تطور مفهومي الحمض والقاعدة

وضع أرينيوس عام 1887م تصوراً حول طبيعة الحموض والقواعد، وقد عرّف كلاً منهما على النحو الآتي: الحمض: المادة التي تزيد من تركيز أيونات الهيدروجين $H^+$ عند ذوبانها في الماء. القاعدة: المادة التي تزيد من تركيز أيونات الهيدروكسيد $OH^-$ عند ذوبانها في الماء. وحسب مفهوم أرينيوس للحموض والقواعد لا تكون المادة حمضاً إلا إذا احتوت على أيون (أيونات) الهيدروجين $H^+$، أما القاعدة فيشترط احتوائها على مجموعة الهيدروكسيد $OH^-$. 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 $HClO_4$
• ب. هيدروكسيد الباريوم $Ba(OH)_2$

  عندما تتأين الحموض في الماء فإنها تكوّن أيونات الهيدروجين الموجبة (البروتون $H^+$) 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 $H^+$ مع الماء عند تكوين أيون $H_3O^+$؟

   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 ($OH^-$) مثل مركب الأمونيا $NH_3$.
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؟ $NH_3, Ca(OH)_2, CH_3COONa$

اقترح كل من يوهانز برونستد وتوماس لوري مفهوماً أكثر تطوراً وشمولية للحموض والقواعد عام 1923م، وحسب هذا المفهوم فإن: الحمض: المادة التي تمنح البروتون $H^+$ لمادة أخرى عند تفاعلهما. القاعدة: المادة التي تستقبل البروتون $H^+$ من مادة أخرى عند تفاعلهما.

$HCN_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons H_3O^+_{(aq)} + CN^-_{(aq)}$ يسلك ⁦HCN⁩ كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى جزيء الماء، ويعد جزيء الماء قاعدة في هذا التفاعل؛ لأنه يستقبل البروتون، وحيث إن التفاعل يتم بشكل عكسي، فإن أيون $H_3O^+$ يسلك كحمض؛ لأنه يمنح البروتون إلى أيون $CN^-$، ويعد أيون $CN^-$ 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)⁩: $NH_{3(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons NH_{4(aq)}^+ + OH^-_{(aq)}$

هناك مواد تسلك سلوك الحمض في بعض التفاعلات، وسلوك القاعدة في تفاعلات أخرى، تسمى المواد الأمفوتيرية ومنها ($HCO_3^-, HSO_3^-, HS^-, H_2O...$)

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 $CH_3COOH$ المكون الرئيس في الخل، اكتب معادلة تأين الحمض في الماء، ثم حدّد الأزواج المتلازمة من الحمض والقاعدة. الحل: $CH_3COOH_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons CH_3COO^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}$

الأزواج المتلازمة من (الحمض/القاعدة) هي: ($CH_3COOH / CH_3COO^-$), ($H_2O/H_3O^+$)

تمرين (6): حدّد الزوجين المتلازمين من الحمض والقاعدة في كل من التفاعلين الآتيين: $CN^-_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons HCN_{(aq)} + OH^-_{(aq)}$ $CH_3NH_{2(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons CH_3NH_{3(aq)}^+ + OH^-_{(aq)}$

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. الحمض: المادة التي تستقبل زوجاً (أو أكثر) من الإلكترونات غير الرابطة من مادة أخرى عند تفاعلهما. القاعدة: المادة التي تمنح زوجاً (أو أكثر) من الإلكترونات غير الرابطة من مادة أخرى عند تفاعلهما.

تقدم الأمونيا $NH_3$ زوجاً من الإلكترونات إلى جزيء $BF_3$، وتتشكل بينهما رابطة تساهمية تناسقية، وبالتالي يمكن اعتبار $NH_3$ قاعدة لويس، و $BF_3$ حمض لويس.

لاحظت أن تعريف لويس للحمض والقاعدة لا يشترط انتقال البروتون من الحمض للقاعدة كما في تعريف برونستد ولوري، ولا يشترط وجود المحلول المائي كما في تعريف أرينيوس، بل يشمل تفاعلات تحدث دون وجود الماء، والتفاعلات الغازية أيضاً، من جهة أخرى استطاع مفهوم لويس تفسير السلوك الحمضي لأيونات العناصر الانتقالية.

تمرين (7):

1. حدّد حمض لويس وقاعدة لويس في التفاعلات الآتية:

$\text{B(OH)}_{3(aq)} + OH^-_{(aq)} \rightarrow \text{B(OH)}_4{}^-_{(aq)}$ $Cu^{2+}_{(aq)} + 4 NH_{3(aq)} \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}_{(aq)}$ $NH_{3(g)} + HCl_{(g)} \rightarrow NH_4Cl_{(s)}$

2. فسّر السلوك القاعدي لمركب الهيدرازين $N_2H_4$ عند تفاعله مع الماء حسب مفهوم: