قوة الأحماض والقواعد

#

2-2 قوة الأحماض والقواعد

Strengths of Acids and Bases

الفكرة الرئيسة

تتباين الأحماض والقواعد القوية في المحاليل تأينًا تامًا، بينما تتأين الأحماض والقواعد الضعيفة في المحاليل تأينًا جزئيًا.

الأهداف

• تربط قوة الحمض والقاعدة مع درجة تأينها.
• تقارن قوة حمض ضعيف بقوة قاعدته المرافقة.
• تشرح العلاقة بين قوى الأحماض والقواعد وقيم ثوابت تأينها.

مراجعة المفردات

الإلكتروليت: مادة يوصل محلولها المائي التيار الكهربائي.

المفردات الجديدة

• الحمض القوي
• الحمض الضعيف
• ثابت تأين الحمض
• القاعدة القوية
• القاعدة الضعيفة
• ثابت تأين القاعدة

الربط مع الحياة

تعتمد التمريرة الناجحة في لعبة كرة القدم على كل من المرسل والمستقبل، فيعرف مثلًا مدى استعداد المرسل لتمرير الكرة، ومدى استعداد المستقبل لاستقبال الكرة. وكذلك الحال في تفاعلات الأحماض والقواعد؛ حيث يعتمد سير التفاعل على مدى استعداد الحمض لمنح أيون هيدروجين، ومدى استعداد القاعدة لاستقباله.

قوة الأحماض

Strengths of Acids

من خواص المحاليل الحمضية والقاعدية أنها توصل الكهرباء. ما المعلومات التي تستطيع معرفتها عن أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد في هذه المحاليل المائية من خلال توصيلها للكهرباء؟

افترض أنك تفحص قدرة التوصيل الكهربائي لمحلول مائي تركيزه 0.10 M من حمض هيدروكلوريك، وآخر مماثل من حمض الإيثانويك (الخل). يدل توهج المصباح الكهربائي في الشكل 2-11 على أن المحلول يوصل الكهرباء. ولكن إذا قارنت توهج المصباح المتصل بمحلول HCl في الشكل 2-11 بتوهج المصباح المتصل بمحلول CH3COOH في الشكل 2-12 فلا بد أن تلاحظ فرقًا؛ فتوصيل محلول HCl للكهرباء أفضل من توصيل محلول CH3COOH. فلم هذا الفرق مع أن تركيزي الحمضين متساويان؟

الأحماض القوية

يعتمد توصيل التيار الكهربائي على عدد الأيونات في المحلول. وقد تأينت جزيئات HCl الموجودة في المحلول جميعها كليًا مكونة أيونات هيدرونيوم وأيونات كلوريد.

الشكل 2-11

يتوهج المصباح بقوة عندما يوضع القطبان في محلول حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.10 M؛ لأن جميع HCl تتحلل إلى أيونات هيدرونيوم وأيونات كلوريد.

---

#

الشكل 2-12

عند وضع الأقطاب في محلول حمض الإيثانويك بتركيز 0.10 M يكون الضوء خافتًا. قارن هذه الصورة بالشكل 2-11.

فسر الفرق بين شدتي إضاءة المصباحين بحسب تركيز الأيونات في المحلول.

وتسمى الأحماض التي تتأين كليًا أحماضًا قوية. ولأن الأحماض القوية تنتج أكبر عدد من الأيونات، لذا فهي موصلات جيدة للكهرباء.

يمكن تمثيل تأين حمض الهيدروكلوريك في الماء بالمعادلة الآتية:

HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq)

الأحماض الضعيفة

إذا كان سبب الإضاءة القوية لمصباح الجهاز الذي يحتوي على HCl هو عدد الأيونات الكبير في المحلول - كما في الشكل 2-11 - فإن الإضاءة الخافتة لمصباح الجهاز الذي يحتوي على محلول CH3COOH، المبين في الشكل 2-12، لا بد أن يكون سببها احتواء محلول حمض الإيثانويك (الخل) على عدد أقل من الأيونات. ولأن المحلولين يحتويان على التركيز المولاري نفسه لذا تستنتج أن حمض الإيثانويك لا يتأين كليًا. ولذلك يسمى الحمض الذي يتأين جزئيًا فقط في المحلول المائي المخفف الحمض الضعيف. ولأن الأحماض الضعيفة تنتج أيونات أقل فإنها لا توصل الكهرباء جيدًا مثل الأحماض القوية. ويبين الجدول 2-3 معادلات التأين لبعض الأحماض الضعيفة والأحماض القوية الشائعة.

الجدول 2-3: معادلات التأين

| أحماض قوية | معادلات التأين |
| ------------- | ------------------ |
| الهيدروكلوريك | HCl → H+ + Cl− |
| الهيدرويوديك | HI → H+ + I− |
| البيركلوريك | HClO4 → H+ + ClO4− |
| النيتريك | HNO3 → H+ + NO3− |
| الكبريتيك | H2SO4 → H+ + HSO4− |

| أحماض ضعيفة | معادلات التأين |
| ------------------ | ---------------------- |
| الهيدروفلوريك | HF ⇌ H+ + F− |
| الإيثانويك | CH3COOH ⇌ H+ + C2H3O2− |
| كبريتيد الهيدروجين | H2S ⇌ H+ + HS− |
| الكربونيك | H2CO3 ⇌ H+ + HCO3− |
| الهيبوكلوروز | HClO ⇌ H+ + ClO− |

---

#

قوة الحمض ونظرية برونستد-لوري

هل تستطيع نظرية برونستد-لوري تفسير سبب تأين HCl كليًا، بينما يكون HC2H3O2 القليل من الأيونات؟ تأمل تأين أي حمض قوي، كحمض HX على سبيل المثال. وتذكر أن الحمض الموجود على جهة المواد المتفاعلة من المعادلة ينتج قاعدة مرافقة على جهة النواتج. وبالمثل فإن القاعدة الموجودة على جهة المواد المتفاعلة تنتج حمضًا مرافقًا.

HX(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + X−(aq)

يمثل HX حمضًا قويًا وقاعدته المرافقة ضعيفة. أي أن HX يتأين بنسبة 100% تقريبًا؛ لأن الماء قاعدة أقوى في التفاعل الأمامي من قاعدته المرافقة X− في التفاعل العكسي. أي أنه يقع اتزان التأين كليًا تقريبًا إلى اليمين؛ لأن جذب القاعدة H2O لأيون H+ أكبر من جذب القاعدة المرافقة X−. فكر في هذا الأمر وكأنه معركة للقواعد؛ أيهما لديه قوة جذب أكبر لأيون الهيدروجين: H2O أم X−؟ الماء هو القاعدة الأقوى عندما تكون الأحماض كلها قوية. لاحظ أن المعادلة مبينة بسهم واحد إلى اليمين.

كيف يختلف الوضع لأي حمض ضعيف HY؟

HY(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + Y−(aq)

يميل اتزان التأين للحمض الضعيف إلى يسار المعادلة؛ لأن القاعدة المرافقة Y− لها جذب أكبر لأيون الهيدروجين من القاعدة H2O. وتعد القاعدة المرافقة Y− في التفاعل العكسي أقوى من القاعدة H2O في التفاعل الأمامي، وتستطيع أن تستولي على أيون H+. فمثلًا في حالة حمض الإيثانويك (الخل) تعد القاعدة المرافقة في التفاعل العكسي أقوى في جذب أيونات الهيدروجين من القاعدة H2O في التفاعل الأمامي.

HC2H3O2(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + C2H3O2−(aq)

لاحظ أن المعادلة تحتوي على سهمي اتزان.

ماذا قرأت؟

لخص أهم الاختلافات بين الأحماض القوية والأحماض الضعيفة عند تفاعلها مع القواعد.

ثابت تأين الحمض

تساعد نظرية برونستد-لوري على تفسير قوة الأحماض، إلا أنها لا تعبّر بطريقة كمية عن قوة الحمض، ولا تقارن بين قوى الأحماض المختلفة. لذا يعد تعبير ثابت الاتزان قياسًا كميًا لقوة الحمض.

إن الحمض الضعيف ينتج خليط اتزان من الجزيئات والأيونات في المحلول المائي. لذا يعطي ثابت الاتزان Keq قياسًا كميًا لدرجة تأين الحمض. تأمل حمض الهيدروسيانيك HCN، الذي يستعمل في الصباغة، والحفر على الفولاذ، وتلميعه.

واقع الكيمياء في الحياة

سيانيد الهيدروجين

مركب مميت: سيانيد الهيدروجين HCN غاز سام يوجد في عوادم المركبات، وفي دخان التبغ والخشب، وفي دخان البلاستيك المحترق المحتوي على النيتروجين. وتطلق بعض الحشرات سيانيد الهيدروجين للدفاع عن نفسها. ويسمى محلول سيانيد الهيدروجين في الماء حمض الهيدروسيانيك. وتحتوي نوى بعض الفواكه - ومنها الكرز والخوخ - على سيانوهيدرين الذي يتحول إلى حمض الهيدروسيانيك في الجهاز الهضمي إذا أكلت النواة. ولكن لا يوجد حمض الهيدروسيانيك في لب هذه الثمار، لذا يمكن أكله بأمان.

---

#

فيما يأتي معادلة التأين، وتعبير ثابت الاتزان لحمض الهيدروسيانيك:

HCN(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + CN−(aq)

Keq = [H3O+][CN−] / [HCN][H2O]

يعد تركيز الماء السائل في مقام تعبير ثابت الاتزان ثابتًا في المحاليل المائية المخففة؛ لذلك يمكن دمجه مع Keq ليعطي ثابت اتزان جديدًا Ka.

Keq[H2O] = Ka = [H3O+][CN−] / [HCN] = 6.2 × 10−10

يسمى Ka ثابت تأين الحمض، وهو قيمة ثابت الاتزان لتأين الحمض الضعيف. وكما في تعابير الاتزان جميعها، تدل قيمة Ka على ما إذا كانت المواد المتفاعلة أو النواتج هي المفضلة عند الاتزان. أما للأحماض الضعيفة فتميل تراكيز الأيونات (النواتج) في البسط إلى أن تكون صغيرة مقارنة بتراكيز الجزيئات غير المتأينة (المواد المتفاعلة) في المقام. وتكون قيم Ka للأحماض الأضعف أصغر؛ وذلك لاحتوائها على أقل تراكيز أيونات وأعلى تراكيز جزيئات الحمض غير المتأينة. ويحتوي الجدول 2-4 على قائمة لقيم Ka ومعادلات التأين لعدة أحماض ضعيفة. لاحظ أن الأحماض المتعددة البروتونات ليست بالضرورة قوية التأين؛ فلكل تأين للحمض المتعدد البروتونات قيمة Ka مختلفة.

مهن في الكيمياء

عامل المشتل

الوظيفة الرئيسة لعامل المشتل هي الاهتمام بتكاثر النباتات ونموها. وهذا يشمل زراعتها وتقليمها ونقلها. ويبيع جميع أنواع المواد التي تتعلق بالنباتات. لذا يجب أن يعرف عامل المشتل المغذيات التي تحتاج إليها النبات للنمو الأفضل وظروف التربة، ومنها حموضة التربة التي تعزز نمو كل نوع من النباتات.

مسائل تدريبية

• اكتب معادلات التأين وتعابير ثابت تأين الحمض لكل مما يأتي:

a. HClO2
b. HNO2
c. HIO

• اكتب معادلة التأين الأولى والثانية لحمض السلينوز H2SeO3.

• تحفيز: إذا أعطيت المعادلة الرياضية الآتية:

Ka = [AsO4^3−][H3O+] / [HAsO4^2−]
فاكتب المعادلة الموزونة للتفاعل.

الجدول 2-4: ثوابت تأين الأحماض الضعيفة

| الحمض | معادلة التأين | Ka (298 K) |
| --------------------------------- | ---------------------- | ----------- |
| كبريتيد الهيدروجين، التأين الأول | H2S ⇌ H+ + HS− | 8.9 × 10−8 |
| كبريتيد الهيدروجين، التأين الثاني | HS− ⇌ H+ + S2− | 1 × 10−19 |
| الهيدروفلوريك | HF ⇌ H+ + F− | 6.3 × 10−4 |
| الهيدروسيانيك | HCN ⇌ H+ + CN− | 6.2 × 10−10 |
| الإيثانويك (حمض الخل) | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO− | 1.8 × 10−5 |
| الكربونيك، التأين الأول | H2CO3 ⇌ H+ + HCO3− | 4.5 × 10−7 |
| الكربونيك، التأين الثاني | HCO3− ⇌ H+ + CO3^2− | 4.7 × 10−11 |

---

#

تجربة: قارن بين قوى الأحماض

كيف تستطيع أن تحدد القوى النسبية للمحاليل الحمضية؟

الخطوات

• املأ بطاقة السلامة ودليل التجارب العملية.

• استعمل مخبارًا مدرجًا سعته 10 mL لقياس 3 mL من حمض الإيثانويك المركز. انقل القطارة ذات الحمض إلى الفجوة A1 من طبق التفاعلات البلاستيكي ذي الأربع والعشرين فجوة. ويمكنك استخدام أنابيب اختبار كبديل في حالة عدم توفر طبق التفاعلات.

تحذير: حمض الإيثانويك (الخل) المركز مادة أكالة وسامة عند الاستنشاق، لذا تعامل معها بحذر.

• ضع قطبي جهاز الموصلية الكهربائية (الدائرة الكهربائية) في الفجوة A1، وسجل ملاحظاتك.

• اغسل المخبار المدرج والقطارة بالماء، ثم قس 3 mL من حمض الإيثانويك 6.0 M وضعها في الفجوة A2 من طبق التفاعلات. افحص موصلية المحلول وسجلها.

• أعد الخطوة 4 باستعمال حمض الإيثانويك الذي تركيزه 1.0 M وحمض الإيثانويك 0.10 M والفجوتين A3 وA4 على التوالي.

التحليل

• اكتب معادلة تأين حمض الإيثانويك في الماء، وتعبير ثابت الاتزان (Keq = 1.8 × 10−5). علام تدل قيمة Keq فيما يخص درجة التأين؟

• اشرح هل تتفق النتائج النوعية التجريبية الآتية مع نتائجك؟

• حمض الإيثانويك (حمض الخل) المركز
• حمض الإيثانويك 6.0 M، 0.1%
• حمض الإيثانويك 1.0 M، 0.2%
• حمض الإيثانويك 0.10 M، 1.3%

• اقترح فرضية تشرح ملاحظاتك مستعينًا بقراءاتك.

• استعمل فرضيتك للتوصل إلى استنتاج يتعلق بصورة استعمال كميات كبيرة من الماء للغسل عندما ينسكب حمض على نسيج حي.

قوة القواعد

Strengths of Bases

تطلق القواعد أيونات OH−. ويعتمد توصيل القاعدة للتيار الكهربائي على مقدار ما تنتجه من أيونات OH− في المحلول المائي.

القواعد القوية

القاعدة التي تتحلل كليًا منتجة أيونات فلزية وأيونات هيدروكسيد تعرف بأنها قاعدة قوية. لذا فهيدروكسيدات الفلزات - ومنها هيدروكسيد الصوديوم NaOH - قواعد قوية.

NaOH(s) → Na+(aq) + OH−(aq)

تعد بعض هيدروكسيدات الفلزات - ومنها هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 - مصدرًا ضعيفًا لأيونات OH−؛ لأن ذائبيتها منخفضة. لاحظ أن ذوبان هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 صغير، مما يدل على أن كمية قليلة من OH− توجد في المحلول المشبع.

Ca(OH)2(s) ⇌ Ca2+(aq) + 2OH−(aq)
Ksp = 6.5 × 10−6

ومع ذلك فإن هيدروكسيد الكالسيوم وغيره من هيدروكسيدات الفلزات القليلة الذوبان قواعد قوية؛ لأن كل ما يذوب منها يتأين كليًا. ويبين الجدول 2-5 معادلات تحلل بعض القواعد القوية.

الجدول 2-5: معادلات التأين للقواعد القوية

| معادلات التأين |
| -------------------------------- |
| NaOH(s) → Na+(aq) + OH−(aq) |
| KOH(s) → K+(aq) + OH−(aq) |
| RbOH(s) → Rb+(aq) + OH−(aq) |
| CsOH(s) → Cs+(aq) + OH−(aq) |
| Ca(OH)2(s) → Ca2+(aq) + 2OH−(aq) |
| Ba(OH)2(s) → Ba2+(aq) + 2OH−(aq) |

القواعد الضعيفة

تتأين القواعد الضعيفة جزئيًا فقط في المحاليل المائية المخففة. فمثلًا يتفاعل ميثيل أمين CH3NH2 مع الماء لينتج مخلوطًا متزنًا من جزيئات CH3NH2، وأيونات CH3NH3+، وأيونات OH−.

CH3NH2(aq) + H2O(l) ⇌ CH3NH3+(aq) + OH−(aq)

---

#

الجدول 2-6: ثابت التأين لبعض القواعد الضعيفة

| القاعدة | معادلة التأين | Kb (298 K) |
| ---------- | --------------------------------------------- | ----------- |
| إيثيل أمين | C2H5NH2(aq) + H2O(l) ⇌ C2H5NH3+(aq) + OH−(aq) | 5.0 × 10−4 |
| ميثيل أمين | CH3NH2(aq) + H2O(l) ⇌ CH3NH3+(aq) + OH−(aq) | 4.3 × 10−4 |
| الأمونيا | NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq) | 2.5 × 10−5 |
| الأنيلين | C6H5NH2(aq) + H2O(l) ⇌ C6H5NH3+(aq) + OH−(aq) | 4.3 × 10−10 |

يميل هذا الاتزان إلى اليسار؛ لأن القاعدة CH3NH2 ضعيفة، والقاعدة المرافقة OH− قوية؛ لأن قوة جذب أيون الهيدروكسيد لأيون الهيدروجين أقوى من جذب جزيء الميثيل أمين لأيون الهيدروجين.

ثابت تأين القاعدة

تكون القواعد الضعيفة خليط اتزان من الجزيئات والأيونات في المحاليل المائية، كما في الأحماض الضعيفة. ويعد ثابت الاتزان قياسًا لمدى تأين القاعدة. وتبين المعادلة الآتية ثابت الاتزان لتأين الميثيل أمين في الماء:

Kb = [CH3NH3+][OH−] / [CH3NH2]

ويمكن تعريف ثابت تأين القاعدة Kb بأنه قيمة تعبر عن ثابت الاتزان لتأين القاعدة الضعيفة. وكلما صغرت قيمة Kb كانت القاعدة أضعف. ويبين الجدول 2-6 قيم Kb ومعادلات التأين لبعض القواعد الضعيفة.

مسائل تدريبية

• اكتب معادلات التأين وتعبير ثابت التأين للقواعد الآتية:

a. هكسيل أمين C6H13NH2
b. بروبيل أمين C3H7NH2
c. أيون الكربونات CO3^2−
d. أيون الكبريتات الهيدروجينية HSO4−

• تحفيز: اكتب معادلة اتزان قاعدة يكون فيها PO4^3− قاعدة في التفاعل الأمامي، وOH− قاعدة في التفاعل العكسي.

التقويم 2-2

الخلاصة

• تتأين الأحماض والقواعد القوية كليًا في المحاليل المائية المخففة.
• بينما تتأين الأحماض والقواعد الضعيفة تأينًا جزئيًا في المحاليل المائية المخففة.
• تعد قيمة ثابت تأين الحمض أو القاعدة الضعيفة قياسًا لقوة الحمض أو القاعدة.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسة: صف محتويات محاليل مائية مخففة للحمض القوي HI والحمض الضعيف HCOOH.

• ما العلاقة بين قوة الحمض الضعيف وقوة قاعدته المرافقة؟

• حدد الأزواج المترافقة للحمض والقاعدة في كل معادلة مما يأتي:

a. HCOOH(aq) + H2O(l) ⇌ HCOO−(aq) + H3O+(aq)

b. NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq)

• اشرح ما الذي يمكن أن تستفيد منه معرفة أن قيمة Kb للأنيلين C6H5NH2 هي 4.3 × 10−10؟

• استعمل البيانات في الجدول 2-4 لترتب الأحماض السبعة تصاعديًا حسب توصيلها للكهرباء.