الأملاح الأمفوبروتية والمعادلات الأيونية | كيمياء HSC
تعرّف على كيفية تصرف الأيونات الأمفوبروتية كأحماض وقواعد معًا، باستخدام هيدروجين الكربونات وثنائي هيدروجين الفوسفات كأمثلة في كيمياء HSC.
يبدو ملح مثل هيدروجين كربونات الصوديوم، \(\ce{NaHCO3}\)، غير مألوف قليلًا في كيمياء الأحماض والقواعد. فهو لا يحتوي على \(\mathrm{H}^{+}\) واضح كما في حمض الهيدروكلوريك، ولا على \(\ce{OH-}\) كما في هيدروكسيد الصوديوم. ومع ذلك، عندما يذوب، يمكن لأيون هيدروجين الكربونات أن يتصرف إما كحمض أو كقاعدة.
قبل متابعة القراءة، توقّع ما الذي ينبغي أن يفعله \(\ce{HCO3-}\) في الماء. لا يزال يحتوي على ذرة هيدروجين، لذلك ربما يستطيع منح بروتون. لكنه يحمل أيضًا شحنة سالبة، لذلك ربما يستطيع استقبال بروتون. كلا التوقعين صحيح. وتُسمّى هذه القدرة على التفاعل في كلا الاتجاهين بالسلوك الأمفوبروتي.
المهارة المهمة في HSC ليست مجرد التعرّف إلى المصطلح. بل يجب أن تنظر إلى الأيون، وتحدد ما إذا كان يستطيع منح بروتون واستقباله، ثم تكتب المعادلات الأيونية الصحيحة من دون إدخال الأيونات المتفرجة في التفاعل الكيميائي.
01المشكلة: أيون واحد وانتقالان محتملان للبروتون
لننظر في ذوبان هيدروجين كربونات الصوديوم في الماء:
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
لا يشارك أيون \(\mathrm{Na}^{+}\) في كيمياء الحمض والقاعدة. فهو أيون متفرج. أما النوع الكيميائي المهم فهو \(\ce{HCO3-}\).
الآن تخيّل البروتون على أنه شيء يمكن لـ \(\ce{HCO3-}\) إما أن يمنحه أو أن يستقبله.
إذا فقد \(\ce{HCO3-}\) أيون \(\mathrm{H}^{+}\)، فما الذي يتبقى؟
\[ \ce{HCO3- -> CO3^2- + H+} \]
إذًا يمكن لـ \(\ce{HCO3-}\) أن يتصرف كحمض.
لكن يمكن لـ \(\ce{HCO3-}\) أيضًا أن يكتسب \(\mathrm{H}^{+}\):
\[ \ce{HCO3- + H+ -> H2CO3} \]
إذًا يمكنه أن يتصرف كقاعدة أيضًا.
يُسمّى النوع الكيميائي الذي يستطيع منح بروتون واستقباله نوعًا أمفوبروتيًا.
هذا التعريف مفيد، لكن الصورة الذهنية أهم: يقع النوع الأمفوبروتي بين نوعين كيميائيين مرتبطين به ضمن سلسلة. ويمكنه الانتقال خطوة واحدة في أي من الاتجاهين عن طريق نقل بروتون واحد.
بالنسبة إلى هيدروجين الكربونات:
\[ \ce{H2CO3 <=> HCO3- <=> CO3^2-} \]
الانتقال إلى اليسار يعني اكتساب بروتون. والانتقال إلى اليمين يعني فقدان بروتون.
يرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بـ أزواج الحمض والقاعدة المترافقة: فالأنواع المتجاورة في السلسلة تختلف عن بعضها ببروتون واحد بالضبط.
02«أمفوبروتي» لا تعني «يحتوي على هيدروجين»
هذا هو الخطأ الشائع الأول.
قد يستنتج طالب:
«إذا كان الأيون يحتوي على هيدروجين، فلا بد أنه يستطيع منح \(\mathrm{H}^{+}\)، ولذلك لا بد أن يكون أمفوبروتيًا.»
ليس بالضرورة.
لكي يكون النوع أمفوبروتيًا، يجب أن يكون قادرًا على أداء الدورين معًا:
- منح بروتون، و
- استقبال بروتون.
على سبيل المثال، يستطيع \(\ce{HSO4-}\) من حيث المبدأ منح بروتون لتكوين \(\ce{SO4^2-}\)، كما يستطيع استقبال بروتون لتكوين \(\ce{H2SO4}\)، ولذلك فهو أمفوبروتي.
في المقابل، يستطيع \(\ce{NH4+}\) منح بروتون:
\[ \ce{NH4+ -> NH3 + H+} \]
لكننا في سياق كيمياء الأحماض والقواعد المعتادة في HSC لا نتعامل مع \(\ce{NH4+}\) على أنه يستقبل بروتونًا آخر لتكوين حمض مترافق ذي معنى. فهو يتصرف كحمض، وليس كنوع أمفوبروتي.
وبالمثل، يستطيع \(\ce{CO3^2-}\) استقبال بروتون ليصبح \(\ce{HCO3-}\)، لكنه لا يملك بروتونًا يمكنه منحه. لذلك يتصرف كقاعدة.
إليك قاعدة سريعة لاتخاذ القرار:
| النوع الكيميائي | هل يمكنه فقد \(\mathrm{H}^{+}\)؟ | هل يمكنه اكتساب \(\mathrm{H}^{+}\)؟ | أمفوبروتي؟ |
|---|---|---|---|
| \(\ce{HCO3-}\) | نعم، ليعطي \(\ce{CO3^2-}\) | نعم، ليعطي \(\ce{H2CO3}\) | نعم |
| \(\ce{H2PO4-}\) | نعم، ليعطي \(\ce{HPO4^2-}\) | نعم، ليعطي \(\ce{H3PO4}\) | نعم |
| \(\ce{CO3^2-}\) | لا | نعم | لا |
| \(\ce{NH4+}\) | نعم | لا، في سياق هذا المقرر | لا |
هناك طريقة مفيدة، وإن كانت طريفة بعض الشيء، لتصوّر ذلك. فالأيون الأمفوبروتي يشبه شخصًا يقف بين شخصين في محادثة جماعية محرجة جدًا. يمكنه تمرير بروتون إلى أحد الجانبين أو استقبال بروتون من الجانب الآخر.
لكن هذا التشبيه له حدوده، لأن انتقال البروتون كيميائيًا ليس اختيارًا مقصودًا. فكلا التفاعلين تحكمهما حالة الاتزان والقوة النسبية للأحماض والقواعد المشاركة.
03كتابة المعادلات مع الماء
في المحلول المائي، لا نكتب عادةً \(\mathrm{H}^{+}\) حرًا يطفو بمفرده. فالبروتون الممنوح ينتقل إلى الماء، مكوِّنًا \(\ce{H3O+}\). وإذا منح الماء بروتونًا، فإنه يُكوِّن \(\ce{OH-}\).
وبذلك نحصل على النمطين العامين.
عندما يتصرف النوع الأمفوبروتي كحمض:
\[ \ce{HA- + H2O <=> A^2- + H3O+} \]
هنا يمنح \(\ce{HA-}\) بروتونًا للماء.
وعندما يتصرف النوع نفسه كقاعدة:
\[ \ce{HA- + H2O <=> H2A + OH-} \]
هنا يستقبل \(\ce{HA-}\) بروتونًا من الماء.
لاحظ أن الماء يغيّر دوره أيضًا. ففي التفاعل الأول يستقبل الماء \(\mathrm{H}^{+}\)، ولذلك يتصرف الماء كقاعدة. وفي التفاعل الثاني يمنح الماء \(\mathrm{H}^{+}\)، ولذلك يتصرف الماء كحمض.
هذه هي كيمياء الأحماض والقواعد وفق برونستد-لوري: الحمض يمنح بروتونًا، بينما القاعدة تستقبل بروتونًا.
04هيدروجين كربونات الصوديوم: \(\ce{NaHCO3}\)
يتفكك هيدروجين كربونات الصوديوم أولًا:
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
يبقى أيون الصوديوم أيونًا متفرجًا. ولذلك تكتب معادلات الحمض والقاعدة باستخدام \(\ce{HCO3-}\)، وليس باستخدام الملح كاملًا.
عندما يتصرف \(\ce{HCO3-}\) كحمض
يمنح هيدروجين الكربونات بروتونًا واحدًا للماء:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
تحقق من التفاعل بتتبع البروتون.
- يفقد \(\ce{HCO3-}\) أيون \(\mathrm{H}^{+}\) ويتحول إلى \(\ce{CO3^2-}\).
- يكتسب \(\ce{H2O}\) أيون \(\mathrm{H}^{+}\) ويتحول إلى \(\ce{H3O+}\).
إذًا يكون الزوجان المترافقان:
\[ \ce{HCO3- / CO3^2-} \]
و
\[ \ce{H3O+ / H2O} \]
عندما يتصرف \(\ce{HCO3-}\) كقاعدة
هذه المرة يستقبل هيدروجين الكربونات بروتونًا من الماء:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
الآن:
- يكتسب \(\ce{HCO3-}\) أيون \(\mathrm{H}^{+}\) ويتحول إلى \(\ce{H2CO3}\).
- يفقد \(\ce{H2O}\) أيون \(\mathrm{H}^{+}\) ويتحول إلى \(\ce{OH-}\).
الزوجان المترافقان هما:
\[ \ce{H2CO3 / HCO3-} \]
و
\[ \ce{H2O / OH-} \]
هاتان المعادلتان هما الدليل على أن \(\ce{HCO3-}\) أمفوبروتي.
مثال محلول: اكتب معادلتي الحمض والقاعدة لهيدروجين كربونات الصوديوم
يذوب هيدروجين كربونات الصوديوم في الماء. اكتب معادلة أيونية تُظهر أيون هيدروجين الكربونات وهو يتصرف كحمض، وأخرى تُظهره وهو يتصرف كقاعدة.
الخطوة 1
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
أيون \(\mathrm{Na}^{+}\) أيون متفرج، ولذلك تتضمن معادلات الحمض والقاعدة \(\ce{HCO3-}\).
الخطوة 2
تؤدي إزالة \(\mathrm{H}^{+}\) إلى تكوين \(\ce{CO3^2-}\). يستقبل الماء البروتون ويتحول إلى \(\ce{H3O+}\):
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
الخطوة 3
تؤدي إضافة \(\mathrm{H}^{+}\) إلى تكوين \(\ce{H2CO3}\). ويزوّد الماء هذا البروتون ويتحول إلى \(\ce{OH-}\):
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
الخطوة 4
في التفاعل الحمضي، تكون الشحنة الكلية \(-1\) في كلا الطرفين:
\[ -1 = -2 + 1 \]
وفي التفاعل القاعدي، تكون الشحنة الكلية أيضًا \(-1\) في كلا الطرفين.
يُظهر التفاعلان الموزونان أن هيدروجين الكربونات يستطيع منح بروتون أو استقباله.
05ثنائي هيدروجين فوسفات البوتاسيوم: \(\ce{KH2PO4}\)
تنطبق الطريقة نفسها على ثنائي هيدروجين فوسفات البوتاسيوم.
أولًا، التفكك:
\[ \ce{KH2PO4(s) -> K+(aq) + H2PO4-(aq)} \]
مرة أخرى، \(\mathrm{K}^{+}\) أيون متفرج. والنوع المسؤول عن كيمياء الحمض والقاعدة هو \(\ce{H2PO4-}\).
ويقع ضمن تسلسل انتقال البروتون في نظام الفوسفات:
\[ \ce{H3PO4 <=> H2PO4- <=> HPO4^2- <=> PO4^3-} \]
ولأن لـ \(\ce{H2PO4-}\) نوعًا كيميائيًا على كل جانب منه، فإنه يستطيع الانتقال في أي من الاتجاهين عن طريق انتقال البروتون.
تصرف \(\ce{H2PO4-}\) كحمض
يمنح بروتونًا واحدًا:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> HPO4^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
يكون أيون \(\ce{H2PO4-}\) هو الحمض لأنه يمنح \(\mathrm{H}^{+}\).
تصرف \(\ce{H2PO4-}\) كقاعدة
يستقبل بروتونًا واحدًا:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> H3PO4(aq) + OH-(aq)} \]
هنا يكون \(\ce{H2PO4-}\) هو القاعدة لأنه يستقبل \(\mathrm{H}^{+}\).
إذًا فإن \(\ce{H2PO4-}\)، مثل \(\ce{HCO3-}\)، أمفوبروتي.
06«أمفوبروتي» لا تعني «متعادل»
هذا هو أهم تصور خاطئ بعد تعلّم المعادلات.
قد تتوقع أنه إذا كان الأيون يستطيع أن يتصرف كحمض وكقاعدة، فلا بد أن يتعادل السلوكان ليعطيا قيمة pH تساوي 7.
لكن ليس من الضروري أن يحدث ذلك.
تخبرك كلمة «أمفوبروتي» بالتفاعلات الممكنة. لكنها لا تعني أن التفاعلين يحدثان بالقدر نفسه.
قد يكون أحد الاتجاهين أكثر ملاءمة بكثير من الآخر.
ولهذا يكون محلول هيدروجين كربونات الصوديوم المائي قاعديًا بدرجة خفيفة، بينما ينتج ثنائي هيدروجين فوسفات البوتاسيوم محلولًا حمضيًا.
ويرجع الاختلاف إلى قوة الحمض والقاعدة.
إذا كنت تحتاج إلى مراجعة العلاقة بين القوة و\(K_a\) و\(K_b\) وpH، فراجع الأس الهيدروجيني وقوة الأحماض والقواعد.
07أي السلوكين هو الغالب؟
يمكننا مقارنة ثوابت الاتزان للتفاعلين الممكنين.
لنأخذ \(\ce{HCO3-}\).
تفاعله الحمضي هو:
\[ \ce{HCO3- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]
ثابت الاتزان لهذا التفاعل هو ثابت التفكك الحمضي الثاني لحمض الكربونيك، وتبلغ قيمته تقريبًا:
\[ K_a \approx 4.7 \times 10^{-11} \]
عند \(25^\circ\text{C}\).
أما تفاعله القاعدي فهو:
\[ \ce{HCO3- + H2O <=> H2CO3 + OH-} \]
بالنسبة إلى زوج حمض-قاعدة مترافق:
\[ K_aK_b=K_w \]
حيث \(K_w = 1.0\times10^{-14}\) عند \(25^\circ\text{C}\).
بالنسبة إلى الزوج \(\ce{H2CO3/HCO3-}\)، وباستخدام \(K_a \approx 4.3\times10^{-7}\):
\[ K_b=\frac{K_w}{K_a} =\frac{1.0\times10^{-14}}{4.3\times10^{-7}} \approx2.3\times10^{-8} \]
قارن بين الاحتمالين:
\[ K_b(\ce{HCO3-})\approx2.3\times10^{-8} \]
\[ K_a(\ce{HCO3-})\approx4.7\times10^{-11} \]
للتفاعل القاعدي ثابت اتزان أكبر. ولهذا يتصرف هيدروجين الكربونات في الماء بصورة يغلب عليها الطابع القاعدي، رغم أنه أمفوبروتي.
لا تحوّل هذا إلى قاعدة تقول إن «الأيونات الأمفوبروتية السالبة قاعدية». فـ \(\ce{H2PO4-}\) يحمل أيضًا شحنة سالبة، ومع ذلك يغلب عليه السلوك الحمضي.
مثال محلول: حدّد ما إذا كان \(\ce{H2PO4-}\) يتصرف أساسًا كحمض أم كقاعدة
عند \(25^\circ\text{C}\)، افترض أن ثوابت التفكك الحمضي ذات الصلة لحمض الفوسفوريك هي:
\[ K_{a1}=7.1\times10^{-3} \]
و
\[ K_{a2}=6.3\times10^{-8} \]
حدّد ما إذا كان \(\ce{H2PO4-}\) يتصرف أساسًا كحمض أم أساسًا كقاعدة في الماء. واكتب المعادلتين الأيونيتين.
الخطوة 1
يفقد بروتونًا واحدًا:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> HPO4^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
لهذا التفاعل:
\[ K_a=K_{a2}=6.3\times10^{-8} \]
الخطوة 2
يكتسب بروتونًا واحدًا:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> H3PO4(aq) + OH-(aq)} \]
حمضه المترافق هو \(\ce{H3PO4}\)، وله في التفكك الأول \(K_{a1}=7.1\times10^{-3}\).
لذلك:
\[ K_b=\frac{K_w}{K_{a1}} =\frac{1.0\times10^{-14}}{7.1\times10^{-3}} =1.4\times10^{-12} \]
الخطوة 3
\[ 6.3\times10^{-8} > 1.4\times10^{-12} \]
إذًا فإن تفاعل منح البروتون أكثر ملاءمة بكثير من تفاعل استقبال البروتون.
الخطوة 4
يُعد \(\ce{H2PO4-}\) أمفوبروتيًا لأن كلا انتقالي البروتون ممكنان، لكنه يتصرف في الماء في الغالب كحمض. لذلك يكون محلول \(\ce{KH2PO4}\) حمضيًا وليس متعادلًا.
08طريقة موثوقة لكتابة المعادلات الأيونية في HSC
عندما تواجه ملحًا يحتوي على أيون يُحتمل أن يكون أمفوبروتيًا، اتبع خطوات التحليل الكيميائي بهذا الترتيب.
أولًا، فكك الملح القابل للذوبان. على سبيل المثال:
\[ \ce{KH2PO4 -> K+ + H2PO4-} \]
ثم تجاهل أي أيون متفرج مثل \(\mathrm{K}^{+}\) أو \(\mathrm{Na}^{+}\).
بعد ذلك، اطرح سؤالين منفصلين عن الأيون المتبقي:
- ما النوع الكيميائي الذي يتكون إذا فقد بروتونًا واحدًا فقط من \(\mathrm{H}^{+}\)؟
- ما النوع الكيميائي الذي يتكون إذا اكتسب بروتونًا واحدًا فقط من \(\mathrm{H}^{+}\)؟
وأخيرًا، أضف الماء إلى المعادلة بحيث يكون للبروتون جهة ينتقل إليها أو مصدر يأتي منه.
إذا منح الأيون بروتونًا:
\[ \ce{amphiprotic\ species + H2O <=> conjugate\ base + H3O+} \]
إذا استقبل الأيون بروتونًا:
\[ \ce{amphiprotic\ species + H2O <=> conjugate\ acid + OH-} \]
ثم تحقق من الذرات ومن الشحنة الكلية.
يكشف فحص الشحنة النهائي عن الكثير من الأخطاء. فعلى سبيل المثال، إذا كتبت خطأً:
\[ \ce{HCO3- + H2O -> CO3- + H3O+} \]
فقد تبدو أعداد ذرات الكربون والهيدروجين منطقية للوهلة الأولى، لكن الكربونات هي \(\ce{CO3^2-}\)، وليست \(\ce{CO3-}\). ويكشف حفظ الشحنة الخطأ فورًا.
09لماذا يختفي أيون الفلز من المعادلة الأيونية؟
يقلق بعض الطلاب من أن حذف \(\mathrm{Na}^{+}\) أو \(\mathrm{K}^{+}\) يجعل المعادلة غير مكتملة.
لكن هذا غير صحيح. فالمعادلة الأيونية الصافية تحذف عمدًا الأيونات التي لا تخضع للتغير الكيميائي الذي تصفه المعادلة.
في حالة هيدروجين كربونات الصوديوم، يمكنك تخيل \(\mathrm{Na}^{+}\) موجودًا في المحلول قبل انتقال البروتون وبعده. فهو لم يكتسب بروتونًا، ولم يفقد بروتونًا، ولم يترسب، ولم يتأكسد، ولم يُختزل.
إنه موجود فعليًا في المحلول، لكنه غير ذي صلة بهذا التفاعل بالتحديد.
ومن المفيد الاحتفاظ بالتمييز بين «موجود في الكأس» و«مشارك في التفاعل الصافي». فهذا التمييز يظهر مرة أخرى في معادلات الترسيب والأكسدة والاختزال والاتزان.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
يُحضَّر محلول بإذابة هيدروجين كربونات الصوديوم، \(\ce{NaHCO3}\)، في الماء.
اكتب:
a. معادلة تفكك الملح،
b. معادلة أيونية تُظهر \(\ce{HCO3-}\) وهو يتصرف كحمض برونستد-لوري، و
c. معادلة أيونية تُظهر \(\ce{HCO3-}\) وهو يتصرف كقاعدة برونستد-لوري.
الحل 1
يُعد \(\ce{HCO3-}\) أمفوبروتيًا: فهو يستطيع منح بروتون لتكوين \(\ce{CO3^2-}\)، أو استقبال بروتون لتكوين \(\ce{H2CO3}\).
بالنسبة إلى الجزء a، يتفكك هيدروجين كربونات الصوديوم كما يلي:
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
بالنسبة إلى الجزء b، يتصرف \(\ce{HCO3-}\) كحمض من خلال منح \(\mathrm{H}^{+}\) للماء:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
يتحول أيون هيدروجين الكربونات إلى قاعدته المترافقة، \(\ce{CO3^2-}\).
بالنسبة إلى الجزء c، يتصرف \(\ce{HCO3-}\) كقاعدة من خلال استقبال \(\mathrm{H}^{+}\) من الماء:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
الخطأ المغري هو إدخال \(\mathrm{Na}^{+}\) في معادلتي الحمض والقاعدة. فهو موجود في المحلول، لكنه أيون متفرج، ولذلك لا يظهر في المعادلتين الأيونيتين الصافيتين.
السؤال 2
يكتب طالب المعادلة الآتية لإظهار السلوك الأمفوبروتي لـ \(\ce{H2PO4-}\):
\[ \ce{H2PO4- + H2O <=> PO4^3- + H3O+} \]
اشرح لماذا هذه المعادلة غير صحيحة، ثم اكتب المعادلة الصحيحة لـ \(\ce{H2PO4-}\) عندما يتصرف كحمض، والمعادلة الصحيحة عندما يتصرف كقاعدة.
الحل 2
المعادلة غير صحيحة لأن خطوة انتقال بروتون واحدة وفق برونستد-لوري يجب أن تزيل بروتونًا واحدًا فقط من \(\ce{H2PO4-}\)، فتنتج \(\ce{HPO4^2-}\)، وليس \(\ce{PO4^3-}\).
التفاعل الحمضي الصحيح هو:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> HPO4^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
هنا يمنح \(\ce{H2PO4-}\) بروتونًا واحدًا.
أما التفاعل القاعدي الصحيح فهو:
\[ \ce{H2PO4-(aq) + H2O(l) <=> H3PO4(aq) + OH-(aq)} \]
هنا يستقبل \(\ce{H2PO4-}\) بروتونًا واحدًا.
معادلة الطالب مغرية لأن \(\ce{PO4^3-}\) هو بالفعل جزء من نظام الحمض والقاعدة للفوسفات. لكن المشكلة هي أن الوصول إليه انطلاقًا من \(\ce{H2PO4-}\) يتطلب فقدان بروتونين:
\[ \ce{H2PO4- -> HPO4^2- -> PO4^3-} \]
وهاتان خطوتان منفصلتان لانتقال البروتون، ويكون \(\ce{HPO4^2-}\) هو النوع الوسيط.
السؤال 3
عند \(25^\circ\text{C}\)، تنطبق القيم التقريبية الآتية على نظام حمض الكربونيك:
\[ K_{a1}=4.3\times10^{-7} \]
\[ K_{a2}=4.7\times10^{-11} \]
يقول طالب:
«بما أن \(\ce{HCO3-}\) أمفوبروتي، فينبغي أن يكون محلول \(\ce{NaHCO3}\) متعادلًا.»
استخدم ثوابت الاتزان لتقييم هذا الادعاء. اكتب المعادلتين الأيونيتين ذواتي الصلة وحدد أي سلوكي \(\ce{HCO3-}\) أقوى.
الحل 3
لا يُتوقع أن يكون المحلول متعادلًا؛ فـ \(\ce{HCO3-}\) أمفوبروتي، لكن سلوكه القاعدي أقوى من سلوكه الحمضي.
تفاعله الحمضي هو:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
لهذا التفاعل:
\[ K_a=K_{a2}=4.7\times10^{-11} \]
أما تفاعله القاعدي فهو:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
تأتي قيمة \(K_b\) ذات الصلة من الزوج المترافق \(\ce{H2CO3/HCO3-}\):
\[ K_b=\frac{K_w}{K_{a1}} \]
وباستخدام \(K_w=1.0\times10^{-14}\):
\[ K_b = \frac{1.0\times10^{-14}}{4.3\times10^{-7}} = 2.3\times10^{-8} \]
والآن قارن:
\[ K_b=2.3\times10^{-8} \]
\[ K_a=4.7\times10^{-11} \]
بما أن \(K_b\) أكبر بكثير من \(K_a\)، فإن التفاعل الذي ينتج \(\ce{OH-}\) أكثر ملاءمة من التفاعل الذي ينتج \(\ce{H3O+}\).
لذلك يكون محلول هيدروجين كربونات الصوديوم المائي قاعديًا بدرجة خفيفة.
يخلط الاستنتاج المغري بين القدرة والميل المتساوي. فكلمة «أمفوبروتي» تعني أن كلا اتجاهي انتقال البروتون ممكنان؛ ولا تعني أن ثابتي الاتزان لهما متساويان.
السؤال 4
يحتوي محلولان غير معلّمين، وبتركيزين متساويين، إما على \(\ce{NaHCO3}\) أو على \(\ce{KH2PO4}\).
تتوفر بيانات الاتزان الآتية عند \(25^\circ\text{C}\):
لحمض الكربونيك:
\[ K_{a1}=4.3\times10^{-7}, \qquad K_{a2}=4.7\times10^{-11} \]
لحمض الفوسفوريك:
\[ K_{a1}=7.1\times10^{-3}, \qquad K_{a2}=6.3\times10^{-8} \]
من دون الاعتماد على قيم pH محفوظة:
a. حدّد أي المحلولين حمضي وأيهما قاعدي،
b. اكتب زوج المعادلات الأيونية المتنافسة لكل أيون أمفوبروتي، و
c. اشرح لماذا لا يمكن لمجرد مقارنة الشحنتين السالبتين على \(\ce{HCO3-}\) و\(\ce{H2PO4-}\) أن يجيب عن السؤال.
الحل 4
محلول \(\ce{NaHCO3}\) قاعدي، بينما محلول \(\ce{KH2PO4}\) حمضي، لأن ثوابت الاتزان الحمضية والقاعدية المتنافسة تختلف بين الأيونين الأمفوبروتيين.
بالنسبة إلى \(\ce{HCO3-}\)، يكون التفاعل الحمضي:
\[ \ce{HCO3- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]
حيث:
\[ K_a=4.7\times10^{-11} \]
ويكون تفاعله القاعدي:
\[ \ce{HCO3- + H2O <=> H2CO3 + OH-} \]
حيث:
\[ K_b = \frac{1.0\times10^{-14}}{4.3\times10^{-7}} = 2.3\times10^{-8} \]
وبما أن:
\[ 2.3\times10^{-8}>4.7\times10^{-11} \]
فإن السلوك القاعدي هو الغالب.
بالنسبة إلى \(\ce{H2PO4-}\)، يكون التفاعل الحمضي:
\[ \ce{H2PO4- + H2O <=> HPO4^2- + H3O+} \]
حيث:
\[ K_a=6.3\times10^{-8} \]
ويكون تفاعله القاعدي:
\[ \ce{H2PO4- + H2O <=> H3PO4 + OH-} \]
حيث:
\[ K_b = \frac{1.0\times10^{-14}}{7.1\times10^{-3}} = 1.4\times10^{-12} \]
وبما أن:
\[ 6.3\times10^{-8}>1.4\times10^{-12} \]
فإن السلوك الحمضي هو الغالب.
يحمل كل من \(\ce{HCO3-}\) و\(\ce{H2PO4-}\) شحنة مقدارها \(-1\)، ولذلك لا تستطيع الشحنة وحدها التمييز بين سلوكهما. قد تجعل الشحنة السالبة استقبال البروتون يبدو محتملًا، لكن السلوك الحمضي-القاعدي يعتمد على استقرار الأنواع المترافقة ذات الصلة، وبالتالي على ثوابت الاتزان المناسبة.
العامل المضلل هنا هو اشتراك الأيونين في الشحنة \(-1\). فلهذين الأيونين بنيتان مختلفتان وأحماض وقواعد مترافقة مختلفة، ولذلك تختلف ميولهما لانتقال البروتون اختلافًا كبيرًا.
السؤال 5
يضع طالب التعميم الآتي:
«بالنسبة إلى أي أيون أمفوبروتي \(\ce{HA-}\)، إذا كان تفاعله القاعدي في الماء أكثر ملاءمة من تفاعله الحمضي، فإن إضافة كمية صغيرة من حمض قوي لا بد أن تدمر سلوكه الأمفوبروتي بصورة دائمة لأنها تحول \(\ce{HA-}\) إلى \(\ce{H2A}\).»
لننظر في محلول يحتوي في البداية على \(\ce{HCO3-}\). تُضاف كمية صغيرة من حمض قوي، لكنها لا تكفي للتفاعل مع كل \(\ce{HCO3-}\).
قيّم ادعاء الطالب. اشرح تفاعل انتقال البروتون الفوري، وحدد الأنواع الكيميائية المهمة الموجودة بعد ذلك، وبيّن ما إذا كان المحلول المتبقي لا يزال قادرًا على إظهار كيمياء منح البروتون واستقباله معًا.
الحل 5
ادعاء الطالب غير صحيح: تؤدي إضافة كمية محدودة من حمض قوي إلى تحويل بعض \(\ce{HCO3-}\) إلى \(\ce{H2CO3}\)، لكنها لا تزيل السلوك الأمفوبروتي من \(\ce{HCO3-}\) الذي يبقى في المحلول.
يوفر الحمض القوي المضاف \(\ce{H3O+}\). ويستقبل هيدروجين الكربونات بروتونًا:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H3O+(aq) -> H2CO3(aq) + H2O(l)} \]
ولأن السؤال يذكر أن الحمض غير كافٍ لاستهلاك كل \(\ce{HCO3-}\)، فإن المحلول يحتوي بعد ذلك على كل من \(\ce{H2CO3}\) و\(\ce{HCO3-}\) غير المتفاعل، إلى جانب الأيونات المتفرجة.
لم تتغير الهوية الكيميائية لـ \(\ce{HCO3-}\) المتبقي. فلا يزال يستطيع منح بروتون:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
ولا يزال يستطيع استقبال بروتون:
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
إذًا تظل صفته الأمفوبروتية قائمة.
يوجد هنا تفاعل إضافي يجعل المسألة أقل وضوحًا. فبمجرد وجود \(\ce{H2CO3}\) و\(\ce{HCO3-}\) معًا، فإنهما يشكلان زوجًا مترافقًا من حمض وقاعدة. وتُقاوَم إضافة الحمض باستقبال البروتون بواسطة \(\ce{HCO3-}\)، بينما يمكن مقاومة إضافة القاعدة بمنح البروتون بواسطة \(\ce{H2CO3}\).
المسار المغري هو التعامل مع «أمفوبروتي» على أنه خاصية للمحتوى الأصلي للكأس بأكمله. لكنه في الواقع خاصية للنوع الكيميائي \(\ce{HCO3-}\). إن تحويل بعض هذا النوع إلى حمضه المترافق يغيّر تركيب المحلول واتزاناته، لكن أي \(\ce{HCO3-}\) يبقى في المحلول يظل قادرًا على أداء دوري انتقال البروتون معًا.
وتقود هذه الفكرة مباشرة إلى كيمياء المحاليل المنظمة: فعندما توجد معًا كميات ملحوظة من حمض ضعيف وقاعدته المترافقة، يستطيع المحلول مقاومة التغيرات في pH عند إضافة كميات صغيرة من حمض قوي أو قاعدة قوية.