חומצה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

חומצה, בהגדרה המקובלת ביותר, היא חומר המתפרק במים ליצירת יוני הידרוניום, כך שלתמיסה המתקבלת יהיה pH נמוך מ-7. הגדרה כללית יותר לחומצה היא חומר המוסר פרוטון במהלך תגובה כימית. חומצות וחומציות הן גורמים חשובים בתהליכים כימיים רבים, ומשמשות אותנו רבות בחיי היום יום. מצבר הרכב מכיל חומצה גופרתית, קוקה קולה מכילה חומצה זרחתית, והקיבה מכילה חומצה הידרוכלורית. לחומצות חלשות טעם חמוץ, ומכאן שמן - מיץ לימון, לדוגמה, מכיל חומצה ציטרית.

[עריכה] הגדרות לחומצה

בחלוף השנים, הועלו מספר הגדרות שונות לחומצה (ובסיס). ההגדרות אינן שונות בתכלית אלא מתארות, ברמות שונות של הכללה, את אותו הדבר. הראשון שהגדיר חומצה היה לבואזיה, במאה ה-16. ההגדרה של לבואזיה כללה נוכחות של חמצן, כיוון שאז הכיר רק חומצות המכילות חמצן בדרגות חמצון גבוהות, כמו חומצה גופרתית וחומצה חנקתית. למעשה לבואזיה טבע את השם חמצן (oxygen), כתרגום מלטינית של יוצר חומצה. ב-1810 גילה סיר המפרי דייוי כי החומצות HI, HBr, ו HCl אינן מכילות חמצן, והגדרה זו נזנחה. כיום מכירים בשלוש הגדרות של חומצה (ובסיס):

[עריכה] ההגדרה של ארהניוס

על פי ארהניוס, חומצה היא חומר אשר מגדיל את ריכוז יוני ה ⁺ H₃O (הידרוניום) בעת התמוססותו במים, ומקטין את ריכוז יוני ה ^- OH (הידרוקסיד). באופן דומה, בסיס הוא חומר אשר מקטין את ריכוז יוני ה ⁺ H₃O ומגדיל את ריכוז יוני ה ^- OH בעת התמוססותו במים. חשוב לציין כי סימטריה זו אינה מקרית. הגדלת האחד גורמת בהכרח להקטנת השני, ולהיפך (ראו גם בהמשך המאמר).

הגדרה זו מוגבלת מעט, מכיוון שניתן להחילה לגבי חומרים מסיסים במים בלבד.

[עריכה] ההגדרה של ברונסטד ולאורי

על פי ההגדרה של ברונסטד ולאורי, חומצה היא חומר המוסר פרוטון ⁺H בעת תגובה כימית; בסיס הוא חומר הקולט פרוטון ⁺H בתגובה זו. תגובה בה חומר אחד תורם פרוטון והאחר קולט אותו נקראת תגובת חומצה-בסיס. הגדרה זו היא הרווחת ביותר כיום, ובניגוד להגדרה של ארהניוס, היא יכולה לתאר גם תגובות בין חומרים שאינם מסיסים במים.

נשים לב שעפ"י הגדרה זו, בתגובת פירוק החומצה במים, המים מתפקדים כבסיס -- שכן בתגובה זו החומצה "תורמת" פרוטון למים.

[עריכה] ההגדרה של לואיס

לפי הגדרתו של לואיס, חומצה היא חומר אשר מקבל זוג אלקטרונים בתגובה, ובסיס הוא החומר המוסר זוג אלקטרונים זה. זוהי ההגדרה הכללית ביותר וכוללת גם תגובות שלא כוללות מעבר פרוטון, אך אינה בשימוש בשיח הכללי. לעתים קוראים לחומצות כאלה "חומצות ע"פ לואיס" ו"בסיסים ע"פ לואיס", כיוון שהגדרורת אלה אינן חופפות לחלוטין. על פי תאוריית האורביטלים המולקולרים, ניתן לומר שלחומצת לואיס יש LUMO (האורביטלה המולקולרית הנמוכה ביותר שאינה מאוכלסת באלקטרונים) בעל אנרגיה נמוכה, הקולט זוג אלקטרונים מה HOMO (האורביטלה המולקולרית הגבוהה ביותר, המאוכלסת באלקטרונים) של הבסיס. (ראו חומצת לואיס)

[עריכה] תכונות כימיות

בתגובה עם מים, חומצות עוברות תהליך של פירוק, או דיסוציאציה ליונים: יון מימן חיובי ⁺ H (למעשה, זהו פרוטון) מתנתק מהחומצה ומתרכב עם המים, ליצירת יון הידרוניום H₃O⁺. אם נסמן חומצה באופן כללי ב HA, נוכל לרשום את התהליך:

$\ HA + H_{2} O_{(l)} \leftrightarrow H_3 O^{+}_{(aq)} + A^{-}_{(aq)}$

היון ^- A , שנותר מפירוק החומצה, נקרא הבסיס המצומד של החומצה. למעשה, על פי אחת ההגדרות, פליטת יוני ⁺ H היא שמגדירה חומצה (ר' להלן). יש מקרים בהם תגובה זו אינה מתרחשת עד הסוף. כלומר - קיימות חומצות שלא מתפרקות לגמרי במים, ויוצרות תגובת שיווי משקל. חומצות המתפרקות לגמרי נקראות חומצות חזקות, וחומצות שלא מתפרקות לגמרי נקראות חומצות חלשות. לתגובה קוראים דיסוציאציה מלאה או חלקית, בהתאם.

מידת החוזק של חומצות נקבעת לפי מידת ההתרחשות של תגובת פירוק זו. ניתן לתאר "עד כמה" התרחשה התגובה לפי היחס בין כמות יוני ההידרונים והבסיס המצומד לבין כמות החומצה שלא התפרקה, לאחר שהמערכת הגיעה לשיווי משקל. יחס זה, שנקרא קבוע הפירוק של החומצה, הוא קבוע (עבור טמפ' קבועה), ומסומן ב K_a.

$\ K_a=\frac{[H_3 O^+ ][A^- ]}{[HA]}$

K_a הוא מדד לחוזק החומצה. לחומצות חזקות K_a גבוה (זאת אומרת - שיווי המשקל "הולך" בעיקר לכיוון ימין, והפירוק במים כמעט מוחלט). דוגמאות לחומצות חזקות הן חומצות כבדות כגון חומצה גופרתית (H₂SO₄) וחומצה חנקתית (HNO₃), וגם חומצות קלות כגון תרכובות של מימן עם הלוגנים - מימן ברומי (HBr), מימן יודי (HI) ומימן כלורי (HCl, נקרא גם חומצת מלח). עבור חומצת מלח, לדוגמה, $\ K_a=10^7$ .

לחומצות חלשות K_a נמוך יותר. (זאת אומרת - שיווי המשקל לא נוטה לגמרי לכיוון התוצרים, והפירוק אינו מוחלט). דוגמאות לחומצות חלשות הן חומצה פחמתית (H₂CO₃), חומץ (CH₃COOH, נקרא גם חומצה אצטית), וגם אספירין (C₆H₄OCOCH₃CO₂H, השם הכימי - חומצה אצטליסליצילית). עבור חומצת חומץ, לדוגמה, $\ K_a = 1.7*10^{-5}$ - פי מיליון מיליונים פחות מלחומצת מלח. רוב החומצות בטבע הן חומצות חלשות.

לעיתים, במקום לדבר על הערך Ka, מדברים על pKa, המוגדר כך: $\ p K_a = -log(K_a)$ . גודל זה הוא בסולם לוגריתמי, ולכן הוא נוח יותר במקרים מסוימים. כאשר Ka גדל, pKa קטן. כלומר - ככל שחומצה חזקה יותר, כך ה pKa שלה קטן יותר.

[עריכה] מאפיינים של חומצות

מושג מרכזי הוא מושג הpH. ה-pH מוגדר כ $\ pH=-log([H_3O^+])$ - מינוס הלוגריתם של ריכוז יוני ההידרוניום במים. ככל שה pH נמוך יותר התמיסה חומצית יותר. למים מזוקקים, ולכל תמיסה נייטרלית, pH=7 (הסיבה מפורטת למטה). כשה pH גדול מ-7, התמיסה היא בסיסית, וכשהוא קטן מ-7, התמיסה היא חומצית. בסביבה טבעית, ה pH נע לרוב בין 0 ל-14, אך הוא יכול לקבל כל ערך (גם שלילי).

נזקים של גשם חומצי לאבן

לפעמים, בשפה מדוברת, מדברים על יוני מימן בתמיסה (ומסמנים ⁺ H ) . למעשה, המימן אינו מתקיים כיון בתמיסה מימית, אלא מגיב עם המים ליצירת יוני הידרוניום ⁺ H₃O (אין זאת אומרת כי לא קיים יון ⁺ H , יון זה קיים, אך לא בתמיסה מימית. ניתן למצוא אותו, לדוגמה, בהידרידים של מתכות כגון NaH או KH). הסימון ⁺ H נפוץ מאוד, אם כי אינו מדוייק מבחינה כימית.
לחומציות של תמיסה יש השפעה גדולה על התרחשות תגובה, גם אם יוני ההידרוניום (או ההידרוקסיד) אינם מגיבים. תהליכים ביולוגיים רבים המתרחשים בתמיסות אינם מתנהלים בצורה תקינה, אם הpH אינו מתאים. יש לזכור כי גופנו עשוי רובו מים, ורוב התהליכים הכימיים מתרחשים בתמיסה מימית. על כן יש חשיבות גדולה לחומציות התמיסה (ראו בופר).
חומצה הבאה במגע עם העור גורמת לתחושת עקצוץ, וחומצות חזקות עלולות לגרום כוויות חריפות, אפילו במינון נמוך. במקרה של פגיעה, יש לשטוף בכמויות גדולות של מים, ולפנות לייעוץ רפואי.
חומצות חזקות הן חומר משתך (קורוזיבי) מאוד, הן מגיבות בחוזקה וממיסות מתכות. למעשה, קיים שילוב מיוחד של חומצות (הנקרא מי מלכים) שיכול אפילו להמיס זהב ופלטינה!
תמיסות של חומצות מוליכות זרם חשמלי. ככל שחומצה חזקה יותר (משמע - מתפרקת יותר במים) כך המוליכות של תמיסתה עולה.

[עריכה] חומצות פוליפרוטיות

ישנן חומצות המסוגלות לתרום יותר מפרוטון אחד. חומצות אלה נקראות חומצות פוליפרוטיות. חומצות בעלות פרוטון אחד נקראות חומצות חד-פרוטיות. בהתאם, חומצות בעלות שני פרוטונים נקראות חומצות דו-פרוטיות, וחומצות בעלות שלוש פרוטונים נקראות חומצות תלת-פרוטיות.

בניגוד לחומצה חד פרוטית, המתפרקת בתגובה אחת, כפי שראינו לעיל, חומצה פוליפרוטית מתפרקת במספר שלבים, כאשר בכל שלב נפלט פרוטון אחד. נשתמש בסימון הכללי H₂A לחומצה דו פרוטית. שלבי פירוק חומצה פולי פרוטית באופן כללי:

$\ H_2A + H_2O \leftrightarrow HA^- + H_3O^+$

$\ HA^- + H_2O \leftrightarrow A^{2-} + H_3O^+$

לחומצה דו פרוטית יש שני קבועי פירוק, K_a1 עבור התגובה הראשונה ו K_a2 עבור התגובה השנייה. קבוע הפירוק הראשון תמיד גדול מקבוע הפירוק השני. כלומר - החומצה "מוותרת" יותר בקלות על הפרוטון הראשון מאשר על השני. תוצאה זו צפויה, שכן לאחר פליטת הפרוטון הראשון מתקבל יון שלילי, ולכן יהיה קשה יותר להוציא ממנו פרוטון חיובי נוסף. ישנן גם חומצות דו פרוטיות חזקות וגם חומצות דו פרוטיות חלשות. לדוגמה, חומצה גופרתית (H₂SO₄) היא חומצה חזקה מאוד, וחומצה פחמתית (H₂CO₃) היא חלשה יחסית.

לחומצה פוליפרוטית, אם כן, יש שלושה קבועי פירוק, והיא מתפרקת בשלושה שלבים:

$\ H_3A + H_2O \leftrightarrow H_2A^- + H_3O^+$

$\ H_2A^- + H_2O \leftrightarrow HA^{2-} + H_3O^+$

$\ HA^{2-} + H_2O \leftrightarrow A^{3-} + H_3O^+$

דוגמאות לחומצות פוליפרוטיות הן חומצה זרחתית (H₃PO₄) וחומצה ציטרית. גם עבור חומצה תלת פרוטית תמיד מתקיים K_a1>K_a2>K_a3, זאת אומרת - ככל שמוציאים יותר פרוטונים, כך קשה יותר להוציא פרוטונים נוספים.

[עריכה] הדיסאוציאציה של מים

יוני הידרוקסיד והידרוניום קיימים גם במים מזוקקים. זאת כיוון שהמים מתפרקים באופן טבעי בתגובת דיסאוציאציה:

$\ H_2O + H_2O \leftrightarrow H_3O^+ + OH^-$

זוהי תגובת שיווי משקל בעלת קבוע $\ K_w =[OH^-][H_3O^+] = 10^{-14}$ .

לכן, בתמיסה נייטרלית, $O H -] = [H 3 O +] = 10 - 7$ ]. הבנה זו מסבירה מספר עובדות שהזכרנו קודם:

ה pH של תמיסה נייטרלית הוא 7, כי $p H = - l o g [H +] = - l o g (10 - 7) = 7$ .
כאשר אומרים כי תמיסה היא חומצית (pH<7), משמעות הדבר היא שריכוז יוני ההידרוניום גדול מריכוז יוני ההידרוקסיד. כאשר אומרים כי תמיסה היא בסיסית (pH>7), משמעות הדבר היא שריכוז יוני ההידרוקסיד גדול מריכוז יוני ההידרוניום.
העלאת ריכוז יוני ההידרוניום גוררת הורדת ריכוז יוני ההידרוקסיד ולהיפך (כי מכפלת הריכוזים קבועה).

בתגובת הדיסאוציאציה של מים, קורה דבר מעניין: מולקולה אחת של מים מוסרת פרוטון, ולכן מתפקדת כחומצה, והמולוקולה השנייה (גם כן של מים) מקבלת פרוטון ולכן מתפקדת כבסיס. אנו רואים כי מולקולת מים יכולה לתפקד גם כבסיס וגם כחומצה. לחומרים המתפקדים גם כבסיס וגם כחומצה קוראים חומרים אמפותריים.

[עריכה] סתירת חומצה ("ניטרול")

על מנת לנטרל חומצה, בין אם בשל סכנות בריאותיות, ובין אם בשל סיבות תעשייתיות, יש לסתור את החומצה.
בתהליך הסתירה מוסף בסיס בכמות ובריכוז מולים זהה לחומצה. בתום התהליך לא ייותרו חומצה או בסיס במגיבים והתמיסה תהיה נייטראלית בחומציותה - היא תהיה בעלת pH = 7.

[עריכה] ראו גם

מקור: http://he.wikipedia.org../../../%D7%97/%D7%95/%D7%9E/%D7%97%D7%95%D7%9E%D7%A6%D7%94.html

קטגוריות: חומצות | כימיה אנליטית