إسهامات الكيميائيين في فهم خصائص الأحماض والقواعد

تعتبر معرفة نوع المادة المستخدمة في المختبرات أو حتى في الطهي ذات أهمية كبيرة، سواء في التفاعلات الكيميائية أو في الظروف الحياتية اليومية، مما يساعدنا على التعامل معها بالشكل الصحيح.

خلال العصر اليوناني القديم

لم تكن خصائص الأحماض والقواعد معروفة جيدًا في العصور القديمة. خلال محاولاتهم لتصنيف المواد، استخدم الإغريق مجموعة متنوعة من الاختبارات لتحديد خصائص المركبات المختلفة. من هذه الأساليب، تم تصنيف المواد حسب طعمها، فكانوا يفصلون بينها في فئات مثل: حامضة، مرّة، مالحة، أو حلوة.

بدأ الإغريق في تسمية المواد الحامضة، مثل الخل وعصير الليمون، بالأحماض. يمثل مصطلح “حمض” و “أسيتيك” اشتقاقًا من الكلمة اللاتينية “أسيري” التي تعني “طعم حامض”. ومن الجدير بالذكر أن القواعد لم تحظ بدراسة شاملة في تلك الفترة.

خلال العصر الذهبي الإسلامي وعصر النهضة، بدأ الكيميائيون في اكتساب فهم أعمق لخصائص الأحماض، حيث اكتشفوا أن الأحماض القوية تؤدي إلى تآكل المعادن وتذوب بعض الصخور.

في العصور الوسطى، كان للخيميائيين في العصور الإسلامية مجموعة متنوعة من الأحماض والقواعد، مثل:

• كربونات الصوديوم (الصودا)
• كربونات البوتاسيوم (البوتاس)
• الأمونيا
• حامض الهيدروكلوريك
• حامض الكبريتيك
• حمض الأسيتيك
• حمض الستريك
• حامض الكبريتيك

في حوالي عام 1300

ابتكر العالم الإسباني أرنالدو دو فيلا نوفا تقنية استخدام ورق عباد الشمس لدراسة الأحماض والقواعد. وتم توسيع هذه الفكرة لاحقًا بواسطة روبرت بويل، الذي اكتشف أن بعض المواد المستخلصة من النباتات تغير لونها عند التفاعل مع الأحماض أو القواعد. مثال على ذلك هو شراب البنفسج، الذي يصبح أزرقًا في بيئة متعادلة لكنه يتحول إلى اللون الأخضر في وجود القواعد، وإلى الأحمر عند ملامسته للأحماض.

في عام 1909

اخترع الكيميائي الدنماركي سورين سورنسن مقياس الأس الهيدروجيني لقياس درجة الحمضية. أثناء دراسته لنشاط الإنزيمات – البروتينات التي تحفز التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية – لاحظ أن حموضة المحلول تؤثر على قدرة الإنزيمات على تحفيز التفاعلات، مما يجعل الرقم الهيدروجيني وسيلة فعالة لقياس تركيز أيونات +H في المحلول المتاحة للمشاركة في التفاعل.

الرقم الهيدروجيني يتم حسابه من خلال الصيغة: [+H] log – = الرقم الهيدروجيني

يمتد مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14:

• الرقم الهيدروجيني من 0 إلى أقل من 7 يمثل وسطًا حامضيًا (PH < 7)
• الرقم الهيدروجيني = 7 يشير إلى وسط متعادل (PH = 7)

إسهامات الكيميائيين في تصنيف الأحماض والقواعد

بدأ العلماء بعد ذلك في وضع تعاريف دقيقة للأحماض والقواعد حسب سلوكها، مما أدى إلى تصنيفات ثلاث رئيسية وضعها كل من أرهينيوس، برونستد-لوري، ولويس، كما يلي:

أرهينيوس

كان الكيميائي السويدي سفانتي أرهينيوس (1859-1927) هو الكيميائي الذي درس الأحماض والقواعد ليضع المفهوم الأولي لها. حيث عرف:

الأحماض بأنها مواد تزيد من تركيز أيونات الهيدرونيوم (+H) في المحلول.

القواعد بأنها مواد تزيد من تركيز أيونات الهيدروكسيد (-OH) في المحلول. ومع أن أرهينيوس ساعد في توضيح المبادئ الأساسية للكيمياء الحمضية والقاعدية، إلا أن مفاهيمه كانت محدودة في تفسير سلوك بعض المواد مثل الأمونيا (NH3) التي تصرفت كقاعدة رغم عدم وجود مجموعة (-OH).

برونستد-لوري

في عام 1923، نشر العلماء يوهانس برونستد (الدنماركي) وتوماس لوري (الإنجليزي) دراسات مستقلة وسعت من مفهوم أرهينيوس للأحماض والقواعد.

الأحماض تعتبر مانحة للبروتونات أيون (+H) بينما القواعد هي مستقبلات للبروتونات (+H).

تتضمن التفاعلات الحمضية القاعدية أزواجًا من أحماض وقواعد مترافقة. ومع ذلك، فإن هذه النظرية لم تتمكن من تفسير السلوك الحمضي القاعدي في المذيبات غير الحيوية مثل البنزين والديوكسان، كما لم تستطع تفسير التفاعلات بين الأكاسيد الحمضية والأساسية مثل CaO و BaO و MgO، إذ تحدث مثل هذه التفاعلات بدون وجود مذيب ودون نقل بروتون.

لويس

تعتبر نظرية لويس الأكثر شمولًا ودقة، حيث تنص على:

الأحماض ككونها مستقبلات لزوج الإلكترونات غير الرابطة، بينما القواعد هي مانحات لزوج الإلكترونات غير الرابطة.

الخواص الكيميائية والفيزيائية للأحماض

تتلخص الخواص الكيميائية والفيزيائية للأحماض في النقاط التالية:

• تمتاز الأحماض بطعم حامض مشابه للفواكه الحمضية التي تحتوي على حمض الستريك، والخل الذي يحتوي على حمض الأسيتيك، وحمض اللاكتيك في اللبن.
• تحول ورقة عباد الشمس من اللون الأزرق إلى اللون الأحمر.
• تطلق فقاعات من غاز الهيدروجين عند تفاعلها مع المعادن.
• الرقم الهيدروجيني (PH) أقل من 7.
• تعمل المحاليل المائية للأحماض كموصلات كهربائية، حيث تعتبر بعض الأحماض إلكتروليتات قوية لأنها تتأين بالكامل في الماء، بينما تعتبر البعض الآخر إلكتروليتات ضعيفة لأنها تتأين جزئيًا.

الخواص الكيميائية والفيزيائية للقواعد

تظهر الخواص الكيميائية والفيزيائية للقواعد بما يلي:

• تتميز بالطعم المر.
• ملمسها لزج شبيه بالصابون.
• الرقم الهيدروجيني (PH) للقواعد يكون أكبر من 7.
• تحول ورقة عباد الشمس من اللون الأحمر إلى الأزرق.
• تعتبر المحاليل المائية للقواعد أيضًا إلكتروليتات، حيث يمكن أن تكون القواعد قوية أو ضعيفة.