إسهامات الكيميائيين في تعرف خصائص الأحماض والقواعد
تعريف الأحماض والقواعد
تتفاعل الأحماض والقواعد كمواد كيميائية شائعة، مما يؤدي إلى تكوين الملح والماء. ويأتي مصطلح “حمض” من الكلمة اللاتينية “acere” التي تعني الحامض .
نستخدم في حياتنا اليومية العديد من المركبات التي تسمى بالأحماض من قبل العلماء، حيث يحتوي عصير البرتقال على حمض الستريك وهو معروف بفيتامين سي، وعندما يتحول اللبن إلى حمض فإنه يحتوي على حمض اللاكتيك .
الحمض هو أي مادة تحتوي على الهيدروجين وقادرة على التبرع بأيون الهيدروجين إلى مادة أخرى، فيما القاعدة عبارة عن جزيء أو أيون قادر على قبول أيون الهيدروجين من الحمض .
يمكن التعرف على المواد الحمضية من خلال طعمها الحامضي، حيث يتكون الحمض أساسًا من جزيء يمكنه التبرع بأيون +H، ومن المعروف أن الأحماض تتحول إلى اللون الأزرق في وجود عصير الليمون أو عصير البرتقال .
خصائص الأحماض
تم تحديد الأحماض كفئة مميزة من المركبات التي تتميز محاليلها المائية بالخصائص التالية:
- طعم حامض ومميز .
- يتم تغيير لون عباد الشمس من اللون الأزرق إلى اللون الأحمر .
- تتفاعل مع العديد من المعادن لإنتاج غاز H2 .
- يتفاعل الماء مع القواعد لتشكيل الملح .
تتميز المحاليل الحمضية بدرجة حموضة أقل من 7، وهذا يعني انخفاض قيم الأس الهيدروجيني التي تتزايد مع زيادة الحموضة، وتشمل الأمثلة الشائعة للأحماض حمض الأسيتيك الذي يوجد في الخل، وحمض الكبريتيك المستخدم في بطاريات السيارات، وكذلك حمض الطرطريك المستخدم في الخبز .
التعريفات الشائعة للأحماض
يوجد ثلاث تعريفات شائعة للأحماض وهي كالتالي :
- يُعرف حمض أرهينيوس بأنه المادة التي تزيد تركيز أيونات الهيدرونيوم في المحلول .
- حمض برونستد لوري هو مادة يتم استخدامها كمتبرع بالبروتون، أي أنها تستطيع التبرع بجسيمات البروتون .
- حمض لويس يعني أنها المادة التي يمكن لها استقبال زوج من الإلكترونات .
العوامل المؤثرة في قوة الحمض
يمكن لعاملين أساسيين المساهمة في تعزيز قوة الحمض الكلي، وهما:
- قطبية الجزيء .
- قوة رابطة HA .
نجد أن العاملان هذان مرتبطان بالفعل، حيث يزداد كثافة الإلكترون داخل الجزيء كلما زاد قطبية الجزيء، بعيدًا عن البروتون. وكلما زادت الشحنة الجزئية الموجبة على البروتون، كلما كانت رابطة HA أضعف، وكلما كان من السهل فصل البروتون في المحلول .
كلما زاد الاختلاف في الشحنة بين الجزيئات، زادت كثافة الإلكترونات داخل الجزيء بعيداً عن البروتون، وكلما كانت الشحنة الموجبة على البروتون أكبر، كان رابطة HA أضعف، وكلما كان من السهل فصل البروتون في المحلول .
مميزات القواعد
تتميز القواعد بطعم مر وملمس زلق، وتشار إلى القاعدة التي يمكن إذابتها في الماء باسم القلوي. وعندما تتفاعل هذه المواد بشكل كيميائي مع الأحماض، فإنها تنتج الأملاح. ومن المعروف أن القواعد تتحول إلى اللون الأحمر عند استخدام عباد الشمس الأزرق .
تشمل المواد القلوية معظم المعادن القلوية وبعض هيدروكسيدات فلز الأرض القلوية، وتعتبر جميعها قواعد قوية في المحاليل
- هيدروكسيد الصوديوم .
- هيدروكسيد البوتاسيوم .
- هيدروكسيد الليثيوم .
- هيدروكسيد الروبيديوم .
- هيدروكسيد السيزيوم .
- هيدروكسيد الكالسيوم .
- هيدروكسيد الباريوم .
- هيدروكسيد السترونتيوم .
تتفكك هيدروكسيدات الفلزات القلوية بشكل كامل في المحلول، وتعتبر هيدروكسيدات فلزات الأرض القلوية أقل قابلية للذوبان،ولكنها لا تزال تعد قواعدًا قوية .
إسهامات الكيميائيين في تعرف خصائص الأحماض والقواعد
يعتبر مفهوم أرهينيوس للأحماض والقواعد كالتالي :
- اكتشف العالم السويدي سفانتي أوجست أرينيوس أن الأحماض هي مواد تزيد تركيز أيون +H في الماء عند حلها فيه .
- تتصاعد عملية تكوين أيونات الهيدرونيوم عن طريق اندماج البروتونات مع جزيئات الماء .
- يتمثل تعريف أرينيوس للقواعد في أنها المواد التي عندما تذوب في الماء ويزداد تركيز -OH الأيونات فيها .
- تتمثل إحدى مزايا هذا النهج في شرح نجاح التفاعل بين الأحماض والقواعد التي تنتج الأملاح والماء .
- توجد قيود هامة على تعريفات أرهينيوس للأحماض والقواعد، حيث أنه لا يوفر تفسيرًا لتشكل المواد التي لا تحتويعلى أيونات الهيدروكسيد وتكون محاليل أساسية عند إذابتها في الماء .
ونجد أن نظرية برونستد لوري للأحماض والقواعد كالتالي :
- تصف نظرية برونستد لوري الحمض باعتبارًا لمانح للبروتونات .
- تتلخص القاعدة في أنها تقبل إلكترونًا أو تستقبل أيونًا وذلك وفقًا لهذه النظرية .
- تتم معالجة الأحماض البرونزية للتفكك وإنتاج البروتونات للزيادة في تركيز أيونات +H في المحلول .
- يقوم بروتونات برونستد بقبول جزيئات الماء لإنتاج أيونات الهيدروكسيد .
- تتمثل إحدى ميزات تعريف لوري للأحماض والقواعد في قدرته على تفسير طبيعة الأنواع الأيونية، سواء كانت حمضية أو قاعدية .
تعد نظرية لويس من أهم النظريات في مجال الكيمياء، حيث قام الكيميائي الأمريكي جيلبرث إن لويس بتقديمها في عام 1923، وتعتبر الحمض مركبًا يمكنه في تفاعل كيميائي أن يربطنفسه بزوج من الإلكترونات غير المشتركة في جزيء آخر، وهذا يعد من أهم التعميمات المتعلقة بالأحماض والقواعد .
قوة الأحماض والأحماض القوية
تشير قوة الحمض إلى مدى سهولة فقدان الحمض للبروتون أو التبرع به، حيث يوجد حمض أقوى يتأين أو ينفصل بسهولة في محلول أكثر من حمض أضعف، ويمكن تصنيف الأحماض الستة القوية الشائعة كالتالي:
- حمض الهيدروكلوريك HCL .
- حمض الهيد وبروميك HBR .
- حمض الهيد ويوديك Hi.
- تُعد حمض الكبريتيك حمضًا قويًا فقط إذا كان البروتون الأول حمضيًا بشكل قوي .
- حمض النيتريك .
- حمض البير كلوريك .
تعتبر كل من تلك الأحماض أساسية في المحلول بنسبة 100٪، ويعتبر الحمض القوي هو الذي ينفصل تمامًا عن الماء، حيث ينتج مول واحد من الحمض القوي العام، ومول واحد من القاعدة المترافقة مع عدم وجود أي من حمض HA غير المتبقي في المحلول .
يُعتبر الحمض الضعيف الذي يكون أقل استعدادًا للتبرع بالبروتون هو الذي ينفصل بشكل جزئي في المحلول، حيث يكون كل من الحمض والقاعدة المقترنة موجودين بجانب كمية كبيرة من الأنواع غير المنفصلة عند التوازن .