درس 2-1: مقدمة في الأحماض والقواعد

---

درس 2-1: مقدمة في الأحماض والقواعد

Introduction to Acids and Bases

---

#

2-1

مقدمة في الأحماض والقواعد

Introduction to Acids and Bases

الفكرة الرئيسية:
تساعد النظريات المختلفة على وصف سلوك الأحماض والقواعد.

الربط مع الحياة

إن التصنيف الأكثر شيوعًا للمواد هو تصنيفها إلى أحماض وقواعد. ويمكن تمييز الأحماض من الطعم اللاذع لبعض المشروبات المفضلة لديك، أو الرائحة الحادة لبعض القواعد مثل الأمونيا في بعض المنظفات المنزلية.

الأهداف

• تحدد الخواص الفيزيائية والكيميائية للأحماض والقواعد.
• تصنف المحاليل إلى حمضية، أو قاعدية، أو متعادلة.
• تقارن بين نظريات أرهينيوس، وبرونستد - لوري، ولويس للأحماض والقواعد.

مراجعة المفردات

تركيب لويس: نموذج يستعمل التمثيل النقطي للإلكترونات؛ ليبين كيفية ترتيب الإلكترونات في الجزيئات.

المفردات الجديدة

المحلول الحمضي
المحلول القاعدي
نظرية أرهينيوس
نظرية برونستد - لوري
الحمض المرافق (المقترن)
القاعدة المرافقة (المقترنة)
الأزواج المترافقة
مواد مترددة (أمفوتيرية)
نظرية لويس

خواص الأحماض والقواعد

Properties of Acids and Bases

يطلق النمل حمض الميثانويك (الفورميك) عندما يشعر بخطر يهدد مستعمرته، فينبه أفراد المستعمرة كلها. أما الأحماض المذابة في ماء المطر فتؤدي إلى تكوين كهوف كبيرة في الصخور الجيرية، وتؤدي أيضًا إلى تلف الأبنية والمواقع الأثرية القديمة مع مرور الزمن. وتستعمل الأحماض في إضافة نكهة إلى الكثير من المشروبات والأطعمة التي تتناولها. وهناك أيضًا حمض في المعدة يساعد على هضم الطعام.

كذلك تلعب القواعد دورًا في حياتك؛ فالصابون الذي تستعمله والأقراص المضادة للحموضة التي قد تتناولها عند اضطراب المعدة كلها تعد من القواعد. كما أن الكثير من المواد المنزلية - كالتي استعملت في التجربة الاستهلالية - أحماض أو قواعد.

الخواص الفيزيائية

قد تكون بعض الخواص الفيزيائية للأحماض والقواعد مألوفة، فأنت تعلم مثلًا أن المحاليل الحمضية طعمها لاذع، ومنها العديد من المشروبات الغازية التي تمتاز بهذا الطعم اللاذع بسبب احتوائها على حمضي الكربونيك H₂CO₃ والفوسفوريك H₃PO₄، ومنها الليمون والجريب فروت لاحتوائها على حمضي الستريك والأسكوربيك.

كما أن حمض الخل يجعل طعم الخل لاذعًا. وربما تعلم أن المحاليل القاعدية طعمها مر، ولها ملمس زلق. فكر كيف تصبح قطعة الصابون زلقة عندما تبلل. لا تحاول أبدًا تعرف أي حمض أو قاعدة أو أي مادة أخرى في المختبر عن تذوقها أو لمسها.

يبين الشكل 2-1 نبتتين تنموان في تربتين مختلفتين؛ فإحداهما تنمو في تربة حمضية، والأخرى تنمو في تربة قاعدية (قلوية).

الشكل 2-1

تنمو نبتة الأثل (1) بكثرة في المملكة العربية السعودية وتمتاز بتحملها للأراضي القلوية والمالحة.
تكثر زراعة الزيتون (2) في منطقة الجوف بالمملكة العربية السعودية وتمتاز شجرة الزيتون بتحملها لدرجات الحرارة العالية والقدرة على العيش في تربة حامضة.

صور الصفحة:
رابط_الدرس_الرقمي_مقدمة_في_الأحماض_والقواعد.png
الشكل_2-1_النباتات_في_ترب_مختلفة.png

---

#

الشكل 2-2

يستعمل حمض الهيدروكلوريك HCl - وهو حمض قوي - في تنظيف السيراميك. كما يساعد هيدروكسيد الصوديوم NaOH - وهو قاعدة قوية - على تسليك المجاري المسدودة.

تحول القواعد ورق تباع الشمس الأحمر إلى أزرق.
تحول الأحماض ورق تباع الشمس الأزرق إلى أحمر.

التوصيل الكهربائي

ومن الخواص الأخرى للمحاليل الحمضية والقاعدية مقدرتها على توصيل الكهرباء بسبب تأينها. فالماء النقي غير موصل للكهرباء، إلا أن إضافة حمض أو قاعدة إليه تنتج أيونات تجعل المحلول الناتج موصلًا للكهرباء.

الخواص الكيميائية

يمكن تعرف الأحماض والقواعد من خلال تفاعلها مع ورق تباع الشمس. ويمكن تعرف الأحماض أيضًا من خلال تفاعلاتها مع بعض الفلزات وكربونات الفلزات.

التفاعلات مع ورق تباع الشمس

يعد تباع الشمس نوعًا من الأصباغ المستعملة عادة في التمييز بين محاليل الأحماض والقواعد، كما في الشكل 2-2؛ إذ تحول محاليل الأحماض لون ورق تباع الشمس الأزرق إلى الأحمر، وتحول محاليل القواعد لون ورق تباع الشمس الأحمر إلى الأزرق.

التفاعلات مع الفلزات وكربونات الفلزات

يتفاعل كل من الماغنسيوم والخارصين مع محاليل الأحماض، فينتج عن هذا التفاعل غاز الهيدروجين. وتصف المعادلة الآتية التفاعل بين الخارصين وحمض الهيدروكلوريك:

Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g)

وتتفاعل كربونات الفلزات CO₃²⁻ وكربونات الفلزات الهيدروجينية HCO₃⁻ أيضًا مع محاليل الأحماض منتجة غاز ثاني أكسيد الكربون CO₂.

فعند إضافة الخل إلى صودا الخبز يحدث تفاعل بين حمض الإيثانويك (الخل) CH₃COOH، وكربونات الصوديوم الهيدروجينية NaHCO₃، وينتج غاز CO₂ الذي يسبب ظهور الفقاعات.

NaHCO₃(s) + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O(l) + CO₂(g)

يستعمل الجيولوجيون محلول حمض الهيدروكلوريك لتعرف الصخر الجيري الذي يتكون بشكل رئيس من CaCO₃، فإذا أدت بضع قطرات من الحمض إلى إنتاج فقاعات ثاني أكسيد الكربون دل ذلك على أن الصخر يحتوي على مادة الجير.

مسائل تدريبية

• اكتب معادلات كيميائية رمزية موزونة للتفاعلات بين:

a. الألومنيوم وحمض الكبريتيك.
b. كربونات الكالسيوم وحمض الهيدروبروميك.

• تحفيز: اكتب المعادلة الأيونية النهائية للتفاعل في السؤال 1b.

صور الصفحة:
الشكل_2-2_حمض_الهيدروكلوريك_وهيدروكسيد_الصوديوم.png
مسائل_تدريبية_المعادلات_الرمزية_الموزونة.png

---

#

الشكل 2-3

لاحظ كيف يتغير كل من [H⁺] و [OH⁻] في وقت واحد. فعندما يقل [H⁺] إلى جهة اليمين تزداد قيمة [OH⁻] إلى اليسار.

حدد على الرسم النقطة التي يكون عندها تركيزا الأيونين متساويين.

أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد

تحتوي المحاليل المائية جميعها على أيونات الهيدروجين H⁺ وأيونات الهيدروكسيد OH⁻. وتحدد الكميات النسبية من الأيونين ما إذا كان المحلول حمضيًا أو قاعديًا أو متعادلًا. والمحاليل المتعادلة ليست حمضية ولا قاعدية.

يحتوي المحلول الحمضي على أيونات هيدروجين أكثر من أيونات الهيدروكسيد. في حين يحتوي المحلول القاعدي على أيونات هيدروكسيد أكثر من أيونات الهيدروجين. أما المحلول المتعادل فيحتوي على تركيزين متساويين من أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد. ويمثل الشكل 2-3 هذه العلاقات، في حين يمثل الشكل 2-4 كيف طور العلماء فهمهم للأحماض والقواعد.

ينتج الماء النقي أعدادًا متساوية من أيونات H⁺ وأيونات OH⁻ في عملية تسمى التأين الذاتي؛ إذ تتفاعل جزيئات الماء منتجة أيونات الهيدرونيوم H₃O⁺، وأيونات الهيدروكسيد.

H₂O(l) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)
جزيئا ماء — أيون الهيدرونيوم — أيون الهيدروكسيد

أيون الهيدرونيوم عبارة عن أيون هيدروجين مرتبط مع جزيء ماء برابطة تناسقية. ويمكن استعمال الرمزين H⁺ و H₃O⁺ بالتبادل، أي وضع أحدهما مكان الآخر، كما تبين المعادلة المبسطة للتأين الذاتي:

H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq)

الشكل 2-4

تاريخ الأحماض والقواعد

يرتكز الفهم الحالي للأحماض والقواعد على مساهمات علماء الكيمياء والأحياء والبيئة، وكذلك على المخترعين خلال 150 سنة مضت.

1865م: إدخال الرذاذ المعقم الذي يحتوي على حمض الكربوليك C₆H₅OH (الفينول) للمرة الأولى، والذي يعد بداية الجراحة الحديثة في أجواء معقمة.

1883م: افترض أرهينيوس أن الأحماض تنتج أيونات الهيدروجين H⁺، في حين تنتج القواعد أيونات الهيدروكسيد OH⁻ عند إذابتها في الماء.

1869م: اكتشفت الأحماض النووية مثل DNA وRNA في نوى الخلايا.

1909م: ساعد تطوير تدريج pH العلماء على تعريف حمضية المادة.

1923م: توسع العلماء في تعريف الأحماض والقواعد، وقدموا التعاريف المستعملة حاليًا.

صور الصفحة:
الشكل_2-3_تغير_تركيز_H_و_OH.png
الشكل_2-4_تاريخ_الأحماض_والقواعد_الجزء_الأول.png

---

#

نظرية أرهينيوس

The Arrhenius Theory

إذا كان الماء النقي متعادلًا فكيف يصبح المحلول المائي حمضيًا أو قاعديًا؟ كان أول شخص يجيب عن هذا التساؤل الكيميائي السويدي سفانت أرهينيوس الذي اقترح عام 1883م ما يعرف الآن باسم نظرية أرهينيوس للأحماض والقواعد، التي تنص على أن الحمض مادة تحتوي على الهيدروجين، وتتأين في المحاليل المائية منتجة أيونات الهيدروجين، والقاعدة مادة تحتوي على مجموعة الهيدروكسيد، وتتفكك في المحلول المائي منتجة أيون الهيدروكسيد.

أحماض وقواعد أرهينيوس

تأمل ما يحدث عند إذابة غاز كلوريد الهيدروجين في الماء بوصفه مثالًا على نظرية أرهينيوس للأحماض والقواعد؛ إذ تتأين جزيئات HCl مكونة أيونات H⁺ التي تجعل المحلول حمضيًا.

HCl(g) → H⁺(aq) + Cl⁻(aq)

وعندما يذوب المركب الأيوني هيدروكسيد الصوديوم NaOH في الماء فإنه يتحلل لينتج أيونات OH⁻ التي تجعل المحلول قاعديًا.

NaOH(s) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq)

وعلى الرغم من أن نظرية أرهينيوس تفسر الكثير من المحاليل الحمضية والقاعدية، إلا أنها لا تخلو من بعض السلبيات؛ فمثلًا لا تحتوي الأمونيا NH₃ وكربونات الصوديوم Na₂CO₃ على مجموعة الهيدروكسيد، إلا أن كلًا منهما ينتج أيونات الهيدروكسيد عند إذابته في الماء. وتعد كربونات الصوديوم المركب المسؤول عن جعل بحيرة ناترون في تنزانيا ذات وسط قاعدي، كما هو مبين في الشكل 2-5. لذا من الواضح أننا بحاجة إلى نظرية أكثر دقة تشمل القواعد جميعها.

الشكل 2-5

تعد بحيرة ناترون في تنزانيا تجمعًا طبيعيًا للمياه القاعدية، حيث تصب المياه في البحيرة حاملة معها كميات كبيرة من كربونات الصوديوم الذائبة من الصخور البركانية المحيطة دون أن تجد لها مخرجًا. ويزيد التبخر من تركيز هذا الملح، مخلفًا قشرة بيضاء على السطح، وجاعلًا المياه عالية القاعدية.

المطويات: أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

استكمال الشكل 2-4: تاريخ الأحماض والقواعد

1933 - 1934م: طور العلماء مقياس pH المحمول.

1953م: درس جيمس واطسون، وفرانسيس كريك، وروزالند فرانكلين الحمض النووي DNA، وأضفى بذلك إطارًا للصناعة التكنولوجية الحيوية.

1963م: اكتشف العلماء المطر الحمضي في أمريكا الشمالية، فقد بينت الدراسات أن المطر الملوث أكثر حمضية مئة مرة من المطر غير الملوث.

1980 - 1990م: لا تحتوي مقاييس pH التي تشتمل على رقائق السيليكون أجزاء زجاجية، وهي شائعة الاستعمال الآن في الصناعات الغذائية والتجميلية والدوائية.

2005م: طور العلماء أحماضًا متطورة، وهي أكثر حمضية من حمض الكبريتيك العادي تركيز 1000%، وتستعمل تطبيقات هذه الأحماض إنتاج بلاستيك قوي وبنزين عالي الأوكتان.

---

#

نظرية برونستد - لوري

The Bronsted-Lowry Theory

اقترح الكيميائي الدنماركي يوهان برونستد والكيميائي الإنجليزي توماس لوري نظرية أشمل للأحماض والقواعد؛ حيث تركز على أيون الهيدروجين H⁺. ففي نظرية برونستد - لوري للأحماض والقواعد يكون الحمض هو المادة المانحة لأيون الهيدروجين، في حين تكون القاعدة هي المادة المستقبلة لهذا الأيون.

المواد المانحة لأيون الهيدروجين والمواد المستقبلة له

إذا افترضنا أن الرمزين X و Y يمثلان عنصرين غير فلزيين أو أيونات سالبة متعددة الذرات فإننا نستطيع كتابة الصيغة العامة للحمض في صورة HX أو HY. وعندما يذوب جزيء من حمض HX في الماء يعطي أيون H⁺ لجزيء ماء، فيسلك جزيء الماء سلوك القاعدة، ويكتسب أيون H⁺، كما في المعادلة الآتية:

HX(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + X⁻(aq)

وعند اكتساب جزيء الماء أيون H⁺ يصبح حمضًا، فتصبح صيغته H₃O⁺، الذي يسمى أيون الهيدرونيوم، ويعد حمضًا؛ لأن لديه أيون H⁺ إضافيًا يستطيع أن يمنحه. وعندما يمنح الحمض HX أيون H⁺ يصبح مادة قاعدية X⁻؛ لأن لديه شحنة سالبة، ويستطيع أن يستقبل أيون هيدروجين موجبًا. وهكذا يمكن أن يحدث تفاعل بين حمض وقاعدة في الاتجاه المعاكس. ويستطيع الحمض H₃O⁺ أن يتفاعل مع القاعدة X⁻ مكونًا ماء و HX، فيحدث الاتزان الآتي:

HX(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + X⁻(aq)
حمض — قاعدة — حمض مرافق — قاعدة مرافقة

الأحماض والقواعد المرافقة

يعد التفاعل الأمامي في التفاعل السابق تفاعل حمض مع قاعدة، والتفاعل العكسي لحمض وقاعدة أيضًا. ويعرف الحمض والقاعدة اللذان يتفاعلان في الاتجاه العكسي بأنهما حمض مرافق مع قاعدة مرافقة.

فالحمض المرافق (المقترن) هو المركب الكيميائي الذي ينتج عندما تستقبل القاعدة أيون هيدروجين. فالقاعدة H₂O تستقبل أيون هيدروجين من الحمض HX، فيتكون الحمض المرافق H₃O⁺.

أما القاعدة المرافقة (المقترنة) فهي المركب الكيميائي الذي ينتج عندما يمنح الحمض أيون الهيدروجين. فعندما يمنح الحمض HX أيون الهيدروجين يصبح القاعدة المرافقة X⁻.

وفي التفاعل المبين أعلاه يمثل أيون الهيدرونيوم H₃O⁺ الحمض المرافق للقاعدة H₂O، ويمثل أيون X⁻ القاعدة المرافقة للحمض HX. وتتكون تفاعلات برونستد - لوري من أزواج مترافقة من الحمض والقاعدة؛ أي من مادتين ترتبطان معًا عن طريق منح واستقبال أيون هيدروجين واحد.

يبين الشكل 2-6 تمثيلًا لزوج مترافق من حمض وقاعدة. فعندما تكون الكرة في يد الأب فإنه يمثل الحمض، وعندما يرمي الكرة (أيون هيدروجين) إلى ابنه يصبح ابنه هو الحمض؛ لأن لديه الكرة أي أيون الهيدروجين يستطيع أن يهبه. ويصبح الأب هو القاعدة لأنه مستعد لاستقبال الكرة أي أيون الهيدروجين. الأب يمثل الحمض والابن هو القاعدة في التفاعل الأمامي. أما في التفاعل العكسي فيكون الابن هو الحمض المرافق؛ لأن لديه الكرة، في حين يكون الأب هو القاعدة المرافقة.

الشكل 2-6

يمثل الأب عندما يرمي الكرة إلى ابنه حمض برونستد - لوري، ويمثل الابن قاعدته. وعندما يمسك الابن الكرة فإنه يمثل الحمض المرافق.

ماذا قرأت؟

اشرح كيف يمكن أن يكون أيون HCO₃⁻ حمضًا وقاعدة في آن واحد؟

صور الصفحة:
الشكل_2-6_الحمض_والقاعدة_المرافقة.png

---

#

الشكل 2-7

يمنح فلوريد الهيدروجين أيون هيدروجين لجزيء الماء، لذا يعد فلوريد الهيدروجين حمضًا.

حدد القاعدة المرافقة لفلوريد الهيدروجين.

المفردات

أصل الكلمة

Conjugate مرافق
معنى كلمة Conjugate في اللغة العربية مترافق، وقد أخذت هذه الكلمة من اللغة اللاتينية، وهي تعني:
Con- بادئة بمعنى مع أو معًا.
jugate فعل بمعنى يتصل أو يتحد.

فلوريد الهيدروجين - حمض برونستد - لوري

تأمل معادلة تأين فلوريد الهيدروجين HF في الماء، المبينة في الشكل 2-7. أي الزوجين هو الحمض، وأيهما هو القاعدة المرافقة؟ ينتج الحمض في التفاعل الأمامي - وهو في هذه الحالة فلوريد الهيدروجين - قاعدة مرافقة F⁻، وتعد أيضًا القاعدة في التفاعل العكسي، بينما تنتج القاعدة في التفاعل الأمامي - وهي في هذه الحالة الماء - حمضها المرافق H₃O⁺، وهو أيضًا الحمض في التفاعل العكسي.

HF(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + F⁻(aq)
حمض — قاعدة — حمض مرافق — قاعدة مرافقة

يستعمل فلوريد الهيدروجين في صنع مركبات متنوعة تحتوي على الفلور، مثل الطبقة المغلفة لأدوات الطبخ غير اللاصقة، والمبينة في الشكل 2-8. ويعد حمضًا وفق نظريتي أرهينيوس وبرونستد - لوري.

الشكل 2-8

يتفاعل فلوريد الهيدروجين مع مركبات عضوية تسمى الهيدروكربونات لصنع السطح الناعم غير اللاصق لهذه الأدوات المنزلية، حيث تحل ذرات الفلور محل ذرات الهيدروجين.

الأمونيا - قاعدة برونستد - لوري

معظم الأحماض والقواعد التي تتفق مع تعريف أرهينيوس للأحماض والقواعد تتفق أيضًا مع تعريف برونستد - لوري. ولكن بعض المواد الأخرى التي لا توجد فيها مجموعة الهيدروكسيد لا يمكن أن تعد من القواعد بحسب تعريف أرهينيوس، ولكنها تصنف قواعد بحسب نظرية برونستد - لوري. ومن ذلك الأمونيا NH₃.

فعندما تذوب الأمونيا في الماء يكون الماء حمضًا بحسب تعريف برونستد - لوري في التفاعل الأمامي. ولأن جزيء الأمونيا NH₃ يستقبل أيون H⁺ ليكون أيون الأمونيوم NH₄⁺ فإن الأمونيا تصنف قاعدة برونستد - لوري في التفاعل الأمامي.

NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)
قاعدة — حمض — حمض مرافق — قاعدة مرافقة

أما في التفاعل العكسي فيعطي أيون الأمونيوم NH₄⁺ أيون H⁺ ليكون جزيء أمونيا. وهكذا يعمل عمل حمض، بحسب برونستد - لوري. ويكون بذلك أيون الأمونيوم هو الحمض المرافق للقاعدة الأمونيا. ويتقبل أيون الهيدروكسيد أيون H⁺ ليكون جزيء ماء. وهكذا يكون قاعدة بحسب برونستد - لوري. لذا يكون أيون الهيدروكسيد هو القاعدة المرافقة للحمض الماء.

الماء - حمض وقاعدة برونستد - لوري

تذكر أنه عندما يذوب HF في الماء فإن الماء يسلك سلوك القاعدة؛ وعندما تذوب الأمونيا NH₃ في الماء، فإن الماء يسلك سلوك الحمض. لذا يسلك الماء سلوك الحمض أو القاعدة بحسب طبيعة المواد المذابة في المحلول. وتسمى الماء والمواد الأخرى التي تستطيع أن تسلك سلوك الأحماض والقواعد مواد مترددة (أمفوتيرية) Amphoteric.

صور الصفحة:
الشكل_2-7_فلوريد_الهيدروجين_حمض_برونستد_لوري.png
أصل_الكلمة_مرافق_Conjugate.png
الشكل_2-8_مركبات_فلوريد_الهيدروجين_في_أدوات_الطهي.png

---

#

مسائل تدريبية

• حدد الأزواج المترافقة من الحمض والقاعدة في كل تفاعل مما يلي:

a. NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) ⇌ NH₃(aq) + H₂O(l)
b. HBr(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + Br⁻(aq)
c. CO₃²⁻(aq) + H₂O(l) ⇌ HCO₃⁻(aq) + OH⁻(aq)

• تحفيز: إذا علمت أن نواتج تفاعل حمض مع قاعدة هي H₃O⁺ و SO₄²⁻. اكتب معادلة موزونة للتفاعل، وحدد الأزواج المترافقة من الحمض والقاعدة.

الأحماض الأحادية البروتون والمتعددة البروتونات

Monoprotic and Polyprotic Acids

تستطيع أن تعرف أن كلًا من HCl و HF حمض يحتوي على أيون هيدروجين واحد في كل جزيء، بناء على معرفتك للصيغة الكيميائية لكل منهما. فالحمض الذي يستطيع أن يمنح أيون هيدروجين واحدًا فقط يسمى حمضًا أحادي البروتون.

ومن الأحماض الأحادية البروتون حمض البيركلوريك HClO₄، وحمض النيتريك HNO₃، وحمض الهيدروبروميك HBr، وحمض الإيثانويك CH₃COOH. ولأن حمض الإيثانويك أحادي البروتون لذا تكتب صيغته غالبًا في صورة CH₃COOH لتأكيد حقيقة أن ذرة هيدروجين واحدة فقط من الذرات الأربع قابلة للتأين.

ذرات الهيدروجين القابلة للتأين

الفرق بين ذرة الهيدروجين القابلة للتأين في حمض الإيثانويك وذرات الهيدروجين الثلاث الأخرى هو أن الذرة القابلة للتأين مرتبطة مع عنصر الأكسجين الأكثر كهروسالبية من الهيدروجين. والفرق في الكهروسالبية يجعل الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين قطبية.

ويبين الشكل 2-9 تركيب حمض الإيثانويك، مع تركيب حمض HF وتركيب البنزين C₆H₆ غير الحمضي. فترتبط ذرة الهيدروجين في مركب فلوريد الهيدروجين مع ذرة الفلور العالية الكهروسالبية، لذا فالرابطة بينهما قطبية، وتصبح ذرة الهيدروجين قابلة للتأين إلى حد ما. أما ذرات الهيدروجين في البنزين فكل منها مرتبط مع ذرة كربون ذات كهروسالبية تساوي تقريبًا كهروسالبية الهيدروجين. فتكون هذه الروابط غير قطبية، لذا يكون البنزين غير حمضي.

وقد تمنح بعض الأحماض أكثر من أيون هيدروجين. فمثلًا يستطيع كل من حمض الكبريتيك H₂SO₄ وحمض الكربونيك H₂CO₃ أن يمنح أيوني هيدروجين؛ فكلاهما يحتوي على ذرتي هيدروجين مرتبطتين مع ذرتي أكسجين بروابط قطبية.

والأحماض التي تحتوي على ذرتي هيدروجين قابلتين للتأين في كل جزيء تسمى أحماضًا ثنائية البروتونات. ويحتوي كل من حمضي الفوسفوريك H₃PO₄ والبوريك H₃BO₃ على ثلاث ذرات هيدروجين قابلة للتأين في كل جزيء، وتسمى أحماضًا ثلاثية البروتونات. ويمكن استعمال مصطلح حمض متعدد البروتونات لأي حمض يحتوي على أكثر من ذرة هيدروجين قابلة للتأين.

الشكل 2-9

تعتمد قدرة الهيدروجين على التأين على قطبية رابطته. ففي حمض الإيثانويك يكون الأكسجين أكثر كهروسالبية من الهيدروجين، لذا تكون الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين قطبية. ولذلك تستطيع ذرة الهيدروجين أن تتأين في المحلول.

كذلك في فلوريد الهيدروجين يعد الفلور عالي الكهروسالبية. لذا يكون HF حمضًا في المحلول، بينما في البنزين هناك فرق قليل في الكهروسالبية بين ذرات الكربون والهيدروجين، لذا فالبنزين ليس حمضًا.

صور الصفحة:
مسائل_تدريبية_الأزواج_المترافقة.png
الشكل_2-9_قدرة_الهيدروجين_على_التأين.png

---

#

الجدول 2-1

بعض الأحماض الشائعة وقواعدها المرافقة

| الحمض: الاسم | الحمض: الصيغة الكيميائية | القاعدة المرافقة: الاسم | القاعدة المرافقة: الصيغة الكيميائية |
| --------------------------- | ------------------------ | --------------------------- | ----------------------------------- |
| حمض الهيدروكلوريك | HCl | أيون الكلوريد | Cl⁻ |
| حمض النيتريك | HNO₃ | أيون النترات | NO₃⁻ |
| حمض الكبريتيك | H₂SO₄ | أيون الكبريتات الهيدروجينية | HSO₄⁻ |
| أيون الكبريتات الهيدروجينية | HSO₄⁻ | أيون الكبريتات | SO₄²⁻ |
| حمض الهيدروفلوريك | HF | أيون الفلوريد | F⁻ |
| حمض الهيدروسيانيك | HCN | أيون السيانيد | CN⁻ |
| حمض الإيثانويك | CH₃COOH | أيون الإيثانوات | CH₃COO⁻ |
| حمض الفوسفوريك | H₃PO₄ | أيون ثنائي هيدروفوسفات | H₂PO₄⁻ |
| أيون ثنائي هيدروفوسفات | H₂PO₄⁻ | أيون الهيدروفوسفات | HPO₄²⁻ |
| أيون الهيدروفوسفات | HPO₄²⁻ | أيون الفوسفات | PO₄³⁻ |
| حمض الكربونيك | H₂CO₃ | أيون الكربونات الهيدروجينية | HCO₃⁻ |
| أيون الكربونات الهيدروجينية | HCO₃⁻ | أيون الكربونات | CO₃²⁻ |

يبين الجدول 2-1 بعض الأحماض الأحادية والمتعددة البروتونات.

تتأين الأحماض المتعددة البروتونات جميعها في أكثر من خطوة. فخطوات تأين حمض الفوسفوريك الثلاث مبينة في المعادلات الآتية:

H₃PO₄(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + H₂PO₄⁻(aq)

H₂PO₄⁻(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + HPO₄²⁻(aq)

HPO₄²⁻(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + PO₄³⁻(aq)

المطويات: أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

المفردات

المفردات الأكاديمية

Conform يطابق
تعني: يشابه أو يماثل.
كأن تقول مثلًا: إن تصوراتهم تتطابق مع توقعات المجتمع.

نظرية لويس

The Lewis Theory

لاحظ أن جميع المواد المصنفة أحماضًا وقواعد بحسب نظرية أرهينيوس تصنف أيضًا أحماضًا وقواعد بحسب نظرية برونستد - لوري. وبالإضافة إلى ذلك، فإن بعض المواد غير المصنفة بأنها قواعد بحسب نظرية أرهينيوس تصنف قواعد بحسب نظرية برونستد - لوري.

إذن قد لا تندهش إذا علمت أن نظرية أخرى أكثر شمولية للأحماض والقواعد اقترحها الكيميائي لويس (1875-1946م) الذي طور أيضًا نظرية زوج الإلكترونات للترابط الكيميائي، وقدم تراكيب لويس التي تبين مواقع الإلكترونات في الذرات والجزيئات. وقد طبق نظريته على تفاعلات الأحماض والقواعد.

واقترح أن الحمض أيون أو جزيء فيه مدار ذري فارغ يستطيع أن يتقبل (يشارك) زوجًا من الإلكترونات. وأن القاعدة أيون أو جزيء له زوج إلكترونات حر (غير مرتبط) يستطيع أن يمنحه أو يشارك فيه.

وبحسب نظرية لويس فإن حمض لويس مادة مستقبلة لزوج من الإلكترونات، وقاعدة لويس مادة مانحة لزوج من الإلكترونات. لاحظ أن نظرية لويس تشمل جميع المواد المصنفة أحماضًا وقواعد بحسب برونستد - لوري وغيرها كثير أيضًا.

صور الصفحة:
الجدول_2-1_بعض_الأحماض_الشائعة_وقواعدها_المرافقة.png
مفردات_Conform.png

---

#

مانحات ومستقبلات أزواج الإلكترونات

تأمل التفاعل بين أيون الهيدروجين H⁺ وأيون الفلوريد F⁻ لتكوين جزيء فلوريد الهيدروجين HF. لقد تم توضيح دور زوج الإلكترونات من خلال تراكيب لويس الآتية:

H⁺ + F⁻ → H—F
حمض لويس — قاعدة لويس

يمثل أيون H⁺ في هذا التفاعل حمض لويس؛ حيث يستقبل مدار 1s الفارغ زوجًا من الإلكترونات من أيون F⁻. ويمثل أيون الفلوريد قاعدة لويس، لذا فهو يعطي زوجًا من الإلكترونات غير المشتركة ليكون الرابطة بين الهيدروجين والفلور في HF.

لاحظ أن هذا التفاعل يتطابق أيضًا مع نظرية برونستد - لوري للأحماض والقواعد؛ لأن H⁺ يمكن اعتباره مانحًا لأيون هيدروجين، و F⁻ مستقبلًا لأيون هيدروجين.

يتفاعل غاز ثالث فلوريد البورون BF₃ مع غاز الأمونيا NH₃ لتكوين BF₃NH₃ هو تفاعل حمض لويس مع قاعدة لويس.

وإن ذرة البورون في BF₃ لها ستة إلكترونات تكافؤ، لذا يستطيع المدار الفارغ أن يستقبل زوجًا من الإلكترونات من قاعدة لويس.

ويحدث تفاعل حمض لويس مع قاعدة لويس أيضًا عندما يتفاعل غاز ثالث أكسيد الكبريت SO₃ مع أكسيد الماغنسيوم الصلب MgO.

SO₃(g) + MgO(s) → MgSO₄(s)

حيث يمثل زوج الحمض - القاعدة في هذا التفاعل ثالث أكسيد الكبريت SO₃ وأيون الأكسيد O²⁻ من أكسيد الماغنسيوم، أما الناتج فهو أيون الكبريتات.

لاحظ أن حمض لويس - وهو في هذه الحالة جزيء SO₃ - يستقبل زوج إلكترونات من قاعدة لويس، وهو أيون O²⁻. ويلخص الجدول 2-2 نظريات أرهينيوس، وبرونستد - لوري، ولويس للأحماض والقواعد.

الجدول 2-2

ملخص النظريات الثلاث للأحماض والقواعد

| النظرية | تعريف الحمض | تعريف القاعدة |
| -------------- | --------------------------- | ------------------------- |
| أرهينيوس | منتج H⁺ | منتج OH⁻ |
| برونستد - لوري | مانح H⁺ | مستقبل H⁺ |
| لويس | يستقبل زوجًا من الإلكترونات | يمنح زوجًا من الإلكترونات |

صور الصفحة:
تراكيب_لويس_لتفاعلات_الأحماض_والقواعد.png
الجدول_2-2_ملخص_النظريات_الثلاث_للأحماض_والقواعد.png

---

#

يعد تفاعل SO₃ مع MgO معًا؛ لأنه ينتج بلورات من ملح كبريتات الماغنسيوم، تعرف باسم ملح إبسوم MgSO₄·7H₂O. ولهذا الملح استعمالات كثيرة، منها تخفيف آلام العضلات، وهو مغذ للنباتات. وللتفاعل الذي ينتج كبريتات الماغنسيوم أيضًا تطبيقات بيئية؛ فعندما يحقن MgO في الغازات الخارجة من مداخن محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تعمل بالفحم الحجري، كما في الشكل 2-10، فإنه يتفاعل مع SO₃ ويعمل على انتزاعه من الغازات العادمة الخارجة من المصنع إلى الجو. أما إذا ترك SO₃ لينتشر في الغلاف الجوي فسوف يتحد مع الماء الموجود في الهواء مكونًا حمض الكبريتيك الذي يسقط على الأرض في صورة مطر حمضي.

الربط مع علم الأرض

الأنهيدريدات

تتحد جزيئات غاز ثاني أكسيد الكربون بجزيئات الماء في الجو لتكون حمض الكربونيك H₂CO₃، الذي يظل مع المطر، وعندما يصل ماء المطر الحمضي إلى الأرض يتسرب جزء منه في التربة ليصل إلى الصخور الجيرية، فيؤدي إلى إذابتها ببطء، مما يسبب تكون كهوف ضخمة تحت الأرض عبر آلاف السنين، وتقطر المياه من سقوف الكهوف مخلفة الجير المذاب. وهذا الجير يتكون على هيئة رقاقات جليدية تتدلى من السقف تسمى هوابط. وكذلك تتكون كتل من كربونات الكالسيوم على أرض الكهوف تسمى الصواعد.

تتكون مثل هذه الكهوف لأن ثاني أكسيد الكربون أنهيدريد حمضي (حمض منزوع منه جزيء ماء)، وهو أكسيد يستطيع أن يتحد مع الماء ليكون حمضًا. وهناك أكاسيد أخرى تتحد مع الماء مكونة قواعد. فمثلًا يكون أكسيد الكالسيوم CaO (الجير الحي) عندما يذوب في الماء القاعدة هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)₂ (الجير المطفأ). وعمومًا تكون أكاسيد العناصر الفلزية القواعد؛ بينما تكون أكاسيد اللافلزات الأحماض.

الشكل 2-10

يمكن إزالة ثالث أكسيد الكبريت - وهو أحد الغازات العادمة الناتجة عن احتراق الفحم الحجري بتفاعله مع أكسيد الماغنسيوم في تفاعل حمض وقاعدة لويس. لاحظ أنه رغم خروج كميات كبيرة من البخار من أبراج التبريد، إلا أن الذي يمكن رؤيته من المدخنة قليل.

التقويم 2-1

الخلاصة

• تحدد تراكيز أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد ما إذا كان المحلول حمضيًا أم قاعديًا أم متعادلًا.
• يجب أن يحتوي حمض أرهينيوس على ذرة هيدروجين قابلة للتأين. ويجب أن تحتوي قاعدة أرهينيوس على مجموعة هيدروكسيد قابلة للتأين.
• حمض برونستد - لوري مادة مانحة لأيون هيدروجين، بينما قاعدة برونستد - لوري مادة مستقبلة لأيون هيدروجين.
• حمض لويس مادة تستقبل زوجًا من الإلكترونات، بينما قاعدة لويس مادة تعطي زوجًا من الإلكترونات.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسية: فسر لماذا لا تصنف الكثير من أحماض وقواعد لويس على أنها أحماض أو قواعد أرهينيوس أو برونستد - لوري؟

• قارن بين الخواص الفيزيائية والكيميائية للأحماض والقواعد.

• وضح كيف تحدد تراكيز أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد ما إذا كان المحلول حمضيًا أم قاعديًا أم متعادلًا؟

• اشرح لماذا لا يصنف العديد من المركبات التي تحتوي على ذرة هيدروجين أو أكثر بوصفها أحماض أرهينيوس؟

• حدد الأزواج المترافقة من الأحماض والقواعد في المعادلة الآتية:

HNO₂ + H₂O ⇌ NO₂⁻ + H₃O⁺

• اكتب تركيب لويس لثالث كلوريد الفوسفور PCl₃. هل يعد PCl₃ حمض لويس، أم قاعدة لويس، أم غير ذلك؟

صور الصفحة:
الشكل_2-10_إزالة_ثالث_أكسيد_الكبريت_من_المداخن.png
التقويم_2-1_مقدمة_في_الأحماض_والقواعد.png