ما هي الأحماض والقواعد في الكيمياء

ما هي الأحماض والقواعد؟

الحمض: هو أي مادة تحتوي على الهيدروجين وقادرة على التبرع ببروتون (أيون الهيدروجين) لمادة أخرى.
القاعدة: أي مادة قادرة على استقبال أيون الهيدروجين من حمض أثناء التفاعل الكيميائي.

تعريف الأحماض والقواعد:

هناك عدة طرق لتحديد الأحماض والقواعد. في حين أن هذه التعريفات لا تتعارض مع بعضها البعض، إلا أنها تختلف في مدى شمولها. التعريفات الأكثر شيوعًا للأحماض والقواعد هي أحماض وقواعد أرهينيوس، وأحماض وقواعد برونستيد- لوري، وأحماض وقواعد لويس. كما قدّم انطوان لافوزييه وهمفري ديفي، وجوستوس ليبيج ملاحظات تتعلق بالأحماض والقواعد لكنهم لم يضعوا التعريفات بشكل رسمي.

مفهوم الأحماض والقواعد حسب أرهينيوس:

• تعود نظرية أرهينيوس للأحماض والقواعد إلى عام 1884 بناءً على ملاحظته أن الأملاح مثل كلوريد الصوديوم تنفصل إلى ما أسماه أيونات عند وضعها في الماء.
  
• حمض أرهينيوس هو أي مادة تزيد من تركيز H+ في محلول مائي.
  
• قاعدة أرهينيوس هو أي مادة تزيد من تركيز OH- في محلول مائي.
  
• تستمر هذه البروتونات في تكوين أيونات الهيدرونيوم (H ₃ O ⁺ ) عن طريق الاندماج مع جزيئات الماء.
  
• تتمثل إحدى مزايا هذه النظرية في أنها تشرح بنجاح التفاعل بين الأحماض والقواعد التي تنتج الأملاح والماء.
  
• يتمثل أحد القيود المهمة لتعريفات أرهينيوس للأحماض والقواعد في أنه يفشل في شرح كيف تشكل المواد التي تفتقر إلى أيونات الهيدروكسيد محاليل أساسية عند إذابتها في الماء، مثل NO ₂ ^– و F ^– .
  

مفهوم الأحماض والقواعد حسب برونستد لوري:

• الحمض هو المادة المانحة للبروتون.
  
• القاعدة هي المادة المستقبلة للبروتون.
  
• تخضع الأحماض البرونزية للتفكك لإنتاج البروتونات وبالتالي زيادة تركيز أيونات H ⁺ في المحلول.
  
• من ناحية أخرى، تقبل قواعد برونستيد البروتونات من الماء (المذيب) لإنتاج أيونات الهيدروكسيد.
  
• تتمثل إحدى ميزات تعريف برونستيد لوري للأحماض والقواعد في قدرته على تفسير الطبيعة الحمضية أو الأساسية للأنواع الأيونية.
  
• يتمثل أحد القيود المهمة لهذه النظرية في أنها فشلت في شرح كيف تظهر المركبات التي تفتقر إلى الهيدروجين خصائص حمضية، مثل BF ₃ و AlCl ₃ .
  

مفهوم الأحماض والقواعد حسب لويس:

• الحمض كل مادة تستطيع أن تستقبل زوج أو أكثر من الإلكترونات.
  
• القاعدة كل مادة تستطيع أن تعطي زوج أو أكثر من الإلكترونات.
  
• لا تتضمن هذه النظرية ذرة الهيدروجين في تعريفها للأحماض والقواعد.
  
• حموض لويس محبة للكهرباء بطبيعتها بينما تمتلك قواعد لويس صفات محبة للنووية.
  
• أمثلة على حموض لويس: Cu ²⁺ و BF ₃ و Fe ³⁺ . أمثلة على قواعد لويس: F ^– و NH ₃ و C ₂ H ₄ (الإيثيلين).
  
• يقبل حمض لويس زوج إلكترون من قاعدة لويس، مكونًا رابطة تساهمية إحداثية في هذه العملية. يشار إلى المركب الناتج على أنه مقرب لويس.
  
• من المزايا البارزة لهذا المفهوم أنه يمكن تعريف العديد من المركبات على أنها أحماض أو قواعد. ومع ذلك، فإنه يقدم نظرة ثاقبة قليلة على قوة هذه الأحماض والقواعد.
  
• من عيوب هذه النظرية أنها تفشل في تفسير التفاعلات الحمضية القاعدية التي لا تتضمن تكوين رابطة تساهمية إحداثي.
  

خصائص الأحماض:

• موصلات جيدة للكهرباء.
  
• دائمًا ما تكون قيم الرقم الهيدروجيني أقل من 7.
  
• عندما تتفاعل مع المعادن، تنتج هذه المواد غاز الهيدروجين.
  
• مواد ذات مذاق حامض.
  أمثلة: حمض الكبريتيك [H ₂ SO ₄ ]، حمض الهيدروكلوريك [HCl]، حمض الخليك [CH ₃ COOH].
  

خصائص القواعد:

• هذه المواد تطلق أيونات الهيدروكسيد (OH ^– أيونات) عندما تذوب في الماء.
  
• تعمل القواعد في محاليلها المائية كموصلات جيدة للكهرباء.
  
• دائمًا ما تكون قيم الرقم الهيدروجيني المقابلة للقواعد أكبر من 7.
  
• القواعد عبارة عن مواد ذات مذاق مُرّ ولديها القدرة على تحويل ورق عباد الشمس من الأحمر إلى اللون الأزرق.
  
• أمثلة: هيدروكسيد الصوديوم [NaOH]، حليب المغنيسيا [Mg (OH) 2 ]، هيدروكسيد الكالسيوم [Ca (OH) ₂ ].
  

المواد المحايدة:

• هذه المواد لا تظهر أي خصائص حمضية أو قاعدية.
  
• تقترب قيم الرقم الهيدروجيني لهذه المواد من 7.
  
• المواد المحايدة ليس لها تأثير على ورق عباد الشمس الأحمر أو الأزرق.
  
• الرقم الهيدروجيني للمياه النقية هو بالضبط 7.
  
• أمثلة: الماء، الملح (كلوريد الصوديوم).
  

استخدامات الأحماض:

• الخل، وهو محلول مخفف من حمض الأسيتيك، له تطبيقات منزلية مختلفة. يستخدم في المقام الأول كمادة حافظة للاغذية.
  
• حمض الستريك هو جزء لا يتجزأ من عصير الليمون وعصير البرتقال. يمكن استخدامه أيضًا في حفظ الطعام.
  
• يستخدم حمض الكبريتيك على نطاق واسع في البطاريات. عادة ما تحتوي البطاريات المستخدمة لتشغيل محركات السيارات على هذا الحمض.
  
• يتضمن الإنتاج الصناعي للمتفجرات والأصباغ والدهانات والأسمدة استخدام حامض الكبريتيك وحمض النيتريك.
  
• حمض الفوسفوريك عنصر رئيسي في العديد من المشروبات الغازية.
  

استخدامات القواعد:

• يتضمن تصنيع الصابون والورق استخدام هيدروكسيد الصوديوم. 
  
• يستخدم Ca (OH) ₂، المعروف أيضًا باسم الجير المطفأ أو هيدروكسيد الكالسيوم، في تصنيع مسحوق التبييض.
  
• الخلطات الجافة المستخدمة في الدهان أو الزخرفة تصنع بمساعدة هيدروكسيد الكالسيوم.
  
• يستخدم هيدروكسيد المغنيسيوم، المعروف أيضًا باسم حليب المغنيسيا، بشكل شائع كملين. كما أنه يقلل من أي حموضة زائدة في معدة الإنسان ولذلك يستخدم كمضاد للحموضة.
  
• يعتبر هيدروكسيد الأمونيوم كاشفًا مهمًا جدًا يستخدم في المختبرات.
  
• يمكن معادلة أي حموضة زائدة في التربة باستخدام الجير المطفأ.
  

الأحماض والقواعد القوية والضعيفة:

تعتمد قوة الحموض والقواعد على قدرتها على الانفصال أو اختراق أيوناتها في الماء. ينفصل الحمض القوي أو القاعدة القوية تمامًا (على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك أو هيدروكسيد الصوديوم)، بينما ينفصل الحمض الضعيف أو القاعدة الضعيفة جزئيًا فقط (على سبيل المثال، حمض الأسيتيك). يشير ثابت تفكك الحمض وثابت تفكك القاعدة إلى القوة النسبية لحمض أو قاعدة. ثابت التفكك الحمضي K _a هو ثابت الاتزان لتفكك الحمض القاعدي:

HA + H ₂ O ⇆ A ^– + H ₃ O ⁺
حيث HA هو الحمض و A ^– هي القاعدة المترافقة.

[K _a = [A ^– ] [H ₃ O ⁺ ] / [HA] [H ₂ O]

يستخدم هذا لحساب pK _a ، الثابت اللوغاريتمي: pk_a = – log₁₀ K_a. كلما زادت قيمة pK_، قل تفكك الحمض وأضعف الحمض. الأحماض القوية لها pK _a أقل من -2.