تفاعلات الأحماض والقواعد: انتقال البروتون والتعادل

تبدو زجاجة مكتوب عليها حمض الهيدروكلوريك وزجاجة أخرى مكتوب عليها هيدروكسيد الصوديوم غير مثيرتين للاهتمام بالقدر نفسه: محلولان صافيان. لكن عند خلط الكميتين المناسبتين، يسخن المزيج. لقد حدث تفاعل ما.

ما الجسيمات التي تغيّرت فعليًا؟ قد تتوقع أن كل أيون في المحلولين لا بد أن يشارك في التفاعل. يبدو ذلك معقولًا، لكنه ليس ما يحدث. فأيونات الصوديوم والكلوريد تبقى في الغالب متفرجة. أما الحدث المهم فأبسط بكثير: يمنح الحمض بروتونًا، وتستقبله القاعدة.

انتقال البروتون هذا هو المفتاح لتحديد تفاعلات الأحماض والقواعد، والتنبؤ بنواتجها، وكتابة المعادلات التي توضّح ما يحدث فعلًا.

01ابدأ بالبحث عن انتقال بروتون

لنفترض أن حمض الهيدروكلوريك يتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم:

\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]

قد تتعرّف إلى هذا بالفعل على أنه تفاعل تعادل. لكن عبارة «حمض + قاعدة يعطيان ملحًا + ماء» ليست سوى نمط مفيد واحد. فهي لا تفسّر سبب حدوث التفاعل، كما أنها لا تنطبق على كل تفاعلات الأحماض والقواعد.

والتصور الذهني الأفضل هو تخيّل بروتون، \(\mathrm{H}^{+}\)، ينتقل من شريك إلى آخر.

الحمض هو النوع الكيميائي المستعد لمنح البروتون. والقاعدة هي النوع القادر على استقباله.

يشبه الأمر قليلًا برنامج مواعدة شديد الدرامية لا يوجد فيه سوى متسابق واحد هو بروتون واحد. يصل الحمض وهو يحمل البروتون، فتأخذه القاعدة، ثم يغادر الحمض وقد أصبح نوعًا كيميائيًا مختلفًا. ويتوقف التشبيه هنا لأن الجسيمات لا تختار شركاءها، ولأن انتقال البروتون الحقيقي تحكمه طاقة التفاعل الكيميائي والاتزان. ومع ذلك، يوجّهنا هذا التشبيه إلى الشيء الصحيح الذي ينبغي تتبعه: إلى أين ينتقل البروتون؟

وهذا يقودنا إلى تعريفات برونستد-لوري:

• حمض برونستد-لوري هو مانح للبروتون.
• قاعدة برونستد-لوري هي مستقبِل للبروتون.

البروتون هو \(\mathrm{H}^{+}\)، أي ذرة هيدروجين فقدت إلكترونها.

في الماء، لا يطفو \(\mathrm{H}^{+}\) منفردًا ببساطة. بل يرتبط بقوة بجزيئات الماء. وغالبًا ما نمثّل جزيء الماء الذي اكتسب بروتونًا على صورة أيون الهيدرونيوم، \(\ce{H3O+}\). وقد تستخدم معادلات HSC أيضًا \(\mathrm{H}^{+}\) كاختصار مناسب.

02كيفية تحديد تفاعل حمض-قاعدة

عندما تُعطى تفاعلًا، لا تبدأ بالسؤال: «هل تبدو هذه الصيغة كصيغة حمض؟»

اسأل بدلًا من ذلك سؤالين أكثر فائدة:

1. هل فقد أحد الأنواع الكيميائية \(\mathrm{H}^{+}\)؟
2. هل اكتسب نوع كيميائي آخر ذلك \(\mathrm{H}^{+}\)؟

إذا حدث الأمران، فقد حدث انتقال للبروتون.

تأمل:

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

تتبّع البروتون.

• يتحول \(\ce{HCl}\) إلى \(\mathrm{Cl}^{-}\). لقد فقد \(\mathrm{H}^{+}\)، ولذلك يعمل \(\ce{HCl}\) بوصفه الحمض.
• يتحول \(\ce{H2O}\) إلى \(\ce{H3O+}\). لقد اكتسب \(\mathrm{H}^{+}\)، ولذلك يعمل \(\ce{H2O}\) بوصفه القاعدة.

والآن تأمل الأمونيا:

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

أي المتفاعلين هو الحمض هذه المرة؟

قد يكون من المغري القول إن الماء لا بد أن يكون القاعدة لأنه استقبل بروتونًا في التفاعل السابق. لكن النوع الكيميائي لا يؤدي دورًا واحدًا ثابتًا في كل تفاعل.

هنا:

• يتحول \(\ce{NH3}\) إلى \(\ce{NH4+}\)، ولذلك تكتسب الأمونيا \(\mathrm{H}^{+}\) وتعمل بوصفها القاعدة.
• يتحول \(\ce{H2O}\) إلى \(\ce{OH-}\)، ولذلك يفقد الماء \(\mathrm{H}^{+}\) ويعمل بوصفه الحمض.

إذًا يمكن للماء أن يعمل إما كحمض أو كقاعدة، حسب المادة التي يتفاعل معها.

03أزواج الحمض والقاعدة المترافقة

كلما منح حمض بروتونًا، تحوّل إلى قاعدته المترافقة.

وكلما استقبلت قاعدة بروتونًا، تحوّلت إلى حمضها المترافق.

بالنسبة إلى التفاعل

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

تكون الأزواج كما يلي:

يختلف الحمض والقاعدة في الزوج المترافق بمقدار بروتون واحد فقط.

وهذا يمنحك قاعدة قوية للتحقق. فإذا كان نوعان يُفترض أنهما مترافقان يختلفان بذرة أكسجين، أو ذرة كربون، أو ذرتي هيدروجين، فهناك خطأ ما.

على سبيل المثال:

\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+} \]

يختلف \(\ce{NH4+}\) و\(\ce{NH3}\) بمقدار \(\mathrm{H}^{+}\) واحد، ولذلك فهما زوج حمض-قاعدة مترافق.

04التنبؤ بالنواتج من انتقال البروتون

في تفاعل برونستد-لوري مباشر، يمكنك التنبؤ بالنواتج دون حفظ قائمة ضخمة.

لنفترض أنه طُلب منك التنبؤ بنواتج:

\[ \ce{HNO3 + H2O -> ?} \]

أولًا، حدّد أي نوع كيميائي يُرجح أن يمنح البروتون. يمنح حمض النيتريك، \(\ce{HNO3}\)، بروتون \(\mathrm{H}^{+}\).

أزل \(\mathrm{H}^{+}\) واحدًا من \(\ce{HNO3}\):

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

ثم أضف ذلك البروتون إلى الماء:

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

إذًا:

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

لاحظ أن الذرات والشحنة الكلية محفوظة. وهذا هو شرط الحفظ نفسه المستخدم كلما كنت تتتبّع إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات الكيميائية.

05التعادل نوع محدد من تفاعلات الحمض-القاعدة

ستصادف كثيرًا تفاعلات بين الأحماض وهيدروكسيدات الفلزات مثل هيدروكسيد الصوديوم.

على سبيل المثال:

\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]

للوهلة الأولى، يبدو أن أربعة أنواع كيميائية مختلفة تشارك في التفاعل. لكن في المحلول المائي، تنفصل المواد القابلة للذوبان إلى أيونات:

\[ \ce{H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)} \]

تظهر أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) دون تغيير على جانبي المعادلة. وهي أيونات متفرجة.

احذفها:

\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]

أو باستخدام الهيدرونيوم صراحةً:

\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]

هذه هي عملية انتقال البروتون الأساسية في تعادل حمض قوي بواسطة هيدروكسيد قابل للذوبان.

إذا كنت بحاجة إلى مزيد من التدريب على تحديد الأيونات التي تبقى دون تغيير وتلك التي تدخل في المعادلة الأيونية الصافية، فإن منطق الأيونات المتفرجة نفسه يظهر أيضًا في تفاعلات الترسيب والمعادلات الأيونية الصافية.

06ليست كل تفاعلات الحمض-القاعدة تنتج ماءً

هنا تصبح القاعدة البسيطة «حمض + قاعدة يعطيان ملحًا + ماء» غير مكتملة.

تأمل تفاعل الأمونيا مع حمض:

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

تستقبل الأمونيا بروتونًا، ولذلك من الواضح أنها تعمل كقاعدة برونستد-لوري. لكن أيونات الهيدروكسيد لا تدخل في التفاعل، ولذلك لا يوجد ما يفرض ظهور الماء كناتج في معادلة انتقال البروتون المبسطة هذه.

القاعدة الأكثر عمومية هي:

\[ \text{حمض + قاعدة} \rightarrow \text{قاعدة مترافقة + حمض مترافق} \]

وهذا الوصف أوسع تطبيقًا من عبارة «ملح + ماء».

07تفاعلات الأحماض مع الأكاسيد والهيدروكسيدات

تعمل كثير من أكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلزات كقواعد.

على سبيل المثال:

\[ \ce{2HCl(aq) + MgO(s) -> MgCl2(aq) + H2O(l)} \]

يمكن لأيون الأكسيد في الصلب الأيوني أن يستقبل البروتونات. من حيث الفكرة:

\[ \ce{O^2- + 2H+ -> H2O} \]

ويحتاج أيون الهيدروكسيد إلى بروتون واحد:

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

يساعدك ذلك على التنبؤ بالمعاملات بدلًا من تخمينها.

فعلى سبيل المثال، يحتوي \(\ce{Ca(OH)2}\) على مجموعتي هيدروكسيد في كل وحدة صيغة، ولذلك يتطلب التعادل الكامل بروتونين حمضيين:

\[ \ce{2HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) -> CaCl2(aq) + 2H2O(l)} \]

08ماذا يحدث مع الكربونات؟

قد تبدو تفاعلات الحمض مع الكربونات نوعًا مختلفًا تمامًا من التفاعلات لأنك ترى فقاعات.

على سبيل المثال:

\[ \ce{2HCl(aq) + Na2CO3(aq) -> 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)} \]

الغاز هو ثاني أكسيد الكربون.

ومع ذلك، ما تزال كيمياء الحمض-القاعدة أساس هذه الملاحظة. تستقبل أيونات الكربونات البروتونات. ويمكن تمثيل تسلسل مبسط ومفيد كما يلي:

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

يتبعه:

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

حمض الكربونيك، \(\ce{H2CO3}\)، غير مستقر في الظروف العادية ويمكن أن يُكوّن ثاني أكسيد الكربون والماء:

\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]

وبجمع هذه الخطوات نحصل على:

\[ \ce{CO3^2- + 2H+ -> CO2 + H2O} \]

يفسّر هذا أمرين في وقت واحد: تتصرف الكربونات كقاعدة من خلال استقبال البروتونات، كما أن النواتج النهائية المشاهدة تتضمن غازًا.

09الاختصار المغري الذي يسبب الأخطاء

هناك اختصار شائع يقول:

«إذا كانت المادة تحتوي على H فهي حمض. وإذا كانت تحتوي على OH فهي قاعدة.»

قد يقودك ذلك أحيانًا في الاتجاه الصحيح، لكنه ليس تعريفًا.

يحتوي الميثان، \(\ce{CH4}\)، على الهيدروجين، لكنه لا يُعامل على أنه حمض برونستد-لوري في تفاعلات الحمض-القاعدة المعتادة في HSC.

ولا تحتوي الأمونيا، \(\ce{NH3}\)، على مجموعة \(\ce{OH}\)، لكنها قاعدة لأنها تستطيع استقبال بروتون:

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

قاعدة اتخاذ القرار الأكثر أمانًا تعتمد دائمًا على انتقال البروتون.

10فخ مهم آخر: ليست كل تفاعلات الأحماض تفاعلات حمض-قاعدة

لنفترض أن حمض الهيدروكلوريك يتفاعل مع المغنيسيوم:

\[ \ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)} \]

قد تصنّف هذا كتفاعل حمض-قاعدة لمجرد وجود حمض في الطرف الأيسر.

لكن انظر إلى ما يتغيّر. تتحول ذرات المغنيسيوم إلى \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، وتتحول أيونات الهيدروجين إلى غاز الهيدروجين. وتنتقل الإلكترونات.

وهذا يجعل التفاعل تفاعل أكسدة واختزال، وليس مجرد تفاعل انتقال بروتون من نوع برونستد-لوري.

إذًا، «يحتوي على حمض» لا يكفي لتحديد نوع التفاعل. بل يجب أن تنظر إلى التغير الكيميائي الفعلي.

11طريقة موثوقة لأسئلة HSC

عندما تحتاج إلى تحديد تفاعل حمض-قاعدة أو تمثيله، اتبع هذا التسلسل:

1. حدّد مانحًا محتملًا للبروتون. ابحث عن نوع كيميائي يمكنه فقد \(\mathrm{H}^{+}\) واحد.
2. حدّد مستقبِلًا محتملًا للبروتون. ابحث عن نوع كيميائي يمكنه اكتساب ذلك البروتون.
3. تتبّع البروتون بوضوح. اكتب ما يتحول إليه كل متفاعل بعد فقد \(\mathrm{H}^{+}\) أو اكتسابه.
4. تحقق من الذرات والشحنة. يجب حفظ كليهما.
5. حدّد نوع المعادلة المطلوبة. المعادلة الجزيئية والمعادلة الأيونية الكاملة والمعادلة الأيونية الصافية ليست الشيء نفسه.
6. ابحث عن عملية تالية. تكوّن \(\ce{CO2}\) والماء من حمض الكربونيك مثال شائع.
7. لا تفرض قالب التعادل على كل تفاعل. انتقال البروتون هو الفكرة الأوسع.

12الأسئلة والحلول

السؤال 1

في التفاعل

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

حدّد الحمض والقاعدة والحمض المترافق والقاعدة المترافقة.

الحل 1

\(\ce{HBr}\) هو الحمض، و\(\ce{H2O}\) هو القاعدة، و\(\ce{H3O+}\) هو الحمض المترافق، و\(\mathrm{Br}^{-}\) هو القاعدة المترافقة.

يفقد \(\ce{HBr}\) بروتونًا واحدًا:

\[ \ce{HBr -> Br- + H+} \]

ولذلك يعمل بوصفه مانحًا للبروتون.

ويستقبل الماء ذلك البروتون:

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

ولذلك يعمل الماء بوصفه القاعدة.

إذًا يكون الزوجان المترافقان هما \(\ce{HBr/Br-}\) و\(\ce{H2O/H3O+}\). ويختلف كل زوج بمقدار بروتون واحد فقط.

السؤال 2

يتفاعل حمض الإيثانويك مع هيدروكسيد الصوديوم المائي.

اكتب:

a. المعادلة الجزيئية الموزونة

b. المعادلة الأيونية الصافية

c. قاعدة برونستد-لوري الداخلة في التفاعل الأيوني الصافي.

الحل 2

المعادلة الجزيئية هي

\[ \ce{CH3COOH(aq) + NaOH(aq) -> CH3COONa(aq) + H2O(l)} \]

والمعادلة الأيونية الصافية هي

\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]

قاعدة برونستد-لوري هي \(\ce{OH-}\).

حمض الإيثانويك حمض ضعيف، ولذلك يُترك عادةً في صورته غير المتأينة في المعادلة الأيونية الصافية بدلًا من كتابته بالكامل على هيئة \(\mathrm{H}^{+}\) و\(\ce{CH3COO-}\).

يستقبل أيون الهيدروكسيد بروتونًا:

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

بينما يفقد حمض الإيثانويك ذلك البروتون ويتحول إلى \(\ce{CH3COO-}\).

الخطأ المغري هو كتابة

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

كما لو كان حمض الإيثانويك منفصلًا بالفعل بالكامل إلى أيونات. تصف هذه المعادلة تعادل الحمض القوي جيدًا، لكنها تخفي نوع الحمض الضعيف الذي يشارك فعليًا في التفاعل هنا.

السؤال 3

يكتب طالب المعادلة الآتية للتفاعل بين حمض الفوسفوريك وهيدروكسيد البوتاسيوم:

\[ \ce{H3PO4 + KOH -> K3PO4 + H2O} \]

اشرح لماذا المعادلة غير موزونة، ثم اكتب المعادلة الموزونة للتعادل الكامل.

الحل 3

يلزم ثلاثة مولات من \(\ce{KOH}\) لكل مول من \(\ce{H3PO4}\)، فنحصل على

\[ \ce{H3PO4(aq) + 3KOH(aq) -> K3PO4(aq) + 3H2O(l)} \]

تحتوي المعادلة الأصلية على ذرة بوتاسيوم واحدة فقط في الطرف الأيسر، بينما توجد ثلاث ذرات في \(\ce{K3PO4}\) في الطرف الأيمن. كما أنها لا تحسب ذرات الهيدروجين الحمضية الثلاث في \(\ce{H3PO4}\) بصورة صحيحة.

في التعادل الكامل، تؤخذ البروتونات الحمضية الثلاثة كلها في الحسبان. ويمكن لثلاثة أيونات هيدروكسيد استقبال تلك البروتونات الثلاثة:

\[ \ce{3H+ + 3OH- -> 3H2O} \]

الفخ هنا هو أن ترى «حمض + هيدروكسيد» فتستخدم تلقائيًا نسبة 1:1. تعتمد نسبة التفاعل على عدد البروتونات الحمضية التي يجري تعادلها وعدد أيونات الهيدروكسيد التي توفرها كل وحدة صيغة.

السؤال 4

يمكن لأيونات الهيدروجين كربونات أن تتفاعل مع كل من الأحماض والقواعد.

توقّع الناتج المحتوي على الكربون عندما يقوم \(\ce{HCO3-}\) بما يلي:

a. يستقبل بروتونًا من حمض

b. يمنح بروتونًا لقاعدة قوية.

استخدم المعادلات لتوضيح لماذا لا يمكن وصف \(\ce{HCO3-}\) بأنه «حمض دائمًا» أو «قاعدة دائمًا».

الحل 4

يمكن أن يعمل \(\ce{HCO3-}\) إما كقاعدة أو كحمض، حسب النوع الكيميائي الذي يتفاعل معه.

عندما يستقبل بروتونًا، يعمل كقاعدة:

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

يمكن لـ \(\ce{H2CO3}\) الناتج بعد ذلك تكوين ثاني أكسيد الكربون والماء:

\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]

ولذلك يمكن تمثيل العملية الكلية كما يلي:

\[ \ce{HCO3- + H+ -> CO2 + H2O} \]

وعندما يمنح الهيدروجين كربونات بروتونًا لأيونات الهيدروكسيد، فإنه يعمل كحمض:

\[ \ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O} \]

هنا يفقد \(\ce{HCO3-}\) بروتون \(\mathrm{H}^{+}\) ويتحول إلى \(\ce{CO3^2-}\).

الفكرة الأساسية هي أن تسميتي الحمض والقاعدة تصفان دور النوع الكيميائي في تفاعل معين لانتقال البروتون. ويمكن للهيدروجين كربونات أن يستقبل بروتونًا وأن يمنحه، ولذلك يعتمد دوره على المادة التي يتفاعل معها.

السؤال 5

يُعطى طالبان التفاعل الآتي:

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

يقول الطالب A: «أيون الهيدروكسيد هو القاعدة لأنه يحتوي على \(\ce{OH}\).»

ويقول الطالب B: «أيون الأمونيوم حمض لأنه ينقل بروتونًا إلى الهيدروكسيد.»

أي الاستدلالين أقوى كيميائيًا؟ حدّد زوجي الحمض والقاعدة المترافقة واشرح ما الدليل الذي يثبت فعليًا كل دور.

الحل 5

يقدّم الطالب B استدلالًا كيميائيًا أقوى لأن الأدوار تُحدّد بتتبّع انتقال البروتون، لا بالتعرّف إلى مجموعة معينة في صيغة كيميائية.

التفاعل هو:

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

يتغير أيون الأمونيوم من \(\ce{NH4+}\) إلى \(\ce{NH3}\). وقد فقد بروتونًا واحدًا:

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

ولذلك يعمل \(\ce{NH4+}\) بوصفه الحمض، ويكون \(\ce{NH3}\) قاعدته المترافقة.

ويتغير أيون الهيدروكسيد من \(\ce{OH-}\) إلى \(\ce{H2O}\). وقد اكتسب بروتونًا واحدًا:

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

ولذلك يعمل \(\ce{OH-}\) بوصفه القاعدة، ويكون \(\ce{H2O}\) حمضه المترافق.

إذًا يكون الزوجان المترافقان:

\[ \ce{NH4+ / NH3} \]

و

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

يصل الطالب A إلى التسمية الصحيحة للهيدروكسيد، لكن استدلاله غير موثوق. فاحتواء الصيغة على \(\ce{OH}\) لا يثبت، في حد ذاته، أن النوع الكيميائي يعمل كقاعدة برونستد-لوري. والدليل هو أن \(\ce{OH-}\) يستقبل فعليًا بروتونًا في هذا التفاعل.

بمجرد أن تتمكن من تتبّع البروتون بدلًا من الاكتفاء بحفظ أنماط التفاعلات، يصبح من الأسهل بكثير توسيع فهمك لكيمياء الأحماض والقواعد. والخطوة المفيدة التالية هي الاتزان: فبعض انتقالات البروتون تتجه تقريبًا بالكامل نحو النواتج، بينما تؤدي أخرى إلى تكوين مزيج ملحوظ من المتفاعلات والنواتج. وهنا تبدأ قوة الحمض، وقوة القاعدة، و\(K_a\)، ودرجة الحموضة pH في الارتباط من جديد بنموذج انتقال البروتون نفسه.