المحاضرة الثالثة لمادة الكيمياء اللاعضوية للصف الثاني-قسم الكيمياء عن الاحماض والقواعد

الاحماض والقواعد:
النظريات:
- يعد العالم روبرت بويل (1663) اول من وصف الاحماض وذلك بانها مواد تضفي اللون الاحمر على بعض الاصباغ النباتية مثل عباد الشمس.
- اعتقد العالم لافوازيه (1770-1780) بان الاوكسجين يدخل في تركيب كل الاحماض على اساس ان اكاسيد عناصر الكاربون والنتروجين والكبريت لها خواص الاحماض، وظل هذا الاعتقاد سائدا الى ان اوضح العالم دافى (1810) ان حمض الهيدروكلوريك لا يحتوي على اوكسجين وان كل الاحماض تحتوي على عنصر الهيدروجين.
- عام 1838 عرف العالم ليبك بان الاحماض مواد تحتوي على هيدروجين قابل للانحلال بالفلزات، ولما كانت القواعد الى ذلك الوقت تعرف بانها مواد تتعادل مع الاحماض لتعطي املاحا.
- اخيرا، جاءت نظرية التفكك الالكتروني من قبل العالمين اوستفالد وارهينيوس (1880-1890) والتي اوضحت ان ذرات الهيدروجين المسؤولة عن الخواص الحامضية هي فقط تلك التي تعطي ايونات هيدروجين (بروتونات H+) في المحلول، وقياسا عليه عرفت القواعد بانها المواد التي تعطي ايونات هيدروكسيد (OH-) في المحلول ومن ثم فان تعادل الاحماض مع القواعد ينتج ملحا وماء كما في التفاعل الاتي: H+ + OH- = H2O
- على النقيض من ذلك فان قواعد مثل الامونيا تتعادل مع الحوامض دون تكوين الماء وبالتالي قسمت الى قواعد مائية وهي التي تعطي ماء عند تعادلها مع الاحماض مثل KOH، والنوع الاخر سمي بالقواعد الغير مائية وهي التي تتعادل مع الاحماض بنزع ايونات الهيدروجين من الحمض دون تكوين الماء مثل الامينات كما في الامونيا NH3.
- كان للدراسات التي تناولت خواص المواد في المذيبات غير المائية وعلى طبيعة ايون الهيدروجين في المحاليل المختلفة، لها اثرها في توضيح قصور التعاريف السابقة في اعلاه للاحماض والقواعد ومن امثلة ذلك:
س// وجد ان محلول ايثوكسيد الصوديوم في كحول الاثيلي اقوى قاعدية من محلول هيدروكسيد الصوديوم في الكحول الاثيلي؟
س// ثبت عدم وجود (H+) في المحاليل ولكن ايون الهيدروجين يتحد مع جزيئة الماء معطيا ايون الهيدرونيوم (H3O+) ومع جزيئة مذيب كحول الاثيلي معطيا (C2H5OH2+) ومع الامونيا يعطي ايون الامونيوم الموجب NH4+، وهكذا؟
س// هناك ادلة قوية على وجود الايون (H9O4+) في محاليل بعض الاحماض في الماء ولكن يفضل اصطلاح تمثيل ايون الهيدروجين في المحاليل المائية بالصيغة (H3O+) ؟

تعريف برونشتد ولورري للاحماض والقواعد:
الحامض هو فصيلة المركبات التي لها ميل لفقدان بروتون والقاعدة بانها الفصيلة التي لها ميل لاكتساب بروتون ويمكن تمثيل ذلك على الصورة الاتية: A = B + H+ حيث يسمى A, B بزوج حامض-قاعدة مقترن، ويمكن الرمز بصورة عامة لتفكك الاحماض والقواعد في الماء بالتفاعلين: الاحماض: H:A + H2O=H3O+ + :A- : القواعد: B: + H2O=B:H+ + OH-
كما يمكن القول بان Acid1 + Base2 = Acid2 + Base1 : كما في المثال: HCl + H2O = H3O+ + Cl-
القوى النسبية للاحماض والقواعد:
حسب تعريف برونشتد فان الحامض القوي هو الذي له ميل قوي لاعطاء البروتون وعليه فان احماضا مثل HNO3, HCl, HClO4 تعد قوية وذلك بامكانها ان تعطي بروتوناتها للماء بصورة شبه كاملة، في حين ان احماضا مثلCH3COOH, HCN تعطي بروتوناتها للماء ولكن بقدر محدود ولذلك تعد احماضا ضعيفة نسبيا، وقياسا عليه فان H3PO4, HNO2, H2SO3 هي احماضا متوسطة القوة، ويمكننا ان نتوصل من مفهوم برونشتد الى الاستنتاجين التاليين:
1- كلما كان الحامض قويا فان قاعدته المقترنة ضعيفة والعكس بالعكس.
2- جميع اتجاهات التفاعلات التي يتم من خلالها انتقال البروتونات سوف تؤدي الى تكوين الاحماض الاضعف وكذلك القاعدة الاضعف. كما في التفاعل: HCl + H2O = H3O+ + Cl- حيث يتنافس الحامضان HCl , H3O+ على اعطاء بروتون الى قاعدة ما وبما ان التفاعل يسير بصورة شبه كاملة من اليسار الى اليمين لذا يعد حامض الهيدروكلوريك حامض اقوى بكثير من ايون الهيدرونيوم وبالتالي يرمز الى ذلك باستخدام اسهم غير متساوية الطول تعبر عن قوة الحامض.
اضافة الى ماتقدم، توجد طريقتان من خلال استخدامها امكن ترتيب عدد كبير من المواد حسب قوتها كاحماض وقواعد كما في الجدول صفحة 45 من الكتاب المقرر، كما ياتي:
1- مقارنة ميل الاحماض المختلفة لاعطاء بروتوناتها الى نفس القاعدة وفي حالة الاحماض متوسطة القوة يستخدم الماء كقاعدة وتتم المقارنة بقياس ثابت تفكك الحامض (كح) كما في تفاعلي حامض الخليك والهيدروسيانيد مع الماء؟
2- باضافة الحامض المعني الى القاعدة المقترنة للاخر وقياس التراكيز المختلفة عند الاتزان، اذ وجد بان الايثوكسيد قاعدة اقوى من ايون الهيدروكسيد والماء حمضا اقوى من الكحول الاثيلي، كما في المثال؟ H2O + C2H5O- =C2H5OH + OH-
المواد الامفيبروتية: Amphiprotic Substances
هي المواد التي تتفاعل كاحماض في بعض التفاعلات وكقواعد في البعض الاخر ومن اشهرها الماء الذي يتفاعل كقاعده تجاه الاحماض الاقوى وكحامض تجاه مواد مثل الامونيا والامينات وايون الايثوكسيد، الخ. كما يتضح ذلك في معادلة التاين التلقائي للماء: H2O + H2O=H3O+ + OH- ، ومن المواد الامفيبروتية الاخرى: NH3, HPO42-, H2PO4-, HCO3-, HSO4-
تاثير التساوي: The Levelling effect
س// الاحماض القوية الاتية كما في جدول الاحماض ص45 مثل (HNO3, HCl, H2SO4, HClO4) تتصرف وكان لها نفس القوة في محاليلها المائية؟
والسبب في ذلك ان جميع الاحماض التي تقع فوق ايون الهيدرونيوم H3O+ في جدول الاحماض تتاين كليا تقريبا في محاليلها المائية المخففة، وهذا يعني ان الحامضية الظاهرية لمحاليل الاحماض القوية في الماء قد انخفضت الى مستوى حامضية ايون الهيدرونيوم(H3O+)، حيث تعرف هذه الظاهرة بتاثير التساوي ويمكن القول بان اقصى حامض يمكن ان يوجد بكمية ملحوظة في مذيب امفيبروتي كالماء (H2O) هو الحامض القرين لهذا المذيب (H3O+). ولذلك:
س// عند استخدام حامض الخليك كمذيب امفيبروتي كالماء مثلا ستكون الفصيلة المسؤولة عن الحامضية هي CH3COOH2+، وفي الامونيا NH4+، وفي الكحول الاثيلي C2H5OH2+؟
وبالمثل فالمذيبات الامفيبروتية لها نفس التاثير على القواعد القوية فقاعدية NaH, NaNH2, C2H5ONa في محاليلها المائية المخففة تتساوى جميعها تقريبا مع قاعدية ايون الهيدروكسيد (OH-)، فالقواعد H-, NH2-, C2H5O- تتفاعل جميعها مع الماء معطية ايونات (OH-)، وبالتالي يمكن القول بان اقوى قاعدة في مذيب امفيبروتي هي القاعدة القرينة لهذا المذيب. تسمى المذيبات العضوية مثل البنزين والتولوين والهكسان وغيرها ذات الاستخدام الواسع بالمذيبات الغيربروتية.
مفهوم لويس للحامضية والقاعدية: The Lewis Concept of Acidity and Basicity
لقد وسع العالم لويس مفهوم برونشتد وعممه ليشمل الالكترونات ولم يقصره على البروتونات فقط، واعطى التعاريف التالية:
الحامض هو ايه فصيلة تقبل المشاركة في زوج من الالكترونات.
القاعدة هي ايه فصيلة تساهم بزوج من الكتروناتها.
وبالتالي يتلخص تفاعل الحامض مع القاعدة في مشاركة الحامض للقاعدة في زوج من الكتروناتها وتكون عملية التعادل هي تكوين اصرة تناسقية.
تصنيف حوامض لويس:
ان ايه فصيلة تحتوي على اوربيتال فارغ في غلافها التكافؤي يمكن اعتبارها من احماض لويس اما القواعد فلا تختلف في نظام برونشتد عنها في نظام لويس. وبذلك تقسم الاحماض الى الانواع التالية:
اولا: الكاتيونات البسيطة: