مفهوم لويس للحموض و القواعد

مفهوم لويس للحموض و القواعد :-

الحمض : المادة التي تستقبل زوجا ( أو أكثر ) من الإلكترونات غير الرابطة من مادة أخرى .

القاعدة : المادة التي تمنح زوجا ( أو أكثر ) من الإلكترونات غير الرابطة الى مادة أخرى .

ملاحظة :

لاحظ من التعريف أن لويس يشترط في القاعدة أن تمتلك زوجا ( أو أكثر ) من الالكترونات غير الرابطة . ومن أشهر قواعد لويس

( I , Br , Cl , F ) :X:^- , CN^- , NH₃ , H₂O

مميزات تعريف لويس :

        · أكثر شمولية من تعريف أرهينوس و تعريف برونستد – لوري .

        · يفسر التفاعلات بين الحموض و القواعد و التي لا تشتمل على انتقال البروتونات ( H⁺ ) .

        · حموض لويس تشمل حموض أرهينوس و حموض برونستد – لوري ، و لا تتعارض معها .

        · قواعد لويس  تشمل قواعد أرهينوس و قواعد برونستد – لوري ، و لا تتعارض معها .

مثال :

BF₃     +     NH₃                       H₃N⁺    +    BF₃

     F                                               H                    F

                          ..

    B          +       N                        H         N        B

 

F             F     H     H        H               H             F           F

   حمض لويس             قاعدة لويس                          رابطة تناسقبة

تذكر أن تهجين البورون هو sp² ( مثلث مسطح ) و لديه فلك p فارغ ( غير مهجن ) يستقبل زوج الالكترونات غير الرابطة من ذرة N في جزيء NH₃ .

ملاحظه :

- لاحظ أن مفهوم أرهينوس لا يستطيع تفسير هذا التفاعل ، لأن كلا من الحمض و

القاعدة لا يحتويان على H⁺ و OH^- في صيغتهما على الترتيب .

كما أن مفهوم برونستد – لوري لا يستطيع تفسيره ، لأنه لم يتضمن انتقال H⁺

من الحمض الى القاعدة .

-          إن الرابطة التي تنشأ بين حمض لويس و قاعدة لويس هي رابطة تناسقية و التي

تتكون من ارتباط القاعدة بالحمض من خلال زوج الإلكترونات الذي تمنحه

للحمض .

أمثله على تفاعلات لويس للحموض و القواعد :

1-  HCl     +   H₂O                    H₃O⁺     +   Cl^-

     حمض            قاعدة  

2- NH₃      +   H₂O                   NH₄⁺     +   OH^-

حمض                   قاعدة

 3- NH₃       +  HCl                     NH₄⁺     +  Cl^-

قاعدة                   حمض

4-  Ag⁺       +   2NH₃                  [ H₃N – Ag – NH₃ ]⁺

حمض                  قاعدة

5-  Cd⁺²       + 4I^-                       [ CdI₄ ]^-2

حمض                   قاعدة

6-  Fe⁺³        +  CN^-                    [ Fe( CN)₆]^-3

حمض                 قاعدة

7-  Cu⁺²       +  4H₂O                  [ Cu ( H₂O)₄]⁺²

      حمض            قاعدة

مثال : في التفاعل الآتي :-

NH₃           +     HCl                  NH₄Cl

فسر سلوك الأمونيا وفق مفهوم :

1- برونستد – لوري  .                  2- لويس .

الحل :

1-     تسلك الأمونيا كقاعدة برونستد – لوري لأنها تستقبل بروتونا ( H+ ) من الحمض HCl .

2-     تسلك الأمونبا كقاعدة لويس لأنها تمنح زوجا من الالكترونات غير الرابطة للحمض HCl .

مثال (2) : ادرس التفاععلات الآتية ثم أجب عن الاسئلة التالية :

1- BF₃  +  F^-                     BF4^-

2- H₂CO₃  +   SO₃^-2                  HSO₃^-    +   HCO₃^-

3-  CH₃COOH  +  NaOH               CH₃COONa    +    H₂O

1-     أي التفاعلات يتفق و مفهوم أرهينوس للحمض و القاعدة ؟ فسر اجابتك .

2-     هل يستطيع تعريف برونستد – لوري تفسير التفاعل الأول ؟ لماذا ؟

3-     أي التعريفات الثلاثة للحموض و القواعد يستطيع تفسير التفاعلات الثلاثة أعلاه ؟

4-     فسر كيف يحدث التفاعل الأول وفق مفهوم لويس ، ثم حدد الحمض و القاعدة .

5-     أي الانواع الآتية تسلك كحمض أو كقاعدة وفق مفهوم برونستد – لوري ؟

 ( CH₃COOH , H₂O , HSO₃^- , H₂CO₃ , SO₃^-2 , HCO₃^- )

6-     أي الأنواع الآتية تعد قاعدة وفق مفهوم أرهينوس ؟

( NaOH_(aq) , H₂O_(l) , SO₃^-2_(aq)     , NaOH_(s) )

الحل :

1-      التفاعل الثالث ، لوجود ( H⁺ ) في صيغة الحمض ووجود ( OH^-  ) في القاعدة ، و التفاعل في وسط مائي .

2-     لا لأنه لا يتضمن انتقال بروتون (H⁺ ) من الحمض الى القاعدة .

3-     مفهوم لويس ، لأنه أكثر شمولية من تعريف كل من أرهينوس و برونستد – لوري .

4-     تمنح قاعدة لويس (F^- ) زوجا من الالكترونات غير الرابطة لحمض لويس ( BF₃ ) الذي تمتلك فيه ذرة ( B ) فلكا فارغا غير مهجن ، فتنشأ بينهما رابطة تناسقية .

5-     HCO₃^- و  HSO₃^-     ( كحمض أو كقاعدة ) لأنها تستطيع أن تمنح أو تستقبل ( H⁺ ) ، وكذلك الماء ( H₂O ) يمكن أن يكون حمضا أو قاعدة في تفاعلات برونستد – لوري .

6-      NaOH_(aq  لأن أرهينوس يشترط وجود (OH^-) في صيغة القاعدة التي تعطي هذا الأبون عند ذوبانها في الماء (محلول مائي) .

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

 استطاع مفهوم لويس تفسير تفاعلات الحموض والقواعد ، التي لا يحدث خلالها انتقال بروتونات (H⁺ ) من الحمض الى القاعدة .

BF₃    +    : NH₃                   H₃Nــ BF₃

                                                                       تنشأ رابطة تناسقية                       قاعدة                حمض

استطاع مفهوم لويس تفسير السلوك الحمضي للأيونات الموجبة للفلزات ، و خاصة ( الفلزات الانتقالية ) ، على أساس أنها تحتوي على أفلاك فارغة قادرة على استقبال أزواج من الإلكترونات ، من بعض الجزيئات و الأيونات الغنية بالإلكترونات مثل ( X^- , OH^- , H2O , NH3  )

خلاصة : تطور مفهوم الحمض و القاعدة من الخاص " المحدد " الى العام " الشامل " :

                                  الحمض : كل مادة تحتوي على الهيدروجين ، و لها القدرة على إعطاء ( H⁺ ) عند ذوبانها في الماء .

                                  القاعدة : كل مادة تحتوي على الهيدروكسيد ، و لها القدرة على إعطاء ( OH^- ) عند ذوبانها في الماء .

                                                    الحمض : كل مادة لها القدرة على إعطاء بروتون ( H⁺ ) .

                                                    القاعدة : كل مادة لها القدرة على استقبال بروتون ( H⁺ ) .

 

                                    الحمض : كل مادة لها القدرة على استقبال زوج إلكترونات أو أكثر .

                                    القاعدة : كل مادة لها القدرة على منح زوج إلكترونات أو أكثر .

استطاع تعريف لويس :

–        تفسير تفاعلات الحموض و القواعد التي لا تشتمل على انتقال بروتونات .

–        تفسير سلوك الأيونات الموجبة للفلزات كحموض ، وذلك لأنها تحتوي على أفلاك فارغة قادرة علي استقبال أزواج من الإلكترونات.

القوى النسبية للحموض و القواعد :-

يبحث هذا الفصل في مقارنة القوى النسبية بين الحموض و القواعد من جهة ، و الخصائص الحمضية و القاعدية لمحاليل الأملاح و كذلك حالة الاتزان في تفاعلات الحموض و القواعد الضعيفة ، و ذلك بالتركيز على مفهوم برونستد _ لوري الذي يتضمن تعريفه التفاعلات التي يتم خلالها انتقال ( H⁺ ) من الحمض الى القاعدة و بخاصة تلك التفاعلات التي تتم في وسط مائي و التي تشكل غالبية التفاعلات الحمضية و القاعدية .

◄ القوى النسبية للحموض و القواعد :-

لنرجع الى التفاعل  :

HCl    +     H₂O                   H₃O⁺       +       Cl^-

 عرفنا أن HCl حمض قوي ( تام التأين ) لذلك مثلنا التفاعل بسهم باتجاه واحد ( باتجاه النواتج ) ، وهذا يعني أن التفاعل العكسي غير وارد في هذه الحالة فالحمض HCl منح بروتونا ( H⁺  ) للقاعدة ( H₂O ) التي استقبلت هذا البروتون .

و بالمقابل ، فان الحمض المرافق  (H₃O⁺    ) أقل قدرة على منح (H⁺ ) للقاعدة المرافقة (Cl^-   ) للحمض .

وفق مفهوم برونستد _ لوري :-     الحمض الأقوى هو الأكثر ميلا لمنح البروتون .

                                       القاعدة الأقوى هي الأكثر ميلا لاستقبال البروتون .

     HCl    +     H₂O                   H₃O⁺       +       Cl^-

                                                          قاعدة أضعف          حمض أضعف            قاعدة أقوى      حمض أقوى

                                                         من ( H₂O )          من HCl               من (Cl^-   )    من(H₃O⁺ )

استنتاج :

        ·  يرجح التفاعل دائما جهة الحمض الأضعف و القاعدة الأضعف .

        · كلما كان الحمض أقوى (HCl ) كانت قاعدته المرافقة أضعف (Cl^-   ) .

        · كلما كانت القاعدة أقوي ( H₂O ) كان حمضها المرافق أضعف (H₃O⁺ ) .

        · العكس صحيح أيضا .

لنأخذ مثلا تأين القاعدة القوية ( NaOH ) :-

NaOH    + H₂O                   Na⁺    + H₂O  + OH^-

لاحظ أن الجهة التي يرجحها التفاعل هي جهة النواتج دائما ، لأن القاعدة NaOH تامة التأين .

 

في حالة الحموض القوية :-

حمض أقوى        +      قاعدة أقوى                    حمض أضعف  +  قاعدة أضعف

أما في حالة القواعد القوية :-

 أقوى   قاعدة  +      حمض أقوى       قاعدة أضعف  +  حمض أضعف

مثال : الحموض الآتية مرتبة وفق قوتها :-

     HNO3   >  HF       >   CH3COOH     >   HCN

يكون الترتيب المناسب لقواعدها المرافقة وفق قوتها ) CN^-     >   CH₃COO^-  > F^-    >   NO₃^- (

مثال ( 2 ) : اذا كانت القواعد الآتية مرتبة وفق قوتها :_     

     HCO₃^-  > NO₂^-      > F^-   > HSO₃^-  .

يكون الترتيب المناسب لحموضها المرافقة وفق قوتها .

     H₂CO₃   <  HNO₂   < HF < H₂SO₃   .

مثال ( 3 ) :-

اذا كانت قيمة Kb للأمونيا ( NH₃ ) = 1.8 x 10 ^–5 .

وكانت قيمة Kb للهيدرازين ( N₂H₄ ) = 1x 10 ^–6 .

فأيهما أقوى كحمض NH₄⁺ أم N₂H₅⁺ ؟ و لماذا ؟

الحل :- (N₂H₅⁺   )  اقوى كحمض . لأن ( N₂H₄ ) قاعدة أضعف .

فالقاعدة الأضعف ، يكون حمضها المرافق أقوى ، بينما القاعدة الأقوى يكون حمضها المرافق أضعف .

لنأخذ الآن حمض الايثانويك الضعيف نسبيا والذي يتأين جزئيا في الماء :-

   CH₃COOH      +   H₂O                     CH₃COO^-   +       H₃O⁺

                                          حمض أقوى              قاعدة أقوى                  قاعدة أضعف        حمض أضعف

                                     من CH₃COOH        من H₂O           من (CH₃COO^-     )   من (H₃O⁺   )

لاحظ أن التفاعل يرجح جهة المواد المتفاعلة ( جهة الأضعف ) ، حيث أن الحمض CH₃COOH ضعيف ، لذلك يتأين جزئيا في الماء ( بمقدر أهمل في الحسابات السابقة ) لذلك فان جزيئات الحمض غير المتأينة (CH₃COOH ) هي السائدة في المحلول ، لذلك يميل التفاعل الى جهة المواد المتفاعلة ، و يعبر عن هذا الميل ( في حالة الاتزان ) بسهمين يكون السهم المتجه  نحو الجهة التي يرجحها أطول ، و يكتب على النحو التالي :-

CH₃COOH      +   H₂O                     CH₃COO^-   +       H₃O⁺

بوجه عام  :                                 حمض قوى    +     قاعدة قوية                           ماء      +    حمض ضعيف

                                                  قاعدة قوية    +     حمض قوي                           ماء      +    قاعدة ضعيفة

 مثال :-

      NH3     +     H2O                      NH4⁺       +    OH ^–

                                              قاعدة أقوى من           حمض أقوى من               حمض أضعف       قاعدة أضعف

                                                 NH3 H2O                                      من (NH4⁺  )

الحكم على حمض أو قاعدة أنه قوي أو ضعيف هو نسبي . أي

مقارنة بالحمض المقابل  أو القاعدة المقابلة في التفاعل.

نستنتج أن : الحموض الضعيفة و القواعد الضعيفة عند تأينها في الماء فان الجهة التي يرجحها الأتزان ( التفاعل ) هي جهة المتفاعلات    ( الأضعف ) و هذا يؤيد الاستنتاج السابق الذي توصلنا له .

يمكن أن نستدل على قوة القاعدة المرافقة للحمض أو

الحمض المرافق للقاعدة على النحو التالي :

Ka         x       Kb        =      Kw

للحمض          للقاعدة المرافقة        1 x 10^-14

أو

Kb        x       Ka      = Kw            

للقاعدة       للحمض المرافق           1 x 10^-14

مثلا :

Kb ( N₂H₄ ) = 1 x 10^-6

Ka ( N₂H₅⁺ ) = 1 x 10^-8

مثال :- اذا علمت أن Kb ( NH₃ ) = 1.8 x 10^-5

                       Kb ( N₂H₄ ) = 1 x 10^-6

· اكتب معادلة التفاعل بين محلول الهيدرازين ( N₂H₄ )

      و محلول كلوريد الأمونيوم ( NH₄Cl ) .

· حدد الجهة التي يرجحها الاتزان .

الحل :-

                                                               N₂H₄    +    NH₄⁺Cl^-              N₂H₅⁺Cl^-   +   NH3

Kb =1.8 x 10^-5 حمض أقوى         حمض أضعف  Kb   = 1 x 10^-6

 أفوى                 من NH₄⁺         من N₂H₅⁺         أضعف

-          الجهة التي يرجحها التفاعل هي جهة المواد المتفاعلة :-

                            N₂H₄   +     NH₄⁺                     N₂H₅⁺       +      NH₃

مثال ( 2 ) :-   اذا علمت أن Ka ( H₂SO₃ )  = 1.7 x  10^-2

                                 Ka  ( NH₄⁺ ) =   5.6 x  10^-10

اكتب معادلة تفاعل محلول الامونيا مع محلول H₂SO₃  ثم حدد الجهة التي يرجحها الاتزان .

الجل :-

        H₂SO₃       +        NH₃                      HSO₃^-     +     NH₄⁺

  Ka  = 5.6 x 10^-10     أضعف                        أقوى          Ka = 1.7 x  10^-2 

                                  أضعف من H₂SO₃                                                           أقوى من NH4⁺

يرجح الاتزان جهة المواد الناتجة ( جهة المكونات الأضعف )

عندما يكون الحمض الضعيف أو القاعدة الضعيفة غير متفاعلة مع الماء ، مثل التفاعل التالي :-

         HNO₃      +      NH₃                     NH₄⁺     +     NO₃^-

                                            قاعدة ضعيفة           حمض ضعيف                 قاعدة قوية           حمض قوي

                                      أضعف من NH₃        أضعف من HNO₃       أقوى من NO₃^-    أقوى من NH₄⁺

لذلك من السهل أن نقرر الجهة التي يرجحها التفاعل هي جهة المواد الناتجة ( الأضعف ) .

سؤال :-   اكتب معادلة التفاعل الذي يحدث بين محلول ايثانوات الصوديوم CH₃COONa  و محلول حمض الهيدروفلوريك

              ( HF ) . اذا علمت أن   Ka  ( CH₃COOH )  = 1.8 x 10^-5

                                          Ka  ( HF )  = 7.1 x 10^-4

            أيهما أقوى كقاعدة : CH3COO^-  أم F^-  ؟