# 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"  thumb| 150px | right |สเวนเต อาร์รีเนียส (Svante Arrhenius)

การแตกตัวในน้ำของกรด 
HCl (aq)  → H+ (aq) + Cl− (aq)
การแตกตัวในน้ำของเบส 
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  

สมการการแตกตัวด้วยตัวเองของน้ำ: 
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: 

H+(aq) + OH−(aq) →  H2O (l)

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: 
 150px | thumb| right | โยฮันเนส นิโคลัส เบรินสเตด (Johannes Nicolaus Brønsted) 
 150px |thumb| right | โทมัส มาร์ติน ลาวรี (Thomas Martin Lowry) 
AH + B  A− + BH+ 

พิจารณาการแตกตัวในน้ำของกรดอะซิติก (CH3COOH) ดังสมการ: 

CH3COOH (aq)) + H2O (l)   CH3COO− (aq)) + H3O+ (aq)

 500px

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

H3O+ + NH3   H2O + NH4+ 
[Fe(H2O)6]3+ + H2O  [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
H2SO4 + H2O  HSO4− + H3O+ 
CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO−
NH<sub>4<sub>+ + H2O  H3O+ + NH3

ดังที่กล่าวข้างต้น นิยามกรด-เบสตามทฤษฎีของเบรินสเตด ยังสามารถอธิบายปฏิกิริยากรด-เบสที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีของอาร์รีเนียส เช่น:  

 H3O+(aq) + Cl−(aq) + NH3 (g) → Cl−(aq) + NH4+(aq)
 HCl(benzene) + NH3(benzene) → NH4Cl(s)
 HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)

สารแอมโฟเทอริก

สารประกอบที่ทำหน้าที่ได้ทั้งกรดเบรินสเตดและเบสเบรินสเตด เรียกว่าเป็น แอมโฟเทอริก (Amphoteric) โดยน้ำเป็นตัวอย่างของสารแอมโฟเทอริก ดังสมการ:

 AH + B  A− + BH+ 

 HNO3 + H2O  NO3− + H3O+  
(น้ำทำหน้าที่เป็นเบส)

 H2O + NH=C(NH2)2   OH− + H2N=C(NH2)2+ 
(น้ำทำหน้าที่เป็นกรด) 

ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตด

ปฏิกิริยาสะเทินกรดเบสของเบรินสเตดหมายถึงปฏิกิริยาระหว่างคู่กรดและคู่เบสของโมเลกุลหนึ่ง ๆ เช่น: 

 H+ + OH−  H2O
 NH4+ + NH2−  2NH3
 H3SO4++HSO4− H2SO4

กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง

กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง (Autoionization Process) ที่พบเป็นปกติในตัวทำละลายโปรติก (protic solvent) คือ ปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏิกิริยาสะเทินนั่นเอง

 H2O  H+ + OH−
 2NH3  NH4+ + NH2−
 H2SO4  H3SO4++HSO4−

อนึ่ง ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง เรียกว่า ค่าคงที่การแตกตัวให้โปรตอนด้วยตัวเอง (Autoprotolysis Constant: KAP) หรือ ผลคูณไอออน (Ionic Product) ในกรณีของน้ำค่า KAP ใช้สัญลักษณ์เฉพาะเป็น KW ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1.0 × 10−14 
ที่อุณหภูมิ 25℃:
KAP =  KW = [H+][OH−] = 1.0 × 10−14 
ที่อุณหภูมิ 25℃

ค่า  pKAP ของ H2SO4 เท่ากับ 2.9 ที่อุณหภูมิ 25℃ และ pKAP ของ NH3 เท่ากับ 27.7 ที่อุณหภูมิ −50℃ และโดยทั่วไปแล้ว ค่า pKAP จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

+ ค่า pKw ของน้ำที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิอุณหภูมิ (℃)0 5 10 15 20 2530 35 40 45 50  pKw14.943 14.734 14.535 14.346 14.167 13.997 13.830 13.680 13.535 13.396 13.262 

[หมายเหตุ: ค่า pKAP = −logKAP กรณี   pKW = −log (1.0 × 10−14) = 14.0 ที่อุณหภูมิ 25℃]

ความแรงสัมพัทธ์ของกรดเบรินสเตด

ความแรงของกรดเบรินสเตดสามารถเปรียบเทียบโดยใช้ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Acid Dissociation Constant: Ka) โดยที่:

HA  A− + H+

อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่การแตกตัวของกรดเป็นค่าคงที่ที่เป็นค่าเฉพาะ ณ อุณหภูมิหนึ่ง ๆ และมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ รวมถึงขึ้นอยู่กับชนิดองตัวทำละลายด้วย ดังตารางเป็นตัวอย่างของค่า pKa ของกรดบางชนิดในตัวทำละลายชนิดต่าง ๆ ที่อุณหภูมิ 25℃

+pKa ของกรด (HA) และคู่กรด (conjugate acid, HB) ของเบส (B)HA  A− + H+ อะซิโตไนไตล์ (MeCN) ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO)น้ำกรด พารา-โทลูอีนซัลโฟนิก8.50.9เป็นกรดแก่มาก2,4-ไดไนโตรฟีนอล16.665.13.9กรดเบนโซอิก21.5111.14.2กรดอะซิติก23.51 12.64.756ฟีนอล 29.14 18.09.99BH+  B + H+พีโรลิดีน19.5610.811.4ไตรเอทิลามีน18.829.010.72พีริดีน12.533.45.2อะนิลีน10.623.64.6
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) 

ตัวอย่างปฏิกิริยากรด-เบสของลิวอิส

BF3 + F−   →  BF4−
BF3 + OMe2   →  BF3OMe2
I2  +  I−   → I3−
SiF4  +  2 F−   →   SiF62−

นิยามของ IUPAC

สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) ได้นิยามความหมายของกรด-เบสโดยรวมนิยามของเบรินสเตดและนิยามของลิวอิสเข้าด้วยกัน ดังนี้ 
 
"กรด หมายถึง หน่วยในระดับโมเลกุลหรือสปีชีส์ใด ๆ ทางเคมีที่มีความสามารถให้ ไฮดรอน (Hydron) (โปรตอน) (ตามนิยามกรดเบรินสเตด) หรือมีความสามารถที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์โดยรับคู่อิเล็กตรอน (ตามนิยามกรดลิวอิส)"
เบส หมายถึง หน่วยในระดับโมเลกุลหรือสปีชีส์ใด ๆ ทางเคมีที่มีความสามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์กับไฮดรอน (Hydron) (โปรตอน) (ตามนิยามเบสเบรินสเตด) หรือกับออร์บิทัลที่ว่างอยู่ของสปีชีส์อื่น ๆ (ตามนิยามเบสลิวอิส)"

ดูเพิ่ม
สารประกอบโคออร์ดิเนชัน
สมดุลเคมี
กรด
เบส
คู่กรด-เบส