بررسی خواص اسیدها

نگاه اجمالی

بشر از دیر باز با مفهوم ساده اسید آشنایی داشته است. در حقیقت این
مواد، حتی قبل از آنکه شیمی به صورت یک علم در آید، شناخته شده بودند.
اسیدهای آلی همچون سرکه و آبلیمو و آب غوره از قدیم معروف بودند. اسیدهای معمولی مانند اسید سولفوریک ، اسید کلریدریک و اسید نیتریک بوسیله کیمیاگران قدیم ساخته شدند و بصورت محلول در آب بکار رفتند. برای مثال اسید سولفوریک را جابربن حیان برای نخستین بار از تقطیر بلورهای زاج سبز (FeSO4.7H2O) و حل کردن بخارات حاصل در آب ، بدست آورد.

در طی سالیان متمادی بر اساس تجربیات عملی لاووازیه (A.L.Lavoisier) چنین تلقی می‌گردید که اجزاء ساختمان عمومی کلیه اسیدها از عنصر اکسیژن
تشکیل گردیده است. اما بتدریج این موضوع از نظر علمی روشن و اعلام گردید
که چنانچه این موضوع صحت داشته باشد، بر خلاف عقیده اعلام شده در مورد
اکسیژن ، این عنصر هیدروژن است. در حقیقت ، تعریف یک اسید بنا به فرمول اعلام شده از سوی لیبیگ (J. Von Liebig) در سال 1840 عبارت است از:

موادی حاوی هیدروژن که می‌توانند با فلزات واکنش نموده و گاز هیدروژن تولید نمایند.

نظریه فوق مدت پنجاه سال مورد استناد بوده است. بعدها با پیشرفت علم شیمی ، مفاهیم جدیدی درباره اسیدها اعلام شده که در زیر به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

خواص عمومی اسیدها

• محلول آبی آنها یونهای پروتون آزاد می‌کند.
• موادی هستند که از نظر مزه ترشند.
• کاغذ تورنسل را سرخ رنگ می‌کنند.
• با برخی فلزات مانند آهن و روی ترکیب شده گاز هیدروژن می‌دهند.
• با قلیاها (بازها) واکنش نموده و املاح را تشکیل می‌دهند.
• با کربنات کلسیم (مثلا به صورت سنگ مرمر) بشدت واکنش دارند، بطوریکه کف می‌کنند و گاز کربنیک آزاد می‌نمایند.

نظریه آرنیوس درباره اسیدها

زمانیکه مفاهیم یونیزاسیون
ترکیبات شیمیایی در محلولهای آبی روشن گردید، مفهوم اسید بطور قابل
ملاحظه‌ای تغییر پیدا کرد. مطابق تعریف آرنیوس ، اسید ماده ایست که در آب
یونیزه می‌شود و یون +H3O که گاهی بصورت +H نیز نشان داده می‌شود، تولید می‌کند.

(HCl —–> H+ + Cl-(aq

آرنیوس قدرت اسیدی را نیز بر همین اساس تفسیر کرد و گفت که اسید قوی ، در محلولهای آبی
تقریبا، بطور کامل یونیزه می‌شود. در صورتیکه که میزان تفکیک اسید ضعیف
کمتر است. توجه کنید که مفهوم آرنیوس بر یون‌های آب استوار است. بر اساس
تعریف آرنیوس می‌توان نقش اکسیدهای اسیدی را نیز تفسیر کرد.

اکسیدهای اسیدی

اکسیدهای بسیاری از غیرفلزات با آب واکنش داده و اسید تولید می‌کنند، در نتیجه این مواد را اکسیدهای اسیدی یا ایندرید اسید می‌نامند.

N2O5(s) + H2O → H+ + NO3-aq

مفهوم آرنیوس ، به علت تاکید آن بر آب و واکنشهای محلول‌های آبی ، با محدودیت رو‌به‌روست.

نظریه برونشتد- لوری درباره اسیدها

در سال 1923، یوهان برونشتد و تامس لوری ، مستقل از یکدیگر مفهومی گسترده‌تر برای اسیدها و بازها بیان کردند. بر اساس تعریف ، برونشتد – لوری ، اسید ماده ای است که یک پروتون به باز می‌دهد. اسیدها ممکن است مولکول یا یون
باشند. با حذف پروتون ، اسید به باز (باز مزودج اسید 1) تبدیل می‌شود و با
گرفتن پروتون ، باز اولیه ، یعنی باز 2 به اسید2 (اسید مزدوج باز 2) تبدیل
می‌شود.

اسید 2 + باز 1 <—– اسید 1 + باز 2

قدرت اسیدها ، بر میل آنها برای از دست دادن یا گرفتن پروتون استوار
است. هر چه اسید قویتر باشد، باز مزدوج آن ضعیفتر است. در یک واکنش ، تعادل در جهت تشکیل اسید ضعیفتر است. اسید پرکلریک ، HClO4 ، قویترین اسید است، و باز مزدوج آن ، یعنی یون پرکلرات ، -ClO4 ، ضعیفترین باز می‌باشد و H2 ، ضعیفترین اسید و باز مزدوج آن یعنی یون هیدرید ، +H قویترین باز می‌باشد.

نظریه لوییس درباره اسیدها

گیلبرت لوییس مفهوم گسترده‌تری برای اسیدها در سال 1938 پیشنهاد داد که پدیده اسید – باز را از پروتون رها ساخت. طبق تعریف لوییس ، اسید ماده‌ای است که بتواند با پذیرش یک زوج الکترون از باز ، یک پیوند کوولانسی تشکیل دهد. در نظریه لوییس به مفهوم زوج الکترون و تشکیل پیوند کووالانسی تاکید می‌شود. تعریف لوییس در مورد اسیدها بسیار گسترده‌تر از آن است که برونشتد عنوان نموده است. ترکیبات شیمیایی که می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند، عبارتند از:

• مولکولها یا اتمهایی که هشت‌تایی ناقص داشته باشند.

(BH3 + F- → BH4-(aq

• بسیاری از کاتیونهای ساده می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند.

Cu+2 + 4NH3 → Cu(NH3)4+2

• برخی از اتم‌های فلزی در تشکیل ترکیباتی مانند کربونیل‌ها که از واکنش فلز با مونوکسید کربن تولید می‌شود، نقش اسید دارند:

Ni + 4CO → Ni(CO)4

• ترکیباتی که اتم مرکزی آنها تونایی گسترش لایه ظرفیتی خود را
  داشته باشند ، در واکنشهایی که این گسترش عملی شود، نقش اسید دارند، مثلا
  در واکنش مقابل ، لایه ظرفیتی اتم مرکزی (Sn) از 8 به 2 الکترون گسترش یافته‌است.

SnCl4 + 2Cl- → SnCl6-2aq

• برخی ترکیبات به علت داشتن یک یا چند پیوند دو گانه در مولکول ، خاصیت اسیدی دارند. مثلا CO2

قدرت اسیدی و ساختار مولکولی

به منظور بررسی رابطه بین ساختار مولکولی و قدرت اسیدی ، اسیدها را به دو نوع تقسیم می‌کنیم: هیدریدهای کووالانسی و اکسی ‌اسیدها.

هیدریدها

برخی از ترکیبات کووالانسی دوتایی هیدروژن‌دار (مانند HCl , H2) اسیدی هستند. دو عامل بر قدرت اسیدی هیدریدیک عنصر موثر است: الکترونگاتیوی
عنصر و اندازه اتمی عنصر. قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک تناوب ، از چپ به
راست و همسو با الکترونگاتیوی عناصر ، افزایش می‌یابد. یک عنصر
الکترونگاتیو ، الکترونهای بیشتری از هیدروژن می‌گیرد و خروج آن به صورت یک
پروتون را سرعت می‌بخشد.

قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک گروه، با افزایش اندازه اتم مرکزی افزایش می‌یابد. در تناوب دوم: NH3>H2O>HF در گروه VI به اینصورت است:

H2Te > H2Se > H2S > H2O

اکسی ‌اسیدها

در این ترکیبات ، هیدروژن اسیدی به یک اتم O متصل است و تغییر در اندازه این اتم بسیار ناچیز است. بنابراین عامل کلیدی در قدرت اسیدی این اکسی‌اسیدها، به الکترونگاتیوی اتم Z مربوط می‌شود: H-O-Z .

اگر Z یک اتم غیرفلز با الکترونگاتیوی بالا باشد، سهمی در کاهش چگالی الکترونی پیرامون اتم O (علی رغم الکترونگاتیوی شدید اکسیژن) را دارد. این پدیده باعث می‌شود که اتم اکسیژن، با کشیدن چگالی الکترونی پیوند H-O از اتم H ، تفکیک آن را سرعت ببخشد و ترکیب را اسیدی بکند. هیپوکلرواسید ، HOCl ، اسیدی از این نوع است.

هرچه الکترونگاتیوی Z بیشتر باشد، الکترونهای پیوند H-O به میزان بیشتری از اتم H دور می‌شوند و حذف پروتون آسان‌تر است: HOCl > HOBr > HOI . در اکسی ‌اسیدهایی که اتمهای اکسیژن بیشتری به Z متصل باشند، قدرت اسیدی با افزایش n ، زیاد می‌شود.

مهمترین اسیدهای قوی

مولکولهای این اسیدها و در محلولهای آبی رقیق کاملا یونیزه است. اسیدهای قوی متعارف عبارتند از: اسید کلریدریک ، یدیدریک ، نیتریک ، سولفوریک ، پرکلریک است.

مهمترین اسیدهای ضعیف

یونیزاسیون این اسیدها در آب کامل نمی‌باشد و هرگز به 100% نمی‌رسد. مثال متعارف آنها ، اسید استیک ، اسید کربنیک ، اسیدفلوریدریک ، اسید نیترو و تا حدودی اسید فسفریک است.

برخی از کاربردهای اسیدها

اسید سولفوریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول H2SO4 ، مایعی روغنی‌شکل و بی‌رنگ است. یک متاع سودمند صنعتی است که از آن در حد وسیعی در پالایش نفت و در کارخانجات تولید کننده کودها ، رنگها ، رنگدانه‌ها ، رنگینه‌ها و مواد منفجره استفاده می‌شود.

اسید استیک

یک اسید آلی بصورت مایعی تند و بی رنگ با فرمول CH3COOH ، که اساس ترشی سرکه نیز می‌باشد. قسمت اعظم اسیداستیک تولیدی دنیا ، مصرف واکنش با الکلها به منظور تولید استرهایی می‌گردد که از آنها بعنوان بهترین حلال‌ها در رنگ و جلا استفاده می‌شود. همچنین در کارخانجات داروسازی، عمل آوردن لاستیک طبیعی و تهیه چرم مصنوعی و به عنوان حلال برای بسیاری از ترکیبات آلی از اسید استیک استفاده می‌شود.

اسید نیتریک

یک اسید قوی معدنی با فرمول HNO3 می‌باشد که این اسید در کارخانجات تولید کودهای نیترات و فسفات آمونیوم ، مواد منفجره نیترو ، پلاستیکها ، رنگینه‌ها و لاکها کاربر دارد.

اسید سولفونیک

این اسیدها با فرمول عمومی HSO3R که R می‌تواند متان یا بنزن و … باشد، محلول در آب ، غیر فرار و جاذب الرطوبه‌اند و به عنوان عوامل امولسیون کننده ، مواد افزودنی و روغنهای روان ‌کننده و به عنوان جلوگیری از خوردگی و زنگ زدگی استفاده می‌گردد.

اسید کلریدریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول HCl ، که مایعی بی‌رنگ یا
اندکی زردرنگ ، بسیار خورنده و غیر آتشگیر است. این اسید در آب ، الکل ،
بنزن حل می‌شود و در اسیدی کردن (فعال کردن) چاههای نفت ، پاک کردن رسوبات
دیگهای بخار ، صنایع غذایی ، تمیز کردن فلزات و … استفاده می‌شود.

---

هیدروژن چیست

هیدروژن
یکی از جالب ترین عناصر جدول تناوبی است عدد اتمی اش یک و سبک ترین گاز
موجود در طبیعت است عنصری است که برای حل بسیاری از مسائل شیمی نظری کشفش
ضروری بوده عنصری است که با از دست دادن تنها الکترونش تبدیل به پروتونی
عریان و بدون پوشش می شود و بنابراین شیمی هیدروژن شیمی ویژه ای است و در واقع شیمی یکی از ذرات اساسی است.

مندلیف هیدروژن
را عادی ترین عنصر درمیان عناصر عادی می نامد (وی عناصر موجود در تناوبهای
کوتاه جدول تناوبی را عادی تلقی می کرد) زیرا این عنصر آغازگر سری عناصر
شیمیایی طبیعی بود می توان با واکنش ساده مانند ریختن اسید کلریدریک بر روی
براده ی روی مقداری هیدروژن تهیه کرد.

حتی
در دورانهای کهن که هنوز شیمی به عنوان علم تلقی نمی شد و کیمیا گران در
جستجوی کیمیا بودند اسید کلریدریک، اسید سولفوریک،اسید نیتریک،آهن وروی ،
شناخته شده بودند به عبارت دیگر بشر کلیه موادی را که با اثردادنشان بر هم می توانست هیدروژن
تهیه کند در اختیار داشت . تنها برای شناختن آن می بایستی واقعه ای رخ دهد
. در نوشته های قرنهای دهم تا دوازدهم شمسی / شانزدهم تا هیجدم میلادی
گزارشهایی موجود است که نشان می دهد در برخی موارد مانند ریختن
اسیدسولفوریک بر روی براده آهن گازی متساعد می شده است که در آن زمان تصور
می شد که نوعی هوای قابل اشتعال است . یکی از کسانی که به این نوع هوای
اسرار آمیز برخورده است لومونوزوف دانشمند مشهور روسی بوده است . در سال
1124/ 1745 وی رساله ای تحت عنوان « درباره درخشندگی فلزی» نوشت که از جمله
مطالبش یکی این بود که :« با حل کردن برخی فلزات پست ، به ویژه آهن ، در
الکل اسیدی شده ،بخارات قابل اشتعال از دهانه باز دستگاه آزمایش خارج می
شود …. (بنابر اصطلاحات متداول آن زمان ، اسید را الکل اسیدی شده می
نامند ) بنابراین ، آنچه که لومونوزوف دیده بود چیزی جز هیدروژن
نبوده است . ولی اگر جمله اش را تا آخر بخوانیم ، می بینم که نوشته است
… این بخارات فلوژیستون است . نظر به اینکه انحلال فلز در اسید موجب
تولید materia ignea یا بخاری قابل اشتعال می شد ، خیلی مناسب بود که آن را
به اینگونه تفسیر کنند که انحلال فلز ، سبب آزاد شدن فلوژیستون می شود .
با این عبارت پردازی ، واکنش مزبور منطبق بر « نظریه آتش زایی » می شود .
اینک به جا است که با کاوندیش دانشمند ارزنده انگلیسی آشنا شویم وی با تعصب
عجیبی به علم گرایش داشت و آزمایشگر برجسته ای بود . وی هرگز در انتشار
نتایج تجربه هایش عجله نداشت و گاه سالها می گذشت تا مطلبی منتشر کند
بنابراین مشکل است بتوان به طور دقیق معلوم کرد که وی آزاد شدن « هوای قابل
اشتعال» را در چه تاریخ مشاهده کرده است .نکته ای که در این مورد معلوم است ، انتشار مطلبی در سال 1145 شمسی / 1766
میلادی تحت عنوان «آزمایشهایی با هوایی مصنوعی» بود که یکی از موضوعات
اساسی را در پژوهش های شیمی هوایی تشکیل داد . در عین حال به نظر می رسد که
آن تجربیات بر اثر پافشاری بلاک انجام شده باشد . « هوای ثابت » توجه
کاوندیش را جلب کرده بود و در نتیجه وی تصمیم گرفته بود ببیند آیا نوع
دیگری از هوای مصنوعی وجود دارد یا خیر . در این بررسیها او اشاره به نوع
دیگری از هوا می کرد که در ترکیبات وجود دارد و به طور مصنوعی قابل جدا
کردن از آنها است . ولی می دانست که هوای قابل اشتعال را درموارد متعدد
دیده اند و خودش هم به همان روش یعنی اثر دادن اسید سولفوریک و اسید
کلرئیدریک بر آهن ، روی و قلع ، به تهیه آن مبادرت ورزید . با انجام این
آزمایشها ،وی نخستین فردی بود که ثابت کرد که در همه موارد یاد شده نوع
مشابهی هوا یعنی «هوای قابل اشتعال » را مورد توجه قرار می گیرد . کاوندیش
به عنوان پیرو «نظریه آتش زایی » تنها به یک نوع تفسیر در باره طبیعت ماده
اعتقاد داشت . بنابراین او هم مانند لومونوزوف، این ماده را فلوژیستون
نامید . وقتی وی درباره خواص «هوای قابل اشتعال » بررسی می کرد ، مطمئن بود
که مشغول بررسی خواص «فلوژیستون » است . او ضمن کارهایش به این نتیجه
رسیده بود که فلزات مختلف ، حاوی نسبت های مختلفی از «هوای قابل اشتعال »
هستند .بنابراین به «هوای ثابت »مورد اداعای بلاک ، «هوای قابل اشتعال »
کاوندیش هم اضافه شد . به طور خلاصه آن دو دانشمند چیز تازه ای کشف نکرده
اند و فقط توانستند مشاهدات گذشتگان را جمع بندی کنند . اما همین جمع
بندیها سبب پیشرفت چشمگیری در تاریخ دانش بشری شد .«هوای ثابت » و «هوای
قابل اشتعال» با یکدیگر و با هوای معمولی تفاوت داشتند.«هوای قابل اشتعال »
به طور اعجاب آور سبک وزن بود .کاوندیش متوجه شد که فلوژیستونی که به دست
آورده است ، دارای جرم است. وی نخستین فردی بود که کمیت چگالی را برای
اندازه گیریهای مربوط به گازها معرفی کرد . وقتی چگالی هوا را برابر واحد
فرض کرد ، برای چگالی «هوای قابل اشتعال» مقدار 9./. و برای چگالی «هوای
ثابت » مقدار 75/1 بدست آورد . اما در اینجا میان کاوندیش تجربه گر و
کاوندیش طرفدار «نظریه آتش زایی» اختلاف بروز کرد زیرا با توجه به این که
«هوای قابل اشتعال » دارای جرم است ،به همین وجه نمی توان آن را فلوژیستون
خالص تلقی کرد .به عبارت دیگر فلزاتی که هوای قابل اشتعال را از دست می
دهند ، اجبارا باید دستخوش کم شدن جرم هم بشوند کاوندیش برای رفع این تناقض
، فرضیه ای بی محتوا به این شرح ابراز داشت :«هوای قابل اشتعال » مجموعه
ای از فلوژیستون و آب است . حاصل آن فرضیه این بود که بلاخره در ترکیب
«هوای قابل اشتعال » هیدروژن ظاهر شد .نتیجه آشکار این است که گر چه کاوندیش «هوای قابل اشتعال »را وزن کرد ،
خواصش را شرح داد و آن را نوع ویژه ای از «هوای مصنوعی » دانست ،ولی او هم
مانند پیشینیانش به ماهیت این ماده پی نبرد . به عبارت دیگر کاوندیش بدون
آگاهی از واقیعت ماده ای را که به دست آورده بود به عنوان فلوژیستون مورد
مطالعه قرار داد ، نه به عنوان عنصر شیمیایی جدید و علت این اشتباه ،
پایبند بودنش به «نظریه آتش زایی » بود . وقتی وی متوجه شد که خواص «هوای
قابل اشتعال » مغایر با آن نظریه است «فرضیه ای که به اندازه نظریه گفته
شده گمراه کننده بود ، ارائه داد.

بنابراین اگر بگوییم «هیدروژن
را کاوندیش دانشمند انگلیسی در سال 1145 /1766 کشف کرده است» ، حرف
نادرستی زده ایم . درمقایسه با دیگران ، کاوندیش روشهای تهیه و نیز خواص «
هوای قابل اشتعال » را با جزئیات بیشتری شرح داده است . در هر حال ولی در
عین حال نمی دانست چه کار می کند و طبیعت عنصری هوای قابل اشتعال بر او
روشن نشده بود . ولی نمی توان گناه را به گردن این دانشمند گذاشت ، بلکه
باید گفت که شیمی هنوز به آن درجه از کمال که چنین پیش بینی هایی داشته
باشد ،نرسیده بود . سالها گذشت تا سرانجام هیدروژن واقعا هیدروژن
شد و جای شایسته اش را در شیمی اشغال کرد نام لاتین آن hydrogenium از دو
کلمه یونانی hydro وgennac به معنی « آب زا » گرفته شده است . این نام را
لاووازیه درسال 1158 / 1779 پس از معلوم شدن ترکیب آب ،پیشنهاد کرد . حرفH
به عنوان علامت شیمیاییش توسط برزلیوس پیشنهاد شده است . هیدروژن
از جهت اینکه ایزوتوپهایش هم از نظر خواص فیزیکی با هم متفاوتند و هم از
نظر خواص شیمیایی ، عنصری منحصر به فرد است . زمانی این تفاوت ها برخی
دانشمندان را واداشت که ایزوتوپهای هیدوژن را به عنوان عناصر جداگانه ای
تلقی کنند و برایشان جای ویژه ای در جدول تناوبی پیدا کنند .بنابراین
تاریخچه کشف ایزوتوپهای هیدروژن همانند تاریخچه خود هیدروژن جالب توجه است .

جستجوی ایزوتوپهای هیدروژن در دهه اول ن حاضر شمسی /دهه سوم قرن حاضر میلادی آغاز شد ولی همه کوششها ناکام ماند و نتیجه گیری کردند که هیدروژن ایزوتوپ ندارد . در سال 1310/ 1931 پیشنهاد شد که هیدروژن باید دارای ایزوتوپی به عدد جرمی 2 باشد . نظر به اینکه چنین ایزوتوپی جرمش دو برابر هیدروژن است ، دانشمندان برای جدا کردن هیدروژن سنگین به روشهای فیزیکی متوسل شدند. در سال 1311 /1932 سه نفر دانشمند آمریکایی به نامهای یوری ، بریکود و مورفی هیدروژن مایع را تبخیر کردند و با مطالعه باقی مانده تبخیر به روش طیف سنجی ،ایزوتوپ سنگین را در آن یافتند .وجود هیدروژن
سنگین در هوای جو در سال 1320/1941محقق شد.نام دوتریوم deuterium از کلمه
یونانی deuteron به معنی «دومین یا یکی دیگر » گرفته شده است . ایزتوپ دیگر
با عدد جرمی سه به نام تریتیوم( مشتق از کلمه یونانی tritos به معنی سومین
) رادیواکتیو است و در سال 1313 /1934 توسط سه دانشمند انگلیسی به نامهای
اولیفانت ،هارتک و رادرفوردشناخته شده است . به ایزوتوپ اصلی هیدروژن
نام پروسیوم نیز داده اند .این تنها موردی است که ایزوتوپهای یک عنصر
نامها و علامتهای شیمیایی متفاوت دارند (hوt و d).99/99 درصد همه هیدروژنها از پروسیوم است و بقیه اش دوتریوم می باشد

---