اسید و باز: اسید، باز، ثابت تفکیک و واحد اکی‌والان

در نوشته‌ی قبلی، در مورد یون هیدروژن و مفهوم pH صحبت کردیم. این بار، می‌خواهیم اسید و باز را تعریف کنیم.

تمام بحث اسید و باز، در مورد یون هیدروژن است. هر کسی که آن را هدیه بدهد، اسید است و هر کس که آن را دریافت بکند، باز.

۱. تعریف اسید

اسید (Acid)، ماده‌ای است که می‌تواند یون هیدروژن آزاد بکند. محتویات معده را در نظر بگیرید. اسید موجود در معده، HCl است. تقریبا تمام این HCl در آب به دو یون هیدروژن و یون کلرید تفکیک (Dissociate) می‌شود.

اسید هر چقدر قوی‌تر باشد، در محیط آبی، یون هیدروژن بیشتری را می‌تواند آزاد بکند و به عبارتی، بیشتر تفکیک می‌شود.

تفکیک شدن، یک جاده‌ی یک طرفه نیست. فرض کنید که ۱۰۰ عدد مولکول HCl در آب وجود دارد و ۹۰ تا از آن‌ها به یون هیدروژن و یون کلرید تجزیه شده‌اند. این دو یون – تحت شرایطی که بعدا می‌گویم – می‌توانند دوباره به هم متصل شده و HCl را تشکیل دهند. برعکس این ماجرا هم اتفاق می‌افتد. ممکن است چند مولکول HCl دیگر تفکیک بشود. در معادله‌ی زیر، به دوطرفه بودن فلش دقت کنید:

HCl ⇌ H+ + Cl

۲. بدن = ماشین تولیدکننده‌ی اسید

بدن را می‌توانیم یک ماشین تولید‌کننده‌ی اسید در نظر بگیریم (قبل از این که ادامه را بخوانید، کمی فکر بکنید که منابع تولید اسید بدن، کجا هستند):

۱. تمام سلول‌هایی که فعالیت دارند، اسید تولید می‌کنند. آن‌ها برای فعالیت خود به ATP نیاز دارند و این ماده راعموما از راه مصرف گلوکز به دست می‌آورند. گلوکز با اکسیژن ترکیب شده و حاصل نهایی این ترکیب، ATP، آب و CO2 است. دی‌اکسید کربن تولیدی، با آب ترکیب شده و کربنیک اسید (H2CO3 ) را می‌سازد. این اسید نیز در محیط آبی، تفکیک می‌شود و حاصلش یون هیدروژن و یون بی‌کربنات است:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3+ H+

۲. سلول‌ها، سولفوریک اسید (H2SO4) و فسفریک اسید (H3PO4) نیز تولید می‌کنند. فسفریک اسید در متابولیسم فسفولیپیدها و باقی مواد حاوی فسفر تولید شده و سولفوریک اسید، در اکسیداسیون اسید‌های آمینه‌ای که در خود گوگرد دارند (مانند متیونین و سیستئین).

۳. لاکتیک اسید (CH₃CHCO₂H)، یکی دیگر از اسید‌های تولیدی بدن است. تولید لاکتیک اسید در شرایطی که به بافت‌ها اکسیژن کافی نرسید، افزایش می‌یابد (گلیکولیز بی‌هوازی)؛ مثلا بیماری را در نظر بگیرید که خون‌ریزی کرده است و خون‌رسانی به اندام‌ها کم شده است.

هم‌چنین، در هنگامی که سلول میتوکندری ندارد یا میتوکندری‌اش از کار افتاده است یا ناقص است، اسید اصلی تولیدی سلول لاکتیک اسید است. مثالی برای نداشتن میتوکندری، گلبول قرمز است. گلبول‌های قرمز، با امانت‌داری کامل، اکسیژن را حمل می‌کنند. آن‌ها از این اکسیژن حتی برای تأمین انرژی خودشان استفاده نمی‌کنند و گلوکز را از روش بی‌هوازی می‌سوزانند.

۴. از دیگر اسید‌های تولید بدن، کتواسید‌ها (Keto-Acids) هستند. در برخی از اختلالات، اسید‌های این دسته هستند که برایمان دردساز می‌شوند. کتواسیدوزدیابتی (Diabetic Keto-Acidosis or DKA) و کتواسیدوز الکلی (Alcoholic Keto-Acidosis or AKA) دو مورد مهم از این دسته اختلالات هستند.

شرایط دیگری نیز وجود دارد که برای بحث ما، نیازی به آن‌ها نیست.

در مواردی که گفته شد، اسید در داخل بدن تولید می‌شود. علاوه بر این موارد، در داخل برخی از داروها نیز اسید وجود دارد یا از متابولیسم آن‌ها، اسید تولید می‌شود.

نام کامل آسپرین را به خاطر آورید: استیل‌سالیسیلیک اسید. آسپرین یک اسید است.

۳. طبقه‌بندی اسید‌ها

اسید‌های موجود در بدن، در سه دسته‌ی کلی قرار می‌گیرند:

۱. اسید فرار (Volatile Acid): اسید فرار، اسیدی است که می‌تواند به فرم گاز تبدیل شده و از طریق شش‌ها دفع بشود. روزانه حدود ۱۵۰۰۰ میلی‌مول CO2 تولید می‌شود و حاصل ترکیب این گاز با آب، کربنیک اسید است. چون CO2 قابلیت دفع از راه شش‌ها را دارد، به آن اسید فرار می‌گویند.

۲. در جریان متابولیسم روزانه، چند هزار میلی‌مول اسید‌های آلی مانند اسید لاکتیک و اسید سیتریک تولید می‌شود. این اسید‌ها به همین شکل اسیدی خود از بدن دفع نمی‌شوند. آن‌ها در مسیر متابولیسم به مواردی دیگر تبدیل می‌شوند.

۳. روزانه حدود ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌اکی‌والان اسید غیرفرار در بدن‌مان تولید می‌شود (۱mEq/kg/day). اسید‌های غیرفرار، نمی‌توانند به گاز تبدیل بشوند. در نتیجه راه دفع آن‌ها از بدن، از طریق کلیه‌ها است. سولفوریک اسید و فسفریک اسید، مثال‌هایی از اسید‌های غیرفرار هستند.

حفظ تعادل اسید-باز، نیاز به دفع طبیعی گاز CO2 از ریه‌ها، استفاده‌ی کافی از اسیدهای آلی در سایر واکنش‌های متابولیسم و دفع اسیدهای غیرفرار توسط کلیه‌ها دارد.

۴. تعریف باز

باز (Base)، یون یا مولکولی است که یون هیدروژن را پذیرا باشد. مثلا یون بی‌کربنات (Bicarbonate) را در نظر بگیرد. بیکربنات می‌تواند یک یون هیدروژن بپذیرد و کربنیک اسید تبدیل بشود:

HCO3+ H+ ⇌ H2CO3

بسیاری از پروتئین‌های بدن، می‌توانند به عنوان باز عمل بکنند. برخی از اسید‌های آمینه‌ی سازنده‌ی‌شان، بار منفی دارند و به راحتی یون هیدروژن می‌تواند به آن‌ها متصل بشود. یکی از مهم‌ترینِ این پروتئین‌ها، هموگلوبین موجود در گلبول‌های قرمز است. پروتئین‌ها، از بازهای مهم بدن هستند.

۵. تعریف قلیا

قلیا مولکولی است که از ترکیب یک فلز قلیایی (لیتیم، سدیم، پتاسیم و …)‌ با یک یون بازی قوی مانند یون هیدروکسیل (‎OH) به وجود می‌آید.

وقتی این مولکول‌ها در محیط آبی قرار می‌گیرند، قسمت بازی آن – یعنی یون هیدروکسیل – به سرعت با یک یون هیدروژن واکنش داده و باعث کم شدن یون هیدروژن در محیط می‌شود.

لیتیم
سدیم
پتاسیم

۶. تعریف اسیدوز و آلکالوز

اسیدوز (Acidosis)، فرایندی است که منجر به افزایش بیش از حد یون‌های هیدروژن به محیط می‌شود. در مقابل، آلکالوز (Alkalosis)، فرایندی است که نتیجه‌اش، کاهش بیش از حد یون‌های هیدروژن محیط می‌شود.

واضح است که در اگر بدن یا پزشک دخالتی در هنگام اسیدوز نکند، pH به سمت اسیدی‌تر شدن (کمتر از ۷/۳۵) می‌رود. در هنگام آلکالوز نیز، اگر مداخله‌ای از طرف بدن یا پزشک اتفاق نیفتد، pH به سمت بازی‌تر شدن (بیشتر از ۷/۴۵ می‌رود).

در هنگام فرایند‌های اسیدوز و آلکالوز، بدن به مقابله برمی‌خیزد و می‌خواهد جلوی این فرایند را بگیرد و جبران بکند (Compensation). منظور از مداخله‌ی بدن این است. بعد‌ها در موردش مفصل صحبت خواهیم کرد.

۷. تعریف Acidemia و Alkalemia

پسوند emia- به خون اشاره دارد. وقتی می‌گوییم هایپرکلسمی (Hyper/calc/emia)، یعنی کلسیم موجود در خون، زیاد شده است.

پس Acidemia یعنی خون (شریانی) اسیدی شده (pH < 7.35) است. منظور از Alkalemia نیز، بازی شدن خون (شریانی) است (pH > 7.45).

۸. ثابت تفکیک اسید (Acid Dissociation Constant)

واکنش زیر را در نظر بگیرید:

H2CO3 ⇌ HCO3+ H+

می‌دانیم وقتی یک اسید در محیط آبی قرار می‌گیرید، شروع به تفکیک می‌کند. در واکنش بالا، کربنیک اسید به یون بی‌کربنات و یون هیدروژن تفکیک می‌شود و بین این سه ماده، یک تعادل برقرار می‌گردد.

اگر بخواهیم بفهمیم که این اسید، به چه مقدار تفکیک می‌شود، می‌توانیم از ثابت تفکیک اسید یا Acid Dissociation Constant استفاده کرده که آن را با Ka نشان می‌دهیم. برای اسیدِ فرضیِ HA، می‌توانیم طبق معادله‌ی زیر Ka را حساب بکنیم.

ثابت تفکیک اسید

در ادامه‌ی مبحث اسید و باز، متوجه می‌شویم که معادله‌ی فوق چقدر اهمیت دارد و به ما در فهم اختلالات اسید و باز، کمک بزرگی می‌کند.

۹. در مورد واحد اکی‌والان

اکی‌والان (Equivalent) را زیاد شنیده‌ایم. می‌گوییم غلظت یون پتاسیم سرم ۴ میلی‌اکی‌والان در لیتر، غلظت یون سدیم سرم ۱۴۰ میلی‌اکی‌والان در لیتر و غلظت یون هیدروژن ۴۰ نانواکی‌والان در لیتر است.

اما معنی آن چیست؟

اجازه بده که توضیحش را این‌گونه آغاز کنم: اصلا چه شد که به جای مول، از اکی‌والان استفاده می‌کنیم؟

فرض کنیم که یک مول HCl داریم. یک مول HCl در صورت تفکیک کامل، می‌تواند یک مول یون هیدروژن تولید بکند:

HCl ⇌ H+ + Cl

یک اکی‌والان از یک ماده، یعنی مقداری از ماده که بتواند یک مول یون هیدروژن تولید بکند (یا اگر یک باز است، با یک مول یون هیدروژن واکنش بدهد). پس یک مول HCl برابر با یک اکی‌والان HCl است.

تا این‌جای کار که همانند قبل است و چیزی تغییر نکرده است.

اما حال، سولفوریک اسید را در نظر بگیر. H2SO4 طبق معادله‌ی زیر تفکیک می‌شود:

H2SO4 H+ + HSO4H+ + SO42-

می‌بینیم که یک مول سولفوریک اسید، بر خلاف یک مول HCl، می‌تواند دو مول یون هیدروژن تولید بکند. پس:

۱ mol H2SO4 = 2 Equivalents H2SO4

و حتما در مورد فسفریک اسید که فرمولش H3PO4 است، می‌توانی حدس بزنی که یک مول فسفریک اسید، برابر با ۳ اکی‌والان از آن است.

وقتی از یک اکی‌والان از یک ماده صحبت می‌کنیم، معنایش این است که:

۱) آن ماده می‌تواند در یک واکنش اسید-باز، یک مول یون هیدروژن تولید بکند یا یک مول یون هیدروژن را بپذیرد.

۲) آن ماده می‌تواند در یک واکنش اکسایش-کاهش (Redox)، با یک مول الکترون واکنش بدهد یا یک مول الکترون تأمین بکنید.

برای درک دومین تعریفش، به تفاوت کلسیم و سدیم توجه بکن. اگر هر دو بخواهند با کلر ترکیب بشوند:

۱ mol Ca + 2 mol Cl → ۱ mol CaCl2

۱ mol Na + 1 mol Cl → ۱ mol NaCl

می‌بینی که کلسیم به علت تعداد الکترون‌های لایه‌ی آخرش، می‌تواند با دو مول کلر واکنش بدهد؛ زیرا که می‌تواند دو مول الکترون تامین بکند. در شکل زیر، به تعداد الکترون‌های لایه‌ی آخر توجه بکن. کلسیم دو الکترون و سدیم یک الکترون در لایه‌ی آخر دارد:

آرایش الکترونی سدیم کلسیم

پس یک مول سدیم، برابر با یک اکی‌والان سدیم و یک مول کلسیم، برابر با دو اکی‌والان کلسیم است.

تبدیل مول به اکی‌والان، کار سختی نیست. اگر تعداد مول‌هایی را که از ماده داریم، در ظرفیت آن ضرب بکنیم، اکی‌والان به دست می‌آید.

مثلا اگر یک مول پتاسیم کلرید داشته باشیم (KCl) و آن را در آب حل کنیم، یک مول یون پتاسیم و یک مول یون کلرید خواهیم داشت. چون ظرفیت هردوی آن‌ها برابر با یک است، در نتیجه می‌توانیم بگوییم که یک اکی‌والان یون پتاسیم و یک اکی‌والان یون کلرید داریم.

حال اگر به محلول فوق، یک مول کلسیم کلرید نیز اضافه بکنیم (CaCl2). حاصل نهایی آن، یک اکی‌والان یون پتاسیم، دو اکی‌والان یون کلسیم و سه اکی‌والان یون کلر خواهد بود. حساب و کتابش با خودت.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

اسید ماده‌ای است که می‌تواند یون هیدروژن هدیه بدهد و باز ماده‌ای است که پذیرای یون هیدروژن است. بدن ما، یک ماشین تولیدکننده‌ی اسید بوده و روزانه مقدار قابل توجهی اسید تولید می‌کند.

این اسیدِ تولیدی بدن، از سه راه خنثی می‌شود:

۱) دفع CO2 از شش‌ها (اسید فرار)

۲) تبدیل شدن به ماده‌ای دیگر (اسید آلی یا ارگانیک)

۳) دفع از کلیه‌ها (اسید غیرِفرار)

اگر تعادل اسید-باز در بدنمان به هم بخورد، یک اختلال اسید و باز (Acid-Base Disorder) خواهیم داشت. در این اختلال، اگر اشکال اولیه، زیادی اضافه شدن یون هیدروژن به محیط باشد، اسیدوز داریم و اگر اشکال اولیه، از بین رفتن بیش از حد یون هیدروژن محیط باشد، فرایند آلکالوز را داریم.

دو واژه‌ی Acidemia و Alkalemia به pH خون شریانی توجه می‌کنند. اگر pH کمتر از ۷/۳۵ باشد، Acidemia‌ و اگر بیشتر از ۷/۴۵ باشد، Alkalemia داریم.

اسید یا باز، هنگامی که در آب قرار می‌گیرد، به ذرات سازنده‌اش، تفکیک می‌شود. این تفکیک شدن، بستگی به قدرت اسید دارد. هر چه اسیدی قوی‌تر باشد، تفکیک آن و متعاقبا تولید یون هیدروژن بیشتر است.

در مورد واکنش‌های اسیدی و بازی، ترجیح می‌دهیم که از واحد اکی‌والان استفاده بکنیم. یک اکی‌والان از یک ماده، یعنی مقداری از ماده که بتواند یک مول یون هیدروژن تولید کرده (در هنگام تفکیک کامل) و یا یک مول یون هیدروژن را پذیرا باشد.

3 نظر

  1. علی قربان‌پور

    یه چند تا پیشنهاد کوچولو: برخی جاها نام انگلیسی نیومده یا فرمول شیمیایی که به دید من کامل باشه بهتره. توی دسته بندی اسیدها مثلا. اینجا دسته دوم که من پیش خودم بهشون گفتم اسیدهای متابولیک اصلا نام گذاری نشدن. اگر کلا نامی ندارن بهتره ایم موضوع گفته بشه. روی هم رفته خیلی خوب بود و جا داره بهتر هم بشه. من دنبال نمونه هایی از alkalosis/acidosis و acidemia/alkalemia می گشتم که اینجا پاسخ خوبی پیدا کردم. شاید تو درسهای آینده داشته باشیمش و به درد دوستان بخوره.

  2. دید کلی که به مسائل و فیزیولوژی بدن دارین و نقش جزئی به فرایند تو کل را میدونین واقعا خوبه.چیزی که خودم هیچ وقت نداشتم

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *