اسید

برای دیگر کاربردها، اسید (ابهام‌زدایی) را ببینید.

اسید (از واژه لاتین acidus به معنای ترش) ماده‌ای شیمیایی است که مشخصه‌های محلول‌های آبی آن مزهٔ ترش، توانایی تغییر رنگ تورنسل آبی به قرمز، و نیز توانایی واکنش با بازها و بعضی فلزات ویژه (همچون کلسیم) و تشکیل نمک هستند. محلول‌های آبی اسیدی دارای پی‌اچ کمتر از ۷ هستند. پی‌اچ پایین به معنای اسیدی بودن بیشتر و غلظت بالاتر یون‌های مثبت هیدروژن است. محلول‌ها یا مواد شیمیایی را که ویژگی‌های اسیدمانند داشته باشند اسیدی می‌خوانند.

تعریف قدیمی

اسیدها موادی ترش مزه‌اند، خاصیت خورندگی دارند، شناساگرها را تغییر رنگ می‌دهند و بازها را خنثی می‌کنند.

لی بیگ: اسیدها موادی هستند که در ساختار خود هیدروژن یا هیدروژن‌هایی دارند که در واکنش با فلزها توسط یون‌های فلز جایگزین می‌شوند.

آرنیوس: اسیدها موادی هستند که ضمن حل شدن در آب یون +H (یون هیدروژن) آزاد می‌کنند. البته یون +H به صورت آزاد در آب وجود ندارد و به سرعت آبپوشی شده و تبدیل به یون هیدرونیوم (+H₃O) می‌شود. بازها موادی هستند که ضمن حل شدن در آب یون -OH (یون هیدروکسید) آزاد می‌کنند. این تعریف فقط به موادی محدود می‌شود که در آب قابل حل باشند (یکی از اشکالات مدل اسیدی آرنیوس در همین است). نظریه آرنیوس در تصحیح و تکمیل نظریات آنتوان لاووازیه و سر همفری دیوی مطرح شد. قبل از سوانت آرنیوس و در حدود سال ۱۸۰۰ میلادی، اغلب شیمی‌دانان فرانسوی از جمله آنتوان لاووازیه، تصور می‌کردند که تمام اسیدها دارای اکسیژن هستند. این در حالی بود که اغلب شیمی دانان انگلیسی از جمله سر همفری دیوی اعتقاد داشتند که تمام اسیدها دارای هیدروژن هستند.

لوری-برونستد: اسید گونه‌ای است که در واکنش شیمیایی پروتون (یون+H) می‌دهد و باز گونه‌ای است که در واکنش شیمیایی پروتون (یون+H) می‌پذیرد. لوری و برونستد این تعریف را بیان کردند، که از آن بر خلاف تعریف آرنیوس می‌توان در محیط غیر آبی هم استفاده کرد.

لوییس: اسیدها موادی هستند که در واکنش‌های شیمیایی پیوند داتیو می‌پذیرند. بازها موادی هستند که در واکنش‌های شیمیایی پیوند داتیو می‌دهند. تعریف لوییس را با نظریه اوربیتال مولکولی هم می‌توان بیان کرد. به طور کلی، اسید می‌تواند یک جفت الکترون از بالاترین اوربیتال خالی در پایین اوربیتال خالی خود دریافت کند. این نظر را گیلبرت لوییس مطرح کرد. با اینکه این تعریف گسترده‌ترین تعریف است. تعریف لوری-برونستد کاربرد بیشتری دارد. با استفاده از این تعریف می‌توان میزان قدرت یک اسید را هم مشخص نمود. از این مفهوم در شیمی آلی هم استفاده می‌شود (مثلاً در کربوکسیلیک اسید).

در مقابل، بازها موادی با مزهٔ گس-تلخ هستند. حالتی مانند صابون در تماس با دست دارند، شناساگرها را تغییر رنگ می‌دهند و اسیدها را خنثی می‌کنند. اگر یک اسید و یک باز با هم واکنش بدهند آب و نمک تولید می شود (نمک‌ها خود از یک فلز و یک نافلز تشکیل شده‌اند).

نام‌گذاری

اسیدها بر اساس آنیون (نافلز)هایشان نام گذاری می‌شوند. پسوند یونی را حذف و با پسوندی جدید جایگزین می‌کنیم (گاهی اوقات پیشوند)، طبق جدول زیر. برای مثال، HCl دارای آنیون کلرید است، پس پسوند -ید را حذف گرده و به صورت هیدروکلریک اسید در می‌آوریم.

اسیدهای معدنی ی بدون اکسیژن طبق دستور زیر نام گزاری می‌شوند.

• هیدرو+نام نافلز+یک+اسید (مانند HCl هیدروکلریک اسید)

اسیدهای معدنی اکسیژن دار طبق دستور زیر نام‌گذاری می‌شوند:

• نام نافلز+یک+اسید (مانند H₂CO₃ کربنیک اسید)

اگر نا فلز با دو ظرفیت متفاوت دو اکسید متفاوت تولید کند، در اسیدی که ظرفیت نا فلز کمتر است با لفظ (و) و در اسیدی که ظرفیت نا فلز بیشتر است با لفظ (یک) خوانده می‌شود؛ مانند H₃PO₃ فسفرو اسید و H₃PO₄ فسفریک اسید.

اسیدهای آلی نیز طبق دستور زیر نام گزاری می‌شوند:

• نام آلکان‌های هم کربن+وییک+اسید (مانند HCOOH متانوییک اسید)

پیشوند آنیون	پسوند آنیون	پیشوند اسید	پسوند اسید	مثال
پر	ات	پر	یک اسید	پرکلریک اسید (HClO۴)
	ات		یک اسید	کلریک اسید (HClO۳)
	یت		و اسید	کلرو اسید (HClO۲)
هیپو	یت	هیپو	و اسید	هیپوکلرو اسید (HClO)
	ید	هیدرو	یک اسید	هیدروکلریک اسید (HCl)

خواص شیمیایی

واکنش اسیدها عموماً به شکل HA H⁺ + A⁻ صورت بندی می‌شود، که HA نمایانگر اسید و A⁻ نشانگر باز مزدوج است. جفتهای باز مزدوج در یک پروتون تفاوت دارند و افزودن یا کاستن (پروتون زائی و پروتون زدایی) یک p می‌تواند آنها را به یکدیگر تبدیل کند. باید توجه داشت که اسید می‌تواند عضو باردار و باز مزدوج می‌تواند ماده خنثی باشد که در آن صورت، شمای کلی واکنش به این قرار خواهد بود: HA⁺ H⁺ + A. در انحلال تعادلی میان اسید و باز مزدوج آن وجود دارد. ثابت تعادل(K) عبارت است از غلظت تعادل مولکول‌ها یا یونهای موجود در کروشه‌ها نمایانگر غلظت اند، برای نمونه [H₂O] یعنی غلظت H₂O. ثابت تفکیک اسید(K_a) در مورد واکنش‌های اسید-باز استفاده می‌شود. ارزش عددی K_a برابر است با حاصل ضرب غلظت فرآورده‌ها تقسیم بر غلظت واکنش دهنده‌ها، در شرایطی که واکنش دهنده اسید(HA) است و فرآورده‌ها، باز مزدوج و H⁺ هستند.

$K_{a}={\frac {[{\mbox{H}}^{+}][{\mbox{A}}^{-}]}{[{\mbox{HA}}]}}$$K_{a}={\frac {[{\mbox{H}}^{+}][{\mbox{A}}^{-}]}{[{\mbox{HA}}]}}$

اسید قوی تر ثابت تفکیک بالاتری نسبت به اسید ضعیف تر دارد. نسبت یون‌های هیدروژن به اسید در اسید قویتر بالاتر خواهد بود. زیرا اسید قوی تر تمایل بیشتری به از دست دادن پروتون دارد. به دلیل آنکه بازهٔ مقدارهای عددی ممکن برای K_a مرتبه‌های بزرگیِ بیشتری را در بر می‌گیرد، عموماً از pK_a که ثابت مناسبتری است استفاده می‌شود، که فرمول آن عبارتست از: pK_a = -log₁₀ K_a

اسیدهای قوی تر pK_a کوچکتری نسبت به اسیدهای ضعیفتر دارد. pK_a محلولهای آبی در ۲۵ درجه سلسیوس به طور تجربی اندازه‌گیری شده و در کتابها و منابع درسی درج می‌شود.

بین اسید (HA) و آب تعادل زیر برقرار می‌شود که آب به عنوان یک باز رفتار می‌کند:

HA(aq) ⇌ H_۳O⁺(aq) + A^-(aq)

ثابت تفکیک اسیدی (یا ثابت تفکیک اسید) همان ثابت تعادل واکنش اسید (HA) و آب است:

$K_{a}={[{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}]\cdot [A^{-}] \over [HA]}$$K_{a}={[{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}]\cdot [A^{-}] \over [HA]}$

اسیدهای قوی دارای مقدار بزرگی برای K_a هستند (یعنی واکنش تعادلی به سمت راست پیشروی می‌کند و اسید تقریباً به طور کامل به H_۳O⁺ و A^- تفکیک می‌شود).

اسیدهای ضعیف دارای مقدار کوچکی برای K_a هستند (یعنی مقدار چشمگیری از HA و A⁻ و مقداری متعادلی از H_۳O⁺ در انتهای واکنش باقی می‌ماند؛ اسید به طور جزئی واکنش می‌دهد). برای مثال K_a برای استیک اسید برابر ۱٫۸ x ۱۰^-۵ است. تمام اسیدهای آلی اسیدهای ضعیف هستند. نیتریک اسید، سولفوریک اسید، و پرکلریک اسید همه اسیدهای قوی هستند در حال که نیترو اسید و سولفورو اسید و هیپوکلرو اسید ضعیف هستند.

• قدرت یک اسید را با ثابت تفکیک اسیدی (K_a) و یا هم‌ارزش آن pK_a می‌سنجند، (pK_a= - log(K_a)).
• pH یک محلول معیاری برای تعیین غلظت هیدرونیوم است.

اسیدهای چندپروتونی

اسیدهای چندپروتونی ترکیب‌هایی هستند که دارای بیش از یک هیدروژن اسیدی هستند و به طور متوالی تفکیک می‌شوند.

اسیدهای تک پروتونی تنها یک واکنش تکفکیک دارند و فقط یک ثابت تفکیک اسید دارند:

HA(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + A⁻(aq)         K_a

یک اسید دوپروتونی (در این جا آن را با H_۲A نشان می‌دهیم) بسته به مقدار pH می‌تواند یک یا دو واکنش تکفکیک داشته باشد. هر واکنش یک ثابت تفکیک اسید دارد، K_a۱ و K_a۲:

H_۲A(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + HA⁻(aq)       K_a۱

HA⁻(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + A^۲−(aq)       K_a۲

ثابت تفکیک اولی همواره بیشتر از دومی است، یعنی K_a۱> K_a۲. برای مثال سولفوریک اسید (H_۲SO_۴) می‌تواند یک پروتون بدهد و به آنیون بی‌سولفات (HSO_۴⁻) تبدیل شود. هنگامی که K_a۱ بسیاز بزرگ باشد، در این صورت می‌تواند دومین پروتون خود را بدهد و به آنیون سولفات (SO_۴^۲−) تبدیل شود. (SO_۴^۲−) هم مقدار متوسطی دارد. مقدار بزرگ K_a۱ در اولین تفکیک باعث می‌شود که سولفوریک اسید، اسیدی قوی باشد. همانند این، مقدار کوچک کربنیک اسید (H_۲CO_۳) می‌تواند اولین پروتون را بدهد و به آنیون بی‌کربنات (HCO_۳⁻) تبدیل شود و دومین پروتون را بدهد و به کربنات (CO_۳^۲−) تبدیل شود. هر دو مقدار K_a کوچک هستند اما داریم K_a۱> K_a۲.

یک اسید سه‌پروتونی (H_۳A) می‌تواند یک یا دو یا سه پروتون بدهد و سه مقدار ثابت تفکیک برای آن وجود دارد، به طوری که K_a۱> K_a۲> K_a۳>:

H_۳A(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + H_۲A⁻(aq)        K_a۱

H_۲A⁻(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + HA^۲−(aq)       K_a۲

HA^۲−(aq) + H_۲O(l) ⇌ H_۳O⁺(aq) + A^۳−(aq)         K_a۳

یک مثال غیرآلی از اسید سه‌پروتونی فسفریک اسید (H_۳PO_۴) است. تمام پروتون‌ها می‌توانند از دست داده شوند و به H_۲PO_۴⁻، سپس HPO_۴^۲−، و در آخر PO_۴^۳− تبدیل شود. یک مثال آلی از اسید سه‌پروتونی اسید سیتریک است، که می‌توانند تمام پروتون‌های خود را بدهد و در انتها به یون سیترات تبدیل شود.

خنثی شدن

خنثی شدن واکنش میان مقادیر برابری اسید و باز است و به تولید نمک و آب می‌انجامد. برای مثال هیدروکلریک اسید و سدیم هیدروکسید، آب و سدیم کلرید را می‌دهند:

HCl(aq) + NaOH(aq) → H_۲O(l) + NaCl(aq)

اسیدهای رایج

اسیدهای قوی

اسیدهای زیر جزو اسیدهای قوی محسوب می‌شوند و به طور کامل در آب یونش می‌یابند و تولید یون (+H₃O) می‌کنند.

• هیدروبرمیک اسید HBr
• هیدروکلریک اسید HCl
• هیدرویدیک اسید HI
• نیتریک اسید HNO3
• سولفوریک اسید H2SO4
• پرکلریک اسید HClO4
• کلریک اسید HClO3

اسیدهای ضعیف معدنی

• بوریک اسید
• کربنیک اسید
• کلریک اسید
• هیدروفلوریک اسید
• فسفریک اسید
• هیدروسولفوریک اسید
• نیترو اسید
• فسفرو اسید
• هیدروسیانیک اسید
• هیپو فسفرو اسید

اسیدهای ضعیف آلی

به طور کلی تمام اسیدهای آلی اسیدی ضعیف هستند. مانند:

• استیک اسید
• بنزوئیک اسید
• بوتیریک اسید
• سیتریک اسید
• فرمیک اسید
• لاکتیک اسید
• مالئیک اسید
• مندلیک اسید
• اگزالیک اسید
• پروپانوئیک اسید
• پیروویک اسید
• والریک اسید

جستارهای وابسته

• نمک اسیدی
• باز
• نمک بازی
• باران اسیدی

منابع

• پاکروح، بهزاد- اسیدها و بازها -انتشارات اندیشه سرا-۱۳۸۵خ.
• Zumdahl, Chemistry, ۴th Edition.
• شیمی ۲ پیش دانشگاهی

پیوند به بیرون

• Curtipot