تطور مفهومي الحمض والقاعدة

وضع أرينيوس عام 1887م تصوراً حول طبيعة الحموض والقواعد، وقد عرّف كلاً منهما على النحو الآتي:

وحسب مفهوم أرينيوس للحموض والقواعد لا تكون المادة حمضاً إلا إذا احتوت على أيون (أيونات) الهيدروجين $\ce{H+}$، أما القاعدة فيشترط احتوائها على مجموعة الهيدروكسيد $\ce{OH-}$.

تأمل الآتي:

• يتأين حمض الهيدروكلوريك في الماء إلى أيونات الهيدروجين الموجبة، وأيونات الكلوريد السالبة، كما في المعادلة الآتية:

• أما عند ذوبان هيدروكسيد الصوديوم NaOH في الماء فإنه يتأين إلى أيونات الهيدروكسيد السالبة، وأيونات الصوديوم الموجبة.

تمرين (2): اكتب معادلة كيميائية تمثل تأين كل من الآتية في الماء وفق مفهوم أرينيوس:

• أ. حمض البيركلوريك $\ce{HClO4}$
• ب. هيدروكسيد الباريوم $\ce{Ba(OH)2}$

عندما تتأين الحموض في الماء فإنها تكوّن أيونات الهيدروجين الموجبة (البروتون $\ce{H+}$) وهو أيون صغير الحجم وكثافة شحنته عالية جداً؛ لذا يميل للارتباط بجزيء ماء واحد على الأقل مكوناً أيون الهيدرونيوم $H_3O^+$، انظر الشكل (2-3).

تمرين (3):

1. لماذا يطلق على أيون الهيدروجين الموجب اسم البروتون؟
2. ما نوع الرابطة التي يكونها أيون $\ce{H+}$ مع الماء عند تكوين أيون $\ce{H3O+}$؟

بالرغم من نجاح مفهوم أرينيوس في تفسير كثير من خواص الحموض والقواعد إلا أنه واجه عدداً من التحديات منها:

1. وجود بعض المركبات لها خواص قاعدية في المحاليل المائية، رغم أنها لا تحوي مجموعة ($\ce{OH-}$) مثل مركب الأمونيا $\ce{NH3}$.
2. اقتصار المفهوم على المحاليل المائية، وعدم قدرته على تفسير تفاعلات الحموض والقواعد في المحاليل غير المائية.
3. عدم قدرته على تفسير السلوك الحمضي أو القاعدي لمحاليل بعض الأملاح مثل $NH_4Cl, KF$.

تمرين (4): أي من الآتية تعد قاعدة حسب مفهوم أرينيوس؟

اقترح كل من يوهانز برونستد وتوماس لوري مفهوماً أكثر تطوراً وشمولية للحموض والقواعد عام 1923م، وحسب هذا المفهوم فإن:

يمثل التفاعل الآتي تأين حمض الهيدروسيانيك في الماء:

1. يسلك HCN كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى جزيء الماء.
2. ويعد جزيء الماء قاعدة في هذا التفاعل؛ لأنه يستقبل البروتون.

وحيث إن التفاعل يتم بشكل عكسي، فإن أيون $\ce{H3O+}$ يسلك كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى أيون $\ce{CN-}$، ويعد أيون $\ce{CN-}$ قاعدة؛ لأنه يستقبل البروتون.

يشكل كل من $HCN, CN^-$ زوجاً متلازماً من الحمض والقاعدة، وكذلك يشكل $H_2O, H_3O^+$ زوجاً متلازماً آخر، ويوضح التفاعل الآتي بين الأمونيا والماء الأزواج المتلازمة من الحمض والقاعدة (conjugate acid-base pair):

قاعدة (1) حمض (2) حمض (1) قاعدة (2)

صيغة الحمض الملازم = صيغة القاعدة + $H^+$

صيغة القاعدة الملازمة = صيغة الحمض – $H^+$

تمرين (5):

1. ما صيغة الحمض الملازم للقواعد $SO_3^{2-}, Br^-, HCO_3^-, CH_3NH_2$؟
2. ما صيغة القاعدة الملازمة للحموض $H_2C_2O_4, HF, CH_3COOH, HCO_3^-$؟

مثال (1): يعد حمض الإيثانويك $\ce{CH3COOH}$ المكون الرئيس في الخل، اكتب معادلة تأين الحمض في الماء، ثم حدّد الأزواج المتلازمة من الحمض والقاعدة.

الحل: $CH_3COOH_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons CH_3COO^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}$

حمض (1) قاعدة (2) قاعدة (1) حمض (2)

الأزواج المتلازمة من (الحمض/القاعدة) هي: ($\ce{CH3COOH}/\ce{CH3COO-}$), ($\ce{H2O}/\ce{H3O+}$)

تمرين (6): حدّد الزوجين المتلازمين من الحمض والقاعدة في كل من التفاعلين الآتيين:

قدم لويس تعريفاً للحمض والقاعدة أكثر شمولية من تعريف برونستد - لوري، واعتمد في تفسير السلوك الحمضي والقاعدي على أزواج الإلكترونات غير الرابطة وحركتها أثناء التفاعل بين الحمض والقاعدة، وكان هذا امتداداً طبيعياً لدراسته حول دور أزواج الإلكترونات في إنشاء الروابط الكيميائية.

أنظر التفاعل الآتي بين الأمونيا وفلوريد البورون:

تقدم الأمونيا $\ce{NH3}$ زوجاً من الإلكترونات إلى جزيء $\ce{BF3}$، وتتشكل بينهما رابطة تساهمية تناسقية، وبالتالي يمكن اعتبار $\ce{NH3}$ قاعدة لويس، و $\ce{BF3}$ حمض لويس.

قاعدة لويس | حمض لويس

لاحظت أن تعريف لويس للحمض والقاعدة:

1. لا يشترط انتقال البروتون من الحمض للقاعدة كما في تعريف برونستد ولوري.
2. ولا يشترط وجود المحلول المائي كما في تعريف أرهينيوس.
3. بل يشمل تفاعلات تحدث دون وجود الماء، والتفاعلات الغازية أيضاً.

من جهة أخرى استطاع مفهوم لويس تفسير السلوك الحمضي لأيونات العناصر الفلزية الانتقالية.

تمرين (7):

1. حدّد حمض لويس وقاعدة لويس في التفاعلات الآتية:

$\text{B(OH)}_{3\text{(aq)}} + \text{OH}^-_{\text{(aq)}} \longrightarrow \text{B(OH)}_4^-{}_{\text{(aq)}}$ $\text{Cu}^{2+}_{\text{(aq)}} + 4\text{ NH}_{3\text{(aq)}} \longrightarrow [\text{Cu(NH}_3)_4]^{2+}_{\text{(aq)}}$ $\text{NH}_{3\text{(g)}} + \text{HCl}_{\text{(g)}} \longrightarrow \text{NH}_4\text{Cl}_{(\text{s})}$

2. فسّر السلوك القاعدي لمركب الهيدرازين $\ce{N2H4}$ عند تفاعله مع الماء حسب مفهوم:

• أ. برونستد - لوري
• ب. لويس