การวิเคราะห์ความเป็นกรดบนพื้นผิวของแข็ง ด้วยเทคนิคการดูดซับ Probe molecule (๑) MO Memoir : Thursday 11 April 2562

ปฏิกิริยาการกำจัดน้ำหรือ dehydration ของโมเลกุลสารอินทรีย์ คือการดึงเอาหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ออกจากโมเลกุลพร้อมกับอะตอม H อีกอะตอมหนึ่งในรูปของโมเลกุลน้ำ ปฏิกิริยานี้อาศัยกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ถ้าอะตอม H อีกอะตอมที่ถูกกำจัดออกมานั้นมาจากอะตอม C ที่อยู่ข้าง ๆ อะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็คือพันธะคู่ C=C แต่ถ้าอะตอม H อีกอะตอมที่ถูกดึงออกมานั้นมาจากหมู่ -OH อีกหมู่หนึ่ง โครงสร้างที่จะได้ก็คืออีเทอร์ R-O-R ส่วนจะให้ได้ผลิตภัณฑ์อะไรนั้นก็อาศัยการควบคุมอุณหภูมิ เช่นในกรณีของเอทานอลถ้าใช้กรดกำมะถัน (H₂SO₄) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ที่อุณหภูมิทำปฏิกิริยาประมาณ 140ºC จะได้ผลิตภัณฑ์หลักเป็นไดเอทิลอีเทอร์ แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิทำปฏิกิริยาเป็นประมาณ 180ºC จะได้เอทิลีนเป็นผลิตภัณฑ์หลักแทน
 

ทีนี้สมมุติว่าถ้าต้องการเปลี่ยนเอทานอลจำนวนมากให้กลายเป็นเอทิลีนหรือไดเอทิลอีเทอร์ คุณพอจะมองเห็นปัญหาของการทำปฏิกิริยาดังกล่าวไหมครับ ถ้าคุณมองเห็น คุณก็สามารถเป็นวิศวกรเคมีได้ครับ

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการกำจัดหมู่ -OH ออกมาในรูปของโมเลกุลน้ำ ที่อุณหภูมิต่ำจะได้อีเทอร์เป็นผลิตภัณฑ์หลัก แต่ถ้าใช้อุณหภูมิสูงพอจะได้พันธะคู่ C=C เป็นผลิตภัณฑ์หลัก

อย่างแรกเลย ณ อุณหภูมิทำปฏิกิริยา เอทานอลมีสถานะเป็นแก๊ส ในขณะที่กรดกำมะถันยังเป็นของเหลวอยู่ แล้วคุณจะผสมมันเข้าด้วยกันอย่างไร 
  

ตรงนี้ก็อาจมองได้ว่าก็ใช้วิธีการแบบให้ออกซิเจนในตู้ปลาไง ก็ใช้การผ่านไอเอทานอลลงไปในกรดกำมะถัน ก็จะได้ผลิตภัณฑ์หลุดลอยออกมา แต่การทำแบบนี้มันก็ก่อให้เกิดปัญหาอีกอย่างหนึ่งตามมาก็คือ เราไม่สามารถควบคุมอัตราการลอยขึ้นของฟองแก๊สในเฟสของเหลวได้ (แม้ว่าเราสามารถควบคุมอัตราการไหลเข้าได้ก็ตาม) ทำให้เวลาการสัมผัสเพื่อทำปฏิกิริยานั้นมีจำกัด แก๊สที่ลอยออกมานั้นจะประกอบไปด้วยทั้งผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่หลงเหลือ ทำให้ต้องหาการแยกเอาผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่หลงเหลืออยู่ออกจากกันอีก
 

อย่างที่สองคือวัสดุที่จะใช้ทำอุปกรณ์ที่ต้องสามารถทนต่อการกัดกร่อนของกรดและอุณหภูมิที่สูงได้ ในระดับห้องปฏิบัติการนั้นการใช้เครื่องแก้วไม่มีปัญหา แต่ถ้าจะขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้นการใช้เครื่องแก้วคงไม่เหมาะสมแน่ เพราะแก้วนั้นไม่ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (ที่เรียกว่า thermal shock) ไม่ทนต่อการสั่นสะเทือน ซึ่งปัจจัยเหล่านี้ทำให้แตกร้าวได้ง่ายขึ้น
 

และนี่ก็เป็นตัวอย่างหนึ่งของการนำของแข็งที่พื้นผิวมีคุณสมบัติเป็น "กรด" มาใช้แทนกรดที่เป็นของเหลว เพราะเราสามารถใช้ภาชนะบรรจุที่ทำจากโลหะได้ และยังสามารควบคุมระยะเวลาการสัมผัสในการทำฏิกิริยาด้วยการควบคุมอัตราการไหลของแก๊สและระยะทางที่แก๊สต้องไหล่ผ่านของแข็งที่พื้นผิวมีคุณสมบัติเป็นกรดนั้น
 

พื้นผิวของแข็งนั้นสามารถมีหมู่ฟังก์ชันที่ทำหน้าที่เป็นกรดได้ ๒ รูปแบบ รูปแบบแรกคือหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ที่ทำหน้าที่เป็นกรด Brönsted โดยจ่ายโปรตอน H⁺ ออกมา (ตรงนี้อย่าไปสับสนกับไอออนไฮดรอกไดซ์ (hydroxide หรือ OH^- นะครับ) รูปแบบที่สองคือไอออนบวกของโลหะ (ปรกติก็จะเป็นโลหะทรานซิชัน เพราะมีความหนาแน่นประจุสูง) ที่ทำหน้าที่เป็นกรด Lewis ส่วนที่ว่าจะมีกรดแบบไหนมากน้อยกว่ากันนั้นก็ขึ้นอยู่กับชนิดของของแข็งและสภาพแวดล้อมที่ทำปฏิกิริยา (เช่นอุณหภูมิและมีโมเลกุลน้ำอยู่มากน้อยเท่าใด)
 

เมื่อเราต้องการนำเอาของแข็งที่พื้นผิวมีคุณสมบัติเป็นกรดมาใช้ สิ่งที่เราควรรู้เกี่ยวกับความเป็นกรดนั้นก็มีอยู่ด้วยกัน ๓ ข้อคือ
 

(๑) ปริมาณ หรือจำนวนตำแหน่งที่มีฤทธิ์เป็นกรด ถ้าเปรียบเทียบกับกรดที่เป็นสารละลาย ค่านี้ก็เปรียบเสมือนความเข้มข้นของกรด ว่ามากหรือน้อย การหาปริมาณนี้ทำได้ด้วยการดูความสามารถของของแข็งนั้นในการสะเทินเบส หรือดูดซับเบสเอาไว้
 

(๒) ความแรง (strength) หรือความอ่อนแก่ของกรด คุณสมบัตินี้แตกต่างไปจากกรดที่เป็นสารละลายตรงที่ ในกรณีของตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งนั้น มันไม่มีเส้นแบ่งชัดเจนระหว่างกรดอ่อนกรดแก่ (โดยเฉพาะกรณีของกรดแบบ Lewis) ในกรณีของกรดที่เป็นสารละลายในน้ำนั้น ถ้ากรดตัวไหนแตกตัวได้ 100% เราก็บอกว่าเป็นกรดแก่ แต่ถ้าตัวไหนแตกตัวได้ไม่ถึง 100% ก็ถือว่าเป็นกรดอ่อน ส่วนจะเป็นกรดอ่อนมากแค่ไหนก็ดูจากปริมาณที่แตกตัวได้ ยิ่งแตกตัวได้น้อยก็ยิ่งเป็นกรดที่อ่อนมาก แต่ในกรณีของกรดบนพื้นผิวของแข็ง บ่อยครั้งที่มันทำปฏิกิริยาในสถานะแก๊ส ในกรณีของหมู่ -OH นั้น ถ้าไม่มีสารใดมารับโปรตอน มันก็ไม่มีการแตกตัว ยิ่งเป็นกรณีของกรด Lewis การใช้การแตกตัวเป็นตัวแบ่งความแรงนั้นใช้ไม่ได้ เพราะกรด Lewis ไม่มีการแตกตัว วิธีการที่นิยมใช้กันในปัจจุบันในการวัดความแรงของตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งคือ การให้ของแข็งนั้นดูดซับแก๊สที่เป็นเบสที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นเพิ่มอุณหภูมิให้กับของแข็งนั้นเพื่อให้มันคายเบสที่ดูดซับเอาไว้ออกมา โดยกรดที่มีความแรงสูงจะคายเบสออกมาที่อุณหภูมิที่สูงกว่ากรดที่มีความแรงต่ำกว่า
 

(๓) ชนิด (Type) คือเป็นกรดชนิด Brönsted หรือ Lewis ตรงนี้มีความสำคัญในบางปฏิกิริยา ที่ปฏิกิริยาที่ต้องการนั้นจะเกิดได้ดีหรือไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของกรด เพราะกรดที่ต่างชนิดกันทำให้เกิดสารมัธยันต์ (intermediate) ที่แตกต่างกับ และนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาในขั้นต่อไปที่แตกต่างกันได้ คุณสมบัติข้อดีเป็นตัวที่วัดยากสุด วิธีการหลักที่ใช้กันในปัจจุบันคือ การให้พื้นผิวนั้นดูดซับแก๊สที่เป็นเบส แล้วตรวจวัดรูปแบบการสั่นของโมเลกุลเบสที่ถูกกรดจับเอาไว้ด้วยเทคนิคด้านอินฟราเรด โดยคาดหวังให้เบสที่จับกับกรดชนิด Brönsted หรือ Lewis นั้นมีรูปแบบการสั่นที่แตกต่างกันและแตกต่างไปจากเบสที่ไม่ทำปฏิกิริยากับกรด และหัวข้อนี้จะเป็นเรื่องหลักของบทความชุดนี้

เมื่อช่วงประมาณเดือนตุลาคมปีพ.ศ. ๒๕๓๙ (ค.ศ. ๑๙๙๖) ผมมีโอกาสได้ไปเรียนรู้การออกแบบเครื่องมือและเทคนิคการวิเคราะห์การดูดซับโมเลกุลบนพื้นผิวของแข็งด้วยการวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ที่ Tokyo Institute of Technology (TIT) ที่ห้องปฏิบัติการของ Prof. Kenichi Aika เพื่อกลับมาสร้างเครื่องมือดังกล่าวที่ห้องปฏิบัติการในไทย (ขณะนี้เครื่องนี้ก็ยังคงอยู่ แต่ดูเหมือนไม่ค่อยมีใครอยากจะใช้เท่าไรนัก) เทคนิคนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้วัดว่าในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาบนพื้นผิวของแข็งนั้น โมเลกุลสารตั้งต้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง และยังสามารถนำมาใช้จำแนกประเภทของตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งได้ ด้วยการวัดรูปแบบการสั่นของโมเลกุลเบสที่พื้นผิวดูดซับเอาไว้ อันที่จริงเทคนิคนี้ก็ไม่ได้มีหลักการวุ่นวายอะไร ขั้นตอนที่ยากสุดน่าจะเป็นการเตรียมตัวอย่าง ที่จะว่าไปแล้วมันเป็นงานศิลปมากกว่างานศาสตร์ คือต้องลงมือฝึกเตรียมเอง
 

เรื่องที่นำมาเขียนในบทความชุดนี้จะอิงมาจากบทความเรื่อง "Infrared studies of the surface acidity of oxides and zeolites using adsorbed probe molecules" โดย Lercher และคณะ (รูปที่ ๒) โดยจะนำเฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเลือกชนิดโมเลกุลที่จะใช้เป็น probe molecule (คือตัวที่จะให้พื้นผิวดูดซับเอาไว้) มาขยายความ

รูปที่ ๒ บทความที่นำมาเป็นต้นเรื่องในการเขียน Memoir ชุดนี้ แม้ว่าบทความนี้จะมีการทบทวนวรรณกรรมที่ดี แต่ก็ยังมีปัญหาอยู่บ้างเหมือนกัน ที่จะแสดงให้เห็นถึงในตอนต่อไป (คืออย่าคิดว่าบทความที่ได้ตีพิมพ์ในวารสารที่มี Impact factor สูงจะไม่มีการมั่ว และ reviewer นั้นมีการตรวจสอบกันอย่างเข้มงวด)

โดยหลักการแล้วสิ่งสำคัญสิ่งแรกในการเลือก probe molecule คือโมเลกุลนั้นต้องมี "เสถียรภาพตลอดช่วงอุณหภูมิที่ทำการวิเคราะห์" ไม่ควรเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวหรือทำปฏิกิริยาระหว่างกันเอง (เช่นรวมตัวเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น) หรือไปทำให้พื้นผิวของแข็งเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง (เช่นไปรีดิวซ์พื้นผิวของแข็งด้วยการดึงเอาไอออนออกซิเจนออก) นอกจากนี้บทความดังกล่าวยังให้เกณฑ์ในการพิจารณาเลือกตัว probe molecule เพิ่มเติมไว้อีก ๔ ข้อด้วยกัน โดยในวันนี้จะขอเล่าเฉพาะเกณฑ์ข้อแรกก่อนคือ "probe molecule ควรมีความเป็นเบสที่เด่นชัด และมีคุณสมบัติความเป็นกรดที่อ่อน"
 

ตรงเกณฑ์ข้อแรกนี้ ขอย้อนกลับไปยังวิชาเคมีอินทรีย์นิดนึง ถ้าถามว่าหมู่ไฮดรอกซิล -OH ที่อยู่ในโครงสร้างของแอลกอฮอล์ กับหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl) -COOH ที่อยู่ในโครงสร้างของกรดอินทรีย์ มีฤทธิ์เป็นกรดหรือเป็นเบส คุณจะตอบว่าอย่างไร
 

ในตำราบทแอลกอฮอล์จะบอกว่าหมู่ -OH นั้นเป็นกรดที่อ่อนมาก มันจะแสดงฤทธิ์เป็นเบสก็ต่อเมื่อเจอกับเบสที่แรงมาก เช่นโลหะ Na หรือสารละลายเบสความเข้มข้นสูง (เช่นสารละลาย NaOH เข้มข้นหลายสิบ wt%) และในทำนองเดียวกันในบทกรดอินทรีย์ ตำราก็จะบอกว่าหมู่ -COOH นั้นมีฤทธิ์เป็นกรด Brönsted โดยจะแตกตัวให้ H⁺ ออกมา
 

แต่ในความเป็นจริงนั้นทั้งหมู่ -OH และ -COOH ก็แสดงฤทธิ์เป็นเบสได้ถ้าหากมันเจอกับกรดที่แรงกว่ามัน ตำแหน่งที่แสดงฤทธิ์เป็นเบสก็คืออะตอม O ที่มีอิเล็กตรอนคู่โดยเดี่ยวโดยแสดงฤทธิ์เป็นกรด Lewis (ในกรณีของหมู่ -COOH อะตอม O ของโครงสร้าง C=O จะแสดงฤทธิ์เป็นเบสที่เด่นกว่าอะตอม O ของโครงสร้าง C-OH) ซึ่งอันที่จริงเรื่องนี้ในตำราเคมีอินทรีย์ก็มักจะแสดงไว้ เพียงแต่ไม่ระบุออกมาโดยตรง ในกรณีของแอลกฮออล์จะเห็นได้ในกลไกการเปิดปฏิกิริยา dehydration ที่อะตอม O ของหมู่ -OH จะรับ H⁺ จากกรดแก่ 
  

ส่วนในกรณีของกรดอินทรีย์ก็จะเห็นได้ในกลไกการเปิดปฏิกิริยา esterification ที่อะตอม O ของหมู่ C=O จะรับ H⁺ จากกรดแก่เช่นกัน ดังนั้นจะว่าไปแล้วถ้าในโมเลกุลสารอินทรีย์นั้นมีตำแหน่งที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่น (เช่นพันธะคู่ C=C วงแหวนอะโรมาติก หรืออิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเช่นอะตอม O, N หรือ S) ตำแหน่งนั้นก็อาจแสดงฤทธิ์เป็นกรด Lewis ได้) ถ้าพบกับกรดที่มีความแรงมากพอ
 

ถ้าว่ากันตามเกณฑ์ข้อแรกนี้แอมโมเนียNH₃ น่าจะเป็นตัวที่เข้ากับเกณฑ์มากตัวหนึ่ง เพราะมันมีฤทธิ์เป็นเบสที่โดดเด่นตรงอะตอม N ที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (คือเป็นเบส Lewis) และมีฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อนมาก ๆ (ปฏิกิริยา NH₃ แตกตัวเป็น NH₂⁺ + H⁺ มีค่าคงที่การแตกตัวที่ต่ำมาก ๆ โดยมีค่า pK_a อยู่ในช่วงประมาณ 10.1-8.54 ในช่วงอุณหภูมิ 0-50ºC - รูปที่ ๓)
 

แต่ต้องไม่ลืมนะครับว่า อะตอม H ของหมู่ไฮดรอกซิล -OH บนพื้นผิวนั้นแม้ว่าจะแสดงฤทธิ์โดยเป็นกรด แต่อะตอม O ก็อาจแสดงฤทธิ์เป็นเบส Lewis ได้เช่นกัน และในทำนองเดียวกันในกรณีของสารประกอบโลหะออกไซด์ที่ไอออนบวกของโลหะนั้นจะแสดงฤทธิ์เป็นกรด Lewis ไอออนลบ O^2- ก็มีสิทธิ์แสดงฤทธิ์เป็นเบสลิวอิสได้เช่นกัน
 

อีกประเด็นหนึ่งที่ต้องคำนึงคือ สารที่อยู่ในของเหลวกับในสภาพที่เป็นแก๊สนั้น พฤติกรรมอาจแตกต่างกันแบบตรงข้ามกันได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีของหมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ ที่ตำราเคมีอินทรีย์จะบอกว่าความเป็นกรดของหมู่ -OH จะ "ลดลง" ถ้าหมู่อัลคิลนั้นมีขนาดใหญ่ขึ้น แต่นี่เป็นจริงในกรณีที่แอลกอฮอล์อยู่ในสารละลายที่เป็น "ของเหลว" เพราะเมื่อกลายเป็น "แก๊ส" เมื่อใดกลับพบว่าลำดับความแรงของความเป็นกรดของหมู่ -OH จะกลับกัน กล่าวคือในสถานะแก๊สนั้น ความเป็นกรดของหมู่ -OH จะ "เพิ่มขึ้น" ถ้าหมู่อัลคิลนั้นมีขนาดใหญ่ขึ้น เรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๙๗ วันเสาร์ที่ ๒ กรกฎาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "ความเป็นกรดของหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl group) ตอนที่ ๒"
 

เบสอินทรีย์ตัวหนึ่งที่นิยมนำมาใช้วิเคราะห์ความเป็นกรดบนพื้นผิวของแข็งได้แก่ไพริดีน (pyridine C₅H₅N) ที่มีจุดเด่นตรงที่ให้สัญญาณการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่เด่นชัดกว่าแอมโมเนีย (เรื่องนี้จะกลับมาว่ากันอีกทีตอนการจำแนกประเภทว่าเป็นกรด Brönsted หรือ Lewis) ซึ่งถ้าเทียบกับแอมโมเนียแล้ว ในสภาพที่เป็นของเหลวนั้นแอมโมเนียมีฤทธิ์เป็นเบสที่แรงกว่าไพริดีน แต่ในสภาพที่เป็นแก๊ส ไพริดีนกลับมีฤทธิ์ที่เป็นเบสที่แรงกว่าแอมโมเนีย

รูปที่ ๓ ค่า pKa ของแอมโมเนียในช่วงอุณหภูมิ 0-50ºC จากหนังสือ "Ionisation Constants of Inorganic Acids and Bases in Aqueous Solution" โดย Perrin, D. D.

สำหรับบทความแรกของบทความชุดนี้ก็คงจะขอจบลงเพียงแค่นี้ก่อน ช่วงนี้อาจไม่ได้นำบทความขึ้นหน้า blog บ่อยเท่าใดนัก เพราะเป็นช่วงที่มีการเตรียมการสอนค่อนข้างมากแม้ว่าจะมีสอนเพียงแค่ ๒ วิชาต่อสัปดาห์ก็ตาม เพราะวิชาหนึ่งเป็นวิชาใหม่ที่ต้องเตรียมเอกสารการสอนขึ้นมาใหม่หมด (เป็นเรื่องที่ไม่เคยมีการสอนมาก่อนด้วย) ส่วนอีกวิชาก็มีการปรับเปลี่ยนรูปแบบการสอนด้วยเช่นกัน

การจำแนกตำแหน่งที่เป็นเบส Brönsted และ Lewis บนพื้นผิวของแข็งด้วยเทคนิค Infrared spectroscopy และ Adsorbed probe molecules MO Memoir : Thursday 26 April 2561

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้อิงมาจากบทความเรื่อง "Infrared spectrometric studies of the surface basicity of metal oxides and zeolites using adsorbed probe molecules" โดย J.C. Lavalley ตีพิมพ์ในวารสาร Catalysis Today vol. 27 ปีค.ศ. 1996 หน้า 377-401 โดยได้คัดมาเพียงแค่บางประเด็นเท่านั้น

ความเป็นเบสตามนิยามของ Lewis นั้นคือสารที่ให้คู่อิเล็กตรอน ถ้าว่ากันตามนี้ก็คือไอออนลบนั่นเอง และในกรณีของสารประกอบโลหะออกไซด์ ไอออนลบดังกล่าวก็ได้แก่ O^2- (ถ้าเป็นซัลไฟด์ก็จะเป็น S^2-)
 

ตามนิยามของ Arrhenius นั้น เบสคือสารที่แตกตัวในน้ำแล้วให้ไอออนไฮดรอกไซด์ (hydroxide OH^-) และไอออนนี้ก็ถือว่าเป็นเบสตามนิยามของ Brönsted ด้วยเพราะมันสามารถรับโปรตอนได้
 

หมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) แตกต่างจากไอออนไฮดรอกไซด์อยู่ตรงที่ เรามองพันธะระหว่างอะตอม O กับอะตอมโลหะอีกตัวหนึ่งว่าเป็นอย่างไร ถ้าเรามองว่าอะตอมโลหะนั้นสูญเสียอิเล็กตรอนไปให้อะตอม O (แบบไปแล้วไปลับ) พันธะระหว่างอะตอมโลหะและอะตอม O ก็จะเป็นพันธะไอออนิก หมู่ไฮดรอกซิลก็จะกลายเป็นหมู่ไฮดรอกไซด์ แต่ในกรณีที่ผลต่างระหว่างค่าอิเล็กโทรเนกาทิวิตี (electronegativity) ระหว่างอะตอมโลหะและอะตอม O นั้นไม่สูงมาก เราก็สามารถมองได้ว่าพันธะระหว่างอะตอมโลหะและอะตอม O นั้นเป็นพันธะผสมระหว่างพันธะไอออนิกและพันธะโควาเลนซ์ ส่วนที่ว่าจะมีสัดส่วนความเป็นไอออนิก (Percentage ionic character) มากน้อยแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับผลต่างของค่าอิเล็กโทรเนกาทิวิตี ถ้าค่าผลต่างดังกล่าวมากเราก็สามารถมองได้ว่าอิเล็กตรอนของโลหะนั้นยกให้อะตอม O ไปเลย ทำให้หมู่ไฮดรอกซิลกลายเป็นไอออนไฮดรอกไซด์ แต่ถ้าผลต่างมีค่าไม่มากก็สามารถมองได้ว่าอิเล็กตรอนของอะตอมโลหะนั้นใช้เวลาส่วนใหญ่ไปอยู่ที่อะตอม O มากกว่าที่ตัวอะตอมโลหะเอง ซึ่งในกรณีหลังนี้อาจต้องมองอะตอม O ของหมู่ไฮดรอกซิลนั้นเป็นเบส Lewis
 

ในขณะเดียวกันหมู่ไฮดรอกซิลเองยังแสดงฤทธิ์เป็นกรด Brönsted ได้ด้วย ด้วยการที่มันจ่าย H⁺ ออกไปและทิ้งประจุลบเอาไว้ที่อะตอม O ความเป็นกรดของหมู่ไฮดรอกซิลนี้จะแรงขึ้นถ้าหากไอออนบวกที่เกาะกับอะตอม O อยู่นั้นสามารถสะเทินอิเล็กตรอนส่วนเกินที่เกิดขึ้นนี้ได้ด้วยการดึงเอาอิเล็กตรอนส่วนเกินตัวนี้ออกไป ไอออนบวกที่มีความหนาแน่นประจุสูง (คือเป็นไอออนขนาดเล็กและ/หรือมีประจุบวกมาก) จะทำหน้าที่ดึงอิเล็กตรอนออกได้ดี

รูปที่ ๑ แบบจำลองโครงสร้างของหมู่ -OH บนพื้นผิวของแข็ง
 

Lavalley ได้ยกตัวอย่างโครงสร้างหมู่ -OH บนพื้นผิวสารประกอบโลหะออกไซด์ (เช่น alumina แล chromia) ดังแสดงในรูปที่ ๑ ในกรณีของ Type I ที่หมู่ -OH มีไอออนโลหะ M อยู่เคียงข้างเพียงไอออนเดียว ความเป็นเบสของหมู่ -OH จะมากที่สุด แต่เมื่ออะตอม O ของหมู่ -OH มีไอออนโลหะ M อยู่เคียงข้างมากขึ้น (มี coordination number สูงขึ้นดังเช่นกรณีของ Type II และ Type III) ความเป็นเบสของหมู่ -OH จะลดลงในขณะที่ความเป็นกรด Brönsted จะโดดเด่นขึ้นแทน เพราะไอออนโลหะ M (ที่มีประจุบวกนั้น) จะช่วยดึงอิเล็กตรอนส่วนเกินที่อะตอม O ออกเมื่ออะตอม O ดังกล่าวจ่าย H⁺ ออกไป ทำให้ O^- ที่เกิดขึ้นนั้นมีเสถียรภาพมากขึ้น
 

Lavalley ยังได้กล่าวไว้ว่าการเปลี่ยนแปลงความแรงของความเป็นเบสดังกล่าวเห็นได้จากการให้ตัวอย่างดูดซับแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide CO) ที่อุณหภูมิต่ำ ที่พบว่าในกรณีโครงสร้างหมู่ -OH แบบ Type I นั้น เลขคลื่นการสั่น (ที่วัดด้วยเทคนิค infrared spectroscopy) ไม่ได้รับผลกระทบจาก CO ในขณะที่รูปแบบ Type II และ Type III นั้นตรวจพบการเกิดพันธะไฮโดรเจน -OH --- CO ระหว่างอะตอม H ของหมู่ไฮดรอกซิลกับอะตอม C ของโมเลกุล CO ส่วนในกรณีของโครงสร้างแบบ Type I นั้นก็มีรายงานว่าสามารถเกิดเป็นฟอร์เมต (formate) กับ CO (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ การเกิดฟอร์เมต (formate) สปีชีย์เมื่ออะตอม O ของหมู่ -OH แสดงคุณสมบัติ nucleophilic

(โมเลกุล CO นั้นด้านอะตอม C จะมีความเป็นขั้วบวกในขณะที่ด้านอะตอม O จะมีความเป็นขั้วลบ ดังนั้นด้านอะตอม C จะมีคุณสมบัติเป็น electrophilic คือมองหาตำแหน่งที่มีอิเล็กตรอนมากเช่นอะตอม O ของหมู่ -OH ส่วนด้านอะตอม O นั้นจะมีคุณสมบัติที่เป็น nucleophilic คือมองหาตำแหน่งที่มีความเป็นบวกเช่นอะตอม H ของหมู่ -OH ในกรณีของหมู่ -OH ชนิด Type II และ Type III นั้น เราอาจมองได้ว่าอะตอม O ของหมู่ -OH นั้นถูกไอออน M ของโลหะที่มีอยู่หลายไอออนดึงเอาอิเล็กตรอนออกไป ทำให้ความหนาแน่นอิเล็กตรอนที่อะตอม O ลดลง แต่ผลการดึงดังกล่าวทำให้อะตอม H นั้นมีความเป็นบวกมากขึ้นจนทำให้สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับอะตอม O ของ CO ได้ ส่วนในกรณีของ Type I นั้นยิ่งถ้าไอออน M มีความหนาแน่นประจุต่ำและมีค่าอิเล็กโทรเนกาทิวิตีที่ต่ำด้วยแล้ว จะทำให้อะตอม O ของหมู่ -OH มีความหนาแน่นอิเล็กตรอนที่สูง อะตอม C ของ CO จึงหันเข้ามากับกับอะตอม O ของหมู่ -OH)

รูปที่ ๓ การยึดเกาะของโมเลกุล CO กับไอออน O^2- ที่เป็นเบส Lewis ที่นำไปสู่การเกิดเป็นไอออนคาร์บอไนท์ (carbonite CO₂^2-) 
  

โมเลกุล CO ในเฟสแก๊สนั้นยังสามารถเกิดการดูดซับที่ไอออนบวก (cation) หรือตำแหน่งที่เป็นกรด Lewis โดยการดูดซับที่ตำแหน่งดังกล่าวจะทำให้เลขคลื่นการสั่นของโมเลกุล CO ในเฟสแก๊สที่เดิมอยู่ที่ 2143 cm^-1 ย้ายไปยังเลขคลื่นที่สูงขึ้นตามความแรงของตำแหน่งกรด Lewis นั้น แต่ที่อุณหภูมิต่ำ (100 K) ตัวโมเลุกล CO เองก็สามารถเกิดการดูดซับกับไอออน O^2- ที่เป็นเบส Lewis เกิดเป็นไอออนคาร์บอไนท์ (carbonite CO₂^2-) ได้ดังแสดงในรูปที่ ๓
 

คาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide CO₂) เป็นแก๊สที่นิยมใช้กันมากกว่าในการวัดความเป็นเบสของพื้นผิวด้วยการที่มันมีความเป็นกรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของหมู่ -OH ชนิด Type I ที่ 1 หมู่จะจับกับโมเลกุล CO₂ 1 โมเลกุลเกิดเป็นสปีชีย์ไฮโดรเจนคาร์บอนเนต (hydrogen carbonate) ดังแสดงในรูปที่ ๔

รูปที่ ๔ การดูดซับโมเลกุล CO₂ ณ ตำแหน่งหมู่ไฮดรอกซิล -OH เกิดเป็นสปีชีย์ไฮโดรเจนคาร์บอนเนต (hydrogen carbonate)

ส่วนในกรณีของ O^2- ที่เป็นเบส Lewis นั้นจากการศึกษาทางด้าน infrared spectroscopy พบว่าโมเลกุล CO₂ มีการเกาะได้หลายรูปแบบ (รูปที่ ๕) โดยอะตอม C นั้นจะเข้าไปยึดเกาะกับ O^2- ในขณะที่อะตอม O อีก 2 อะตอมของโมเลกุล CO₂ อาจอยู่อย่างอิสระหรือหนึ่งในนั้นมีการยึดเกาะกับไอออนบวก M ที่อยู่เคียงข้าง (และสามารถเข้าถึงได้)

รูปที่ ๕ รูปแบบต่าง ๆ ของการเกาะของโมเลกุล CO₂ บนตำแหน่ง O^2- ที่เป็นเบส Lewis
 

Pyrrole เป็นโมเลกุลสารอินทรีย์ตัวหนึ่งที่สามารถนำมาใช้วัดความเป็นเบสบนพื้นผิวโลหะออกไซด์ได้โดยทำหน้าที่เป็นสารที่จ่ายโปรตอน ดังกรณีของ O^2- ที่แสดงในรูปที่ ๖ ข้างล่าง ถ้าหาก O^2- มีความเป็นเบสที่ไม่แรง โมเลกุล pyrrole ก็ทำได้เพียงแค่การสร้างพันธะไฮโดรเจนยึดเกาะกับ O^2- นั้น (ที่อาจกำจัดได้ด้วยการทำสุญญากาศ) แต่ถ้า O^2- มีความเป็นเบสที่แรง อะตอม N ของโมเลกุล pyrrole ก็อาจจ่ายโปรตอนให้กับ O^2- แล้วกลายเป็น pyrrolate ion (ที่อาจต้องไล่ออกจากพื้นผิวด้วยการให้ความร้อน)

รูปที่ ๖ รูปแบบการยึดเกาะของโมเลกุล pyrroloe เข้ากับ O^2-

รูปที่ ๗ และ ๘ เป็น IR spectra ที่นำมาจากรูปที่ ๕.๔ และ ๕.๗ ในวิทยานิพนธ์ปริญญาวิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต วิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ปีการศึกษา ๒๕๔๓ เรื่อง "การศึกษาการวัดความเป็นเบสของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยการดูดซับโมเลกุลโพรบ" ของนางสาวจีราพร จันทรศร โดยเป็นการศึกษาการใช้ pyrrole วัดความเป็นเบสของพื้นผิว ในการทดลองนี้ได้ให้ MgO ดูดซับโมเลกุล pyrrole เอาไว้ก่อน จากนั้นจึงใช้การทำสุญญากาศเพื่อกำจัดโมเลกุล pyrrole ที่ไม่สามารถสร้างพันธะที่แข็งแรงยึดเกาะพื้นผิวเอาไว้ได้ (รูปที่ ๗) ส่วนรูปที่ ๘ เป็นการทดลองต่อจากรูปที่ ๗ กล่าวคือหลังจากทำสุญญากาศจนพบว่าพีคของ pyrrole นั้นลดต่ำลงจนคงที่แล้ว ก็ทำการเพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างเป็นขั้น ๆ และทำการวัดปริมาณ pyrrole ที่หลงเหลืออยู่บนพื้นผิว จะเห็นว่าพอเพิ่มอุณหภูมิไปได้แค่ 100ºC ก็ไม่สามารถตรวจพบ pyrrole บนพื้นผิวแล้ว

รูปที่ ๗ IR spectra การดูดซับ pyrrole บนพื้นผิว MgO หลังจากที่ให้พื้นผิวดูดซับ pyrrole จนอิ่มตัวและทำสุญญากาศที่อุณหภูมิห้องเพื่อกำจัดโมเลกุล pyrrole ส่วนเกินออก (ตำแหน่งเลขคลื่น 1016 cm^-1)

รูปที่ ๘ IR spectra การดูดซับ pyrrole บนพื้นผิว MgO หลังจากกำจัดโมเลกุล pyrrole ส่วนเกินออกด้วยการทำสุญญากาศที่อุณหภูมิห้อง จากนั้นจึงค่อยเพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างและวัดปริมาณที่หลงเหลืออยู่บนพื้นผิว