أزواج الحمض-القاعدة المترافقة وانتقال البروتون | كيمياء HSC

لنفترض أن الأمونيا، \(\ce{NH3}\)، أُضيفت إلى الماء. بعد التفاعل، توجد كميات من \(\ce{NH4+}\) و\(\ce{OH^-}\).

قبل الانشغال بالتعريفات، تتبّع شيئًا واحدًا: من أين جاءت ذرة الهيدروجين الإضافية في \(\ce{NH4+}\)؟

لقد جاءت من الماء. انتقل بروتون من \(\ce{H2O}\) إلى \(\ce{NH3}\):

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

هذا الانتقال الواحد للبروتون هو مفتاح فهم أزواج الحمض-القاعدة المترافقة. إذا استطعت تتبّع البروتون، فستصبح معظم أسئلة التعرّف على الأنواع الكيميائية مسألة تتبّع منظّم بدلًا من الحفظ.

01تتبّع البروتون

حمض برونستد-لوري يمنح بروتونًا، \(\mathrm{H}^{+}\). وقاعدة برونستد-لوري تستقبل بروتونًا.

في تفاعل الأمونيا، يفقد الماء بروتونًا:

\[ \ce{H2O -> OH^-} \]

لذلك يعمل \(\ce{H2O}\) بوصفه الحمض.

أما الأمونيا فتكتسب ذلك البروتون:

\[ \ce{NH3 -> NH4+} \]

لذلك يعمل \(\ce{NH3}\) بوصفه القاعدة.

يمكننا الآن تقديم الأنواع المترافقة.

• عندما يفقد الحمض \(\mathrm{H}^{+}\)، فإن النوع المتبقي هو قاعدته المترافقة.
• عندما تكتسب القاعدة \(\mathrm{H}^{+}\)، فإن النوع المتكوّن هو حمضها المترافق.

بالنسبة إلى التفاعل

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

فإن الأزواج المترافقة هي:

يمكن تصوّر ذلك بطريقة طريفة قليلًا على أنه استعارة سترة بقبعة. شخص يعطي السترة، وآخر يستلمها. الحمض هو المانح، والقاعدة هي المستقبِل، وصورتا كل شخص قبل انتقال السترة وبعده تشكّلان زوجًا.

لكن التشبيه يتوقف عند هذا الحد. فالبروتون ليس قطعة ملابس: إضافة بروتون أو إزالته تغيّر الشحنة الكهربائية للنوع الكيميائي وسلوكه الكيميائي.

02اختبار البروتون الواحد

إليك أسرع اختبار موثوق للتعرّف على زوج حمض-قاعدة مترافق:

يجب أن يختلف النوعان بمقدار بروتون واحد فقط، \(\mathrm{H}^{+}\).

وهذا يعني أنهما يختلفان في:

• ذرة هيدروجين واحدة، و
• وحدة شحنة واحدة.

بالنسبة إلى حمض وقاعدته المترافقة،

\[ \ce{acid -> conjugate\ base + H+} \]

تحتوي القاعدة المترافقة على ذرة H أقل بواحدة، وتكون شحنتها أكثر سلبية بوحدة واحدة.

على سبيل المثال:

\[ \ce{NH4+ -> NH3 + H+} \]

يحتوي \(\ce{NH4+}\) على ذرة H أكثر بواحدة من \(\ce{NH3}\)، كما أن شحنته أكثر إيجابية بوحدة واحدة.

وبالمثل،

\[ \ce{H2O -> OH^- + H+} \]

و

\[ \ce{H2PO4^- -> HPO4^2- + H+} \]

تنطبق القاعدة سواء كانت الأنواع الكيميائية متعادلة أم مشحونة.

أزواج تبدو معقولة لكنها ليست كذلك

مثال حمض الكبريتيك من الأخطاء الشائعة. يمكن أن يتحول \(\ce{H2SO4}\) في النهاية إلى \(\ce{SO4^2-}\)، لكن ذلك يحدث عبر انتقالين للبروتون:

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^- -> SO4^2-} \]

لذلك فإن الزوجين المترافقين هما \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) و\(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\)، وليس \(\ce{H2SO4/SO4^2-}\).

03كيفية كتابة معادلة انتقال البروتون

عندما تُعطى نوعين كيميائيين متفاعلين، لا تبدأ بتخمين النواتج. حدّد من يمنح البروتون ومن يستقبله.

إحدى الطرق المفيدة هي:

1. حدّد مانح البروتون. أزل منه \(\mathrm{H}^{+}\) واحدًا لتكوين قاعدته المترافقة.
2. حدّد مستقبِل البروتون. أضف إليه \(\mathrm{H}^{+}\) واحدًا لتكوين حمضه المترافق.
3. ضع الأنواع المترافقة في جهة النواتج.
4. تحقّق من كل من الذرات والشحنة الكلية.

يكون التحقق من الشحنة مفيدًا بصورة خاصة عند التعامل مع الأيونات متعددة الذرات.

لنفترض أن شحنة حمض ما هي \(q\). بعد فقد \(\mathrm{H}^{+}\)، تصبح شحنة قاعدته المترافقة \(q-1\).

ولنفترض أن شحنة قاعدة ما هي \(q\). بعد اكتساب \(\mathrm{H}^{+}\)، تصبح شحنة حمضها المترافق \(q+1\).

ماذا يحدث لـ \(\mathrm{H}^{+}\) في الماء؟

غالبًا ما ستسمع أن الأحماض تُوصَف بأنها تنتج \(\mathrm{H}^{+}\) في الماء. وهذا اختصار مفيد، لكن البروتون الحر لا يبقى ببساطة منفردًا في محلول مائي.

يستقبل الماء البروتون لتكوين الهيدرونيوم، \(\ce{H3O+}\):

\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl^-} \]

لذلك، عند كتابة معادلة صريحة لانتقال البروتون في محلول مائي، يكون من الأوضح عادةً إظهار انتقال البروتون مباشرةً إلى نوع كيميائي آخر بدلًا من ترك \(\mathrm{H}^{+}\) حرًا في جهة النواتج.

04الحمض والقاعدة دوران وليسا تسميتين دائمتين

من الاختصارات المغرية حفظ نوع كيميائي على أنه إما «حمض» أو «قاعدة». ينجح ذلك أحيانًا، لكنه سرعان ما يفشل.

فكّر في هيدروجين الكربونات، \(\ce{HCO3^-}\).

يمكنه فقد بروتون:

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

هنا، يكون \(\ce{HCO3^-}\) حمضًا.

لكنه يستطيع أيضًا اكتساب بروتون:

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

هنا، يكون \(\ce{HCO3^-}\) قاعدة.

يوصَف النوع القادر على منح بروتون واستقباله بأنه أمفوبروتوني.

الماء مثال مهم آخر. مع الأمونيا، يمنح الماء بروتونًا:

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

لذلك يعمل الماء بوصفه حمضًا.

أما مع حمض مثل \(\ce{HCl}\)، فيستقبل الماء بروتونًا:

\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl^-} \]

وهنا يعمل الماء بوصفه قاعدة.

لا يوجد أي تناقض. فكلمتا «حمض» و«قاعدة» تصفان ما يفعله النوع الكيميائي في تفاعل محدد لانتقال البروتون.

05الفكرة الخاطئة التي تسبب معظم أخطاء تحديد الأزواج

لنفترض أنك ترى:

\[ \ce{HA + B <=> A^- + HB+} \]

قد يقرن طالب بين \(\ce{HA}\) و\(\ce{B}\) لأنهما الحمض والقاعدة اللذان يتفاعلان معًا.

لكن هذا ليس معنى «الزوج المترافق».

طرفا تفاعل الحمض-القاعدة هما:

• الحمض: \(\ce{HA}\)
• القاعدة: \(\ce{B}\)

أما الأزواج المترافقة فهي:

• \(\ce{HA/A^-}\)، لأن \(\ce{HA}\) يفقد بروتونًا واحدًا ليصبح \(\mathrm{A}^{-}\)
• \(\ce{HB+/B}\)، لأن \(\ce{B}\) يكتسب بروتونًا واحدًا ليصبح \(\ce{HB+}\)

لذلك، عندما يُطلب منك تحديد الأزواج المترافقة، لا تقرن الأنواع لمجرد أنها موجودة بجانب بعضها. بل اقرن كل نوع بنسخته التي تختلف عنه ببروتون واحد.

ومن الأسئلة الموثوقة التي يمكنك طرحها:

إذا أضفت أو أزلت \(\mathrm{H}^{+}\) واحدًا فقط، فهل أحصل على النوع الآخر؟

إذا كانت الإجابة نعم، فمن المرجح أن لديك زوجًا مترافقًا. ثم تحقّق من الشحنة.

إن القدرة على تحديد هذه الأزواج تجعل اتزان الحمض-القاعدة أسهل بكثير، لأن قوة الحمض واتجاه الاتزان يعتمدان على العلاقة بين الحمض وقاعدته المترافقة. ويجري تطوير هذا الارتباط بصورة أعمق في الرقم الهيدروجيني وقوة الحمض-القاعدة: شرح كيمياء HSC. وعندما تنتقل من المعادلات إلى المحاليل الفعلية، يوضح قياس الرقم الهيدروجيني للأحماض والقواعد: دليل كيمياء HSC كيف تظهر هذه الكيمياء في القياسات.

06أسئلة وحلول

السؤال 1

انظر إلى التفاعل:

\[ \ce{HNO3 + H2O -> H3O+ + NO3^-} \]

حدّد حمض برونستد-لوري، وقاعدة برونستد-لوري، والحمض المترافق، والقاعدة المترافقة، وزوجي الحمض-القاعدة المترافقين.

الحل 1

الحمض هو \(\ce{HNO3}\)، والقاعدة هي \(\ce{H2O}\)، والقاعدة المترافقة هي \(\ce{NO3^-}\)، والحمض المترافق هو \(\ce{H3O+}\).

تتبّع البروتون.

يفقد \(\ce{HNO3}\) مقدار \(\mathrm{H}^{+}\) واحدًا:

\[ \ce{HNO3 -> NO3^-} \]

إذن \(\ce{HNO3}\) هو الحمض، و\(\ce{NO3^-}\) هي قاعدته المترافقة.

يكتسب الماء البروتون:

\[ \ce{H2O -> H3O+} \]

إذن \(\ce{H2O}\) هو القاعدة، و\(\ce{H3O+}\) هو حمضه المترافق.

لذلك فإن زوجي الحمض-القاعدة المترافقين هما:

\[ \ce{HNO3/NO3^-} \]

و

\[ \ce{H3O+/H2O} \]

الخطأ المغري هو الجمع بين \(\ce{HNO3}\) و\(\ce{H2O}\) لأنهما الحمض والقاعدة المتفاعلان. إنهما شريكان في التفاعل، لكن يجب أن يختلف شريكا الزوج المترافق عن بعضهما بمقدار بروتون واحد فقط.

السؤال 2

يُمثَّل تفاعل انتقال بروتون في محلول مائي بالمعادلة:

\[ \ce{X + H2O <=> H2PO4^- + OH^-} \]

يحتوي النوع \(X\) على ذرة فوسفور واحدة وأربع ذرات أكسجين.

حدّد صيغة \(X\) وشحنته. ثم حدّد الحمض، والقاعدة، والحمض المترافق، والقاعدة المترافقة، وكلا الزوجين المترافقين.

الحل 2

\(X\) هو \(\ce{HPO4^2-}\)، ويعمل بوصفه القاعدة.

ابدأ بالتغير الذي يحدث للماء. يتحول \(\ce{H2O}\) إلى \(\ce{OH^-}\)، لذا فقد الماء بروتونًا واحدًا:

\[ \ce{H2O -> OH^- + H+} \]

إذن الماء هو الحمض، و\(\ce{OH^-}\) هي قاعدته المترافقة.

يجب أن يستقبل \(X\) البروتون المفقود. الناتج هو \(\ce{H2PO4^-}\)، لذا فإن إزالة البروتون الذي اكتسبه حديثًا تكشف لنا النوع الأصلي:

\[ \ce{H2PO4^- -> HPO4^2- + H+} \]

إذن،

\[ X=\ce{HPO4^2-} \]

والمعادلة الكاملة هي:

\[ \ce{HPO4^2- + H2O <=> H2PO4^- + OH^-} \]

يؤكد فحص الشحنة هذه النتيجة.

الجهة اليسرى:

\[ -2+0=-2 \]

الجهة اليمنى:

\[ -1+(-1)=-2 \]

إذن الشحنة محفوظة.

الزوجان المترافقان هما:

\[ \ce{H2PO4^-/HPO4^2-} \]

و

\[ \ce{H2O/OH^-} \]

الطريق المغري هو رؤية \(\ce{H2PO4^-}\) وافتراض أنه لا بد أن يكون الحمض لأن صيغته تبدأ بـ H. لكنه هنا الحمض المترافق لأنه اكتسب بروتونًا من الماء. اتجاه انتقال البروتون الفعلي هو ما يحدد الدور.

السؤال 3

يمكن لحمض الكبريتيك أن يفقد بروتونيه الحمضيين في مرحلتين منفصلتين:

\[ \ce{H2SO4 + H2O -> HSO4^- + H3O+} \]

و

\[ \ce{HSO4^- + H2O <=> SO4^2- + H3O+} \]

لكل معادلة:

1. حدّد زوجي الحمض-القاعدة المترافقين، و
2. اذكر دور \(\ce{HSO4^-}\).

ثم اشرح لماذا لا يُعد \(\ce{H2SO4}\) و\(\ce{SO4^2-}\) زوج حمض-قاعدة مترافقًا.

الحل 3

الزوجان هما \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) و\(\ce{H3O+/H2O}\) في التفاعل الأول، ثم \(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\) و\(\ce{H3O+/H2O}\) في التفاعل الثاني. يكون \(\ce{HSO4^-}\) القاعدة المترافقة في التفاعل الأول، لكنه يعمل بوصفه حمضًا في التفاعل الثاني.

في المعادلة الأولى،

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^-} \]

توضح أن \(\ce{H2SO4}\) يفقد بروتونًا واحدًا. لذلك:

• \(\ce{H2SO4}\) هو الحمض،
• \(\ce{HSO4^-}\) هي قاعدته المترافقة،
• \(\ce{H2O}\) هو القاعدة، و
• \(\ce{H3O+}\) هو حمضه المترافق.

في المعادلة الثانية،

\[ \ce{HSO4^- -> SO4^2-} \]

توضح أن \(\ce{HSO4^-}\) يفقد بروتونًا آخر. لذلك:

• \(\ce{HSO4^-}\) هو الآن الحمض،
• \(\ce{SO4^2-}\) هي قاعدته المترافقة،
• \(\ce{H2O}\) هو القاعدة، و
• \(\ce{H3O+}\) هو حمضه المترافق.

النقطة المهمة هي أن دور \(\ce{HSO4^-}\) يعتمد على التفاعل الذي تتم دراسته. ففي التفاعل الأول يتكوّن بعد أن يفقد الحمض \(\mathrm{H}^{+}\)، لذا فهو قاعدة مترافقة. أما في التفاعل الثاني فيمنح \(\mathrm{H}^{+}\)، لذا فهو حمض.

لا يُعد \(\ce{H2SO4}\) و\(\ce{SO4^2-}\) زوجًا مترافقًا لأنهما يختلفان بمقدار بروتونين:

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^- -> SO4^2-} \]

الحجة المغرية هي أنهما لا بد أن يكونا مترافقين لأن أحدهما يتحول في النهاية إلى الآخر. لكن شرط البروتون الواحد أكثر صرامة: يجب أن يرتبط النوعان المترافقان بخطوة واحدة لانتقال البروتون، لا بخطوتين.

السؤال 4

يمكن لهيدروجين الكربونات أن يشارك في كلتا معادلتي انتقال البروتون المائيتين الآتيتين:

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

و

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

يجادل طالب بأن واحدة على الأقل من المعادلتين لا بد أن تكون موسومة بصورة غير صحيحة لأن \(\ce{HCO3^-}\) لا يمكن أن يكون حمضًا وقاعدة في الوقت نفسه.

قيّم ادعاء الطالب. بالنسبة إلى كلتا المعادلتين، حدّد دور \(\ce{HCO3^-}\) واذكر أزواج الحمض-القاعدة المترافقة. ثم اذكر ما الذي يمكنك استنتاجه إذا أعطاك سؤال في الامتحان صيغة \(\ce{HCO3^-}\) فقط من دون تفاعل.

الحل 4

كلتا المعادلتين صحيحتان بوصفهما معادلتي انتقال بروتون، ويمكن لـ \(\ce{HCO3^-}\) أن يعمل إما حمضًا أو قاعدة لأنه أمفوبروتوني.

في المعادلة الأولى،

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

يتحول \(\ce{HCO3^-}\) إلى \(\ce{CO3^2-}\). لقد فقد بروتونًا واحدًا:

\[ \ce{HCO3^- -> CO3^2- + H+} \]

لذلك يعمل \(\ce{HCO3^-}\) بوصفه الحمض.

يستقبل الماء ذلك البروتون ويتحول إلى \(\ce{H3O+}\)، لذا يعمل الماء بوصفه القاعدة.

الأزواج المترافقة هي:

\[ \ce{HCO3^-/CO3^2-} \]

و

\[ \ce{H3O+/H2O} \]

في المعادلة الثانية،

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

يتحول \(\ce{HCO3^-}\) إلى \(\ce{H2CO3}\). لقد اكتسب بروتونًا واحدًا:

\[ \ce{HCO3^- + H+ -> H2CO3} \]

لذلك يعمل \(\ce{HCO3^-}\) الآن بوصفه القاعدة.

يفقد الماء البروتون ويتحول إلى \(\ce{OH^-}\)، لذا يعمل الماء بوصفه الحمض.

الأزواج المترافقة هي:

\[ \ce{H2CO3/HCO3^-} \]

و

\[ \ce{H2O/OH^-} \]

لا يوجد أي تناقض. فالحمض والقاعدة دوران في انتقال بروتون محدد، وليسا تسميتين دائمتين مرتبطتين بصيغة كيميائية.

إذا أُعطيت \(\ce{HCO3^-}\) فقط من دون تفاعل، فلن تستطيع وصفه بصورة فريدة بأنه «الحمض» أو «القاعدة». يمكنك القول إنه أمفوبروتوني ويمكنه أداء أي من الدورين اعتمادًا على النوع الذي يتفاعل معه.

الطريق المغري هو حفظ فئة ثابتة لكل نوع كيميائي. لكن العامل الذي يغيّر الإجابة هو الحركة الفعلية للبروتون: فقدان \(\mathrm{H}^{+}\) يجعل \(\ce{HCO3^-}\) الحمض، بينما اكتساب \(\mathrm{H}^{+}\) يجعله القاعدة.

السؤال 5

انظر إلى اتزان انتقال البروتون هذا في محلول مائي:

\[ \ce{H2CO3 + CO3^2- <=> 2HCO3^-} \]

يجادل طالب:

«توجد صيغة واحدة فقط للناتج، لذا لا يمكن أن يوجد إلا زوج حمض-قاعدة مترافق واحد.»

اختبر هذا الادعاء.

حدّد مانح البروتون ومستقبِل البروتون، وحدّد زوجي الحمض-القاعدة المترافقين، واشرح كيف يمكن أن يظهر \(\ce{HCO3^-}\) في دورين مترافقين مختلفين في المعادلة نفسها.

وأخيرًا، لنفترض أن الجسيمات غير موسومة تمامًا. هل تستطيع صيغة \(\ce{HCO3^-}\) وحدها أن تخبرك ما إذا كان جسيم ناتج معين قد جاء من \(\ce{H2CO3}\) الأصلي أم من \(\ce{CO3^2-}\) الأصلي؟

الحل 5

ادعاء الطالب غير صحيح: توجد علاقتان لحمض-قاعدة مترافقين، هما \(\ce{H2CO3/HCO3^-}\) و\(\ce{HCO3^-/CO3^2-}\)، رغم أن كلا جسيمي الناتج لهما الصيغة \(\ce{HCO3^-}\).

ابدأ بتتبّع البروتون.

يمكن لحمض الكربونيك منح بروتون واحد:

\[ \ce{H2CO3 -> HCO3^- + H+} \]

لذلك فإن \(\ce{H2CO3}\) هو مانح البروتون ومن ثم فهو الحمض. أما \(\ce{HCO3^-}\) المتكوّن منه فهو قاعدته المترافقة.

وفي الوقت نفسه، تستقبل الكربونات ذلك البروتون:

\[ \ce{CO3^2- + H+ -> HCO3^-} \]

لذلك فإن \(\ce{CO3^2-}\) هو مستقبِل البروتون ومن ثم فهو القاعدة. أما \(\ce{HCO3^-}\) المتكوّن منه فهو حمضها المترافق.

إذن العلاقتان هما:

\[ \ce{H2CO3/HCO3^-} \]

و

\[ \ce{HCO3^-/CO3^2-} \]

قد يبدو هذا غريبًا لأن الصيغة الكيميائية نفسها، \(\ce{HCO3^-}\)، تظهر في كلتا العلاقتين. لكن «الحمض المترافق» و«القاعدة المترافقة» يصفان علاقة بين نوعين كيميائيين، وليسا تسميتين دائمتين مرتبطتين بالصيغة.

بالنسبة إلى \(\ce{H2CO3}\)، فإن \(\ce{HCO3^-}\) هو النوع المتبقي بعد إزالة بروتون، لذا فهو القاعدة المترافقة.

وبالنسبة إلى \(\ce{CO3^2-}\)، فإن \(\ce{HCO3^-}\) هو النوع المتكوّن بعد إضافة بروتون، لذا فهو الحمض المترافق.

يتصادف أن يكون لجسيمي الناتج الصيغة نفسها لأن الحمض والقاعدة الابتدائيين يقعان على بُعد بروتون واحد أعلى وبروتون واحد أسفل النوع الوسيط نفسه:

\[ \ce{H2CO3 -> HCO3^- -> CO3^2-} \]

إذا كانت الجسيمات غير موسومة، فلا تستطيع صيغة \(\ce{HCO3^-}\) وحدها أن تخبرك أي جسيم ابتدائي نتج منه أيون هيدروجين كربونات معين. بعد تكوّنهما، يكون كلاهما النوع الكيميائي نفسه من حيث الصيغة والشحنة.

هذه هي النقطة المحورية في هذا السؤال. من المغري التعامل مع «الحمض المترافق» و«القاعدة المترافقة» كما لو كانتا خاصيتين يجب أن يحملها النوع الكيميائي إلى الأبد. لكنهما في الواقع وصفان لعلاقة. يمكن للنوع نفسه أن يكون القاعدة المترافقة لحمض ما والحمض المترافق لقاعدة أخرى.

بمجرد ترسيخ هذه الفكرة، لا يعود السؤال المفيد التالي مجرد تحديد انتقال البروتون الممكن، بل تحديد الاتجاه الذي يفضله اتزان الحمض-القاعدة. ويتطلب ذلك مقارنة قوة الأحماض وقواعدها المترافقة بدلًا من تغيير قواعد تحديد الأزواج المترافقة.