إسهامات الكيميائيين في دراسة خصائص الأحماض والقواعد
تُعتبر معرفة نوع المادة المستخدمة في المختبرات أو في الطهي أمرًا بالغ الأهمية في التفاعلات الكيميائية والظروف اليومية ليتسنى لنا التعامل معها بشكل صحيح وملائم.
خلال العصور اليونانية القديمة
كانت خصائص الأحماض والقواعد محل تساؤل في العصور القديمة، حيث حاول الإغريق تصنيف المواد باستخدام مجموعة متنوعة من الاختبارات التمييزية، اعتمدوا فيها على الطعم، حيث صنفوا المواد بحسب ما إذا كانت حامضة، أو مرّة، أو مالحة، أو حلوة.
بدأوا في تعريف بعض المواد الحامضة مثل الخل وعصير الليمون لأحماض، حيث أن كلمتي “حمض” و”أسيتيك” تعودان إلى الكلمة اللاتينية التي تعني “حامض الطعم”، “أسيري”. ومن المثير للاهتمام أن القواعد لم تحظ بدراسة متعمقة في تلك الفترة.
في العصر الذهبي لحضارة الإسلام وعصر النهضة، تقدم العلم، وبدأ الكيميائيون في فهم المزيد عن الأحماض، حيث اكتشفوا أن الحموض القوية تؤدي إلى تسريع تآكل المعادن وتذوب بعض الصخور.
كانت لدى الخيميائيين في العصور الوسطى والعصور الإسلامية مجموعة من الأحماض والقلويات المتاحة مثل:
- كربونات الصوديوم (الصودا)
- كربونات البوتاسيوم (البوتاس)
- الأمونيا
- حامض الهيدروكلوريك
- حامض الكبريتيك
- حمض الاسيتيك
- حمض الستريك
- حامض الكبريتيك
حولي عام 1300
قام العالم الإسباني آرنالدوس دي فيلا نوفا باستخدام عباد الشمس لدراسة الأحماض والقواعد، وقد بلور هذه الفكرة عالم الكيمياء روبرت بويل الذي اكتشف أن بعض المواد المستخرجة من النباتات تغير لونها عند التفاعل مع الأحماض أو القواعد. من الأمثلة على ذلك شراب البنفسج، الذي يعتبر أزرق في بيئة متعادلة ويتحول إلى الأخضر في وجود القواعد، والأحمر عند خلطه بالحمض.
في عام 1909
اخترع العالم الدنماركي في الكيمياء الحيوية سورين سورنسن مقياس الأس الهيدروجيني لقياس الدرجة الحمضية. كان سورنسن يدرس نشاط الإنزيمات، والتي هي بروتينات تحفز التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية، ولاحظ أن حموضة المحلول تؤثر على قدرة الإنزيمات على تحفيز هذه التفاعلات، مما جعل الرقم الهيدروجيني وسيلة لقياس تركيز أيونات +H المتاحة للمشاركة في التفاعل.
[+H]log – = الرقم الهيدروجيني
يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14:
- الرقم الهيدروجيني من 0 إلى أقل من 7 يعني وسط حامضي (pH < 7)
- الرقم الهيدروجيني يساوي 7 يعني وسط متعادل (pH = 7) [مرجع]
إسهامات الكيميائيين في تصنيف الحموض والقواعد
تحت إشراف العلماء، تم وضع تعريفات متعددة للأحماض والقواعد استنادًا إلى سلوكها، حتى تم تطوير ثلاث تصنيفات رئيسية للأحماض والقواعد بواسطة كل من أرهينيوس، وبرونستد-لوري، ولويس، كما يلي:
أرهينيوس
قدّم الكيميائي السويدي سفانتي أرهينيوس (1859-1927) المفهوم الأولي للأحماض والقواعد كالتالي:
الأحماض: هي مواد تزيد من تركيز أيونات الهيدرونيوم (+H) في المحلول.
القواعد: هي مواد تزيد من تركيز أيونات الهيدروكسيد (-OH) في المحلول.
على الرغم من أن أرهينيوس ساعد على تفسير أساسيات الكيمياء الحمضية والقاعدية، كانت أفكاره محدودة ولا تستطيع تفسير سلوك بعض المواد مثل الأمونيا (NH3) التي عملت كقاعدة بدون وجود مجموعة (-OH).
برونستد-لوري
في عام 1923، نشر العالمان الدنماركي يوهانس برونستد والإنجليزي توماس لوري أوراقًا مستقلة تتوسع في تعريف مفهوم أرهينيوس للأحماض والقواعد كالتالي:
الحمض هو مانح للبروتون (+H) بينما القاعدة هي مستقبل للبروتون (+H).
تتضمن التفاعلات الحمضية-القاعدية مجموعتين من الأزواج الحمضية-القاعدية المترافقة. ومع ذلك، فإن هذه النظرية لا تفسر السلوك الحمضي القاعدي في المذيبات غير القطبية مثل البنزين والديوكسان، ولا التفاعلات بين الأكاسيد الحمضية والأساسية مثل CaO وBaO وMgO، التي تحدث حتى في غياب المذيب.
لويس
يعتبر تعريف لويس الأكثر شمولية ودقة، حيث ينص على:
الحمض هو مستقبل لزوج الإلكترونات غير الرابطة ويحتوي على أورbitals فارغة.
القاعدة هي مانحة لزوج الإلكترونات غير الرابطة.
الخصائص الكيميائية والفيزيائية للأحماض
تشمل الخصائص الكيميائية والفيزيائية للأحماض ما يلي:
- تتميز الأحماض بطعم حامض، كما هو الحال في الفواكه الحمضية المحتوية على حمض الستريك، والخل الذي يحتوي على حمض الخليك، وحمض اللاكتيك الموجود في اللبن.
- يتغير لون ورقة عباد الشمس من الأزرق إلى الأحمر عند التعرض للأحماض.
- تنتج عن تفاعلها مع المعادن فقاعات من غاز الهيدروجين.
- الرقم الهيدروجيني (pH) أقل من 7.
- توصل المحاليل المائية للأحماض تيارًا كهربائيًا، حيث تعتبر بعض الأحماض إلكتروليتات قوية لأنها تتأين تمامًا في الماء بينما تعتبر البعض الآخر إلكتروليتات ضعيفة لأنها تتأين بشكل جزئي.
الخصائص الكيميائية والفيزيائية للقواعد
تشمل الخصائص الكيميائية والفيزيائية للقواعد ما يلي:
- طعم مر.
- ملمس لزج يشبه الصابون.
- الرقم الهيدروجيني (pH) أعلى من 7.
- يتغير لون ورقة عباد الشمس من الأحمر إلى الأزرق.
- المحاليل المائية للقواعد تعمل أيضًا كإلكتروليتات، ويمكن أن تكون قوية أو ضعيفة.
