الأهداف
الأهداف
- تقارن بين خصائص الأحماض والقواعد.
- تصف الاستخدامات التطبيقية للأحماض والقواعد.
- توضح استخدامات مقياس الرقم الهيدروجيني pH لوصف قوة الحمض أو القاعدة.
- تصف تفاعل الحمض مع القاعدة.
الأهمية
تدخل العديد من المنتجات، ومنها البطاريات والمواد القاصرة للألوان والمنظفات للمنازل، بسبب وجود الأحماض والقواعد فيها.
مراجعة المفردات
الخاصية الفيزيائية: أي صفة للمادة يمكن مشاهدتها أو قياسها دون تغييرها.
المفردات الجديدة
- الحمض
- الكاشف
- أيون الهيدرونيوم
- التعادل
- القاعدة
- الرقم الهيدروجيني pH
الأحماض
ما الذي يجعل طعم كل من عصير البرتقال والمخللات والحمضيات لاذعًا؟ إن الأحماض الموجودة في هذه الأغذية وغيرها هي التي تسبب هذا الطعم.
والأحماض Acids مواد تطلق أيونات الهيدروجين الموجبة +H في الماء، ويتحد أيون الهيدروجين مع جزيء ماء لتكوين أيون الهيدرونيوم Hydronium Ion له شحنة موجبة، وصيغته H3O+.
خصائص المحاليل الحمضية
من خصائص المحاليل الحمضية الطعم اللاذع، وبه يتميز وجود الأحماض في الطعام. وعليك أن تحذر تذوق أي شيء في المختبر؛ فالعديد من الأحماض تسبب حروقًا لأنسجة الجسم، وهي كاوية يمكنها إلحاق الضرر بالعديد من المواد، وتسبب تآكل الأغشية والجلد والورق وغيرها.
ومحاليل الأحماض موصلة للكهرباء؛ إذ تستطيع أيونات الهيدرونيوم نقل الشحنات الكهربائية، ولهذا تستخدم الأحماض في بعض البطاريات. وتتفاعل محاليل بعض الأحماض بشدة مع أنواع من الفلزات، وينتج غاز الهيدروجين.
الشكل 13
يتحد أيون هيدروجين مع جزيء ماء لتكوين أيون الهيدرونيوم الموجب الشحنة.
H+ + H2O → H3O+
حدد ما أنواع المواد التي تنتج أيونات الهيدروجين؟
الشكل 14
يحتوي كل من هذه المنتجات على حمض، أو صنع باستعمال حمض.
صف كيف تكون الحياة مختلفة لو لم تتوافر الأحماض لصناعة هذه المواد؟
تجربة
ملاحظة التغيرات على مسمار حديدي في مشروب غازي
الخطوات
- لاحظ كيف يبدو المسمار في بداية التجربة.
- صب كمية كافية من المشروب الغازي في كأس زجاجية.
- أسقط المسمار في الكأس ولاحظ ما يحدث.
- اترك المسمار في المشروب طوال الليل، وشاهده في اليوم التالي.
التحليل
- صف ما حدث عندما أسقطت المسمار في المشروب الغازي، وصف مظهر المسمار في اليوم التالي.
- فسر تفاعل المسمار مع المشروب الغازي.
استخدامات الأحماض
تعمل لعلك تعرف بعض الأحماض؛ فالخل المستخدم في الطعام يحتوي على حمض الإيثانويك، والذي يعرف أيضًا بحمض الخل أو الأستيك، وتحتوي الحمضيات، ومنها البرتقال والليمون، على حمض الستريك، ويحتاج جسمك إلى حمض الأسكوربيك فيتامين C، بينما يحقن النمل ضحيته عند لسعها بحمض الفورميك حمض النمل.
يظهر الشكل 14 منتجات صنعت باستخدام الأحماض؛ حيث يستخدم حمض الكبريتيك في صناعة الأسمدة والفولاذ والطلاء والبلاستيك. كما تستخدم الأحماض في البطاريات، ويطلق عليها أحيانًا بطاريات الأحماض. ويستخدم حمض الهيدروكلوريك في تنظيف المسابح من سطوح الأحواض الفلزية، ويستخدم حمض النيتريك في صناعة الأسمدة والبلاستيك والأصباغ.
الحمض في البيئة
يلعب حمض الكربونيك دورًا أساسيًا في تكوين الكهوف وتشكيل الهوابط والصواعد. يتكون حمض الكربونيك عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء. ويذيب هذا المحلول الحمضي كربونات الكالسيوم التي تكون صخور الكهوف الجيرية. ويشبه هذا ما يحدث عندما يسقط المطر الحمضي على الرخام والأثرية، ويستغرق هذا وقتًا، كما هو موضح الشكل 15.
عندما تسقط قطرات المحلول الحمضي على أرضية كهف على أرضية تتبخر الماء، فتقل ذائبية ثاني أكسيد الكربون، ويتصاعد من المحلول، فتقل حموضة المحلول، ومن ثم تقل ذائبية الحجر الجيري، فيترسب الحجر الجيري، وتتشكل الصواعد والهوابط.
المطر الحمضي
الشكل 15
ينتج عن احتراق الوقود الأحفوري مركبات كيميائية متنوعة، تنطلق إلى الهواء الجوي. بعض هذه المركبات يكون أحماضًا عندما يختلط بمطر ينزل على سطح الأرض على هيئة مطر أو ثلج أو ضباب، وتعمل على تدمير البيئة، حيث تقوم الرياح بحملها مئات الأميال، فتدمر الغابات، وتسبب تآكل الصخور، وتشكل خطرًا على صحة الإنسان.
أ
يحرق الوقود الأحفوري في محطات الطاقة والسيارات للحصول على الطاقة الضرورية للحياة الإنسانية، وتسبب عملية الاحتراق هذه في إطلاق ثاني أكسيد الكبريت SO2 وأكاسيد النيتروجين إلى الغلاف الجوي.
ب
يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين مع بخار الماء، فتتكون محاليل قوية الحمضية منها حمض النيتريك HNO3 وحمض الكبريتيك H2SO4.
ج
قد يصل الرقم الهيدروجيني pH للمطر الحمضي في بعض المناطق إلى ما دون 2.3، وهذا الرقم يقترب من حموضة المعدة.
القواعد
يستخدم الناس عادة محاليل الأمونيا لتنظيف النوافذ والأرضيات، وتختلف هذه المحاليل في خصائصها عن المحاليل الحمضية؛ فالأمونيا قاعدة.
القواعد Bases مواد تستقبل أيونات الهيدروجين +H، وتكون أيونات الهيدروكسيد عند ذوبانها في الماء.
فعند ذوبان قاعدة في الماء، تنجذب إليها ذرات هيدروجين من بعض جزيئات الماء، وتتكون أيونات الهيدروكسيد OH-. والمخطط التالي يبين ما يتكون عندما تطلقها عند ذوبانها في الماء؛ فهيدروكسيد الصوديوم مثلًا قاعدة وصيغته NaOH، وعندما يذوب في الماء تنفصل أيونات الصوديوم عن أيونات الهيدروكسيد.
خصائص المحاليل القاعدية
إن ملمس المحاليل القاعدية زلق كملمس الصابون، وطعمها مر. والقواعد أيضًا كاوية مثل الأحماض، وتسبب الحروق والضرر للأنسجة؛ لذا إياك أن تلمس أو تتذوق مادة لتعرف ما إذا كانت قاعدة أم لا.
وتحتوي المحاليل القاعدية على أيونات، لذا فهي موصلة للكهرباء. لكن القواعد بشكل عام أقل نشاطًا من الأحماض عند التفاعل مع الفلزات.
استخدامات القواعد
يظهر الشكل 16 بعض استخدامات القواعد، وهي تدخل في صناعة الصابون والأمونيا والعديد من مستحضرات التنظيف؛ حيث تنتج القواعد أيونات الهيدروكسيد التي تتفاعل بشدة مع الدهون، وتزيل الأوساخ.
وتعد منظفات الأفران والطامس من الأمثلة الشائعة على المنتجات التي تحتوي على قواعد. والدم أيضًا محلول قاعدي. ويستخدم هيدروكسيد الكالسيوم لتحديد خطوط الملاعب الرياضية، كما يستخدم لمعالجة حموضة التربة في الحقول والبساتين.
وهيدروكسيد الصوديوم قاعدة قوية تستخدم في ورق ومستحضرات أخرى للصحة، وتستخدم في صناعة الصابون، وفي تنظيف الأفران، وتسليك المجاري والمصارف.
الشكل 16
يحتوي العديد من المنتجات، ومنها الصابون والمنظفات والطامس، على قواعد أو تم تصنيعها باستخدام قواعد.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
هيدروكسيد الكالسيوم
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت لتعرف استخدامات هيدروكسيد الكالسيوم.
نشاط:
اكتب عن التفاعل الكيميائي الذي يتحول فيه الجير، كربونات الكالسيوم، إلى هيدروكسيد الكالسيوم.
الرقم الهيدروجيني pH
لعلك شاهدت أحد المختصين يقيس الرقم الهيدروجيني لماء الشرب في محطة تحلية المياه.
الرقم الهيدروجيني pH مقياس لحمضية أو قاعدية المحلول، وتتدرج قيمته من صفر إلى 14. وتتدرج قيم pH للمحاليل الحمضية بين صفر و7؛ فالمحاليل ذات الرقم الهيدروجيني الأقرب إلى صفر هي الأعلى حموضة، ومنها حمض الهيدروكلوريك.
أما الرقم 7 فيعني التعادل؛ أي لا يكون المحلول حمضيًا ولا قاعديًا، ومن ذلك الماء النقي. أما المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني الأعلى من 7 فتكون محاليل قاعدية. وتكون المحاليل ذات الرقم 14 هي الأعلى قاعدية، ومنها محلول هيدروكسيد الصوديوم. ويظهر الشكل 17 الرقم الهيدروجيني لعدد من المواد الشائعة.
ويرتبط الرقم الهيدروجيني pH مباشرة بتركيز أيونات الهيدرونيوم H3O+ وأيونات الهيدروكسيد OH-. وتحتوي المحاليل الحمضية أيونات هيدرونيوم أكثر من أيونات الهيدروكسيد. أما المحاليل القاعدية فتحتوي أيونات الهيدروكسيد أكثر من أيونات الهيدرونيوم. وأما المحاليل المتعادلة فتحتوي أعدادًا متساوية من كلا النوعين.
ماذا قرأت؟
قارن عدد أيونات الهيدرونيوم بعدد أيونات الهيدروكسيد في المحلول المتعادل؟
تدريج الرقم الهيدروجيني pH
إن تدريج الرقم الهيدروجيني ليس تدريجًا خطيًا للقياس مثل الكتلة والحجم؛ حيث تكون كتلة جسم ما ضعف كتلة جسم آخر إذا كانت كتلة أحد الجسمين 2 كجم وكتلة الآخر 1 كجم.
أما في تدريج الرقم الهيدروجيني، فتنقص pH للحمض بمقدار درجة يعني أن الحمضية تزيد عشرة أضعاف. فإذا كان الرقم الهيدروجيني لحمض 2 ولحمض ثان 1 فلا يكون الحمض الثاني أكثر حمضية من الأول بمقدار الضعف، بل تكون حمضيته عشرة أمثال حمضية الأول.
ولتحديد فرق قوة الحمضية استخدم العلاقة:
الفرق بين قيم pH
فالفرق بين قيمتي pH 1 و pH 3 هو 2، إذن فرق الحمضية:
10 × 10 = 100 مرة.
التدريب المهني
الرقم الهيدروجيني pH
لا تستطيع أغلب المخلوقات الحية العيش في الأوساط الحمضية القوية. ومع ذلك تحتاج بعض أنواع البكتيريا إلى بيئة حمضية لتعيش وتتكاثر. وقد وجد في بعض ينابيع المياه الحارة أن بعض أنواع البكتيريا تعيش في أوساط حمضية يتراوح رقمها الهيدروجيني بين 1 و3.
الشكل 17
يصنف مقياس الرقم الهيدروجيني pH المواد إلى حمضية أو قاعدية أو متعادلة.
قوة الأحماض والقواعد
هناك فرق في قوة الحموضة بين أحماض المواد الغذائية والأحماض الكاوية التي يمكن أن تحرق الجلد؛ فأحماض الأغذية أحماض ضعيفة، أما الأحماض الكاوية التي يمكن أن تحرق أنسجة الجسم وتتلفها فهي أحماض قوية.
ويرجع قوة الحمض إلى سهولة انفصاله إلى أيونات، أو إطلاقه أيونات الهيدروجين عند ذوبانه في الماء.
ويوضح عند ذوبانه في الماء. في الشكل 18، فلكل من حمض الهيدروكلوريك وحمض الإيثانويك، الخل، التركيز نفسه، ولكن حمض الهيدروكلوريك القوي أطلق أيونات هيدروجين أكثر كثيرًا من حمض الإيثانويك الضعيف.
وبزيادة أيونات الهيدرونيوم في المحلول يقل الرقم الهيدروجيني pH، وكلما قل pH للمحلول كان الحمض أقوى. وقوة القواعد مرتبطة أيضًا بسهولة انفصالها إلى أيونات، أو إطلاقها لأيونات الهيدروكسيد عند ذوبانها في الماء.
الشكل 18
حمض الهيدروكلوريك يذوب في الماء منفصلًا بسهولة إلى أيونات، وذلك بخلاف حمض الإيثانويك الذي لا ينفصل بسهولة، ويوجد معظمه في الماء على هيئة جزيئات.
ماذا قرأت؟
ما الذي يحدد قوة الحمض أو القاعدة؟
لا يشترط في الحمض المحتوي على ذرات هيدروجين أكثر، مثل حمض الكربونيك H2CO3، أن يكون أقوى من الحمض المحتوي على ذرات هيدروجين أقل، مثل حمض النيتريك HNO3؛ فقوة الحمض مرتبطة بسهولة إطلاقه أيونات الهيدروجين، وليس بعدد ذرات الهيدروجين فيه؛ لذا فحمض النيتريك أقوى من حمض الكربونيك.
الجدول 4: قوة بعض الأحماض والقواعد
| القوة | حمض | قاعدة |
| ----- | ------------------------ | ---------------------------- |
| قوي | الهيدروكلوريك HCl | هيدروكسيد الصوديوم NaOH |
| قوي | الكبريتيك H2SO4 | هيدروكسيد البوتاسيوم KOH |
| قوي | النيتريك HNO3 | — |
| ضعيف | الإيثانويك، الخل CH3COOH | الأمونيا NH3 |
| ضعيف | الكربونيك H2CO3 | هيدروكسيد الألمنيوم Al(OH)3 |
| ضعيف | الأسكوربيك H2C6H6O6 | هيدروكسيد الحديد III Fe(OH)3 |
الكواشف
ما الطريقة الآمنة لمعرفة حمضية محلول أو قاعديته؟
الكواشف Indicators مركبات تتفاعل مع كل من المحاليل الحمضية والقاعدية وتعطي ألوانًا مختلفة بحسب قيمة الرقم الهيدروجيني pH للمحلول. وبعض الكواشف، ومنها ورق تباع الشمس، تكون على هيئة أوراق.
عند وضع ورقة تباع الشمس الزرقاء في محلول حمضي يتحول لونها إلى اللون الأحمر. أما إذا وضعت ورقة تباع الشمس الحمراء في محلول قاعدي فيصبح لونها أزرق. وتغير بعض الكواشف ألوانها ضمن مدى من قيم pH، فيظهر لون مختلف لكل قيمة من قيم الرقم الهيدروجيني.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
الكواشف
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت لتعرف أنواع الكواشف.
نشاط:
ابحث كيف تستعمل النباتات كالكواشف في المحاليل الحمضية والمحاليل القاعدية؟
التعادل
تسبب بعض الأطعمة، وبخاصة الكثيرة التوابل، حموضة المعدة، الحرقة. وعندما تتناول أقراصًا مضادة للحموضة تشعر بتحسن. فما مضاد الحموضة؟ وكيف يعمل؟
تنتج آلام المعدة والجهاز الهضمي عن زيادة حمض الهيدروكلوريك في المعدة. ومع أن هذا الحمض يعمل على هضم الطعام إلا أن زيادته تؤدي إلى تهيج المعدة والقناة الهضمية، وحينئذ يلزم الشخص تناول أقراص مضادة للحموضة، وهي تضع عادة من هيدروكسيد المغنيسيوم Mg(OH)2، حيث تعمل على معادلة الحمض الزائد.
والتعادل Neutralization تفاعل حمض مع قاعدة، مع تكوين ملح وماء. وقد سمي بذلك لأن الحمض والقاعدة يختفيان أو يتعادلان. ويوضح الشكل 19 الكميات النسبية لكل من أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد بين قيم pH صفر و14.
ماذا قرأت؟
ما نواتج تفاعل التعادل؟
الشكل 19
يكون pH للمحلول أقل، بمعنى أكثر حمضية، عندما تكثر فيه كمية أيونات الهيدرونيوم.
حدد لماذا يعد محلولًا رقمه الهيدروجيني 7 متعادلًا؟
الشكل 20
عند تفاعل محلول حمضي مع آخر قاعدي تتفاعل أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد لتكوين الماء.
حدد لماذا يتغير الرقم الهيدروجيني pH للمحلول؟
كيف يحدث التعادل؟
من المعلوم أن جزيء الماء يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين. ويظهر في الشكل 20 أن أيون هيدرونيوم يتفاعل مع أيون هيدروكسيد لتنتج جزيئات من الماء. ويحدث هذا عندما يتفاعل حمض مع قاعدة؛ إذ تتفاعل أعداد متساوية من أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد لتكوين الماء. والرقم الهيدروجيني pH للماء النقي هو 7، أي إن الماء النقي متعادل.
المعادلة
H3O+ + OH- → 2H2O
ماذا قرأت؟
ماذا يحدث لكل من الأحماض والقواعد خلال التعادل؟
مراجعة الدرس 2
الخلاصة
الأحماض والقواعد
- الأحماض مواد تطلق أيونات الهيدروجين الموجبة في الماء.
- القواعد مواد تستقبل أيونات الهيدروجين وتطلق أيونات الهيدروكسيد في الماء.
- المحاليل الحمضية والقاعدية موصلة للكهرباء.
الرقم الهيدروجيني pH
- الرقم الهيدروجيني pH مقياس لحمضية المحلول أو قاعديته.
- يتراوح مدى الرقم الهيدروجيني pH بين صفر و14.
التعادل
- التعادل تفاعل حمض مع قاعدة لإنتاج الملح والماء.
اختبر نفسك
- حدد الأيونات التي تنتجها كل من الأحماض والقواعد في الماء، واذكر خاصيتين لكل من الأحماض والقواعد.
- اذكر أسماء ثلاثة أحماض وثلاث قواعد، واكتب قائمة بالاستخدامات المنزلية أو الصناعية لكل منها.
- وضح ارتباط تركيز أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد بالرقم الهيدروجيني pH.
- التفكير الناقد: كيف يمكن لشركة تستخدم حمضًا قويًا أن تعالج انسكابه على أرضية المصنع؟
- تطبيق الرياضيات:
حل معادلة بخطوة واحدة: كم تزيد حمضية محلول رقمه الهيدروجيني 2 على محلول رقمه الهيدروجيني 6؟ وكم تزيد قاعدية محلول رقمه الهيدروجيني 13 على آخر رقمه الهيدروجيني 10؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.