الحموض والقواعد

• أصفُ الحمضَ والقاعدة وفق مفهوم كلّ من أرهينيوس، وبرونستد- لوري، ولويس.
• أكتبُ معادلاتٍ كيميائيّةً وفق مفهوم أرهينيوس، وبرونستد- لوري.
• أُحدِّدُ الأزواج المترافقة من الحمض والقاعدة.

من الليمون إلى المنظفات: ما الحمض وما القاعدة؟

كيف عَرّف الكيميائيون كلاً من الحمض والقاعدة؟ وكيف تطوّر مفهومهما ليشمل أكبر عدد ممكن من المواد؟

• الحموض تعطي الأطعمة مذاقًا حامضًا أو لاذعًا، مثل حمض الستريك الذي يكسبها الطعم الحمضي (الشكل 1).
• الحموض تؤثر في الكواشف المختلفة.

• القواعد توجد أيضًا في كثير من المواد الغذائيّة، ومنها الخضراوات مثل السبانخ، وبعض الفواكه مثل المشمش.
• القواعد تدخل في صناعة المنظفات؛ فيُستعمل هيدروكسيد الصوديوم في صناعة المنظفات المنزلية وصناعة الصابون (الشكل 2).
• القواعد تتميز بطعمها المُرّ، وملمسها الزَّلق، وتأثيرها في الكواشف.

أرهينيوس: متى تُسمّى المادة حمضًا؟

تمكَّن العالم أرهينيوس ⁦(Arrhenius)⁩ عن طريق دراسته التوصيل الكهربائي لمحاليل المواد الأيونيّة من وضع تصوّر حول مفهوم كلّ من الحمض والقاعدة، وقد عُدَّت هذه خطوةً رائدةً في مجال الكيمياء والتحليل الكيميائي.

• مثال: عند إذابة غاز كلوريد الهيدروجين $\text{HCl}$ في الماء ينتج أيون الهيدروجين $\text{H}^+$ في المحلول:

• حمض النيتريك $\text{HNO}_3$ يتأين في الماء منتجًا أيون الهيدروجين $\text{H}^+$:

• $\text{HNO}_{3(aq)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{H}^+_{(aq)} + \text{NO}_{3(aq)}^-$

• القاعدة العامة: ينطبق هذا على جميع حموض أرهينيوس؛ فهي تحتوي على ذرة هيدروجين أو أكثر، قابلة للتأين.

• تختلف الحموض في عدد ذرات الهيدروجين القابلة للتأين في الجزيء:

• حمض الإيثانويك $\text{CH}_3\text{COOH}$ يحتوي ثلاث ذرات هيدروجين مرتبطة بذرة الكربون ليس لها القدرة على التأين؛ لأن الروابط بينها غير قطبية مما يمنع تأينها (الشكل 3).
• ذرة الهيدروجين المرتبطة بذرة الأكسجين ذات السالبية الكهربائية العالية هي الوحيدة التي تتأين في المحلول؛ ولذلك يُصنّف على أنه حمض أحادي البروتون.

أرهينيوس: وما القاعدة؟ وأين يتوقف مفهومه؟

• مثال: عند إذابة هيدروكسيد الصوديوم $\text{NaOH}$ في الماء ينتج أيون الهيدروكسيد $\text{OH}^-$:

• هيدروكسيد البوتاسيوم $\text{KOH}$ يتأين في الماء كذلك:

• ينطبق ذلك بشكل عام على هيدروكسيدات فلزات المجموعتين الأولى والثانية من الجدول الدوري.

• قواعد أرهينيوس كلها تحتوي على أيون الهيدروكسيد: بعضها أيون هيدروكسيد واحد مثل $\text{NaOH}$، وبعضها أيونا هيدروكسيد مثل $\text{Ca(OH)}_2$.

• حدود مفهوم أرهينيوس: رغم إنجازه الكبير بقي محدودًا؛ لأنه تناول الحموض والقواعد في المحاليل المائية فقط.
• لم يتمكن من تفسير التأثير القاعدي لقواعد معروفة، مثل الأمونيا $\text{NH}_3$.
• ولا التأثير الحمضي لمحلول كلوريد الأمونيوم $\text{NH}_4\text{Cl}$.
• ولا التأثير القاعدي لمحلول كربونات الصوديوم الهيدروجينية $\text{NaHCO}_3$.

أكتب معادلة تبيّن التأثير القاعدي لمحلول هيدروكسيد الليثيوم $\text{LiOH}$.

لماذا لا يبقى أيون الهيدروجين وحيدًا في الماء؟

• أيون الهيدروجين $\text{H}^+$ يتكوّن من بروتون واحد فقط، وهو جسيم صغير جدًا يحمل شحنة كهربائية عالية جدًا (ذو كثافة كهربائية عالية).
• لذلك لا يمكن أن يوجد منفردًا في المحلول؛ إذ يرتبط بجزيء ماء.

• يُعبَّر عن أيون الهيدروجين في المحلول بأيون الهيدرونيوم $\text{H}_3\text{O}^+$، وبذلك تُكتب معادلة تأين كلوريد الهيدروجين $\text{HCl}$:

فماذا لو تفاعل حمض مع قاعدة لا تحتوي أيون الهيدروكسيد؟

برونستد ولوري: الحمض يمنح البروتون والقاعدة تستقبله

قدّم مفهوم أرهينيوس تفسيراً مقبولاً لسلوك كثير من الحموض والقواعد، إلا أنه لم يتمكن من تفسير كثير من تفاعلاتها

• مثال: تفاعل حمض الهيدروكلوريك $\text{HCl}$ مع الأمونيا $\text{NH}_3$ ينتج ملح كلوريد الأمونيوم $\text{NH}_4\text{Cl}$.
• وهو تفاعل حمض مع قاعدة، سواء في المحاليل أو في الحالة الغازية:

• الأمونيا $\text{NH}_3$ قاعدة لا تحتوي على أيون الهيدروكسيد؛ فدفع ذلك الكيميائيين إلى تطوير مفهومي الحمض والقاعدة.
• تصوّر برونستد ولوري يعتمد على انتقال البروتون $\text{H}^+$ (أيون الهيدروجين) من الحمض إلى القاعدة في أثناء التفاعل؛ وبذلك قدّما تعريفًا أكثر شمولًا.

• مثال: عند إذابة كلوريد الهيدروجين $\text{HCl}$ في الماء فإنه يمنح البروتون $\text{H}^+$ ويمثل الحمض،
• بينما يستقبل الماء البروتون $\text{H}^+$ ويمثل القاعدة:

• $\text{HCl}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)} + \text{Cl}^-_{(aq)}$

• عند إذابة الأمونيا $\text{NH}_3$ في الماء فإنها تستقبل البروتون $\text{H}^+$ من الماء؛ وبهذا فإنها تمثل القاعدة.
• ويمثل الماء الحمض في التفاعل:

• عند خلط محلول $\text{HCl}$ مع محلول $\text{NH}_3$ ينتقل البروتون $(\text{H}^+)$ من $\text{HCl}$، الذي يمثل الحمض في التفاعل،
• إلى $\text{NH}_3$، التي تمثل القاعدة:

الأزواج المترافقة: ماذا يصير كل طرف بعد انتقال البروتون؟

• مفهوم برونستد-لوري فسّر كثيرًا من تفاعلات الحموض والقواعد بالاعتماد على انتقال البروتون من الحمض إلى القاعدة.
• مثال: يتفاعل الحمض $\text{HCl}$ مع محلول القاعدة $\text{CH}_3\text{NH}_2$:

• $\begin{gathered}HCl_{(g)} + CH_3NH_{2(aq)} \longrightarrow \\ CH_3NH_{3(aq)}^+ + Cl_{(aq)}^-\end{gathered}$

• الأدوار في المعادلة: $\text{HCl}$ حمض مانح، $\text{CH}_3\text{NH}_2$ قاعدة مستقبلة، $\text{CH}_3\text{NH}_{3(aq)}^+$ حمض مرافق، $\text{Cl}_{(aq)}^-$ قاعدة مرافقة.

• لكل حمض في التفاعل قاعدة مرافقة في المواد الناتجة، ولكل قاعدة في التفاعل حمض مرافق في المواد الناتجة.

• تفاعل الأمونيا $\text{NH}_3$ مع الماء يشتمل أيضًا على زوجين مترافقين:

• الزوجان: القاعدة وحمضها المرافق $(\text{NH}_3\backslash\text{NH}_4^+)$، والحمض وقاعدته المرافقة $(\text{H}_2\text{O}\backslash\text{OH}^-)$.

وهل الحموض كلها بالقوة نفسها؟

الحمض القوي: متى يتأين كليًّا؟

• قوة الحمض ترتبط بقدرته على التأين ومنح البروتون.

• مثال: يتأين الحمض $\text{HCl}$ في الماء كليًّا:

• الماء $\text{H}_2\text{O}$ يسلك سلوك القاعدة، والحمض $\text{HCl}$ يسلك سلوك الحمض.
• التفاعل يتجه كليًّا نحو تكوين المواد الناتجة؛ فالحمض $\text{HCl}$ أكثر قدرةً على منح البروتون من أيون الهيدرونيوم، وأقوى منه.
• القاعدة المرافقة أقل قدرةً على استقبال البروتون من القاعدة $\text{H}_2\text{O}$؛ فالماء قاعدة أقوى منها في التفاعل.

الحمض الضعيف: لماذا يتأين جزئيًّا وينعكس التفاعل؟

• مثال: يتأين حمض الإيثانويك $\text{CH}_3\text{COOH}$ في الماء بدرجة ضئيلة:

• درجة التأين الضئيلة للحمض $\text{CH}_3\text{COOH}$ تشير إلى أن تركيزه في المحلول يكون عاليًا (الشكل 4/ب).

فما العلاقة بين قوة الحمض وقوة قاعدته المرافقة؟

كلما قوي الحمض ضعفت قاعدته المرافقة

• الحمض القوي $\text{HCl}$ تكون قاعدته المرافقة ضعيفة نسبيًّا، والحمض الضعيف $\text{CH}_3\text{COOH}$ تكون قاعدته المرافقة قوية نسبيًّا.
• كلما زادت قوة الحمض قلّت قوة القاعدة المرافقة الناتجة عنه.
• التفاعل يتجه نحو تكوين المواد الأضعف؛ أي أن موضع الاتزان يُزاح جهة المواد الأضعف في التفاعل.
• ينطبق ذلك على القواعد الضعيفة وحموضها المرافقة: القاعدة الأقوى يكون حمضها المرافق أضعف.
• وكلما زادت قوّة القاعدة قلّت قوّة الحمض الناتج عنها.

• الأعلى = الأقوى حمضًا: سهم للأعلى بجانبه تزايد قوّة الحمض.
• الأسفل = الأقوى قاعدة: سهم للأسفل بجانبه تزايد قوّة القاعدة.

أحدِّد الحمض الأقوى بين الحموض الآتية:

أحدِّد أيَّ الحموض الآتية تكون قاعدته المرافقة هي الأقوى:

أحدِّد الجهة التي يُزاح نحوها الاتزان في التفاعل الآتي:

وهل يعمل الماء حمضًا دائمًا أم قاعدة؟

مادة تمنح وتستقبل: من هي المواد الأمفوتيرية؟

• يتأثر سلوك المادة كحمض أو قاعدة وفق مفهوم برونستد-لوري تبعًا لطبيعة المواد التي تتفاعل معها وقدرتها على منح البروتون أو استقباله.

• الماء يسلك كقاعدة في تفاعله مع الحموض، مثل حمض الهيدروكلوريك $\text{HCl}$.
• والماء يسلك كحمض في تفاعله مع القواعد، مثل الأمونيا $\text{NH}_3$؛ وبهذا يُعدُّ مادة أمفوتيرية.
• الأيونات السالبة المحتوية على الهيدروجين والقادرة على منحه في التفاعل تسلك سلوكًا أمفوتيريًا، مثل:
• $\text{HS}^-$، $\text{H}_2\text{PO}_4^-$، $\text{HCO}_3^-$، $\text{HSO}_3^-$.
• وتُستثنى من ذلك أيونات $\text{OH}^-$، وأيونات الكربوكسيل، مثل: $\text{HCOO}^-$ و $\text{CH}_3\text{COO}^-$.

• مثال: يسلك الأيون $\text{HSO}_3^-$ سلوك القاعدة عند تفاعله مع حمض الإيثانويك $\text{CH}_3\text{COOH}$:

• ويسلك أيضًا سلوك الحمض عند تفاعله مع قاعدة، مثل $\text{CN}^-$؛ فهو يمنح البروتون $\text{H}^+$ إلى أيون $\text{CN}^-$، الذي يمثل القاعدة في التفاعل:

وماذا عن تفاعلات لا ينتقل فيها بروتون أصلًا؟

لويس: القاعدة تمنح زوج إلكترونات والحمض يستقبله

• لم يوضّح مفهوم برونستد-لوري كيفية ارتباط البروتون بالقاعدة.
• وهناك كثير من تفاعلات حمض-قاعدة لا تشتمل على انتقال للبروتون، مثل تفاعل بعض الأيونات الفلزية مع الماء أو الأمونيا.
• درس لويس هذه التفاعلات ووضع تصوّرًا جديدًا بالاعتماد على انتقال أزواج الإلكترونات من القاعدة إلى الحمض.

• تفسير الرابطة في تفاعل الحمض $\text{HCl}$ مع القاعدة $\text{NH}_3$:
• أيون الهيدروجين $\text{H}^+$ (البروتون) الناتج من تأيّن الحمض يمتلك فلكًا فارغًا.
• ذرّة النيتروجين في الأمونيا $\text{NH}_3$ تمتلك زوجًا غير رابط من الإلكترونات.
• عند انتقال البروتون إلى $\text{NH}_3$ يستقبل زوج الإلكترونات غير الرابط ويرتبط به، فتنشأ بينهما رابطة تناسقية.
• ويتكوّن أيون الأمونيوم موجب الشحنة $\text{NH}_4^+$.

• مفهوم لويس استُخدم في تفسير تفاعلات حمض-قاعدة التي ينطبق عليها مفهوم برونستد-لوري، وتفاعلات أخرى لا ينطبق عليها،
• مثل تفاعل الأمونيا $\text{NH}_3$ مع ثلاثي فلوريد البورون $\text{BF}_3$:

• النيتروجين ⁦N⁩ في $\text{NH}_3$ يمتلك زوج إلكترونات غير رابط يمكنه منحه؛ وبهذا فإن $\text{NH}_3$ تمثل القاعدة.
• البورون ⁦B⁩ في $\text{BF}_3$ لديه فلك فارغ يُمكّنه من استقبال زوج من الإلكترونات؛ وبهذا فإن $\text{BF}_3$ يمثل الحمض.

• الأيونات المعقدة: تمكّن لويس من تفسير تكوينها من تفاعل أيونات بعض الفلزات مع جزيئات مثل $\text{H}_2\text{O}$ أو $\text{NH}_3$،
• أو مع أيونات أخرى مثل $\text{CN}^-$.
• مثال: يتفاعل أيون $\text{Cu}^{2+}$ مع الماء $\text{H}_2\text{O}$ لتكوين الأيون $\text{Cu(H}_2\text{O)}_6^{2+}$:

• الحمض: أيون النحاس $\text{Cu}^{2+}$ يمتلك أفلاكًا فارغة؛ فيستقبل زوجًا أو أكثر من الإلكترونات من الماء.
• القاعدة: ذرّة الأكسجين في جزيء الماء تمتلك زوجين غير رابطين من الإلكترونات، تمنح أحدهما لأيون النحاس.
• النتيجة: يرتبط أيون النحاس بجزيئات الماء بروابط تناسقية، مكوّنًا الأيون $\text{Cu(H}_2\text{O)}_6^{2+}$.

• مثال: تفاعل أيون الفضّة $\text{Ag}^+$ مع أيونات السيانيد $\text{CN}^-$ لتكوين $\text{Ag(CN)}_2^-$:

• $\text{Ag}^+_{(aq)} + 2\text{CN}^-_{(aq)} \rightleftharpoons \text{Ag(CN)}_2^-{}_{(aq)}$

• أيون الفضّة الموجب يمتلك أفلاكًا فارغة، بينما أيون السيانيد السالب $\text{CN}^-$ يمتلك أزواج إلكترونات غير رابطة.
• أيون الفضّة $\text{Ag}^+$ يستقبل أزواج الإلكترونات ويمثل حمض لويس، وكل أيون سيانيد $\text{CN}^-$ يمنح زوج إلكترونات غير رابط ويمثل قاعدة لويس.

كيف نقارن قوة حمضين بالقياس؟

فأيّ المحلولين يتأين كليًّا، وأيّهما يتأين جزئيًّا؟