نگاه اجمالی

بشر از دیر باز با مفهوم ساده اسید آشنایی داشته است. در حقیقت این مواد، حتی قبل از آنکه شیمی به صورت یک علم در آید، شناخته شده بودند. اسیدهای آلی همچون سرکه و آبلیمو و آب غوره از قدیم معروف بودند. اسیدهای معمولی مانند اسید سولفوریک ، اسید کلریدریک و اسید نیتریک بوسیله کیمیاگران قدیم ساخته شدند و بصورت محلول در آب بکار رفتند. برای مثال اسید سولفوریک را جابربن حیان برای نخستین بار از تقطیر بلورهای زاج سبز (FeSO₄.7H₂O) و حل کردن بخارات حاصل در آب ، بدست آورد.

در طی سالیان متمادی بر اساس تجربیات عملی لاووازیه (A.L.Lavoisier) چنین تلقی می‌گردید که اجزاء ساختمان عمومی کلیه اسیدها از عنصر اکسیژن تشکیل گردیده است. اما بتدریج این موضوع از نظر علمی روشن و اعلام گردید که چنانچه این موضوع صحت داشته باشد، بر خلاف عقیده اعلام شده در مورد اکسیژن ، این عنصر هیدروژن است. در حقیقت ، تعریف یک اسید بنا به فرمول اعلام شده از سوی لیبیگ (J. Von Liebig) در سال 1840 عبارت است از:

نظریه فوق مدت پنجاه سال مورد استناد بوده است. بعدها با پیشرفت علم شیمی ، مفاهیم جدیدی درباره اسیدها اعلام شده که در زیر به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

خواص عمومی اسیدها

• محلول آبی آنها یونهای پروتون آزاد می‌کند.
• موادی هستند که از نظر مزه ترشند.
• کاغذ تورنسل را سرخ رنگ می‌کنند.
• با برخی فلزات مانند آهن و روی ترکیب شده گاز هیدروژن می‌دهند.
• با قلیاها (بازها) واکنش نموده و املاح را تشکیل می‌دهند.
• با کربنات کلسیم (مثلا به صورت سنگ مرمر) بشدت واکنش دارند، بطوریکه کف می‌کنند و گاز کربنیک آزاد می‌نمایند.

نظریه آرنیوس درباره اسیدها

زمانیکه مفاهیم یونیزاسیون ترکیبات شیمیایی در محلولهای آبی روشن گردید، مفهوم اسید بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر پیدا کرد. مطابق تعریف آرنیوس ، اسید ماده ایست که در آب یونیزه می‌شود و یون ⁺H₃O که گاهی بصورت ⁺H نیز نشان داده می‌شود، تولید می‌کند.

آرنیوس قدرت اسیدی را نیز بر همین اساس تفسیر کرد و گفت که اسید قوی ، در محلولهای آبی تقریبا، بطور کامل یونیزه می‌شود. در صورتیکه که میزان تفکیک اسید ضعیف کمتر است. توجه کنید که مفهوم آرنیوس بر یون‌های آب استوار است. بر اساس تعریف آرنیوس می‌توان نقش اکسیدهای اسیدی را نیز تفسیر کرد.

اکسیدهای اسیدی

اکسیدهای بسیاری از غیرفلزات با آب واکنش داده و اسید تولید می‌کنند، در نتیجه این مواد را اکسیدهای اسیدی یا ایندرید اسید می‌نامند.

مفهوم آرنیوس ، به علت تاکید آن بر آب و واکنشهای محلول‌های آبی ، با محدودیت رو‌به‌روست.

نظریه برونشتد- لوری درباره اسیدها

در سال 1923، یوهان برونشتد و تامس لوری ، مستقل از یکدیگر مفهومی گسترده‌تر برای اسیدها و بازها بیان کردند. بر اساس تعریف ، برونشتد - لوری ، اسید ماده ای است که یک پروتون به باز می‌دهد. اسیدها ممکن است مولکول یا یون باشند. با حذف پروتون ، اسید به باز (باز مزودج اسید 1) تبدیل می‌شود و با گرفتن پروتون ، باز اولیه ، یعنی باز 2 به اسید2 (اسید مزدوج باز 2) تبدیل می‌شود.





قدرت اسیدها ، بر میل آنها برای از دست دادن یا گرفتن پروتون استوار است. هر چه اسید قویتر باشد، باز مزدوج آن ضعیفتر است. در یک واکنش ، تعادل در جهت تشکیل اسید ضعیفتر است. اسید پرکلریک ، HClO₄ ، قویترین اسید است، و باز مزدوج آن ، یعنی یون پرکلرات ، ^-ClO₄ ، ضعیفترین باز می‌باشد و H₂ ، ضعیفترین اسید و باز مزدوج آن یعنی یون هیدرید ، ⁺H قویترین باز می‌باشد.

نظریه لوییس درباره اسیدها

گیلبرت لوییس مفهوم گسترده‌تری برای اسیدها در سال 1938 پیشنهاد داد که پدیده اسید - باز را از پروتون رها ساخت. طبق تعریف لوییس ، اسید ماده‌ای است که بتواند با پذیرش یک زوج الکترون از باز ، یک پیوند کوولانسی تشکیل دهد. در نظریه لوییس به مفهوم زوج الکترون و تشکیل پیوند کووالانسی تاکید می‌شود. تعریف لوییس در مورد اسیدها بسیار گسترده‌تر از آن است که برونشتد عنوان نموده است. ترکیبات شیمیایی که می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند، عبارتند از:

• مولکولها یا اتمهایی که هشت‌تایی ناقص داشته باشند.
  
  

• بسیاری از کاتیونهای ساده می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند.
  
  

Cu⁺² + 4NH₃ → Cu(NH₃)₄⁺²

• برخی از اتم‌های فلزی در تشکیل ترکیباتی مانند کربونیل‌ها که از واکنش فلز با مونوکسید کربن تولید می‌شود، نقش اسید دارند:
  
  

Ni + 4CO → Ni(CO)₄

• ترکیباتی که اتم مرکزی آنها تونایی گسترش لایه ظرفیتی خود را داشته باشند ، در واکنشهایی که این گسترش عملی شود، نقش اسید دارند، مثلا در واکنش مقابل ، لایه ظرفیتی اتم مرکزی (Sn) از 8 به 2 الکترون گسترش یافته‌است.
  
  

SnCl₄ + 2Cl^- → SnCl₆^-2aq

• برخی ترکیبات به علت داشتن یک یا چند پیوند دو گانه در مولکول ، خاصیت اسیدی دارند. مثلا CO₂

قدرت اسیدی و ساختار مولکولی

به منظور بررسی رابطه بین ساختار مولکولی و قدرت اسیدی ، اسیدها را به دو نوع تقسیم می‌کنیم: هیدریدهای کووالانسی و اکسی ‌اسیدها.

هیدریدها

برخی از ترکیبات کووالانسی دوتایی هیدروژن‌دار (مانند HCl , H₂) اسیدی هستند. دو عامل بر قدرت اسیدی هیدریدیک عنصر موثر است: الکترونگاتیوی عنصر و اندازه اتمی عنصر. قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک تناوب ، از چپ به راست و همسو با الکترونگاتیوی عناصر ، افزایش می‌یابد. یک عنصر الکترونگاتیو ، الکترونهای بیشتری از هیدروژن می‌گیرد و خروج آن به صورت یک پروتون را سرعت می‌بخشد.

قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک گروه، با افزایش اندازه اتم مرکزی افزایش می‌یابد. در تناوب دوم: NH₃>H₂O>HF در گروه VI به اینصورت است:

اکسی ‌اسیدها

در این ترکیبات ، هیدروژن اسیدی به یک اتم O متصل است و تغییر در اندازه این اتم بسیار ناچیز است. بنابراین عامل کلیدی در قدرت اسیدی این اکسی‌اسیدها، به الکترونگاتیوی اتم Z مربوط می‌شود: H-O-Z .

اگر Z یک اتم غیرفلز با الکترونگاتیوی بالا باشد، سهمی در کاهش چگالی الکترونی پیرامون اتم O (علی رغم الکترونگاتیوی شدید اکسیژن) را دارد. این پدیده باعث می‌شود که اتم اکسیژن، با کشیدن چگالی الکترونی پیوند H-O از اتم H ، تفکیک آن را سرعت ببخشد و ترکیب را اسیدی بکند. هیپوکلرواسید ، HOCl ، اسیدی از این نوع است.

هرچه الکترونگاتیوی Z بیشتر باشد، الکترونهای پیوند H-O به میزان بیشتری از اتم H دور می‌شوند و حذف پروتون آسان‌تر است: HOCl > HOBr > HOI . در اکسی ‌اسیدهایی که اتمهای اکسیژن بیشتری به Z متصل باشند، قدرت اسیدی با افزایش n ، زیاد می‌شود.

مهمترین اسیدهای قوی

مولکولهای این اسیدها و در محلولهای آبی رقیق کاملا یونیزه است. اسیدهای قوی متعارف عبارتند از: اسید کلریدریک ، یدیدریک ، نیتریک ، سولفوریک ، پرکلریک است.

مهمترین اسیدهای ضعیف

یونیزاسیون این اسیدها در آب کامل نمی‌باشد و هرگز به 100% نمی‌رسد. مثال متعارف آنها ، اسید استیک ، اسید کربنیک ، اسیدفلوریدریک ، اسید نیترو و تا حدودی اسید فسفریک است.

برخی از کاربردهای اسیدها

اسید سولفوریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول H₂SO₄ ، مایعی روغنی‌شکل و بی‌رنگ است. یک متاع سودمند صنعتی است که از آن در حد وسیعی در پالایش نفت و در کارخانجات تولید کننده کودها ، رنگها ، رنگدانه‌ها ، رنگینه‌ها و مواد منفجره استفاده می‌شود.

اسید استیک

یک اسید آلی بصورت مایعی تند و بی رنگ با فرمول CH₃COOH ، که اساس ترشی سرکه نیز می‌باشد. قسمت اعظم اسیداستیک تولیدی دنیا ، مصرف واکنش با الکلها به منظور تولید استرهایی می‌گردد که از آنها بعنوان بهترین حلال‌ها در رنگ و جلا استفاده می‌شود. همچنین در کارخانجات داروسازی، عمل آوردن لاستیک طبیعی و تهیه چرم مصنوعی و به عنوان حلال برای بسیاری از ترکیبات آلی از اسید استیک استفاده می‌شود.

اسید نیتریک

یک اسید قوی معدنی با فرمول HNO₃ می‌باشد که این اسید در کارخانجات تولید کودهای نیترات و فسفات آمونیوم ، مواد منفجره نیترو ، پلاستیکها ، رنگینه‌ها و لاکها کاربر دارد.

اسید سولفونیک

این اسیدها با فرمول عمومی HSO₃R که R می‌تواند متان یا بنزن و ... باشد، محلول در آب ، غیر فرار و جاذب الرطوبه‌اند و به عنوان عوامل امولسیون کننده ، مواد افزودنی و روغنهای روان ‌کننده و به عنوان جلوگیری از خوردگی و زنگ زدگی استفاده می‌گردد.

اسید کلریدریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول HCl ، که مایعی بی‌رنگ یا اندکی زردرنگ ، بسیار خورنده و غیر آتشگیر است. این اسید در آب ، الکل ، بنزن حل می‌شود و در اسیدی کردن (فعال کردن) چاههای نفت ، پاک کردن رسوبات دیگهای بخار ، صنایع غذایی ، تمیز کردن فلزات و ... استفاده می‌شود.