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:

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.