اسید و باز، pH و صابون (شیمی ۳)

مقدمه: پاکیزگی و بهداشت

تاریخچهٔ صابون به چند هزار سال پیش از میلاد می‌رسد؛ حفاری‌های شهر بابِل نشان می‌دهد انسان‌های اولیه از موادی شبیه صابون استفاده می‌کردند. شستشو با خاکستر و آب گرم — که در واقع محلول پتاسیم هیدروکسید می‌ساخت — یکی از نخستین روش‌های نظافت در تاریخ است.

انحلال‌پذیری

\text{«Like dissolves like»}

مواد قطبی در حلال قطبی و مواد ناقطبی در حلال ناقطبی حل می‌شوند.

ماده	محلول در آب	محلول در هگزان	دلیل
اتیلن‌گلیکول	بله	خیر	دو گروه $\text{-OH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطبی
نمک خوراکی	بله	خیر	یونی، قطبی
بنزین	خیر	بله	هیدروکربن ناقطبی
روغن زیتون	خیر	بله	زنجیر هیدروکربنی بلند

چربی و صابون

اسیدهای چرب کربوکسیلیک اسیدهایی با زنجیر بلند کربنی‌اند:

\underbrace{\text{CH}_3\text{CH}_2\cdots\text{CH}_2}_{\text{ناقطبی (آب‌گریز)}}-\underbrace{\text{COOH}}_{\text{قطبی (آب‌دوست)}}

چربی (تری‌گلیسرید) از ترکیب گلیسرول با ۳ اسید چرب ساخته می‌شود. چربی‌ها در آب حل نمی‌شوند چون زنجیرهای بلند و ناقطبی‌شان مانع برقراری پیوند هیدروژنی با آب می‌شوند.

صابون

فرمول عمومی $\text{RCOONa}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ صابون‌های جامد نمک سدیم و صابون‌های مایع نمک پتاسیم یا آمونیوم اسیدهای چرب‌اند.

\underbrace{\text{R}}_{\text{دم — چربی‌دوست}}-\underbrace{\text{COO}^-\text{Na}^+}_{\text{سر — آب‌دوست}}

مکانیسم پاک‌کنندگی: سر آب‌دوست با آب پیوند هیدروژنی می‌بندد و دم چربی‌دوست با چربی جاذبهٔ واندروالس برقرار می‌کند؛ مولکول‌های صابون دور ذرهٔ چربی را می‌گیرند و میسل می‌سازند — کره‌ای با دم‌ها به سمت داخل و سرها به سمت بیرون — و چربی از سطح جدا می‌شود.

کلوئید

نوع مخلوط	اندازهٔ ذرات	رفتار در برابر نور	پایداری
محلول	$< 1\ \text{nm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	عبور نور	پایدار
کلوئید	$1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین– $1000\ \text{nm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	پخش نور (تیندال)	پایدار
سوسپانسیون	$> 1000\ \text{nm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	جذب/پراکندگی	ناپایدار (ته‌نشین می‌شود)

اثر تیندال همان چیزی است که کلوئید را از محلول تشخیص می‌دهد: ذرات درشت‌تر نور را پخش می‌کنند.

صابون در آب سخت

آب سخت آبی است با مقادیر چشمگیر $\text{Ca}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

2\text{RCOONa(aq)} + \text{CaCl}_2\text{(aq)} \rightarrow (\text{RCOO})_2\text{Ca(s)}\downarrow + 2\text{NaCl(aq)}

نمک‌های کلسیم و منیزیم اسیدهای چرب نامحلولاند و رسوب سفید می‌سازند — همان لکه‌هایی که پس از شستشو با آب سخت روی لباس می‌ماند.

نکتهٔ کنکوری: برای رفع این مشکل نمک‌های فسفات به شوینده‌ها افزوده می‌شود تا یون‌های $\text{Ca}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را از محلول خارج کنند.

نکتهٔ زیست‌محیطی: ورود همین فسفات‌ها به دریاچه‌ها باعث مرگ دریاچه می‌شود — نمونهٔ مشهورش دریاچهٔ اری در دههٔ ۱۹۶۰.

پاک‌کننده‌های خورنده

ماده	نام رایج	خاصیت
$\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	جوهر نمک	اسید قوی
$\text{NaOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	سود سوزآور	باز قوی خورنده
$\text{H}_2\text{SO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	جوهر گوگرد	اسید قوی

هشدار ایمنی: سفیدکننده (هیپوکلریت) و جوهر نمک را هرگز مخلوط نکنید:
$\text{NaOCl} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{Cl}_2\uparrow$
گاز کلر از هوا سنگین‌تر است، پایین می‌ماند و تنفسش بسیار خطرناک است.

نظریهٔ آرنیوس

دسته	تعریف	مثال
اسید آرنیوس	در آب $\text{H}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آزاد می‌کند	$\text{HCl, HNO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
باز آرنیوس	در آب $\text{OH}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آزاد می‌کند	$\text{NaOH, KOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
خنثی	$[\text{H}^+] = [\text{OH}^-]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	آب خالص در $25^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پروتون آزاد در آب به مولکول آب می‌چسبد و هیدرونیوم می‌سازد: $\text{H}^+\text{(aq)} \equiv \text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

رسانایی: فلزات رسانای الکترونی‌اند و محلول‌های الکترولیت رسانای یونی. الکترولیت ماده‌ای است که در آب به یون تجزیه می‌شود ( $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و غیرالکترولیت به‌صورت مولکولی حل می‌شود (اتانول، شکر).

اسید قوی و ضعیف

اسید قوی به‌طور کامل یونش می‌شود ( $\alpha \approx 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و اسید ضعیف به‌طور جزئی ( $\alpha < 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) — به همین دلیل معادلهٔ اسید ضعیف با فلش دوطرفه نوشته می‌شود.

\alpha = \frac{\text{شمار مولکول‌های یونیده}}{\text{شمار کل مولکول‌های حل‌شده}}

ثابت یونش اسید

\boxed{K_a = \frac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}}

نکتهٔ مهم: $K_a$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تنها تابع دماست و به غلظت آغازی بستگی ندارد. هر چه $K_a$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بزرگ‌تر، اسید قوی‌تر.

اسید	$K_a$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	نوع
$\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{HNO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{H}_2\text{SO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	بسیار بزرگ	قوی
$\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$6.8 \times 10^{-4}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	ضعیف
$\text{HCOOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1.8 \times 10^{-4}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	ضعیف
$\text{CH}_3\text{COOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1.8 \times 10^{-5}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	ضعیف
$\text{H}_2\text{CO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4.5 \times 10^{-7}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	ضعیف
$\text{HCN}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4.9 \times 10^{-10}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	بسیار ضعیف

حفظ کن: اسیدهای قوی فقط این‌هایند — $\text{HCl, HBr, HI, HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4, \text{HClO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. بقیه معمولاً ضعیف‌اند.

pH

\text{pH} = -\log[\text{H}^+] \qquad\qquad [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}

لگاریتم‌های لازم: $\log 2 = 0.30$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\log 3 = 0.48$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\log 7 = 0.85$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

فرمول عملی محاسبه:

\text{pH} = -\log(a \times 10^{-b}) = b - \log a

حاصل‌ضرب یونی آب

آب خالص به مقدار بسیار ناچیزی خودیونش می‌دهد:

\text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{H}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)}

\boxed{K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14} \quad (25^\circ\text{C})} \qquad \boxed{\text{pH} + \text{pOH} = 14}

نکتهٔ بسیار مهم: رابطهٔ $K_w$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در تمام محلول‌های آبی برقرار است — اسیدی، بازی و خنثی — نه فقط در آب خالص.

خاصیت	شرط	pH
اسیدی	$[\text{H}^+] > [\text{OH}^-]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$< 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
خنثی	$[\text{H}^+] = [\text{OH}^-]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$= 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
بازی	$[\text{H}^+] < [\text{OH}^-]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$> 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

چرا گسترهٔ pH صفر تا ۱۴ است؟ چون حداکثر غلظت عملی $[\text{H}^+]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $[\text{OH}^-]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در محلول‌های رقیق $1\ \text{mol·L}^{-1}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

خنثی‌سازی و ضداسیدها

\text{H}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)}

در واکنش $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $\text{NaOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، یون‌های $\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{Cl}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تماشاگراند و دست‌نخورده می‌مانند.

اسید معده: $[\text{H}^+] \approx 0.03\ \text{mol·L}^{-1}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{pH} \approx 1.52$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

ضداسیدها با خنثی‌سازی عمل می‌کنند:

\text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}

\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow

نکته: محلول جوش شیرین ( $\text{NaHCO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) بازی است، چون $\text{HCO}_3^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یک باز ضعیف است.

نکات کنکوری

۱. بخش آب‌دوست صابون $\text{-COO}^-\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و بخش چربی‌دوستش زنجیر $\text{R}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

۲. کلوئید اثر تیندال دارد و ته‌نشین نمی‌شود.

۳. $K_w = 10^{-14}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در همهٔ محلول‌های آبی برقرار است.

۴. اسید قوی‌تر ⟵ $K_a$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بزرگ‌تر ⟵ $\alpha$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بزرگ‌تر ⟵ $[\text{H}^+]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر ⟵ pH کمتر.

۵. در محلول اسید ضعیف همواره $[\text{HA}] > [\text{H}^+]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، چون یونش کامل نیست.

۶. در محلول اسید قوی با غلظت $C$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $[\text{H}^+] = C$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $[\text{OH}^-] = \frac{10^{-14}}{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

۷. $\text{NaHCO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در آب بازی است، نه خنثی.

۸. آمونیاک باز ضعیف است (نه خورنده)، ولی $\text{NaOH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باز قوی و خورنده است.

۹. در غلظت یکسان، رسانایی $\text{HCl(aq)}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر از $\text{HF(aq)}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

جدول جامع روابط

مفهوم	رابطه
حاصل‌ضرب یونی آب	$K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
pH و pOH	$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{pH} + \text{pOH} = 14$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
ثابت یونش	$K_a = \frac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
درجهٔ یونش	$\alpha = \frac{\text{مول یونیده}}{\text{مول کل}}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
خنثی‌سازی	$\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
صابونی‌سازی	$\text{RCOOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{RCOONa} + \text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
آب سخت	$2\text{RCOONa} + \text{CaCl}_2 \rightarrow (\text{RCOO})_2\text{Ca}\downarrow + 2\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

مطالب فراتر از کتاب

درسنامهٔ کامل این‌ها را هم پوشش می‌دهد: شیمی خاکستر چوب و اصل صابونی‌سازی، اندازه و پایداری الکتروستاتیکی میسل‌ها، تاریخچهٔ کلوئید (فارادی و گراهام)، شیمی پودر بازکنندهٔ لوله و سه‌گانهٔ عاملِ کارایی‌اش، زندگی‌نامهٔ آرنیوس و مقاومت علمی در برابر نظریهٔ یونی، محاسبهٔ تجربی $K_a$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از سه محلول با غلظت متفاوت، بازهای قوی و ضعیف، و ده‌ها مسئلهٔ حل‌شدهٔ کمّی اسید-باز.

خلاصه‌ی درسنامه