أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء الرقم الهيدروجيني 7 يعنى التعادل

ألهمني كتاب “هذه الفكرة يجب أن تموت” بهذه السلسلة من المقالات وفي هذا الكتاب يشرح 175 مفكر بارز مجموعة من الأفكار والنظريات والمفاهيم التي يعتقدرون أنها أصبحت غير مثمرة ويجب التخلي عنها. ومما لفت نظري أنه لم يشارك أي كيميائي في هذا الكتاب. افتقاد الكيمياء للمحتوى الفلسفي والتأملي العميق هو ما يدعم استمرارية الأفكار الخاطئة والمفاهيم المربكة التي تعيق التعمق في فهم الكيمياء.
قضيت كثيراً من الوقت في مهنتي أجتهد لتعزيز الجوانب الفلسفية في الكيمياء وقيمة الأخذ بالنظرة التأملية في تعليمها لذلك أجد نفسي مدفوعا لسد النقص في هذا الكتاب. سأناقش في هذه السلسة من المقالات ما أعتقد أنها أكثر خمس أفكار مربكة موجودة بين الأساتذة ومؤلفين الكتب الكيميائية تعيق الفهم الصحيح والعميق للكيمياء.
الفكرة الأولى: الرقم الهيدروجيني 7 يعني التعادل
1. الرقم الهيدروجيني 7 هو شرط التعادل (pH 7 is neutral)
فكرة أنّ قيمة الرقم الهيدروجيني 7 هو شرط التعادل أو أنّ التعادل دائماً يحدث عند قيمة 7 للرقم الهيدروجيني هي اعتقاد شائع في الفصول الدراسية خصوصاً حينما يشرح المنهج كيفياً. ولكن ما أن يتم تقديم مفهوم ثابت التفكك للماء KW وقيمته المساوية ل 10-14 تظهر الإشكالية.
ثابت تفكك الماء KW هو عبارة عن حاصل ضرب تركيز أيونات الهيدوجين [H+] بتركز أيونات الهدوكسيد [OH–] ويساوي عند درجة حرارة الغرفة 1× 10-14. يتم حساب قيمة الرقم الهيدروجيني pH بعد استبدال تركيز [OH–] بتركيز [H+] وذلك لأن تفكك الماء ينتج عنه تركيز متساوي من [H+] و [OH–] عندها يصبح H+2 =1× 10-14 وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين نحصل على تركيز أيونات الهيدروجين H+] =1× 10-7 mol dm-3]، نعوض بقيمة [H+] في معادلة الرقم الهيدروجيني للحصول على قيمته كالتالي:
[1×10-7] pH = 7, pH = -log
المشكلة تكمن بالاعتقاد السائد بأنّ الرقم الهيدروجيني 7 هو شرط ضروري وكافي لتحقيق التعادل للمحلول وفي الحقيقة هو ليس كذلك.
2. الضرورة والكفاية
إثبات الشروط الضرورية والكافية تؤكد أن الرابط السببي بين أي مفهومين أو فكرتين من الممكن أن يقيد أو يخصص مثال على ذلك لنأخذ تدخين السجائر وربطه بسرطان الرئة. هل تدخين السجائر ضرورياً و/ أو كافياً للإصابة بسرطان الرئة؟ وجود العديد من حالات سرطان الرئة لأشخاص غير مدخنين وكذلك وجود أشخاص مدخنين لم يصابوا بسرطان الرئة يثبت أن التدخين ليس شرطاً ضروريا أو كافياً للإصابة بسرطان الرئة على الرغم من وجود رابط قوي بين الأشخاص المدخنين وسرطان الرئة.
مثال آخر من الكيمياء: كل ذرة تحوي على 79 بروتون هي ذرة ذهب والعكس كل ذرة ذهب يجب أن تحوي نواتها على 79 بروتون . إذاً وجود عدد محدد من البروتونات هو شرط ضروري وكافي لتحديد هوية العنصر.
3. الرقم الهيدروجيني 7 لا يعني دائماً التعادل
مع الأحماض والقواعد من السهل إثبات عدم كفاية هذا الشرط بالإجابة على سؤال ما إذا كان الرقم الهيدروجيني 7 يدل بشكل قاطع على تعادل المحلول؟ الإجابة بالطبع ستكون بالنفي لأن التعادل يتحقق باحتواء المحلول على عدد متساوي من تراكيز أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد [-H+ ]=[OH] وهذا من الممكن أن يحدث عند أي قيمة للرقم الهيدروجيني. أيضاً يمكن أن يوجد لديك محلول يحتوي فقط على أيونات H+ بتركيز 1× 10-7 وعندها سيكون قيمة الرقم الهيدروجيني له تساوي 7 ومن الواضح أنه لن يكون متعادلاً. ولذا يجب علينا أن نتخلى عن فكرة أن الرقم الهيدروجيني 7 هو شرط كافي للتعادل.
4. التعادل لايعني دائماً أن الرقم الهيدروجيني يساوي 7
وعلى العكس فإنّ تعادل المحلول لايعني دائماً أنّ قيمة الرقم الهيدروجيني تساوي 7. مثال: عند درجة حرارة 50 م فإنّ ثابت تفكك الماء سيكون KW= 5.74 ×10-14 وقيمة الرقم الهيدروجيني ستكون pH= 6.63. ستؤثر درجة الحرارة على اتزان تفاعل تفكك الماء إلى أيوناته [H+] و [OH-] وتفاعل التفكك هذا هو تفاعل ماص للحرارة لذلك فإنّ زيادة درجة حرارة الماء ستخدم التفاعل الأمامي وتزيد من تراكيز الأيونات [H+] و [OH-] وبذلك ترفع قيمة ثابت التفكك وتخفض قيمة الرقم الهيدروجيني. وعلى الرغم من تغير قيمة الرقم الهيدروجيني فإن المحلول يظل متعادلاً مهما كانت درجة الحرارة لأن التأين الذاتي للماء دائماً ينتج كميات متساوية من أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد [H+] و [OH–]. هذه الفكرة المتوارثة نتيجة التدريس البسيط للكيمياء بتحديد قيمة 7 للرقم الهيدروجيني كشرط التعادل يجب أن تهجر في التدريس الجامعي.
على الرغم من أن النقاط التي أوردتها هنا ليست مبتكرة إلا أني أعتقد أن استخدام شرط الضرورة والكفاية للتوضيح ربما يقدم مساهمة جديدة في تعليم قيمة الرقم الهيدروجيني والتعادل.
(فكرة أخرى مغلوطة عن قيمة الرقم الهيدروجيني هي الاعتقاد بأنّ الرقم الهيدروجيني لا يمكن أن يأخذ قيمة خارج المدى المتعارف عليه من 1-14, في الحقيقة أن هذه الحدود من الممكن تجاوزها فمثلاً في حالة محاليل الأحماض القوية بتراكيز 1 و 10 مولار يكون الرقم الهيدروجيني مساوي ل صفر و -1 على التوالي وأيضا في حالة تركيز 10-15 مولار تكون قيمة الرقم الهيدروجيني تساوي 15)
الكاتب هو إيريك شيري مؤلف ومحاضر كيميائي في جامعة كاليفورنيا, لوس أنجلوس