16.2
المحاليل المنظِّمة
يُطلق على المحلول الذي يحتوي على كميات ملحوظة من زوج ضعيف ومتقارن من حمض-قاعدة باسم المحلول المنظِّم، أو المنظِّم. تقاوم المحاليل المنظّمة التغير في د…
إضافة كمية قليلة من حمض أو قاعدة إلى محلول،يمكن أن تسبب انخفاضًا كبيرًا أو ارتفاعًا كبيرًا في قيمة pH. غير أن العديد من العمليات الكيميائية والبيوكيميائية،تحتاج إلى قيمة pH ثابتة لتعمل. تستطيع المحاليل المنظّمة أن تمنع التغير في قيمة pH لمحلول ما عندما لا يتم تجاوز قدرتها التنظيمية.
تحتوي المحاليل المنظّمة على حمض ضعيف وقاعدته المرافقة أو قاعدة ضعيفة وحمضها المرافق. على سبيل المثال،يحافظ دم الإنسان على درجة pH تقارب 7.4،بمحلول منظّم يتكون من حمض الكربونيك،وهو حمض ضعيف،وأيونات بايكربونات،التي هي قاعدته المرافقة. الأحماض والقواعد المترافقة تشكل المحاليل المنظّم،لأنها لا تحيّد حمضها أو قاعدتها المرافقة.
على سبيل المثال،حمض الخليك والأسيتات لا يمكنهما التفاعل. إلّا أنه إذا أضيف حمض الخليك،وهو حمض ضعيف،إلى الأمونيا،وهي قاعدة ضعيفة،سيتفاعلان ليكونا ملحًا هو أسيتات الأمونيوم. في محلول منظّم،يعادل الحمض الضعيف أي قاعدة مضافة،بالتفاعل مع أيونات الهيدروكسيد الناتجة،بينما تعادل قاعدته المرافقة أي حمض مضاف،بالتفاعل مع أي أيونات هيدرونيوم.
تعمل آلية مشابهة،في حالة قاعدة ضعيفة وحمضها المرافق. قارورتان X و Y،تحتويان على كميتين متساويتين من محلولين مختلفين،قيمة pH لكل منهما 7.2. المحلول الذي في قارورة X غير منظّم.
وعلى العكس،يحتوي المحلول الذي في قارورة Y على محلول منظّم هو حمض الخليك والأسيتات. إذا أضيف حمض الهيدروكلوريك إلى القارورة X،تنخفض درجة pH للمحلول فجأة بسبب زيادة تركيز أيونات الهيدرونيوم. وعلى العكس،تبقى درجة pH ثابتة تقريبًا في المحلول في قارورة Y عند إضافة حمض الهيدروكلوريك،لأن أحد مكونات المحلول المنظّم،وهو الأسيتات،يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك لإنتاج أيون كلوريد وحمض الخليك.
على نحو مشابه،إذا أضيف هيدروكسيد الصوديوم إلى القارورة X،سترتفع درجة pH للمحلول فجأة بسبب زيادة تركيز أيونات الهيدروكسيد. وفي المقابل،يظهر على المحلول في القارورة Y تغيير طفيف جدًا في درجة pH عند إضافة هيدروكسيد الصوديوم له،لأن أحد مكونات المحلول المنظّم وهو حمض الخليك،يتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم وينتج أسيتات الصوديوم وجزيء ماء. يستطيع المحلول المنظّم أن يمنع تغييرًا حادّا في درجة pH للمحلول،طالما كان تركيز زوج الحمض وقاعدته المرافقة،في المحلول أعلى من تركيز الحمض القوي المضاف أو القاعدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a buffer solution and why is it important?
A buffer solution contains a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid. Buffers resist pH changes when small amounts of strong acid or base are added, which is critical for chemical and biochemical processes. For example, human blood maintains pH near 7.4 using a carbonic acid-bicarbonate buffer system.
Q2: How does a buffer prevent drastic pH changes?
When acid is added, the conjugate base component neutralizes hydronium ions. When base is added, the weak acid component neutralizes hydroxide ions. This conversion of strong acids and bases into weak conjugate pairs causes minimal pH change. The buffer works as long as the conjugate acid-base pair concentration exceeds the added strong acid or base.
Q3: Why don't conjugate acid-base pairs neutralize each other?
Conjugate acid-base pairs, such as acetic acid and acetate, do not react with each other because they are in equilibrium. However, when a weak acid like acetic acid is mixed with a weak base like ammonia, they will react to form a salt. This distinction is fundamental to buffer formation and stability.
Q4: What happens when you add strong acid to a buffered versus unbuffered solution?
In an unbuffered solution, adding strong acid causes a sharp pH drop due to increased hydronium ion concentration. In a buffered solution, the acetate component reacts with the added acid, producing acetic acid and chloride ions, resulting in minimal pH change. This demonstrates the protective effect of buffers.
Q5: What are common examples of buffer solutions?
Common buffers include acetic acid with sodium acetate, and ammonia with ammonium chloride. The acetic acid-acetate buffer consists of a weak acid and its salt, while the ammonia-ammonium chloride buffer consists of a weak base and its salt. Both effectively resist pH changes in their respective pH ranges.
Q6: What limits a buffer's ability to resist pH change?
A buffer can prevent drastic pH changes only when the concentration of the conjugate acid-base pair is higher than the concentration of added strong acid or base. Once this buffering capacity is exceeded, the buffer loses its protective effect and pH changes become significant.
Q7: How does adding strong base to a buffer solution work?
When strong base like sodium hydroxide is added to a buffer, the weak acid component reacts with it, producing sodium acetate and water. This reaction shifts the acid ionization equilibrium to the right, restoring hydronium ion concentration and maintaining relatively stable pH despite the base addition.