Химические основы кислотно-основного состояния
Кислотно-основное состояние (КОС) является неотъемлемой частью водно-электролитного обмена (ВЭО), так как КОС — по сути состояние обмена единственного электролита — иона водорода (H+), представляющего собой ядро атома водорода, лишенное своего единственного электрона, то есть протон. Эта элементарная частица является предметом интереса многих специалистов, среди которых физики и химики. С точки зрения химии протон — весьма агрессивная частица, так как стремится вернуть себе потерянный электрон, отняв его у других атомов или молекул, то есть окислить их. В связи с такой агрессивностью протонов для организма очень важно постоянство их концентрации в водных секторах, тем более, что каждые 3 секунды в ходе различных метаболических реакций образуется смертельное количество протонов, которые должны быть вовремя нейтрализованы.
Источником свободных протонов являются вещества, способные их отдавать при электролитической диссоциации. Такие вещества называются кислотами.
Кислота — это вещество, способное освобождать ионы водорода (донатор протонов).
Основание — это вещество, способное связывать ионы водорода (акцептор протонов).
Щелочь — это вещество, способное освобождать гидроксильные ионы (донатор ионов OH–)
В общем виде это можно представить следующим образом:
| HR ↔ H+ + R– | ||||
| кислота основание | ||||
| acid base |
Все щелочи являются основаниями, так как ион OH– связывает протоны, но не все основания — щелочи:
| NaOH ↔ Na+ + OH– | H2CO3 ↔ H+ + HCO  | |||
| щелочь основание | кислота основание, не щелочь |
Чем же определяется концентрация протонов в организме, являющаяся необходимой для нормальной жизнедеятельности? Как известно, жизнь зародилась в воде, и именно ее свойства определяют этот показатель. Молекулы воды, как и многих других веществ, способны диссоциировать, хотя и в слабой степени: H2O ↔ H+ + OH–*[4]. Степень этой диссоциации такова, что в дистиллированной воде при нормальных условиях концентрация протонов составляет 10–7 ммоль/л. При такой концентрации протонов говорят о нейтральной реакции среды. Если концентрация ионов водорода превышает 10–7 ммоль/л, то говорят о сдвиге в кислую сторону (ацидоз), если не достигает этой величины, — говорят о сдвиге в оснóвную сторону (алкалоз). Увеличение концентрации протонов в растворе происходит, если там появляется кислота (донатор протонов), уменьшение — если в растворе появляется основание (акцептор протонов). Произведение концентраций протонов и гидроксильных ионов в воде всегда постоянно:
[H+] · [OH–] = const = 10–14
В химии концентрацию протонов принято выражать с помощью искусственно придуманного показателя pH, равному отрицательному десятичному логарифму*[5] концентрации протонов:
pH = –lg [H+]
Таким образом, при нейтральной реакции среды pH = –lg10–7 = –(–7) = 7. При pH < 7 раствор имеет кислую среду, а при pH > 7 — оснóвную. Теоретически величина pH может меняться от 0 (концентрация протонов равна 100 = 1 ммоль/л) до 14 (концентрация протонов равна 10–14 ммоль/л), но в живых организмах эти колебания имеют значительно меньший размах (от ≈ 1,5 в желудке до ≈ 7,8 в кишечнике):
Таблица 7
Концентрация водородных ионов в зависимости от pH.
| pH | H+, ммоль/л | |
| 6,90 | 1,26·10–7 | |
| 7,00 | 1,00·10–7 | |
| 7,10 | 0,80·10–7 | |
| 7,20 | 0,63·10–7 | |
| 7,35 | 0,44·10–7 | |
| 7,40 | Норма | 0,40·10–7 |
| 7,44 | 0,36·10–7 | |
| 7,60 | 0,25·10–7 | |
| 7,70 | 0,20·10–7 | |
| 7,80 | 0,16·10–7 |