Кислотно-основное равновесие

Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть протолитического гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.

Соотношение определённой концентрации ионов Н⁺ и ОН^- в органах, тканях, жидкостях организма называется кислотно-основным равновесием (КОР). Кислотно – основное равновесие имеет первостепенное значение, так как:

· Ионы Н⁺ являются катализаторами многих биохимических превращений;

· Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определённых значениях рН;

· Наибольшие изменения концентрации ионов Н⁺ крови и межтканевой жидкости влияют на величину их осмотического давления.

Отклонение рН крови (7,4) на 0,3 ед. может привести к коматозному состоянию, отклонение на 0,4 ед. может повлечь смертельный исход. рН слюны равное 5 ед. приводит к развитию кариеса.

Основные показатели КОР.

· В норме рН крови равно 7,4. смещение рН в сторону увеличения называется алкалозом, а в сторону уменьшения – ацидозом. Различают респираторный и метаболический ацидоз и алкалоз.

· Парциальное давление СО₂ в норме составляет 40 мм рт.ст. Снижение этого показателя наблюдается при дыхательном алкалозе и метаболическом ацидозе. Повышение давления СО₂ отмечается при дыхательном ацидозе и метаболическом алкалозе.

· Щелочной резерв крови. Это количество мл СО₂, находящегося в крови, в расчете на 100 мл сыворотки крови. Норма – 55 %. Уменьшение резервной щелочности свидетельствует об уменьшении содержания бикарбонатов в организме, а увеличение её – об увеличении их.

Возможные причины и типы нарушения КОР организма.

Нарушение кислотно-основного состояния возникает в результате нарушения транспорта СО₂ в организме или при изменении его концентрации во вдыхаемом воздухе.

В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.

Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсированному или частично компенсированому падению рН крови.

Метаболический ацидоз наступает вследствие:

а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете,

б) повышеное образование молочной кислоты при шоке,

в) задержка фосфатов, сульфатов, анионов органических кислот в результате снижения величины клубочковой фильтрации в почках,

г) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечника.

Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом и усилением лёгочной вентиляции.

Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсируемому или частично компенсируемому увеличению рН крови.

Метаболический алкалоз наступает вследствие:

а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость, неукротимая рвота и др.);

б) увеличение концентрации гидрокарбоната (потеря воды, избыточное введение гидрокарбонат-ионов при метаболическом ацидозе, введение солей органических кислот – молочной, уксусной, лимонной, метаболизирующих с поглощением ионов водорода и др.),

в) избыток выведения ионов калия при повышенной секреции минералокортикоидов

Компенсации этого явления достигают снижения лёгочной вентиляции (задержка СО₂), удалением гидрокарбонат-иона почками.

Дыхательный ацидоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное снижение рН в результате гиповентиляции из-за:

а) заболевания лёгких или дыхательных путей (пневмония, отёк лёгких, инородные тела в верхних дыхательных путях и т.д.); б) повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры в) угнетении дыхательного центра лекарственными средствами или наркотиками – опиатами, барбитуратами и т.п.

Дыхательный алкалоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное повышение рН в результате гипервентиляции из-за лихорадочного состояния или истерии. Процессы компенсации осуществляются буферными системами, повышенным выведением гидрокарбонат-иона почками.

При нарушении КОР в организме быстро включается буферная компенсация (через 10-15 мин). Легочная компенсация развивается в норме в течение 10-18 часов и заключается в стабилизации отношения [HCO₃^‾]/[ Н₂СО₃] путем изменения объёма легочной вентиляции. Почечная компенсация связана с включением ряда дополнительных ферментативных процессов, поэтому она развивается в течение 2-3 суток.

Применение реакции нейтрализации в фармакотерапии.

Для проведения коррекции кислотно-основного состояния необходимо выявить, какое звено в его регулировке нарушено. Для этого необходимо определить значения рН биологических жидкостей и содержание буферных оснований.

В основе фармакологических действий лежит реакция нейтрализации.

Например, в качестве экстренной меры при ацидозе применяется внутривенное вливание раствора гидрокарбоната натрия 4,5%, а в острых случаях – 8,4%. Второе эффективное средство – трисамин 3,66%, который связывает избыточные протоны. Он эффективен только при внутривенном введении. Также в качестве средства, коррегирующего ацидоз, используют лактат натрия 11% раствор.

Для устранения явления алкалоза в некоторых случаях используют раствор аскорбиновой кислоты 5%. В гастроэнтерологии применяют средства, нормализующие секреторную функцию желудка. При пониженной кислотности желудочного сока назначают разбавленную соляную кислоту, при повышенной кислотности – различные антацидные препараты: оксид магния, основной карбонат магния, карбонат кальция, гидрокарбонат натрия.

Примеры решения задач

Решение задач

Задача 1. Рассчитать рН аммиачного буферного раствора, содержащего 0,02 М раствора NH₄ОН и 0,2М раствора NH₄Сl. рК(NH₄ОН)=4,75,

Задача 2. Можно ли приготовить аммиачный буфер с рН = 4,7, когда К_Д (NH₄OH) = 1,8 · 10^-5 ?

Решение:

1. Определяем рК NH₄OH:

К_Д (NH₄OH) = 1,8 · 10^-5 рК = -ℓg К_Д = - ℓg 1,8 · 10^-5 =

-(ℓg 1,8 - ℓg 10^-5) = -0,26 = 5 = 4,74.

2. Определяем интервал буферного действия по формуле:

рОН = рК ± 1.

рОН = 4, 74 ± 1; рН = 3,74 -5,74.

Ответ: значение рОН = 4,74 входит в интервал рК 3,74 – 5,74, поэтому такой аммиачный буфер можно приготовить.

Задача 3. Для приготовления буфера взяты 70 мл 2 N р-ра NH₄OH и 140 мл 0,1 N р-ра NH₄С1. Как изменится рОН этого раствора, если: а) этот раствор разбавить в 10 раз, б) добавить к нему 10 мл 0,1 N р-ра NaОН ?

К_Д (NH₄OH) = 1,8 · 10^-5

Решение:

1. Определяем рК NH₄OH:

рК = -ℓg К_Д = - ℓg 1,8 · 10^-5 = 4,74 (см. предыдущую з-чу)

2. Определяем начальное значение рОН:

рОН = 4,74 +

при разбавлении и добавлении NaOH

рОН=4,74+ℓg

1. Определяем конечное значение рОН_К после добавления NaOH:

рОН_К = рК +ℓg + :

рОН_К = 4,74 +ℓg + ;

1. Определяем изменение рОН (ΔрОН): рОН_Н – рОН_К = 3,74 – 3,66 = 0,08

Ответ: рОН не изменяется при разбавлении буфера в любое число раз, так как при этом не изменится соотношение концентраций компонентов буфера; ΔрОН = 0,08

Задача 4 Какова буферная ёмкость фосфатного буфера, если при добавлении 3 мл 0,01N р-ра НС1 к 20 мл этого буфера рН меняется от 7,4 до 7,1?

Решение:

1. Определяем (ΔрН): Δ рН = рН_Н – рН_К

Δ рН = 7,4 – 7,1 = 0,3

2. Определяем буферную ёмкость по формуле:

В = ; В =

Ответ: В = 0,005 мэ/л.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа

1. Определение буферных свойств биологических жидкостей

Опыт 1 В четыре одинаковые пробирки с помощью пипетки отмерить по 1 мл сыворотки крови. Первую пробирку оставить для контроля, во вторую добавить 5 кап. 0,025 N раствора NаОН, в третью - 0,025 N раствора НСl, в четвёртую – 5 кап. воды. Затем во все пробирки добавить по 1-2 капли универсального индикатора и по цветной шкале универсального индикатора определите приблизительное значение рН.

Опыт 2. В четыре одинаковые пробирки с помощью пипетки отмерить по 1 мл ацетатного буфера. Первую пробирку оставить для контроля, во вторую добавить 5 кап. 0,025 N раствора NаОН, в третью - 0,025 N раствора НСl, в четвёртую – 5 кап. воды. Затем во все пробирки добавить по 1-2 капли универсального индикатора и по цветной шкале универсальног индикатора определите приблизительное значение рН.

Опыт 3. В две одинаковые пробирки с помощью пипетки отмерить: в первую – 5 кап. воды, во вторую 5 кап. слюны. Добавить в каждую пробирку по 1-2 капли универсального индикатора и определить примерное значение рН. Затем добавить в обе пробирки по 1 капли 0,01 N раствора НСl. Что наблюдаете? Охарактеризуйте буферные свойства слюны.

Результаты опытов занесите в таблицу № 1.

Таблица № 1.

2. Зависимость рН буферных растворов от соотношения компонентов

Опыт 1. В три пробирки с помощью пипетки отмерить 0,2 N Nа₂НРО₄ и 0,2 N NаН₂РО₄ в количествах, указанных в таблице № 2. добавьте в каждую пробирку по две капли универсального индикатора и определите рН по цветной шкале универсального индикатора.

Таблица № 2.

Вычислите рН исследуемых растворов по формуле Гендерсона – Гассельбаха:

рН = рК + ℓg , Кд (Н₂РО₄^-) = 1,5 · 10^-7

Сделайте вывод зависимости рН от соотношения концентраций компонентов буферной смеси.

Упражнения:

1. Константа диссоциации NH₄OH равна 1,8 · 10^-5. Можно ли приготовить аммиачный буфер с рОН = 4,7

2. Можно ли приготовить ацетатный буфер с рН = 5,4, если К_д (СН₃СООН) = 1,6 · 10 ^-7?

3. Рассчитайте рОН буфера, состоящего из 50 мл 0,1 н р-ра СН₃СООН и 100 мл 0,01 н р-ра СН₃СООNa, если рК = 4,7.

4. Рассчитайте рН буфера, состоящего из 40 мл 0,2 н р-ра NH₄ОН и 80 мл 0,01 н р-ра NH₄CI, если рК = 4,4.

5. Для приготовления буфера взяты 50 мл 2 н р-ра NH₄ОН и 100 мл 0,1 н р-ра NH₄С1 (рК = 4,4). Как изменится рОН этого раствора, если к нему добавить: а) 10 мл р-ра 0, 1 н НС1, б) 200 мл воды ?

6. Для приготовления ацетатного буфера взяты 100 мл 0,01 н р-ра СН₃СООН и 50 мл 0,01 н р-ра СН₃СООNa, (рК = 4,7). Как изменится рОН этого раствора, если к нему добавить: а) 25 мл 0,1н р-ра NaОН, б) 25 мл воды?

7. Рассчитайте буферную ёмкость буфера, состоящего из 0,05 моль/экв соли и 0,1 моль/экв кислоты, если к 1 л этого буфера добавить 20 мл 0,5 N р-ра НС1 (рК к-ты = 4,7).

8. Какова буферная ёмкость фосфатного буфера, если при добавлении 3 мл 0,1 н р-ра НСI К 20 мл этого буфера рН меняется от 7,4 до 7,1 ?

Тесты для самоконтроля.

1. Буферные растворы можно приготовить из:

а) HNO₃ и КОН, б) СН₃СООН и NaOH,

в) HCl и KNO₃, г) NH₄OH и H₂S

2. Щелочной резерв крови определяется количеством мл СО₂ в объёмных % в расчете на:

а) 1000 мл, б) 100 мл, в) 10 мл, г) 1,0 мл сыворотки крови.

3. Буферная ёмкость количественно определяется:

а) моль/экв сильной кислоты или основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу;

б) моль/л сильной кислоты или основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу;

в) числом мл слабой кислоты или основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу;

г) числом мл сильной кислоты или основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН.

4. рН буферной системы зависит от:

а) концентрации компонентов, б) объёма буфера,

в) разведения, г) соотношения концентрации компонентов.

5. При рН = 7,4 соотношение компонентов бикарбонатного буфера H₂CO₃/NaHCO₃:

а) 1:20, б) 20:1, в) 1:1, г) 1:5

6. При компенсированном алкалозе:

а) рН = 7,4, щелочной резерв 55 объемных %,

б) рН = 7,2, щелочной резерв 70 объемных %,

в) рН = 7,4, щелочной резерв 70 объемных %,

г) рН = 7,4, щелочной резерв 40 объемных %.

7. рН буферной системы зависит от:

а) объёма буфера, б) концентрации компонентов,

в) разведения, г) соотношения концентраций компонентов

8. В нейтрализации ионов водорода в почечной ткани принимает участие буферная система:

а) бикарбонатная, б) фосфатная,

в) гемоглобиновая, г) ацетатная.

9. Щелочной резерв крови – это количество мл СО₂, находящегося в 100 мл сыворотки крови. В норме оно равно:

а) 24%, б) 55%, в) 35%, г) 76%.

10.При разведении буферная ёмкость уменьшается, так как:

а) не изменяется соотношение компонентов,

б) увеличивается объём,

в) уменьшается концентрация,

г) изменяется соотношение компонентов.

VI. Л и т е р а т у р а :

1. Болдырев А.И. С. 254-260.

2.Ершов Ю.А. С. 108-119.

3. Ленский А.С, С. 151-153, 158-160.

4.Равич-Щербо М.И. С. 90-100.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: