กรด

กรด (อังกฤษ: acid, มาจากภาษาละติน acidus/acēre หมายถึง "เปรี้ยว") เป็นสสารซึ่งทำปฏิกิริยากับเบส โดยทั่วไป กรดสามารถระบุได้ด้วยรสเปรี้ยว, สมบัติทำปฏิกิริยากับโลหะอย่างแคลเซียม และเบสอย่างโซเดียมคาร์บอเนต กรดที่ละลายน้ำมี pH น้อยกว่า 7 โดยที่กรดจะแรงขึ้นตามค่า pH ที่ลดลง และเปลี่ยนกระดาษลิตมัสสีน้ำเงินเป็นแดง

ตัวอย่างทั่วไปของกรด รวมไปถึง กรดน้ำส้ม (น้ำส้มสายชู), กรดซัลฟิวริก (ในแบตเตอรีรถยนต์), และกรดทาร์ทาริก (ในการทำขนม) ดังสามตัวอย่างข้างต้น กรดสามารถเป็นได้ทั้งสารละลาย ของเหลวหรือของแข็ง สำหรับแก๊ส อย่างเช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ ก็เป็นกรดได้เช่นกัน กรดแรงและกรดอ่อนเข้มข้นบางตัวมีฤทธิ์กัดกร่อน แต่มีข้อยกเว้น เช่น คาร์บอรีนและกรดบอริก

นิยามกรดโดยทั่วไปมีสามนิยาม ได้แก่ นิยามอาร์เรเนียส นิยามเบรินสเตด-ลาวรี และนิยามลิวอิส นิยามอาร์เรเนียสกล่าววว่า กรดคือ สสารที่เพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน (H₃O⁺) ในสารละลาย นิยามเบรินสเตด-ลาวรีเป็นการขยายขึ้น คือ กรดเป็นสสารซึ่งสามารถทำหน้าที่ให้โปรตอน กรดส่วนมากที่พบในชีวิตประจำวันเป็นสารละลายในน้ำ หรือสามารถละลายได้ในน้ำ และสองนิยามนี้เกี่ยวเนื่องที่สุด สาเหตุที่ pH ของกรดน้อยกว่า 7 นั้น เป็นเพราะความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนมากกว่า 10^-7 โมลต่อลิตร เนื่องจาก pH นิยามเป็นลอการิทึมลบของความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไออน ดังนั้น กรดจึงมี pH น้อยกว่า 7 ตามนิยามเบรินสเตด-ลาวรี สารประกอบใดซึ่งสามารถให้โปรตอนง่ายสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นกรด ตัวอย่างมีแอลกอฮอล์และเอมีน ซึ่งมีหมู่ O-H หรือ N-H

ในทางเคมี นิยามกรดลิวอิสเป็นนิยามที่พบมากที่สุด กรดลิวอิสเป็นตัวรับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ตัวอย่างกรดลิวอิส รวมไปถึงไอออนลบโลหะทั้งหมด และโมเลกุลอิเล็กตรอนน้อย เช่น โบรอนฟลูออไรด์ และอะลูมิเนียมไตรคลอไรด์ ไฮโดรเนียมไอออนเป็นกรดตามทั้งสามนิยามข้างต้น ที่น่าสนใจคือ แม้แอลกอฮอล์และเอมีนสามารถเป็นกรดเบรินเสตด-ลาวรีได้ตามที่อธิบายข้างต้น ทั้งสองยังทำหน้าที่เป็นเบสลิวอิสได้ เนื่องจากอะตอมออกซิเจนและไนโตรเจนมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

สมบัติของกรด

• กรดมีสมบัติกัดกร่อนโลหะ หินปูน หรือเนื้อเยื่อของร่างกาย
• กรดทุกชนิดนำไฟฟ้าได้ดี
• กรดหลายชนิดมีรสเปรี้ยว แต่บางชนิดก็ไม่มีรสเปรี้ยว เช่น กรดคาร์บอนิก (โซดา)
• กรดทำปฏิกิริยากับเบส จะสะเทินและได้น้ำกับเกลือ

การแตกตัวของไอออน

ในสารละลายกรดทุกชนิด จะมีไอออนที่เหมือนกันอยู่ส่วนหนึ่งคือไฮโดรเจนไอออน H⁺ เมื่อรวมกับน้ำจะได้เป็นไฮโดรเนียมไอออน H₃O⁺ ตัวอย่างเช่น กรดไฮโดรคลอริก (HCl) ซึ่งเกิดจากสารประกอบไฮโดรเจนคลอไรด์ HCl ละลายในน้ำ โมเลกุลของ HCl และน้ำต่างก็เป็นโมเลกุลมีขั้ว จึงเกิดแรงดึงดูดระหว่างขั้วของ HCl กับน้ำ โดยที่โปรตอน (H) ของ HCl ถูกดึงดูดโดยโมเลกุลของน้ำเกิดเป็นไฮโดรเนียมไอออน H⁺ + H₂O → H₃O⁺ ในบางครั้งเขียนแทน H₃O⁺ ด้วย H⁺ โดยเป็นที่เข้าใจว่า H⁺ นั้นจะอยู่รวมกับโมเลกุลของน้ำในรูป H₃O⁺ เสมอ

ไฮโดรเนียมไอออนในน้ำไม่ได้อยู่เป็นไอออนเดียว แต่จะมีน้ำหลายโมเลกุลมาล้อมรอบด้วย อาจอยู่ในรูปของ H₅O₂⁺, H₇O₃⁺, H₉O₄⁺ เป็นต้น ส่วนไอออนลบที่เหลือจากการแตกตัวก็จะมีน้ำมาล้อมรอบเช่นกัน หรืออาจทำปฏิกิริยากับสารอื่นที่ละลายปนอยู่ด้วยกัน

ตัวอย่าง สมการเคมีแสดงการแตกตัวของไอออนของกรดในน้ำ

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {HNO_{3}} (l)+\mathrm {H_{2}O} (i)&\rightarrow \mathrm {H_{3}O^{+}} (aq)+\mathrm {NO_{3}^{-}} (aq)\\\mathrm {H_{2}SO_{4}} (l)+\mathrm {H_{2}O} (i)&\rightarrow \mathrm {H_{3}O^{+}} (aq)+\mathrm {SO_{4}^{2-}} (aq)\\\mathrm {CH_{3}COOH} (l)+\mathrm {H_{2}O} (i)&\rightarrow \mathrm {H_{3}O^{+}} (aq)+\mathrm {CH_{3}COO^{-}} (aq)\\\mathrm {HClO_{4}} (l)+\mathrm {H_{2}O} (i)&\rightarrow \mathrm {H_{3}O^{+}} (aq)+\mathrm {ClO_{4}^{-}} (aq)\\\end{aligned}}}$ 

ประเภทของกรด

กรดแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

1. กรดอินทรีย์ เป็นกรดที่ได้จากธรรมชาติ เกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิต เช่น กรดน้ำส้ม (กรดน้ำส้ม) กรดซิตริก (กรดมะนาว) กรดแอสคอร์บิก (วิตามินซี) กรดอะมิโน ฯลฯ
2. กรดอนินทรีย์ เป็นกรดที่ได้จากแร่ธาตุ บางครั้งเรียกว่ากรดแร่ เช่น กรดซัลฟิวริก (กรดกำมะถัน) กรดไฮโดรคลอริก (กรดเกลือ) กรดไนตริก (กรดดินประสิว) ฯลฯ

หรืออาจแบ่งตามความสามารถในการแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออน มี 2 ชนิดคือ กรดแก่และกรดอ่อน

1. กรดแก่ กรดกลุ่มนี้มีค่า pK_a น้อยกว่า 1.74 เช่น กรดไฮโดรคลอริก กรดไนตริก กรดซัลฟิวริก ฯลฯ
   • กรดแก่ยิ่งยวด เป็นกรดแก่เช่นกัน แต่สามารถแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออนมากกว่ากรดซัลฟิวริกเข้มข้น 100% จึงมีค่า pH น้อยกว่า 0 เช่น กรดฟลูออโรแอนติมอนิก
2. กรดอ่อน กรดกลุ่มนี้มีค่า pK_a ไม่น้อยกว่า 1.74 แต่ก็ไม่ถึงกับเป็นกลาง เช่น กรดน้ำส้ม กรดคาร์บอนิก กรดไฮโดรซัลฟิวริก ฯลฯ

การทดสอบกรด

ดูเพิ่มเติมที่: สารชี้บอกพีเอช

• ใช้กระดาษลิตมัส กรดจะเปลี่ยนกระดาษจากสีน้ำเงินหรือสีม่วง เป็นสีแดงหรือสีส้ม
• ใช้เจนเชียนไวโอเลต (หรือเมทิลไวโอเลต) ถ้าเป็นกรดอนินทรีย์ สีของเจนเชียนไวโอเลตจะเปลี่ยนเป็นสีเขียว ส่วนกรดอินทรีย์จะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินหรือสีม่วง

ทฤษฎีกรด-เบส

ดูบทความหลักที่: ทฤษฎีกรด–เบส

คำว่า ‘กรด’ ในภาษาอังกฤษ (acid) มาจากภาษาละตินว่า แอซิดัส (acidus) ซึ่งแปลว่าเปรี้ยว แต่ในวิชาเคมีมีความหมายแตกต่างออกไป โดยมีทฤษฎีกรด-เบส เป็นตัวขยายความ

• ทฤษฎีกรด-เบส อาร์เรเนียส (สวันเต อาร์เรเนียส) ระบุว่า กรด เมื่อละลายในน้ำแล้วจะเพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน ส่วนเบสเมื่อละลายน้ำจะเพิ่มความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออน
  หมายเหตุ : นิยามดังกล่าวจำกัดอยู่เฉพาะกรดและเบสที่ละลายได้ในน้ำเท่านั้น
• ทฤษฎีกรด-เบส เบรินสเตต-ลาวรี (โยฮันเนส เบรินสเตต และทอมัส ลาวรี) ระบุว่า กรด เป็นตัวให้โปรตอน และเบส เป็นตัวรับโปรตอน ซึ่งกรดและเบสที่สอดคล้องกันจะอยู่ในรูปคู่กรด-เบส
  หมายเหตุ : นิยามนี้สามารถใช้อธิบายความเป็นกรด-เบสของสาร โดยไม่จำเป็นต้องละลายน้ำก็ได้
• ทฤษฎีกรด-เบส ลิวอิส (กิลเบิร์ต ลิวอิส) ระบุว่า กรดเป็นตัวรับคู่อิเล็กตรอน และเบสเป็นตัวให้คู่อิเล็กตรอน (บางทีอาจเรียกกรดและเบสในทฤษฎีนี้ว่า กรดลิวอิส และเบสลิวอิส)
  หมายเหตุ : ทฤษฎีนี้สามารถใช้อธิบายสารที่แตกตัวแล้วไม่ได้โปรตอน เช่น ไอร์ออน (III) คลอไรด์