المحاضرة الرابعة عشر / بفر 3 محاليل مهم جدا وزاري

محاليل البَفِر ثلاثية المكونات (Three-Component Buffer Systems)

أولًا: ما هو محلول البَفِر؟

محلول البَفِر (Buffer Solution) هو محلول يقاوم التغير في قيمة pH عند إضافة كميات صغيرة من حمض قوي أو قاعدة قوية. هذا النوع من المحاليل يُستخدم على نطاق واسع في الكيمياء، والبيولوجيا، والصناعة، والمختبرات.

آلية العمل:

يحتوي محلول البَفِر عادةً على:

• حمض ضعيف وقاعدته المرافقة (ملح الحمض).
• أو قاعدة ضعيفة وحمضها المرافق (ملح القاعدة).

عند إضافة حمض قوي إلى البَفِر، تقوم القاعدة الموجودة بامتصاص أيونات الهيدروجين (H⁺)، مما يمنع التغير في pH.
وعند إضافة قاعدة قوية، يمتص الحمض الضعيف أيونات الهيدروكسيد (OH⁻)، فيتحول إلى قاعدته المرافقة، ويُحافظ على ثبات pH.

ثانيًا: أنواع محاليل البَفِر

1. بَفِر ثنائي (Two-Component Buffer)

وهو الأكثر شيوعًا، يتكون من:

• حمض ضعيف + ملح الحمض (قاعدته المرافقة).
• أو قاعدة ضعيفة + ملح القاعدة (حمضها المرافق).

2. بَفِر ثلاثي (Three-Component Buffer)

يتكون من ثلاثة مكونات، ويتميز بقدرته الأعلى على تنظيم قيمة pH في مدى أوسع.

ثالثًا: ما هو بَفِر ثلاثي المحاليل؟

البَفِر الثلاثي هو نظام يحتوي على ثلاث مواد قابلة للتفاعل وتوجد بينها علاقات حمض-قاعدة، وتعمل معًا لضبط قيمة pH بكفاءة عالية.

في هذا النوع من البَفِر، غالبًا ما نجد:

• حمض متعدد البروتونات (مثل H₃PO₄ أو H₂CO₃).
• وقاعدتين مرافقتين له (تمثل درجات التفكك المختلفة).

كل مادة في هذا النظام تساهم في امتصاص أو تحرير +H أو -OH، مما يوفّر تنظيمًا أكثر دقة وفعالية.

رابعًا: مثال على بَفِر ثلاثي — نظام الفوسفات

يُعد نظام الفوسفات من أشهر أنظمة البَفِر ثلاثية المحاليل.
ويتكوّن من:

1. H₃PO₄ (حمض الفوسفوريك — حمض ثلاثي البروتون).
2. H₂PO₄⁻ (الأنيون الناتج من فقد بروتون واحد).
3. HPO₄²⁻ (الأنيون الناتج من فقد بروتونين).

تحدث التفاعلات التالية في الماء:

$$\text{H₃PO₄} \rightleftharpoons \text{H⁺} + \text{H₂PO₄⁻} \quad (Ka₁)$$ $$\text{H₂PO₄⁻} \rightleftharpoons \text{H⁺} + \text{HPO₄²⁻} \quad (Ka₂)$$ $$\text{HPO₄²⁻} \rightleftharpoons \text{H⁺} + \text{PO₄³⁻} \quad (Ka₃)$$

لكن عادةً ما يقتصر البَفِر الفعّال على الزوج الثاني:

$$\text{H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻}$$

وهما يكونان معًا محلول بَفِر ثلاثي عند وجود كمية قليلة من H₃PO₄ أو PO₄³⁻.

خامسًا: كيف يعمل البَفِر الثلاثي؟

في هذا النظام:

• H₂PO₄⁻ يعمل كحمض: يعطي بروتونًا عند الحاجة.
• HPO₄²⁻ يعمل كقاعدة: يستقبل بروتونًا عند الحاجة.
• H₃PO₄ (أو PO₄³⁻ في الطرف الآخر) يساهم في تعويض أي فقد في أحد المكوّنين، مما يجعل النظام أكثر استقرارًا.

عند إضافة H⁺:

$$\text{HPO₄²⁻} + \text{H⁺} \rightarrow \text{H₂PO₄⁻}$$

عند إضافة OH⁻:

$$\text{H₂PO₄⁻} + \text{OH⁻} \rightarrow \text{HPO₄²⁻} + \text{H₂O}$$

وفي حال زادت الكمية بشكل كبير، يمكن لـ H₃PO₄ أو PO₄³⁻ أن يتدخل لضبط التوازن.

سادسًا: فوائد ومميزات البَفِر الثلاثي

1. نطاق أوسع للتحكم في pH:
   • يمكن تغطية أكثر من مدى واحد من قيم pH بفضل وجود أكثر من توازن حمضي-قاعدي.
2. فعالية تنظيمية أعلى:
   • البَفِر الثلاثي يحتوي على أكثر من زوج من الحمض/القاعدة، مما يوفّر مرونة أكبر أمام التغيرات المفاجئة.
3. الاستقرار في الأنظمة البيولوجية:
   • كثير من أنظمة الجسم (مثل الدم) تستفيد من بَفِر الفوسفات أو الكربونات متعدد المكونات.

سابعًا: أمثلة أخرى على بَفِر ثلاثي

1. نظام الكربونات:

• H₂CO₃ / HCO₃⁻ / CO₃²⁻
• يُستخدم في تنظيم pH الدم والرئتين.

2. بَفِر السترات:

• حمض الستريك يحتوي على ثلاث مجموعات -COOH، ويمكن أن يُشكّل نظامًا ثلاثي المكونات مع القواعد المرافقة له.

ثامنًا: مقارنة بين البَفِر الثلاثي والثنائي

تاسعًا: استخدامات عملية للبَفِر الثلاثي

1. في الكائنات الحية:
   • تنظم الفوسفات pH داخل الخلايا.
   • تنظم الكربونات pH في الدم.
2. في الصناعات الدوائية:
   • تُستخدم لضبط pH المحاليل الدوائية المخصصة للحقن أو التناول.
3. في المختبرات الكيميائية:
   • للحفاظ على الظروف المثالية لتفاعلات معينة تتطلب pH ثابت.

عاشرًا: معادلة لحساب pH في البَفِر الثلاثي

في حال كانت النسبة بين مكونين معروفين، نستخدم:

$$\text{pH} = \text{pKa} + \log\left( \frac{[\text{قاعدة}]}{[\text{حمض}]} \right)$$

وتُطبّق على الزوج الأنسب حسب قيمة pKa الأقرب لقيمة pH المطلوبة.

خاتمة

يُعد محلول البَفِر الثلاثي من الأدوات القوية في الكيمياء والبيولوجيا، حيث يمنح ثباتًا واستقرارًا أعلى مقارنة بالبَفِر الثنائي. يُستخدم في البيئات المعقدة مثل الجسم البشري، وفي الصناعات التي تتطلب ضبطًا دقيقًا للـ pH. ورغم تعقيده النسبي، إلا أن فهمه ضروري لكل من يعمل في المجال العلمي أو الطبي أو الصناعي.