Back to chapter

4.12:

الأحماض والقواعد وتفاعلات التحييد

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Acids, Bases and Neutralization Reactions

Languages

Share

معدة الإنسان عضو عضلي تحتوي على عصائر المعدة،بما في ذلك حمض الهيدروكلوريك،مما يساعد على هضم الطعام. أنواع معينة من الأطعمة ترفع مستويات الحموضة في المعدة،و تسبب ارتداد الحمض. تناول طعام قلوي،أو قاعدة كمضاد للحموضة،يحيد الحموضة الزائدة،ويخفف الإحساس بالاحتراق.هذا مثال على تفاعل حمضي-قاعدي. أبسط الأحماض هي،المواد التي تحتوي على ذرات هيدروجين قابلة للانفصال. في المحاليل المائية،تقوم بإطلاق أيونات الهيدروجين إيجابية الشحنة،أو البروتونات،بالتزامن مع الأنيونات المقابلة.تتفاعل البروتونات مع جزيئات الماء لتشكيل أيونات الهيدرونيوم. على سبيل المثال،محلول مائي لحمض النيتريك يحتوي على أيونات الهيدرونيوم وأيونات النترات. الأحماض المعروفة الأخرى هي حمض الهيدروكلوريك الشائع،حامض الكبريتيك وحمض الفوسفوريك.الأحماض،إمّا أحادية البروتون أو متعددة البروتونات،حسب عدد ذرات الهيدروجين المنفصلة لكل جزيء. حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك،مع ذرة هيدروجين واحدة منفصلة لكل منهما،كلاهما مثالان على الأحماض أحادية البروتون،بينما يعد حمض الكبريتيك وحمض الفوسفوريك متعددا البروتونات. حمض الكبريتيك ثنائي البروتون،ويطلق بروتوناته بالتتابع،بينما حامض الفوسفوريك ثلاثي،ويتفكك بالتتابع في ثلاث خطوات.أبسط الموادالقاعدية،هي المركبات التي تنتج أيونات الهيدروكسيد سالبة الشحنة في المحاليل المائية. تحتوي الواد القاعدية،التي يمكن التعرف عليها بسهولة،على مجموعات الهيدروكسيل على سبيل المثال،هيدروكسيد الصوديوم،هيدروكسيد البوتاسيوم،وهيدروكسيد الكالسيوم. هذه القواعد،عند إضافتها إلى الماء،تتفكك الى أيونات الهيدروكسيد والكاتيونات المعدنية المقابلة.تتفاعل القواعد غير الهيدروكسيدية،مثل الأمونيا،مع الماء عن طريق قبول البروتونات من جزيئات الماء،لإنتاج أيونات الأمونيوم وأيونات الهيدروكسيد. بشكل عام،يتفاعل حمض وقاعدة لتكوين الماء والملح. تسمى التفاعلات الحمضية-القاعدية أيضًا تفاعلات التعادل،عندما تتساوي مولات البروتونات التي يوفرها الحمض،مع مولات أيونات الهيدروكسيد التي توفرها القاعدة.على سبيل المثال،عند خلط كميات متساوية من حمض النيتريك المائي،مع هيدروكسيد البوتاسيوم المائي،فإنّكميات أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد في المحلول متساوون أيضًا. لذلك،فإن أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد تحيد بعضها البعض تمامًا عن طريق التجمع لتشكيل الماء،بدون ترك اي أيونات هيدرونيوم أو هيدروكسيد وراءها. بالإضافة إلى ذلك،تتزاوج أنيونات النترات وكاتيونات البوتاسيوم لتكوين ملح نترات البوتاسيوم.بعض تفاعلات التعادل هي تفاعلات منتجة للغاز. على سبيل المثال،يتفاعل حمض الهيدروكلوريك وكبريتيت البوتاسيوم لتشكيل كلوريد البوتاسيوم،الماء،و كذلك غاز ثاني أكسيد الكبريت من خلال نظام التوازن بين كبريتيت بيسلفيت.

4.12:

الأحماض والقواعد وتفاعلات التحييد

تفاعل الحمض-القاعدة هو التفاعل الذي يتم فيه انتقال أيون الهيدروجين H+ من نوع كيميائي إلى آخر. وتتسم التفاعلات هذه بأهمية مركزية بالنسبة للعديد من العمليات الطبيعية والتكنولوجية، التي تتراوح بين التحولات الكيميائية داخل الخلايا أو البحيرات والمحيطات  إلى الإنتاج الصناعي النطاق للأسمدة والمستحضرات الصيدلانية وغير ذلك من المواد الأساسية للمجتمع.

هناك عدة طرق لتعريف الحمض. في سياق المحاليل المائية، الحمض هو مادة مذيبة لإنتاج أيونات الهيدروجين.

Eq1

هذا هو تعريف آرهينيوس للحمض، والمسمى على اسم الكيميائي السويدي سفانتي أرهرينيوس (1859–1927). يُطلق على أيون الهيدروجين، الذي يمثله الرمز H+ ، بروتون. في المحلول، تتحد البروتونات كيميائياً مع جزيئات الماء، من خلال ثنائيات وحيدة على الأكسجين، لتكوين أيونات الهيدرونيوم، H3O+.

Eq2

المعادلة الكيميائية لتأيين الحمض هي مكتوبة كـ

Eq3

تسمى الأحماض التي تتفاعل بالكامل مع الماء بهذه الطريقة الأحماض القوية. ومن الأمثلة القليلة على ذلك HCl وHNO3 وHBR.

إن أغلب الأحماض التي تصادف في الحياة اليومية هي عبارة عن أحماض ضعيفة. ومن الأمثلة القليلة على ذلك حمض الستريك في الفواكه وحمض الخل في الخل وحمض اللاكتيك في الحليب. ومن الأمثلة المألوفة لحمض ضعيف هي حمض الخل، المكون الرئيسي في خل الطعام. عند الذوبان في الماء في ظروف نموذجية، لا يوجد سوى 1% فقط من جزيئات حمض الخل في شكل مؤين ، CH3CO2.  

Eq4

يشير استخدام سهم مزدوج في المعادلة أعلاه إلى أن التفاعل جزئي في هذه العملية.

القاعدة هي مادة تذوب في الماء لتنتج أيونات هيدروكسيد، OH. وأكثر القواعد شيوعاً هي المركبات الأيونية المكونة من قلويدات أو كاتيونات المعادن الأرضية (المجموعتين 1 و2) مقترنة بأيون— الهيدروكسيد، على سبيل المثال، NaOH وCa(OH)2. وعلى عكس المركبات الحمضية التي سبق مناقشتها، لا تتفاعل هذه المركبات كيميائياً مع الماء؛ بل إنها تنحل وتتفكك وتطلق أيونات الهيدروكسيد مباشرةً في المحلول. على سبيل المثالKOH و Ba(OH)2 يذوبان في الماء ويتفككان بشكل كامل لإنتاج أيونات الكالسيوم (K+ وBa2+ ، على التوالي) وأيونات الهيدروكسيد، OH. وتعتبر هذه القواعد، إلى جانب غيرها من الهيدروكسيدات التي تنفصل تماما عن المياه، قواعد قوية.

ولنتأمل هنا انحلال هيدروكسيد الصوديوم في الماء كمثال:

Eq5

تؤكد هذه المعادلة أن هيدروكسيد الصوديوم هو قاعدة. عند الذوبان في الماء، ينفصل هيدروكسيد الصوديوم NaOH ليعطي أيونات الصوديوم Na+ و OH. وهذا ينطبق أيضاً على أي مركب أيوني آخر يحتوي على أيونات هيدروكسيد. وبما أن عملية التفكك تكتمل في الأساس عندما تذوب المركبات الأيونية في الماء في ظل الظروف النموذجية، فإن NaOH وغيرها من الهيدروكسيدات الأيونية تصنف جميعها على أنها قواعد قوية.

على عكس الهيدروكسيد الأيوني، تنتج بعض المركبات أيونات هيدروكسيد عند إذابة بواسطة التفاعل الكيميائي مع جزيئات الماء. وفي جميع الحالات، لا تتفاعل هذه المركبات إلا بصورة جزئية، ولذلك فإنها تصنف على أنها قواعد ضعيفة. وهذه الأنواع من المركبات وفيرة أيضا من حيث طبيعتها، وهي سلع هامة في مختلف التكنولوجيات. على سبيل المثال، يبلغ الإنتاج العالمي من الأمونيا الضعيفة القاعدة عادة أكثر من 100 طن متري سنوياً لأنه يستخدم على نطاق واسع كمخصبات زراعية، ومواد خام للتصنيع الكيميائي للمركبات الأخرى، وعنصر نشط في المنظفات المنزلية. عند إذابة الأمونيا في الماء، تتفاعل الأمونيا بشكل جزئي مع أيونات الهيدروكسيد، كما هو موضح هنا:

Eq6

وهذا هو، بحكم التعريف، تفاعل الحمض-القاعدة الذي يتضمن انتقال أيونات H+ من جزيئات الماء إلى جزيئات الأمونيا. وفي ظل الظروف النموذجية، لا يوجد سوى 1% فقط من الأمونيا المذابة كأيونات الأمونيا (NH4+).

تفاعل التحييد هو نوع معين من تفاعل الحمض-القاعدة حيث تكون المواد المتفاعلة حمضاً وقاعدة (ولكن ليس ماء)، وتكون المنتجات غالباً ملح وماء:  

Eq7

لتوضيح تفاعل التحييد، ضع في اعتبارك ما يحدث عند تناول مضاد للحموضة اعتيادي مثل حليب الماغنسيزيا (معلّق مائي ل Mg(OH)2) لتخفيف الأعراض المرتبطة بحموضة المعدة الزائدة (HCl):

Eq8

لاحظ أنه بالإضافة إلى الماء، ينتج عن هذا التفاعل ملح كلوريد الماغنسيوم. H+ (aq) من الحمض (قوي أو ضعيف) يتحد مع OH (aq) من القاعدة (أو من تفاعل قاعدة ضعيفة مع الماء) لتكوين H2O (l). على سبيل المثال، يُكتب التفاعل بين المحاليل المائية لحمض الهيدروكلوريك (HCl) (حمض قوي) و (NaOH) (قاعدة قوية) كما يلي:

Eq9

يخضع كل من حمض الهيدروكلوريك HCl و NaOH لتأيين بنسبة 100%. وبالتالي، يمكن كتابة المعادلة الأيونية الكاملة كما يلي:

Eq10

يطلق على Cl و Na+ أيونات المُشاهد، والتي تلغي، مما يعطي المعادلة الأيونية الصافية كما يلي:  

Eq11

تم اقتباس هذا النص من OpenStax Chemistry 2e, Section: 4.2: Classifying Chemical Reactions.