اسید به ماده‌ای شیمیایی می‌گویند که یون هیدروژن یا پروتون بدهد یا الکترون جذب کند. بسیاری از اسیدها در ساختار شیمیایی خود با اتم هیدروژنی پیوند دارند که در اثر تفکیک در آب، کاتیون و آنیون آزاد می‌کند. هر قدر غلظت یون هیدروژن تولیدی بیشتر باشد، محلول، دارای خاصیت اسیدی بیشتر و pH پایین‌تری خواهد بود.

مقدمه

به تصویر زیر نگاه کنید. از حالت چهره کودک می‌توان دریافت که آن‌چه می‌خورد، مزه‌ای ترش دارد. کلمه «اسید» (Acid) ریشه‌ای لاتین به معنای «ترش» دارد. به هنگام واکنش اسیدها و بازها، نمک و آب حاصل می‌شود. در زندگی روزمره، با بسیاری از موادی سروکار داریم که دانشمندان شیمی نام اسید را برای آن‌ها انتخاب کرده‌اند. آب پرتقال و گریپ‌فروت حاوی سیتریک اسید هستند و زمانی که شیر، مزه‌ای ترش پیدا می‌کند، لاکتیک اسید خواهد داشت.

نظریه اسیدها

دانشمندان تعاریف مختلفی را برای اسیدها ذکر کرده‌‌اند. این تعریف‌ها به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

  • اسید آرنیوس
  • اسید «برونستد-لوری» (Brønsted-Lowry)
  • اسید لوییس

زمانی که شخصی واژه اسید را بکار می‌برد به طور معمول به اسید آرنیوس یا برونستد-لوری اشاره دارد. اسید لوییس را به طور معمول، همان اسید لوییس می‌نامند. در ادامه، هریک از تعریف‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اسید آرنیوس

تعریف آرنیوس از واکنش اسید-باز سبب توسعه نظریه هیدروژنی اسیدها شد و از آن برای تعریف جدید اسیدها و بازها استفاده می‌کنند. تلاش‌های آرنیوس در این زمینه سبب شد تا جایزه نوبل شیمی را در سال ۱۹۰۳ کسب کند.

طبق تعریف، اسید آرنیوس به ماده‌ای می‌گویند که در اثر تفکیک در آب، یون هیدروژن $$H ^ +$$ آزاد کند. به بیان دیگر، در محلول‌های آبی، اسید، غلظت یون‌های $$H ^ +$$ را افزایش می‌دهد. این پروتون‌دهی به آب، سبب تشکیل یون هیدرونیوم $$(H _ 3 O ^ +)$$ می‌شود.

اسید برونستد لوری

طبق تعریف برونستد-لوری، اسید به ماده‌ای می‌گویند که بتواند پروتون بدهد. این تعریف، محدودیت کمتری ایجاد می‌کند چراکه سایر حلال‌ها به غیر از آب نیز در این تعریف دخیل هستند. به طور کلی، هر ترکیبی که بتواند پروتون از دست بدهد، اسید نام دارد. در این تعریف، آمین‌ها و الکل‌ها نیز جای می‌گیرند. تعریف برونستد-لوری، متداول‌ترین تعریفی است که در خصوص اسیدها بکار برده می‌شود.

اسید لوییس

اسید لوییس به ترکیبی می‌گویند که بتواند با دریافت یک جفت الکترون، پیوند کووالانسی تشکیل دهد. طبق این تعریف، برخی از موادی که شامل هیدروژن نیستند هم به عنوان اسید شناخته می‌شوند. از جمله این مواد می‌توان به آلومینیوم تری‌کلرید با فرمول $$(AlCl_3)$$ و بور تری‌فلوئورید با فرمول $$(BF_3)$$ اشاره کرد.

با توجه به اهمیت یادگیری اسیدها و بازها در علم شیمی، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش شیمی عمومی کرده که لینک آن در ادامه آمده است.

اسیدهای قوی و ضعیف

قدرت اسیدها متناسب با میزان تفکیک شدن آن در آب و تولید یون است. توجه داشته باشید که این مفهوم را با غلظت اسیدها اشتباه نگیرید چراکه غلظت اسیدها بیانگر مقدار ماده حل‌شده از آن‌ها در آب ذکر می‌شود. می‌توان محلولی غلیظ از اسیدی ضعیف داشت یا اینکه محلولی رقیق از اسیدی قوی داشته باشیم. در ادامه به بررسی مفهوم اسیدهای قوی و ضعیف خواهیم پرداخت.

اسیدهای قوی

طبق تعریف برونستد-لوری، زمانی که یک اسید در آب حل می‌شود، یون هیدروژن به مولکول آب منتقل می‌شود و یون‌های مثبت و منفی، بسته به نوع اسید مورد استفاده، تشکیل می‌شوند. معادله واکنش کلی به صورت زیر خواهد بود.

$$\begin{equation}
\mathrm{HA}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \quad \Longrightarrow \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}+\mathrm{A}^{-}
\end{equation}$$

همانطور که در رابطه بالا نشان داده شده است، واکنش بالا، واکنشی برگشت‌پذیر است اما در برخی موارد، اسید به خوبی در آب تفکیک می‌شود که می‌توان این واکنش را یک‌طرفه در نظر گرفت. به طور مثال، به هنگام انحلال هیدروژن کلرید در آب و تولید هیدروکلریک اسید، واکنش را می‌توان به صورت یک‌طرفه و به شکل زیر نوشت:

$$\begin{equation}
\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{[0]}+\mathrm{HCl}_{(9)} \longrightarrow \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}{ }_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{Cl}_{\text {(aq) }}
\end{equation}$$

در هر لحظه، حدود ۱۰۰ درصد هیدروژن کلرید به یون هیدرونیوم و کلر تبدیل می‌شود. هیدروژن کلرید را به عنوان نوعی اسید قوی می‌شناسند. به بیان دیگر، اسید قوی‌ به اسیدی می‌گویند که در حدود ۱۰۰ درصد آن در محلول، تفکیک شود. اسیدهایی همچون سولفوریک اسید و نیتریک اسید را نیز به عنوان اسیدهای قوی طبقه‌بندی می‌کنند. واکنش تفکیک اسیدها در بالا را می‌توان به صورت خلاصه‌شده و به صورت زیر نوشت:

$$\begin{equation}
\mathrm{HCl}_{(\mathrm{aq})} \longrightarrow \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cl}_{(\mathrm{aq})}
\end{equation}$$

معادله بالا نشان می‌دهد که هیدروژن کلرید با تفکیک در آب به یون‌های هیدروژن و کلر تبدیل می‌شود. در حقیقت، زمانی که در این معادله $$H ^ + _{(aq)}$$ را بکار می‌بریم، منظورمان همان $$H _ 3 O ^ +$$ است.

pH اسید و باز و کاغذ لیتموس

برای اینکه بتوان به خاصیت اسیدی یا بازی یک ماده، عددی نسبت داد از مقیاسی به نام «pH» بهره می‌گیریم. این مقیاس، معمول‌ترین روشی است که می‌توان به قدرت اسیدی و بازی یک ماده پی برد. مقیاس pH بین صفر تا ۱۴ تغییر می‌کند که کمترین عدد، بیشترین خاصیت اسیدی و بیشترین عدد، بیشتری خاصیت بازی را نشان می‌دهد.

راه دیگر برای شناسایی اسید و باز، بهره‌گیری از شناساگرهای اسید و باز از جمله کاغذ لیتموس است. رنگ کاغذ لیتموس در محلول‌های اسیدی به رنگ قرمز و در محلول‌های بازی به رنگ آبی تبدیل می‌شود.

تعریف pH

pH معیاری برای اندازه‌گیری غلظت یون هیدروژن در یک محلول است. اسیدهای قوی همچون هیدروکلریک اسید که در آزمایشگاه‌‌های شیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند، pH بین ۰ تا ۱ دارند. به شکل ریاضی، pH را به صورت منفی لگاریتم پایه ۱۰ غلظت مولار یون هیدروژن و به شکل زیر تعریف می‌کنند:

$$\begin{equation}
\mathrm{pH}=-\log _{10}\left[\mathrm{H}^{+}\right] \end{equation}$$

اسیدهای ضعیف

اسید ضعیف به اسیدی می‌گویند که به هنگام انحلال در آب، به طور کامل تفکیک نمی‌شود. استیک اسید (اتانوییک اسید) از جمله اسیدهای ضعیف به شمار می‌آید. این ماده به هنگام واکنش با آب، به یون هیدروژن و اتانوات تفکیک می‌شود. این یون‌ها به سادگی در واکنش با یکدیگر به طور مجدد آب و اسید تولید می‌کنند که واکنش آن در زیر آورده شده است.

$$\begin{equation}
\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}
\end{equation}$$

در هر لحظه تنها ۱ درصد از مولکول‌های اسید به یون تبدیل می‌شوند و مابقی به صورت مولکول‌های اتانوییک اسید باقی می‌مانند. بیشتر اسیدهای آلی از جمله اسیدهای ضعیف به شمار می‌آیند. هیدروژن فلوئورید نیز از جمله اسیدهای معدنی ضعیف به شمار می‌آید که در آزمایشگاه‌های شیمی، استفاده زیادی از آن می‌شود.

مقایسه قدرت اسیدهای ضعیف

برای سنجش قدرت تفکیک اسیدهای ضعیف می‌توان رابطه ثابت تعادل را برای واکنش تفکیک آن‌ها نوشت. هرقدر مقدار ثابت تعادل، کمتر باشد، تعادل به طرف چپ میل می‌کند. به طور مثال، واکنش تفکیک زیر را در نظر بگیرید:

$$\begin{equation}
\mathrm{HA}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \quad \rightleftharpoons \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}+\mathrm{A}^{-}
\end{equation}$$

برای نوشتن ثابت تعادل، ممکن است رابطه زیر را در نظر بگیریم که با توضیحاتی همراه است:

$$\begin{equation}
\mathrm{K}_{\mathrm{C}}=\frac{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]\left[\mathrm{A}^{-}\right]}{[\mathrm{HA}]\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right]}
\end{equation}$$

اما اگر با دقت به رابطه بالا نگاه کنیم، این رابطه به طور کامل برای واکنش بالا صحیح نیست. در مخرج کسر، عبارتی برای غلظت آب در نظر گرفته شده است. در هر یک لیتر از محلول، در حدود ۵۵ مول آب وجود دارد. اگر اسیدی ضعیف با غلظت ۱ مولار داشته باشید و تنها ۱ درصد از آن با آب وارد واکنش شود، تعداد مول‌های آب به 0/01 کاهش پیدا می‌کنند. به عبارت ساده‌تر، اگر اسیدی ضعیف داشته باشیم، غلظت آب تقریبا ثابت است.

با در نظر گرفتن این غلظت ثابت، ثابت تعادل را برای واکنش بالا به صورت زیر می‌نویسیم:

$$\begin{equation}
\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]\left[\mathrm{A}^{-}\right]}{[\mathrm{HA}]}
\end{equation}$$

اگر شکل ساده‌تر واکنش تفکیک را در نظر بگیریم، رابطه ثابت تعادل یا به عبارت دیگر، ثابت تفکیک اسیدها به صورت زیر خواهد بود:

$$\begin{equation}
\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[\mathrm{H}^{+}\right]\left[\mathrm{A}^{-}\right]}{[\mathrm{HA}]}
\end{equation}$$

مثال تفکیک اسیدهای ضعیف

رابطه تفکیک اسیدها به صورت زیر است. رابطه ثابت تعادل (ثابت تفکیک اسیدها) را در واکنش زیر و شکل ساده آن بنویسید.

$$\begin{equation}
\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\rightleftharpoons\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}
\end{equation}$$

رابطه ثابت تعادل به صورت زیر خواهد بود:

$$\begin{equation}
\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}\right]\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]}{\left[\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}\right]}
\end{equation}$$

اگر از شکل ساده‌تر تفکیک استفاده کنیم، به واکنش زیر می‌رسیم:

$$\begin{equation}
\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH} \quad \rightleftharpoons \quad \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H}^{+}
\end{equation}$$

و رابطه ثابت تعادل نیز به صورت زیر خواهد بود:

$$\begin{equation}
\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}\right]\left[\mathrm{H}^{+}\right]}{\left[\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}\right]}
\end{equation}$$

اسید قوی و ضعیف
نمونه‌هایی از اسیدهای قوی و ضعیف

تعریف pKa

همانند pH، می‌توان رابطه‌ای ریاضی را برای $$K_a$$ تعریف کرد تا مقیاس بهتری بدست آید. این رابطه به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$\begin{equation}
\mathrm{pK}_{\mathrm{a}}=-\log _{10} \mathrm{~K}_{\mathrm{a}}
\end{equation}$$

با توجه به رابطه بالا درمی‌یابیم که هرچه اسیدی ضعیف‌تر داشته باشیم، مقدار $$pK_a$$ بزرگتر خواهد بود و برعکس.

کاربرد اسیدها

در ادامه، برخی از کاربرد اسیدها را بررسی می‌کنیم.

سرکه، استیک اسیدی رقیق است که کاربردهای زیادی در زندگی روزمره ما دارد و در انواع ترشی‌ها و غذاها از آن استفاده می‌شود. همانطور که در ابتدای متن هم گفته شد، آب لیمو و پرتقال حاوی سیتریک اسید هستند که از جمله کربوکسیلیک اسیدها به شمار می‌آید.

در بسیاری از باتری‌ها از جمله باتری خودروها از سولفوریک اسید استفاده می‌شود. علاوه بر این، در تولید صنعتی مواد منفجره، رنگ‌ها، جوهر و کودهای شیمیایی از این ماده بهره می‌گیرند. همچنین ماده اصلی در نوشابه‌های گازدار، فسفریک اسید است.

نام گذاری اسیدها

برای نام‌گذاری اسیدها از آنیون آن‌ها (آنیون متصل به هیدروژن) استفاده می‌شود. در اسیدهای دوتایی (باینری)، یک یون به هیدروژن متصل شده است. برای نام‌گذاری این نوع از اسیدها از پیشوند «هیدرو» و پسوند «یک» در انتهای آن استفاده می‌شود. به طور مثال، نام «$$HI$$»، هیدرویدیک اسید خواهد بود.

در ترکیبات اسیدی پیچیده‌تر که شامل یک اتم اکسیژن بیشتر هستند، به جای پسوند «یک» از پسوند «ات» بهره می‌گیرند. همچنین، ترکیبات چنداتمی که یک اتم اکسیژن کمتر دارند، از پسنود «وس» و ترکیباتی با دو اتم اکسیژن کمتر از پیشوند «هیپو» و پسوند «وس» استفاده می‌شود. برای درک بهتر نام‌گذاری اسیدها می‌توانید به جدول زیر نگاه کنید که آنیون و نام اسیدهای حاصل، نوشته شده است.

نوشتن فرمول شیمیایی اسیدها

همچون سایر ترکیبات، اسیدها نیز به لحاظ الکتریکی خنثی هستند و بنابراین، بار الکتریکی در بخش آنیون باید با بار الکتریکی یون $$H^+$$ برابر باشد. روش دیگر برای نوشتن فرمول شیمیایی اسیدها، روش ضربدری است که در تصویر مشاهده می‌کنید که برای نوشتن $$H_2SO_4$$ مورد استفاده قرار گرفته است.

سوالات متداول در خصوص اسیدها و بازها

در ادامه، به برخی از سوالات مهم پیرامون اسیدها و بازها می‌پردازیم.

چه چیزی سبب اسیدی یا بازی شدن یک ماده می شود؟

اسیدها به فرآورده‌هایی شامل یون‌های هیدروژن می‌گویند که محلول آن‌ها، تعداد یون هیدروژن بیشتری نسبت به یون هیدروکسید دارند. به همین شکل نیز اگر غلظت هیدروکسید بیشتر باشد، محلولی بازی خواهیم داشت.

اسید چیست و چه خواصی دارد؟

اسیدها ترکیباتی یونی هستند که به هنگام انحلال در آب، یون هیدروژن تولید می‌کنند و مزه‌ای ترش دارند. این مواد، بسیار خورنده هستند و به هنگام انحلال در آب، توانایی هدایت جریان الکتریکی را دارند و در اثر واکنش با فلزات، گاز هیدروژن آزاد می‌کنند. برای شناسایی محلول‌های اسیدی می‌توان از شناساگرهای اسید و باز مانند کاغذ لیتموس استفاده کرد. کاربرد دیگر این شناساگرها در آزمایش‌های تیتراسیون است.

تفاوت اصلی بین اسیدها و بازها در چه چیزی است؟

اسیدها و بازها هردو خورنده هستند اما تفاوت اصلی اسیدها و بازها را باید در مقیاس pH ذکر کرد. همانطور که در متن نیز توضیح داده شده، هر ماده‌ای با pH بین ۰-۷، اسید و بین ۷-۱۴، باز است.

اسیدها چه نقشی در بدن انسان دارند؟

اسیدها نقشی اساسی را در بدن انسان ایفا می‌کنند. وجود هیدروکلریک اسید در معده سبب شکستن مولکول‌های پیچیده غذا و هضم آن می‌شود. همچنین، آمینو اسیدها برای ترمیم بافت بدن مورد نیاز هستند.

چند نمونه از اسیدها را نام ببرید؟

از جمله اسیدها می‌توان به اسیدهای زیر اشاره کرد:

$$HCl, HNO_3, H_2SO_4, HBr, HI, HClO_4,HClO_3$$

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سهیل بحر کاظمی (+)

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 6 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *