Buffers, Buffering Agents, and Ionic Equilibria

Buffers, Buffering Agents, and Ionic Equilibria
الوقاءات, والعوامل الوقائية, والتوازن الشاردي
INTRODUCTION
It is well known that many drugs are unstable when exposed to certain acidic or basic conditions, and such information is routinely gathered during the preformulation stage of development. When such instabilities are identified, one tool of the formulation sciences is to include a buffering agent (or agents) in the dosage form with the hope that such excipients will impart sufficient stability to enable the formulation. The properties that enable buffering agents to function as such is derived from their qualities as weak acids or bases, and have their roots in their respective ionic equilibria.
مقدمة
من المعلوم أن العديد من الأدوية تكون غير ثابتة عندما تُعرَّض لظروف حمضية أو أساسية معينة, و تًجمع هذه المعلومات بشكل روتيني خلال مرحلة ما قبل الإعداد للتطوير. وعندما يتم تعيين هذه التقلبات فإنه يتوجب إضافة عامل (أو عوامل) وقائي إلى الشكل الجرعي كواحد من مستلزمات التحضير على أمل أن تمنح هذه السواغات الثباتية الكافية لتمكِّن من التحضير. تستمَد الخصائص التي تمكِّن العوامل الوقائية من أداء وظيفتها اللازمة من نوعيتها كحموض أو أسس ضعيفة, وتعود أصولها إلى توازنها الشاردي الخاص بها.
AUTOIONIZATION OF WATER
Even the purest grade of water contains low concentrations of ions that can be detected by means of appropriate conductivity measurements. These ions arise from the transfer of a proton from a water molecule to another:

التأين الذاتي للماء
إن أنقى درجة من الماء تحوي تراكيز منخفضة من الشوارد والتي يمكن أن يتم تحريها بواسطة مقاييس موصلية الملائمة. تنشأ هذه الشوارد من انتقال البروتون من جزيئة ماء لأخرى:

In Eq. (1), H3O‏ is known as the hydronium ion, and OH_ is known as the hydroxide ion. This reaction is reversible, and the reactants are known to proceed only slightly on to the products. Approximating the activity of the various species by their concentrations, one can write the equilibrium constant for this reaction as

في المعادلة (1) تُعرف H3O بشاردة الهيدرونيوم, كما تُعرف OH- بشاردة الهيدروكسيد. إن هذا التفاعل عكوس, والمتفاعلات تتقدم بشكل خفيف إلى النواتج. بمقاربة فعالية الأنواع المختلفة بواسطة تراكيزهم فإنه يمكن كتابة ثابت التوازن لهذا التفاعل بالشكل التالي:

In aqueous solutions, the concentration of water is effectively a constant (55.55 M), and so Eq. (2) simplifies to:


يكون تركيز الماء ثابتاً دوماً (55.55 M) في المحلول الشاردي, لذا يمكن تبسيط المعادلة (2) إلى:



KW is known as the autoionization constant of water, and is sometimes identified as the ion product of water. The magnitude of KW is very small, being equal to 1.007 x 10-14 at a temperature of 25oC. For the sake of convenience, Sørensen proposed the ‘‘p’’ scale, where numbers such as KW would be expressed as the negative of their base10 logarithms. The value of pKW would then be calculated as

يدعى KW بثابت التأين الذاتي للماء, ويعرف في بعض الأحيان بناتج شوارد الماء. إن قيمة KW صغيرة جداً وتساوي
1.007 x 10-14 عند درجة حرارة 25oC. وبقصد الملاءمة, اقترح سورينسن سلم "P" حيث يعبَّر عن الأعداد مثل KW بلوغاريتماتهم العشرية سالبة الأساس. ومن ثم يمكن حساب قيمة PKW كما يلي:

and would have a value equal to 13.997 at 25oC. Defining pH as

and

then Eq. (3) can then be expressed as

The autoionization of water is an endothermic reaction, so KW increases as the temperature is increased.This temperature dependence is plotted in Fig. 1.

كما تملك قيمة تساوي 13.997 عند 25oC. يتم تعيين PH كما يلي

و

عندها يمكن التعبير عن المعادلة (3) كما يلي:

إن التأين الذاتي للماء هو تفاعل ماص للحرارة, لذا ترتفع KW عند ارتفاع درجة الحرارة. هذه التبعية لدرجة الحرارة موضحة في الصورة (1).
IONIC EQUILIBRIA OF ACIDIC AND BASIC SUBSTANCES
Of the numerous definitions of acids and bases that have been employed over the years, the 1923 definitions of J. N. Brønsted and T. M. Lowry have proven to be the most useful for discussions of ionic equilibria in aqueous systems. According to the Brønsted–Lowry model, an acid is a substance capable of donating a proton to another substance, such as water:


التوازن الشاردي للمواد الحمضية والأساسية
من بين التعريفات المتعددة للحموض والأسس التي استُخدِمَت على مر السنين فقد أثبتت تعريفات برونشتد ولوري جدارتها المثلى لمناقشة التوازن الشاردي في نظام مائي. وفقاً لنموذج برونشتد-لوري, فإن الحمض هو المادة القادرة على منح بروتون للمادة الأخرى, مثل الماء:



The acidic substance (HA) that originally donated the proton becomes the conjugate base (A-) of that substance, because the conjugate base could conceivably accept a proton from an even stronger acid than the original substance. One can write the equilibrium constant expression corresponding to Eq. (8) as


تتحول المادة الحمضية (HA) التي منحت البروتون إلى الأساس المرافق (A-) لتلك المادة, لأنه من الممكن أن يقبل الأساس المرافق بروتوناً حتى من حمض أقوى من المادة الأصلية. يمكن كتابة عبارة ثابت التوازن المقابل للمعادلة (8) كما يلي:





But because [H2O] is a constant, one can collect the constants on the left-hand side of the equation to derive the acid ionization constant expression:

ولكن بما أن [H2O] ثابت فإنه يمكن جمع الثوابت على الجانب الأيسر من التفاعل كي نشتق عبارة ثابت التشرد الحمضي:



And, of course, one can define pKA as

وبالطبع نستطيع تحديد PKA كالتالي:

A strong acid is a substance that reacts completely with water, so that the acid ionization constant defined in Eq. (10) or (11) is effectively infinite. This situation can only be achieved if the conjugate base of the strong acid is very weak. A weak acid will be characterized by an acid ionization constant that is considerably less than unity, so that the position of equilibrium in the reaction represented in Eq. (8) favors the existence of unreacted free acid.

الحمض القوي هو المادة التي تتفاعل بشكل تام مع الماء, لذلك يكون ثابت التشرد الحمضي المحدد في المعادلة (10) أو (11) عملياً لانهائي. يمكن الحصول على هذه الحالة فقط إذا كان الأساس المرافق للحمض القوي ضعيفاً جداً. يُميَّز الحمض الضعيف بواسطة ثابت التشرد الحمضي الذي يكون أقل من الواحدة بكثير, لذلك يفضَّل أن ينزاح توازن التفاعل الممثل بالمعادلة (8) نحو وجود الحمض الحر غير المتفاعل.
A discussion of the ionic equilibria associated with basic substances parallels that just made for acidic substances. A base is a substance capable of accepting a proton donated by another substance, such as water:

ارتبطت مناقشة التوازنات الشاردية بأشباه المواد الأساسية التي صنعت خصيصاً للمواد الحمضية. الأساس هو مادة قادرة على استقبال بروتون ممنوح من مادة أخرى, مثل الماء:

The basic substance (B) that originally accepted the proton becomes the conjugate acid (BH‏) of that substance, because the conjugate acid could conceivably donate a proton to an even stronger base than the original substance. The equilibrium constant expression corresponding to Eq. (12) is:

تتحول المادة (B) التي تستقبل البروتون إلى حمض مرافق (BH) للمادة, لأنه من الممكن للحمض المرافق أن يمنح بروتون حتى لأساس أقوى من المادة الأصلية. تماثل عبارة ثابت التوازن المعادلة (12):


Because [H2O] is a constant, the constants are collected on the left-hand side of the equation to derive the base ionization constant expression:



بما أن [H2O] ثابت, فإنه يتم جمع الثوابت على الجانب الأيسر من المعادلة كي تُشتَق عبارة ثابت التشرد الأساسي:



يحدَّد PKB كما يلي:

A strong base is a substance that reacts completely with water, so that the base ionization constant defined in Eq. (14) or (15) is effectively infinite. This situation can only be realized if the conjugate acid of the strong base is very weak. A weak base will be characterized by a base ionization constant that is considerably less than unity, so that the position of equilibrium in the reaction represented in Eq. (12) favors the existence of unreacted free base.

الأساس القوي هو مادة تتفاعل بشكل تام مع الماء, لذلك يكون ثابت التشرد الأساسي المحدد في المعادلة (14) أو (15) عملياً لا نهائي. . يمكن الحصول على هذه الحالة فقط إذا كان الحمض المرافق للأساس القوي ضعيفاً جداً. يُميَّز الحمض الضعيف بواسطة ثابت التشرد الحمضي الذي يكون أقل من الواحدة بكثير, لذلك يفضَّل أن ينزاح توازن التفاعل الممثل بالمعادلة (12) نحو وجود الأساس الحر غير المتفاعل.

IONIC EQUILIBRIA OF CONJUGATE ACIDS AND BASES
Once formed, the conjugate base of an acidic substance (i.e., the anion of that acid) is also capable of reacting with water:


التوازنات الشاردية للحموض والأسس المرافقة

يمكن للأساس المرافق لمادة حمضية (أي أنيون ذلك الحمض) عند تشكله أن يتفاعل مع الماء:

Because aqueous solutions of anions are commonly prepared by the dissolution of a salt containing that anion, reactions of the type described by Eq. (16) are often termed hydrolysis reactions. Eq. (16) is necessarily characterized by its base ionization constant expression:

بما أنه يتم غالباً تحضير المحاليل الشاردية للأنيونات من حل ملح يحوي ذلك الأنيون, لذا تسمى عادةً التفاعلات من النمط الموصوف في المعادلة (16) تفاعلات حلمهة. توصف المعادلة (16) للضرورة بعبارة ثابت تشردها الأساسي:

and a corresponding pKB defined in the usual manner,but because

it follows that

ويحدَّد PKB الموافق في الحالة العادية, ولكن بسبب

فإنه يتبع التالي

Eq. (19) contains the right-hand side expression of Eq. (10), so one deduces that


تحوي المعادلة (19) عبارة الجانب الأيمن من المعادلة (10), ومنه نستنتج التالي

أو

The same relation between ionization constants of a conjugate acid–base pair can be developed if one were to begin with the conjugate acid of a basic substance, so Eq. 21 is recognized as a general property of conjugate acid–base pairs.
يمكن تطوير نفس العلاقة بين ثوابت التشرد لزوج حمض-أساس مرافق إذا ابتُدئ بالحمض المرافق لمادة أساسية, لذا اعتُمِدَت المعادلة (21) كخاصة عامة لأزواج حمض-أساس مرافق.