สารละลายกรดและเบสจัดเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ โดยกรดหรือเบสที่เป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ เรียกว่า กรดแก่หรือเบสแก่ ส่วนกรดหรือเบสที่เป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน เรียกว่า กรดอ่อนหรือเบสอ่อน ตามลำดับ ซึ่งสารเหล่านี้จะแตกตัวเป็นไอออนได้แตกต่างกัน ดังนี้ การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่ การแตกตัวของกรดอ่อน การแตกตัวของเบสอ่อน
1.การแตกตัวของกรดแก่และเบสแก่
สารละลายกรดแก่และเบสแก่จัดเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ สารตั้งต้นแตกตัวเป็นไอออนได้มาก หรือแตกตัวเป็นไอออนได้อย่างสมบูรณ์ หากทราบความเข้มข้นของกรดแก่หรือเบสแก่ จะสามารถบอกความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) หรือไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) ในสารละลายได้ ตัวอย่างเช่น
กรดแก่ เช่น สารละลาย HCl เข้มข้น 0.5 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร จะแตกตัวให้ H3O+ และ Cl- อย่างละ 0.5 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร ดังสมการ
HCl (aq) + H2O (l) ---------> H3O+ (aq) + Cl- (aq)
ความเข้มข้นเริ่มต้น 0.5 mol/dm3 - -
ความเข้มข้นสุดท้าย - 0.5 mol/dm3 0.5 mol/dm3
เบสแก่ เช่น สารละลาย NaOH เข้มข้น 1.5 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร จะแตกตัวให้ Na+ และ OH- อย่างละ 1.5 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร ดังสมการ
H2O
NaOH (s) ----------> Na+ (aq) + OH- (aq)
ความเข้มข้นเริ่มต้น 1.5 mol/dm3 - -
ความเข้มข้นสุดท้าย - 1.5 mol/dm3 1.5 mol/dm3
ส่วนเบสแก่ เช่น สารละลาย Ca(OH)2 เข้มข้น 2 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร จะแตกตัวให้ Ca2+ 2 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร และ OH- 4 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร ดังสมการ
H2O
Ca(OH)2 (s) -----------> Ca2+ (aq) + 2OH- (aq)
ความเข้มข้นเริ่มต้น 2 mol/dm3 - -
ความเข้มข้นสุดท้าย - 2 mol/dm3 4 mol/dm3
ตัวอย่างกรดแก่และเบสแก่
จากความรู้เรื่องการแตกตัวของสารละลายกรดแก่และเบสแก่ เมื่อทราบความเข้มข้นของสารละลายกรดแก่และเบสแก่ จะสามารถคำนวณหาปริมาณ หรือความเข้มข้นของไอออนในสารละลายได้
2. การแตกตัวของกรดอ่อน
กรดอ่อนเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อน เพราะกรดอ่อนแตกตัวเป็นไอออนได้บางส่วน โดยมีโมเลกุลของสารตั้งต้นของกรดละลายอยู่ในสารละลาย การแตกตัวของกรดอ่อนเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ ณ ภาวะสมดุลจึงมีทั้งสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ การบอกความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนในสารละลายกรดอ่อนจึงต้องทราบว่าโมเลกุลของกรดแตกตัวไปเท่าใด โดยทั่วไปนิยมบอกการแตกตัวเป็นร้อยละ ตัวอย่างเช่น HA เป็นกรดมอนอโปรติกที่แตกตัวเป็นไอออนไม่หมด ณ ภาวะสมดุลเกิดการเปลี่ยนแปลง ดังนี้
HA (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ + A- (aq)
สำหรับการคำนวณร้อยละการแตกตัวของกรดอ่อน สามารถคำนวณได้จากปริมาณกรดเริ่มต้น และปริมาณไฮโดรเนียมไอออนที่แตกตัวออกมา แล้วเทียบว่าหากกรดอ่อนเริ่มต้นเข้มข้น 100 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร จะมีปริมาณไฮโดรเนียมไอออนคิดเป็นเท่าใด ตัวอย่างเช่น
ถ้าสารละลายกรด HA เข้มข้น 1 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร แตกตัวได้ร้อยละ 3 หมายความว่า ในสารละลายปริมาตร 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร มีกรด HA ละลายอยู่ 1 โมล เมื่ออยู่ในภาวะสมดุล กรด HA ที่เป็นสารตั้งต้นจะแตกตัวเพียง 0.03 โมลเท่านั้น
ในทางกลับกัน ถ้าทราบจำนวนโมลของกรดอ่อนที่แตกตัว หรือทราบจำนวนโมลของไอออนที่เกิดขึ้นจะสามารถคำนวณหาปริมาณการแตกตัวเป็นร้อยละของกรดอ่อนได้เช่นกัน
จากความรู้เรื่องสมดุลของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ และอาศัยพื้นฐานเรื่องสมดุลเคมี ทำให้ทราบว่า สารละลายกรดอ่อนแตกตัวเป็นไอออนได้บางส่วน จะเกิดภาวะสมดุลและหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาได้ ซึ่งเขียนสมการและค่าคงที่สมดุลได้ ดังนี้
HA (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + A- (aq)
Ka = [H3O+][A-]
[HA]
ค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนจะบอกให้ทราบว่ากรดอ่อนนั้นแตกตัวเป็นไอออนได้มากน้อยเพียงใด การแตกตัวเป็นไอออนขึ้นอยู่กับค่า Ka หมายถึง กรดอ่อนที่มีค่า Ka สูงจะแตกตัวเป็นไอออนได้มากกว่ากรดอ่อนที่มีค่า Ka ต่ำ
กรดที่แตกตัวให้เพียง 1 โปรตอนต่อ 1 โมเลกุล หรือแตกตัวได้เพียง 1 ขั้น เรียกว่า กรดมอนอโปรติก โดยค่าคงที่ของการแตกตัวของกรดอ่อนจะบอกให้ทราบถึงความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายได้ ถ้ากรดอ่อนมีความเข้มข้นเท่ากัน กรดอ่อนที่มีค่า Ka มากที่สุด จะทำให้เกิด H3O+ มากที่สุด และจะเป็นกรดอ่อนที่มีความเป็นกรดสูงที่สุด
สำหรับกรดที่มีโปรตอนมากกว่า 1 ตัว และสามารถแตกตัวให้ H+ ได้มากกว่า 1 ตัว เรียกว่า กรดพอลิโปรติก ซึ่งเมื่อละลายน้ำจะมีการแตกตัว 2 หรือ 3 ขั้น ขึ้นอยู่กับจำนวน H+ ในโมเลกุล โดยในขั้นที่ 1 จะมีการแตกตัวได้ดีกว่าขั้นที่ 2 และ 3 ตามลำดับ และแต่ละขั้นจะมีค่า Ka เฉพาะตัว โดยทั่วไปค่า Ka1 จะมีค่ามากกว่าค่า Ka2 และค่า Ka2 จะมีค่ามากกว่าค่า Ka3 ดังนั้น ในการเปรียบเทียบการแตกตัวของกรดจึงเปรียบเทียบจากค่า Ka1
โดยกำหนดให้ ค่า Ka1 คือค่าคงที่การแตกตัวของกรดในขั้นที่ 1
ค่า Ka2 คือค่าคงที่การแตกตัวของกรดในขั้นที่ 2
ค่า Ka3 คือค่าคงที่การแตกตัวของกรดในขั้นที่ 3
ค่าคงที่ของการแตกตัวของกรดอ่อนพอลิโปรติกจะบอกให้ทราบถึงความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายได้เช่นเดียวกับค่าคงที่การแตกตัวของกรดอ่อนมอนอโปรติก
ในกรณีของกรดที่มีการแตกตัวได้หลายขั้น และมีค่า Ka1 สูงกว่า Ka2 มาก ให้คิดปริมาณ H3O+ มาจากการแตกตัวในขั้นที่ 1 เท่านั้น หากกรดมีค่า Ka1 และ Ka2 ใกล้เคียงกันต้องนำปริมาณ H3O+ ที่เกิดขึ้นในขั้นที่ 2 มาใช้ในการพิจารณาด้วย
นอกจากค่าคงที่การแตกตัวของกรดใช้เปรียบเทียบปริมาณการแตกตัวของกรด และปริมาณอนุภาคต่าง ๆ ในสารละลายกรดได้แล้ว ยังสามารถใช้คำนวณหาความเข้มข้นของอนุภาคต่าง ๆ ในสารละลายกรดอ่อนได้อีกด้วย
3. การแตกตัวของเบสอ่อน
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในสารละลายเบสอ่อนเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ จึงเกิดค่าคงที่สมดุลเช่นเดียวกับกรดอ่อน เรียกค่าคงที่สมดุลที่เกิดจากการแตกตัวของเบสอ่อนว่า ค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อน (Kb) ตัวอย่างเช่น BOH เป็นสารละลายเบสอ่อน แตกตัวเป็นไอออนได้บางส่วน จะเกิดภาวะสมดุลและหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาได้ ซึ่งเขียนสมการและค่าคงที่สมดุลได้ ดังนี้
BOH (aq) ⇌ B+ (aq) + OH- (aq)
Kb = [B+][OH-]
[BOH]
ค่าคงที่การแตกตัวของเบสอ่อนจะทำให้ทราบถึงความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายของเบสอ่อนได้ นอกจากนี้ความสามารถในการแตกตัวให้ OH- ของเบสอ่อนสามารถแสดงเป็นร้อยละของการแตกตัวเช่นเดียวกับกรดอ่อน ซึ่งสามารถนำค่าคงที่การแตกตัวและร้อยละการแตกตัวเป็นไอออนของเบสอ่อน ไปใช้คำนวณหาความเข้มข้นของไอออนในสารละลายได้เช่นกัน
ความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนของกรดอ่อนและเบสอ่อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อนจะสูงขึ้น
ความเข้มข้นมีผลต่อความสามารถในการแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อน โดยเมื่อความเข้มข้นลดลง ความสามารถในการแตกตัวของกรดอ่อนและเบสอ่อนจะเพิ่มขึ้น