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. לדוגמה, מצבר הרכב מכיל חומצה גופרתית, משקה קולה מכיל חומצה זרחתית, והקיבה האנושית 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. 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): על פי ארהניוס, חומצה היא חומר שמגדיל את ריכוז יוני ה-+H3O (הידרוניום) בתמיסה 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 בתמיסה הנוצרת 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. ערך מורחב – תאוריית ברונסטד–לאורי 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. ערך מורחב – חומצת לואיס לפי הגדרתו של גילברט לואיס, חומצה היא צורון כימי אשר מקבל זוג אלקטרונים, ובסיס הוא צורון בעל זוג אלקטרונים בלתי קושר המסוגל לתרום אותו ליצירת קשר קוולנטי. הגדרה זו כוללת גם תגובות שאינן כוללות שחרור או קבלה של פרוטון (+H), ולכן היא כללית יותר מההגדרה של ברונסטד ולאורי. על פי תאוריית האורביטלים המולקולריים, ניתן לומר שלחומצת לואיס יש LUMO (האורביטל המולקולרי הנמוך ביותר שאינו מאוכלס באלקטרונים) בעל אנרגיה נמוכה, הקולט זוג אלקטרונים מה-HOMO (האורביטל המולקולרי הגבוה ביותר, המאוכלס באלקטרונים) של הבסיס. כל חומצה העונה להגדרה של ברונסטד ולאורי עונה גם על הגדרתו של לואיס, אך ההפך אינו נכון. כלומר, כל בסיסי/חומצות ברונסטד-לאורי הם בסיסי/ חומצות לואיס, אך לא להפך. הגדרתו של לואיס אינה הנפוצה ביותר. לכן, כאשר מדברים על חומצות לואיס שאינן חומצות על פי ברונסטד ולאורי, מציינים לרוב במפורש כי אלו חומצות לואיס. 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: HA + H 2 O ( l ) ↽ − − ⇀ H 3 O + ( aq ) + A − ( aq ) {\displaystyle {\ce {HA + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A- (aq)}}} 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. K a = [ H 3 O + ] [ A − ] [ H A ] {\displaystyle K_{a}=\mathrm {\frac {[H_{3}O^{+}][A^{-}]}{[HA]}} } 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, K a = 10 7 {\displaystyle K_{a}=10^{7}} . 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 אצטילסליצילית). עבור חומצת חומץ, לדוגמה, K a = 1.7 × 10 − 5 {\displaystyle K_{a}=1.7\times 10^{-5}} – פי מיליון מיליונים פחות מאשר חומצת מלח. רוב החומצות בטבע הן חומצות חלשות. לעיתים, במקום להתייחס ל-Ka, משתמשים ב-pKa, המוגדר כך: p K a = − log ⁡ ( K a ) {\displaystyle pK_{a}=-\log(K_{a})} . 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. מושג מרכזי הוא מושג ה-pH. ה-pH מוגדר כ p H = − log ⁡ ( [ H 3 O + ] ) {\displaystyle p\mathrm {H} =-\log([\mathrm {H_{3}O^{+}} ])} – מינוס הלוגריתם של ריכוז יוני ההידרוניום במים. ככל שה-pH נמוך יותר כך התמיסה חומצית יותר. במים מזוקקים, ובכל תמיסה נייטרלית, ה-pH הוא 7 (הסיבה מפורטת למטה). כשה-pH גבוה מ-7, התמיסה היא בסיסית, וכשהוא קטן מ-7, התמיסה היא חומצית. בסביבה טבעית, ה-pH נע לרוב בין 0 ל-14, אך הוא יכול לקבל כל ערך (גם שלילי). בשפה מדוברת מתייחסים לעיתים ליוני המימן בתמיסה (ומסמנים +H). בפועל, המימן אינו מתקיים כיון בתמיסה מימית, אלא מגיב עם המים ליצירת יוני הידרוניום +H3O (אין זאת אומרת כי לא קיים יון +H, יון זה קיים, אך לא בתמיסה מימית. ניתן למצוא אותו, לדוגמה, בחומצות כגון HCl או HF ואפילו במים). הסימון +H נפוץ מאוד, אם כי אינו מדויק מבחינה כימית. לחומציות של תמיסה יש השפעה גדולה על התרחשות תגובה, גם אם יוני ההידרוניום (או ההידרוקסיד) אינם מגיבים. תהליכים ביולוגיים רבים המתרחשים בתמיסות אינם מתנהלים בצורה תקינה, אם ה-pH אינו מתאים. גוף האדם עשוי רובו מים, ורוב התהליכים הכימיים בו מתרחשים בתמיסה מימית. על כן יש חשיבות גדולה לחומציות התמיסה (ראו בופר). חומצה הבאה במגע עם העור גורמת לתחושת עקצוץ, וחומצות חזקות עלולות לגרום כוויות חריפות, אפילו במינון נמוך. במקרה של פגיעה, יש לשטוף בכמויות גדולות של מים, ולפנות לייעוץ רפואי. חומצות חזקות הן חומר משתך (קורוזיבי) מאוד, הן מגיבות בחוזקה וממיסות מתכות. קיים שילוב מיוחד של חומצות (הנקרא מי מלכים) שיכול להמיס אפילו זהב ופלטינה. תמיסות של חומצות מוליכות זרם חשמלי. ככל שחומצה חזקה יותר (משמע: מתפרקת יותר במים) כך המוליכות של תמיסתה עולה. ישנן חומצות המסוגלות לתרום יותר מפרוטון אחד. חומצות אלה נקראות חומצות פוליפרוטיות או חומצות רב-פרוטיות. 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: H 2 A + H 2 O ↽ − − ⇀ HA − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {H2A + H2O <=> HA- + H3O+}}} HA − + H 2 O ↽ − − ⇀ A 2 − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {HA- +H2O <=> A^2- + H3O+}}} 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: H 3 A + H 2 O ↽ − − ⇀ H 2 A − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3A + H2O <=> H2A- + H3O+}}} H 2 A − + H 2 O ↽ − − ⇀ HA 2 − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {H2A- + H2O <=> HA^2- + H3O+}}} HA 2 − + H 2 O ↽ − − ⇀ A 3 − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {HA^2- + H2O <=> A^3- + H3O+}}} או בשלב אחד: H 3 A + 3 H 2 O ↽ − − ⇀ A 3 − + 3 H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3A + 3H2O <=> A^3- + 3H3O+}}} 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. יוני הידרוקסיד והידרוניום קיימים גם במים מזוקקים. זאת, כיוון שהמים מתפרקים באופן טבעי בתגובת דיסוציאציה: 2 H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + OH − {\displaystyle {\ce {2H2O <=> H3O+ + OH-}}} זוהי תגובת שיווי משקל בעלת קבוע K w = [ O H − ] [ H 3 O + ] = 10 − 14 {\displaystyle K_{w}=\mathrm {[OH^{-}][H_{3}O^{+}]} =10^{-14}} . לכן, בתמיסה נייטרלית, [ O H − ] = [ H 3 O + ] = 10 − 7 {\displaystyle \mathrm {[OH^{-}]=[H_{3}O^{+}]} =10^{-7}} ]. עובדה זו מסבירה מספר עובדות שהוזכרו מעלה: ה-pH של תמיסה נייטרלית הוא 7, כי   p H = − log ⁡ [ H + ] = − log ⁡ ( 10 − 7 ) = 7 {\displaystyle \ p\mathrm {H} =-\log \mathrm {[H^{+}]} =-\log(10^{-7})=7} . כאשר אומרים כי תמיסה היא חומצית (pH<7), משמעות הדבר היא כי ריכוז יוני ההידרוניום גדול מריכוז יוני ההידרוקסיד. כאשר אומרים כי תמיסה היא בסיסית (pH>7), משמעות הדבר היא כי ריכוז יוני ההידרוקסיד גדול מריכוז יוני ההידרוניום. העלאת ריכוז יוני ההידרוניום גוררת הורדת ריכוז יוני ההידרוקסיד ולהפך (כי מכפלת הריכוזים קבועה). בתגובת הפירוק (דיסוציאציה) של מים, מולקולה אחת של מים מוסרת פרוטון, ולכן מתפקדת כחומצה, ומולקולת מים שנייה מקבלת פרוטון ולכן מתפקדת כבסיס. מכאן שמולקולת מים יכולה לתפקד גם כבסיס וגם כחומצה. לחומרים המתפקדים גם כבסיס וגם כחומצה קוראים חומרים אמפותריים. 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. פיגוע חומצה דניאל בן הלוי, מה הקשר בין החומציות לבין האלימות של החומצה (היכולת לשחרר פרוטון ולפגוע בחומרים שונים)?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 24 דצמבר 2011 חומצה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) חומצות, דף שער בספרייה הלאומית האגודה הבינלאומית לתכונות מים וקיטור (IAPWS), R11-07:Revised Release on the Ionization Constant of H2O, אוקטובר 2019 (באנגלית)