شارح الدرس: الحمضية والقاعدية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف الأحماض والقواعد، ونفهم خواصها المميزة، ونحدِّد الأنواع الحمضية والقاعدية في التفاعلات الكيميائية.

الأحماض والقواعد موادُّ يمكننا إيجادها في كل مكان حولنا. يوضِّح الجدول الآتي بعض الأحماض والقواعد الشائعة التي قد نكون على دراية بها.

لعلنا نعرف أن ثمرات الليمون حمضية، وأن المنظفات، كالأمونيا والمُبيض، قاعدية، لكن ما الذي يجعلنا نصنِّف مادةً ما على أنها حمض أو قاعدة؟

عُرِف مصطلحا الحمض والقلوي (القاعدة) منذ عدة قرون. مع بداية القرن التاسع عشر كان من المعروف جيدًا أن للأحماض والقواعد خواص معيَّنة، لكن لم يكُن هناك تعريف رسمي يمكن تصنيفها من خلاله.

عام 1887، اقترح العالم السويدي سفانت أرهينيوس أول تعريف مقبول على نطاق واسع للحمض والقاعدة. عرَّف أرهينيوس الأحماض بأنها مواد تتأيَّن عند الذوبان في الماء لتُنتج أيونات الهيدروجين () أو لتزيد تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول.

حمض الهيدروكلوريك () أحد أمثلة حمض أرهينيوس. عندما يذوب في الماء، يُعطي أيونات و:

لا تبقى أيونات حرة في المحلول، ولكن تكتسبها جزيئات الماء لتكوِّن أيونات الهيدرونيوم، . تُستخدم المعادلة الكيميائية المذكورة سابقًا عادةً لاختصار التفاعل. لكن المعادلة الكيميائية الآتية تمثِّل ذلك بشكل أكثر دقة:

وفقًا لتعريف أرهينيوس، تُصنَّف القواعد على أنها مواد تتأيَّن في الماء لإنتاج أيونات الهيدروكسيد () أو لزيادة تركيز أيونات الهيدروكسيد في المحلول.

هيدروكسيد الصوديوم () أحد أمثلة قاعدة أرهينيوس. عند إذابة في الماء، يتأيَّن إلى و. توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية التفاعل الكامل:

على الرغم من أن تعريفَي أرهينيوس للحمض والقاعدة مفيدان، فإنهما محدودان. ينطبق التعريفان فقط على المواد التي أُذيبت في الماء. ولكن من الممكن أن تحدث تفاعلات الأحماض والقواعد عند ذوبان المركبات في مذيبات أخرى، حتى عندما تكون في الحالة الغازية.

عام 1932، اقترح العالمان يوهانس برونستد وتوماس لوري، بشكل مستقل، تعريفين جديدين للحمض والقاعدة ليشملا مزيدًا من المواد وظروف التفاعل. اعتقدا أن تفاعلات الأحماض والقواعد تتضمَّن انتقال بروتون () من حمض إلى قاعدة. ومن ثَمَّ، وفقًا لتعريف برونستد-لوري، فإن الحمض هو مانح البروتون، والقاعدة هي مستقبل البروتون.

لا تزال المواد التي صُنِّفت على أنها أحماض أرهينيوس تُعتبر أحماضًا وفقًا لتعريف برونستد-لوري، وينطبق الأمر نفسه على قواعد أرهينيوس. وفي بعض الأحيان، قد يُشار إلى قواعد أرهينيوس بأنها قلويات. والقلويات قواعدُ قابلةٌ للذوبان في الماء. جميع القلويات قواعد، ولكن ليس جميع المواد التي يمكننا تصنيفها على أنها قواعد وفقًا لتعريف برونستد-لوري تعتبر قلويات.

ذكر أرهينيوس أن ناتجَي تفاعل الحمض والقاعدة هما الملح والماء. ويعتمد تعريف التفاعل هذا على احتواء القاعدة على الهيدروكسيد. لكن هناك العديد من قواعد برونستد-لوري التي لا تحتوي على هيدروكسيد. ولذلك، عند تفاعل حمض مع قاعدة لا تحتوي على هيدروكسيد، من الأفضل التفكير في انتقال البروتونات.

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية التفاعل بين حمض وقاعدة برونستد-لوري:

يجب أن يحتوي حمض برونستد-لوري على ذرة هيدروجين يمكن فقدانها في صورة أيون ، ويجب ان تكون قاعدة برونستد-لوري قادرة على استقبال ايون . يُسمَّى النوع الناتج عن فقدان حمضٍ ما لبروتون بالقاعدة المرافقة، ويُسمَّى النوع الناتج عن اكتساب قاعدة ما لبروتون بالحمض المرافق:

مثال ٣: التعرُّف على المعادلة الكيميائية لتأيُّن حمض النيتريك

في أحد المحاليل، يتأيَّن حمض النيتريك () تأيُّنًا تامًّا ليتكوَّن محلول حمضي. أيُّ المعادلات الآتية توضِّح تأيُّن ؟

1.  
2.  
3.  
4.  
5.  

الحل

الحمض، كما يعرِّفه برونستد ولوري، مادةٌ يمكن أن تفقد أو تمنح بروتون () في تفاعلٍ ما. من الممكن أن يمنح حمض النيتريك بروتونًا ليتحوَّل إلى أيون نيترات (). وبما أن الحمض موجود في محلول، إذن يمكن أن تستقبل جزيئات الماء البروتون لتتحوَّل إلى أيونات هيدرونيوم ():

لا يتضمَّن أيٌّ من الإجابات معادلةً تكون جزيئات الماء فيها متفاعلًا ثانيًا. لذا، يمكننا اختصار المعادلة الكيميائية عن طريق إزالة من جانبَي المعادلة، وإضافة رمز الحالة (aq)، وهو ما يوضِّح أن جميع الأنواع مذابة في الماء:

ومن ثَمَّ، فإن المعادلة التي توضِّح تأيُّن حمض النيتريك هي المعادلة الموجودة في خيار الإجابة (ب).

للأحماض المرافقة والقواعد المرافقة نفس سلوك الأحماض والقواعد. يمكن للحمض المرافق أن يمنح بروتونًا للقاعدة المرافقة لإعادة تكوين الحمض والقاعدة الأصليين:

ومن ثَمَّ، فإن تفاعلات الأحماض والقواعد لها القدرة على التحرُّك في كلا الاتجاهين الأمامي والخلفي. ويُحدَّد الاتجاه العام لتفاعل الأحماض والقواعد حسب قوة الحمض والقاعدة.

تعتمد قوة الأحماض أو القواعد على قابلية المادة للتأيُّن. الأحماض والقواعد التي يمكنها أن تتأيَّن تأيُّنًا تامًّا عند الذوبان في الماء تعتبر قوية.

يُعَد حمض الهيدروكلوريك أحد الأحماض القوية. وذلك لأنه عند الذوبان في الماء، تتأيَّن جميع جزيئات حمض الهيدروكلوريك إلى أيونات و. وتكتسب جزيئات الماء أيونات لتكوِّن :

لا يمكن أن تتأيَّن القاعدة المرافقة لحمض قوي والحمض المرافق لقاعدة قوية لإعادة تكوين المتفاعلَيْن الأصليين في محلول ما:

ومن ثَمَّ، فإن التفاعلات التي تتضمَّن أحماضًا وقواعد قوية تتفاعل حتى النهاية. ويُستخدَم في المعادلة الكيميائية لهذه التفاعلات سهم تفاعل أمامي .

أما بالنسبة إلى الأحماض والقواعد التي لا تتأيَّن تأيُّنًا تامًّا عند الذوبان في الماء، فتعتبر ضعيفة. وكلٌّ من القاعدة المرافقة لحمض ضعيف والحمض المرافق لقاعدة ضعيفة يكون قادرًا على التأيُّن لإعادة تكوين المتفاعلَيْن الأصليين.

على سبيل المثال، تُعَد الأمونيا () قاعدة ضعيفة. وذلك لأنه عند إذابتها في الماء، تتأيَّن بعض جزيئاتها إلى أيون الأمونيوم (). وفي الوقت نفسه، قد تفقد بعض أيونات الأمونيوم المكوَّنة حديثًا بروتونًا واحدًا لتتحوَّل مرةً أخرى إلى أمونيا:

تكون التفاعلات التي تتضمَّن حمضًا وقاعدة ضعيفَيْن في حالة الاتزان. ويُستخدَم في المعادلة الكيميائية لهذه التفاعلات سهم اتزان .

يمثِّل الشكلان الآتيان الفرق بين سلوك حمض قوي () وحمض ضعيف () في الماء.

لاحظ كيف أنه في محلول ، الذي هو حمض قوي، يحدث تأيُّن تام للجزيئات إلى أيونات و، في حين أنه في محلول ، الذي هو حمض ضعيف، ما زالت هناك بعض جزيئات التي لم تتأيَّن في المحلول.

من المهم أن نعرف الفرق بين قوة الحمض أو القاعدة وتركيزهما. تُشير القوة إلى قدرة المادة على التأيُّن. وتكون الأحماض والقواعد قوية عندما تتأيَّن جميع جزيئاتها تأيُّنًا تامًّا، وتكون ضعيفة عندما تتأيَّن بعض جزيئاتها فقط.

يُشير التركيز إلى كمية المادة المذابة في حجم معيَّن. إذا كانت كمية المادة المذابة كبيرة، يكون المحلول مركَّزًا، وإذا كانت كمية المادة المذابة صغيرة، يمكن اعتبار المحلول مخفَّفًا. من الممكن الحصول على محاليل مخفَّفة لأحماض قوية ومحاليل مركَّزة لقواعد ضعيفة.

بجانب هذا، يمكننا وصف المحاليل بأنها أكثر حمضية أو قاعديةً من محاليل أخرى. تصبح المحاليل أكثر حمضية عندما يزداد تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول ويقل تركيز أيونات الهيدروكسيد. وبالمثل، تصبح المحاليل أكثر قاعديةً عندما يزداد تركيز أيونات الهيدروكسيد في المحلول ويقل تركيز أيونات الهيدروجين.

يوجد عدد محدود من الأحماض والقواعد القوية. يوضِّح الجدولان الآتيان الأحماض السبعة القوية والقواعد الثماني القوية:

يعتبر أغلب الأحماض والقواعد ضعيفًا. يوضِّح الجدولان الآتيان بعض الأحماض والقواعد الضعيفة الشائعة.

الأحماض التي تتأيَّن لتُنتج أيون واحدًا فقط تُسمَّى الأحماض الأحادية البروتون؛ لأنها تُنتج بروتونًا واحدًا. لكن يمكن لحمض الكربونيك وحمض الفوسفوريك، الواردين في جدول الأحماض الضعيفة السابق، إنتاج أكثر من أيون واحد في المحلول. وتُسمَّى الأحماض القادرة على إنتاج بروتونين منفصلين الأحماض الثنائية البروتون، أما الأحماض التي تُنتج أكثر من اثنين من البروتونات فتُسمَّى الأحماض المتعدِّدة البروتون.

تمنح الأحماض الثنائية البروتون والمتعدِّدة البروتون بروتونًا واحدًا في كل مرة، وذلك حيث يُفقَد البروتون الأول بسرعة وسهولة أكبر من البروتون الثاني أو الثالث. بالنسبة إلى حمض الكبريتيك، الذي هو حمض قوي، يتأيَّن البروتون الأول تأيُّنًا تامًّا وسلِسًا من جزيء حمض الكبريتيك:

أما البروتون الثاني في الناتج، فإنه يتأيَّن بحدٍّ قليل. ومن ثَمَّ، يعتبر حمضًا ضعيفًا:

هناك العديد من الأحماض التي تحتوي على أكثر من ذرة هيدروجين واحدة، لكن ليس بإمكان كل ذرات الهيدروجين أن تتأيَّن. على سبيل المثال، يحتوي حمض الأسيتيك () على أربع ذرات هيدروجين، لكن ذرة الهيدروجين المرتبطة بالأكسجين فقط هي التي ستتأيَّن عند الذوبان في الماء:

يُصنَّف الماء باعتباره حمضًا ضعيفًا وقاعدة ضعيفة. وإذا نظرنا إلى جزيء الماء، فسنجد أن بإمكانه فقدان بروتون والتحول إلى أيون هيدروكسيد ():

يمكننا أن نلاحظ أيضًا أن ذرة الأكسجين في جزيء الماء لها زوج حر من الإلكترونات يمكنه استقبال بروتون واحد. ونتيجةً لذلك، يمكن لجزيء الماء التحول إلى أيون هيدرونيوم ():

تُسمَّى الجزيئات التي يمكن أن تتصرَّف باعتبارها أحماضًا أو قواعد، مثل الماء، بالجزيئات المتذبذبة.

إذا كان بإمكان الماء التصرف باعتباره حمضًا أو قاعدةً، فهذا يعني أن جزيء الماء يمكن أن يخضع لتفاعل حمض وقاعدة مع جزيء ماء آخر. وفي تفاعل الحمض والقاعدة هذا، يفقد جزيء الماء الحمضي بروتونًا واحدًا، أما جزيء الماء القاعدي فيكتسب بروتونًا:

يُعرَف التفاعل السابق بالتأيُّن الذاتي للماء.

هذا التفاعل يحدث في كل عيِّنة ماء، ولكن بما أن الماء يعتبر حمضًا ضعيفًا وقاعدة ضعيفة، فإن بعضًا من جزيئات الماء فقط يشارك في هذا التفاعل. وعلى الرغم من وجود تفاعل الحمض والقاعدة هذا في الماء النقي، فإن المحلول يكون متعادلًا. وهذا لأن عدد أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد الناتجة يكون متساويًا.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.