فرادرسخواص اسید و باز — به زبان ساده
در مباحث قبلی «مجله فرادرس»، مطالبی در خصوص واکنش اسید و باز و همچنین، ثابت تفکیک اسید بیان شد. در این مطلب قصد داریم تا به بررسی خواص اسید و باز بپردازیم. می‌دانیم که اسیدها، مواد شیمیایی هستند که بواسطه مزه ترش در محیطی آبی شناسایی می‌شوند و بازها نیز مزه تلخی دارند اما این روش برای مشخصه‌سازی اسیدها و بازها مناسب نیست و راه‌های متفاوت دیگری را باید جستجو کرد.
مروری بر مفهوم اسید و باز در شیمی
سه دسته‌بندی کلی برای اسید و باز وجود دارد که در زیر به آن اشاره شده است:
- آرنیوس: در یک محلول، اسید $$H^+$$ و باز $$OH^-$$ تولید میکند. این نظریه توسط «سوانت آرنیوس» (Svante Arrhenius) در سال ۱۸۸۳ توسعه داده شد.
- برونستد-لوری: بر طبق این نظریه، اسید به هر ذره‌ای می‌گویند که دهنده یک پروتون $$(H ^+)$$ باشد و هر ذره‌ای که پذیرنده پروتون باشد را می‌توان در دسته بازها قرار داد.
- اسید لوییس: نظریه اسید و باز لوییس بیان میکند که اسیدها، پذیرنده جفت‌الکترون و بازها دهنده جفت‌الکترون هستند.
خواص اسیدها
بسیاری از افراد در ابتدای صبح، چای یا قهوه می‌نوشند. اما در بسیاری از موارد، تمیز کردن قهوه‌ساز و چای‌ساز قدری دشوار است و رسوبات آهکی که در این وسایل تشکیل می‌شوند، کارآیی آن‌ها را کاهش می‌دهند. بهترین راه برای از بین بردن این رسوبات، استفاده از کمی سرکه (استیک اسید رقیق) و جوشاندن ظرف است.
سرکه، رسوبات را در خود حل میکند و به این ترتیب، ظرف چای‌ساز یا قهوه‌جوش، تمیز می‌شود. این کار، نمونه‌ای ساده از بکارگیری خواص اسید و باز در زندگی روزمره به شمار می‌آید. اسیدها در بسیاری از غذاهایی که می‌خوریم وجود دارند. مرکبات همچون پرتقال و لیمو شامل سیتریک اسید و آسکوربیک اسید هستند. نوشابه‌های گازدار، مقادیر کمی از فسفریک اسید را شامل می‌شوند و در سرکه نیز، استیک اسید داریم. حتی معده انسان در دستگاه گوارش با استفاده از هیدروکلریک اسید، عمل هضم غذا را انجام می‌دهد.
اسیدها به دلیل خواصی که در محلول‌های آبی دارند، بخش بسیار مهمی از شیمی را تشکیل می‌دهند. این خواص در زیر آورده شده‌اند:
- محلول‌های آبی اسیدها، الکترولیت هستند به این معنی که می‌توانند جریان الکتریکی را عبور دهند. برخی از اسیدها، الکترولیت قوی به شمار می‌آیند زیرا به طور کامل در آب تفکیک می‌شوند و یون‌های بسیاری را تولید می‌کنند. سایر اسیدها نیز الکترولیت‌هایی ضعیف هستند که به طور کامل در آب تفکیک نمی‌شوند.
- اسیدها مزه‌ای ترش دارند. لیمو، سرکه و حتی آبنبات‌های ترش، شامل اسید هستند.
- اسیدها رنگ برخی از شناساگرهای اسید-باز را تغییر می‌دهند. دو نوع معمول از این معرف‌ها، لیتموس و فنول‌فتالئین هستند. لیتموس آبی در حضور یک اسید به رنگ قرمز تبدیل می‌شود و فنول‌فتالئین نیز بی‌رنگ خواهد شد.
- اسیدها با فلزات فعال برای تولید گاز هیدروژن واکنش می‌دهند. می‌دانید که سری‌های واکنش‌پذیری، فهرستی از فلزات هستند که به ترتیبِ کاهش واکنش‌پذیری، مرتب شده‌اند. فلزاتی که در بالای این فهرست قرار دارند، در یک واکنش جابجایی (جانشینی) ساده شرکت می‌کنند و اتم دیگری جایگزین هیدروژن می‌شود که نمونه‌ای از این واکنش را در زیر مشاهده می‌کنید.
$${Z n} \left( s \right) + {H_2 S O_4} \left( a q \right) \rightarrow {Z n S O_4} \left( aq \right) +{H_2} \left( g \right)$$
- اسیدها در واکنش با بازها، آب و نمک تولید می‌کنند. زمانیکه تعداد مول برابر از یک اسید با باز ترکیب شود، اسید توسط باز، خنثی می‌شود. فرآورده چنین واکنشی، یک ترکیب یونی (نمک) به همراه آب است.
خواص بازها
حتما برای شما پیش آمده است که غذای زیادی خورده و تا ساعت‌ها بعد، احساس خوبی نداشته باشید. این احساس به دلیل تولید اضافی اسید معده برای هضم غذا است.
این احساس را می‌توان با مصرف ضداسیدها برطرف کرد. باز موجود در ضداسید با $$H Cl$$ موجود در معده واکنش می‌دهد و آن‌را خنثی میکند تا این احساس برطرف شود. در بررسی خواص اسید و باز مشاهده می‌شود که خواص بازها، نقطه مقابل خواص اسیدها به شمار می‌آیند و این خواص در ادامه آورده شده‌اند:
- محلول‌های آبی از بازها نیز الکترولیت هستند و مانند اسیدها می‌توانند، بازهایی قوی یا ضعیف باشند.
- بازها به طور معمول، مزه‌ای تلخ دارند و نسبت به اسیدها، کمتر در غذاها می‌شوند.
- بازها نیز رنگ معرف‌ها را تغییر می‌دهند. در حضور یک باز، لیتموس به رنگ آبی و فنول‌فتالئین به رنگ بنفش تبدیل می‌شود.
- بازها آن‌گونه که اسیدها با فلز واکنش می‌دهند، وارد واکنش با فلزات نمی‌شوند.
- در واکنش اسید و باز، آب و نمک به تولید می‌رسد.
توجه داشته باشید که چشیدن مواد شیمیایی برای بررسی خواص اسید و باز به عنوان روشی آزمایشگاهی در نظر گرفته نمی‌شود و به همین دلیل می‌توان از مقیاس pH برای این کار استفاده کرد.
مقیاس pH
از آن‌جایی که اسیدها مقدار یون‌های $$H^+$$ و بازها مقدار یون‌های $$OH^-$$ را افزایش می‌دهند، به کمک «مقیاس pH» می‌توان قدرت اسیدی و بازی را از طریق غلظت یون‌های $$H^+$$ اندازه‌گیری کرد. رابطه این مقیاس در زیر آورده شده است:
$$p H = - \log [H ^ +]$$
پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مقیاس و یادگیری محاسبات آن، به مبحث «pH چیست؟ — به زبان ساده» رجوع کنید. مقیاس pH را به طور معمول در بازهای بین ۱-۱۴ سنجش می‌کنند. به هنگام بررسی خواص اسید و باز ماده‌ای که pH کمتر از ۷ داشته باشد بیانگر خاصیت اسیدی و pH بزرگتر از ۷، خاصیت بازی را نشان می‌دهد. اگر این عدد برابر با ۷ باشد، ترکیبی خالص (خنثی) خواهیم داشت. هرقدر غلظت $$H^+$$ بیشتر باشد، pH کمتری داریم. برای اینکه به میزان غلظت اسید و باز دسترسی داشته باشیم، از تیتراسیون بهره می‌گیریم.
تیتراسیون
همانطور که گفته شد برای تعیین غلظت اسیدها و بازها از تیتراسیون استفاده می‌کنند. در نقطه تعادل، تعداد مول‌های اسید با تعداد مول‌های باز برابر است که نشان می‌دهد، واکنش، خنثی شده است. در زیر به طور خلاصه، محاسبات مربوط به تیتراسیون را شرح می‌دهیم اما برای بررسی دقیق این محاسبات می‌توانید مطالب «تیتراسیون اسید باز — از صفر تا صد» و «تیتراسیون اکسایش کاهش — از صفر تا صد» را مطالعه کنید. به طور مثال، هیدروکلریک اسید را به کمک سدیم هیدروکسید تیتر می‌کنند.
$$H C l_ {(a q)}+ N a O H_ {(a q)} \rightarrow H _{2} O _{(l)}+ N a C l _{(s)}$$
فرض کنید، ۳۰ میلی‌لیتر از محلول ۱ مولار سدیم هیدروکسید برای تیتر کردن ۶۰ میلی‌لیتر از محلول HCl نیاز داشته باشیم. در اینجا، غلظت هیدروکلریک اسید مورد نیاز است.
می‌دانیم که در نقطه تعادل، تعداد مول سدیم هیدروکسید با تعداد مول هیدروکلریک اسید برابر است. بنابراین، با توجه به رابطه $$n = Mtimes V$$، حاصلضرب غلظت در حجم اسید با حاصلضرب غلظت در حجم باز، برابر خواهد بود که در رابطه زیر به ترتیب با زیروندهای ۱ و۲ نشان داده شده‌اند.
در نقطه تعادل: تعداد مول NaOH = تعداد مول HCl
$$M _ 1 V_ 1 = M_2 V_2$$
برای محاسبه مولاریته HCl، اطلاعات در دسترس را در فرمول قرار می‌دهیم:
$$\begin{equation} \begin {array} {l}
\mathrm{M}_{\mathrm{H Cl}} (60 \mathrm{m L} \mathrm{H Cl})=(1.00 \mathrm{M} \mathrm{Na OH}) (30 \mathrm{m L} \mathrm{Na OH}) \
\mathrm {M}_{\mathrm {H Cl}}=0.5 \mathrm {M}
\end {array} \end{equation}$$
خواص اسید و باز در واکنش‌های شیمیایی
حال که به طور کلی با خواص اسید و باز و نحوه سنجش غلظت آن‌ها آشنا شدیم، خواص اسید و باز را در واکنش‌های شیمیایی بررسی می‌کنیم تا اطلاعات دقیق‌تری بدست آوریم.
واکنش اسیدها و بازها با فلزات
زمانیکه یک فلز با اسید واکنش می‌دهد، در بیشتر موارد، جایگزین هیدروژن اسید می‌شود. در اثر این اتفاق، گاز هیدروژن تولید خواهد شد. برای تشکیل نمک، فلز با اسید ترکیب می‌شود. از جمله این واکنش‌ها می‌توان به واکنش سولفوریک اسید با روی اشاره کرد.
$$H_ 2S O_4 ~+~ Zn ~rightarrow ~Zn S O4 ~+ ~H_2$$
مواد قلیایی (بازهای محلول در آب)، برای تشکیل نمک و تولید گاز هیدروژن با فلزات واکنش می‌دهند که واکنش روی با سدیم هیدروکسید، نمونه‌ای از آن‌ها است.
$$2~ Na O H~ +~ Zn ~rightarrow~ Na_2Z n O_2 ~+~ H_2$$
واکنش کربنات ها و بی کربنات های فلزی با اسیدها
کربنات‌ها و بی‌کربنات‌های فلزی در اثر واکنش با اسیدها، نمک، دی‌اکسید کربن و آب تولید می‌کنند. به طور مثال، واکنش سدیم کربنات با هیدروکلریک اسید به صورت زیر است:
$$Na _2C O_3~ + ~H Cl~ (aq)~rightarrow ~2N a Cl ~(aq)~ +~ H_2O (l)~ +~ C O_2$$
واکنش اکسیدهای فلزی با اسیدها
اکسیدهای فلزی در واکنش با اسیدها، آب و نمک تولید می‌کنند. به طور مثال، واکنش اکسید مس با هیدروکلریک اسید رقیق به شکل زیر خواهد بود.
$$C u O ~ + ~2 H C l ~rightarrow~ C u C l_2 ~+~ H _2$$
واکنش اکسیدهای نافلزی با بازها
در صورتیکه اکسیدهای نافلزی با بازها واکنش دهند، آب و نمک تولید می‌کنند. از جمله این واکنش‌ها می‌توان به واکنش دی‌اکسید کربن و آب آهک (کلسیم هیدروکسید) اشاره کرد.
$$C O_2 ~+ ~C a~ (O H)_2~ \rightarrow~ Ca C O_3 ~+ ~H_ 2O$$
واکنش بین اسید و باز
همانطور که پیش‌تر هم گفته شد،در واکنش اسید و باز، آب و نمک به تولید می‌رسد. به این نوع از واکنش‌ها، «واکنش خنثی شدن» (Neutralization Reactions) می‌گویند. از جمله این واکنش‌ها، واکنش سدیم هیدروکسید با هیدروکلریک اسید است.
$$NaOH ~+ ~HCl ~rightarrow~ NaCl ~+ ~H_2O$$
خنثی شدن اسید و باز
واکنش بین اسید و باز، همواره سبب تولید آب و نمک می‌شود. در یک واکنش خنثی شدن، یک یون $$H ^ +$$ از اسید با یک یون $$OH^-$$ از باز خنثی می‌شود. زمانیکه تمامی یون‌های $$H ^ +$$ یک اسید با تعداد برابر از یون‌های $$OH^-$$ خنثی شوند، واکنش خنثی شدن کامل خواهیم داشت. مقدار نسبی اسید و باز مورد نیاز برای تکمیل واکنش خنثی شدن، به تعداد کل یون‌های $$H ^ +$$ و $$OH^-$$ تولیدی اسید و باز بستگی دارد.
جدول خواص کلی اسیدها و بازها
خواص فیزیکی اسید و باز در زیر به صورت خلاصه آورده شده‌اند.
| خاصیت | اسید | باز |
| رنگ | اسیدهای معدنی ، مایعاتی بی‌رنگ هستند اما در برخی موارد، سولفوریک اسید به دلیل ناخالصی، زردرنگ است. برخی از اسیدهای آلی همچون بنزوییک اسید نیز جامدهای سفیدرنگ هستند. | بازها به غیر از هیدروکسیدهای آهن و مس، همگی بی‌رنگ هستند. |
| طعم | ترش | تلخ |
| انحلال‌پذیری | محلول در آب | برخی از بازها در آب محلول هستند. |
سوالات متداول در خصوص اسید و باز
در ادامه و پس از بررسی خواص اسید و باز به بررسی برخی از سوالات متداول در این زمینه خواهیم پرداخت.
اسیدها چه کاربردی دارند؟
از اسیدها حتی برای انبار کردن شیر نیز استفاده می‌شود. همچنین، در باتری‌ها به طور معمول از سولفوریک اسید وجود دارد. در حقیقت، باتری خودروها با کارکرد خود و طی واکنش‌های الکتروشیمیایی، این اسید را تولید می‌کنند. در تهیه مواد منفجره، رنگ‌ها و کودها از سولفوریک اسید و نیتریک اسید استفاده می‌شود.
چند نمونه اسید و باز را نام ببرید؟
اسیدها مایعاتی هستند که سبب افزایش غلظت یون‌های هیدروژن می‌شوند. اسیدهای معمول بسیاری وجود دارند مثل: آب لیمو (سیتریک اسید)، سرکه (استیک اسید)، اسید معده و نوشابه گازدار (کربنیک اسید). اسیدها به طور معمول، ترکیباتی با یون مثبت هیدروژن، متصل به آنیون منفی هستند.
نتیجه واکنش اسید و باز چیست؟
همانطور که در متن توضیح داده شد، واکنش بین اسید و باز سبب تولید دو فرآورده، یکی آب و دیگری ترکیبی یونی موسوم به نمک می‌شود. به چنین واکنش‌هایی، واکنش‌های خنثی شدن می‌گویند. به طور مثال، سدیم هیدروکسید در واکنش با هیدروکلریک اسید، نمک سدیم کلرید و آب تولید می‌کنند.
برخی از خواص اسیدها را نام ببرید؟
زمانی که اسیدها در آب حل شوند، رسانایی الکتریکی خواهند داشت و با فلزها برای تولید گاز هیدروژن، واکنش می‌دهند. از برخی ترکیبات معرف همچون لیتموس نیز می‌توان برای شناسایی اسیدها استفاده کرد. خاصیت اسیدی (اسیدیته) را می‌توان با مقیاس pH مشخص کرد.
آب خاصیت اسیدی دارد یا بازی؟
آب (خالص) هم اسید و هم باز است و میزان pH آب خالص برابر با ۷ ذکر می‌شود. در حقیقت، آب خالص، دارای خاصیتی خنثی است چراکه یون‌های مثبت و منفی تولیدی با یکدیگر برابر هستند. برای آب می‌توان خاصیت آمفوتری در نظر گرفت.
اسید خالص چیست؟
اسیدهای خالص (اسیدهای بی‌آب) از مولکول‌های کوچک کووالانسی تشکیل شده‌اند.
