אחת מתגובות היסוד בכימיה היא תגובת חומצה-בסיס, שמתרחשת בין חומרים המסווגים כחומצה לחומרים המסווגים כבסיס. כדי להקל על סיווג החומרים נקבע מדד חומציות שנקרא גם מדד pH. התחום השכיח במדד החומציות הזה הוא בין 0 ל-14, ומים מקבלים בו את הערך הניטראלי 7. כל חומר שערך ה-pH שלו נמוך משבע נחשב חומצה, כך שככל שהערך נמוך יותר החומצה מוגדרת חזקה יותר, ובהתאמה כל חומר שערכו גבוה משבע נחשב בסיס וככל שהערך גבוה יותר כך הבסיס נחשב חזק יותר.
חומצות, בסיסים והתגובות שביניהם ממלאים תפקיד משמעותי במציאות היומיומית שלנו ובקיום החיים. אבני הבניין של החיים הן למעשה חומצות. חומצות גרעין בונות את הקוד הגנטי של כל היצורים החיים, חומצות אמינו הן אבני הבניין של החלבונים וחומצות שומן יוצרות את דפנות התאים. הגוף מנצל לטובתו את התכונות של החומצות והבסיסים, החל בהפרשת חומצות שמסייעות לפירוק המזון בקיבה (בעיקר חומצת מלח), וכלה בשימוש שהוא עושה בהם לשמירה על סביבה פחות או יותר ניטראלי (עם נטייה קלה לבסיסיות) בדם ובתוך התא. חומצות ובסיסים מצויים גם במזון, למשל חומצה אסקורבית (ויטמין C), סודה לשתייה ועוד.
היישומון שלפנינו מציג תכונות ומאפיינים שונים של חומצות ובסיסים בתמיסה. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
לפני שנתחיל לעבוד, בואו נגדיר כמה מושגי יסוד:
חומצה: חומר שמתפרק במים ומשחרר פרוטון, כלומר יון מימן חיובי. אחרי שהחומצה משחררת את הפרוטון הוא יגיב עם המים לקבלת יון הידרוניום (+H3O). כדי לפשט מעט את העניין נגיד שאפשר להתייחס ליון ההידרוניום כפרוטון ולהתעלם מתוצר התגובה שלו עם המים. ככל שהחומצה מתפרקת בקלות רבה יותר במים, כלומר ככל שגוברת הנטייה של החומר לשחרר פרוטון עולה כך החומצה נחשבת חזקה יותר.
בסיס: חומר שמתפרק במים על ידי שחרור יון הידרוקסיד (-OH). גם כאן, ככל שהבסיס מתפרק בקלות רבה יותר במים, כלומר כשהנטייה של החומר לשחרר הידרוקסיד עולה, כך הבסיס נחשב חזק יותר.
pH (ערך הגבה): מדד שמגדיר את רמת החומציות של תמיסה. ערך החומציות נקבע על פי ריכוז הפרוטונים בתמיסה בסולם לוגריתמי. בשם pH, ה-H הוא ריכוז יוני הפרוטונים ביחידות של מולר (מול לליטר), וה-p מייצג את הפעולה החשבונית הלוגריתמית log10-. כלומר ריכוז פרוטונים של 1M יתן ערך גבה של אפס (חומצה חזקה מאוד). ריכוז פרוטונים של 0.1M ייתן ערך pH של 2, וכן הלאה. ה-pH של מים הוא 7, כלומר ריכוז פרוטונים של 10-7 מולר. את ערך ה-pH אפשר למדוד בצורות שונות בעזרת אינדיקטורים (הדוגמה הנפוצה היא נייר pH) או על ידי שינויים במוליכות של מערכת מדידה כתוצאה מריכוז הפרוטונים (מד pH).
תגובת סתירה: כאשר יוצרים תגובה של בסיס עם חומצה אפשר להתייחס לתגובה כאל מפגש בין הפרוטונים המשוחררים של החומצה לבין ההידרוקסידים המשוחררים של הבסיס. תגובה בין בסיס לחומצה, כלומר בין פרוטון להידרוקסיד, היא תגובת סתירה. תוצאת המפגש של פרוטון והידרוקסיד היא מולקולת מים ואנרגיה נוספת, שנפלטת בדרך כלל בצורת חום.
פרוטונים ויוני הידרוקסיד נוטים להגיב זה עם זה עד שהם מגיעים לשיווי משקל שמשתנה מתגובה לתגובה. במים מזוקקים, שיווי המשקל עומד על ריכוז של 10-7 מולר של פרוטונים וגם של הידרוקסידים, ועל כן ה-pH הוא 7. כדי להבין את הנושא לעומק ולהפיק את המרב מהיישומון מומלץ לצפות בסרטונים על חמש הריאקציות הכימיות הבסיסיות, שיווי משקל כימי, כוח הכימיה – חומצות ובסיסים וביישומון על סולם pH.
כעת בואו נתחיל. בחרו בלשונית "הוספה", באפשרות "מולקולות" בתצוגה ובאפשרות "מד pH" בבדיקות. הכניסו את מד ה-pH לתמיסה. כאשר יש בתמיסה רק מים, ה-pH יהיה ניטראלי, כלומר 7, אך עדיין אפשר יהיה לראות בתמיסה יוני הידרוניום והידרוקסיד. מדוע? אם אתם לא זוכרים, קראו שוב את ההגדרות.
החליפו עכשיו את התמיסות לחומצה חלשה או חזקה, בסיס חלש או חזק, ונסו לראות מה קורה לכמות יוני ההידרוניום וההידרוקסיד ב-pH שונים. כדי להבין זאת טוב יותר החליפו את "מולקולות" בתצוגה ל"ריכוז בשיווי משקל" וראו את הריכוזים השונים של התמיסות השונות. האם אתם רואים קשר בין חוזק הבסיס או החומצה לבין ריכוזי היונים? ראו את התגובה שרשומה בתחתית העמוד.
שימו לב שבחומצה או בסיס חזקים התגובה מוגדרת חד-כיוונית, בעד שבריכוזים החלשים היא מוגדרת דו-כיוונית. היות שבכימיה שום דבר אינו חד-כיווני, תמיד חלק מהמולקולות ילכו עם התגובה בכיוון המנוגד, אולם בחומצה או בסיס חזקים כמות המולקולות שילכו נגד כיוון יצירת החומצה או הבסיסי זניחה עד כדי כך שאפשר להתייחס אליה כתגובה חד-כיוונית. האם לדעתכם יש קשר בין רמת המסיסות של חומצה או בסיס לבין חוזקם?
כעת נעבור ללשונית "תמיסה מותאמת". כאן תבנו לעצמכם חומצות חלשות או חזקות ובסיסים חלשים או חזקים. שחקו קצת עם הריכוזים ונסו לראות אם ה-pH אכן מייצג את ריכוזי ההידרוניום. האם ה-pH יכול ללמד אותנו על עוצמת החומצה או הבסיס? הערה: על מנת להקל עשו לכם טבלת ריכוזים מול log10- של אותו הריכוז (למשל log10(10)=2-).
שאלה למתקדמים: אם נתון לנו ריכוז יוני ההידרוקסיד בתמיסה, האם נוכל לחזות את ה-pH שלה?
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
