חומצה

חומצה, בהגדרה המקובלת ביותר, היא תרכובת המתפרקת במים ליצירת יוני הידרוניום, כך שה-pH של התמיסה המתקבלת יהיה נמוך מ-7. הגדרה כללית יותר לחומצה היא תרכובת המוסרת פרוטון במהלך תגובה כימית; ההגדרה הכללית ביותר של חומצה היא תרכובת המקבלת זוג אלקטרונים מתרכובת אחרת (או, במילים אחרות: תרכובת הנוטלת זוג אלקטרונים מתרכובת אחרת).
חומצות וחומציות הן גורמים חשובים בתהליכים כימיים רבים, ומשמשות את האדם רבות בחיי היום-יום. מצבר הרכב מכיל חומצה גופרתית, משקה קולה מכיל חומצה זרחתית, והקיבה מכילה חומצת מימן כלורי. לחומצות חלשות (חומצות בעלות ph גבוה יותר אך קטן מ-7) טעם חמוץ, ומכאן שמן. מיץ לימון, לדוגמה, מכיל חומצה ציטרית.

הגדרות של חומצה

בחלוף השנים הועלו מספר הגדרות שונות לחומצה (ולבסיס). ההגדרות אינן שונות בתכלית אלא מתארות, ברמות שונות של הכללה, את אותה המהות. הראשון שהגדיר חומצה היה לבואזיה, במאה ה-18. ההגדרה של לבואזיה כללה נוכחות של חמצן, כיוון שאז הכיר רק חומצות המכילות חמצן בדרגות חמצון גבוהות, כמו חומצה גופרתית וחומצה חנקתית. לבואזיה טבע את השם חמצן (Oxygen) כתרגום מלטינית של "יוצר חומצה". ב-1810 גילה סר האמפרי דייווי כי החומצות HI, HBr, ו-HCl אינן מכילות חמצן, והגדרתו של לבואזיה נזנחה. כיום מכירים בשלוש הגדרות של חומצה (ובסיס):

ההגדרה של ארהניוס

על פי ארהניוס, חומצה היא חומר שמגדיל את ריכוז יוני ה-⁺ H₃O (הידרוניום) בעת התמוססותו במים, ומקטין את ריכוז יוני ה-– OH (הידרוקסיד). באופן דומה, בסיס הוא חומר שמקטין את ריכוז יוני ה-⁺ H₃O ומגדיל את ריכוז יוני ה-– OH בעת התמוססותו במים. סימטריה זו אינה מקרית: הגדלת האחד גורמת בהכרח להקטנת השני, ולהפך.
הגדרה זו מוגבלת מעט, מכיוון שניתן להחילה רק לגבי חומרים מסיסים במים.

ההגדרה של ברונסטד ולאורי

על פי ההגדרה של ברונסטד ולאורי, חומצה היא חומר המוסר פרוטון ⁺H בעת תגובה כימית; בסיס הוא חומר הקולט פרוטון ⁺H בתגובה זו. תגובה שבה חומר אחד תורם פרוטון והאחר קולט אותו נקראת תגובת חומצה-בסיס. הגדרה זו היא הרווחת ביותר כיום, ובניגוד להגדרה של ארהניוס, היא יכולה לתאר גם תגובות בין חומרים שאינם מסיסים במים. 
על פי הגדרה זו, בתגובת פירוק החומצה במים, המים מתפקדים כבסיס, שכן החומצה "תורמת" פרוטון למים.

תכונות כימיות

בתגובה עם מים, חומצות עוברות תהליך של פירוק, או דיסוציאציה ליונים: יון מימן חיובי ⁺ H (פרוטון) מתנתק מהחומצה ומתרכב עם המים ליצירת יון הידרוניום H₃O⁺. אם מסמנים חומצה באופן כללי ב-HA, ניתן לרשום את התהליך:  
היון – A, שנותר מפירוק החומצה, נקרא הבסיס המצומד של החומצה. על פי אחת ההגדרות, פליטת יוני ⁺ H היא שמגדירה חומצה (ראו להלן). ישנם מקרים שבהם תגובה זו אינה מתרחשת עד הסוף. כלומר - קיימות חומצות שלא מתפרקות לגמרי במים, ויוצרות תגובת שיווי משקל. חומצות המתפרקות לגמרי נקראות חומצות חזקות, וחומצות שאינן מתפרקות לגמרי נקראות חומצות חלשות. לתגובה קוראים דיסוציאציה מלאה או חלקית, בהתאם. 
מידת החוזק של חומצות נקבעת לפי מידת ההתרחשות של תגובת פירוק זו. ניתן לתאר "עד כמה" התרחשה התגובה לפי היחס בין כמות יוני ההידרוניום והבסיס המצומד לבין כמות החומצה שלא התפרקה, לאחר שהמערכת הגיעה לשיווי משקל. יחס זה, שנקרא קבוע הפירוק של החומצה, הוא קבוע (בטמפרטורה נתונה), ומסומן ב-Kₐ.
  
Kₐ הוא מדד לחוזק החומצה. לחומצות חזקות Kₐ גבוה (כלומר, שיווי המשקל נוטה בעיקר לכיוון ימין, והפירוק במים כמעט מוחלט). דוגמאות לחומצות חזקות הן חומצות כבדות כגון חומצה גופרתית (H₂SO₄) וחומצה חנקתית (HNO₃), וגם חומצות קלות כגון תרכובות של מימן עם הלוגנים - מימן ברומי (HBr), מימן יודי (HI) ומימן כלורי (HCl, נקראת גם חומצת מלח). עבור חומצת מלח, לדוגמה, .
לחומצות חלשות Kₐ נמוך יותר. (כלומר, שיווי המשקל אינו נוטה לגמרי לכיוון התוצרים, והפירוק  אינו מוחלט). דוגמאות לחומצות חלשות הן חומצה פחמתית (H₂CO₃),  חומץ (CH₃COOH, נקראת גם חומצה אצטית), וגם אספירין (C₆H₄OCOCH₃CO₂H, השם הכימי - חומצה אצטליסליצילית). עבור חומצת חומץ, לדוגמה,  - פי מיליון מיליונים פחות מאשר חומצת מלח. רוב החומצות בטבע הן חומצות חלשות.
לעיתים, במקום להתייחס ל-Ka, משתמשים ב-pKa, המוגדר כך: . גודל זה הוא בסולם לוגריתמי, ולכן הוא נוח יותר במקרים מסוימים. כאשר Ka גדל, pKa קטן. כלומר, ככל שחומצה חזקה יותר, כך ה-pKa שלה קטן יותר.

חומצות פוליפרוטיות

ישנן חומצות המסוגלות לתרום יותר מפרוטון אחד. חומצות אלה נקראות חומצות פוליפרוטיות. חומצות בעלות פרוטון אחד נקראות חומצות חד-פרוטיות. בהתאם, חומצות בעלות שני פרוטונים נקראות חומצות דו-פרוטיות, וחומצות בעלות שלושה פרוטונים נקראות חומצות תלת-פרוטיות.
בניגוד לחומצה חד-פרוטית, המתפרקת בתגובה אחת, כמוסבר לעיל, חומצה פוליפרוטית מתפרקת במספר שלבים. בכל שלב נפלט פרוטון אחד. נשתמש בסימון הכללי H₂A לחומצה דו פרוטית. שלבי פירוק חומצה פולי-פרוטית באופן כללי:
לחומצה דו-פרוטית יש שני קבועי פירוק: Kₐ₁ עבור התגובה הראשונה ו-Kₐ₂ עבור התגובה השנייה. קבוע הפירוק הראשון תמיד גדול מקבוע הפירוק השני. כלומר, החומצה "מוותרת" יותר בקלות על הפרוטון הראשון מאשר על השני. תוצאה זו צפויה, שכן לאחר פליטת הפרוטון הראשון מתקבל יון שלילי, ולכן יהיה קשה יותר להוציא ממנו פרוטון חיובי נוסף. ישנן חומצות דו-פרוטיות חזקות וחלשות. לדוגמה, חומצה גופרתית (H₂SO₄) היא חומצה חזקה מאוד, וחומצה פחמתית (H₂CO₃) היא חלשה יחסית.
לחומצה תלת-פרוטית, אם כן, יש שלושה קבועי פירוק, והיא מתפרקת בשלושה שלבים:
או בשלב אחד:
דוגמאות לחומצות תלת-פרוטיות הן חומצה זרחתית (H₃PO₄) וחומצה ציטרית. גם עבור חומצה תלת-פרוטית מתקיים תמיד Kₐ₁>Kₐ₂>Kₐ₃. כלומר, ככל שמוציאים יותר פרוטונים, כך קשה יותר להוציא פרוטונים נוספים.

סתירת חומצה ("ניטרול")

כדי לנטרל חומצה, בין אם בשל סכנות בריאותיות ובין אם בשל סיבות תעשייתיות, יש לסתור אותה. בתהליך הסתירה מוסף בסיס בכמות ובריכוז מולים זהה לחומצה. בתום התהליך לא יוותרו חומצה או בסיס במגיבים והתמיסה תהיה נייטרלית בחומציותה, כלומר בעלת pH = 7.