مدرستي
Physical Sciences🎓 baccalaureate goal

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

⁦pH⁩ محلول مائي، و الحمض و الأساس القوي و الضعيف

🔊 The teacher reads for you
نغمس شريطا صغيرا من الورق في عصير الليمون فيصير أحمر، ونغمسه في ماء الصابون فيصير أزرق، والسائلان كلاهما ماء في معظمه. بماذا نقيس حموضة محلول مائي، وهل تتشرّد كلّ الأحماض في الماء بالقدر نفسه ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تعرّف درجة حموضة محلول مائي وتربطها بتركيز شوارد الهيدرونيوم فيه
  • أن تنتقل من قيمة pH محلول إلى تركيز شوارد الهيدرونيوم فيه، ومن التركيز إلى pH
  • أن تختار أداة قياس pH المناسبة حسب الدقّة التي تحتاجها
  • أن تميّز بين حمض قوي وحمض ضعيف انطلاقا من قياس pH محلول تركيزه معلوم
  • أن تميّز بين أساس قوي وأساس ضعيف بالطريقة نفسها
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الثنائية حمض/أساس حسب برونشتد وانتقال البروتون من الحمض إلى الأساس
  • حساب التركيز المولي لمحلول انطلاقا من كمّية المادة والحجم
  • قراءة اللوغاريتم العشري لعدد وحساب قوى العدد عشرة

❓إشكالية: كلّ المحاليل المائية تحتوي على شوارد الهيدرونيوم، لكن بتراكيز مختلفة جدّا يفصل بينها أحيانا مليار مرّة. عدد كهذا لا يُكتب ولا يُقارن بسهولة، فاصطُلح على مقدار واحد يلخّصه: هو pH.

تذكير: الحمض و الأساس عند برونشتد

تعريف: الحمض هو كلّ فرد كيميائي — شاردة كان أو جزيئا — يستطيع أن يحرّر بروتونا. والأساس هو كلّ فرد كيميائي يستطيع أن يثبّت بروتونا. الفردان اللذان ينتقل بينهما البروتون الواحد يكوّنان ثنائية حمض/أساس.
📜نصف معادلة ثنائية حمض/أساس
HA ⇌ A⁻ + H⁺
HAالشكل الحمضي للثنائيةA⁻الشكل الأساسي المرافق له
تعريف: تفاعل حمض–أساس هو تفاعل ينتقل فيه البروتون من حمض ثنائية أولى إلى أساس ثنائية ثانية. فالبروتون لا يبقى حرّا في المحلول: ما إن يتحرّر حتّى يُثبَّت.
تفاعل حمض–أساس بين ثنائيتين
HA1 + A2⁻ → A1⁻ + HA2
الماء جسم متذبذب: يستطيع أن يلعب دور الحمض ودور الأساس معا. ولهذا يظهر في طرف المعادلة حين نذيب فيه حمضا، وفي الطرف الآخر حين نذيب فيه أساسا — وهو نفسه في الحالتين. لا تعدّه شاهدا محايدا: هو متفاعل كامل.

نشاط 1: كيف نقيس pH محلول مائي ؟

🧰الأدوات:

  • بيشر فيه محلول واحد مجهول الحموضة
  • شرائط من ورق pH وسلّمها اللوني المرفق
  • مقياس pH ومسباره، ومحلولان خاصّان بضبطه
  • ماء مقطّر وورق ترشيح للتجفيف

📌التجربة:

  1. نضبط مقياس pH بالمحلولين الخاصّين بالضبط، ثمّ نغسل المسبار بالماء المقطّر ونجفّفه.
  2. نغمس شريطا من ورق pH في البيشر ثوانيَ، ثمّ نقارن لونه بالسلّم اللوني المرفق.
  3. نغمس مسبار المقياس في البيشر نفسه وننتظر حتّى يستقرّ الرقم المعروض.
  4. ندوّن القراءتين معا ونقارن بينهما.

🔍الملاحظة: ورق pH يعطي لونا يقع بين درجتين من السلّم، فنقرأ منه قيمة صحيحة تقريبية قدرها 4. أمّا المقياس فيعرض 3,9 برقم واحد بعد الفاصلة. القراءتان لا تتناقضان: الأولى تقريبية والثانية دقيقة، وكلتاهما تقول إنّ المحلول حمضي.

أداتان لسؤال واحد: اللون يعطي رتبة القيمة، والمقياس يعطي القيمة.
نستعمل ورق pH أو كاشفا ملوّنا حين يكفينا قياس تقريبي، ونستعمل مقياس pH حين نحتاج قياسا دقيقا. وضبط المقياس قبل كلّ سلسلة قياسات جزء من الطريقة، لا احتياط زائد.

pH و تركيز شوارد الهيدرونيوم

القياس السابق أعطانا عددا، لكنّه لم يقل بعد ما الذي يقيسه. ما يقيسه هو تركيز شوارد الهيدرونيوم في المحلول، لكن بطريقة غير مباشرة: عبر لوغاريتمه العشري.

تعريف pH محلول مائي مخفّف
pH = -log[H₃O⁺]
pHدرجة حموضة المحلول، مقدار بلا وحدة[H₃O⁺]التركيز المولي لشوارد الهيدرونيوم(mol/L)
العلاقة العكسية
[H₃O⁺] = 10-pH
✅النّتيجة: ستّة محاليل، من الأشدّ حموضة إلى الأشدّ أساسية
درجة الحموضة pH1,301,583,404,136,809,60
تركيز شوارد الهيدرونيوم ⁦(mol/L)⁩⁦5,01 × 10⁻²⁩⁦2,63 × 10⁻²⁩⁦3,98 × 10⁻⁴⁩⁦7,41 × 10⁻⁵⁩⁦1,58 × 10⁻⁷⁩⁦2,51 × 10⁻¹⁰⁩
العلاقة لوغاريتمية لا خطّية: كلّما زاد pH بوحدة واحدة انقسم تركيز شوارد الهيدرونيوم على عشرة. بين السطر الأوّل والأخير يفصل عامل يفوق مئة مليون.
السلّم يقرأ في اتّجاهين متعاكسين: pH يتزايد نحو 14، وتركيز شوارد الهيدرونيوم يتزايد نحو 0. هذا الانقلاب هو أكثر ما يخطئ فيه التلميذ.
تعريف: عند ⁦25 °C⁩ يكون المحلول حمضيّا إذا كان pH أصغر من 7، ومعتدلا إذا ساوى 7، وأساسيّا إذا كان أكبر من 7.
مثال 1: من قيمة pH إلى تركيز شوارد الهيدرونيوم

قاس تلميذ درجة حموضة محلول مائي بمقياس pH فوجد 3,40.

🎯المطلوب: احسب التركيز المولي لشوارد الهيدرونيوم في هذا المحلول

🔹الخطوة 1: العلاقة المستعملة

لأنّ المطلوب هو التركيز والمعطى هو pH: نستعمل العلاقة العكسية، لا التعريف نفسه

[H₃O⁺] = 10-pH
🔹الخطوة 2: التعويض العددي

نعوّض القيمة المقروءة على الجهاز كما هي، بفاصلتها، دون تدوير

[H₃O⁺] = 10-3,40
✅النّتيجة

لأنّ الأسّ سالب فالنتيجة أصغر من واحد بكثير، وهذا معقول: التراكيز في المحاليل المخفّفة صغيرة جدّا

[H₃O⁺] = 3,98 × 10-4 mol/L
اُنظر إلى رتبة النتيجة قبل أن تعتمدها: أسّ التركيز يساوي دائما ناقص pH. فإن وجدتَ لمحلول قيمته 3,4 تركيزا من رتبة ⁦10⁻²⁩ أو ⁦10⁻⁶⁩، فالخطأ في الآلة لا في المحلول.
مثال 2: من تركيز شوارد الهيدرونيوم إلى قيمة pH

محلول مائي آخر تركيز شوارد الهيدرونيوم فيه هو ⁦2,63 × 10⁻²⁩ مول لكلّ لتر.

🎯المطلوب: احسب درجة حموضة هذا المحلول ثمّ بيّن هل هو حمضي أم أساسي

🔹الخطوة 1: العلاقة المستعملة

لأنّ المطلوب هذه المرّة هو pH والمعطى هو التركيز: نعود إلى التعريف نفسه

pH = -log[H₃O⁺]
🔹الخطوة 2: التعويض العددي

نعوّض التركيز بوحدة المول لكلّ لتر، وهي الوحدة الوحيدة التي تصحّ فيها هذه العلاقة

pH = -log(2,63 × 10-2)
✅النّتيجة

لأنّ القيمة المحصّل عليها أصغر من 7 بكثير: المحلول حمضي، وهو أشدّ حموضة من محلول المثال الأوّل الذي كان عند 3,40

pH = 1,58
لا تنسَ الإشارة السالبة أمام اللوغاريتم: لوغاريتم عدد أصغر من واحد سالب دائما، والإشارة هي التي تجعل pH موجبا. من نسيها وجد pH سالبا وصدّقه.

نشاط 2: هل يتشرّد كلّ حمض كلّيا في الماء ؟

🧰الأدوات:

  • محلول حمض الإيتانويك تركيزه المولي ⁦10⁻³⁩ مول لكلّ لتر
  • محلول حمض الأزوت تركيزه المولي ⁦10⁻³⁩ مول لكلّ لتر أيضا
  • مقياس pH مضبوط ومسباره، وماء مقطّر

📌التجربة:

  1. نحضّر المحلولين بحيث يكون لهما التركيز المولي نفسه بالضبط.
  2. نضبط مقياس pH ثمّ نغسل المسبار ونجفّفه.
  3. نقيس pH محلول حمض الإيتانويك وندوّنه.
  4. نغسل المسبار مرّة أخرى ثمّ نقيس pH محلول حمض الأزوت وندوّنه.
  5. نحسب في كلّ حالة تركيز شوارد الهيدرونيوم ونقارنه بالتركيز الابتدائي للحمض.

🔍الملاحظة: القيمتان مختلفتان رغم تساوي التركيزين: 3,9 لحمض الإيتانويك و 3,0 لحمض الأزوت. وحين نحسب تركيز شوارد الهيدرونيوم نجد أنّه يساوي تركيز الحمض تماما في الحالة الثانية، بينما يبقى أصغر منه بنحو ثماني مرّات في الحالة الأولى.

التركيز واحد والقياس مختلف: الفرق إذن في نسبة ما تشرّد من الحمض، لا في كمّيته.
حين يكون تشرّد الحمض كلّيا يستهلك التفاعل كلّ جزيئاته، فيصير تركيز شوارد الهيدرونيوم مساويا لتركيز الحمض الابتدائي. وحين يكون التشرّد جزئيّا يبقى جزء من الحمض على حاله، فيبقى تركيز شوارد الهيدرونيوم أصغر من تركيز الحمض.

حمض قوي و حمض ضعيف

تعريف: نقول عن حمض إنّه قوي إذا تشرّد كلّيا في الماء، أي إذا كان تفاعله مع الماء تامّا، ونكتب معادلته بسهم واحد.
تشرّد حمض قوي في الماء
HA(aq) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + A⁻(aq)
علامته على مستوى التراكيز
C=[H₃O⁺]=10-pH
تعريف: نقول عن حمض إنّه ضعيف إذا تشرّد جزئيّا في الماء، أي إذا كان تفاعله مع الماء محدودا، ونكتب معادلته بسهمين متعاكسين.
تشرّد حمض ضعيف في الماء
HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq)
علامته على مستوى التراكيز
C > [H₃O⁺]
مثال 3: طبيعة تفاعل حمض الإيتانويك مع الماء

محلول حمض الإيتانويك المحضّر في النشاط 2 تركيزه المولي ⁦10⁻³⁩ مول لكلّ لتر، و pH المقيس فيه هو 3,9.

🎯المطلوب: بيّن هل تفاعل هذا الحمض مع الماء تامّ أم محدود، ثمّ استنتج طبيعة الحمض

🔹الخطوة 1: تركيز شوارد الهيدرونيوم

لأنّ المقارنة تجري بين مقدارين من الطبيعة نفسها: نحوّل أوّلا القياس إلى تركيز، لأنّ التركيز الابتدائي معطى وليس معطى بدلالة pH

[H₃O⁺]=10-3,9=1,26 × 10-4 mol/L
🔹الخطوة 2: المقارنة بالتركيز الابتدائي

نضع المقدارين وجها لوجه بالوحدة نفسها، وهي المول لكلّ لتر

C = 1,00 × 10-3 mol/L
✅النّتيجة

لأنّ التركيز الابتدائي أكبر من تركيز شوارد الهيدرونيوم بنحو ثماني مرّات: جزء كبير من الحمض لم يتشرّد، فالتحوّل توقّف قبل أن يستهلك كلّ المتفاعل

C > [H₃O⁺] ⟹ 1,00 × 10-3 > 1,26 × 10-4
الخلاصة العملية: احسب دائما 10 مرفوعا إلى ناقص pH وقارنه بالتركيز. إن وجدتَهما متساويين فالحمض قوي، وإن وجدتَ التركيز أكبر فالحمض ضعيف. لا تحكم على قوّة حمض من قيمة pH وحدها دون معرفة تركيزه.
مثال 4: طبيعة تفاعل حمض الأزوت مع الماء

محلول حمض الأزوت له التركيز المولي نفسه، ⁦10⁻³⁩ مول لكلّ لتر، لكنّ pH المقيس فيه هو 3,0.

🎯المطلوب: بيّن هل هذا الحمض قوي أم ضعيف، مستعملا الطريقة نفسها

🔹الخطوة 1: تركيز شوارد الهيدرونيوم

نطبّق الخطوة نفسها كي تكون المقارنة بين الحمضين مشروعة: التحويل الأوّل هو نفسه

[H₃O⁺]=10-3,0=1,00 × 10-3 mol/L
✅النّتيجة

لأنّ العددين متساويان: كلّ جزيء من الحمض حرّر بروتونه، ولم يبقَ منه شيء لم يتشرّد

C=[H₃O⁺]=1,00 × 10-3 mol/L
الحمضان لهما التركيز نفسه ومع ذلك لهما pH مختلف: هذا وحده يكفي للحكم. ولو غيّرنا تركيز الحمض الضعيف حتّى يعطي pH يساوي 3,0 لبقي ضعيفا — الطبيعة صفة للثنائية، لا للمحلول.

أساس قوي و أساس ضعيف

ما قيل عن الأحماض يقال عن الأسس، مع تبديل واحد: الأساس يثبّت البروتون بدل أن يحرّره، فيُنتج شوارد الهيدروكسيد بدل شوارد الهيدرونيوم.

تعريف: الأساس قوي إذا تشرّد كلّيا في الماء، وضعيف إذا تشرّد جزئيّا. والعلامة هي نفسها: سهم واحد في الحالة الأولى، وسهمان متعاكسان في الثانية.
تشرّد أساس قوي في الماء
B(aq) + H₂O(l) → BH⁺(aq) + OH⁻(aq)
تشرّد أساس ضعيف في الماء
B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq)
السهم ليس زينة في المعادلة: السهم الواحد يقول إنّ المتفاعل المحدّ يختفي كلّيا، والسهمان المتعاكسان يقولان إنّ الجملة تتوقّف قبل ذلك. وهذا بالضبط ما سندرسه في الدرس الموالي تحت اسم حالة التوازن.
لا تخلط بين قوّة حمض وتركيز محلوله. محلول مخفّف جدّا من حمض قوي قد يكون pH فيه أكبر من pH محلول مركّز من حمض ضعيف. القوّة تصف الثنائية، والتركيز يصف القارورة التي بين يديك.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في مطلع تمرين الأحماض والأسس: «احسب ⁦[H₃O⁺]⁩ انطلاقا من الـ pH»، و«بيّن أنّ الحمض ضعيف»، و«اكتب معادلة تفاعل الحمض أو الأساس مع الماء». جهّز ثلاثة عناصر: ① الانتقال بين الـ pH والتركيز: ⁦pH = −log[H₃O⁺]⁩ و ⁦[H₃O⁺] = 10−pH⁩، وعند ⁦25 °C⁩ يكون المحلول حمضيّا تحت 7 وأساسيّا فوقه ؛ ② معيار القوّة: قارن التركيز المحسوب من الـ pH بالتركيز الابتدائي C: تساويهما ⟸ تشرّد كلّي وحمض قويّ (سهم واحد في المعادلة)، و ⁦C > [H₃O⁺]⁩ ⟸ تشرّد جزئيّ وحمض ضعيف (توازن) ؛ والطريقة نفسها للأسس ؛ ③ الماء متذبذب: يلعب دور الأساس مع الحمض ودور الحمض مع الأساس، فهو متفاعل لا شاهد محايد. ⚠️ الخطأ الشائع: الخلط بين قوّة حمض وتركيز محلوله ؛ محلول مخفّف جدّا من حمض قويّ قد يكون الـ pH فيه أكبر منه في محلول مركّز من حمض ضعيف. ⚠️ وخطأ ثانٍ: الحكم على القوّة من قيمة الـ pH وحدها دون مقارنتها بالتركيز الابتدائي.
خلاصة: pH مقدار يلخّص تركيز شوارد الهيدرونيوم في محلول مائي مخفّف، وهو يتناقص لمّا يتزايد هذا التركيز. نقيسه تقريبا بورق pH وبدقّة بمقياس pH. وعند ⁦25 °C⁩ يكون المحلول حمضيّا تحت 7 وأساسيّا فوقه. وبمقارنة التركيز المحسوب من pH بالتركيز الابتدائي نحكم على الحمض أو الأساس: تساوٍ يعني تشرّدا كلّيا وفردا قويّا، وتفاوت يعني تشرّدا جزئيّا وفردا ضعيفا. ويبقى سؤال مفتوح: إلى أيّ حدّ بالضبط يتوقّف التحوّل المحدود ؟

Page 1/11

© Madrassati — a lesson written by Madrassati · madrassati.net