تفاعلات الأحماض والأسس: تعريف برونشتد للحمض والأساس والثنائية أساس/حمض وتفاعل انتقال البروتون والمعايرة - السنة الثانية ثانوي علمي

نشرب عصير الليمون فنحس بحموضته، ونستعمل الصابون فنحس بملمسه الزلق، وقد تعلمنا منذ المتوسط أن الأول «حمضي» والثاني «أساسي». لكن علم الكيمياء لا يكتفي بالمذاق واللمس، وإنما يعرّف الحمض والأساس بتعريف دقيق مبني على ما يحدث بين الذرات والشوارد، وهو تعريف برونشتد. وهذا التعريف هو أساس وحدة مهمة في السنة الثانية ثانوي بشعبها العلمية، تعرف بوحدة تعيين كمية المادة بالمعايرة، يتعلم فيها التلميذ كيف يعرف تركيز محلول مجهول بتفاعل سريع مع محلول معلوم التركيز. تعرض هذه الصفحة تعريف الحمض والأساس، ثم الثنائية أساس/حمض، ثم الماء والأنواع المذبذبة، ثم تفاعل الحمض مع الأساس، ثم تطبيقه في المعايرة، وتنتهي بأخطاء شائعة وتمارين محلولة.

تعريف برونشتد للحمض والأساس

اقترح العالمان برونشتد ولوري تعريفين يجب حفظهما لأنهما يطلبان بحرفيتهما في الاختبارات:

• الحمض هو كل فرد كيميائي (جزيء أو شاردة) قادر على التخلي عن بروتون ⁦H⁺⁩ أو أكثر خلال تفاعل كيميائي.
• الأساس هو كل فرد كيميائي قادر على اكتساب (التقاط) بروتون ⁦H⁺⁩ أو أكثر خلال تفاعل كيميائي.

وسمي ⁦H⁺⁩ بروتونًا لأن ذرة الهيدروجين تتكون من بروتون واحد يدور حوله إلكترون واحد، فإذا فقدت الذرة إلكترونها صارت شاردة ⁦H⁺⁩ وهي ليست إلا بروتونًا.

أمثلة

• حمض الإيثانويك ⁦CH₃COOH⁩ (حمض الخل) حمض، لأنه يتخلى عن بروتون ويتحول إلى ⁦CH₃COO⁻⁩.
• شاردة الأمونيوم ⁦NH₄⁺⁩ حمض، لأنها تتخلى عن بروتون وتتحول إلى ⁦NH₃⁩.
• الأمونيا ⁦NH₃⁩ أساس، لأنها تكتسب بروتونًا وتتحول إلى ⁦NH₄⁺⁩.
• شاردة الهيدروكسيد ⁦HO⁻⁩ أساس، لأنها تكتسب بروتونًا وتتحول إلى الماء.

الثنائية أساس/حمض

عندما يتخلى حمض ⁦AH⁩ عن بروتون يتحول إلى فرد كيميائي ⁦A⁻⁩ قادر على استعادة هذا البروتون، أي أنه أساس. فنقول إن ⁦AH⁩ و ⁦A⁻⁩ يشكلان ثنائية أساس/حمض (أو ثنائية مترافقة)، ونرمز لها بـ ⁦AH / A⁻⁩.

ونكتب المعادلة النصفية (نصف المعادلة) للثنائية هكذا:

⁦AH = A⁻ + H⁺⁩

أمثلة على ثنائيات:

الماء والأنواع المذبذبة

لاحظ في الجدول أن الماء ⁦H₂O⁩ ورد مرتين: أساسًا في الثنائية ⁦H₃O⁺ / H₂O⁩، وحمضًا في الثنائية ⁦H₂O / HO⁻⁩. نسمي الفرد الكيميائي الذي يكون حمضًا في ثنائية وأساسًا في أخرى مذبذبًا (أمفوتيريًا). ومن أمثلته الماء وشاردة الهيدروجينوكربونات ⁦HCO₃⁻⁩، فهي حمض في الثنائية ⁦HCO₃⁻ / CO₃²⁻⁩ وأساس في الثنائية ⁦CO₂,H₂O / HCO₃⁻⁩.

تفاعل الحمض مع الأساس

التفاعل الحمضي الأساسي هو تفاعل ينتقل فيه بروتون من حمض ثنائية إلى أساس ثنائية أخرى. إذا كانت الثنائية الأولى ⁦A1H / A1⁻⁩ والثانية ⁦A2H / A2⁻⁩ فإن الحمض ⁦A1H⁩ يعطي بروتونًا للأساس ⁦A2⁻⁩:

⁦A1H + A2⁻ → A1⁻ + A2H⁩

كيف نكتب معادلة التفاعل؟

1. نحدد الثنائيتين الداخلتين في التفاعل.
2. نكتب المعادلة النصفية للثنائية التي يتفاعل حمضها (حمض يتخلى عن البروتون).
3. نكتب المعادلة النصفية للثنائية الأخرى في اتجاه اكتساب البروتون (أساسها يكتسب).
4. نجمع المعادلتين بحيث يختفي ⁦H⁺⁩ من الطرفين.

مثال 1: حمض الإيثانويك والأمونيا

الثنائيتان: ⁦CH₃COOH / CH₃COO⁻⁩ و ⁦NH₄⁺ / NH₃⁩.

• الحمض ⁦CH₃COOH⁩ يتخلى عن بروتون: ⁦CH₃COOH = CH₃COO⁻ + H⁺⁩.
• الأساس ⁦NH₃⁩ يكتسب بروتونًا: ⁦NH₃ + H⁺ = NH₄⁺⁩.
• بالجمع: ⁦CH₃COOH + NH₃ → CH₃COO⁻ + NH₄⁺⁩.

مثال 2: شاردة الهيدرونيوم وشاردة الهيدروكسيد

الثنائيتان: ⁦H₃O⁺ / H₂O⁩ و ⁦H₂O / HO⁻⁩.

• الحمض ⁦H₃O⁺⁩ يتخلى عن بروتون: ⁦H₃O⁺ = H₂O + H⁺⁩.
• الأساس ⁦HO⁻⁩ يكتسب بروتونًا: ⁦HO⁻ + H⁺ = H₂O⁩.
• بالجمع: ⁦H₃O⁺ + HO⁻ → 2 H₂O⁩.

وهذا هو التفاعل الذي يحدث عند خلط محلول حمضي بمحلول أساسي قوي مثل هيدروكسيد الصوديوم.

المعايرة الحمضية الأساسية

المعايرة عملية نعين بها تركيز نوع كيميائي في محلول عن طريق تفاعل سريع وتام مع محلول معلوم التركيز. وفي المعايرة الحمضية الأساسية يتفاعل الحمض مع الأساس.

التكافؤ

ننتقل من كأس يحوي حجمًا معلومًا ⁦Va⁩ من محلول حمض تركيزه المجهول ⁦Ca⁩، ونضيف إليه بالتدريج محلول أساس تركيزه معلوم ⁦Cb⁩ من سحاحة مدرجة. تتغير الحالة عند اللحظة التي يتفاعل فيها الحمض والأساس كلاهما كليًا، وتسمى نقطة التكافؤ. عندها يكون الحجم المضاف ⁦Vb⁩، وتكون الكميتان في نسب ستوكيومترية (حسب معامل المعادلة).

ويحدد التكافؤ باستعمال كاشف ملون يغير لونه عند التكافؤ، مثل أزرق البروموتيمول الذي يكون أصفر في الوسط الحمضي وأزرق في الوسط الأساسي.

العلاقة عند التكافؤ

إذا كان التفاعل يعطي النسبة ⁦1⁩ إلى ⁦1⁩ بين الحمض والأساس، فإن كمية مادة الحمض الابتدائية تساوي كمية مادة الأساس المضافة:

⁦Ca · Va = Cb · Vb⁩

مثال محلول

نعاير ⁦10 mL⁩ من محلول حمض الإيثانويك بمحلول هيدروكسيد الصوديوم تركيزه ⁦0.1 mol/L⁩. فكان حجم التكافؤ ⁦15 mL⁩. أوجد تركيز المحلول الحمضي.

الحل: المعادلة: ⁦CH₃COOH + HO⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O⁩، والنسبة ⁦1⁩ إلى ⁦1⁩. عند التكافؤ:

⁦Ca · Va = Cb · Vb⁩ ومنه ⁦Ca = (0.1 · 15) / 10 = 0.15 mol/L⁩.

أخطاء شائعة

• الخلط بين الحمض والأساس في التعريف، فالحمض يتخلى عن البروتون والأساس يكتسبه.
• كتابة الثنائية بالترتيب المعكوس. في الكتابة المعتمدة يأتي الحمض أولًا ثم الأساس.
• ترك ⁦H⁺⁩ في معادلة التفاعل النهائية. فالبروتون ينتقل ولا يظهر في الحصيلة.
• اعتبار أن كل مادة تحوي الهيدروجين حمض، فالأمر يتعلق بقدرتها على التخلي عن البروتون.
• استعمال العلاقة ⁦Ca · Va = Cb · Vb⁩ دون التأكد من النسبة بين الحمض والأساس في معادلة التفاعل.
• نسيان أن الماء مذبذب.

تمارين للتدرب

1. اكتب المعادلة النصفية للثنائية ⁦NH₄⁺ / NH₃⁩.
2. حدد الحمض والأساس في التفاعل: ⁦CH₃COOH + HO⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O⁩.
3. عاير ⁦20 mL⁩ من محلول حمض بمحلول أساس تركيزه ⁦0.2 mol/L⁩ فكان حجم التكافؤ ⁦10 mL⁩ (النسبة 1 إلى 1). ما تركيز الحمض؟

الحلول:

1. ⁦NH₄⁺ = NH₃ + H⁺⁩.
2. الحمض ⁦CH₃COOH⁩ والأساس ⁦HO⁻⁩.
3. ⁦Ca = (0.2 · 10) / 20 = 0.1 mol/L⁩.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ عبد اللطيف في فيديو «تفاعلات الأحماض والأسس مع الأمثلة التطبيقية، الثانية ثانوي» هذا الدرس في نحو ست وعشرين دقيقة، وهو تجديد لدرس سابق في قناته ضمن وحدة تعيين كمية المادة عن طريق المعايرة، ويبدأ بتعريف برونشتد للحمض والأساس.