تعريفات هندسية وعلمية الجزء الثاني

أكسدة واختزال
تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدوالاختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة. كما أن استخلاص الفلزات مثل الحديد والألومنيوم يتم باختزال خاماتها.ونظراً لأهمية عمليتي الأكسدة والاختزال سنتناولهما بالدراسة في هذه الوحدةعملية الأكسدة هي عملية يتم فيها فقد الإلكترونات.
عملية الاختزال هي عملية يتم فيها اكتساب
الإلكترونات



الاتزان الكيميائي الديناميكي

تعريف: حالة النظام عندما تثبت تركيزات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة، وبالتالي تكون سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي.
ولكي يصل أي نظام للاتزان الكيميائي الديناميكي يشترط فيه ما يلي:
(1) وجود تفاعلين متعاكسين.
(2) عند حدوث الاتزان يظل التفاعلان الطردي والعكسي جاريين وبنفس السرعة.
(3) يؤدي أي تغيير في اتزان النظام, كالتغير في درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط إلى الإخلال بالاتزان.
خواص الاتزان الكيميائي:
يمكننا تلخيص المبادىء والخواص المتعلقة بالاتزان الكيميائي فيما يلي:
1) أن الاتزان هو حالة تكون عندها خواص المجموعة المتزنة المنظورة ثابتة مع الزمن.
2) الاتزان الكيميائي ذو طبيعة ديناميكية (نشط),إذ إنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل لا يتغير مع مرور الزمن عند حالة الاتزان, إلا أن التفاعل لا يتوقف, بل يسير في اتجاهين متعاكسين وبسرعة واحدة.
3) إن التفاعلات الكيميائية تتجه تلقائياً نحو تحقيق الاتزان.
4) إن خواص المجموعة عند الاتزان ثابتة في الظروف المعينة, ولا تعتمد على المسار الذي سلكته المجموعة لتصل إلى حالة الاتزان.
5) إذا اختل الاتزان بفعل مؤثر خارجي, فإن المجموعة تغير من خواصها بحيث تعاكس فعل المؤثر الخارجي, وتقلل من أثره ما أمكن, وتعود إلى حالة الاتزان.
6) ثابت الاتزان هو طريقة لوصف المجموعة عند حالة الاتزان, ويعتمد على خواص المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل ودرجة الحرارة.



الأحماض الأمينية
Amino Acids
يوجد ما يقرب من ثلاثمائة حمض أميني. وقد اكتشف أول حمض أميني عام 1806 م وأطلق عليه «أسبراجين» لوجوده بفطر الأسبرجس. والأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات عددها عشرون حمضاً فقط، وهي أحماض ألفا أمينية حيث أن كل حمض منها يحتوى على مجموعة كربوكسيل حرة، ومجموعة أمين حرة متصلتين بذرة الكربون ألفا بالإضافة إلى مجموعة أو سلسلة جانبية (R) وذرة هيدروجين، وتختلف المجموعة الجانبية للأحماض ألفا أمينية في تركيبها الكيميائي. فهي ذرة هيدروجين في الجليسين، أو أكثر تعقيداً مثل مجموعة الجوانيدين في الأرجنين. ويستثنى من ذلك حمض البرولين لعدم احتوائه على مجموعة أمين حرة لدخولها في تكوين حلقى، لذلك يطلق عليه حمض إيمينى.
وأحماض ألفا الأمينية لها تَشَكُل فراغي من نوع (L) وذلك لأن ذرة الكربون الألفا غير متماثلة، كما أن لها نشاطاً ضوئياً فيمكن لأيسومراتها الضوئية أن تعمل على إدارة مستوى الضوء المستقطب جهة اليمين (+) أو جهة اليسار (-) . وتتأين هذه الأحماض في المحاليل المائية وتتفاعل كالأحماض أو كالقواعد، كما أن الأحماض الأمينية أحادية الكربوكسيل أحادية الأمين تتأين تأيناً كاملاً مكونة أيونا ثنائى القطب متعادلاً كهربائياً يعرف باسم زفيتر أيون.
ويمكن تقسيم هذه الأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات تبعاً لخواص المجموعات الجانبية حيث تصفى كل مجموعة خاصيتها على الجزىء كله. أما بالنسبة لخاصية تأين المجموعة الجانبية فيمكن تقسيم الأحماض الأمينية إلى: أحماض أمينية متعادلة، أو حمضية، أو قاعدية. وبالنسبة لخاصية قطبية المجموعة الجانبية يمكن تقسيم هذه الأحماض إلى: أحماض أمينية غير قطبية، وقطبية متعادلة الشحنة، وقطبية سالبة الشحنة، وقطبية موجبة الشحنة. وهناك تقسيم ثالث يعتمد على القيمة الغذائية للحمض الأمينى، وعليه فتوجد أحماض أمينية أساسية؛ وهي التي لا يستطيع الجسم تكوينها بالمعدل اللازم للنمو الطبيعي للأطفال أو المحافظة على صحة وحيوية الكبار، لذلك يجب أن يحصل عليها الجسم عن طريق الغذاء، وهي متوفرة في البروتينات الحيوانية والأسماك والبيض. وهناك أحماض أمينية غير أساسية، وهي التي يمكن أن يكونها الجسم داخلياً ولا يسبب نقصها خطورة على صحته. أما التقسيم الرابع فيعتمد على أساس أيضى حيث توجد: أحماض أمينية جلوكوجينية، أي يمكن أن تتحول داخل الجسم إلى سكر الجلوكوز، وأحماض أمينية كيتوجينية، أي يمكن تحولها داخلياً إلى أجسام كيتونية، كما أن هناك أحماضاً أمينية تجمع بين الخاصيتين.
وتتحول أحماض ألفا الأمينية داخل جسم الإنسان إلى عدد من المركبات المهمة، فمثلاً الحمض الأمينى تيروزين يكّون أصباغ الميلانين التي تلوّن الجلد والشعر والعيون، كما يتحول حمض الهستدين إلى مركب الهستامين. وتتحد أحماض ألفا الأمينية مع بعضها البعض بروابط ببتيدية مكونة سلاسل ببتيدية مختلفة من حيث عدد ونوع وترتيب الأحماض الأمينية الداخلة في تكوينها. وتتشكل هذه السلاسل الببتيدية فراغياً لتكون العديد منالبروتينات ذات الأهمية الحيوية مثل الإنزيمات والأجسام المضادة والهرمونات الببتيدية مثل هرمون الإنسولين، والجلوكاجون وبعض الموصلات العصبية. وتتفاعل أحماض ألفا الأمينية أيضاً مع عديد من المركبات الأخرى عن طريق مجموعة الكربوكسيل أو مجموعة الأمين، وكذلك المجموعة الجانبية. وتساهم بعض هذه التفاعلات المختلفة في التقدير الكيفى والكمى للأحماض الأمينية مما يؤدي إلى معرفة تتابع هذه الأحماض في السلسلة الببتيدية واستنباط التركيب الأولى لبعض البروتينات. وهناك عديد من الأمراض الوراثية التي تصاحبها زيادة كبيرة في تركيز الأحماض الأمينية بالدم أو البول. ويرجع ذلك إلى نقص بعض الإنزيمات التي تساعد في أيض وتحول هذه الأحماض الأمينية داخل جسم الإنسان.



الأحماض النووية
Nucleic acids
أحماض موجودة بداخل نواة الخلية، والحمض النووى هو حامل الشفرة الوراثية. ويتكون الحمض النووى من وحدات تسمى النيوكليوتيدات تتكون كل منها من أربعة مركبات هي سكر خماسي، وحمض الفوسفوريك، وواحدة من أربع وحدات من قواعد خماسية الكربون، منها اثنتان من البيورينات، واثنتان من البيرميدينات. والأحماض النووية نوعان حمض الديؤكسى ريبوز النووى ويرمز له بالأحرف DNA أو الدنا: وحمض الريبوز النووى ويرمز له بالأحرف RNA أو الرنا.



الأحماض والقواعد
الأحماض هي المواد التي تتفكك في المحلول المائي لتعطي بروتونات.
القواعد هي المواد التي تتفكك في المحاليل المائية لتعطي أيونات الهيدروكسيد، أو التي تتفاعل مع البروتونات المائية.
المواد المترددة: هي المواد التي تحمل خواص الحمض والقاعدة معاً.
الملح هو المادة الناتجة من تفاعل حمض مع قاعدة.
نظريات الأحماض والقواعد:
لافوازيه (1777 م): اقترح أن الأحماض تحتوي أكسجين.
ديفي (1816 م): اكتشف أن حمض الهيدروكلوريك (HCl) لا يحتوي على الأكسجين، فهذا يعني قصور نظرية لافوازيه. واقترح ديفي أن الأحماض تحتوي على هيدروجين.
ليبج (1838م): عرف الحمض بأنه المركب الكيميائي الذي يحتوي على الهيدروجين الذي يمكن أن يحل محله عنصر فلزي.
وهناك ثلاث نظريات حديثة لتعريف الحمض والقاعدة، هي نظرية أرينيوس ونظرية برونشتد-لوري ونظرية لويس.
ويمكن المقارنة بين النظريات الثلاث لتعريف الأحماض والقواعد في الجدول التالي:
النظرية و تعريف الحمض ومع تعريف القاعدة
أرهينوس مادة تذوب في الماء وتعطي أيون الهيدروجين (بروتون)مادة تذوب في الماء وتتفكك معطية أيون هيدروكسيد
برونشتد-لوريمادة تمنح بروتون أو أكثرمادة تستقبل بروتون أو أكثر
لويس مادة تستقبل زوج أو أكثر من الإلكترونات مادة تمنح زوج أو أكثر من الإلكترونات
وتنقسم الأحماض حسب طبيعتها إلى قسمين:
أ ـ الأحماض العضوية: يتكون جزيء هذه الأحماض من عناصر الهيدروجين والكربون والأكسجين، ويمكن تقسيم هذه الأحماض حسب عدد مجموعات الكربوكسيل في الصيغة الكيميائية إلى الأقسام التالية: أحادية الكربوكسيل وثنائية الكربوكسيل وثلاثية الكربوكسيل وعديدة الكربوكسيل.
ب ـ الأحماض المعدنية (غير العضوية).تقسم هذه الأحماض بدورها حسب عدد أيونات الهيدروجين التي تعطيها الصيغة الكيميائية للحمض في أي مذيب مناسب كالماء إلى: أحادية البروتون وثنائية البروتون وعديدة البروتون.
- تحضير الأحماض:
في الصناعة:
أ ـ تحضر الأحماض ثنائية العنصر غالباً بالاتحاد المباشر بين الهيدروجين والعنصر اللافلزي ثم إذابة المركب الناتج (غاز) في الماء.
ب ـ تحضر الأحماض ثلاثية العنصر (الأكسجينية) بالاتحاد المباشر بين الأكسجين والعنصر اللافلزي للحصول على أنهيدريد الحمض ثم إذابته في الماء.
في المختبر:
يمكن تحضير الحمض الأقل ثباتاً بتفاعل ملحه مع حمض أكثر ثباتاً.
طرق أخرى:
أ _ التحليل المائي لهاليدات اللافلزات وبعض الفلزات.
ب _ أكسدة العناصر اللافلزية في محلول مائي خال من القلويات.
- تحضير الأملاح:
توجد عدة طرق لتحضير الأملاح منها:
(1) الاتحاد المباشر بين العناصر المكونة للملح.
(2) بالنسبة للأملاح التي تذوب في الماء فإنها تحضر بتفاعل الحمض المخفف مع الفلز أو أكسيده أو كربوناته. وكذلك مع هيدروكسيد الفلز أو كربوناته.
(3) بالنسبة للأملاح التي لا تذوب في الماء فتحضر بالتبادل المزدوج وبالترسيب وعادة تستخدم نيترات الفلز المراد تحضير ملحه مع ملح الصوديوم الذي يحتوي على الشق الحمضي للملح المطلوب فيترسب الملح الذي لا يذوب في الماء ويفصل بالترشيح.
وتقسم القواعد إلى عدة مجموعات كالتالي:
أ ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية للمجموعتين (IIA-IA) من الجدول الدوري وهي قابلة للذوبان في الماء:
ب ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية التي لا تذوب في الماء.
جـ ـ المركبات الهيدروجينية لبعض عناصر (VA) من الجدول الدوري.
د ـ الأمينات العضوية والقواعد النيتروجينية.
* ويمكن تقسيم القواعد بالنسبة لعدد مولات أنيونات الهيدروكسيد التي تعطيها الصيغة الكيميائية للقاعدة عند ذوبانها في الماء إلى أحادية الحمضية وثنائية الحمضية وثلاثية الحمضية وعديدة الحمضية.
- الخواص العامة للأحماض والقواعد:
أ- معظم الأحماض تذوب في الماء وتكوَّن محاليل مخففة، ولها طعم حامض.
ب- بعض الأحماض خصوصاً المركزة مثل حمض الكبريتيك تأثيرها متلف وحارق لجلد الإنسان والملابس.
جـ تؤثر محاليل الأحماض والقواعد على بعض الصبغات فتغير من ألوانها، فمثلاً تؤثر الأحماض في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى اللون الأحمر وكذلك تؤثر القواعد في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى الأزرق.
د ـ تتفاعل الأحماض المخففة مع الفلزات التي تسبق الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية وينتج ملح الحمض ويتصاعد غاز الهيدروجين.
هـ تتفاعل الأحماض مع القواعد وينتج ملح الحمض والماء غالباً.
و- تتفاعل الأحماض مع أملاح الكربونات والكربونات الهيدروجينية وينتج ملح الحمض وماء وغاز ثاني أكسيد الكربون ز- تتفاعل محاليل القواعد القلوية مع أملاح الأمونيوم وينتج ملح وماء وغاز الأمونيا ذو الرائحة المميزة، وهذا يستخدم للكشف عن أملاح الأمونيوم.
حـ - تتفاعل بعض القواعد مع الأملاح وينتج هيدروكسيد الفلز وملح.
ط - تتميز هيدروكسيدات بعض الفلزات بصفة التردد حيث يمكنها التفاعل مع الأحماض كقواعد ومع القواعد كأحماض منتجة ملحاً وماء. مثل هيدروكسيد الخارصين وهيدروكسيد الألومنيوم.
والجدول التالي يبين الأحماض القوية والقواعد القوية الشائعة:


الأحماض القوية

الاسم و الصيغة
حمض الهيدروكلوريكHCl
حمض الهيدروبروميكHBr
حمض الهيدرويوديكHI
حمض البيركلوريكHClO4
حمض النيتريكHNO3
حمض الكبريتيكH2SO4



القواعد القوية

الاسم و الصيغة
هيدروكسيد الصوديومNaOH
هيدروكسيد البوتاسيومKOH
هيدروكسيد الكالسيومCa(OH)2
هيدروكسيد الباريومBa(OH)2
هيدروكسيد الإسترانشيومSr(OH)2