محاليل الحموض والقواعد الضعيفة

تتميز الحموض والقواعد الضعيفة بأنها لا تتفكك كلياً عند وضعها في الماء، بل تنشأ حالة من الاتزان الكيميائي بين الجزيئات والأيونات الناتجة.

الاتزان في المحاليل الضعيفة: حالة ديناميكية توجد في محاليل الحموض والقواعد الضعيفة، حيث يكون معدل سرعة التفاعل الأمامي (التأين) مساوياً لمعدل سرعة التفاعل العكسي (إعادة تكوين الجزيئات).

• يعبر عن مدى تأين الحمض الضعيف بثابت خاص يسمى $K_a$.
• يعبر عن مدى تأين القاعدة الضعيفة بثابت خاص يسمى $K_b$.
• كلما زادت قيمة الثابت، زادت قدرة المادة على التأين وزادت قوتها.

تعتبر محاليل الحموض والقواعد الضعيفة موصلات ضعيفة للتيار الكهربائي بسبب انخفاض تركيز الأيونات فيها مقارنة بالمواد القوية.

محاليل الحموض والقواعد الضعيفة — يتناول هذا الدرس سلوك الحموض والقواعد الضعيفة عند ذوبانها في الماء، وكيفية التعبير عن قدرتها على التأين باستخدام ثوابت الاتزان Ka و Kb، مع تطبيقات حسابية للرقم الهيدروجيني.

تذكير: في الامتحان: اكتب القانون ثم عوّض بالأرقام مع الوحدات.

عند تأين حمض ضعيف افتراضي $HX$ في الماء، يزاح موضع الاتزان جهة اليسار (المواد المتفاعلة)، مما يعني أن تركيز الجزيئات غير المتأينة يبقى عالياً.

ثابت تأين الحمض: ثابت الاتزان لتفاعل تأين الحمض الضعيف في الماء، ويساوي ناتج ضرب تراكيز الأيونات الناتجة مقسوماً على تركيز الحمض عند الاتزان.

الصيغة الرياضية العامة: $K_a = \frac{[H_3O^+][X^-]}{[HX]}$

الخصائص الأساسية:

1. قيمة $K_a$ ثابتة للحمض الواحد عند درجة حرارة معينة (غالباً $25^\circ C$).
2. العلاقة طردية بين قيمة $K_a$ وقوة الحمض وتركيز $[H_3O^+]$.
3. العلاقة عكسية بين قيمة $K_a$ وقيمة $pH$ للمحلول.

عند إجراء الحسابات، يُهمل النقص في تركيز الحمض الضعيف ($x$) إذا كانت قيمة $K_a$ صغيرة جداً مقارنة بالتركيز الابتدائي، لتبسيط الحل الرياضي بجعل $[HX]_{initial} \approx [HX]_{equilibrium}$.

قيم ثابت تأين بعض الحموض الضعيفة عند درجة حرارة $25^\circ C$:

تتفاعل القواعد الضعيفة مع الماء عن طريق استقبال بروتون، مما ينتج أيون الهيدروكسيد $OH^-$ والحمض المرافق للقاعدة. مفاهيم الاتزان في محاليل الحموض والقواعد التي تتأين جزئياً، وكيفية استخدام ثوابت

ثابت تأين القاعدة: ثابت الاتزان لتفاعل تأين القاعدة الضعيفة في الماء، ويرمز له بالرمز $K_b$.

الصيغة الرياضية العامة للقاعدة $B$: $K_b = \frac{[BH^+][OH^-]}{[B]}$

نقاط هامة:

• كلما زادت قيمة $K_b$ زادت قوة القاعدة وزاد تركيز $[OH^-]$.
• تزداد قيمة $pH$ للمحلول بزيادة قيمة $K_b$.

قيم ثابت التأين لبعض القواعد الضعيفة عند درجة حرارة $25^\circ C$:

يخطئ بعض الطلبة بالتعويض المباشر بتركيز القاعدة الضعيفة كتركيز لأيون $OH^-$؛ تذكر أن $[OH^-]$ في القواعد الضعيفة دائماً أقل من التركيز الابتدائي للقاعدة ويُحسب من $K_b$.

يمكن استخدام قيمة $pH$ المقاسة مخبرياً لإيجاد تركيز الحمض أو القاعدة، أو حتى تحديد قيمة ثابت التأين المجهولة.

لحساب الكتلة المطلوبة لتحضير محلول بـ $pH$ معين، نتبع التسلسل: $pH \rightarrow [H_3O^+] \rightarrow [Acid] \rightarrow n \rightarrow m$.

خطوات حل مسائل القواعد الضعيفة لإيجاد $pH$:

1. حساب $[OH^-]$ من قانون $K_b$.
2. استخدام ثابت تأين الماء $K_w$ لإيجاد $[H_3O^+]$.
3. تطبيق قانون $pH = -\log[H_3O^+]$.

في مسائل 'الربط مع الصناعة'، تذكر أن حمض الكبريتيك والفوسفوريك من أهم المنتجات الصناعية في الأردن (شركة مناجم الفوسفات)، مما يربط الكيمياء بالواقع الاقتصادي.

مراجعة الدرس

• وضح العلاقة بين ثابت تأين الحمض الضعيف ورقمه الهيدروجيني؟
• فسر سبب زيادة تركيز أيونات $OH^-$ في محلول القاعدة الضعيفة بزيادة ثابت تأينها؟
• احسب تركيز $H_3O^+$ و $OH^-$ وقيمة $pOH$ لمحلول $HNO_2$ بتركيز $0.02 M$، علمًا أن $K_a = 4.5 \times 10^{-4}$؟
• أيهما له أقل رقم هيدروجيني: محلول $HNO_2$ أم $HCN$ عند التركيز نفسه؟
• احسب كتلة القاعدة $N_2H_4$ اللازمة لتحضير محلول حجمه $400 mL$ ورقمه الهيدروجيني $9.4$؟