العلوم الفيزيائية🎓 هدف البكالوريا

تطور جملة كيميائية نحو حالة التوازن تطور حالة جملة كيميائية خلال تحول كيميائي نحو حالة التوازن

التحولات حمض–أساس: التشرد الذاتي للماء و سلم الـ ⁦pH⁩

🔊 المعلّمة تقرأ لك
وجدنا في الدرس السابق أنّ الماء النقيّ نفسه يتفكّك ذاتيا، وأنّ نسبة تقدّم هذا التفكّك من رتبة جزء من مليار. كيف يفرض هذا التحوّل الضئيل جدّا سلوك كلّ المحاليل المائية ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تحسب تركيز شوارد الهيدروكسيد انطلاقا من الـ pH باستعمال الجداء الشاردي للماء
  • أن تحكم على طبيعة محلول بمقارنة تركيزَي الشاردتين، لا بالـ pH وحده
  • أن تكتب عبارة ثابت الحموضة لثنائية معطاة، وتعرف لماذا لا يظهر الماء فيها
  • أن ترتّب حمضين أو أساسين حسب قوّتهما انطلاقا من الـ pH أو من pKa
  • أن تعيّن الشكل الغالب لثنائية انطلاقا من موضع الـ pH بالنسبة إلى pKa
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • النسبة النهائية للتقدّم وكسر التفاعل وثابت التوازن
  • العلاقة بين الـ pH والتركيز المولي لشوارد الهيدرونيوم

❓إشكالية: سنكتب ثابت التوازن الموافق للتفكّك الذاتي للماء. سنرى أنّه عدد واحد صغير جدّا، وأنّه يحكم كلّ محلول مائي مهما كان ما أُذيب فيه.

1. التشرّد الذاتي للماء و الجداء الشاردي

معادلة التشرّد الذاتي للماء
2H₂O ⇄ H3O+ + OH-

ثابت التوازن الموافق لهذه المعادلة يُسمّى الجداء الشاردي للماء. الماء هنا هو المذيب، فلا يُدرج في العبارة، ولا يبقى فيها إلّا تركيزا الشاردتين.

الجداء الشاردي للماء
Ke=[H3O+]eq × [OH-]eq
Keالجداء الشاردي للماء، مقدار بلا وحدة
قيمته عند ⁦25 °C⁩
Ke = 1,0 × 10-14
الأس pKe
pKe=-log(Ke)=14
الجداء الشاردي للماء ثابت توازن كغيره: لا يتعلّق إلّا بدرجة الحرارة. وهو يصلح في كلّ محلول مائي مهما كان ما أُذيب فيه — لهذا يكفي تركيز إحدى الشاردتين لمعرفة الأخرى.
جسر مع الدرس السابق: الجداء الشاردي للماء ليس قاعدة جديدة تُحفظ. إنّه ثابت التوازن الذي تعلّمتَه، مطبَّقا على تفاعل الماء مع نفسه. كلّ ما قيل عن K يصلح له، بما في ذلك تعلّقه بدرجة الحرارة وحدها.
مثال 1: من الـ pH إلى تركيزَي الشاردتين

محلول مائي قِيس فيه الـ pH عند درجة حرارة خمس وعشرين درجة مئوية.

🎯المطلوب: احسب تركيزَي شوارد الهيدرونيوم و الهيدروكسيد، ثمّ حدّد طبيعة المحلول

📌المعطى
pH = 3,0
🔹الخطوة 1: تركيز شوارد الهيدرونيوم

لأنّ الـ pH لا يعطي مباشرة إلّا تركيز شوارد الهيدرونيوم.

[H3O+]=10-pH=10-3,0=1,0 × 10-3 mol/L
🔹الخطوة 2: تركيز شوارد الهيدروكسيد

لأنّ الجداء الشاردي للماء يربط التركيزين في كلّ محلول مائي: يكفي أن نقسم عليه التركيز المعلوم.

[OH-]=Ke[H3O+]=1,0 × 10-141,0 × 10-3
🔹الخطوة 3: القيمة

لأنّ قسمة قوّتين لعشرة تعني طرح الأُسّين: أربعة عشر ناقص ثلاثة يساوي أحد عشر.

[OH-] = 1,0 × 10-11 mol/L
✅النّتيجة

لأنّ تركيز شوارد الهيدرونيوم يفوق تركيز شوارد الهيدروكسيد بثمانية أضعاف من قوى العشرة: هذا هو تعريف الوسط الحمضي.

[H3O+] > [OH-] ⟹ pH < 7
تحقّق دائما بجمع الأُسّين: ثلاثة زائد أحد عشر يساوي أربعة عشر. إن لم يعطِ الجمع أربعة عشر فالخطأ في الحساب، ولا حاجة لمراجعة بقيّة التمرين.

2. سلّم الـ pH

بما أنّ جداء التركيزين ثابت، فإنّ ارتفاع أحدهما يستلزم انخفاض الآخر. هذا يقسم المحاليل المائية إلى ثلاث حالات، لا أكثر.

التعريف الحقيقي في الإطارات، لا في الأرقام: الطبيعة تُقرأ بمقارنة التركيزين.
المحلول حمضي إذا كان تركيز شوارد الهيدرونيوم أكبر من تركيز شوارد الهيدروكسيد، وأساسي إذا كان أصغر منه، ومعتدل إذا تساوى التركيزان. هذا هو التعريف، والـ pH ليس إلّا ترجمة عددية له.
قيمة 7 ليست خاصّية للعدد سبعة: إنّها نصف الأس pKe عند ⁦25 °C⁩. لو تغيّرت درجة الحرارة لتغيّر الجداء الشاردي، ولانتقل حدّ الاعتدال إلى قيمة أخرى — بينما التعريف بمقارنة التركيزين يبقى صحيحا دائما.

3. ثابت الحموضة Ka و الأس pKa

نطبّق الآن ما تعلّمناه عن ثابت التوازن على تفاعل حمض ضعيف مع الماء. ثابت التوازن الموافق لهذا التفاعل يُسمّى ثابت الحموضة للثنائية، وهو معرَّف للثنائية لا للمحلول.

تفاعل حمض مع الماء
HA + H₂O ⇄ A- + H3O+
ثابت الحموضة
Ka=[A-]eq × [H3O+]eq[HA]eq
الأس pKa
pKa = -log(Ka)
الماء لا يظهر في المقام رغم وجوده في المعادلة، لأنّه المذيب. طبّق هذه القاعدة على الثنائيتين الأخيرتين في الجدول أدناه: هما ثنائيتا الماء نفسه، وفيهما يظهر أثر القاعدة بوضوح.
📌المعطى: أربع ثنائيات و عبارة ثابت الحموضة لكلّ واحدة
الحمضالأساس المرافقمعادلة التفاعل مع الماءعبارة ثابت الحموضة
HCO₂HHCO2-⁦HCO₂H + H₂O ⇄ HCO2- + H3O+⁩⁦Ka = [HCO2-]eq × [H3O+]eq[HCO₂H]eq⁩
⁦NH4+⁩NH₃⁦NH4+ + H₂O ⇄ NH₃ + H3O+⁩⁦Ka = [NH₃]eq × [H3O+]eq[NH4+]eq⁩
H₂OOH-⁦H₂O + H₂O ⇄ OH- + H3O+⁩⁦Ka = [OH-]eq × [H3O+]eq⁩
⁦H3O+⁩H₂O⁦H3O+ + H₂O ⇄ H₂O + H3O+⁩⁦Ka = 1⁩
السطران الأخيران هما ثنائيتا الماء: فيهما اختفى المقام لأنّ الماء مذيب.

4. مقارنة قوّتي حمضين

نقول عن حمض إنّه أقوى كلّما حرّر بروتونه بسهولة أكبر، أي كلّما تشرّد أكثر في الماء. لنقارن، نحضّر المحلولين بالتركيز نفسه ونقيس الـ pH في كلّ منهما.

📌المعطى: قياسات على محلولين لحمضين بالتركيز نفسه
الحمض⁦C (mol/L)⁩pHpKaKaτ
حمض الميثانويك⁦10-2⁩2,93,8⁦1,6 × 10-4⁩⁦13 %⁩
حمض الإيثانويك⁦10-2⁩3,44,8⁦1,6 × 10-5⁩⁦4,0 %⁩
أربعة أعمدة تقول الشيء نفسه: الميثانويك أقوى، والإيثانويك أضعف.
مثال 2: أيّ الحمضين أقوى ؟

المحلولان أعلاه محضَّران بالتركيز نفسه، وقِيس الـ pH في كلّ منهما. الماء بوفرة، فالتقدّم الأعظمي هو حاصل ضرب التركيز في الحجم في الحالتين.

🎯المطلوب: احسب النسبة النهائية للتقدّم في كلّ محلول، ثمّ رتّب الحمضين حسب قوّتهما

📌المعطى
C = 1,0 × 10-2 mol/L ; pH1 = 2,9 ; pH2 = 3,4
🔹الخطوة 1: النسبة بدلالة التراكيز

لأنّ التقدّم النهائي والتقدّم الأعظمي يشتركان في الحجم نفسه، فالحجم يُختصر ولا تبقى إلّا نسبة تركيزين.

τ = [H3O+]fC
🔹الخطوة 2: النسبة في محلول حمض الميثانويك

لأنّ الـ pH الأوّل يساوي 2,9، فتركيز شوارد الهيدرونيوم هو 10 أُسّ ناقص 2,9، والتركيز المحضَّر هو 10 أُسّ ناقص 2.

τ1=10-2,910-2=0,126
🔹الخطوة 3: النسبة في محلول حمض الإيثانويك

لأنّ الحساب نفسه يُعاد بالـ pH الثاني، وهو أكبر، فالتركيز الناتج أصغر.

τ2=10-3,410-2=0,040
✅النّتيجة

لأنّ الأوّل تشرّد بنسبة تفوق الثاني بثلاث مرّات، وقد حُضّرا بالتركيز نفسه: المقارنة مشروعة.

τ1 > τ2 ⟹ HCO₂H > CH₃COOH
المقارنة لا تصحّ إلّا بين محلولين لهما التركيز نفسه. حمض ضعيف مركّز قد يعطي pH أصغر من حمض قويّ ممدّد جدّا — والقوّة لا تُقاس بالـ pH وحده بل بالنسبة.
الماء بوفرة، فالحمض وحده يحدّد التقدّم الأعظمي، وما يتشكّل من شوارد الهيدرونيوم يساوي ما تشرّد من الحمض.
نقول عن حمض إنّه الأقوى إذا كانت قيمة الـ pH لمحلوله أصغر، أو النسبة النهائية لتقدّمه أكبر، أو ثابت الحموضة للثنائية التي ينتمي إليها أكبر، أو الأس pKa أصغر. الأربعة قراءات لواقعة واحدة.

5. مقارنة قوّتي أساسين

نقول عن أساس إنّه أقوى كلّما التقط البروتون بسهولة أكبر. المبدأ نفسه، غير أنّ الشاردة التي تُنتَج هذه المرّة هي شاردة الهيدروكسيد، فنمرّ بالجداء الشاردي للماء للوصول إليها.

تفاعل أساس مع الماء
A- + H₂O ⇄ HA + OH-

الماء هنا أيضا بوفرة، والأساس هو المتفاعل المحدّ. جدول التقدّم نظير جدول الحمض: في الحالة الابتدائية كمّية الأساس ⁦n₀⁩ ولا شيء من الناتجين، وفي الحالة النهائية يبقى من الأساس ⁦n₀ − xf⁩، ويتشكّل ⁦xf⁩ من الحمض المرافق ⁦HA⁩ و ⁦xf⁩ من شوارد الهيدروكسيد.

نظير جدول الحمض: الناتج الذي نقيسه هذه المرّة هو شوارد الهيدروكسيد، وكمّيتها النهائية هي التقدّم النهائي نفسه.

التقدّم الأعظمي هو حاصل ضرب التركيز ⁦C⁩ في الحجم، والتقدّم النهائي هو حاصل ضرب التركيز النهائي لشوارد الهيدروكسيد في الحجم نفسه. الحجم يُختصر، فلا تبقى إلّا نسبة تركيزين:

النسبة النهائية لتقدّم تفاعل أساس مع الماء
τ = [OH-]fC
و بدلالة الـ pH
τ = 10pH - 14C
📌المعطى: قياسات على محلولين لأساسين بالتركيز نفسه
الأساس⁦C (mol/L)⁩pHpKaKaτ
ميثيل أمين⁦10-2⁩11,310,7⁦2,0 × 10-11⁩⁦20 %⁩
الأمونياك⁦10-2⁩10,69,2⁦6,3 × 10-10⁩⁦4,0 %⁩
من جهة الأسس ينقلب الترتيب: الأقوى هو صاحب pKa الأكبر.
انتبه إلى انقلاب المعيار حين ننتقل من الأحماض إلى الأسس: الحمض الأقوى هو صاحب pKa الأصغر، والأساس الأقوى هو صاحب pKa الأكبر. الثنائية واحدة، والقراءتان متعاكستان لأنّ ثابت الحموضة يصف الحمض لا الأساس.
مثال 3: أيّ الأساسين أقوى ؟

المحلولان أعلاه محضَّران بالتركيز نفسه، وقِيس الـ pH في كلّ منهما عند خمس وعشرين درجة مئوية.

🎯المطلوب: احسب النسبة النهائية للتقدّم في كلّ محلول، ثمّ رتّب الأساسين حسب قوّتهما

📌المعطى
C = 1,0 × 10-2 mol/L ; pH1 = 11,3 ; pH2 = 10,6
🔹الخطوة 1: النسبة بدلالة الـ pH

لأنّ الـ pH يعطي تركيز شوارد الهيدرونيوم، والمطلوب تركيز شوارد الهيدروكسيد: نمرّ بالجداء الشاردي للماء، فيصير الأُسّ pH ناقص أربعة عشر.

τ = 10pH - 14C
🔹الخطوة 2: النسبة في محلول ميثيل أمين

لأنّ الـ pH الأوّل يساوي 11,3، فالأُسّ هو 11,3 ناقص 14، أي ناقص 2,7.

τ1=10-2,710-2=0,20
🔹الخطوة 3: النسبة في محلول الأمونياك

لأنّ الـ pH الثاني أصغر، فالأُسّ أصغر والنسبة أصغر بخمس مرّات تقريبا.

τ2=10-3,410-2=0,040
✅النّتيجة

لأنّ النسبة الأولى تفوق الثانية بخمس مرّات، والتركيز الابتدائي واحد في الحالتين.

τ1 > τ2 ⟹ CH₃NH₂ > NH₃

6. مخطّط الصفة الغالبة

نعود إلى عبارة ثابت الحموضة ونأخذ لوغاريتم الطرفين. ننتقل بذلك من جداء وقسمة إلى جمع وطرح، فتظهر علاقة تربط الـ pH بنسبة تركيزَي شكلَي الثنائية.

العلاقة بين الـ pH و الأس pKa
pH=pKa + log([A-][HA])

اللوغاريتم يكون موجبا إذا كان الأساس المرافق هو الغالب، ومعدوما إذا تساوى الشكلان، وسالبا إذا كان الحمض هو الغالب. هذا يقسم محور الـ pH إلى مجالين بينهما حدّ واحد.

الحدّ يقع عند pKa بالضبط، وعنده يتساوى التركيزان تماما — لا تقريبا.
عند تساوي الـ pH مع الأس pKa يتساوى تركيزا شكلَي الثنائية بالضبط. وإذا كان الـ pH أصغر من pKa غلب الشكل الحمضي، وإذا كان أكبر منه غلب الشكل الأساسي.
مثال 4: أيّ الشكلين يغلب في هذا المحلول ؟

نذيب ثنائية حمض/أساس معلومة الأس pKa في محلول ضُبط فيه الـ pH عند قيمة معلومة.

🎯المطلوب: عيّن الشكل الغالب في هذا المحلول، ثمّ احسب النسبة بين تركيزَي الشكلين

📌المعطى
pKa = 4,8 ; pH = 3,0
🔹الخطوة 1: مقارنة الـ pH بالأس pKa

لأنّ الحكم على الشكل الغالب لا يحتاج إلى أيّ حساب: يكفي موضع الـ pH بالنسبة إلى pKa على المخطّط.

pH=3,0 < pKa=4,8
🔹الخطوة 2: لوغاريتم النسبة

لأنّ العلاقة بين الـ pH و pKa تعطي لوغاريتم النسبة مباشرة بالطرح.

log([A-][HA])=pH - pKa=3,0 - 4,8=-1,8
🔹الخطوة 3: النسبة بين التركيزين

لأنّ الانتقال من اللوغاريتم إلى النسبة يتمّ برفع عشرة إلى القيمة المحصَّل عليها.

[A-][HA]=10-1,8=1,6 × 10-2
✅النّتيجة

لأنّ النسبة أصغر بكثير من 1: على كلّ فرد من الشكل الأساسي هناك نحو ثلاثة وستّين فردا من الشكل الحمضي.

[HA] > [A-] ⟹ HA
حين يبتعد الـ pH عن pKa بوحدتين أو أكثر، صار أحد الشكلين واحدا بالمائة من الآخر أو أقلّ: يمكن حينئذ إهماله في الحساب دون خطأ يُذكر.
مجموع النسبتين يساوي مائة بالمائة عند كلّ قيمة للـ pH: لا يوجد شكل ثالث.

🔍التحليل: المخطّط الأوّل يقول من يغلب، وهذا المخطّط يقول بأيّ نسبة. التقاطع عند ⁦50 %⁩ يقع عند الفاصلة التي تساوي pKa: هي القيمة نفسها التي وجدناها بالحساب، مقروءة هذه المرّة على البيان.

في البكالوريا يأتي هذا الدرس في تمرين الأحماض والأسس: «احسب ⁦[OH⁻]⁩ انطلاقا من الـ pH»، و«اكتب عبارة Ka للثنائية»، و«رتّب الحمضين حسب قوّتهما»، و«ما الصفة الغالبة عند هذا الـ pH؟». جهّز ثلاثة عناصر: ① الجداء الشاردي: ⁦Ke = [H3O+] × [OH−] = 1,0 × 10−14⁩ عند ⁦25 °C⁩، وبه يُحسب أحد التركيزين من الآخر ؛ ② عبارة Ka بالتراكيز عند التوازن، والماء لا يظهر فيها لأنّه المذيب ؛ والحمض الأقوى صاحب pKa الأصغر، والأساس الأقوى صاحب pKa الأكبر ؛ ③ الصفة الغالبة: ⁦pH = pKa + log([A−]/[HA])⁩ ؛ فإذا كان الـ pH أصغر من pKa غلب الشكل الحمضي، وإذا كان أكبر غلب الشكل الأساسي، وعند التساوي يتساوى الشكلان. ⚠️ الخطأ الشائع: الحكم على طبيعة المحلول بالعدد 7 وحده ؛ هو نصف pKe عند ⁦25 °C⁩ فقط، والحكم الصحيح بمقارنة التركيزين. ⚠️ وخطأ ثانٍ: قلب المعيار بين الأحماض والأسس ؛ الثنائية واحدة والقراءتان متعاكستان.
خلاصة: التفكّك الذاتي للماء يفرض في كلّ محلول مائي جداء شارديّا ثابتا عند درجة حرارة معيّنة، وبه يُحسب أحد التركيزين من الآخر. طبيعة المحلول تُقرأ بمقارنة التركيزين لا بالـ pH وحده. وثابت الحموضة للثنائية يقيس قوّة حمضها: كلّما كان pKa أصغر كان الحمض أقوى، وعند تساوي الـ pH مع الأس pKa يتساوى شكلا الثنائية ويتبادلان الغلبة.

الصفحة 1/11

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net