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산 , 염기 (acid, base)

산 , 염기 (acid, base). 산과 염기란 ? 완충용액이란 ? 산 - 염기 산업 생활 속의 산 , 염기 생체와 산 , 염기 대기 중의 산성물질 – 산성비 , 스모그. 산 염기 - 일반적 성질. 순수한 빗물. 생활에서 볼 수 있는 산 - 염기. Top Basic Chemicals in US. 산과 염기의 정의.

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산 , 염기 (acid, base)

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Presentation Transcript

  1. 산, 염기(acid, base) 산과 염기란? 완충용액이란? 산-염기 산업 생활 속의 산, 염기 생체와 산, 염기 대기 중의산성물질 –산성비, 스모그

  2. 산 염기-일반적 성질

  3. 순수한 빗물 생활에서볼 수 있는 산-염기

  4. Top Basic Chemicals in US

  5. 산과 염기의 정의 Arrheniusacid: generates [H+] in solutionbase: generates [OH-] in solutionnormal Arrhenius equation: acid + base <---> salt + water HClO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + ClO4-(aq) (HI, HBr, HCl, HNO3, and H2SO4)

  6. Brönsted-Lowry: acid: anything that donates a [H+] (proton donor)base: anything that accepts a [H+] (proton acceptor)normal Brönsted-Lowery equation: acid + base <---> acid + baseexample: HNO3 + H2O <---> NO3- + H3O+ H3O+(aq) + NH3(aq) -> H2O(l) + NH4+(aq)

  7. Lewis: acid: accepts an electron pairbase: donates an electron pair

  8. 산과 염기의 세기 • 센산, 센 염기 수용액에서 완전 해리 예) HCl + H2O → H3O+ + Cl- NaOH → Na+ + OH- • 약한 산, 약한 염기 • 수용액에서 불완전 해리 • 예 ) CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-

  9. 흔히 볼 수 있는 산

  10. 일반적인 염기들

  11. 배관 세정제의 원리 주요 성분 sodium hydroxide (lye), sodium nitrate, sodium chloride (salt), and aluminum. NaOH, NaNO3, and NaCl이 물에 용해할 때 용해열이 발생해 혼합물을 따뜻하게 한다. 용액에서 NaOH는알루미늄 표면의 Al2O3표면층을 벗겨내어 Al 금속을 노출시킨다. 노출된 알루미늄 금속은 물과 반응하여 강력한 환원제인 수소를 발생시키게 된다. 이 반응은 발열 반응으로 혼합물이 끓게 된다. 화학반응식은 다음과 같다. 2NaOH + 2Al + 2H2O → 3H2 + 2NaAlO2, (NaAl(OH)4.) 수소 기체는 압력을 발생시키며, 막힌 곳을 뚫게 된다. 수소기체는 다음과 같은 반응으로 소모되어 불이 나는 위험을 줄이게 된다. 2NO3− + 9H2 → 2NH3 + 6H2O.

  12. Typical Acids and Bases

  13. 산 염기의 정의 1) Arrhenius 정의  산 : 이온화 H+주게 (HCl →H+ + Cl-)  염기:이온화OH-주게 (NaOH → Na++OH-) (2) Brönsted-Lowry 정의  산:양성자(H+)  주게 염기:양성자 (H+) 받게 (3) Lewis 정의  산: 비공유전자쌍(:)  받게 염기: 비공유전자쌍(:)  주게 HCl + H2O  H3O+ + Cl- 산 염기 산 염기 NH3 + H2O  NH4+ + OH- 염기 산 산 염기

  14. 산-염기의 세기 1. 반응성(금속과 반응) : 기포 발생의 여부 2. 전기전도도 –전해 3. 산이온화 상수- KA, pKA 4. 산의 농도 - pH

  15. 수국(Hydrangea macrophylla)의 색 산성 토양 염기성 토양

  16. [H3O+] [A- ] KA = [ HA ] ■ 산과 염기의 세기 산해리상수(aciddissociation constant ; KA) HA + H2O A- + H3O+ ※ [ ]는 M농도로 주어진 물질의 mol/L를 말한다. pKa값이 클수록 더욱 약산이고 다 강한 염기 pKa = - log Ka

  17. Acid and Base Strength

  18. Measurements of pH

  19. 분자 구조와 산성도 A. 전기음성도(electronegativity) : 전기음성도가 증가할수록 pKa는 작음(산성도 증가) 염기도 증가

  20. 분자 구조와 산성도 B. 공명효과(resonance effect): A-가 띤 전자의 비편재화 카르복실산 에틸알콜 pKa크기: 카복실산 << 에틸알콜 Why ? 음전하의 비편재화로 안정화 공명구조

  21. 분자 구조와 산성도 C. 유도효과(inductive effect) 카보닐기(C=O)의 카보닐 산소는 카보닐 탄소 보다 전기음성도가 큼 • 카보닐탄소의 부분적 양하전 • C-O와 O-H 결합으로부터 전자를 끌어드림 (카보닐 양성자의 이온화 촉진의 의미) 유도효과에 의한 산성도 (에틸알콜, pKa 15.9 vs 카복실산, pKa 4.76)

  22. ■ Lewis acids and bases [루이스 산 : 전자쌍 받개] , [루이스 염기 : 전자쌍 주개] A + B A- B+ 루이스 산-염기 반응에 의한 새로운 공유결합

  23. 완충용액 • 산이나 염기를 가해도 pH 가 크게 변하지 않는 물질 • 완충용액을 이루는 경우 • 약산과 그 산의 염의 수용액 • 약염기와 그 염기의 염의 수용액 Henderson-Hasselbalch equation If [A-]=[HA], then pK=pH

  24. 혈액속의 완충용액 HCO3- + H2O  CO32- + H3O+ H+첨가 : H+ + HCO3- → H2CO3 OH-첨가 :OH- + H2CO3 → H2O + HCO3-

  25. 신체 완충제(I) 탄산가스(CO2)/중탄산염(HCO3-) 완충계: pK=6.1 pH=pK+log([HCO3-]/([CO2]diss+[H2CO3]))  x pCO2 = [CO2]diss+[H2CO3] pH=pK+log([HCO3-]/  x pCO2 )) • = 0.03 mmol/l/mmHg pCO2 = 40mmHg HCO3- = 24mEq/l Renal control (신장이 HCO3- 를 배출) pH=pK+log([HCO3-]/  xpCO2 )) =6.1+log(24/0.03x40)=7.4 Respiratory control (호흡으로 CO2를 배출)

  26. 신체 완충제(II) 헤모글로빈 완충계: pK=6-7(imidazole 기) 36 histidines, 15g/100ml(9mEq/l) pH=pK+log([HbO2-]/[HHbO2]) pK= 6.6 pH=pK+log([Hb-]/ [HHb]) pK= 8.2 RBC내에 carbonic anhydrase가 많다

  27. 운동할 때 혈액에서 작동하는 완충계. 헤모글로빈이 O2를 혈액을 통해 허파로부터 근육으로 운반. 근육은 운동에 의한 신진대사 작용으로 평소보다 많은 O2가 필요하게 됨. 따라서 근육에는 산소가 부족하게 되고, 근육과 모세혈관 사이에 산소의 농도차가 커지게 되어 산소는 혈액으로부터 근육으로 확산되어 들어옴. 근육은 신진대사의 증가로 인하여 CO2와 H+를 발생시켜 근육 내에서 이들의 농도를 증가시킴. 헤모글로빈의 완충작용으로 과량의 H+와 CO2를 소모하게 되며, 만일 H+와 CO2의 양이 헤모글로빈의 완충 작용 범위를 벗어나게 되면 탄산 평형계에 영향을 미쳐 혈액의 pH가 낮아져 산증이 유발됨. 이러한 pH의 변화는 허파와 신장의 활동으로 이어져 CO2, HCO3-, 및 H+를 혈액으로부터 제거하게 됨. 그리하여 운동을 할 때 발생하는 변화를 대응할 수 있도록 산-염기 완충 시스템이 작동하게 됨.

  28. 신체 완충제(III) 인산염 완충계: pK=6.8 pH=pK+log([HPO4 2-]/[H2PO4-]) 요중에서 중요한 역할 cf) titratable acid(적정가능산) 인산염, 황산염, citrate, urate 등 10-30 mEq

  29. 신체 완충제(IV) 암모니아 완충제: pK=9.8 pH=pK+log([NH3]/[NH4+]) 만성 산증에서 중요한 역할 (30-50mM/day만성산증시 500mM/day) Lactic acid, -OH butyrate, acetoacetate:pK=4.4 DM때 증가 요가 최대로 산성으로 되어도(4.4) 50%만 protonated  ammonia가 중요 NH3 synthesis 1/3: glycine, alanine, 2/3: glutamine

  30. 산-염기 균형의 조절 1. 신장을 통한 산의 배설 -중탄산이온의 재흡수(reabsorption) -적정가능산 및 암모니아 배설(regeneration) 2. 호흡을 통한 조절 -central chemoreceptor -peripheral chemoreceptor

  31. H+ balance: intake+production vs excretion Intake: 과일(유기약산의 염), NH4Cl, CaCl2 Production: CO2(12,000-20,000 mEq) SO42-, HPO4-(50mEq) lactic acid, ketone Defense systems chemical mechanism-buffer systems in body fluids physiological mechanism respiratory control renal control

  32. 산-염기 균형의 교란

  33. 혈액내의기체(Arterial Blood Gas) 혈청 내 정상 pH를 유지하려면 3가지 생리적 체계가 상호의존적으로 작용 해야 한다. ① 폐에서 산을 조절, ② 신장에서 산을 배설하거나 알칼리를 교정 ③ 화학적 완충체계에 의해 과다한 산-알칼리 중화

  34. 폐에서 휘발성 산의 조절. • 산은 휘발성 산이다. 휘발성 산은 기체로 전환 될 수 있는 산을 말한다. 폐는 많은 양의 산을 CO₂형태로 배출한다. • H2O + CO2 → H2CO3↔ HCO3-＋H+

  35. 조직에서 일어나는 가수분해 조직 수준의 가수분해. A. 이산화탄소(CO2)는 세포의 에너지 대사 결과로 발생한다.

  36. 폐 내에서의 가수분해 전도 폐 내에서의 가수분해의 전도. A. 이산화탄소가 혈액에서폐로 옮겨간다.

  37. (2) 신장의 산과 중탄산 조절 -기체형태로 전환할 수 없는 산은 소변으로 배설 -신장은 소변으로 H+ 를 분비하고 혈액에서 재흡수 할 수 있도록 HCO3- 를 재생하여 혈청 PH를 조절 - H+ 보다 많아서 여과된 HCO3- 는 소변으로 배설 - H+ 는 신세뇨관에서 활발히 분비되는데 주로 근위세뇨관세포에서 분비되고 원위세뇨관 세포와 집합관에서 분비되기도 한다.

  38. 비뇨기계 완충 체계 완충체계는 약산과 알칼리가 결합된 염으로 구성된다. 신장 세뇨관에는 3가지 완충체계가 있는데 HCO3- , 암모니아, 인 체계이다.

  39. 중탄산염 완충기능 • 소변의 중탄산염(HCO3-) 완충의 기능. • 수소이온이 소듐과 교환되어 세뇨관(tubule) 안으로 능동적으로 분비된다. • B. 중탄산염이 사구체에서 세뇨관으로 여과된다. • C. H+와 HCO3- 가 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 산출하면서 역가수분해에 들어간다. • D. 물은 재흡수되지 않는다면 소변으로 세뇨관 안에 남아있다. • E. 이산화탄소는 탄산탈수소 효소에 의해 촉진되어, 수소이온과 중탄산염을 산출하면서, 세뇨관 세포 안으로 확산된다. • F. 중탄산염은 소듐과 함께 혈액 속으로 재흡수된다.

  40. 암모니아 완충기능 • 암모니아(NH3) 완충의 기능. • A. 수소이온이 세뇨관(tubule) 안으로 능동적으로 분비된다. • B. 암모니아는 세뇨관 세포 안에서 세뇨관 안으로 확산된다. • C. 수소이온(H+) 이 암모니아와 결합하여 암모늄(NH4+)을 형성한다. 이것은 재흡수 될 수 없다. • D. 암모늄은 소변으로 분비를 위해 여과된 Cl-와 결합한다.

  41. 인산염의 완충기능 • 인산염 완충의 기능. • A. 수소이온이 세뇨관(tubule) 안으로 능동적으로 분비된다. • B. 수소인산염(HPO42-)과 소듐이 사구체에서 세뇨관 안으로 여과된다. • C. 수소이온(H+)이 수소인산염 와 결합하여 H2PO4- 을 형성한다. • D. H2PO4- 이 소변으로 분비를 위해 여과된 소듐과 결합한다.

  42. 다른 전해질의 역할 H+과 HCO3-가 산-염기 균형에 중요한 결정인자 이지만 어떤 체액구역에서도 총 양이론이 총 음이온과 같아야 한다는 전기적 중립의 원칙에 따라 다른 전해질도 중요한 역할을 한다. 신장이 혈청 pH를 조절하는데 있어서 K+ Na+ Ca²+ Cl-와 단백질 이온의 영향을 크게 받는다. 즉, 신장세뇨관에서 Na+의 활발한 재흡수는 Cl-와 HCO3- 와 같은 음이온 재흡수를 유발한다. 신체의 산-염기 항상성을 유지하는데 세포내 단백질이 가장 중요한 완충제인데 혈청단백질, 특히 알부민이 중요한 역할을 한다.

  43. (3) 혈액완충 체계에 의한 혈청내 pH의 조절 몇 가지 완충체계는 혈액내에 있는데 적혈구에 혈색소, 인, 중탄산이 있고 혈장에 중탄산, 혈장단백, 인이 있다. 이들 완충체계는 강산이나 강염기를 약한 형태로 변화시켜 강산이나 강염기의 영향을 최소화하기 위해 즉각적으로 작용한다.

  44. 산-염기 균형을 이룰 때

  45. 산증(acidosis):수소이온 농도(pH)가 증가한 결과이며 중탄산에 대한 탄산의 비율이 1:20보다 크다. 알칼리증(alkalosis):수소이온의 농도(pH)가 감소한 결과이며 중탄산에 대한 탄산의 비율이 1:20보다 낮다. 대사성(metabolic): 중탄산염의 증가 또는 감소 호흡성(respitory): 탄산의 증가 또는 감소

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