تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

فيديو الدرس: مقياس الأس الهيدروجيني الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على مقياس الأس الهيدروجيني من حيث معناه، وكيفية تعريفه، وقيم الأس الهيدروجيني للمواد الشائعة.

٢٠:٣٤

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على مقياس الأس الهيدروجيني، وكيفية تعريفه، وقيم الأس الهيدروجيني للمواد الشائعة. بوجه عام، عندما نتحدث عن الأس الهيدروجيني فإننا نتحدث عن المحاليل المائية، وهي المحاليل التي يكون فيها المذيب هو الماء ‪H2O‬‏. والأس الهيدروجيني للماء النقي عند 25 درجة سلزية يساوي سبعة. يتراوح عادة الأس الهيدروجيني للمحاليل بين صفر و14، مع وجود القيمة سبعة في المنتصف. فيعد الأس الهيدروجيني للماء، وهو سبعة، متعادلًا. وعندما تكون قيمة الأس الهيدروجيني أكبر من سبعة، يكون المحلول قاعديًّا. أما عندما تكون قيمة الأس الهيدروجيني أقل من سبعة، يكون المحلول حمضيًّا.

لكن ماذا تعني الحمضية بالتحديد؟ بشكل عام، الحمض هو مادة يمكنها أن تفقد أيونات الهيدروجين. ونستخدم، بوجه عام، الماء مادة مرجعية للحمضية. يعرف هذا النوع من الأحماض بحمض برونستد-لوري. عند إضافة حمض إلى الماء، فإنه عادة يذوب ويتأين، ويرتبط أيون الهيدروجين الناتج عن الحمض بجزيء ماء مكونًا أيون ‪H3O+‬‏ المعروف أيضًا باسم أيون الهيدرونيوم. ويمكننا كتابة المعادلة هكذا. يتفاعل ‪HA‬‏ مائي مع ‪H2O‬‏ سائل ليكونا ‪A−‬‏ مائيًّا زائد ‪H3O+‬‏ مائي. في هذه العملية، يمنح الحمض أيون هيدروجين لجزيء الماء. وتظل بقية الحمض في المحلول.

للتبسيط، لا نكتب أحيانًا جزيء الماء في المعادلة، بل نكتب تأين الحمض في صورة ‪HA‬‏ مائي يتفاعل لينتج ‪A−‬‏ مائيًّا زائد ‪H+‬‏ مائي. وتركيز أيونات الهيدروجين هذه في المحلول هو ما يحدد درجة الحمضية والأس الهيدروجيني. لنتخيل أن لدينا بعض الماء النقي عند 25 درجة سلزية. تركيز أيونات الهيدروجين ليس صفرًا في الواقع، لكنه ضئيل جدًّا حيث يبلغ 0.0000001 مولار أو مول لكل لتر. تنشأ أيونات الهيدروجين هذه بسبب الميل الطبيعي لجزيئات الماء إلى التفاعل بعضها مع بعض. ونلاحظ هنا أن أحد جزيئات الماء قد منح أيون هيدروجين لجزيء آخر.

للتبسيط، يمكننا استبعاد أحد جزيئي الماء وكتابة تأين الماء إلى أيونات ‪OH−‬‏ و‪H+‬‏. هذا يعرف بالتأين الذاتي للماء. ولتحري الدقة، علينا وضع سهمي التفاعل الانعكاسي لأن جزيئات الماء تتفاعل لتنتج أيونات الهيدروكسيد والهيدرونيوم. لكن بمقدور أيونات الهيدروكسيد وأيونات الهيدرونيوم أن تتحد مرة أخرى لتكوين جزيئات الماء. وعند وصول هذين النظامين إلى حالة الاتزان، يتبقى لدينا كمية ماء أكبر بكثير من أيونات الهيدروكسيد أو أيونات الهيدروجين. والفرق هنا كبير للغاية. فلكل أيون هيدروجين، نتوقع أن يكون هناك نحو 550 مليون جزيء ماء.

إذا احتوى محلول معين على أيونات هيدروجين بنسبة أكبر من ذلك، يكون محلولًا حمضيًّا. أما إذا كانت نسبة الأيونات فيه أقل، فهو محلول قاعدي. تختلف الحمضية أو تركيز أيونات الهيدروجين للمواد الشائعة اختلافًا واسع النطاق. فالمحاليل الشديدة الحمضية، مثل حمض الهيدروكلوريك الذي تركيزه مولار واحد، تحتوي على تركيز عال جدًّا من أيونات ‪H+‬‏. فيحتوي حمض الهيدروكلوريك الذي تركيزه مولار واحد على عدد أكبر بمقدار 10 ملايين مرة من أيونات الهيدروجين لكل حجم مقارنة بالماء النقي، بينما في المحاليل الشديدة القاعدية، مثل هيدروكسيد الصوديوم الذي تركيزه مولار واحد، يكون تركيز أيونات الهيدروجين أقل بكثير.

مقارنة بالماء، تركيز أيونات الهيدروجين في هيدروكسيد الصوديوم الذي تركيزه مولار واحد أقل بمقدار 10 ملايين مرة. هذا يعني أنه بين المحلول الشديد الحمضية والآخر الشديد القاعدية، نرى فرقًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمقدار 100000 مليار أيون. وهو ما يعني واحدًا يتبعه 14 صفرًا. هذا يعني أنه يوجد اختلاف هائل في درجة الحمضية عند التعامل مع المحاليل العادية. وبدلًا من استخدام تركيز أيونات الهيدروجين مباشرة، توصل الكيميائيون إلى نظام أفضل، وهو الأس الهيدروجيني. الأس الهيدروجيني هو مجرد أداة رياضية. ويستخدم فقط لتبسيط تركيزات أيونات الهيدروجين التي نتعامل معها يوميًّا.

وها هي صيغة الأس الهيدروجيني التي تستخدم التركيز المولاري لأيونات الهيدروجين. يشير ‪Log‬‏ إلى لوغاريتم. ونفترض هنا أن الأساس 10. هذه الأداة الرياضية العامة هي ما سنستخدمه لتبسيط تركيزات أيونات الهيدروجين. العدد الكبير 1000 يساوي 10 في 10 في 10، أي 10 أس ثلاثة. ولوغاريتم 1000 يساوي ثلاثة، إذن اللوغاريتم هو دالة منظمة تخبرنا كم مرة علينا ضرب العدد 10 في نفسه للحصول على عدد معين. وتطبيق اللوغاريتمات يجعل التعامل مع الأعداد الكبيرة والصغيرة أسهل، وكذلك المقارنة بينها.

لقد رأينا بالفعل كيف يمكن أن يتفاوت تركيز أيونات الهيدروجين تفاوتًا كبيرًا يصعب التعامل معه. يمكننا تبسيطه إلى حد ما من خلال التعبير عن هذه القيم في صورة قوى العدد 10، ولكن هذا ليس جيدًا بما يكفي. لذا إذا أخذنا اللوغاريتم، فسنحصل على أعداد يمكن التعامل معها على نحو أيسر. وأخيرًا، إذا غيرنا الإشارة عن طريق تطبيق اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدروجين، فسنحصل على أعداد صغيرة يمكن التعامل معها بين صفر و14. بذلك نكون قد توصلنا أخيرًا إلى مقياس الأس الهيدروجيني. وعليه، بدلًا من الحديث عن تركيزات أيونات الهيدروجين التي تتغير بقوى العدد 10، يمكننا الحديث عن الأس الهيدروجيني الذي يتغير بالآحاد. يختلف الأس الهيدروجيني الفعلي للمادة بناء على درجة الحرارة والتركيز، ولكن يمكننا وضع المواد على مقياس الأس الهيدروجيني مع قيمها المعتادة.

كما عرفنا سابقًا، الأس الهيدروجيني للماء النقي حوالي سبعة. إذا كنت بصحة جيدة، فسيكون الأس الهيدروجيني لدمك قاعديًّا قليلًا، حوالي 7.4. والأس الهيدروجيني لمياه البحر هو 8.1. والأس الهيدروجيني لمحلول الأمونيا المركز حوالي 11.6. أما الأس الهيدروجيني لمحلول مركز من هيدروكسيد الصوديوم الذي يمكن استخدامه لعلاج انسداد المصارف، فهو حوالي 14. على الجانب الآخر، نجد أن الأس الهيدروجيني للحليب يساوي 6.6، أي إنه حمضي قليلًا، في حين أن الأس الهيدروجيني لفنجان من القهوة يساوي حوالي 4.5. والأس الهيدروجيني لعصير الليمون هو حوالي 2.3، أما الأس الهيدروجيني لحمض البطارية، أي حمض الكبريتيك، فهو صفر تقريبًا. على الرغم من إمكانية وجود قيم أس هيدروجيني أعلى من 14 أو أقل من صفر، فإن ذلك ليس شائعًا.

هناك مقياس مشابه قد يصادفك يسمى مقياس الأس الهيدروكسيلي. يحسب الأس الهيدروكسيلي بنفس طريقة حساب الأس الهيدروجيني، ولكن باستخدام تركيز أيونات الهيدروكسيد بدلًا من الهيدروجين. وقيمة الأس الهيدروجيني صفر تكافئ الأس الهيدروكسيلي 14، والأس الهيدروجيني 14 يكافئ الأس الهيدروكسيلي صفرًا. ويمكننا ملء بقية المقياس بسهولة. المحلول ذو الأس الهيدروجيني المنخفض يكون حمضيًّا، والمحلول ذو الأس الهيدروكسيلي المنخفض يكون قاعديًّا. ويمكننا أن نلاحظ على نطاق المقياس أن مجموع الأس الهيدروجيني والأس الهيدروكسيلي يساوي دائمًا 14. ينطبق هذا على معظم الحالات الشائعة. لذا قد تجد هذه الصيغة مفيدة عند التحويل بين الأس الهيدروجيني والأس الهيدروكسيلي.

آخر نقطة سنتناولها هي الأدلة. هذا النوع من المواد الكيميائية مفيد لأن لونه يتغير حسب الأس الهيدروجيني لمحلول الوسط. تتفاعل الأدلة بطريقة ما مع محلول الوسط، ولكن هذا التفاعل انعكاسي، ومن ثم لا يحدث أي ضرر دائم للدليل. يعد الفينولفثالين أحد أكثر الأدلة شيوعًا. عند إضافة الفينولفثالين إلى محلول، سيوضح لك إذا ما كان الأس الهيدروجيني للمحلول أعلى من 8.2 لأنه سيتحول إلى اللون الوردي، بينما في المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الأقل من 8.2 يكون الفينولفثالين عديم اللون.

هناك دليل آخر شائع، وهو الميثيل البرتقالي الذي يظهر أحمر اللون في حالة وجوده في محاليل ذات أس هيدروجيني أقل من 3.1. وفي المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الذي يساوي حوالي 4.4، يكون لونه أصفر. وفي المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الذي يتراوح بين 3.1 و4.4، يكون خليطًا من الأحمر والأصفر، ومن ثم يبدو برتقاليًّا. إذن، بطريقة ما، لا تخبرك أدلة الأس الهيدروجيني هذه عن قيمة الأس الهيدروجيني نفسه. وإنما تضيق النطاق قليلًا فقط. فكل ما توضحه معظم الأدلة هو إذا ما كان الأس الهيدروجيني أعلى أو أقل من قيمة معينة. ولهذا تم اختراع الدليل العام. الدليل العام هو مزيج من أدلة مختلفة تمتزج ألوانها للحصول على طيف قوس قزح عبر مقياس الأس الهيدروجيني.

تذكر أن الألوان المرتبطة بمحلول ذي أس هيدروجيني معين تكون عادة ألوان الدليل العام. وهذه الألوان ليست بالضرورة ألوان محاليل لها هذه القيم من الأس الهيدروجيني. يمكننا استخدام الأدلة الكيميائية لرصد التغير في الأس الهيدروجيني لتفاعل ما، مثل تفاعل حمض وقاعدة. على سبيل المثال، يمكن رصد تفاعل هيدروكسيد صوديوم تركيزه 0.1 مولار وحمض هيدروكلوريك تركيزه 0.1 مولار باستخدام دليل عام. يمكننا ملاحظة تغير اللون عندما نضيف هيدروكسيد الصوديوم، ونقدر قيمة الأس الهيدروجيني من خلال النظر إلى الألوان والاختلافات بينها.

لن يكون هذا دقيقًا بقدر استخدام جهاز قياس الأس الهيدروجيني، لكنه سيكون أكثر تشويقًا من الناحية البصرية. بهذا التركيز من حمض الهيدروكلوريك والدليل العام، يكون لون المحلول برتقاليًّا في البداية. وهذا ما نتوقعه إذا كان الأس الهيدروجيني يساوي واحدًا. يزداد الأس الهيدروجيني ببطء، ونصل إلى الأس الهيدروجيني اثنين فقط بعد استهلاك 80% من حمض الهيدروكلوريك. خلال هذه الفترة، نرى المحلول يتحول تدريجيًّا إلى اللون الأصفر البرتقالي. كلما اقتربنا أكثر فأكثر من معادلة الحمض بالكامل، تغير اللون من البرتقالي إلى الأصفر إلى الأخضر ثم إلى الأخضر الفاتح.

عند تعادل حمض الهيدروكلوريك بالكامل دون إضافة أي كمية أخرى من هيدروكسيد الصوديوم، يصبح الأس الهيدروجيني سبعة. إذا واصلنا إضافة هيدروكسيد الصوديوم، فسيبدأ المحلول في التحول إلى قاعدي، ويصبح لونه أزرق ثم أرجوانيًّا. ولكن إضافة كمية إضافية كبيرة من محلول هيدروكسيد الصوديوم لن تؤدي إلى تغير كبير في قيمة الأس الهيدروجيني. فنحن مقيدون بتركيز 0.1 مولار الخاص بالمحلول المركز الذي لدينا. إذا استخدمنا بدلًا من ذلك جهازًا لقياس الأس الهيدروجيني، فسنتمكن من رصد الأس الهيدروجيني على نحو أكثر دقة حيث سيكون لدينا منحنى أملس وجزء شبه عمودي في المنتصف. لكن في هذه الحالة، ما زال الدليل مفيدًا جدًّا في إيجاد قيمة الأس الهيدروجيني للمحلول تقريبًا.

ويمكن أن تكون أدلة أخرى مفيدة جدًّا في الإشارة إلى أننا وصلنا إلى نقطة التعادل أو بالكاد تجاوزناها. لكننا لن نتطرق إلى ذلك. بدلًا من ذلك، دعونا نتمرن قليلًا.

الأس الهيدروجيني لماء المحيط ثمانية. هل يعد حمضيًّا، أم قاعديًّا، أم متعادلًا؟

الأس الهيدروجيني هو مقياس درجة الحمضية. يتراوح نطاق قيم الأس الهيدروجيني للمحلول عادة من صفر إلى 14. وسبعة في منتصف المقياس. الأس الهيدروجيني للماء النقي عند 25 درجة سلزية يساوي سبعة، ويعد متعادلًا. عندما تكون قيمة الأس الهيدروجيني أقل من سبعة، يكون المحلول حمضيًّا. وعندما تكون قيمة الأس الهيدروجيني أكبر من سبعة، يكون المحلول قاعديًّا. يخبرنا السؤال أن الأس الهيدروجيني لماء المحيط يساوي ثمانية، أي أكبر من سبعة. إذن ماء المحيط قاعدي.

في السؤال التالي، سنتناول المزيد من نطاقات الأس الهيدروجيني.

في أي نطاق من القيم قد يقع الأس الهيدروجيني لمحلول قاعدي؟

الأس الهيدروجيني هو مقياس لدرجة الحمضية. يتراوح نطاق قيم الأس الهيدروجيني للمحاليل من صفر إلى 14. تزداد درجة حمضية المحلول مع تناقص قيمة الأس الهيدروجيني. وتزداد قاعديته كلما زادت قيمة الأس الهيدروجيني. ونصف أي محلول قيمة أسه الهيدروجيني أكبر من قيمة الأس الهيدروجيني للماء النقي بأنه محلول قاعدي. والأس الهيدروجيني للماء النقي عند 25 درجة سلزية يساوي سبعة، ويعد متعادلًا. إذن أي محلول له أس هيدروجيني أكبر من سبعة هو محلول قاعدي. تطلب المسألة منا تحديد نطاق من القيم وليس قيمة واحدة، لذا نبحث عن نطاق مفتوح بين قيمتين أو نطاق محدد يشير إلى قيمة واحدة.

على الرغم من أن مقياس الأس الهيدروجيني يعرض الأرقام حتى الرقم 14 فقط، فهو لا يتوقف حقًّا عند هذا الحد. إذن أفضل ما يمكننا فعله هو أن نقول إن الأس الهيدروجيني لمحلول قاعدي يكون أكبر من سبعة.

بهذا نكون قد تناولنا سؤالين يتناولان المفاهيم الأساسية. والآن، لنلق نظرة على سؤال عملي بصورة أكبر.

ينتج عن إضافة كربونات الكالسيوم إلى عصير الليمون فوران بسبب غاز ثاني أكسيد الكربون. بناء على هذه الملحوظة، ما الذي يمكن أن يقال عن الأس الهيدروجيني لعصير الليمون؟

تعد كربونات الكالسيوم مثالًا على كربونات فلز، ويخبرنا السؤال أن مزج كربونات الكالسيوم مع عصير الليمون ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون. قد يذكرك هذا بالتفاعل العادي لكربونات فلز مع حمض لينتج ملح فلز، وثاني أكسيد الكربون، والماء. لا توجد أي ملاحظات متعلقة بإنتاج ملح الفلز والماء لأنهما يبقيان في السائل. لكننا نرى بالفعل فقاعات من غاز ثاني أكسيد الكربون. نستخلص من السؤال إذن أن عصير الليمون حمضي.

الأس الهيدروجيني هو قياس درجة حمضية المحاليل. والأس الهيدروجيني للماء النقي عند 25 درجة سلزية يساوي سبعة، ويعد متعادلًا. المحلول ذو الأس الهيدروجيني صفر هو محلول شديد الحمضية. والمحلول ذو الأس الهيدروجيني 14 شديد القاعدية. يجب أن يكون الأس الهيدروجيني لعصير الليمون أقل من سبعة للتفاعل مع الكربونات، وهذا يقتضي أن يكون العصير حمضيًّا. وبالتالي، بما أن عصير الليمون يتفاعل مع كربونات الكالسيوم، وهي حقيقة يؤكدها إنتاج ثاني أكسيد الكربون، فإننا نعلم أن الأس الهيدروجيني لعصير الليمون يجب أن يكون أقل من سبعة. باستخدام هذه الملاحظة فقط، هذه أدق إجابة يمكننا التوصل إليها.

عمليًّا، نتوقع أن يكون الأس الهيدروجيني لعصير الليمون أقل من سبعة بكثير لأن إنتاج ثاني أكسيد الكربون بمعدل مرئي يتطلب درجة حمضية مرتفعة نسبيًّا. لكن في الوقت الحالي، أقل من سبعة هو أفضل إجابة يمكننا ذكرها.

والآن لننه حديثنا باستعراض النقاط الأساسية. الأس الهيدروجيني هو قياس لدرجة حمضية المحاليل، فكلما زادت الحمضية، انخفض الأس الهيدروجيني. ويحسب الأس الهيدروجيني بأخذ سالب لوغاريتم الأساس 10 لتركيز أيونات الهيدروجين بالمولار أو المول لكل لتر. عادة ما تكون قيم الأس الهيدروجيني بين صفر و14. بدلًا من ذلك، يمكننا النظر إلى درجة القاعدية والأس الهيدروكسيلي الذي يستخدم تركيز أيونات الهيدروكسيد بدلًا من الهيدروجين. ويزداد الأس الهيدروجيني عندما يقل الأس الهيدروكسيلي، والعكس صحيح. وفي معظم الظروف الشائعة، يكون مجموع قيم الأس الهيدروجيني والأس الهيدروكسيلي دائمًا في محلول واحد يساوي 14.

الأس الهيدروجيني للماء النقي عند 25 درجة سلزية يساوي سبعة، ويعد متعادلًا. في المحاليل الحمضية يقل الأس الهيدروجيني عن سبعة، وفي المحاليل القاعدية يزيد الأس الهيدروجيني عن سبعة. وأخيرًا، تشير الأدلة الكيميائية حسب لونها إلى نطاق من قيم الأس الهيدروجيني المحتملة لأي محلول.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.