نظريات تعريف الأحماض والقواعد

نظريات تعريف الأحماض والقواعد

تعتبر الأحماض والقواعد من أهم المفاهيم في الكيمياء والكيمياء الحيوية، ويتم تعريفهم عادة من خلال النظريات التالية:

1- نظرية أرهينيوس:

تعتبر نظرية أرهينيوس لتعريف الأحماض والقواعد أول نظرية تم تطويرها في مجال الكيمياء لتفسير التفاعلات الحمضية والقاعدية.

حيث قدم أرهينيوس تعريفًا للحمض في نظريته التي اقترحها في عام 1884، وتقول النظرية إن الأحماض هي المواد التي تتفكك في الماء وتعطي أيونات الهيدروجين (H+) عند التفكك.

بينما القواعد بموجب هذه النظرية، تعرف على أنها مواد تحتوي على أيون هيدروكسيد سالب (OH-)، والذي يمكن أن يتفاعل مع المركب الحمضي لتشكيل ملح وماء.

وعلى هذا الأساس، يمكن كتابة التفاعلات الكيميائية كما يلي:

–HCl + H2O → H3O+ + Cl

NaOH + H2O → Na+ + OH– + H2O

ملحوظة مهمة جدا:

عندما يتفكك حمض الهيدروكلوريك (HCl) في الماء، يطلق الأيون الهيدروجيني H+ ويتحد مع الماء لتكوين أيون الهيدرونيوم (H3O+)، الذي يمثل الحمض في المحلول المائي.

ويمكن استخدام نظرية أرهينيوس لتعريف معظم الأحماض والقواعد الشائعة، ولكنها لا تنطبق على جميع الأحماض والقواعد بنفس الدقة.

وعلى الرغم من أن هذه النظرية قد أصبحت قديمة، إلا أنها لا تزال مهمة في فهم الخصائص الأساسية للأحماض والقواعد في الكيمياء. و قد تم تطوير نظريات أخرى أكثر تفصيلاً لتعريف الأحماض والقواعد.

2-نظرية برونستد-لوري:

يمكن تعريف الأحماض بأنها المواد التي تتبرع بالبروتونات (أيون الهيدروجين) في التفاعلات الكيميائية.بينما القواعد: هي المركبات التي تتفاعل مع الماء لتستقبل أيون الهيدروجين (H+).

وعلى هذا الأساس، يمكن تعريف القواعد بأنها المواد التي تتقبل البروتونات (أيون الهيدروجين) في التفاعلات الكيميائية.

ويتميز تعريف الحمض والقاعدة في نظرية برونستد-لوري بأنه يعتمد على عملية تحويل البروتونات بين المركبات الكيميائية،

ولا يعتمد على تواجد الأيونات الهيدروكسيدية (OH-) والأيونات الهيدروجين السالبة (H-) كما في النظرية الأرهينيوسية.

وبالتالي، يمكن استخدام هذا التعريف لتفسير التفاعلات الكيميائية التي تشمل تحويل البروتونات، بغض النظر عن التركيزات النسبية للأيونات في المحلول.

على سبيل المثال، إذا قمت بتفاعل حمض الأسيتيك CH3COOH مع الماء H2O، فسيؤدي ذلك إلى تحول حمض الأسيتيك إلى أيون هيدرونيوم H3O+، وأيون أسيتات CH3COO-:

–CH3COOH + H2O ⇌ H3O+ + CH3COO

وبهذا التحويل، يمكن اعتبار حمض الأسيتيك كمانح للبروتونات، في حين يمكن اعتبار الماء قاعدة كمستقبل للبروتونات، حيث تم استقبال البروتون من حمض الأسيتيك وتحوله إلى أيون هيدرونيوم H3O+.

3-نظرية لويس:

تعتبر نظرية لويس للأحماض والقواعد واحدة من النظريات المهمة في الكيمياء، والتي تم تقديمها من قبل الكيميائي الأمريكي جيلبرت لويس في عام 1923.

وفقًا لنظرية لويس، يتم تعريف الحمض كأي مادة قادرة على قبول زوج من الإلكترونات، بينما تعرف القاعدة بأنها أي مادة قادرة على التبرع بزوج من الإلكترونات.

وبما أن الإلكترونات هي المسؤولة عن التفاعلات الكيميائية، فإن تعريف الحمض والقاعدة في نظرية لويس يعتمد على تحويل الإلكترونات بين المركبات الكيميائية.

وعلى هذا الأساس، يمكن لأي جزئ أو أيون يحتوي على ذرة أكسجين، نيتروجين، كبريت أو هالوجينات أن يكون أحمضًا بمقدرة قبول زوج إلكتروني، بينما يمكن لأي جزيء أو أيون يحتوي على ذرة ليثيوم، صوديوم، بوتاسيوم أو مغنيسيوم، أن يكون قاعدة بمقدرة التبرع بزوج إلكتروني.

و بالتالي فهي تقترح أن الحمض هو أي مركب يمكنه قبول زوج من الإلكترونات  والقاعدة هي أي مركب يمكنه تقديم زوج من الإلكترونات .

وبالتالي، تكون التفاعلات الكيميائية بين الحمض والقاعدة على هيئة تبادل زوج من الإلكترونات، والتي تسمى بتفاعلات الإلكترونات المشتركة.

على سبيل المثال، عندما يتفاعل حمض الهيدروكلوريك مع القاعدة  هيدروكسيد الصوديوم ، يتم تبادل زوج من الإلكترونات بين ذرة الهيدروجين في الحمض وذرة الأكسجين في القاعدة لتشكيل ماء وملح كلوريد الصوديوم ، كما يوضح المعادلة التالية:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

ويمكن تفسير هذه النظرية باستخدام المثال التالي

يعتبر جزئ الأمونيا NH3 قاعدة، حيث تحتوي على ذرة نيتروجين مع ثلاث ذرات هيدروجين. وعندما تتفاعل الأمونيا مع حمض الهيدروكلوريك HCl، فإن الأمونيا تقوم بتقديم زوج من الإلكترونات للهيدروجين الموجود في حمض الهيدروكلوريك، مما يؤدي إلى تكوين مركب أمونيوم كلوريد NH4Cl.

ويمكن ملاحظة أن نظرية لويس تعطي نظرة أشمل لتعريف الحمض والقاعدة، حيث لا يقتصر الاهتمام على الأيونات الهيدروجينية فقط، بل يتم النظر إلى تفاعل الذرات بشكل أكبر وتعاملها مع الزوج الألكتروني .

وفي الختام لابد من توضيح أهمية دراسة النظريات في العلوم بشكل عام، حيث تساعد في فهم الظواهر الطبيعية والتنبؤ بما سيحدث في المستقبل وتطوير التكنولوجيا والبحث العلمي وتعميم النتائج.

وتعتبر دراسة نظريات تعريف الأحماض والقواعد من الأساسيات في الكيمياء الحديثة، وتتمثل فائدتها في:

1- فهم الطبيعة الكيميائية للمواد الحامضية والقاعدية، وتفاعلاتها مع بعضها البعض ومع المواد الأخرى، مما يساعد على تطوير الصيغ والتفاعلات الكيميائية.

2- توضيح الأسس النظرية لعدد من العمليات الحيوية الحيوية في الكائنات الحية، مثل هضم الطعام والتنفس والتمثيل الغذائي.

3- تطوير المواد الكيميائية وتحسين صفاتها وخصائصها واستخداماتها في مجالات عديدة مثل الصناعة، والزراعة، والطب، وغيرها، مما ينعكس على تحسين حياة الناس للأفضل.

و أخيرا يمكن القول أن دراسة نظريات تعريف الأحماض والقواعد تساعد على فهم العالم الكيميائي والطبيعي وتطوير التكنولوجيا وتحسين جودة الحياة بشكل عام.