5.6: تأثير التسوية والمحاليل الحمضية والقاعدية غير المائية

يتعرف هذا الدرس على تأثير التسوية في المحاليل الحمضية والقاعدية ودوره في المحاليل المائية وغير المائية. من الضروري فهم الطبيعة المتنافسة للأنواع المختلفة في النظام الكيميائي.

تأثير التسوية للمذيب

يتفاعل الحمض العام (HA) مع القاعدة العامة (B^-) لينتج القاعدة المرافقة المقابلة (A^-) والحمض المرافق (HB):

الشكل 1: تفاعل حمض-قاعدة عام

ومع ذلك، إذا حدث التفاعل في مذيب (HX)، فيمكن أن يشارك المذيب أيضًا في التفاعل، اعتمادًا على قوة الحمض أو القاعدة المرافقة المقابلة له. وهذا يؤدي إلى حالتين.

بالنسبة للنوع الأول، افترض أن الحمض العام (HA) الموجود في التفاعل هو حمض أضعف من المذيب (HX). في مثل هذه الحالة، سوف يقوم B− بإزالة بروتونات المذيب لإنتاج القاعدة المترافقة للمذيب (X-)، مما يؤدي إلى استهلاك B^- بالكامل وعدم توفره للتفاعل مع المادة المتفاعلة (HA):

الشكل 2: تفاعل يصور تأثير التسوية للمذيب على قاعدة عامة

يشار إلى هذه الظاهرة باسم تأثير تسوية القاعدة بواسطة مذيب.

بدلًا من ذلك، افترض أن القاعدة العامة (B-) في التفاعل هي قاعدة أضعف من المذيب (HX). في مثل هذه الحالة، سوف يقوم HA ببروتون المذيب لإنتاج القاعدة المترافقة للمذيب (H2X)، مما يؤدي إلى استهلاك HA بالكامل وعدم توفره للتفاعل مع المادة المتفاعلة (B-):

الشكل 3: تفاعل يصور تأثير التسوية لمذيب على حمض عام

يشار إلى هذه الظاهرة باسم تأثير تسوية الحمض بواسطة مذيب.

تأثير تسوية الماء على قاعدة قوية

لتصور تأثير تسوية المذيب على القواعد القوية، فكر في تفاعل محلول مائي من الأسيتيلين مع أميد الصوديوم. في هذا المثال، الأسيتيلين (pK_a=25) هو حمض أضعف من المذيب، الماء (pK_a=15.7)، كما يتضح من العلاقة العكسية بين الحموضة وقيمة pK_a. لذلك، كما هو منصوص عليه في الشكل 4، يقوم أيون الأميد بنزع بروتونات الماء بدلاً من الأسيتيلين، مما يوضح تأثير تسوية الماء على القواعد القوية.

الشكل 4: مثال على تأثير التسوية في التفاعل بين الأسيتيلين وأميد الصوديوموالماء

وبما أن أيونات الهيدروكسيد أكثر استقرارًا في هذا التفاعل، فإن التوازن يفضل تكوين أيونات الهيدروكسيد التي تحل محل أيونات الأميد في المحلول. ومع ذلك، فإن أيونات الهيدروكسيد ليست أساسية بدرجة كافية لإزالة بروتونات الأسيتيلين، مما يتركه في المذيب سليمًا. لذلك، لنزع بروتونات الأسيتيلين باستخدام الأميد، يلعب اختيار المذيب دورًا رئيسيًا. من الضروري استخدام مذيب مثل الأمونيا مع pK_a 38 أكبر من pK_a للأسيتيلين (25). وهذا يجعل الأسيتيلين هو الحمض الأقوى لضمان عدم نزع البروتونات من المذيب.

تأثير تسوية الماء على حمض قوي

وبالمثل، لفهم تأثير التسوية للمذيب على الأحماض القوية، فكر في محلول مائي من حمض البيركلوريك يتفاعل مع المورفولين. في هذا المثال، المورفولين (pK_a=8.36) هو قاعدة أضعف من المذيب الذي هو الماء(pK_a=15.7)، كما يتضح من العلاقة المباشرة بين القاعدة وقيمة pK_a. لذلك، كما هو منصوص عليه في الشكل 5، يقوم حمض البيركلوريك بأخذ بروتون الماء بدلاً من المورفولين، مما يوضح تأثير تسوية الماء على الأحماض القوية.

الشكل 5: مثال على تأثير التسوية في التفاعل بين حمض البيركلوريك والمورفولين والماء

وبما أن أيونات الهيدرونيوم أكثر استقرارًا في هذا التفاعل، فإن التوازن يفضل تكوين أيونات الهيدرونيوم التي تحل محل أيونات بيركلورات المحلول. ومع ذلك، فإن أيونات الهيدرونيوم ليست حمضية بدرجة كافية لأخذ بروتون المورفولين، تاركة إياه سليماً في المذيب. لذلك، لاختزال المورفولين باستخدام حمض البيركلوريك، يلعب اختيار المذيب دورًا رئيسيًا. من الضروري استخدام مذيب مثل حمض البنزويك مع pK_a قدره 4.2 وهو أقل من pK_a للمورفولين (8.36). وهذا يجعل المورفولين القاعدة الأقوى لضمان عدم أخذ بروتون من المذيب.

باختصار، يجب أن يفي اختيار المذيب بالشروط الأساسية - لا ينبغي نزع بروتوناته بواسطة القاعدة الأقوى أو أن يتم أخذه بروتون منه بواسطة الحمض الأقوى قبل التفاعل مع المادة المتفاعلة الأخرى. عادة، الماء هو المذيب المستخدم في معظم التفاعلات، مما يفرض تأثير التسوية على الأحماض والقواعد القوية. ومن ثم، فإن التفاعلات التي تستخدم أحماض أقوى من H₃O⁺ وقواعد أقوى من OH^- لا يمكن استخدامها في الماء.