Кислоты, основания и ионы водорода (биохимия)

Кислоты, основания и ионы водорода

Определение кислот и оснований по Брёнстеду—Лоури [Bronsted, Lowry]

Основание — это вещество, способное присоединять протон (ион водорода, Н⁺) с образованием кислоты. Примером сопряженного основания является лактат: он присоединяет протон с образованием молочной кислоты.

Кислота — это вещество, которое диссоциирует в воде, высвобождая протоны (ионы водорода, Н⁺). Пример кислоты — молочная кислота.

Сильная кислота (например, соляная кислота) - это кислота, которая полностью диссоциирует в воде, высвобождая протоны.

Слабая кислота (например, мочевая кислота) - это кислота, которая диссоциирует в воде не полностью. В приведенном примере мочевая кислота диссоциирует на урат и протон.

Некоторые числа и их логарифмы

Число	Запись в виде 10 в степени «n»	Логарифм по основанию 10
1000	103	3,0
100	102	2,0
10	101	1,0
1	100	0
0,1	10-1	-1,0
0,01	10-2	-2,0
0,0000001	10-7	-7,0

Число	Логарифм по основанию 10
1	0
2	0,301
3	0,477
4	0,602
5	0,699
6	0,778
7	0,845
8	0,903
9	0,954
10	1,0
20	1,301
30	1,477
200	2,301
2000	3,301

Расшифровка единиц для обозначения концентрации веществ в растворе

Единица	Принятое обозначение
1 моль на литр 0,001 моль на литр 0,000001 моль на литр 0,000 000 001 моль на литр	1 моль/литр — 1 моль/л 1 миллимоль/литр — 1 ммоль/л 1 микромоль/литр — 1 мкмоль/л 1 наномоль/литр — 1 нмоль/л

pH и эквивалентные значения концентрации протонов

Значение pH	Эквивалентные значения концентрации протонов в других единицах
pH 1	0,1 моль ионов водород на литр, или 10-1 моль ионов водорода на литр, или 10-1 г иона водорода на литр
pH 14	0,00000000000001 моль/л, или 10-14 моль ионов водорода на литр, или 10-14 г ионов водорода на литр

Определение pH

pH — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.

pH=log₁₀[H⁺]

Так, при рН=7,0 концентрация ионов водорода составляет 0,0000001 ммоль/л, или 10^-7 ммоль/л.

Десятичный логарифм 0,0000001 равен — 7,0.

Таким образом, отрицательный десятичный логарифм равен —(—7,0), т.е. +7,0. Отсюда рН=7,0.

Вспомним свойства логарифмов

10 000 х 100 000 = 1 000 000 000 = 10⁹ или 10⁴х10⁵ = 10⁹ (при умножении чисел их показатели степени складываются)

Log х/у = log x - log y

Log 1/х = - log х

Примеры значений pH, встречающихся в клинической практике

Величина pH артериальной крови при ацидозе		Примеры
pH 6,8	160 нмоль/л
pH 6,9	130 нмоль/л
pH 7,0	100 нмоль/л
pH 7,1	80 нмоль/л
pH 7,2	63 нмоль/л
pH 7,3	50 нмоль/л
Нормальные значения pH артериальной крови		Примеры
pH 7,35	45 нмоль/л
pH 7,36	44 нмоль/л
pH 7,38	42 нмоль/л
pH 7,40	40 нмоль/л
pH 7,42	38 нмоль/л
pH 7,44	36 нмоль/л
pH 7,45	35 нмоль/л
Величина pH артериальной крови при алкалозе		Примеры
pH 7,5	32 нмоль/л
pH 7,6	26 нмоль/л
pH 7,7	20 нмоль/л
pH 7,8	16 нмоль/л
pH 7,9	13 нмоль/л
pH 8,0	10 нмоль/л

Что означает pH?

pH — это водородный показатель раствора (Power of Hydrogen). Величина pH, по определению, равна отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода. У читателей может возникнуть вопрос, зачем вообще понадобилось вводить новое понятие, не проще ли выражать концентрацию ионов водорода в обычных единицах. Дело в том, что понятие pH было введено химиками. Оказалось, что при проведении химических опытов значительно удобнее выражать концентрацию ионов водорода через водородный показатель. В клинической практике мы измеряем pH артериальной крови, который варьирует незначительно — от 6,9 до 7,9, но химики имеют дело со всем спектром возможных значений pH, от 1 до 14. Если бы мы выражали концентрацию ионов водорода в обычных единицах (моль/л), вычисления оказались бы слишком громоздкими. Таким образом, использование pH значительно облегчает и сокращает расчеты. В таблице показаны нормальные значения pH крови и крайние значения, которые наблюдаются при патологических состояниях, сопровождающихся развитием ацидоза или алкалоза.

Шкала pH — не линейная!

Выражение «pH крови пациента изменился на 0,3 единицы» означает, что концентрация ионов водорода повысилась (или понизилась) вдвое.

Когда мы слышим, что «pH артериальной крови пациента повысился/понизился на 0,2», мы можем недооценить истинное изменение концентрации ионов водорода. Всегда нужно помнить: значение pH — это логарифм. Так, если pH артериальной крови снизился с 7,20 до 7,00, это означает, что концентрация ионов водорода изменилась на 37 нмоль/л, а падение значения pH с 7,00 до 6,80 соответствует повышению [Н⁺] на 60 нмоль/л.

Десятичный логарифм числа 2 равен 0,3 (2=10^0,3). Поэтому если pH падает на 0,3 единицы, например, с 7,40 до 7,10, это значит, что концентрация ионов Н⁺ повысилась вдвое (с 40 до 80 нмоль/л). Соответственно повышение pH с 7,40 до 7,70 отражает понижение концентрации ионов Н⁺ с 40 до 20 нмоль/л.

Что такое pH

Почему же многие учащиеся не могут разобраться в теории кислот и оснований?

Это происходит из-за злоупотребления сложившимся «псевдонаучным жаргоном». Часто теорию кислот и оснований считают трудной темой. В этой теории рассматривается понятие кислоты как вещества, способного диссоциировать на анион кислотного остатка (сопряженное основание) и на ион водорода (протон). Еще в 1962 г. Криз (Creese) с соавторами в своей статье в журнале «Ланцет» (Lancet) писали, что «в медицинской литературе, посвященной этой теме, авторы злоупотребляют псевдонаучным жаргоном, что только сбивает читателей с толку».

Трудности возникают из-за традиционной номенклатуры, которую проиллюстрируем таким диалогом: