الاقتران (نظرية الحمض والقاعدة)

الحمض المرافق هو مركب كيميائي يتكون عندما يعطي الحمض بروتونًا ( H ⁺ ) إلى قاعدة .

القاعدة المرافقة هي ما يتبقى بعد أن يتبرع الحمض ببروتون أثناء التفاعل الكيميائي.

بمعنى آخر، الحمض المرافق هو قاعدة أُضيف إليها أيون هيدروجين ، إذ يفقد أيون هيدروجين في التفاعل العكسي، والقاعدة المرافقة هي مادة تتكون من إزالة بروتون من حمض، إذ يمكنها اكتساب أيون هيدروجين في التفاعل العكسي. ^{[ 1 ]}

لأن بعض الأحماض يمكن أن تعطي بروتونات متعددة، فإن القاعدة المرافقة للحمض قد تكون حمضية في حد ذاتها.

باختصار، يمكن تمثيل هذا التفاعل على النحو التالي : $${\displaystyle {\text{حمض}}+{\text{قاعدة}}\;{\ce {<=>}}\;{\text{قاعدة مترافقة}}+{\text{حمض مترافق}}}$$

يوهانس نيكولاس برونستد (يسار) ومارتن لوري (يمين).

وضع يوهانس نيكولاس برونستد ومارتن لوري نظرية برونستد-لوري للأحماض والقواعد ، والتي تنص على أن أي مركب قادر على منح بروتون لمركب آخر يُعد حمضًا، وأن المركب الذي يستقبل البروتون يُعد قاعدة. (البروتون جسيم دون ذري يحمل شحنة كهربائية موجبة في نواة الذرة. ويُرمز له بالرمز H ⁺ لأنه يحتوي على نواة ذرة هيدروجين ، ^{[ 2 ]} أي أنه كاتيون هيدروجيني ).

يمكن أن يكون الكاتيون حمضًا مرافقًا، ويمكن أن يكون الأنيون قاعدة مرافقة، وذلك بحسب المادة المعنية ونظرية الحمض والقاعدة المستخدمة. أبسط أنيون يمكن أن يكون قاعدة مرافقة هو الإلكترون الحر في محلول يكون حمضه المرافق هو ذرة الهيدروجين.

في تفاعل الحمض والقاعدة ، يتفاعل الحمض والقاعدة لتكوين قاعدة وحمض مرافقين على التوالي. يفقد الحمض بروتونًا وتكتسب القاعدة بروتونًا. في الرسوم التوضيحية التي تُبين ذلك، يُشار إلى الرابطة الجديدة المتكونة بين القاعدة والبروتون بسهم يبدأ من زوج إلكتروني من القاعدة وينتهي عند أيون الهيدروجين (البروتون) الذي سينتقل.

في هذه الحالة، يُعتبر جزيء الماء الحمض المرافق لأيون الهيدروكسيد القاعدي بعد أن استقبل الأخير أيون الهيدروجين من الأمونيوم . من جهة أخرى، تُعتبر الأمونيا القاعدة المرافقة للأمونيوم الحمضي بعد أن تبرع الأمونيوم بأيون هيدروجين لتكوين جزيء الماء. كما يمكن اعتبار أيون الهيدروكسيد (OH⁻) القاعدة المرافقة لأيون الهيدروجين ⁽ H₂O) ._2O ،لأن جزيء الماء يتبرع ببروتون ليعطيNH₄⁺ _{في التفاعل العكسي . مصطلحات "حمض" و"قاعدة" و"حمض مرافق" و"قاعدة مرافقة" ليست ثابتة لمادة كيميائية معينة} ^، بل يمكن تبديلها إذا عُكس التفاعل.

تتناسب قوة الحمض المرافق طرديًا مع ثابت انشطاره . فكلما كان الحمض المرافق أقوى، انشطرت نواتج تفاعله بسهولة أكبر، ودفعت بروتونات الهيدروجين بعيدًا، وكان ثابت اتزانه أعلى . أما قوة القاعدة المرافقة فتُقاس بميلها إلى جذب بروتونات الهيدروجين نحوها. فإذا صُنفت القاعدة المرافقة بأنها قوية، فإنها ستحتفظ ببروتون الهيدروجين عند ذوبانها، ولن ينشطر حمضها.

إذا كان المركب الكيميائي حمضًا قويًا، فإن قاعدته المرافقة ستكون ضعيفة. ^{[ 3 ]} مثال على ذلك هو انشطار حمض الهيدروكلوريك (HCl) في الماء. بما أن HCl حمض قوي (ينشطر إلى حد كبير)، فإن قاعدته المرافقة ( Cl⁻ ⁾ستكون ضعيفة. لذلك، في هذا النظام، ستكون معظم أيونات الهيدروجين (H ⁺⁾ستكون أيونات الهيدرونيوم H₃ O ⁺بدلاً من أن تكون مرتبطة بأيونات الكلوريد ^، ستكون القواعد المرافقة أضعف من جزيئات الماء.

من ناحية أخرى، إذا كان المركب الكيميائي حمضًا ضعيفًا، فلن تكون قاعدته المرافقة بالضرورة قوية. على سبيل المثال، الإيثانوات، القاعدة المرافقة لحمض الإيثانويك، لها ثابت انقسام قاعدي (Kb) يبلغ حوالي5.6 × 10⁻¹⁰ ، مما يجعلها قاعدة ضعيفة. ولكي يكون للنوع الكيميائي قاعدة مرافقة قوية، يجب أن يكون حمضًا ضعيفًا جدًا، مثل الماء ^{. [ 4 ]}

لتحديد الحمض المرافق، ابحث عن زوج المركبات المرتبط به. يمكن النظر إلى تفاعل الحمض والقاعدة من منظورين: قبل التفاعل وبعده. يمثل جانب المتفاعلات جانب ما قبل التفاعل، بينما يمثل جانب النواتج جانب ما بعد التفاعل. يكتسب الحمض المرافق في جانب ما بعد التفاعل أيون هيدروجين، لذا في جانب ما قبل التفاعل، يكون المركب الذي يحتوي على أيون هيدروجين أقل من الحمض المرافق هو القاعدة. أما القاعدة المرافقة في جانب ما بعد التفاعل، فتفقد أيون هيدروجين، لذا في جانب ما قبل التفاعل، يكون المركب الذي يحتوي على أيون هيدروجين أكثر من القاعدة المرافقة هو الحمض.

ضع في اعتبارك تفاعل الحمض والقاعدة التالي:

حمض النيتريك ( HNO3)₃ ) حمضلأنه يمنح بروتونًا لجزيء الماء، وقاعدتهالمرافقةهيالنترات(NO₃⁻). يعمل جزيء الماء كقاعدة لأنه يستقبل كاتيون الهيدروجين (البروتون)، وحمضه المرافق هوأيونالهيدرونيوم(H₂O ₎ ^.₃ O ⁺).

يُستخدم أحد الأحماض والقواعد المترافقة في أنظمة التخزين المؤقت، والتي تشمل المحلول المنظم . في المحلول المنظم، يُستخدم حمض ضعيف وقاعدته المترافقة (على شكل ملح)، أو قاعدة ضعيفة وحمضها المترافق، للحد من تغير الرقم الهيدروجيني أثناء عملية المعايرة. للمحاليل المنظمة تطبيقات كيميائية عضوية وغير عضوية. على سبيل المثال، بالإضافة إلى استخدامها في العمليات المختبرية، يعمل دم الإنسان كمنظم للحفاظ على الرقم الهيدروجيني. يُعدّ محلول حمض الكربونيك-بيكربونات المنظم أهم محلول منظم في مجرى الدم ، حيث يمنع التغيرات الحادة في الرقم الهيدروجيني عند ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون.تم تقديم _{رقم 2. ويعمل هذا على النحو التالي:}$${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> HCO3^- + H+}}}$$

علاوة على ذلك، إليكم جدولًا بالمخازن المؤقتة الشائعة.

ثمة تطبيق شائع آخر للمركبات العضوية يتمثل في إنتاج محلول منظم باستخدام حمض الأسيتيك. حمض الأسيتيك هو حمض ضعيف صيغته الكيميائية CH_{تم تحضير محلول منظم من 3} COOH، وسيحتاج إلى دمجه مع قاعدته المرافقةCH₃ COO ⁻على شكل ملح. يُطلق على الخليط الناتج اسم محلول منظم الأسيتات، ويتكون من CH المائي₃ COOHوCH₃ COONa. حمض الأسيتيك، إلى جانب العديد من الأحماض الضعيفة الأخرى، بمثابة مكونات مفيدة للمحاليل المنظمة في مختلف بيئات المختبر، كل منها مفيد ضمن نطاق الرقم الهيدروجيني الخاص به.

يُعد محلول رينجر لاكتات مثالاً على ذلك حيث تكون القاعدة المرافقة لحمض عضوي، وهو حمض اللاكتيك ، CH_{يتم دمج 3} CH(OH)CO ⁻ ₂ مع كاتيونات الصوديوم والكالسيوم والبوتاسيوم وأنيونات الكلوريد في الماء المقطر ^{[ 5 ]،} والتي تشكل معًا سائلًا متساويالتوتربالنسبة لدم الإنسان، ويستخدملإنعاش السوائلبعدفقدان الدمالناتج عنالصدماتأوالجراحةأوالحروق. ^{[ 6 ]}

فيما يلي عدة أمثلة على الأحماض وقواعدها المرافقة؛ لاحظ كيف تختلف ببروتون واحد فقط (أيون الهيدروجين H ⁺ ). تقل قوة الحمض وتزداد قوة القاعدة المرافقة كلما اتجهنا لأسفل الجدول.

في المقابل، إليكم جدولاً بالقواعد وأحماضها المرافقة. وبالمثل، تقل قوة القاعدة وتزداد قوة الحمض المرافق كلما اتجهنا لأسفل الجدول.

• محلول منظم
• نزع البروتون
• البروتون
• الملح (الكيمياء)
• الكربوكسيلات

• مراجعة الكيمياء العامة لامتحان MCAT – 10.4 المعايرة والمحاليل المنظمة
• مختبر الصيدلة والتركيبات الدوائية - المحاليل المنظمة وسعتها. مؤرشف بتاريخ ٢٨ أبريل ٢٠٢١ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).