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

در درس 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 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 بعداً 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 را عموماً 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 آن در شرایطی که به بافت‌ها اکسیژن کافی نرسد، افزایش می‌یابد (گلیکولیز بی‌هوازی)؛ مثلاً بیماری را در نظر بگیرید که خون‌ریزی کرده 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 Lactic Acid 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 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 تولید می‌شود.

برای مثال، 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): 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 لاکتیک یا سیتریک اسید 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 (1mEq/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.

برای حفظ تعادل اسید-باز، نیاز است که دفع گاز CO₂ از ریه‌ها، استفاده‌ی از اسیدهای آلی در سایر واکنش‌های متابولیسم و دفع اسیدهای غیرفرار توسط کلیه‌ها انجام گیرد.

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 به H₂CO₃ 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.

Alkali Metals In Jars is a photograph by Andrew Lambert

۶. تعریف اسیدوز و آلکالوز

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

واضح است که اگر دخالتی در هنگام اسیدوز پیش نیاید، 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).

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).

برای این که کمی گیج‌تر بشویم، بگذارید این‌گونه بگویم که فرد ممکن است اسیدوز یا آلکالوز داشته باشد، اما لزوماً اسیدمی یا آلکالمی نداشته باشد.

اختلالات اسید-باز، فقط به شکل ایزوله اتفاق نمی‌افتند (Simple Acid-Base Disorder). مثلاً اینطور نیست که فرد تنها مشکلش تولید اسید بیش از حد باشد. معمولاً میکس هستند و دو یا سه اختلال، هم‌زمان با هم پیش می‌آیند (Mixed Acid-Base Disorder).

ترکیب آن‌ها است که pH نهایی خون را مشخص می‌کند. به همین خاطر است که عدد pH به صورت مطلق نمی‌تواند به ما بگوید فرد از چه اختلالی رنج می‌برد. آن را باید در کنار فاکتورهای دیگر تفسیر کنیم.

۸. ثابت تفکیک اسید (Acid Dissociation Constant)

واکنش زیر را در نظر بگیرید:

H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺

می‌دانیم وقتی یک اسید در محیط آبی قرار می‌گیرد، شروع به تفکیک می‌کند. در واکنش بالا، H₂CO₃ 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 یا Acid Dissociation Constant استفاده کرده که آن را با K_a نشان می‌دهیم. برای اسیدِ فرضیِ HA، می‌توانیم طبق معادله‌ی زیر K_a را حساب بکنیم.

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 با این سوال 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⁺ + HSO₄^– ⇌ H⁺ + SO₄^2-

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

1 mol H₂SO₄ = 2 Equivalents H₂SO₄

و حتماً 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 بکند.

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

1 mol Ca + 2 mol Cl → 1 mol CaCl₂

1 mol Na + 1 mol Cl → 1 mol NaCl

می‌بینی که یک مول 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 در لایه‌ی آخر دارد:

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 (الکترون‌های تعداد لایه‌ی آخر) 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 هر دوی 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 یون هیدروژن 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-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 متعاقباً 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 در هنگام تفکیک کامل بتواند یک مول یون هیدروژن تولید کرده و یا یک مول یون هیدروژن را پذیرا باشد.