تطور مفهومي الحمض والقاعدة

أرينيوس: حمض يزيد أيونات الهيدروجين وقاعدة تزيد الهيدروكسيد

وضع أرينيوس عام 1887م تصوراً حول طبيعة الحموض والقواعد.

• الحمض: لا تكون المادة حمضاً إلا إذا احتوت على أيون (أيونات) الهيدروجين $\mathrm{H+}$.
• القاعدة: يشترط احتواؤها على مجموعة الهيدروكسيد $\mathrm{OH-}$.

كيف يظهر هذا في معادلة تأين؟

• حمض الهيدروكلوريك يتأين في الماء إلى أيونات الهيدروجين الموجبة وأيونات الكلوريد السالبة:

• هيدروكسيد الصوديوم ⁦NaOH⁩ يتأين في الماء إلى أيونات الهيدروكسيد السالبة وأيونات الصوديوم الموجبة:

• أيون الهيدرونيوم: أيون الهيدروجين الموجب (البروتون $\mathrm{H+}$) صغير الحجم وكثافة شحنته عالية جداً.
• لذا يميل للارتباط بجزيء ماء واحد على الأقل مكوناً أيون الهيدرونيوم $H_3O^+$، انظر الشكل (2-3).

• تحديات واجهت مفهوم أرينيوس رغم نجاحه في تفسير كثير من خواص الحموض والقواعد:
• مركبات لها خواص قاعدية في المحاليل المائية رغم أنها لا تحوي مجموعة ($\mathrm{OH-}$) مثل مركب الأمونيا $\mathrm{NH_{3}}$.
• اقتصار المفهوم على المحاليل المائية، وعدم قدرته على تفسير تفاعلات الحموض والقواعد في المحاليل غير المائية.
• عدم قدرته على تفسير السلوك الحمضي أو القاعدي لمحاليل بعض الأملاح مثل $NH_4Cl, KF$.

يمثل الشكل (3-1) تفاعل صفيحة من الخارصين ⁦Zn⁩ مع الحمضين ($HCl$، $CH_3COOH$) بنفس التركيز.

في أي الأنبوبين انطلق الغاز بكمية وبسرعة أكبر؟

ما اسم الغاز المنطلق؟

أي الأنبوبين (أ) أم (ب) يحوي على الحمض الأقوى؟

ماذا تستنتج؟

اكتب معادلة كيميائية تمثل تأين كل من الآتية في الماء وفق مفهوم أرينيوس:

• أ. حمض البيركلوريك $\mathrm{HClO_{4}}$

• ب. هيدروكسيد الباريوم $\mathrm{Ba(OH)_{2}}$

لماذا يطلق على أيون الهيدروجين الموجب اسم البروتون؟

ما نوع الرابطة التي يكونها أيون $\mathrm{H+}$ مع الماء عند تكوين أيون $\mathrm{H_{3}O+}$؟

أي من الآتية تعد قاعدة حسب مفهوم أرينيوس؟

برونستد - لوري: الحمض يمنح البروتون والقاعدة تستقبله

اقترح كل من يوهانز برونستد وتوماس لوري مفهوماً أكثر تطوراً وشمولية للحموض والقواعد عام 1923م.

• يمثل التفاعل الآتي تأين حمض الهيدروسيانيك في الماء:

• يسلك ⁦HCN⁩ كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى جزيء الماء.
• يعد جزيء الماء قاعدة في هذا التفاعل؛ لأنه يستقبل البروتون.
• التفاعل عكسي: أيون $\mathrm{H_{3}O+}$ يسلك كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى أيون $\mathrm{CN-}$.
• ويعد أيون $\mathrm{CN-}$ قاعدة؛ لأنه يستقبل البروتون.

وماذا يحدث للحمض والقاعدة بعد التفاعل؟

• زوج متلازم: يشكل كل من $HCN, CN^-$ زوجاً متلازماً من الحمض والقاعدة، وكذلك يشكل $H_2O, H_3O^+$ زوجاً متلازماً آخر.
• يوضح 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 – $H^+$

ما صيغة الحمض الملازم للقواعد $SO_3^{2-}, Br^-, HCO_3^-, CH_3NH_2$؟

ما صيغة القاعدة الملازمة للحموض $H_2C_2O_4, HF, CH_3COOH, HCO_3^-$؟

حدّد الزوجين المتلازمين من الحمض والقاعدة في كل من التفاعلين الآتيين:

$CN^-_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons HCN_{(aq)} + OH^-_{(aq)}$ $CH_3NH_{2(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons CH_3NH_{3(aq)}^+ + OH^-_{(aq)}$

لويس: أزواج الإلكترونات هي التي تتحرك

قدم لويس تعريفاً للحمض والقاعدة أكثر شمولية من تعريف برونستد - لوري.

• اعتمد في تفسير السلوك الحمضي والقاعدي على أزواج الإلكترونات غير الرابطة وحركتها أثناء التفاعل بين الحمض والقاعدة.

• تفاعل الأمونيا وفلوريد البورون: تقدم الأمونيا $\mathrm{NH_{3}}$ زوجاً من الإلكترونات إلى جزيء $\mathrm{BF_{3}}$.
• تتشكل بينهما رابطة تساهمية تناسقية؛ فـ $\mathrm{NH_{3}}$ قاعدة لويس، و $\mathrm{BF_{3}}$ حمض لويس.

ما الذي يميز تعريف لويس عن التعريفين السابقين؟

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

حدّد حمض لويس وقاعدة لويس في التفاعلات الآتية:

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

فسّر السلوك القاعدي لمركب الهيدرازين $\mathrm{N_{2}H_{4}}$ عند تفاعله مع الماء حسب مفهوم:

• أ. برونستد - لوري

• ب. لويس