الأحماض والقواعد وتفاعلات التحييد

تفاعل الحمض-القاعدة هو التفاعل الذي يتم فيه انتقال أيون الهيدروجين H⁺ من نوع كيميائي إلى آخر. وتتسم التفاعلات هذه بأهمية مركزية بالنسبة للعديد من العمليات الطبيعية والتكنولوجية، التي تتراوح بين التحولات الكيميائية داخل الخلايا أو البحيرات والمحيطات  إلى الإنتاج الصناعي النطاق للأسمدة والمستحضرات الصيدلانية وغير ذلك من المواد الأساسية للمجتمع.

هناك عدة طرق لتعريف الحمض. في سياق المحاليل المائية، الحمض هو مادة مذيبة لإنتاج أيونات الهيدروجين.

هذا هو تعريف آرهينيوس للحمض، والمسمى على اسم الكيميائي السويدي سفانتي أرهرينيوس (1859–1927). يُطلق على أيون الهيدروجين، الذي يمثله الرمز H⁺ ، بروتون. في المحلول، تتحد البروتونات كيميائياً مع جزيئات الماء، من خلال ثنائيات وحيدة على الأكسجين، لتكوين أيونات الهيدرونيوم، H3O⁺.

المعادلة الكيميائية لتأيين الحمض هي مكتوبة كـ

تسمى الأحماض التي تتفاعل بالكامل مع الماء بهذه الطريقة الأحماض القوية. ومن الأمثلة القليلة على ذلك HCl وHNO3 وHBR.

إن أغلب الأحماض التي تصادف في الحياة اليومية هي عبارة عن أحماض ضعيفة. ومن الأمثلة القليلة على ذلك حمض الستريك في الفواكه وحمض الخل في الخل وحمض اللاكتيك في الحليب. ومن الأمثلة المألوفة لحمض ضعيف هي حمض الخل، المكون الرئيسي في خل الطعام. عند الذوبان في الماء في ظروف نموذجية، لا يوجد سوى 1% فقط من جزيئات حمض الخل في شكل مؤين ، CH3CO2⁻.  

يشير استخدام سهم مزدوج في المعادلة أعلاه إلى أن التفاعل جزئي في هذه العملية.

القاعدة هي مادة تذوب في الماء لتنتج أيونات هيدروكسيد، OH⁻. وأكثر القواعد شيوعاً هي المركبات الأيونية المكونة من قلويدات أو كاتيونات المعادن الأرضية (المجموعتين 1 و2) مقترنة بأيون— الهيدروكسيد، على سبيل المثال، NaOH وCa(OH)₂. وعلى عكس المركبات الحمضية التي سبق مناقشتها، لا تتفاعل هذه المركبات كيميائياً مع الماء؛ بل إنها تنحل وتتفكك وتطلق أيونات الهيدروكسيد مباشرةً في المحلول. على سبيل المثالKOH و Ba(OH)₂ يذوبان في الماء ويتفككان بشكل كامل لإنتاج أيونات الكالسيوم (K⁺ وBa2⁺ ، على التوالي) وأيونات الهيدروكسيد، OH⁻. وتعتبر هذه القواعد، إلى جانب غيرها من الهيدروكسيدات التي تنفصل تماما عن المياه، قواعد قوية.

ولنتأمل هنا انحلال هيدروكسيد الصوديوم في الماء كمثال:

تؤكد هذه المعادلة أن هيدروكسيد الصوديوم هو قاعدة. عند الذوبان في الماء، ينفصل هيدروكسيد الصوديوم NaOH ليعطي أيونات الصوديوم Na+ و OH⁻. وهذا ينطبق أيضاً على أي مركب أيوني آخر يحتوي على أيونات هيدروكسيد. وبما أن عملية التفكك تكتمل في الأساس عندما تذوب المركبات الأيونية في الماء في ظل الظروف النموذجية، فإن NaOH وغيرها من الهيدروكسيدات الأيونية تصنف جميعها على أنها قواعد قوية.

على عكس الهيدروكسيد الأيوني، تنتج بعض المركبات أيونات هيدروكسيد عند إذابة بواسطة التفاعل الكيميائي مع جزيئات الماء. وفي جميع الحالات، لا تتفاعل هذه المركبات إلا بصورة جزئية، ولذلك فإنها تصنف على أنها قواعد ضعيفة. وهذه الأنواع من المركبات وفيرة أيضا من حيث طبيعتها، وهي سلع هامة في مختلف التكنولوجيات. على سبيل المثال، يبلغ الإنتاج العالمي من الأمونيا الضعيفة القاعدة عادة أكثر من 100 طن متري سنوياً لأنه يستخدم على نطاق واسع كمخصبات زراعية، ومواد خام للتصنيع الكيميائي للمركبات الأخرى، وعنصر نشط في المنظفات المنزلية. عند إذابة الأمونيا في الماء، تتفاعل الأمونيا بشكل جزئي مع أيونات الهيدروكسيد، كما هو موضح هنا:

وهذا هو، بحكم التعريف، تفاعل الحمض-القاعدة الذي يتضمن انتقال أيونات H⁺ من جزيئات الماء إلى جزيئات الأمونيا. وفي ظل الظروف النموذجية، لا يوجد سوى 1% فقط من الأمونيا المذابة كأيونات الأمونيا ^(NH4+).

تفاعل التحييد هو نوع معين من تفاعل الحمض-القاعدة حيث تكون المواد المتفاعلة حمضاً وقاعدة (ولكن ليس ماء)، وتكون المنتجات غالباً ملح وماء:  

لتوضيح تفاعل التحييد، ضع في اعتبارك ما يحدث عند تناول مضاد للحموضة اعتيادي مثل حليب الماغنسيزيا (معلّق مائي ل Mg(OH)₂) لتخفيف الأعراض المرتبطة بحموضة المعدة الزائدة (HCl):

لاحظ أنه بالإضافة إلى الماء، ينتج عن هذا التفاعل ملح كلوريد الماغنسيوم. H⁺ (aq) من الحمض (قوي أو ضعيف) يتحد مع OH⁻ (aq) من القاعدة (أو من تفاعل قاعدة ضعيفة مع الماء) لتكوين H₂O (l). على سبيل المثال، يُكتب التفاعل بين المحاليل المائية لحمض الهيدروكلوريك (HCl) (حمض قوي) و (NaOH) (قاعدة قوية) كما يلي:

يخضع كل من حمض الهيدروكلوريك HCl و NaOH لتأيين بنسبة 100%. وبالتالي، يمكن كتابة المعادلة الأيونية الكاملة كما يلي:

يطلق على Cl^– و Na⁺ أيونات المُشاهد، والتي تلغي، مما يعطي المعادلة الأيونية الصافية كما يلي:  

تم اقتباس هذا النص من OpenStax Chemistry 2e, Section: 4.2: Classifying Chemical Reactions.