كيف تفرق بين الأحماض والقواعد وما خصائص كل منها؟

يعد تصنيف المواد إلى مجموعات الأحماض والقواعد واحدة من التصنيفات التي تخضع إليها المواد الكيميائية، حيث يسهل هذا التصنيف من تعرفنا على المواد والتعامل معها والاستفادة منها وتجنب مخاطرها. لا تنفصل الكيمياء عن حياتنا أبدًا، بل أن حياتنا هي نتيجة التفاعلات الكيميائية داخل أجسامنا ونتيجة التفاعلات في الفضاء والأرض، فكل ما يحدث حولنا تقريبا هو ناتج تفاعلات كيميائية، وكل المواد تخضع لتصنيفات كيميائية تبعا لخصائصها وسلوكها خلال التفاعلات. ومثل كل القضايا العلمية، فقد مرت الأحماض والقواعد بتطورات عديدة تشمل تعريفها وكل ما يتعلق بها نتيجة زيادة البحث والدراسة. وهذا يعني أنه ليس هناك تعريف واحد لكل من الأحماض والقواعد وسنتناول في موضوعنا هذه التعريفات المختلفة، ودورها ووضعها في حياتنا وأجسامنا.

مقدمة في الأحماض والقواعد

تتفاعل الأحماض والقواعد معًا لتنتج لنا الأملاح، وتشغل مساحة واسعة في التفاعلات الكيميائية الهامة، وكثير من المواد التي نأكلها يوميًا هي عبارة عن أحماض وقواعد أو أملاح ناتجة من تفاعلات الأحماض والقواعد ، مثل ملح الطعام وهو الملح الناتج عن تفاعل الكلور مع الصوديوم، والخل هو حمض الخليك، والليمون والبرتقال يحتويان على حمض الستريك، ويحتوي التفاح على حمض الماليك، واللبن به حمض اللاكتيك، بينما تستخدم القواعد في صناعات عديدة مثل صناعة الصابون وتصنيع الأسمدة ومواد البناء.

تعريف الحمض

هناك عدة تعريفات مختلفة للأحماض، أشهرهم أنه المركب الكيميائي الذي يحرر أيون الهيدروجين أو المعروف بالبروتون عند انحلاله في الماء، وقديما كانت الأحماض تعرف بخصائصها، فمثلا كانت ذات طعم لاذع وتفكك كثير من المعادن، وقد اعتقد العالم لافوازييه أن الأكسجين هو العنصر الرئيسي للأحماض لكن بتطور العلم اتضح أن المكون الرئيسي للأحماض هو الهيدروجين. وهناك تعريف آخر تبعا للعالم جيلبرت لويس، فيعرف حمض لويس على أنه مادة تكتسب الإلكترونات لتشكل رابطة تساهمية، وتعرّف الأحماض أيضا على أنها أي مادة مانحة للبروتونات.

تعريف القواعد

مثلما تتنوع تعريفات الأحماض، تتنوع كذلك تعريفات القواعد، ويمكن القول أن القواعد هي عكس الأحماض، مثلا، تعرف القواعد على أنها المركبات الكيميائية تحرر أيون الهيدروكسيد عند انحلالها في الماء، أما قاعدة لويس فهي المادة التي تعطي الإلكترونات لتشكل رابطة تساهمية، وتعرف القواعد أيضًا على أنها أي مادة مستقبلة للبروتونات. وأيضًا كانت تعرف القواعد تبعا لخصائصها، فهي صابونية الملمس.

كواشف الأحماض والقواعد

هناك بعض المواد التي يمكن استخدامها للتفريق بين الأحماض والقواعد ، ومن أشهر تلك المواد ورقة عباد الشمس، عند ملامستها للحمض تتحول إلى اللون الأحمر، أما عند ملامستها للقاعدة فإنها تتحول إلى اللون الأزرق. ورقة عباد الشمس عبارة عن ورق تتم معالجته من الآشنات وهو خليط من 10 إلى 15 صبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء، وعندما يكون الوسط متعادلا تكون لون ورقة عباد الشمس أرجوانية، واستخدمت لأول مرة عام 1300م عن طريق الأسباني أرنالودوس دي فيلا نوفا، يمكن استخدام الورق لاختبار حمضية الغازات أيضا عن طريق تبليل الورقة بالماء المقطر.

يمكن استخدام الميثيل البرتقالي للكشف عن الأحماض والقواعد، حيث يتحول لونه إلى اللون الأصفر في حالة القواعد، ويتحول إلى اللون الأحمر مع الحمض، والميثيل البرتقالي هو مركب عضوي مذبذب الخواص وقلويته ضعيفة، ويمكن استعمال الفينول فيثالين حيث يتحول إلى اللون الأحمر الوردي في حالة القواعد، ويصبح عديم اللون في حالة الأحماض.

الأحماض والقواعد في حياتنا

بالتأكيد كلنا قد تعاملنا مع الأحماض والقواعد في بيوتنا وحياتنا اليومية، فهناك مثلا الفواكه المالحة مثل البرتقال والليمون الذين يتكونون من حمض الستريك، وأيضا معجون الأسنان هو أحد المواد القاعدية والتي يمكن استخدامها كمسكن لحروق البشرة، وفي المطبخ يوجد الخل الذي يحتوي على حمض الخليك ويمكن استخدامه كمنظف قوي نظرا لطبيعته الحامضية. والصودا التي نشربها هي عبارة عن أحماض حيث تتكون من حمض الكربونيك وعلى الرغم من أنها آمنة للشرب، فإنها تسبب تآكل في المعادن والمواد الأخرى. مثال آخر على القواعد في بيوتنا هي البيكينج صودا أو الصوديوم بيكربونات، وهي قاعدة ضعيفة يستخدمها الناس في الطبخ والخبز والتنظيف، ويمكن استخدامها أثناء الكي وتوزيعها على الملابس للمساعدة في كيها. وكذلك مواد التنظيف والمبيضات والصابون هي قواعد لكنها غير صالحة للطعام لأنها قواعد قوية ولها تأثير على الأسطح والمعادن.

الأحماض والقواعد القوية والضعيفة

كما ذكرنا سابقًا فإنه يوجد قواعد قوية وضعيفة، وأحماض قوية وضعيفة، فما الذي يحدد قوة أو ضعف الأحماض والقواعد ؟ يتوقف هذا الأمر على قدرة المادة على التفكك في الماء، فحين وجود الحمض أو القاعدة مع الماء، فإنهما لا يكونان بحالتهم المتماسكة، وإنما يتفكك كل منهما إلى الذرات المكونة له. يمكن تعريف الأحماض القوية على أنها تلك الأحماض التي تتفكك بصورة كلية في الماء مكوّنة ذرة هيدروجين موجبة وأنيون سالب ومن تلك الأحماض : حمض الهيدروكلوريك، حمض النيتريك، حمض الكبريتيك، حمض الهيدروبروميك، حمض الهيدرويوديك، حمض البيركلوريك. ويمكن تعريف القواعد القوية على أنها تلك القواعد التي تتفكك بصورة كلية في الماء مكونة مجموعة هيدروكسيد وكاتيون موجب، ومن تلك القواعد: ليثيوم الهيدروكسيد، صوديوم الهيدروكسيد، بوتاسيوم الهيدروكسيد، روديوم الهيدروكسيد، سيزيوم الهيدروكسيد.

الفرق بين القواعد والقلويات

يحدث لبس أحيانا بين تعريف القواعد وتعريف القلويات، وقد يخلط الكثيرون بينهما. فأما القلويات فالمقصود بها هي العائلة الأولى في الجدول الدوري أي عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم والفرانسيوم. تتميز تلك العناصر بانخفاض طاقة تأينها مما يجعلها تميل لفقدان إلكترون التكافؤ مكونة أيونات موجبة. وهي عناصر نشطة كيميائيا لدرجة أننا لا نجدها مستقلة في الطبيعة، إنما توجد في صورة مركبات. يرجع سبب تسميتها بهذا الاسم نظرا لنشاطها الشديد في تفاعلها مع الماء مما ينتج عنه صوت قوي كالناتج عن القلي، أما القواعد فقد سبق وأوضحنا تعريفاتها المختلفة. والجدير بالذكر أن كل القلويات قواعد وليس العكس.

ما هو الأس الهيدروجيني؟

يعبر الأس الهيدروجيني -المستخدم للتفريق بين الأحماض والقواعد – عن درجة الحموضة وهي سالب لوغاريتم العشري لتركيز الهيدروجين الموجب في المحلول ويأخذ رمز pH وهو مقياس من 0 إلى 14، فتعد السوائل التي لها أس هيدروجيني أقل من 7 هي أحماض، أما القلويات فإن الأس الهيدروجيني لها أكبر من 7، وتعبر درجة الحموضة 7 على أن السائل متعادلا. عرف الأس الهيدروجيني عام 1909م على يد العالم سورين سورينسن. وتمثل درجة الحموضة أهمية كبيرة لاستمرار حياة الإنسان، فالتفاعلات الداخلية تتم في درجات معينة من الحموضة ولا يجب أن تتغير، وكلما نقصت قيمة pH عن الطبيعي في الدم فإنها تؤثر على الهيموجلوبين وتنقص كمية الأكسجين التي يحملها الدم، ويكون دم الإنسان قلويًا بين 7.35 و7.45، أما بشرة الإنسان فإنها حمضية قليلًا تصل درجة حموضتها إلى 5.5 وتصنع مستحضرات الغسيل معتمدة على هذا المعيار، فتضبط كمية مكوناتها ليكون المنتج له درجة حموضة تساوي 5، وتتكون عادة من ماء وجلسرين وملح طعام وبيكربونات الصوديوم وثيوسلفات الصوديوم.

تؤثر درجة الحموضة كذلك على جودة التربة، وتختلف درجة الحموضة المناسبة لكل نوع من المحاصيل والنباتات. حيث أن لدرجة الحموضة تأثير مباشر على توافر أملاح النمو التي يحتاجها النبات، فعندما تكون الأرض قلوية أو متعادلة، فإنها تفتقر إلى عنصر الحديد ويتكون أكسيد هيدروكسيد الحديد ولا يمكن للنبات أن يمتص الحديد في هذه الصورة. عندما تكون جذور النباتات منفذة لأيونات الأمونيوم فإن التربة الحمضية هي المناسبة لها، ويقل تأثر النبات بحموضة التربة إذا كانت جذورها منفذة للأمونيوم والنترات في نفس الوقت، ولهذا يستخدم المزارعون نترات الأمونيوم كسماد صناعي للتربة.

الكائنات الحية الحمضية

بالحديث عن الأحماض والقواعد يجب الحديث عن الكائنات الحية الحمضية، وهي الكائنات التي تنمو في بيئة حمضية عالية تتراوح بين 0 و 2، ومن أشهر تلك الكائنات بعض أنواع البكتيريا. طورت تلك الكائنات آليات للتكيف مع تلك البيئة عالية الحموضة، تعتمد على ضخ البروتونات من داخل الخلايا حتى تحافظ على السيتوبلازم في درجة حرارة طبيعية، بينما بعض الكائنات الأخرى الحمضية تتمتع بسيتوبلازم حمضي مما أدى إلى تطوير استقرار الحمض، وعند دراسة ذلك النوع من الكائنات، فقد تبين وجود رواسب حمضية مفرطة تزيد من استقرار درجة الحموضة المنخفضة عن طريق تعزيز الشحنات الإيجابية، كما يمكن منع وصول مذيب الرواسب الحمضية.

المواد المترددة

تصنف المواد على أنها مترددة عندما يصبح لها القدرة على التفاعل إما كأحماض وإما كقواعد، فالمواد المترددة يكون لها القدرة إما على إعطاء البروتونات أو اكتسابها، وتحتوي كل هذه المواد على الهيدروجين، ومن أمثلتها الماء والأحماض الأمينية وأيونات كربونات الهيدروجين وأيونات سلفات الهيدروجين. وتستخدم تلك المواد المترددة ككواشف للأحماض والقواعد حيث يتغير لونها تبعا للوسط الذي تتفاعل فيه.

الأحماض في الإنسان

في الحقيقة يوجد العديد من الأحماض التي لها أهمية كبيرة في جسم الإنسان، وهي ضرورية للحياة، فهذه الأحماض مهمة للهضم وإنتاج الهرمونات والبروتينات وتدخل كذلك في تكوين الجينات وبعض أشكال إنتاج الطاقة. ومن أمثلة تلك الأحماض، حمض الهيدروكلوريك، تحتوي المعدة على بعض الخلايا التي تنتج حمض الهيدروكلوريك، وهو إحدى مكونات العصارة المعدية التي تعمل على هضم الطعام، ويساعد هذا الحمض على تكسير الطعام إلى وحدات أصغر يسهل امتصاصها، كما أنه يحافظ على حمضية المعدة. ويوجد أيضا حمض اللاكتيك والذي يظهر دوره خلال التمرينات وممارسة الرياضة، فعند بذل مجهود شديد تتناقص كمية الأكسجين الموجودة في العضلات، مما يحفز الخلايا على إفراز حمض اللاكتيك كمصدر بديل للطاقة وبذلك تتمكن العضلات من بذل مزيد من المجهود.

الأحماض النووية

بالحديث عن الأحماض والقواعد يجب أن نتطرق إلى الأحماض النووية في جسم الإنسان، حيث يوجد نوعين من الأحماض النووية في جسم الإنسان، وهما DNA و RNA، أي سكر ريبوزي ناقص الأكسجين، وسكر ريبوزي غير ناقص الأكسجين. يحتوي السكر الريبوزي ناقص الأكسجين على المادة الجينية التي تسمح للكائنات الحية أن تكون أفراد جديدة من نفس جنسها. ويسمى الجزء من هذا السكر بالجين وهو الذي يأمر الجسم بإنتاج بروتينات معينة تحمل المعلومات الوراثية التي تنتقل من جيل لآخر، ويعد هذا الحمض النووي ضروري لبقاء الأنواع كما أنه يحدد جنس الجنين وصفاته الجسدية.

أما السكر الريبوزي غير ناقص الأكسجين فإنه ينتج البروتينات وينقل بعض المعلومات الوراثية من نواة الخلايا إلى مناطق إنتاج البروتين.

الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية

تعد الأحماض الأمينية هي وحدة بناء البروتينات التي تستخدم للتحكم في العمليات التي تحدث داخل الخلايا، كما تزيد من سرعة العمليات الكيميائية في الجسم، ولذلك تعد تلك الأحماض الأمينية أحد أهم الأحماض التي تحافظ على حياة الأنواع، ويحتاج الجسم حوالي 20 حمض أميني، إلا أنه يصنع كمية قليلة منها بنفسه، فهو يحتاج إلى حوالي 10 منهم من الطعام، وتحديدا من اللحوم الحمراء والأسماك ومنتجات الألبان.

تحتوي الخلايا البشرية على غشاء رفيع يفصل مكونات الخلية عن السائل الموجود خارجها، يُصنع هذا الغشاء من الأحماض الدهنية والبروتينات والكوليسترول، كما يستخدم الجسم الأحماض الدهنية لإنتاج البروتين والهرمونات.

اتزان الأحماض والقواعد في جسم الإنسان

يرجع مصدر الأحماض في جسم الإنسان إلى عملية الأيض، بينما يعد الغذاء هو مصدر القواعد، وتخضع الأحماض والقواعد إلى التحول الأيضي أو تخرج من الجسم خلال عملية الإخراج. يجب أن يكون هناك اتزانا بين الأحماض والقواعد في الجسم، وهناك بعض الأجهزة المسؤولة عن ذلك، فمثلا يعمل الجهاز التنفسي في غضون دقيقة إلى ثلاث دقائق على تنظيم ثاني أكسيد الكربون، فهو قادر على تغيير درجة حموضته، وتساهم الكلية أيضا في عملية الاتزان بطرق معقدة، أما الكبد فيقوم بتحويل الأمونيا من صورتها السامة إلى صورة يستعملها الجسم في دورة اليوريا أو تكوين الجلوتامين.

الأمطار الحمضية

يشيع في الأماكن شديدة التلوث هبوط الأمطار الحمضية، وتلك الأمطار لها تأثيرات مدمرة على حياة كل من الحيوانات والنباتات، ويكون المطر حمضيا حين يوجد به مركبات النيتروجين والكبريت، وتنتشر تلك المركبات في الجو نتيجة المصانع والعوادم وغيرها من المسببات التي تلوث البيئة. تصل بشاعة تلك الأمطار إلى أن القطرة الساقطة منها على أوراق النباتات تخترقها تاركة ثقب بحجم القطرة في الورقة، ناهيك عن تأثير الأمطار الحمضية على جلد الحيوانات والإنسان من حروق وإصابات. كما يظهر ضرر تلك الأمطار على قدرة الأسماك على امتصاص الأكسجين والمغذيات حيث يؤدي الحمض إلى تكون المخاط في خياشيم الأسماك مما يعيق امتصاصها للمواد الضرورية، كما أنه يغير من الأس الهيدروجيني للماء والذي يعني استحالة العيش لأنواع كثيرة من الأسماك، وتضر الأمطار الحمضية المباني والأماكن التاريخية والتماثيل والمنحوتات، نتيجة تفاعل حمض الكبريتيك مع مواد الكالسيوم في الأحجار الجيرية أو الرخام أو الجرانيت وهم المواد المستخدمة في البنايات والآثار، ويتفاعل حمض النيتروجين مع كثير من المعادن في الأماكن الصناعية مما يؤدي إلى تخريبها.

تتجه الدول والحكومات إلى سن القوانين التي تمنع الانبعاثات الضارة التي تسبب تكون الأمطار الحمضية، ففي عام 1991 وقعت كندا والولايات المتحدة الأمريكية اتفاقية تحدد نوع الانبعاثات المسموح بها، كما اتخذت الدولتين إجراءات تقلل ثاني أكسيد الكبريت بحوالي عشرة مليون طن سنويا. وعموما يمكن التقليل من الانبعاثات الضارة عن طريق تقليل استهلاك الوقود الحفري والبحث عن مصادر آمنة للطاقة، ويمكننا نحن كأشخاص أن نساهم في تقليل تلك الانبعاثات عن طريق إطفاء الأنوار الزائدة عن حاجتنا وترشيد استهلاك المكيفات وأجهزة التدفئة، كما يمكن استبدال الأجهزة القديمة بأخرى حديثة، لأن الأجهزة الحديثة مصممة على عدم استهلاك كثير من الطاقة.

يتضح من كل مما سبق، أن هناك اتزانا بين الأحماض والقواعد في كل شيء، في أجسامنا وفي التربة وفي البحار وفي الهواء، وأي خلل في هذا الاتزان ينتج عنه مشاكل كثيرة ومؤذية للكائنات الحية جميعها. لذلك فمن المعروف أن العلماء حين يكتشفون أي شيء جديد، سواء كان مكان أو كائن حي، فإنهم يتجهون إلى دراسته من الناحية الحمضية والقاعدية. لذلك إن كنت ترغب في أن يكون ابنك عالمًا، قم بتعليمه أكثر عن الأحماض والقواعد وكيف يفرق بينهما وما خصائص كل منهما.