الأحماض والقواعد: منظور جسيمي

تسبب بعض المحاليل المائية شعوراً باللسع عند ملامستها لجرح، أو تُحدث فوراناً عند تفاعلها مع المعادن، أو تغير لون ورق الكاشف. وتحدث هذه الملاحظات نتيجة لتغير طبيعة الجسيمات المذابة؛ فعلى وجه الخصوص، تغير الأحماض والقواعد من تركيز أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد في الماء. يُعد الرقم الهيدروجيني (pH) مقياساً لوغاريتمياً لتركيز الهيدرونيوم، وبالتالي فإن الحموضة تعبر في جوهرها عن تركيز أيونات $[H_3O^+]$.

غالباً ما يمكنك الربط بين الظاهرة الملحوظة (على المستوى العياني) والسبب الكامن وراءها (على مستوى الجسيمات):

• يتغير لون الكاشف لأن جزيئات الكاشف تكتسب بروتوناً أو تفقده، مما يغير توزيع الإلكترونات فيها وقدرتها على امتصاص الضوء.
• تزداد الموصلية الكهربائية عند وجود المزيد من الأيونات، حيث تقوم الأيونات المتحركة بنقل الشحنة عبر المحلول.
• يحدث التفاعل مع بعض المعادن عندما تتوفر أيونات $H_3O^+$ القابلة للاختزال إلى غاز الهيدروجين ($H_2$)، بينما تتأكسد ذرات المعدن لتتحول إلى أيونات معدنية.

إرشادات السلامة لا يُعد التذوق أو الاختبار المباشر على الجلد وسيلة صالحة للتعرف على الأحماض أو القواعد؛ لأن المحاليل المسببة للتآكل قد تلحق الضرر بالأنسجة دون سابق إنذار.

انتقال البروتون في الماء

وفقاً لنموذج “برونستد-لوري” (Brønsted-Lowry)، يمنح الحمض بروتوناً ($H^+$) بينما تستقبل القاعدة بروتوناً. ولا يعني انتقال البروتون بقاءه حراً طليقاً في الماء لفترة طويلة؛ بل ينتقل البروتون بين الجزيئات، ويُحمل في الماء على هيئة أيون الهيدرونيوم ($H_3O^+$).

من المفيد -كمنطلق أولي لفهم العملية على مستوى الجسيمات- اعتبار الماء مشاركاً نشطاً في التفاعل. فعندما يدخل جزيء حمض ($HA$) إلى الماء، يمكن لجزيء الماء استقبال البروتون منه لتكوين أيون الهيدرونيوم ($H_3O^+$) والقاعدة المرافقة ($A^-$). وتكون المعادلة الموزونة على مستوى الجسيمات كالتالي:

$$HA(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+A^-(aq)$$

وتؤكد حسابات الذرات والشحنات مبدأ الانحفاظ:

• الذرات في الطرف الأيسر: $H$ يساوي $1+2=3$، و$A$ يساوي 1، و$O$ يساوي 1
• الذرات في الطرف الأيمن: $H$ يساوي 3، و$A$ يساوي 1، و$O$ يساوي 1
• الشحنة في الطرف الأيسر: 0
• الشحنة في الطرف الأيمن: $(+1)+(-1)=0$

وبالمثل، يمكن للقاعدة ($B$) استقبال بروتون من الماء، منتجةً بذلك ($BH^+$) و($OH^-$). وتكمن الفكرة الجوهرية في أن تعريف الأحماض والقواعد يعتمد على دورها في عملية انتقال البروتون، وغالباً ما يكون الماء هو الجزيء الذي يستقبل ذلك البروتون أو يمنحه.

تخيَّل نموذج الجسيمات لانتقال البروتون في الماء.

ثلاثة تعريفات وأهميتها

تُسلط التعريفات المختلفة الضوء على أدلة وأنواع مختلفة من التفاعلات. يزيد حمض أرهينيوس من تركيز $[H_3O^+]$ في الماء، بينما تزيد قاعدة أرهينيوس من تركيز $[OH^-]$ في الماء. ورغم أن هذا النموذج ينطبق جيداً على العديد من الحالات المائية مثل $HCl(aq)$ و$NaOH(aq)$، إلا أنه يغفل القواعد التي لا تحتوي على أيونات الهيدروكسيد ($OH^-$).

يُعد مفهوم برونستد-لوري أكثر شمولاً؛ لأنه يركز على انتقال البروتون، حتى في غياب أيون $OH^-$ عن صيغة القاعدة. فعلى سبيل المثال، يُصنَّف الأمونيا ($NH_3$) كقاعدة وفقاً لمفهوم برونستد-لوري؛ لأنه يكتسب بروتوناً من الماء.

أما حمض لويس فيقبل زوجاً من الإلكترونات، بينما تمنح قاعدة لويس زوجاً من الإلكترونات؛ وبذلك يتجاوز هذا المفهوم نطاق انتقال البروتون. ويُعد جزيء $BF_3$ حمض لويس؛ لأن ذرة البورون تمتلك فلكاً فارغاً يمكنه استقبال زوج إلكتروني غير رابط، وذلك على الرغم من أن $BF_3$ لا يحتوي على ذرات هيدروجين يمكن منحها.

يوضح هذا كيف تنطبق بعض التعريفات على مواد مألوفة معينة دون غيرها.