2008年9月17日

生物化學 - 水溶液中的酸與鹼

酸的食物通常較受人喜歡;比如酸梅,檸檬汁,果醋飲料,等等。鹼的食物,因為鹼的味道有點苦澀,通常很少人喜歡這類食物;雖然客家鹼粽還蠻好吃的。


那麼,酸鹼在化學上如何定義呢?

先前說過,水分子是極性分子。當很多的水分子聚集在一起的時候,水分子之間的氫鍵不斷的產生又斷裂;氫原子也不安分起來。雖然並不常見,但有時候氫原子會受到另一個水分子上氧原子的吸引而移到較靠近他的位置;這麼一來,水中就出現了兩種離子:H3O+(Hydronium ion)以及HO-(Hydroxyl ion)。產生這兩種離子的現象,稱之為水的解離。

我們將HO-定義為鹼;而H+定義為酸(因為在水中真正跑來跑去的是氫而非H3O+)。

純水中,平均約554百萬個水分子中只會有一個水分子解離。而純水中H+和HO-的莫耳濃度各為10-7。用一個公式來表示它:[H+][OH] = 10–14
以濃度來表示酸鹼值並不方便;因此,化學家們定義了使用以濃度對數值的負值來表示酸鹼值,定義如下:pH = –log [H+]

利用這個公式計算,得到純水的pH值為 7 。而當溶液中氫離子的濃度高於氫氧根離子的濃度時,我們會得到pH值小於 7的結果;我們把pH值小於7的溶液叫做酸性溶液。同理,pH值在7以上的溶液為鹼性溶液。

生物體內溶液的酸鹼值通常在7左右。比方我們人類的血液,pH值為7.4。若血液的pH值降到 7 以下或是上升到 7.8 以上,人就會有生命危險。

那麼,生物如何維持體內pH值的穩定性呢?生物溶液之中,通常會存有由弱酸和它的共軛鹼所形成的緩衝系統(Buffer system)。比方在血液中,最重要的緩衝系統是由 H2CO3和它的共軛鹼 HCO3-所組成。用一個化學反應式表示如下:
H2CO3    <--------->   HCO3-    +   H+
這是一個可逆反應,所以中間的箭號用雙箭頭表示。當pH值升高時,也就是血液中氫離子濃度下降時,反應會向右平衡,釋放出更多氫離子。當pH值下降時,碳酸的解離反應會朝向反應式的左邊平衡,減少氫離子的濃度。

一個緩衝系統的效用,由他的解離常數決定。以上面的例子,碳酸的解離常數為:

Ka = [HCO3 ] [ H+] / [H2CO3]

緩衝液系統通常由弱酸/鹼對所構成。弱酸或弱鹼的解離常數非常小。也因此,它們可以形成緩衝液系統防止溶液的酸鹼值因氫離子濃度的改變而劇烈變動。當然,一但氫離子濃度的改變超過緩衝系統的負荷時(Capacity of the buffer system),溶液的pH值就會有劇烈變動了。