يمكن استخدام مشروب الشاي في تمييز الحمض من القاعدة.

يمكن استخدام مشروب الشاي في تمييز الحمض من القاعدة.، التفاعل الحمضي-القاعدي هو تفاعل كيميائي يحدث بين الحمض والقاعدة. عدة مصطلحات تستخدم هنا لوصف آليات التفاعل وشرح هذه التفاعلات وتطبيقاتها. بالرغم من تشابه تعريفات الحمض والأساس فإن كل تعريف له أهميته واستخداماته في تفاعلات حمض-قاعدة بالنسبة إلى تفاعلات السوائل والغازات.

أول هذه التعريفات كان عن طريق الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه وذلك عام 1776.

تستند دراسة تفاعل حمض-قاعدة إلى مفهوم يوهانس نيكولاوس برونستد وتوماس لوري. ورغم أنهما اعتمدا في صياغتهما تعريف سفانت أرينيوس عن تفاعلات وضع بروتون مع الماء فقد قاما بتعميم ذلك التفاعل على غير الماء. وفي وقتنا الحاضر نعتمد كثيرا على تعريف جيلبرت لويس.

تعريفات الحمض والقاعدة

التطور التاريخي

أول من اقترح مفهوم تفاعل الحمض مع القاعدة كان الكيميائي الفرنسي كواليوم فرانسوا راؤول سنة 1754 وهو من أضاف مصطلح «قاعدة» إلى الكيمياء وهي المادة التي تتفاعل مع الحمض لتحوله إلى الحالة الصلبة (على هيئة ملح).

نظرية الأكسجين للافوازييه

أول من وضع تعريفًا علميًا للحمض والقاعدة هو أنطوان لافوازييه سنة 1776. كانت معرفة لافوازييه بالأحماض القوية مقصورة على الأحماض الأكسجينية مثل حمض النتريك HNO₃ وحمض الكبريتيك H₂SO₄ والتي تحتوي على ذرات مركزية تكون في حالة تاكسدية عالية ومحاطة بذرات الأكسجين، ولم يكن لافوازييه مدركًا لتركيب الأحماض الهالوجينية (حمض الهيدروفلوريك HF، حمض الهيدروكلوريك HCl، حمض الهيدروبروميك HBR، حمض الهيدرويوديك HI)؛ لذا فقد عرّف الأحماض بالاعتماد على ما تحتويه من ذرات الأكسجين وكلمة أكسجين تعني باليونانية مولِّد الحمض (من الكلمتين اليونانيتين οξυς (oxys) وتعني حمض و γεινομαι (geinomai) وتعني مولد). بقي تعريف لافوازييه سائدًا مدة 30 عامًا إلى نشر همفري ديفي سنة 1810 مقالة وألقى عدة محاضرات لاحقة أثبت فيها غياب الأكسجين عن حمض كبريتيد الهيدروجين H₂S وتولوريد الهيدروجين H₂Te والأحماض الهالوجينية. ولكن لم يفلح ديفي في وضع نظرية جديدة، ووصل إلى نتيجة مفادها أنّ «الحامضية لا تعتمد على مادة معيّنة، ولكن على طريقة ترتيب فريدة لعدد من المواد». عدّل يون ياكوب بيرسيليوس نظرية الأكسجين لتنصّ على أنّ الأحماض هي أكاسيد اللافلزات أم القواعد فهي أكاسيد الفلزات.

نظرية الهيدروجين لليبيغ

اقترح يوستوس فون ليبيغ سنة 1838 أن الحمض هو مركب يحتوي على ذرة هيدروجين يمكن للفلز أن يحل محلها. استند ليبيغ في إعادة تعريف الأحماض على تجاربه المكثفة في تحليل التركيب الكيميائي للأحماض العضوية، ومع أنّ تعريف ليبيغ كان تعريفًا عمليًا خالصًا، إلاّ أنه بقي سائدًا ما يقارب نصف قرن إلى أن جرى اعتماد تعريف أرينيوس.

خصائص الأحماض والقواعد

سنعرض لكم الآن مقارنة بين خصائص الأحماض والقواعد

أولًا: خصائص الأحماض

• تتميزالأحماض بطعم حامضي.
• تتفاعل مع بعض المعادن لفصل الهيدروجين.
• تتفاعل مع القواعد وتشكل الأملاح.
• تغيير لون ورق عباد الشمس من الأزرق إلى الأحمر.
• موصل تيار كهربائي جيد.
• يمكن أن تتلف الخلايا الحية.
• يمكنها تحفيز التفاعلات الكيميائية.
• قابلة للذوبان في الماء.
• الأحماض المعدنية عديمة اللون وفي الحالة الصلبة ، تكون الأحماض العضوية بيضاء.
• يشيع استخدامها في بطاريات السيارات والأسمدة.
• أمثلة: الخل (حمض الخليك) / حمض الهيدروكلوريك / حمض الكبريتيك

ثانيًا: خصائص القواعد

• تتميز القواعد بملمس صابوني ويمكن أن تغير بنية البروتين.
• تتفاعل مع الأحماض وتشكل الأملاح.
• تغيير لون ورق عباد الشمس من الأحمر إلى الأزرق.
• موصل تيار كهربائي جيد.
• القواعد القوية يمكن أن تتلف بروتينات الجلد وتسبب حروقا شديدة.
• مواد المسببة للتآكل التي يمكن أن تلحق الضرر بالمواد الأخرى.
• بعض القواعد قابلة للذوبان في الماء ولكن البعض الآخر ليس كذلك.
• معظم القواعد عديمة اللون.
• يشيع استخدامها في العديد من منتجات التنظيف.
• أمثلة: الأمونيا / هيدروكسيد الصوديوم / هيدروكسيد البوتاسيوم

أنواع الأحماض الكيميائية

تنقسم الأحماض طبقا لقوتها الى أحماض قوية وأحماض ضعيفة 

أولا:الأحماض القوية

يتميز الحمض القوي بقدرته على التأين أو الانفصال تماما في المذيبات. قيمة( pKa)  ثابت تأين الحمض للأحماض القوية أقل من -2.

ملاحظة: عندما تصبح الأحماض القوية  أكثر تركيزا ، قد تكون غير قادرة على الذوبان الكامل.  يتم فصل الحمض القوي بالكامل في محاليل بتركيز 1.0 م أو أقل.

الشكل العام لتفاعل التفكك أو التأين للأحماض القوية هو:

HA + S ↔ SH+ + A-

حيث:

S هو جزيء المذيب مثل الماء

على سبيل المثال ، تفكك حمض الهيدروكلوريك في الماء:

HCl(aq) → H+(aq) + Cl-(aq)

Ka هو ثابت تفكك الحمض ويقيس مدى انفصال الحمض تماما في محلول. تشير القيمة الكبيرة ل Ka إلى أن الحمض منفصل للغاية إلى أيوانه وهو حمض قوي. الأحماض القوية لها قيمة صغيرة من Ka لأنها تنفصل تماما في الماء.

هناك علاقة مباشرة بين Ka و pKa (ثابت تفكك الحمض اللوغاريتمي). لذلك ، كلما كان الحمض أقوى كلما انخفضت قيمة pKa.

pKa = -log [Ka]

 تعتمد قيمة pKa للحمض على المذيب. على سبيل المثال ، تبلغ قيمة pKa لحمض الهيدروكلوريك حوالي -5.9 في الماء وفي ثنائي ميثيل سلفوكسيد حوالي -2.0 ، في حين أن قيمة pKa لحمض الهيدروبروميك حوالي -8.8 في الماء وفي ثنائي ميثيل سلفوكسيد حوالي -6.8.

أمثلة على الأحماض القوية:

• H2SO4 (حمض الكبريتيك)
• HNO3 (حمض النيتريك)
• حمض الهيدروكلوريك (HCl)
• HI (حمض الهيدرويوديك)
• HBr (حمض الهيدروبروميك)
• HClO3 (حمض الكلوريك)
• HClO4 (حمض البيركلوريك)
• حمض التريفليك (H[CF3SO3])

ثانيا الاحماض الضعيفة

عندما تذوب الأحماض الضعيفة في الماء ، يحدث توازن بين تركيزات الحمض الضعيفة والأيونات المكونة لها ، لذلك يمكننا القول أن الأحماض الضعيفة ليست متأينة بالكامل في المحلول.

على سبيل المثال ، يعتبر حمض الهيدروفلوريك HF حمضا ضعيفا. عندما تذوب في الماء ، توجد أيواتها في حالة توازن مع أيونات الهيدروجين ، التي تتفاعل مع الماء لتشكيل الهيدرونيوم ، وأيونات الدقيق. نظرا لأن الأحماض لا تنفصل تماما إلى مكوناتها الأيونية ، فإنها تسمى الحمض الضعيف في هذه الحالة.

HA + H2O ⇌ H3O+ + A–

أنواع القواعد

 أولا القواعد القوية

تتميز القاعدة القوية بقدرتها على التأين الكامل أو الانفصال إلى أيونات خاصة بها.

القواعد القوية الأكثر شيوعا هي هيدروكسيدات المعادن لأنها تتكون من معدن يرتبط أيونيا مع أيون الهيدروكسيل OH− ، مثل هيدروكسيد البوتاسيوم KOH.

تعتبر القواعد القوية بمثابة مستقبلات جيدة للبروتونات التي لا يمكن أن تبقى في محلول مائي. على سبيل المثال ، يتم تحويل جميع أيونات الأكسجين إلى أيونات هيدروكسيد عن طريق استقبال البروتونات من جزيئات الماء H2O. نتيجة لذلك ، يتم تحويل جزيئات الماء إلى هيدروكسيد OH-.لاحظ أن كاتيونات القواعد القوية قابلة للذوبان في الماء (إذا كان الكاتيون قابلا للذوبان في الماء ، فيمكن أن يشكل قاعدة قوية).

مثال: BOH + H2O → B + (aq) + OH–(aq)

 pOH هو سالب أس اللوغاريتم العشري لجزيئات الهيدروكسيد النشطة OH و هو قياس لتركيز أيون الهيدروكسيد (OH-). كلما زاد تركيز أيونات الهيدروكسيد في المحلول ، انخفضت قيمة pOH وبالتالي ، قاعدة أقوى.

pOH = -log [OH–]

عادة ما يكون للقواعد القوية قيمة الرقم الهيدروجيني بين 13 و 14.

Kb أو ثابت تفكك القاعدة يقيس مدى تأين القاعدة أو انفصالها تماما في محلول. تشير القيمة الكبيرة ل Kb إلى قاعدة قوية وتعني أيضا أن القاعدة منفصلة للغاية في أيوناتها.

هناك علاقة مباشرة بين Kb و pKb (ثابت تفكك القاعدة اللوغاريتمية). لذلك ، كلما كان الحمض أقوى كلما انخفضت قيمة pKb.

pKb = -log [Kb]

توضح المعادلة التالية العلاقة بين الرقم الهيدروجيني والرقم الهيدروجيني لمحلول مائي:

pH + pOH = 14

إذا كانت قيمة pOH أو الرقم الهيدروجيني للمحلول معروفة ، فيمكنك حساب الآخر.

أمثلة على القواعد القوية:

• KOH (هيدروكسيد البوتاسيوم)
• LiOH (هيدروكسيد الليثيوم)
• NaOH (هيدروكسيد الصوديوم)
• Ca(OH)2 (هيدروكسيد الكالسيوم)
• Ba(OH)2 (هيدروكسيد الباريوم)
• RbOH (هيدروكسيد الروبيديوم)
• Sr (OH) 2 (هيدروكسيد السترونتيوم)
• CsOH (هيدروكسيد السيزيوم)

ثانيا القواعد الضعيفة

القاعدة الضعيفة هي قاعدة لا يمكنها تأين أيونات الهيدروجين بالكامل أو قبولها بالكامل في المحلول. تحتاج القاعدة إلى الانفصال في محلول حتى تتفاعل مع الحمض لتشكيل زوج قاعدة حمضي ؛ إذا لم تقتحم القاعدة الأيونات المكونة لها ، فلن تكون قادرة على التفاعل بالطريقة التي ينبغي أن تتفاعل بها. عند إذابته في الماء ، يحتوي المحلول على كمية صغيرة من أيونات الهيدروكسيد وكمية كبيرة من القاعدة غير المنفصلة.

على سبيل المثال ، مع هيدروكسيد الأمونيوم ، NH4OH ، فإن نظير القاعدة هو NH4 + و OH-؛ من المفترض أن يقبل NH4 + الهيدروجين الحمضي في المحلول ؛ ومع ذلك ، في قاعدة ضعيفة ، لا ينفصل هذا الأيون تماما ، لذلك هناك خليط من NH4OH وزوج القاعدة الحمضية.

B + H2O ⇌ BH+ + OH-

•  السؤال: يمكن استخدام مشروب الشاي في تمييز الحمض من القاعدة.

• الإجابة: العبارة صحيحة