חומצה היא חומר מכיל מימן , שעובר פירוד (דיסוציאציה) בתמיסה תוך שחרור יוני מימן (H+);

בסיס (הקרוי גם אלקלי) הוא חומר המכיל קבוצה הידרוקסילית, שפירודו בתמיסה משחרר יוני הידרוקסיל (OH-).

לפיכך אפשר להגדיר חומצות כחומרים שנוטים לשחרר פרוטונים (H+ הוא למעשה פרוטון ), ובסיסים הם חומרים שנוטים לקלוט פרוטונים. חוזק החומצה או הבסיס תלוי בכמות היונים H+ או OH- בתמיסה. הגדרה אחרת קובעת כי בסיס הוא כל חומר שבו יש זוג אלקטרונים חופשיים, וחומצה היא כל חומר היכול להתחבר לזוג אלקטרונים אלה. הנוסחה הכללית של חומצה בכימיה האי-אורגנית היא HnA, ולבסיס, הנוסחה הכללית היא B(OH)n.

בכימיה האורגנית הגדרת החומצה זהה, ככימיקל בעל נטייה לשחרר פרוטון; אולם התכונה המבנית המאפיינת אותה היא נוכחות הקבוצה COOH-, הכוללת קבוצה קרבונילית (C=O) וקבוצה הידרוקסילית (OH). לכן נקראות חומצות כאלה בשם חומצות קרבוקסיליות. הרדיקל הקשור לקבוצה הקרבוקסילית יכול להיות אלקילי , שאז זו חומצה קרבוקסילית רוויה, או רדיקל בלתי-רווי כלשהו. ייתכנו חומצות אורגניות מורכבות מאוד, כמו חומצות הגרעין וחומצות שומניות רבות. כללית, מספר הקבוצות הקרבוקסיליות בחומצות אורגניות יכול לעלות על 1. ייתכנו חומרים אורגניים בעלי תכונות חומציות שאין בהם קבוצה קרבוקסילית, למשל הפנולים . בחומרים כאלה, קבוצות אחרות מעניקות להם את הנטייה החומצית.

חומציות ובסיסיות

קביעת החומציות או הבסיסיות של תמיסה נעשית בהשוואה למים נקיים. בעקבות מדידות מדויקות ביותר נקבע כי מים נקיים עוברים תהליך פירוד לפי הנוסחה הבאה:

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324576/01.gif

וכי במול אחד של מים בטמפרטורה של 25º צלזיוס יש 1.00 x 10-7M יוני H3O+ (או H+), ומספר שווה של יוני OH-. המספר המשמש בד"כ למדידת ריכוזם של יונים אלה נקרא ערך pH. הגדרתו היא pH = -log, ומכיוון שריכוזם של יוני H+ במים נקיים הוא כאמור 1.00 x 10-7M, ערך pH של מים נקיים הוא 7. מכפלת הריכוזים של יוני מימן והידרוקסיל במים ובתמיסות מימיות מהולות היא גודל קבוע:

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324462/a2.gif

בטמפרטורה של 25º צלזיוס, kw הוא 10-14 mol2 / l2.

לכן, במים נקיים ריכוזיהם של יוני המימן וההידרוקסיל שווים זה לזה וערכם הוא 10-7 (ביחידות מול בריבוע חלקי ליטר בריבוע). לפיכך, בתמיסות חומציות או בסיסיות, מכפלת המסיסות של ריכוזי היונים האלה היא 10-14 mol2 / l2. בתמיסה חומצית חלשה, שבה ריכוז יוני המימן הוא pH=6, ריכוז יוני ההידרוקסיל הוא pH=8. חומצות אי-אורגניות רבות (חומצת מלח , חומצה חנקתית וחומצה גופרתית , למשל) נמצאות במצב מיונן מלא בתמיסה; הן מכונות "חומצות חזקות". תמיסה שיש בה מול אחד של חומצה חזקה, ריכוז יוני המימן שלה הוא מרבי (0=pH), ולכן ריכוז יוני ההידרוקסיל בה קטן מאוד (pH=14).

לעומת זאת, חומצות חלשות עוברות יינון חלקי בלבד, ולכן ריכוז יוני המימן ביחידת נפח של תמיסה קטן הרבה יותר מריכוז החומצה עצמה. היחס בין ריכוז יונים של חומצה מיוננת לבין מולקולות שלא התפרקו במצב שיווי משקל הוא קבוע הפירוד:

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324468/3.gif

כאשר HA היא חומצה כלשהי. בדומה לחומצה, גם הבסיס עובר תהליך יינון, וביטויו

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324469/4.gif

כאשר MOH הוא בסיס כלשהו.

עבור חומצות רב-בסיסיות (המכילות כמה יוני מימן חומציים) יש כמה קבועי פירוד, המתאימים ליציאת כל פרוטון בנפרד. למשל, אם נתונה התגובה:

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324523/05.gif

אזי

http://www.ynet.co.il/PicServer/050602/203770/kavua1.gif

בדומה לכך יש k2 עבור התגובה

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324531/06.gif

ו-k3 עבור התגובה

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/324530/07.gif

החומציות (או הבסיסיות) של תמיסות מימיות משתנה שינוי משמעותי ביותר בעקבות הוספתה של כמות זעומה של חומצה חזקה או של בסיס חזק. למשל: תוספת של טיפה אחת של חומצה חזקה לליטר אחד של מים מגדילה את ריכוז יוני המימן פי 5,000. אבל יש גם תמיסות שאינן משנות את חומציותן (או בסיסיותן) בעקבות תוספת חומצה או בסיס. תמיסות אלה נקראות בּוּפֶרים. דוגמה של תמיסה כזאת היא הדם, וכן תמיסות פיסיולוגיות אחרות. יעילותה של תמיסת הבופר תלויה בריכוז החומרים המרכיבים אותה. הוספת בסיס חזק לתמיסה רגילה (לא בופר) בעלת pH חומצי מסוים גורמת לתגובת ניטרוּל בין יוני H+ ויוני OH- ולהגדלת pH (הקטנת ריכוזם של יוני H+). אם כמות הבסיס החזק שווה לכמות החומצה שנמצאת בתמיסה התחלתית, pH מגיע לערך 7 והתמיסה נייטרלית.

אינדיקטורים

קביעת הנקודה שבה התגובה נגמרת נעשית בעזרת חומר מיוחד - אינדיקטור . האינדיקטור משנה את צבעו בנקודת גמר התגובה. מוסיפים אותו לתמיסה בטיטור , בכמויות קטנות. בטיטור של תמיסת בסיס חלש ע"י חומצה חזקה (או חומצה חלשה ע"י בסיס חזק), הוספה של כמות החומצה החזקה (או בסיס חזק) השווה לכמות הבסיס החלש (או חומצה חלשה) לא תביא לתמיסה נייטרלית, וערך pH של התמיסה יהיה שונה מאשר 7. במקרים אלה חשובה מאוד בחירה נכונה של אינדיקטור, כך שתחום pH שבו משתנה צבעו יתאים ל-pH של התמיסה הסופית.

דוגמה לאינדיקטור יעיל בתחום 7=pH היא ליטמוס ; בתחום 9=pH, פנול-פתלאין וב-3.8=,pH מתיל אורנג' . הליטמוס, למשל, מקבל מחומצה צבע אדום, ומבסיס - צבע כחול.

שימושים

לחומצות ולבסיסים שימושים תעשייתיים ומדעיים מרובים. כללית, ערבוב חומצה ובסיס גורם לתגובה כימית הקרויה סתירה, שמוצריה הם מלחים ומים. כשמדובר בחומצות חזקות ובבסיסים חזקים, התגובה עשויה להיות עתירת אנרגיה.

לחומצות ולבסיסים כאחד פעולת איכול חזקה. רעלים טבעיים רבים הם חומצות, ופועלים את פעולתם ע"י השחתת רקמות חיות. בה במידה, לחומצות מינרליות רבות פעולה רעילה. מאידך גיסא, חומצות אורגניות רבות ממלאות תפקידים מרכזיים בתהליכי החיים, וביניהן חומצות הגרעין והחומצות האמיניות .

בתעשייה, פעולת חומצה על מתכת יכולה לכרסם את פני המשטח, ולכן משתמשים בחומצות בתהליכי גילוף שונים. בתהליכי ההפקה של חומרים שימושיים רבים, נעזרים בחומצות ובבסיסים: פעולת הסתירה מביאה ליצירת החומר הרצוי.

לפרטים על חומצות ובסיסים שונים, ראו לפי שמותיהם.

*-*

חומצות ובסיסים

www.mkm-haifa.co.il/schools/ironig/chemistry/infop1.doc

תגובות של חומצות

www.mkm-haifa.co.il/schools/ironig/chemistry/infop2.doc

(תגובות של חומצות ובסיסים (מאתר המפמ"ר

www.mkm-haifa.co.il/schools/ironig/chemistry/acidbasereactions.doc

עוד קובץ מעולה :

www.technion.ac.il/technion/chemistry/courses/preparation/acids-bases.doc