آموزش شیمی

تعاریف

1)      لاووازیه : لاووازیه اکسیژن را عنصر اصلی سازنده اسیدها در نظر گرفت.

2)     همفری دیوی : همفری دیوی هیدروژن را عنصر اصلی سازنده اسیدها در نظر گرفت.

3)    مدل آرنیوس :

اسید: ماده ای است که در حالت محلول یون  تولید می کند.

باز: ماده ای است  که در حالت محلول یون  تولید می کند.

تفکیک یونی( یونش): فرآیندی است که طی آن یک ترکیب خنثی به دو یون با بار مخالف تفکیک می شود.

از دیدگاه آرنیوس:

1-     اکسیدهای نافلزی، اسید به شمار می آیند و آنها را اکسیدهای اسیدی نامید. مانند گازهای ، ،  و .......

2-     اکسیدهای فلزی، باز به شمار می آیند و آنها را اکسیدهای بازی نامید. مانند ، ، ،  و ........

نکته: اکسیدهای آمفوتری مانند آلومینیم اکسید هم با اسیدها و هم با بازها واکنش می دهند.

واکنش خنثی شدن واکنشی است که در آن یک اسید با یک باز واکنش می دهند و نمک و آب را پدید می آورند.

این واکنش با توجه به تعریف آرنیوس به راحتی قابل توجیه است. از دیدگاه آرنیوس یونهای و  در این واکنش نقش اصلی را ایفا می کنند و یونهای دیگر ( یعنی آنیون حاصل از تفکیک اسید و کاتیون حاصل از تفکیک باز ) یونهای تماشاچی در این واکنش بوده اند. بنابراین واکنش اصلی خنثی شدن به شکل :  و یا به شکل درست تر : نشان داده می شود.

یون هیدروژن به دلیل شعاع یونی بسیار کم، چگالی بار بسیاز زیادی دارد و در حالت محلول به شدت آب پوشیده می شود و از طریق ایجاد پیوند داتیو یونهای آب پوشیده به فرمول ، ، و تشکیل می دهد. و به این ترتیب یون هیدرونیوم تشکیل می گردد.

4)    مدل لوری-برونستد

اسید: ماده ای است که در یک واکنش به عنوان دهنده پروتون یا  عمل می کند.

باز: ماده ای است  که که در یک واکنش به عنوان گیرنده پروتون یا  عمل می کند.

به طور کلی در یک واکنش: یک اسید با از دست دادن پروتون به یک باز مزوج و یک باز با گرفتن پروتون به اسید مزدوج تبدیل می شود. و یک واکنش اسید-باز طبق تعریف لوری-برونستد شکل کلی زیر را خواهد داشت:

اسید مزدوج(2) + باز مزدوج(1) باز(2) + اسید(1)

در مثال فوق گونه های شماره (1) و گونه های شماره (2) به طور جداگانه مزدوج یکدیگر هستند. و همیشه یک جفت اسید و باز مزدوج در یک پروتون یا  اختلاف دارند. و در میان آنها همیشه گونه اسیدی یک پروتون بیشتر داشته و یا یک واحد مثبت تر از اسید مزدوج خود می باشد.

تعریف اسید مزدوج: طی یک واکنش اسید-باز همواره یک باز با گرفتن پروتون به یک اسید تبدیل می شود. به اسید حاصل که در سمت راست معادله نوشته می شود، اسید مزدوج می گویند.

تعریف باز مزدوج: طی یک واکنش اسید-باز همواره یک اسید با از دست دادن پروتون به یک باز تبدیل می شود. به باز حاصل که در سمت راست معادله نوشته می شود، باز مزدوج می گویند.

نکته بسیار مهم:

1-     اسيدهاي قوي باز مزدوج ضعيف دارند و اسيدهاي ضعيف باز مزدوج قوي دارند.

2-     باز هاي قوي اسيد مزدوج ضعيف دارند و بازهاي ضعيف اسيد مزدوج قوي دارند.

معادلة خود يونش : واكنشي است كه در آن يك حلال خالص پروتون دار به تنهايي به يون تبديل مي شود، به این ترتیب که عمل مبادله پروتون میان مولکولهای حلال انجام می گیرد و طبق تعریف لوری-برونستد یک مولکول نقش اسید و مولکول دیگر حلال نقش باز را خواهد داشت. و در نتیجه مولکول حلال در این وضعیت یک آمفوتر است. مانند:

5)     مدل لوویس

گاهی اوقات واکنشهایی وجود دارند که با مبادله پروتون یا همراه نیستند و در نتیجه نمی توان طبق تعاریف آرنیوس یا لوری-برونستد آنها را توجیه کرد. لوویس تعریف خود را بر مبنای تشکیل پیوند کئوردیناسیون( داتیو) پایه گذاری کرد. با این ترتیب که:

اسید: ماده ای است که اربیتال خالی یا بار مثبت جزئی( در پیوند قطبی) داشته  و در یک واکنش به عنوان گیرنده جفت الکترون ناپیوندی عمل می کند.

باز: ماده ای است  که دست کم یک جفت الکترون ناپیوندی داشته و در یک واکنش به عنوان دهنده جفت الکترون ناپیوندی عمل می کند.

این تعریف بسیار فراگیرتر از تعاریف دیگر بوده و ترکیبات بیشتری را به طور دقیق تر در بر می گیرد. در اینجا علاوه بر تمام واکنشهایی که در تعاریف قبلی مورد بررسی قرار می گیرند، تعریف لوویس شامل تمام واکنشهایی است که در آنها هیچ یونی تشکیل نمی شود و هیچ یون هیدروژن یا یون دیگری انتقال نمی یابد. به عبارت بهتر در این تعریف فقط پروتون اسید نیست. بلکه گونه های بی شمار دیگری نظیر ،  ،  اسید هستند. مانند واکنش گاز آمونیاک با گاز هیدروژن کلرید. به مثالهای زیر توجه کنید:

در آینده خاصیت بازی آمین ها را بر اساس این تعریف به راحتی توجیه خواهیم کرد(شکل های بالا).

اسیدهای قوی و ضعیف

درجه تفکیک یونی( ): درجه تفکیک یونی یک ترکیب نمایانگر کسری از مولکولهای( تعداد مولهای ماده حل شده است که تفکیک شده و به یون تبدیل شده است. و با رابطه زیر نشان داده می شود:

گاهی برای نشان دادن میزان تفکیک یونی یک ماده در محلول از درصد تفکیک یونی استفاده می شود.

دامنه تغییرات  می تواند بین اعداد صفر ( وقتی که تفکیک یونی انجام نشود) و یک ( وقتی که تفکیک یونی کامل باشد) قرار گیرد.

  • هرچه درجه تفکیک یونی یک اسید یا باز بزرگتر باشد، آن اسید یا باز قویتر بوده و غلظت یونهای  یا  در محلول بیشتر است.

اسیدهای چند پروتونی

  • اسیدهایی که می توانند بیش از یک پروتون به آب بدهند، اسیدهای چند پروتونی نامیده می شوند. مانند: ، ،  و ......
  • برای این اسیدها به تعداد هیدروژنهای اسیدی شان می توان واکنش تفکیک اسیدی نوشت.
  • مقادیر Ka برای مراحل تفکیک متوالی اسیدها به ترتیب کمتر می شود زیرا اولاً در مرحله اول مولکول خنثی پروتون از دست می دهد و در مراحل بعدی با افزایش بار آنیون( باز مزدوج حاصل) کندن پروتون مشکل تر شده و ثانیاً یون حاصل از تفکیک مراحل قبلی طبق اصل لوشاتلیه باعث برگشت مراحل بعدی می شود و در نتیجه Ka کوچکتر می شود.
  • با توجه به تعداد هیدروژنهای اسیدی اسیدهای چند پروتونی می توان دستورهای ساده زیر را بکار برد:

1-                             تعداد مراحل تفکیک = تعداد هیدروژنهای اسیدی

2-                            1 + تعداد مراحل تفکیک = تعداد کل گونه ها یا یونهای حاصل

3-                             1 - تعداد مراحل تفکیک = تعداد گونه های آمفوتری

  • همیشه گونه های اسیدی در سمت چپ و گونه های بازی را در سمت راست معادله تفکیک می توان یافت.
  • گونه اسیدیی که در نخستین مرحله نوشته می شود، فقط نقش اسیدی. و گونه بازیی که در آخرین مرحله یافت می شود، فقط نقش بازی دارد.
  • در  مراحل بینا بین، گونه بازی هر مرحله می تواند گونه اسیدی مرحله بعد باشد.
  • در میان کل گونه ها ( آنیونها و یون هیدرونیوم) تولید شده، همیشه یون هیدرونیوم بیشترین غلظت و باز مردوج تولید شده در مرحله آخر کمترین غلظت را دارد.
  • از نظر عددی مقدار Ka از هر مرحله به مرحله بعدی به طور متوسط حدود  105 کاهش می یابد.

ثابت یونش آب

  • قبلاً در مورد خود یونش آب ( ) بحث شد و با توجه به مفاهیم تعادل می توان نوشت:

  • نماد بیانگر ثابت یونش آب می باشد و در دمای C° 25 برابر 14-10×1 می باشد. تفکیک یونی آب در درمای C° 25 و در هر دمای دیگری به نسبت برابر یونهای و  تولید می کند و در نتیجه آب خالص در هر دمایی خنثی می باشد.
  • با توجه به رابطه  می توان روابط زیر را برای محاسبه غلظت یونهای  و  در محلولهای اسیدی بازی و خنثی بکار برد:

       یا         

ثابت یونش اسیدها و بازها

  • قدرت اسید ها و بازها با مقدار Ka یا Kb رابطه مستقیم دارد به این معنی که اسیدها و بازهای قویتر به ترتیب Ka یا Kb بزرگتری دارند.
  • با توجه به رابطه  و  می توان گفت که اسدیها و بازهای قویتر که Ka یا Kb بزرگتری دارند به ترتیب pKa یا pKb کوچکتری دارند.
  • در محلول اسید یا باز یک ظرفیتی ثابت تفکیک اسید ها را می توان از رابطه زیر حساب کرد:

این رابطه با جایگزینی عبارت  به جای غلظت یونهای حاصل از تفکیک اسید در صورت رابطه ثابت تفکیک و جایگزینی ( ) در مخرج رابطه ثابت تفکیک اسیدها و ساده کردن روابط بدست آورد. در این رئابط کمیت CM بیانگر غلظت مولی اسید مورد نظر می باشد.

  • مقادیر Ka یا Kb را در مراجع معتبر می توان یافت ( در برخی مراجع دیگر مقادیر pKa یا pKb داده شده اند).

غلظت یون هیدرونیوم و مقیاس pH

  • با در دست داشتن غلظت یون هیدرونیوم در یک محلول می توان با استفاده از رابطه:  ، pH محلول را حساب کرد.
  • اگر در یک محلول غلظت یون هیدروکسید( ) در دست بود، می توان به یکی از دو طریق زیر عمل کرد:

1-     ابتدا با استفاده از رابطه  غلظت یون هیدرونیوم و سپس با استفاده از رابطه  ، pH محلول را حساب کرد.

2-     ابتدا با استفاده از رابطه  مقدار pOH محلول و سپس با استفاده از رابطه  ، مقدار pH محلول را حساب کرد. ( رابطه آخر به راحتی از رابطه مربوط به ثابت خود یونش آب قابل اثبات است)

  • محدوده تغییر pH محلولها بین صفر و 14 می باشد.
  • در دمای C° 25 ، محلولهای اسیدی pH کمتر 7  ، محلولهای بازی pH بیشتر از 7  و محلولهای خنثی pH برابر 7  دارند.
  • هرچه غلظت یون  محلول بیشتر باشد، pH محلول کمتر و محیط اسیدی تر است.
  •  هرچه غلظت یون  محلول بیشتر باشد،  غلظت یون  محلول کمتر ،  pH بیشتر و محیط بازی تر است.

pH سنج ها و شناساگرها

  • یک pH-سنج دیجیتال دستگاهی است که به کمک یک الکترود شیشه ای حساس به غلظت یون هیدرونیوم، که در درون محلول مورد آزمایش قرار می گیرد، می تواند pH محلول را اندازه بگیرد. اختلاف غظت یون در درون و بیرون الکترود شیشه ای اختلاف پتانسیلی ایجاد می کند که به صورت یک پیام الکتریکی به دستگاه منتقل شده و به صورت عددی در صفحه نمایش دستگاه نشان داده می شود.
  • شناساگرها به دو صورت عصاره های گیاهی و شناساگرهای آزمایشگاهی هستند و موادی هستند که در محیط های اسیدی، بازی و خنثی به رنگهای مختلفی در می آیند و برای تشخیص خاصیت اسیدی و بازی محلولهای مورد استفاده قرار می گیرند.
  • نکته مهم در استفاده از یک شناساگر این است که: اولاً شناساگر در محیطهای مختلف تغییر رنگ نشان دهد و ثانیاً تغییر رنگ شناساگر واضح و قابل تشخیص باشد. مثلاً با توجه به جدول 2 صفحه 63 کتاب درسی:

1-     شناساگر فنل فتالئین برای تشخیص محیط اسیدی از خنثی مناسب نیست. زیرا در هر دو محیط بی رنگ است.

2-   برخی افراد توانایی تمایز بین دو رنگ آبی و بنفش را ندارند. بنابراین این افراد نمی توانند از لیتموس برای برای تشخیص محیط خنثی و باز استفاده کنند.

  • هر شناساگر یک دامنه pH تغییر رنگ خاصی دارد که در سنجش های حجمی با توجه به قسمت عمودی نمودار سنجش حجمی، می تواند ملاک عمل قرار گیرد. بدن نحو که شناساگری مناسب است که دامنه pH تغییر رنگ آن قسمت عمودی نمودار را بیشتر پوشش دهد.

محاسبة pH

محلول اسیدهای قوی

در محلول اسیدهای قوی تفکیک کامل است( ) بنابراین با توجه به معادله درجه تفکیک می توان نوشت:

                   

 در اینجا غلظت مولی یا مولاریته اسید قوی است.

محلول اسیدهای ضعیف( اسیدهای آلی)

برای محاسبه pH در این حالت به دو شکل می توان عمل کرد:

1-     در محلول اسیدهای ضعیف تفکیک ناقص است( ) بنابراین با توجه به معادله درجه تفکیک می توان نوشت:

          

2-     تفکیک اسیدهای ضعیف تعادلی است:    در اینجا HA نماد اسید ضعیف و A- نماد باز مزدوج اسید ضعیف است.

 و با توجه به اصولی که در محاسبه غلظتهای تعادلی در فصل 2 آموختیم می توان گفت که در لحظه تعادل:  و  که با جایگزینی این مقادیر در رابطه مربوط به ثابت تفکیک اسید ضعیف و نوآرایی رابطه می توان غلظت یون هیدرونیوم اسید را حساب کرد:

       

در مورد اسیدهای ضعیف اگر نسبت ثابت تفکیک اسید به غلظت اسید بزرگتر از  104  باشد، می توان از مقدار  در مخرج رابطه آخر چشم پوشی کرد و بنابراین رابطه به شکل زیر ساده می شود:

                

معمولاً در محدوده کارهای تخمینی (برای دانش آموزان دبیرستانی) این نوع چشم پوشی پاسخ رضایت بخشی می دهد. ولی اگر مقادیر به گونه ای باشند که نتوان تخمین بالا را بکار برد باید با حل معادله درجه دوم  را در محلول حساب کرد.

محلول بازهای قوی

در محلول بازهای قوی تفکیک کامل است( ) بنابراین با توجه به معادله درجه تفکیک می توان نوشت:

       

           (1  

         (2

 در اینجا غلظت مولی یا مولاریته باز قوی است.

محلول بازهای ضعیف( بازهای آلی)

برای محاسبه pH در این حالت به دو شکل می توان عمل کرد:

1-     در محلول بازهای ضعیف تفکیک ناقص است( ) بنابراین با توجه به معادله درجه تفکیک می توان نوشت:

  

           (1  

      (2

2-     تفکیک بازهای ضعیف تعادلی است:    در اینجا B نماد باز ضعیف و BH+ نماد اسید مزدوج باز ضعیف است.

 و با توجه به اصولی که در محاسبه غلظتهای تعادلی در فصل 2 آموختیم می توان گفت که در لحظه تعادل:  و  که با جایگزینی این مقادیر در رابطه مربوط به ثابت تفکیک باز ضعیف و نوآرایی رابطه می توان غلظت یون هیدروکسید باز ضعیف را حساب کرد:

       

در مورد بازهای ضعیف اگر نسبت ثابت تفکیک باز به غلظت باز بزرگتر از  104  باشد، می توان از مقدار  در مخرج رابطه آخر چشم پوشی کرد و بنابراین رابطه به شکل زیر ساده می شود:

                

آنگاه به یکی از دو شکل زیر pH محلول بدست می آید:

1)           

2)      

معمولاً در محدوده کارهای تخمینی (برای دانش آموزان دبیرستانی) این نوع چشم پوشی پاسخ رضایت بخشی می دهد. ولی اگر مقادیر به گونه ای باشند که نتوان تخمین بالا را بکار برد باید با حل معادله درجه دوم  را در محلول حساب کرد.

کربوکسیلیک اسیدها

  • گروه عاملی کربوکسیلیک اسیدها، گروه کربوکسیل( ) نام دارد.
  • کربوکسیلیک اسیدها( اسیدهای آلی) عموماً ضعیف بوده و سرعت واکنش های آنها مثلاً با فلزات در مقایسه با واکنش های اسیدهای معدنی کمتر است.
  • کربوکسیلیک اسیدهای سبکتر ( کمتر چهار اتم کربن) در آب انحلال پذیر بوده و با افزایش طول زنجیر انحلال پذیری آنها در آب کاهش می یابد. زیرا با افزایش طول زنجیر قطبیت مولکول اسید کاهش می یابد.
  • برای نامگذاری کربوکسیلیک اسیدها به روش IUPAC ، به نام آلکان مربوطه( با توجه به تعداد اتمهای کربن مولکول اسید)، پسوند اوییک اسید می افزایند.( مثال: CH3COOH ß اتانوییک اسید ، CH3CH2COOH ßپروپانوییک اسید)
  • اگر مولکول کربوکسیلیک اسید دو گروه عاملی داشته باشد، بعد از نام آلکان؛ ابتدا لفظ دی و سپس پسوند اوییک اسید می افزایند. ( مثال: HOOCCOOH ß اتان دی اوییک اسید )
  • نام قدیمی اتانوییک اسید( CH3COOH) ، استیک اسید ؛ نام قدیمی متانوییک اسید( HCOOH) ، فرمیک اسید و نام قدیمی اتان دی اوییک اسید(HOOCCOOH یا H2C2O4 )، اگزالیک اسید می باشد. انتخاب این نامها بر اساس منبع استحصال این ترکیبات بوده است.
  • کربوکسیلیک اسیدها به عنوان اسید برونستد-لوری به صورت محلول در آب، دهنده پروتون بوده و واکنش تفکیک اسیدی آنها به قرار زیر است:

          

  • کربوکسیلیک اسیدهای ضعیف تر Ka کوچکتر و pKa بزرگتری دارند.
  • کربوکسیلیک اسیدهای قویتر بازمزدوج ضعیف تر و پایدارتری دارند. پایداری به این معناست که آنیون( بازمزدوج) حاصل از تفکیک اسید تمایل کتری برای پس گرفتن پروتون و نشان دادن خاصیت بازی از خود نشان می دهد، بلکه تمایل دارد به صورت آنمیون آبپوشیده در محلول باقی بماند.
  • اگر بار الکتریکی بر روی یک اتم آنیون حاصل از تفکیک اسیدها بر روی کل یون پخش شود، آن یون پایدار تر خواهد بود. زیرا با عمل پخش بار که بر اساس پدیده رزونانس انجام می گیرد، بار منفی برای بروز خاصیت بازی آنیون در دسترس نخواهد بود و در نتیجه آنیون پایدار تر می شود. یعنی اسید مربوطه قویتر است.

ساختارهای رزونانسی آنیون کربوکسیلات

هیبرید رزونانسی آنیون کربوکسیلات

  • با در نظر گرفتن هیبرید رزونانسی در آنیون کربوکسیلات با توجه به شکل بالا، بار منفی آنیون بر روی اتمهای اکسیژن پخش می شود و آنیون پایدار تر می شود.
  • با افزایش گروههای الکترونگاتیو( مانند هالوژنها) بر روی زنجیر هیدروکربنی کربوکسیلیک اسیدها قدرت اسیدی افزایش می یابد زیرا گروههای الکترونگاتیو با کشاندن ابر الکترونی به طرف خود به فرآیند پخش بار کمک بیشتری می کنند و با پایدار کردن آنیون( باز مزدوج کربوکسیلیک اسیدها) بر قدرت اسیدی می افزایند.
  • قدرت اسیدی: فلوئورواتانوئیک اسید < کلرواتانوئیک اسید < برمواتانوئیک اسید < یدواتانوئیک اسید است. زیرا الکترونگاتیوی در گروه هالوژنها از بالا به پایین کاهش می یابد. و با توجه به توضیحاتی که در قسمت قبلی داده شد، قدرت اسیدی کاهش می یابد( pKa بزرگتر می شود).

آمین ها

  • اگر هیدروژن های آمونیاک را به ترتیب با یک، دو یا سه گروه آلکیل جایگزین کنیم، ترکیب حاصل یک آمین نامیده می شود.
  • به طور کلی آمین ها سه دستة کلی دارند:

1-     آمین های نوع اول : یکی از هیدروژن های آمونیاک با یک گروه آکیل جایگزین می شود.

2-     آمین های نوع دوم : دو عدد از هیدروژن های آمونیاک با دو گروه آکیل جایگزین می شود.

3-     آمین های نوع سوم : سه عدد از هیدروژن های آمونیاک با سه گروه آکیل جایگزین می شود.

  • برای نامگذاری آمین ها به روش IUPAC ، ابتدا نام گروه یا گروههای آلکیل را نوشته و در آخر آنها کلمه آمین را می نویسیم.( مانند: CH3NH2 ßمتیل آمین و CH3CH2NH2 ßاتیل آمین )
  • در آمینهای نوع دوم و سوم:

1-   اگر گروههای آلکیل یکسان باشند، تعداد گروههای آلکیل را با پیشوند های دی و تری قبل از نام گروه آلکیل می نویسیم. ( مانند: (CH3)2NH ßدی متیل آمین و (CH3CH2)2NH ßدی اتیل آمین )

2-     اگر گروههای آلکیل یکسان نباشند، نام گروهها آلکیل را به ترتیب الفبای لاتین می نویسیم. ( مانند:

  ßاتیل، متیل آمین و ßاتیل، دی متیل آمین )

  • آمین ها مانند آمونیاک بازهای ضعیفی هستند و محلول آنها در آب با پذیرفتن یک پروتون ار مولکول آب به یون آلکیل آمونیوم تبدیل شده و محلول بازی تولید می کنند.

        

  • همه آمین ها مانند آمونیاک دارای یک زوج الکترون ناپیوندی بر روی اتم نیتروژن خود هستند. بنابراین خاصیت بازی آمین ها را به راحتی می توان با توجه به تعریف اسید- باز لوویس توجیه کرد.
  • با توجه به اینکه الکترونگاتیوی کربن بیشتر از هیدروژن است، گروه آلکیل یک گروه دهنده الکترون است. بنابراین در هر سه حالت زیر با توجه به خاصیت الکترون دهندگی گروه آلکیل، زوج الکترون ناپیوندی روی اتم نیتروژن آمین ها آزادتر و فعال تر شده و در نتیجه قدرت بازی آمین ها افزایش می یابد:

1-     اضافه شدن گروه آلکیل در آمین ها.

2-     بیشتر شدن تعداد گروهها آلکیل.

3-     افزایش طول زنجیر هیدروکربنی گروه آلکیل.

نمک های اسیدی، بازی و خنثی

  • واکنش آبکافت واکنشی است که در آن اسید مزدوج های قوی یا باز مزدوج های قوی حاصل از تفکیک نمکها با آب واکنش داده و با توجه به تعریف لوری-برونستد، با مولکول آب پروتون داده یا از مولکول آب پروتون می گیرند و در نتیجه به ترتیب محلول این نمکها اسیدی یا بازی می شود.
  • برای تشخیص اسیدی یا بازی بودن محلول یک نمک باید مراحل زیر طی شود:

1-     نوشتن معادله تفکیک نمک در آب. { }

2-   پیدا کردن اسید مزدوج های قوی یا باز مزدوج های قوی حاصل از تفکیک نمک. با توجه به باز یا اسید های تولید کننده ای اسید مزدوج ها یا باز مزدوج ها. {  یک اسید مزدوج قوی است زیرا آمونیاک یک باز ضعیف بود. و  یک باز مزدوج ضعیف است زیرا هیدروکلیریک اسید یک اسید قوی بود.}

3-   نوشتن معادله آبکافت برای اسید مزدوج های قوی یا باز مزدوج های قوی چنانچه در نمک وجود داشته باشند. {  این معادله، معادله آبکافت نامیده می شود و با توجه به آن می توان نتیجه گرفت که نمک آمونیوم کلرید در آب یک محلول بازی تولید می کند. زیرا طی این مرحله غلظت یون  در محلول افزایش یافته است.}

  • با توجه به توضیحات بالا، اگر:

1-     کاتیون حاصل از تفکیک یک نمک بتواند آبکافت شود، محلول آن نمک خاصیت اسیدی و در نتیجه pH کمتر از 7 دارد.

2-     آنیون حاصل از تفکیک یک نمک بتواند آبکافت شود، محلول آن نمک خاصیت بازی و در نتیجه pH بیشتر از 7 دارد.

3-   کاتیون و آنیون حاصل از تفکیک یک نمک هیچ کدام آبکافت نشوند و یا هردو به یک میزان آبکافت شوند، محلول آن نمک خنثی بوده و در نتیجه pH برابر از 7 دارد.

  • با کمک جدول زیر می توان نمکهای اسیدی-بازی و خنثی را تشخیص داد:

آب

نمک اسیدی

باز ضعیف

اسید قوی

(1

آب

نمک بازی

باز قوی

اسید ضعیف

(2

آب

نمک خنثی

باز قوی

اسید قوی

(3

آب

نمک خنثی

باز ضعیف

اسید ضعیف

* (4

* با این شرط که Ka=Kb باشد.

محلول های بافر

  • تعریف: یک محلول بافر محلولی است که از مخلوط کردن یک اسید ضعیف و نمک آن یا یک باز ضعیف و نمک آن بدست می آید. و مهمترین ویژگی آن این است که در مقابل تغییرات شدید pH ( ناشی از افزودن مواد اسیدی و بازی به محلول یا رقیق شدن) مقاومت نشان می دهند و pH تقریباً ثابتی دارند.
  • بافرهای در سیستمهای زیستی، شیمیایی، صنعتی، کشاورزی و ...... نقشهای مهمی را برعهده دارند. مانند خون در بدن انسان.
  • بافرها دو دسته کلی دارند:

1-     بافر اسیدی؛ که از یک اسید ضعیف و نمک آن اسید ضعیف تشکیل شده است.

2-     بافر قلیایی؛ که از یک باز ضعیف و نمک آن باز ضعیف تشکیل شده است.

  • علت مقاومت بافرها، با توجه به واکنش های انجام گرفته در یک بافر اسیدی یا قلیایی، به راحتی قابل توجیه است. مثال:

1-     اگر بافری از استیک اسید و نمک سدیم استات داشته باشیم واکنش های زیر را برای این محلول بافری می توان نوشت:

          

الف) با افزودن یک اسید، غلظت یون محلول افزایش یافته و طبق اصل لوشاتلیه واکنش تعادلی بالا برای کاهش غلظت یون و تثبیت pH محلول به سمت چپ جابجا می شود.

ب) با افزودن یک باز، یون افزوده شده با یون موجود واکنش داده و آب را بوجود می آورد و در نتیجه غلظت یون در محلول کاهش یافته و طبق اصل لوشاتلیه واکنش تعادلی بالا برای جبران کاهش غلظت یون و تثبیت pH محلول به سمت راست جابجا می شود.

2-     اگر بافری از محلول آمونیاک و نمک آمونیوم کلرید داشته باشیم واکنش های زیر را برای این محلول بافری می توان نوشت:

          

الف) با افزودن یک اسید، یون  افزوده شده با یون موجود واکنش داده و آب را بوجود می آورد و در نتیجه غلظت یون  در محلول کاهش یافته و طبق اصل لوشاتلیه واکنش تعادلی بالا برای جبران کاهش غلظت یون  و تثبیت pH محلول به سمت راست جابجا می شود.

ب) با افزودن یک باز، غلظت یون  محلول افزایش یافته و طبق اصل لوشاتلیه واکنش تعادلی بالا برای کاهش غلظت یون  و تثبیت pH محلول به سمت چپ جابجا می شود.

  • ظرفیت بافر: عبارت است از آن مقداری از اسید یا باز افزوده شده به یک سیستم بافری که بتواند pH محلول را به اندازه یک واحد تغییر دهد.
  • رابطه هندرسن-هسلباخ:

    ,      

از رابطه مربوط به Ka ، با در نظر گرفتن تقریب های مجاز،  را بدست آورده و از طرفین آن –log می گیریم:

                

             

  • در رابطه بالا، اگر :

1-     غلظتهای مختلف از اسید و نمک را برای تهیه یک محلول بافری انتخاب کنیم، می توانیم محلول بافری با pH های مختلف بسازیم.

2-   غلظت مساوی اسید و نمک در تهیه یک محلول بافری انتخاب کنیم، آنگاه:  خواهد بود. و در این حالت ظرفیت بافری حداکثر مقدار خواهد بود. و در واقع بهترین محلول های بافری با غلظت های مساوی از اسید و نمک یا از باز و نمک تهیه می شوند.

3-   غلظت اسید ده برابر غلظت نمک باشد، آنگاه: و یا غلظت نمک ده برابر غلظت اسید باشد،آنگاه:  خواهد بود. و در این حالت ظرفیت بافری حداقل مقدار خواهد بود.

صابون ها

  • واکنش استری شدن عبارت است از واکنش میان یک اسید چرب (کربوکسیلیک اسید) و الکل استر تشکیل می شود.
  • برای نامگذاری استرها به روش IUPAC ابتدا نام گروه آلکیل و سپس نام گروه مربوکسیات را می نویسیم. مانند:

متیل اتانوات ß CH3COOCH3 و اتیل اتانوات ß CH3COOCH2CH3

  • واکنش آبکافت استرها (یعنی واکنش یک استر با آب) به دو صورت انجام می گیرد:

1-     در محیط اسیدی، که واکنش آبکافت تعادلی بوده و منجر به تشکیل اسید چرب و الکل تولید کننده استر می شود.

2-   در محیط قلیایی، که واکنش آبکافت کامل بوده و منجر به تشکیل نمک اسید چرب و الکل تولید کننده استر می شود. نمک اسید چرب تولید شده در این حالت صابون نامیده می شود و به همین خاطر واکنش آبکافت استرهای در محیط قلیایی را واکنش صابونی شدن می نامند.

  • چربی ها (تری گلیسیریدها) استرهای اسید چرب به گلیسیرین هستند و به همین خاطر در صنعت از چربی ها برای تهیه صابونها استفاده می شود.
  • بهترین صابونها به صورت نمکهای سدیم و پتاسیم تهیه می شوند.
  • آنیونهای کربوکسیلات موجود در محلول صابون داری یک بخش ناقطبی( زنجیز هیدروکربنی)، برای حل کردن چربی روی لباس، و یک بخش قطبی( گروه –COO- ) ، برای حل شدن صابون در آب، هستند. و بنابراین به عنوان یک واسطه می توانند چربی ها را در آب حل کنند و خاصیت پاک کنندگی صابونها ناشی از همین نقش دو گانه صابونها است.

آمینواسیدها

  • آمینواسیدها ترکیباتی هستند که در فرمول مولکولی خود دارای یک گروه اسیدی(–COOH  ) و یک گروه آمینی (–NH2  ) هستند. و به همین خاطر این ترکیبات دارای خاصیت اسیدی و بازی هستند. یعنی آمفوتر هستند.
  • در وضعیت عادی در یک مولکول آمینواسید عمل تبادل پروتون میان گروه اسیدی و بازی همان مولکول انجام می گیرد بنابراین مولکول آمینواسید به صورت یونی در می آید که هم زمان دارای بار مثبت و منفی است و به آن یون دوقطبی می گویند.

  • با تشکیل یون دو قطبی در آمینواسیدها، نیروهای جاذبه بین مولکولی در آنها افزایش یافته و در نتیجه نقطه ذئب آمینواسیدها زیاد بوده و انحلال پذیری زیادی نیز در حلال های قطبی مانند آب دارند.
  • اگر گروه –NH2  آمینواسیدها بر روی کربن همسایه گروه کربوکسیل قرار داشته باشد، ترکیب حاصل یک -آمینواسید نام دارد. -آمینواسیدهای طبیعی مورد نیاز برای سنتز پروتئینها، 20 نوع هستند. ولی فقط 10 نوع آن در بدن انسان سنتز می شود و 10 نوع باقی مانده باید با تغذیه مناسب به بدن انسان برسند. و نرسیدن هر یک از آنها به بدن موجب اختلال در رشد و بروز بیماری می شوند.
  • یک آمینواسید در محلول اسیدی( pH پایین) پروتوندار می شود و به صورت کاتیون در می آید. و نیز در محلول بازی( pH بالا ) با حذف پروتون از مولکول آمینواسید، یک آنیون تولید می شود. به این ترتیب در pH های میانی مشخصی در بین فرم های آینونی و کاتیونی متعادل شده و عمدتاً به فرم خنثی( یون دو قطبی) وجود دارد. این pH میانی به نقطة ایزوالکتریک آمینواسید معروف است.

pHبالا                                                                                                pH پایین

(پروتون از دست داده)                             نقطه ایزوالکتریک                          ( پروتوندار)

                                                    ( یون هیبریدی خنثی)

 

 

 

 

 

 

 

 


  • با استفاده از تفاوت نقطه ایزوالکتریک آمینواسیدها، می توان مخلوط آنها ( یا مخلوط پروتئین ها ) را به اجزای خالص آن تفکیک کرد، این روش خالص سازی الکتروفورز نامیده می شود.
  • انحلال پذیری آمینواسیدها در حلالهای قطبی زیاد است، ولی همین انحلال پذیری زیاد در نقطه ایزوالکتریک کمترین مقدار است. زیرا در نقطه ایزوالکتریک تشکیل پیوند هیدروژنی محدود می شود.

سنجش حجمی اسید-باز

  • تعریف: سنجش حجمی اسید-باز روشی است که بوسیله آن می توان غلظت یک محلول مجهول اسیدی یا بازی را به کمک یک محلول (استاندارد) بازی یا اسیدی با غلظت معلوم اندازه گیری می شود.
  • روش سنجش حجمی محدود به واکنش های خنثی شدن نمی شود و در سایر واکنش ها نظیر واکنش های رسوبی، تشکیل کمپلکس، اکسایش-کاهش و ....... نیز کاربرد دارد.
  • گیره بورت

    پایه فلزی

    ارلن(محتوی مجهول+شناساگر)

    بورت مدرج(محتوی استاندارد)

    شکل1- روش آزمایش سنجش حجمی

    در این روش محلولی را که غلظت آن معلوم است و استاندارد نامیده می شود، درون یک بورت مدرج و محلول مجهول را به همراه چند قطره شناساگر مناسب درون ارلن می ریزند و در زیر شیر بورت قرار می دهند. سپس افزایش تدریجی محلول استاندارد به محلول داخل ارلن و به همزدن محلول، آزمایش تا مشاهده تغییر رنگ شناساگر- به عنوان ملاک رسیدن به نقطه پایانی- ادامه می یابد. در پایان حجم محلول استاندارد مصرف شده را در فرمول : CM1.V1=CM2.V2 قرار داده و غلظت محلول مجهول بدست می آید (شکل1).

 

 

 

 

 

 

 

 

  • نقطه پایانی عبارت است حجمی از استاندارد افزوده شده در آزمایش سنجش حجمی که بتواند موجب تغییر رنگ قابل تشخیص شناساگر گردد. این کمیت در عمل و آزمایشگاه و یا از روی نمودار سنجش حجمی بدست می آید و ممکن است تحت تأثیر خطاهای شخصی و ابزاری قرار گیرد.
  • نقطه هم ارزی حجمی از استاندارد افزوده شده در آزمایش سنجش حجمی که بتواند واکنش خنثی شدن ( یا انواع دیگر واکنش های مورد استفاده) را کامل کند و با استفاده از فرمول: CM1.V1=CM2.V2 بدست می آید.
  • اگر در آزمایش سنجش حجمی از یک دستگاه pH سنج برای اندازه pH استفاده شود، تغییرات pH محلول در برابر حجم محلول  استاندارد افزوده شده به صورت یک نمودار رسم می شود و به آن نمودار سنجش حجمی می گویند (شکل2).

شکل2- آزمایش سنجش حجمی مجهز به pH سنج (سمت راست) ، نمودار سنجش حجمی یک اسید قوی با یک باز قوی ( سمت چپ)

 

در این نمودار با افزایش تدریجی محلول بازی استاندارد محلول اسیدی مجهول خنثی شده و غلظت آن کاهش می یابد. در نتیجه pH محلول باقی مانده در ارلن افزایش می یابد.

  • زمانی که روش سنجش حجمی شامل واکنش میان یک اسید قوی و یک باز قوی است، نمک حاصل خنثی بوده و حجم محلول استاندارد مصرف شده در 7pH= بیان کننده نقطه پایانی در آزمایش سنجش حجمی می باشد (در سایر حالتها بسته به قدرت اسید و باز مورد استفاده اولاً شکل نمودار و ثانیاً pH نقطه پایانی متفاوت است).
  • در نمودار سنجش حجمی:

1-   اگر محلول مجهول درون ارلن؛ اسیدی ، و محلول استاندارد درون بورت؛ بازی باشد، روند تغییرات pH صعودی است. و pH شروع عمل بیان کننده غلظت محلول اسیدی خواهد بود.

2-   اگر محلول مجهول درون ارلن؛ بازی ، و محلول استاندارد درون بورت؛ اسیدی باشد، روند تغییرات pH نزولی است. و pH شروع عمل بیان کننده غلظت محلول بازی خواهد بود.

  • در نمودار فوق، در فاصله حجمی 01/25 – 99/24 میلی لیتر از استاندارد افزوده شده، محلول به طور ناگهانی( با افزایش حجم ناچیزی از استاندارد افزوده شده) از حالت اسیدی به حالت بازی در می آید و بنابراین pH محلول تغییر زیادی نشان می دهد و درنتیجه شیب نمودارد زیاد است.
  • نمودار های قابل اعتماد، قسمت عمودی بلندتر و عمودتری دارند. مقدار شیب این قسمت به قدرت اسید و باز مورد استفاده، و ارتفاع آن به غلظت محلول های آنها بستگی دارد( شکل3).

  • با استفاده از این نمودارها می توان شناساگر مناسب را برای یک روش سنجش حجمی انتخاب کرد. به این ترتیب شناساگری را انتخاب کرد که دامنه تغییر رنگ آن بیشتر و بهتر بتواند قسمت عمودی نمودار را پوشش دهد. مثلاً در نمودار بالا شناساگر فنل فتالئین که در pH های 6/9 – 1/8 تغییر رنگ نشان می دهد، مناسبترین شناساگر است(شکل4)

  • نمودار سنجش حجمی برای اسیدهای ضعیف یک پروتونی با بازهای قوی دارای یک نقطه پایانی بوده و شیب ملایم تری دارد و در ابتدای کار به دلیل تشکیل سیستم بافری انحنای کمی دارد (شکل5).

  • نمودار سنجش حجمی برای اسیدهای دو پروتونی با بازهای قوی دارای دو نقطه نقطه پایانی می باشد(شکل6).

 

 

+ نوشته شده در  شنبه بیست و دوم اسفند 1388ساعت 22:54  توسط reza-ziaei  |