั้ง (มีค่า Ka สามค่า) อย่าง กรดฟอสฟอริค (Phosphoric acid,
    H3PO4) หรือ กรณีของเบสอ่อนที่ทำปฏิกิริยากับน้ำ ให้
    น้ำแตกตัวได้ไฮดรอกไซด์ไอออนได้ 2 ครั้ง (มีค่า Kb สองค่า)
    อย่างคาร์บอเนตไอออน (Carbonate ion, CO32-) และในกรณีที่ไตเตรตระหว่างกรดอ่อน
    และเบสอ่อน ผมหวังว่าในเวอร์ชั่น 3 หรือ 4 เราจะสามารถ Incorporate complex equilibria ส่วนนี้เข้าไปได้ด้วย
    ครับ ^ ^

    เราสามารถอาจเขียนสมการเคมี ระหว่างกรดอ่อนและคู่เบส ในสารละลายหนึ่ง ๆ ได้ดังนี้ครับ

    a) HA + H2O <------> H3O+ + A-
    Ka = [H3O+][A-]/[HA]

    b) A- + H2O <------> OH- + HA
    Kb = [OH-][HA]/[A-]

    สมมุติว่าเริ่มแรกสุด เรามีความเข้มข้นของ HA เป็น C(HA) และ A- เป็น C(NaA)

    จากสมการสมดุลมวล (mass balance) เราสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของ HA และ A- และ C(HA) กับ C(NaA) ดังนี้ครับ
    C(HA) + C(NaA) = [HA] + [A-]….(1)

    จากสมการสมดุลประจุ (charge balance)
    [Na+] + [H3O+] = [A-] + [OH-]…(2)

    เราทราบแล้วว่าความเข้มข้นของ Na+ มีค่าเท่ากับความเข้มข้นของ C(NaA)
    แทนค่าลงในสมการ (2) จะได้ว่า
    C(NaA) + [H3O+] = [A-] + [OH-]
    หรือ [A-] = C(NaA) + [H3O+] - [OH-]….(3)

    กลับซ้ายขวาสมการ (1) จากนั้นหาสมการ (4) จาก สมการ (1) – สมการ (3) เราจะได้
    [HA] + [A-] = C(HA) + C(NaA)….(กลับซ้ายขวาสมการ 1)
    [HA] = C(HA) - [H3O+] + [OH-]….(4) = (1) – (3)

    จากสมการ (3) และ (4) ความสัมพันธ์ระหว่าง [H3O+] และ [OH-] คือ
    [H3O+][OH-] = Kw = 1.00E-14

    ในการคำนวณหลาย ๆ กรณีเพื่อทำข้อสอบในชั้น ม.ปลาย หรือระดับปริญญาตรีนั้น ผลต่างระหว่าง
    [H3O+] และ [OH-] นั้นมักจะไม่มาก หรือในกรณีที่ค่า Ka และ Kb
    มากกว่า 0.001  เราสามารถสมมุติให้  [A-] = C(NaA) และ [HA] = C(HA) ได้ครับ ซึ่งเราสามารถ
    ตรวจสอบ หลังจากที่คำนวณค่า [H3O+] และ [OH-] ได้แล้วว่า ผลต่างระหว่าง
    [H3O+] และ [OH-] นั้นไม่มากจริงหรือไม่ ถ้าไม่ก็คำนวณใหม่ แต่โดยทั่วไปมัก
    ไม่มีปัญหา เพราะอาจารย์คงไม่อยากให้ข้อสอบยากเกินไป ^ ^ แต่ในการคำนวณจริงเพื่อสร้างเส้นโค้งไตเตรชั่น
    นั้นจำเป็นที่เราต้องใช้รูปเต็มของสมการ (3) และ (4) ครับ เพื่อให้การคำนวณถูกต้องสมบูรณ์ และในกรณีคำนวณ
    ค่า pH ที่บริเวณใกล้จุดสมมูล (pH calculation at equivalence point)

    ตัวอย่างสมการที่ต้องแก้
    Ka = [H3O+][C(NaA) + [H3O+] - Kw /   [H3O+]]  /  [C(HA) - [H3O+] + Kw / [H3O+]]….(5)

    เราสามารถใช้ numerical method โดยเทคนิค goal seek ใน EXCEL เพื่อหาคำตอบค่าของ  [H3O+] ได้ครับ

    เรายังสามารถลดรูปสมการนี้ลงไปได้อีก จนได้
    Ka = [H3O+][C(NaA)]/[C(HA)]  (หลังจากใช้สมมติฐานขั้นต้น)
    และเมื่อ take negative log ทั้งสองข้างของสมการเราจะได้ The Handerson-Hasselbalch Equation
    ซึ่งเพื่อน ๆ คงรู้จักกันดีครับ ที่ว่า pH = pKa + log[C(NaA)/C(HA)] สมการนี้เองที่นักเคมีใช้ในการหา
    ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Ka) จากข้อมูลการทดลอง เมื่อกรดอ่อนถูก neutralized ไปได้ครึ่งหนึ่ง
    (เมื่อ C(NaA) = C(HA)) จากเบสแก่ ค่า pH = pKa นี้เป็นบริเวณที่ buffer capacity (ความสามารถใน
    การต้านการเปลี่ยนแปลง pH) ของสารละลายมีค่าสูงสุดด้วยครับ

    แก้ไขเมื่อ 29 ธ.ค. 46 08:37:03

    แก้ไขเมื่อ 29 ธ.ค. 46 08:35:41

    จากคุณ : Practical x 2 - [ 29 ธ.ค. 46 08:15:23 ]