ทฤษฎีกรด–เบส

ทฤษฎีกรด-เบส  เป็นทฤษฎีที่ว่าด้วย นิยามหรือคำจำกัดความ (definition) ของสารเคมีที่มีสมบัติเป็นกรดและเบส โดยทั่วไปแล้ว ทฤษฎีกรด-เบสที่สำคัญ ได้อิงตามคำจำกัดความของนักเคมีที่สำคัญ ได้แก่ อาร์รีเนียส (Arrhenius) เบรินสเตด-ลาวรี (Brønsted-Lowry acid) และลิวอิส (Lewis) อย่างไรก็ตาม ยังมีนิยามที่เกี่ยวข้องกับการพิจารณาสมบัติในการโพลาไลซ์ของโมเลกุล คือ กรด-เบสแบบฮาร์ด-ซอฟต์ (Hard-Soft Acids-Bases: HSAB) และกฎของฟาจาน (Fahjan's Rules) โดยการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยากรด-เบสมักจะเกี่ยวข้องกับหลักการของสมดุลเคมี
นิยามของอาร์รีเนียส.
สเวนเต อาร์รีเนียส (Svante Arrhenius) นักเคมีชาวสวีเดนได้ให้คำจำกัดความของกรดและเบสขึ้น ในปี พ.ศ. 2427 โดยเกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน (H+) หรือ ไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) และไฮดรอกไซด์ไอออน (OH−) เมื่อสารนั้น ๆ ละลายน้ำ โดยระบุว่า "กรด หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนหรือไฮโดรเนียมไอออนเพิ่มขึ้น" และ "เบส หมายถึง สารที่ละลายน้ำแล้วแตกตัวทำให้ความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออนเพิ่มขึ้น" 
HCl ("aq") → H+ ("aq") + Cl− ("aq")
NaOH ("aq") → Na+ ("aq") + OH− ("aq")
อย่างไรก็ตาม น้ำบริสุทธิ์ จะมีสมบัติเป็นกลาง เนื่องจากการแตกตัวด้วยตัวเอง (Auto-dissociation) ของน้ำจะอยู่ในสภาวะสมดุลระหว่างความเข้มข้นของ (H3O+) และ (OH−) ซึ่งมีค่าเท่ากัน ดังนั้น การละลายน้ำของสารที่เป็นกรดตามนิยามของอาร์รีเนียสจึงไปทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนเพิ่มขึ้น อนึ่ง เนื่องจากไฮโดรเจนไอออน (H+) เป็นไอออนที่มีอนุภาคมูลฐานเป็นโปรตอนเพียงตัวเดียว นักเคมีจึงนิยมเรียกว่า โปรตอน ทั้งนี้ หากโปรตอนละลายอยู่ในน้ำก็อาจจะเขียนแทนได้เป็น (H3O+) ที่เกิดจากการรวมตัวของโปรตอนกับโมเลกุลของน้ำ 
H2O("l") + H2O("l") ⇌ H3O+("aq") + OH−("aq")
ปัญหาที่สำคัญของทฤษฎีกรด-เบสของอาร์รีเนียส คือ ไม่สามารถระบุความเป็นกรด-เบสของสารที่ไม่ละลายน้ำได้ และไม่สามารถระบุความเป็นกรดที่ไม่มีไฮโดรเจนได้ เช่น AlCl3 หรือเบสที่ไม่มีไฮดรอกไซด์ไอออน เช่น NH3 หรือ N(CH3)3 ได้ จึงมีการนิยามขึ้นใหม่โดยนักเคมีรุ่นหลัง
ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของอาร์รีเนียส.
ปฏิกิริยาสะเทิน (Neutralization)กรด-เบสของอาร์รีเนียสเป็นปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนไอออน (H+) และไฮดรอกไซด์ไอออน (OH−) เกิดเป็นน้ำ ดังสมการ: 
นิยามของเบรินสเตด-ลาวรี.
โยฮันเนส นิโคลัส เบรินสเตด (Johannes Nicolaus Brønsted) และ ทอมัส มาร์ติน ลาวรี (Thomas Martin Lowry) นักเคมีสองคนได้ให้คำจำกัดความของกรด-เบสใหม่ ในปี พ.ศ. 2466 โดยเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโปรตอน (Proton Transferring) โดยเป็นทฤษฎีที่ครอบคลุมและอธิบายสมบัติของกรด-เบสได้ดีกว่าทฤษฎีของอาร์รีเนียส โดยกล่าวว่า "กรด (AH) หมายถึง สารที่ให้โปรตอน (Proton Donor) แก่เบส " และ "เบส (B) หมายถึงสารที่รับโปรตอน (Proton Acceptor) จากกรด" ดังสมการ: 
AH + B ⇌ A− + BH+ 
พิจารณาการแตกตัวในน้ำของกรดอะซิติก (CH3COOH) ดังสมการ: 
CH3COOH ("aq")) + H2O ("l") ⇌ CH3COO− ("aq")) + H3O+ ("aq")
ในสมการทิศทางไปข้างหน้า น้ำทำหน้าที่เป็น เบสเบรินสเตด (Brønsted Base) เนื่องจากรับโปรตอน (H+) มาจากกรดอะซิติก และกรดอะซิติกทำหน้าที่เป็น กรดเบรินสเตด (Brønsted Acid) และเมื่อพิจารณาสมการย้อนกลับ อะซิเตตไอออน (CH3COO−) ทำหน้าที่เป็นเบสเบรินสเตด เนื่องจากรับโปรตอน (H+) มาจากไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) ที่เป็นกรดเบรินเสตด(เนื่องจากให้โปรตอนแก่อะซิเตดไอออน) 
จากตัวอย่างข้างต้น ทำให้เกิด คู่กรด-เบสสังยุค (conjugate acid–base pair) ขึ้น โดย กรดอะซิติก (CH3COOH) เป็นคู่กรด (conjugate acid) ของอะซิเตตไอออน (CH3COO−) และอะซิเตตไอออน (CH3COO−) เป็นคู่เบส (conjugate base) ของกรดอะซิติก และในทำนองเดียวกัน น้ำ (H2O) เป็นคู่เบสของไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) 
ตัวอย่างปฏิกิริยากรดเบสของเบรินสเตด.
ดังที่กล่าวข้างต้น นิยามกรด-เบสตามทฤษฎีของเบรินสเตด ยังสามารถอธิบายปฏิกิริยากรด-เบสที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีของอาร์รีเนียส เช่น: 
สารแอมโฟเทอริก.
สารประกอบที่ทำหน้าที่ได้ทั้งกรดเบรินสเตดและเบสเบรินสเตด เรียกว่าเป็น แอมโฟเทอริก (Amphoteric) โดยน้ำเป็นตัวอย่างของสารแอมโฟเทอริก ดังสมการ:
(น้ำทำหน้าที่เป็นกรด) 
ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตด.
ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตดหมายถึงปฏิกิริยาระหว่างคู่กรดและคู่เบสของโมเลกุลหนึ่ง ๆ เช่น: 
กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง.
กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง (Autoionization Process) ที่พบเป็นปกติในตัวทำละลายโปรติก (protic solvent) คือ ปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏิกิริยาสะเทินนั่นเอง
อนึ่ง ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง เรียกว่า ค่าคงที่การแตกตัวให้โปรตอนด้วยตัวเอง (Autoprotolysis Constant: "K"AP) หรือ ผลคูณไอออน (Ionic Product) ในกรณีของน้ำค่า "K"AP ใช้สัญลักษณ์เฉพาะเป็น "K"W ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1.0 × 10−14 
ที่อุณหภูมิ 25℃:
"K"AP = "K"W = [H+][OH−] = 1.0 × 10−14 
ที่อุณหภูมิ 25℃
ค่า p"K"AP ของ H2SO4 เท่ากับ 2.9 ที่อุณหภูมิ 25℃ และ p"K"AP ของ NH3 เท่ากับ 27.7 ที่อุณหภูมิ −50℃ และโดยทั่วไปแล้ว ค่า p"K"AP จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ
[หมายเหตุ: ค่า p"K"AP = −log"K"AP กรณี p"K"W = −log (1.0 × 10−14) = 14.0 ที่อุณหภูมิ 25℃]
ความแรงสัมพัทธ์ของกรดเบรินสเตด.
ความแรงของกรดเบรินสเตดสามารถเปรียบเทียบโดยใช้ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Acid Dissociation Constant: "K"a) โดยที่:
HA ⇌ A− + H+
<math>K_{\mathrm a} = \mathrm{\frac{[A^-] [H^+]}{[HA]}}</math>
<math>\ pK_{\mathrm a} = - \log_{10}K_{\mathrm a}</math>
อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่การแตกตัวของกรดเป็นค่าคงที่ที่เป็นค่าเฉพาะ ณ อุณหภูมิหนึ่ง ๆ และมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ รวมถึงขึ้นอยู่กับชนิดองตัวทำละลายด้วย ดังตารางเป็นตัวอย่างของค่า p"K"a ของกรดบางชนิดในตัวทำละลายชนิดต่าง ๆ ที่อุณหภูมิ 25℃
อย่างไรก็ตาม ในปฏิกิริยาที่สารไม่มีโปรตอนหรือไม่มีการถ่ายโอนโปรตอน ทฤษฎีกรด-เบสของเบรินสเตด-ลาวรีไม่สามารถอธิบายได้ เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง BF3กับ Me3N: เป็นต้น จึงมีการนิยามกรด-เบสขึ้นมาใหม่ในปีเดียวกันโดย ลิวอิส
นิยามของลิวอิส.
กิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส (Gilbert Newton Lewis) นักเคมีชาวอเมริกัน ได้เสนอนิยามของกรด-เบสในปี พ.ศ. 2466 โดยพิจารณาการให้และการรับคู่อิเล็กตรอน (Electron Pair) ซึ่งกล่าวว่า "กรด หมายถึง สารที่รับคู่อิเล็กตรอน (Electron Pair Acceptor)" และ "เบส หมายถึง สารที่ให้คู่อิเล็กตรอน (Electron Pair Donor)" เช่น:
Me3N: + BF3 → Me3N: + BF3
โดย Me3N: เป็น เบสลิวอิส (Lewis Base) เนื่องจากให้คู่อิเล็กตรอนแก่ BF3 และ BF3 เป็น กรดลิวอิส (Lewis Acid) เนื่องจากรับคู่อิเล็กตรอนมาจาก Me3N: ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยากรด-เบสของลิวอิส เรียกว่า แอดดักต์ (Adduct) หรือ สารเชิงซ้อน (Complex) 
นิยามของ IUPAC.
สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) ได้นิยามความหมายของกรด-เบสโดยรวมนิยามของเบรินสเตดและนิยามของลิวอิสเข้าด้วยกัน ดังนี้