أساسيات (الكيمياء)

في الكيمياء ، توجد ثلاثة تعريفات شائعة الاستخدام لكلمة " قاعدة ": قواعد أرهينيوس ، وقواعد برونستد ، وقواعد لويس . وتتفق جميع التعريفات على أن القواعد هي مواد تتفاعل مع الأحماض ، كما اقترحها جي. إف. رويل في منتصف القرن الثامن عشر.

في عام ١٨٨٤، اقترح سفانت أرهينيوس أن القاعدة هي مادة تتفكك في المحلول المائي لتكوين أيونات الهيدروكسيد (OH⁻ ⁾ . تتفاعل هذه الأيونات مع أيونات الهيدروجين (H⁺ ^وفقًا لأرهينيوس) الناتجة عن تفكك الأحماض لتكوين الماء في تفاعل حمض-قاعدة . ولذلك، كانت القاعدة عبارة عن هيدروكسيد فلزي مثل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) أو هيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH) _₂ ). وُصفت محاليل الهيدروكسيد المائية هذه أيضًا بخصائص مميزة، فهي زلقة الملمس، وقد يكون مذاقها مرًا ، ^{[ ١ ]} وتُغير لون مؤشرات الرقم الهيدروجيني (على سبيل المثال، تحويل ورقة عباد الشمس الحمراء إلى اللون الأزرق).

في الماء، تُنتج القواعد، بتغييرها لتوازن التأين الذاتي ، محاليل يكون فيها نشاط أيون الهيدروجين أقل من نشاطه في الماء النقي، أي أن درجة حموضة الماء أعلى من 7.0 في الظروف القياسية. تُسمى القاعدة الذائبة قلويًا إذا احتوت على أيونات الهيدروكسيد (OH⁻ ⁾ وأطلقتها كميًا . أكاسيد الفلزات ، والهيدروكسيدات ، وخاصة الألكوكسيدات، هي قواعد، والقواعد المرافقة للأحماض الضعيفة هي قواعد ضعيفة.

تُعتبر القواعد والأحماض متضادات كيميائية ، إذ يزيد الحمض من تركيز ^أيونات الهيدرونيوم (H₃O⁺ ₎ في الماء، بينما تُقلل القواعد من هذا التركيز. يُسمى التفاعل بين المحاليل المائية للحمض والقاعدة بالتعادل ، وينتج عنه محلول من الماء والملح، حيث ينفصل الملح إلى أيوناته المكونة له. إذا كان المحلول المائي مشبعًا بملح معين ، فإن أي كمية إضافية من هذا الملح تترسب خارج المحلول.

في نظرية برونستد-لوري العامة للأحماض والقواعد (1923)، تُعرَّف القاعدة بأنها مادة قادرة على استقبال كاتيونات الهيدروجين (H ⁺ )، المعروفة أيضًا بالبروتونات . ويشمل ذلك الهيدروكسيدات المائية، حيث يتفاعل أيون الهيدروكسيد (OH- ^{) مع أيون الهيدروجين (H +)} لتكوين الماء، ولذلك تُعتبر قواعد أرهينيوس مجموعة فرعية من قواعد برونستد. مع ذلك، توجد أيضًا قواعد برونستد أخرى تستقبل البروتونات، مثل المحاليل المائية للأمونيا (NH3 _{) أو} مشتقاتها العضوية ( الأمينات ). ^{[ 2 ]} لا تحتوي هذه القواعد على أيون الهيدروكسيد، ولكنها مع ذلك تتفاعل مع الماء، مما يؤدي إلى زيادة تركيز أيون الهيدروكسيد. ^{[ 3 ]} كذلك، تحتوي بعض المذيبات غير المائية على قواعد برونستد التي تتفاعل مع البروتونات المذابة . على سبيل المثال، في الأمونيا السائلة ، NH ₂ ⁻ هو النوع الأيوني الأساسي الذي يستقبل البروتونات من NH ₄ ⁺ ، وهو النوع الحمضي في هذا المذيب.

أدرك جي. إن. لويس أن الماء والأمونيا والقواعد الأخرى قادرة على تكوين رابطة مع البروتون نظرًا لوجود زوج إلكتروني غير مشترك في هذه القواعد. ^{[ 3 ]} في نظرية لويس ، تُعرَّف القاعدة بأنها مانحة لزوج من الإلكترونات ، حيث يمكنها مشاركة هذا الزوج مع مستقبل إلكترونات يُوصف بأنه حمض لويس. ^{[ 4 ]} تُعدّ نظرية لويس أكثر عمومية من نموذج برونستد، لأن حمض لويس ليس بالضرورة بروتونًا، بل قد يكون جزيئًا آخر (أو أيونًا) يحتوي على مدار فارغ منخفض الطاقة، قادر على استقبال زوج من الإلكترونات. ومن الأمثلة البارزة على ذلك ثلاثي فلوريد البورون (BF3 ₎ .

تم اقتراح بعض التعريفات الأخرى لكل من القواعد والأحماض في الماضي، ولكنها لا تستخدم بشكل شائع اليوم.

ينبع مفهوم القاعدة من مفهوم كيميائي قديم عن "المصفوفة":

يبدو أن مصطلح "القاعدة" قد استُخدم لأول مرة عام 1717 من قِبل الكيميائي الفرنسي لويس ليميري ، كمرادف لمصطلح "المصفوفة" الباراسيلسي الأقدم . وتماشياً مع المذهب الروحاني السائد في القرن السادس عشر ، افترض باراسيلسوس أن الأملاح الطبيعية تنمو داخل الأرض نتيجةً لتغلغل حمض أو مبدأ أساسي عالمي في مصفوفة ترابية أو رحم. ... ومع ذلك، يُنسب معناه الحديث ودخوله إلى المصطلحات الكيميائية عادةً إلى الكيميائي الفرنسي غيوم فرانسوا رويل . ... في عام 1754، عرّف رويل الملح المتعادل صراحةً بأنه الناتج المتكون من اتحاد حمض مع أي مادة، سواء أكانت قلويًا قابلًا للذوبان في الماء، أو قلويًا متطايرًا، أو ترابًا ماصًا، أو معدنًا، أو زيتًا، قادرة على العمل "كقاعدة" للملح "بإعطائه شكلًا ملموسًا أو صلبًا". كانت معظم الأحماض المعروفة في القرن الثامن عشر سوائل متطايرة أو "مذيبات" قابلة للتقطير، بينما كانت الأملاح، بطبيعتها، مواد صلبة بلورية. ولذلك، فإن المادة التي تعادل الحمض هي التي يفترض أنها تقضي على تطايره أو مذيبه، وهي التي تمنح الملح الناتج خاصية الصلابة (أي تعطيه قاعدة صلبة).

تشمل الخصائص العامة للقواعد ما يلي:

• تُعد القواعد المركزة أو القوية مواد كاوية على المواد العضوية وتتفاعل بعنف مع المواد الحمضية.
• تتفكك المحاليل المائية أو القواعد المنصهرة إلى أيونات وتوصل الكهرباء.
• التفاعلات مع المؤشرات : تحول القواعد ورق عباد الشمس الأحمر إلى اللون الأزرق، والفينول فثالين إلى اللون الوردي، وتحافظ على لون بروموثيمول الأزرق الطبيعي الأزرق، وتحول لون ميثيل البرتقالي إلى اللون الأصفر.
• الرقم الهيدروجيني للمحلول القاعدي في الظروف القياسية أكبر من سبعة.
• القواعد مُرّة. ^{[ 6 ]}

يمثل التفاعل التالي التفاعل العام بين قاعدة (B) والماء لإنتاج حمض مرافق (BH ⁺ ) وقاعدة مرافقة (OH ⁻ ): ^{[ 3 ]}$${\displaystyle {\ce {{B}_{(aq)}+ {H2O}_{(l)<=> {BH+}_{(aq)}+ {OH-}_{(aq)}}}}$$يمكن إيجاد ثابت التوازن، K _b ، لهذا التفاعل باستخدام المعادلة العامة التالية: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle K_{b}={\frac {[BH^{+}][OH^{-}]}{[B]}}}$

في هذه المعادلة، تتنافس القاعدة (B) والقاعدة القوية للغاية (القاعدة المرافقة OH⁻ ⁾ على البروتون. ^{[ 7 ]} ونتيجةً لذلك، فإن القواعد التي تتفاعل مع الماء لها قيم ثابتة اتزان صغيرة نسبيًا. ^{[ 7 ]} وتكون القاعدة أضعف عندما تكون قيمة ثابت اتزانها أقل. ^{[ 3 ]}

تتفاعل القواعد مع الأحماض لتعادل بعضها البعض بسرعة في كل من الماء والكحول. ^{[ 8 ]} عند إذابة قاعدة هيدروكسيد الصوديوم القوية في الماء، فإنها تتأين إلى أيونات الهيدروكسيد وأيونات الصوديوم.

${\displaystyle {\ce {NaOH -> Na+ + OH-}}}$

وبالمثل، في الماء، يشكل حمض كلوريد الهيدروجين أيونات الهيدرونيوم والكلوريد:

${\displaystyle {\ce {HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}}}$

عند مزج المحلولين، فإن H₃ O ⁺و OH ⁻تتحد الأيونات لتكوين جزيئات الماء:

${\displaystyle {\ce {H3O+ + OH- -> 2H2O}}}$

إذا تم إذابة كميات متساوية من NaOH و HCl، فإن القاعدة والحمض يتعادلان تمامًا، ولا يتبقى سوى NaCl، وهو ملح الطعام بشكل فعال ، في المحلول.

يُنصح باستخدام قواعد ضعيفة، مثل صودا الخبز أو بياض البيض، لمعادلة أي انسكابات حمضية. أما معادلة الانسكابات الحمضية بقواعد قوية، مثل هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم ، فقد تُسبب تفاعلاً طارداً للحرارة عنيفاً، وقد تُلحق القاعدة نفسها ضرراً مماثلاً لضرر الحمض الأصلي.

القواعد هي مركبات قادرة عمومًا على معادلة كمية من الحمض. كل من كربونات الصوديوم والأمونيا قواعد، على الرغم من أن أيًا من هاتين المادتين لا يحتوي على أيون الهيدروكسيد ^(OH⁻) .المجموعات. كلا المركبين يستقبلان أيون الهيدروجين (H ⁺⁾ عند ذوبانهما في مذيبات بروتونية مثل الماء:

${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + H2O -> 2Na+ + HCO3- + OH-}}}$

${\displaystyle {\ce {NH3 + H2O -> NH4+ + OH-}}}$

ومن هذا، يمكن حساب الرقم الهيدروجيني ، أو الحموضة، للمحاليل المائية للقواعد.

تُعرَّف القاعدة أيضًا بأنها جزيء قادر على استقبال رابطة زوج إلكتروني من خلال دخوله غلاف التكافؤ لذرة أخرى عبر امتلاكه زوجًا إلكترونيًا واحدًا. ^{[ 8 ]} يوجد عدد محدود من العناصر التي تمتلك ذرات قادرة على منح الجزيئات خصائص قاعدية. ^{[ 8 ]} يمكن للكربون أن يعمل كقاعدة، وكذلك النيتروجين والأكسجين . يمتلك الفلور، وأحيانًا الغازات النادرة، هذه القدرة أيضًا. ^{[ 8 ]} يحدث هذا عادةً في مركبات مثل بوتيل الليثيوم ، والألكوكسيدات ، وأميدات المعادن مثل أميد الصوديوم . قواعد الكربون والنيتروجين والأكسجين غير المستقرة بالرنين عادةً ما تكون قواعد قوية جدًا، أو قواعد فائقة ، لا يمكنها التواجد في محلول مائي بسبب حموضة الماء. مع ذلك، يُتيح الاستقرار بالرنين قواعد أضعف مثل الكربوكسيلات؛ على سبيل المثال، أسيتات الصوديوم قاعدة ضعيفة .

القاعدة القوية هي قاعدة تتأين كليًا عند تعرضها للماء. وينتج هذا التأين الكامل عن تأثير التسوية . قد يُسبب مصطلح "القاعدة القوية" بعض الالتباس، لأن "القوية" هنا تُشير إلى فئة من القواعد وليست وصفًا نوعيًا. على سبيل المثال، الغوانيدين جزيء قاعدي جدًا، لكنه لا يُصنّف كقاعدة قوية لأنه لا يتأين كليًا بالماء.

من الأمثلة الشائعة للقواعد القوية هيدروكسيدات الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية ، مثل هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد الكالسيوم على التوالي. ونظرًا لانخفاض ذوبانها ، يمكن استخدام بعض القواعد، مثل هيدروكسيدات الفلزات القلوية الترابية، عندما لا يُؤخذ عامل الذوبان في الاعتبار. ^{[ 9 ]}

إحدى مزايا انخفاض الذوبان هذه هي أن "العديد من مضادات الحموضة كانت عبارة عن معلقات من هيدروكسيدات المعادن مثل هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم "؛ ^{[ 10 ]} وهي مركبات ذات ذوبانية منخفضة وقدرة على منع زيادة تركيز أيون الهيدروكسيد، مما يحمي أنسجة الفم والمريء والمعدة من التلف. ^{[ 10 ]} ومع استمرار التفاعل وذوبان الأملاح، يتفاعل حمض المعدة مع الهيدروكسيد الناتج عن هذه المعلقات. ^{[ 10 ]}

تتحلل القواعد القوية في الماء تحللاً كاملاً بفعل تأثير التسوية . ^{[ 8 ]} في هذه العملية، يعمل جزيء الماء كحمض لبرتنة القاعدة، مما يؤدي إلى تكوين أيون الهيدروكسيد. ^{[ 8 ]} في الظروف اللامائية، يمكن لبعض القواعد القوية أن تنزع بروتونات من روابط C-H الحمضية الضعيفة. فيما يلي قائمة ببعض القواعد القوية:

تظهر كاتيونات هذه القواعد القوية في المجموعتين الأولى والثانية من الجدول الدوري (الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية). كما تُعدّ هيدروكسيدات الأمونيوم رباعية الألكلة قواعد قوية لأنها تتفكك كليًا في الماء. أما الغوانيدين فهو حالة خاصة من المركبات التي تتميز بثبات استثنائي عند بروتنتها، وهو ما يُشابه السبب الذي يجعل حمض البيركلوريك وحمض الكبريتيك من الأحماض القوية جدًا.

القاعدة الضعيفة هي التي لا تتأين بشكل كامل في المحلول المائي ، أو التي يكون فيها التأين غير مكتمل. على سبيل المثال، يستقبل الأمونيا بروتونًا من الماء وفقًا للمعادلة ^{[ 12 ].}

NH ₃ (aq) + H ₂ O(l) → NH ⁺ ₄ (aq) + OH ⁻ (aq)

ثابت التوازن لهذا التفاعل عند 25  درجة مئوية هو 1.8 × 10 ⁻⁵ ، ^{[ 13 ]} بحيث يكون مدى التفاعل أو درجة التأين صغيرًا جدًا.

قاعدة لويس أو مانح أزواج الإلكترونات هي جزيء يحتوي على زوج أو أكثر من الإلكترونات الحرة عالية الطاقة، والتي يمكن مشاركتها مع مدار فارغ منخفض الطاقة في جزيء مستقبل لتكوين مركب إضافي . بالإضافة إلى أيون الهيدروجين (H ^{+ )، تشمل} مستقبلات أزواج الإلكترونات المحتملة (أحماض لويس) جزيئات متعادلة مثل BF3 _{وأيونات} فلزية ذات حالة أكسدة عالية مثل Ag2 ⁺ وFe3 ⁺ وMn7 ⁺ . تُوصف المركبات الإضافية التي تتضمن أيونات فلزية عادةً بأنها معقدات تناسقية . ^{[ 14 ]}

وفقًا للصيغة الأصلية للويس ، عندما تُكوّن قاعدة متعادلة رابطة مع حمض متعادل، تنشأ حالة من الإجهاد الكهربائي. ^{[ 8 ]} يتشارك الحمض والقاعدة زوج الإلكترونات الذي كان سابقًا للقاعدة. ^{[ 8 ]} ونتيجة لذلك، يتولد عزم ثنائي قطبي عالٍ، لا يمكن إنقاصه إلى الصفر إلا بإعادة ترتيب الجزيئات. ^{[ 8 ]}

من أمثلة القواعد الصلبة ما يلي:

• مخاليط الأكاسيد: SiO ₂ ، Al ₂ O ₃ ؛ MgO ، SiO ₂ ؛ CaO ، SiO ₂ ^{[ 15 ]}
• القواعد المثبتة: LiCO ₃ على السيليكا؛ NR ₃ ، NH ₃ ، KNH ₂ على الألومينا؛ NaOH ، KOH مثبتة على السيليكا على الألومينا ^{[ 15 ]}
• المواد الكيميائية غير العضوية: BaO، KNaCO ₃ ، BeO، MgO، CaO، KCN ^{[ 15 ]}
• راتنجات التبادل الأنيوني ^{[ 15 ]}
• الفحم الذي تم معالجته عند 900 درجة مئوية أو تنشيطه باستخدام _N2O ، _NH3 ، _{ZnCl2 -} NH4Cl - _CO2 ^{[ 15 ]}

تُحدد قوة القاعدة على سطح صلب بناءً على قدرته على تكوين قاعدة مترافقة بنجاح عن طريق امتصاص حمض متعادل كهربائيًا. ^{[ 16 ]} ويُستخدم "عدد المواقع القاعدية لكل وحدة مساحة سطحية للمادة الصلبة" للتعبير عن مقدار قوة القاعدة الموجودة على محفز قاعدي صلب. ^{[ 16 ]} وقد طور العلماء طريقتين لقياس عدد المواقع القاعدية: الأولى، المعايرة بحمض البنزويك باستخدام المؤشرات، والثانية، امتزاز الحمض الغازي. ^{[ 16 ]} تمتص المادة الصلبة ذات القوة القاعدية الكافية مؤشرًا حمضيًا متعادلًا كهربائيًا، مما يؤدي إلى تغير لون المؤشر الحمضي إلى لون قاعدته المترافقة. ^{[ 16 ]} عند إجراء طريقة امتزاز الحمض الغازي، يُستخدم أكسيد النيتريك . ^{[ 16 ]} ثم تُحدد المواقع القاعدية بحساب كمية ثاني أكسيد الكربون الممتص. ^{[ 16 ]}

يمكن استخدام المواد القاعدية كعوامل حفزية غير متجانسة غير قابلة للذوبان في التفاعلات الكيميائية . ومن الأمثلة على ذلك أكاسيد المعادن مثل أكسيد المغنيسيوم ، وأكسيد الكالسيوم ، وأكسيد الباريوم ، بالإضافة إلى فلوريد البوتاسيوم على الألومينا وبعض أنواع الزيوليت . تُعدّ العديد من المعادن الانتقالية عوامل حفزية جيدة، وكثير منها يُشكّل مواد قاعدية. تُستخدم العوامل الحفزية القاعدية في الهدرجة ، وهجرة الروابط المزدوجة ، واختزال ميروين-بوندورف-فيرلي ، وتفاعل مايكل ، وغيرها الكثير. يمكن أن يكون كل من أكسيد الكالسيوم وأكسيد الباريوم عوامل حفزية عالية النشاط عند تسخينهما إلى درجات حرارة عالية. ^{[ 16 ]}

• يُستخدم هيدروكسيد الصوديوم في صناعة الصابون والورق والألياف الصناعية رايون .
• يُستخدم هيدروكسيد الكالسيوم (الجير المطفأ) في صناعة مسحوق التبييض.
• يُستخدم هيدروكسيد الكالسيوم أيضًا لتنظيف ثاني أكسيد الكبريت ، الناتج عن العادم الموجود في محطات توليد الطاقة والمصانع. ^{[ 10 ]}
• يُستخدم هيدروكسيد المغنيسيوم كمضاد للحموضة لمعادلة الحموضة الزائدة في المعدة وعلاج عسر الهضم.
• يستخدم كربونات الصوديوم كصودا غسيل ولتليين الماء العسر.
• يستخدم بيكربونات الصوديوم (أو بيكربونات الصوديوم الهيدروجينية) كصودا الخبز في طهي الطعام، وفي صنع مساحيق الخبز، وكمضاد للحموضة لعلاج عسر الهضم، وفي مطفأة حريق حمض الصودا.
• يُستخدم هيدروكسيد الأمونيوم لإزالة بقع الشحوم من الملابس

تُسمى القواعد التي تحتوي على أيون هيدروكسيد واحد قابل للتأين (OH⁻ ^{) لكل وحدة صيغة} أحادية البروتون لأنها تستطيع استقبال بروتون واحد (H⁺ ⁾ . أما القواعد التي تحتوي على أكثر من أيون هيدروكسيد واحد لكل وحدة صيغة فتُسمى متعددة البروتونات . ^{[ 17 ]}

يُطلق على عدد أيونات الهيدروكسيد (OH⁻ ⁾ القابلة للتأين الموجودة في وحدة صيغة واحدة من القاعدة اسم حموضة القاعدة. ^{[ 18 ] [ 19 ]} وبناءً على الحموضة، يمكن تصنيف القواعد إلى ثلاثة أنواع: أحادية الحموضة، وثنائية الحموضة، وثلاثية الحموضة.

القواعد أحادية الحمض

عندما ينتج عن تأين جزيء واحد من قاعدة ما أيون هيدروكسيد واحد ، تُسمى هذه القاعدة قاعدة أحادية الحمض أو أحادية البروتون . ومن أمثلة القواعد أحادية الحمض:

هيدروكسيد الصوديوم ، هيدروكسيد البوتاسيوم ، هيدروكسيد الفضة ، هيدروكسيد الأمونيوم ، إلخ.

القواعد ثنائية الحمض

عندما ينتج عن تأين جزيء واحد من القاعدة تأين كامل ينتج عنه أيونان من الهيدروكسيد ، يُقال إن القاعدة ثنائية الحمض أو ثنائية البروتون . ومن أمثلة القواعد ثنائية الحمض:

هيدروكسيد الباريوم ، هيدروكسيد المغنيسيوم ، هيدروكسيد الكالسيوم ، هيدروكسيد الزنك ، هيدروكسيد الحديد (II) ، هيدروكسيد القصدير (II) ، هيدروكسيد الرصاص (II) ، هيدروكسيد النحاس (II) ، إلخ.

• ثراء القواعد (يستخدم في علم البيئة، ويشير إلى البيئات)
• المعايرة

• تعريف كلمة " base" في قاموس ويكشنري