الأحماض والأسس: تعريفها وتأثيرها على الماء

اكتشف تعريف الأحماض والأسس، وكيفية تأثيرها على الماء، ودرجة الحموضة (pH). دليل شامل لفهم التفاعلات الكيميائية بين الأحماض والأسس، وتأثيرها في المحاليل المائية.

ملاحظة:
1/ توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية الدرس.
2/ توجد تمارين الكتاب المدرسي حول تطور جملة كيميائية نحو حالة التوازن بصيغة الـ PDF في نهاية الدرس.

I ـ تذكير:

1 ـ تعريف الحمض والأساس حسب برونشتد ـ لوري:

1 ـ 1 ـ تعريف الحمض:

هو كل مركب كيميائي، جزيئيا كان أم شارديا، قادر على منح (تحرير) بروتونH⁺، أو أكثر لمركب آخر خلال تفاعل كيميائي.

1 ـ 2 ـ تعريف الأساس:

هو كل مركب كيميائي، جزيئيا كان أم شارديا، قادر على اكتساب (تثبيت) بروتون H⁺، أو أكثر خلال تفاعل كيميائي. والأساس الشائع هو شوارد OH^-، ومنه فان كل مركب كيميائي قادر على إعطاء شوارد OH^- عند تفاعله مع الماء أو انحلاله فيه، فهو أساس.

2 ـ أمثلة عن مختلف أنواع الأحماض وطريقة تسميتها:

 IIـ pH محلول مائي:

1 ـ التشرد الذاتي للماء:

يحدث التشرد الذاتي للماء وفق المعادلة الكيميائية التالية:

H₂O_(l)+ H₂O_(l) = H₃O⁺_(aq) + HO^-_(aq)

نعرف الجداء الشاردي للماء K_e في محلول مائي كما يلي:

K_e = [H₃O⁺].[HO^-] عند 25ºC  نجد: K_e = 10^-14

والجدول التالي يوضح تغير قيمة الجداء الشاردي للماء بدلالة التغير في درجة الحرارة:

درجة الحرارة (°C)	Ke
0	0,11×10-14
10	0,30×10-14
20	0,69×10-14
25	1,00×10-14
30	1,48×10-14
40	2,95×10-14
50	5,50×10-14
60	9,55×10-14
70	15,50×10-14
80	25,10×10-14
90	38,00×10-14
100	55,00×10-14

2 ـ pH محلول مائي:

2 ـ 1 ـ تعريف الـ pH:

تصنف المحاليل المائية إلى ثلاثة أصناف:
محاليل حمضية تتميز بـ [H₃O⁺] > 10^-7 mol.L^-1
محاليل معتدلة تتميز بـ [H₃O⁺] = 10^-7mol.L^-1
محاليل أساسية تتميز بـ [H₃O⁺] < 10^-7mol.L^-1

نلاحظ أن الأرقام السابقة صغيرة جدا، ومن الصعب التمييز بينها، ولذلك تم الاعتماد على مقدار جــديد يسمى الـ pH حيث نعتبر أن [H₃O⁺] = 10^-pH mol.L^-1
ومنه ينتج أن:
الوسط  الحامضي يتميز بـ 7< pH 
الوسط المعتدل يتميز بـpH = 7 
الوسط الأساسي  يتميز بـ 7> pH 
وتعطى pH المحاليل المائية كذلك بالعبارة: pH = - log[H₃O⁺]  وذلك من أجل
 [H₃O⁺] ≤ 5.10^-2 mol.L^-1 حيث:[H₃O⁺]₁ < [H₃O⁺]₂يؤدي الى pH₁ >  pH₂ وهذا يعني أنه كلما زاد [H₃O⁺] نقص الـ pH والعكس بالعكس.

2 ـ 2 ـ قياس الـ pH

نعتمد على ورق الـ pH، أو الكواشف الملونة، حيث نتحصل على قيم تقريبية لـ pH ، وتكون طريقة القياس على النحو التالي:
ـ نأخذ قطرتين من المحلول المراد قياس الـ pH له، ونضعهما على جزء من شريط ورق الـ pH فيأخذ ورق الـ pH لونا معينا، نقارن هذا اللون باللون المطابق له على علبة ورق الـ  pH، ونقرا قيمة الـ pH ، حيث تمثل قيمة الرقم المجاور للون المطابق، وهي قيمة تقريبية، يمكن أن يكون مقدار الخطأ فيها كبير.

ملاحظة:

عند استعمال ورق الـ pH يجب:

1/ أن تكون أيدي المجرب نظيفة ومجففة. 

2/ مقارنة اللون المتحصل عليه بسرعة مع اللون الموافق له على ورق الـ pH

كما يمكن الاعتماد على جهاز pH متر، حيث نتحصل على قيم بتقريب 0,1 من الوحدة، وتكون قيمة الارتياب النسبي في تركيز شوارد H₃O⁺ هي 23%

مثال:

عند قياس pH محلول مائي باستعمال جهاز الـ pH متر، وجد أنpH = 2,9 ، نستنتج أن القيمة الحقيقية للـ pH محصورة في المجال التالي  : 2,8 < pH < 3,0

ملاحظة:

1/ تستعمل في مخابر البحث مقاييس pH تقيس الـ pH بتقريب0,05  من الوحدة.

2/ يقاس pH الدم بمقياس pH يسمح بالحصول على دقة قدرها 0,01 من الوحدة كما تستعمل طرق خاصة حتى لا يتلوث الدم.

2 ـ 3 ـ سلم الـ pH:

III ـ تأثير حمض وأساس على الماء:

1 ـ حمض قوي وحمض ضعيف:

1 ـ 1 ـ تصنيف الأحماض بالمقارنة بين [H₃O⁺] وC:

نشاط ـ 1 ـ 

نعتبر محلولين عند نفس درجة الحرارة.

ـ (S₁) محلول لكلور الهيدروجين تركيزه المولي C₁ = 10^-1mol.L^-1 وله pH₁ = 1

ـ (S₂) محلول لحمض الايثانويك تركيزه المولي C₂ = 10^-1mol.L^-1 وله pH₂ = 2,9

1 ـ قارن بين [H₃O⁺] وC في كل محلول ؟

2 ـ ماذا تستنتج بالنسبة لكل محلول ؟

3 ـ أكتب معادلتي التفاعلين الكيميائيين الحادثين ؟

الإجابة:

1 ـ المقارنة بين [H₃O⁺] و Cفي كل محلول:

في المحلول (S₁):

لدينا: [H₃O⁺]₁= 10^-pH1 mol.L^-1 ومنه: [H₃O⁺]₁= 10^-1 mol.L^-1

نجد أن [H₃O⁺]₁ = C₁

في المحلول (S₂):

لدينا: [H₃O⁺]₂= 10^-pH2 mol.L^-1 ومنه: [H₃O⁺]₂= 10^-2,9 mol.L^-1

ومنه: [H₃O⁺]₂= 1,26.10^-3 mol.L^-1

نجد أن [H₃O⁺]₂< C₂

2 ـ من العلاقة[H₃O⁺]₁ = C₁   نستنتج أن حمضHCl  يتشرد كليا في الماء، أي أنه حمض قوي،

ونستنتج كذلك أن محلول حمضHCl  لا يحتوي على جزيئاتHCl 

ـ من العلاقة[H₃O⁺]₂< C₂  نستنتج أن حمض CH₃COOH يتشرد جزئيا في الماء، أي أنه حمض ضعيف، ونستنتج كذلك أن محلول حمضCH₃COOH  يحتوي على جزيئاتCH₃COOH  

3 ـ كتابة معادلتي التفاعل:

بالنسبة للمحلول (S₁):

 HCl_(g) + H₂O_(l)→ H₃O⁺_(aq) + Cl^-_(aq)تفاعل تام

بالنسبة للمحلول (S₂):

CH₃COOH_(l)+ H₂O_(l) = H₃O⁺_(aq) + CH₃COO^-_(aq)

)تفاعل غير تام(

نتيجة:

نقول عن HA انه حمض قوي إذا تشرد كليا في الماء:

HA_(aq) + H₂O_(l) → H₃O⁺_(aq) + A^-_(aq)

نقول عن HA انه حمض ضعيف إذا تشرد جزئيا في الماء: 

HA_(aq) + H₂O_(l) = H₃O⁺_(aq) + A^-_(aq)

1 ـ 2 ـ تصنيف الأحماض بالمقارنة بينx_f  و x_max :

نشاط ـ 2 ـ 

نحضر0,5L  من محلول كلور الهيدروجين، وذلك بإذابة V = 120 mL من غاز HCl  في الماء المقطر. نقيسpH المحلول فنجد 2,0 في الشروط التجريبية يكون الحجم المولي  V_M = 24 L/mol

1 ـ أكتب معادلة التفاعل الكيميائي الحادث ؟

2 ـ أنجز جدول تقدم التفاعل ؟

3 ـ عين قيمة التقدم ألأعظمي x_max ؟

4 ـ عين قيمة التقدم النهائي x_f ؟

5 ـ أحسب النسبة x_f/x_max ؟

6 ـ مما سبق ماذا تستنتج بالنسبة لكلور الهيدروجين؟

الإجابة:

1 ـ كتابة معادلة التفاعل الكيميائي الحادث:

HCl_(g)+ H₂O_(l)= H₃O⁺_(aq)+ Cl^-_(aq)

2 ـ انجاز جدول تقدم التفاعل:

HCl(g) + H2O(l) = H3O+(aq) + Cl-(aq)				معادلة التفاعل
كميات المادة n(mol)				التقدم	حالة الجملة
0	0	بوفرة	n0	0	الحالة الابتدائية
x	x	بوفرة	n0-x	x	الحالة الانتقالية
xf	xf	بوفرة	n0-xf = 0	xf	الحالة النهائية

حيث: x_f = x_max

3 ـ تعيين قيمة التقدم الأعظمي x_max:

نتحصل على التقدم الأعظمي عندما يختفي المتفاعل المحد تماما.

n₀ – x_max = 0

السابقة:

أي: $x_m = n_0 = \dfrac{V_g}{V_M} = \dfrac{0{,}12}{24} = 5\times10^{-3}\,\text{mol}$

4 ـ تعيين قيمة التقدم النهائي x_f :

pH = 2 يعني [H₃O⁺]_f = 10^-2 mol.L^-1

فيصبح التقدم النهائي x_f = [H₃O⁺]_f.V

أي x_f = 0,5.10^-2mol ومنه:  x_f = 5.10^-3 mol

5 ـ حساب النسبة x_f/x_max : 

لدينا:

$$\frac{x_f}{x_{\text{max}}} = 1$$

ومنه:

$$\frac{x_f}{x_{\text{max}}} = 100\%$$

6 ـ مما سبق نستنتج أن تفاعل غاز HCl  مع الماء تاما.

نشاط ـ 3 ـ 

نسكب في حوجلة سعتها 1L(تحتوي على الماء المقطر) حجم V = 5,72 mL  من حمض الايثانويك، كثافته d = 1,05، نكمل الحجم بعد ذلك إلى خط العيار بالماء المقطر، نأخذ V₁ = 5mL من المحلول المحضر ونمددها بالماء المقطر إلى V₂ = 50mL بعد الرج نقيس  pH المحلول فنجد 3,4

1 ـ أكتب معادلة التفاعل الكيميائي الحادث ؟

2 ـ أنجز جدول تقدم التفاعل ؟ 

3 ـ عين قيمة التقدم الأعظمي x_max؟

4 ـ عين قيمة التقدم النهائي x_f ؟  

5 ـ أحسب النسبة x_f/x_max؟

6 ـ مما سبق ماذا تستنتج بالنسبة لحمض الايثانويك ؟

الإجابة:

1 ـ كتابة معادلة التفاعل الكيميائي الحادث:

CH₃COOH_(l)+H₂O_(l)= H₃O⁺_(aq)+CH₃COO^-_(aq)

2 ـ انجاز جدول تقدم التفاعل:

CH3COOH(l) + H2O(l) = H3O+(aq) + CH3COO-(aq)				معادلة التفاعل
كميات المادة n(mol)				التقدم	حالة الجملة
0	0	بوفرة	n2	0	الحالة الابتدائية
x	x	بوفرة	n2-x	x	الحالة الانتقالية
xf	xf	بوفرة	n2 -xf	xf	الحالة النهائية

3 ـ تعيين قيمة التقدم الأعظمي x_max

حسابn₀  كمية المادة الابتدائية للحمض:

لدينا:

$$n_0 = \frac{m}{M} = \frac{\rho V}{M} = \frac{d \rho_0 V}{M}$$

حيث ρ₀ = 1 g/ml  الكتلة الحجمية للماء.

ومنه نجد:

$$n_0 = \frac{1.05 \times 1 \times 5.72}{60}$$

حساب التركيز المولي للمحلول الابتدائي (S):

لدينا:

$$C_0 = \frac{n_0}{V_0} = \frac{10^{-1}}{1} = 10^{-1} \, \text{mol.L}^{-1}$$

حساب التركيز المولي للمحلول (S₂):

بتطبيق قانون التمديد: C₁.V₁ = C₂.V₂

حيث C₁ = C₀

نجد:

$$C_2 = \frac{C_1 \cdot V_1}{V_2}$$

ومنه:

$$C_2=\frac{10^{-1}\cdot 5\cdot 10^{-3}}{50\cdot 10^{-3}}$$

ومنه:

$$C_2 = 10^{-2} \, \text{mol.L}^{-1}$$

حساب كمية المادة الموجودة في 50 mL من المحلول (S₂):

n₂ = C₂.V₂= 10^-2×50×10^-3      

ومنه n₂ = 5.10^-4mol

نتحصل على التقدم الأعظمي عندما يختفي المتفاعل المحد تماما

n₀ – x_max = 0 أي x_max = n₀ = 5.10^-4 mol

4 ـ تعيين قيمة التقدم النهائي x_f 

pH = 3,4  يعني [H₃O⁺]_f= 10^-3,4 mol.L^-1

فيصبح التقدم النهائي x_f = [H₃O⁺]_f.V₂

 x_f = 10^-3,4×50×10^-3= 1,99×10^-5 mol

5 ـ حساب النسبة x_f/x_max :

لدينا:

$$\frac{x_f}{x_{\text{max}}} = \frac{1.99 \times 10^{-5}}{5 \times 10^{-4}}$$

ومنه:

$$\frac{x_f}{x_{\text{max}}} = 3.98 \times 10^{-2} = 3.98\%$$

ومنه:

$$\frac{x_f}{x_{\text{max}}} = 3.98\%$$

6 ـ الاستنتاج:

المتفاعل المحد CH₃COOH  لم يستهلك كليا، وهذا يعني أن التفاعل غير تام، أي أنه عند الحالة النهائية للجملة تكون المتفاعلات، والنواتج متواجدة في الوسط التفاعلي في نفس الوقت.

نتيجة:

ـ التقدم النهائي x_f  لتفاعل كيميائي هو التقدم الملاحظ عند توقف تطور حالة الجملة الكيميائية.

ـ يمثل التقدم ألأعظمي x_max لتفاعل كيميائي التقدم الموافق لاستهلاك المتفاعل المحد كليا.

ـ تعرف نسبة التقدم في اللحظة (t) بــ  Ʈ = x/x_max

) Ʈ عددا دون وحدة يعبر عنه بنسبة مئوية 0 < Ʈ < 1( وتتغير هذه النسبة خلال تطور الجملة. تسمى النسبة النهائية للتقدم عند بلوغ الجملة حالتها النهائية Ʈ_f = x_f /x_max

ـ يكون التحول تاما إذا كان Ʈ_f = 1 أي  Ʈ_f = 100%

ـ يكون التحول غير تاما )محدودا( إذا كان Ʈ_f < 1 أي Ʈ_f < 100%

2 ـ أساس قوي وأساس ضعيف:

2 ـ 1 ـ تصنيف الأسس بالمقارنة بين [OH^-] وC:

نشاط ـ 4 ـ 

نعتبر محلولين، من ماءات الصوديوم (Na⁺_(aq)+ OH^-_(aq)) ، وغاز النشادر NH_3(aq) لهما التركيز المولي نفسه C = 10^-1mol.L^-1

عند 25ºC أعطى مقياس الـ pH متر لهما على الترتيب القياسان التاليان:pH₁ = 13  و pH₂ = 11,1

1 ـ عين التركيز المولي لشوارد الهيدروكسيد وقارنه مع C في كل محلول ؟

2 ـ ماذا تستنتج بالنسبة لكل محلول ؟

3 ـ أكتب معادلتي التفاعلين الكيميائيين الحادثين ؟

الاجابة:

1 ـ في ماءات الصوديوم [H₃O⁺]₁ = 10^-pH1 = 10^-13 mol.L^-1

ولدينا عند 25°C  الجداء الشاردي K_e = [H₃O⁺].[HO^-] = 10^-14

ومنه نجد: [HO^-]₁ = 10^-1 mol.L^-1

نلاحظ أن: [HO^-]₁= C₁

ـ في محلول النشادر

 [H₃O⁺]₂ = 10^-11,1  = 7,94×10^-12 mol.L^-1

وحسب الجداء الشاردي نجد

[HO^-]₂= 1,26×10^-3 mol.L^-1

نلاحظ أن [HO^-]₂ < C₂  

2 ـ من العلاقة [HO^-]₁ = C₁ نستنتج أن NaOH  ينحل كليا في الماء، أي أنه أساس قوي.

ونستنتج كذلك أن محـلول الأساس NaOH  لا يحتوي على جزيئات NaOH

ـ من العلاقة [HO^-]₂ < C₂   نستنتج أن NH₃  ينحل جزئيا في الماء، أي أنه أساس ضعيف.

ونستنتج كذلك أن محلول الأساس NH₃يحتوي على جزيئات NH₃

3 ـ كتابة معادلتي التفاعل:

NaOH_(S) → Na⁺_(aq) + OH^-_(aq)

NH_3(aq) + H₂O_(l) = NH₄⁺_(aq)+ OH^-_(aq)

نتيجة:

نقول عن B أنه أساس قوي إذا تشرد كليا في الماء:

B_(aq) + H₂O_(l) → BH⁺_(aq) + OH^-_(aq)

نقول عن B أنه أساس ضعيف إذا تشرد جزئيا في الماء:

B_(aq) + H₂O_(l) = BH⁺_(aq) + OH^-_(aq)

2 ـ 2 ـ تصنيف الأسس بالمقارنة بين x_f  و x_max 

نشاط ـ 5 ـ

بالاعتماد على معطيات النشاط ـ 4 ـ

1 ـ أكتب معادلة التفاعل الكيميائي الحادث في كل محلول ؟

2 ـ أنجز جدول تقدم التفاعل لكل تحول ؟ 

3 ـ عين قيمة التقدم الأعظمي x_max  في كل محلول ؟

4 ـ عين قيمة التقدم النهائي  x_f في كل محلول ؟  

5 ـ أحسب النسبةx_f/x_max  في كل حالة ؟

6 ـ مما سبق ماذا تستنتج بالنسبة لكل من ماءات الصوديوم وغاز النشادر؟

الإجابة:

1 ـ كتابة معادلتي التفاعل:

NaOH_(S) → Na⁺_(aq) + OH^-_(aq)

NH_3(aq) + H₂O_(l) = NH₄⁺_(aq)+ OH^-_(aq)

2 ـ انجاز جدول تقدم التفاعل الأول:

NaOH(S) = Na+(aq) + OH-(aq)			معــادلة التفاعل
كميات المادة n(mol)			التقدم	حالة الجملة
0	0	n0	0	الحالة الابتدائية
x	x	n0 - x	x	الحالة الانتقالية
xmax	xmax	n0 – xmax = 0	xmax	الحالة النهائية

انجاز جدول تقدم التفاعل الثاني:

NH3(aq) + H2O(l) = NH4+(aq) + OH-(aq)				معادلة التفاعل
كميات المادة n(mol)				التقدم	حالة الجملة
0	0	بوفرة	n0	0	الحالة الابتدائية
x	x	بوفرة	n0-x	x	الحالة الانتقالية
xf	xf	بوفرة	n0 -xf	xf	الحالة النهائية

3 ـ تعيين قيمة التقدم الأعظمي x_max في كل محلول:

x_max = n₀ = C.V = 10^-1.V

4 ـ تعيين قيمة التقدم النهائي x_f في كل محلول:

بالنسبة للمحلول الأول:

x_f1 = [OH^-]_f1.V = 10^-1.V

بالنسبة للمحلول الثاني:

x_f2 = [OH^-]_f2.V = 10^-2,9.V = 1,25.10^-3.V

5 ـ حساب النسبة x_f/x_max في كل حالة:

الحالة الأولى:

$$\frac{x_{f1}}{x_{\text{max}1}}=\frac{10^{-1}\cdot V}{10^{-1}\cdot V}$$

ومنه:

$$\frac{x_{f1}}{x_{\text{max}1}} = 1$$

الحالة الثانية:

$$\frac{x_{f2}}{x_{\text{max}2}} = \frac{1.25 \cdot 10^{-3} \cdot V}{10^{-1} \cdot V}$$

ومنه:

$$\frac{x_{f2}}{x_{\text{max}2}} = 1.25 \cdot 10^{-2}$$

6 ـ من العلاقة x_f1/x_max1 =1 نستنتج أن NaOH ينحل كليا في الماء أي أنه أساس قوي.

ونستنتج كذلك أن محـلول الأساس NaOH  لا يحتوي على جزيئاتNaOH 

بناءً على العلاقة:

$$\frac{x_{f2}}{x_{\text{max}2}} = 1.25 \cdot 10^{-2}$$

نلاحظ أن:

$$0.0125 < 1$$

ومنه:

$$\frac{x_{f2}}{x_{\text{max}2}} < 1$$

نستنتج أنNH₃ ينحل جزئيا في الماء أي أنه أساس ضعيف.

ونستنتج كذلك أن محلول الأساس NH₃ يحتوي على جزيئات NH₃

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF

تمارين الكتاب المدرسي حول تطور جملة كيميائية نحو حالة التوازن بصيغة الـ PDF