化學情境試題：人體血液的緩衝作用（Buffers in the Blood）﹝I﹞

化學情境試題：人體血液的緩衝作用（Buffers in the Blood）﹝I﹞
國立豐原高級中學化學科蔡亞柏老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

在回答問題之前，首先請你閱讀與本試題有關的情境描述，以增加你對本試題背景知識的瞭解；然後思考問題解決的策略，並且寫下你的答案；最後用我們提供的參考答案檢查你的答案是否正確。

情境描述

人體血液是維持人類生命活動很重要的一種體液。藉由血液流經全身，擔任輸送氧氣及二氧化碳的重責大任，同時它也是人體中重要的生理緩衝溶液（buffer solution）。維持血液pH值的穩定，會使的體內許多生化反應得以順利進行。正常血液的pH值維持在7.40±0.05之間。若在人體生理代謝過程中，造成血液pH值低於7.35容易引起酸中毒（acidosis），或血液pH值高於7.45容易引起鹼中毒（alkalosis）。當pH值低於6.8或高於7.8時，就會有生命的危險。

人體血液中含有數種緩衝對（buffer pair）如H₂CO₃/HCO₃^–、HCO₃^–/CO₃^2-、H₃PO4/H₂PO₄^–、H₂PO₄^–/HPO₄^2-…等；透過這些共軛酸鹼對的共同作用，使得血液的pH值維持穩定。在人體血液中pH值的調節，主要是依賴血液中H₂CO₃/HCO₃^–緩衝溶液系統來維持。透過此系統能緩衝代謝所產生的酸、鹼或者大量飲水所造成體液的稀釋狀態，使血液pH值得以維持在上述正常的範圍。當我們在運動的時候，血液和肌肉之間的H⁺、CO₂和O₂會發生擴散現象，O₂的擴散方向為從血液到肌肉細胞，H⁺和CO₂的擴散恰為相反方向，從肌肉細胞到血液。這些擴散會改變物種的濃度，對緩衝系統的平衡產生改變，因而導致血液中的pH值變化，如圖一所示。

圖一  此圖顯示當運動時H⁺、CO₂和O₂在血液和肌肉細胞之間的擴散方向。由此產生的濃度變化影響到緩衝平衡，呈現在圖的右上方角落（黃色）。﹝英文翻譯：Muscle Cell 肌肉細胞，Blood 血液，Hemoglobin 血紅素﹞
圖片來源：詳見參考資料之2

美國生化學家韓德遜（Lawrence Josep Henderson）於1906-1920年間研究人體血液之酸鹼平衡機制，發現是透過血液之複雜的緩衝系統與呼吸作用，肺、血紅素及腎等器官共同調節完成。並在1908研究碳酸/碳酸鹽的緩衝能力時，提出韓德遜方程式（Henderson equation）。1916年，卡爾‧阿爾伯特‧哈塞爾巴爾赫（Karl Albert Hasselbalch）以對數方式重新表示韓德遜方程式，在化學上稱為Henderson–Hasselbalch equation，其方程式推導過程如下，他並將其用於研究血液中碳酸引起的代謝性酸中毒。

資料來源：詳見參考資料之4

情境試題

1. 血液的緩衝作用主要是由H₂CO₃/HCO₃^–緩衝液來維持，已知一血液樣本中H₂CO₃之濃度為0.0012 M，要維持此血液之pH值為7.40，請計算此時血液中HCO₃^–之濃度應為多少M？（已知健康成人在血液中的H₂CO₃之K_a1為8.0 × 10^-7）

2. 當人們運動時，肌肉收縮會產生乳酸送至血液中，適量的乳酸可經由上題血液之H₂CO₃/HCO₃^–緩衝液予以調節。然而過多的乳酸產生，超過血液緩衝系統之負荷，其結果會造成血液pH值下降。若血液pH值下降至7.35以下者，在臨床上診斷為酸中毒（acidosis）。試計算當血液中pH值由7.40降至pH值為7.35時，其間血液緩衝液中[H₂CO₃]：[HCO₃ ^–]比值之變化？

3. 我們都知道吸煙危害個人及他人身體健康。在臨床上易引發肺癌及其他呼吸系統方面的疾病，如慢性支氣管炎、肺氣腫（見參考資料5）。對肺氣腫之病患而言，其肺部換氣不足，易引起酸中毒，你（妳）可否說明此一生理現象？

連結：人體血液的緩衝作用（Buffers in the Blood）﹝II﹞

參考資料（以下網頁擷取日期為2010年1月）

1. 血液、汗水及緩衝溶液，運動中的pH調節作用， http://chem.ncue.edu.tw/huch/water/pH%20Buffers%20in%20the%20Blood.htm.
2. Blood, Sweat, and Buffers: pH Regulation During Exercise, Department of Chemistry, Washington University, http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Buffer/Buffer.html.
3. 山本喜一著，圖解化學入門，pH值幾乎不變的緩衝溶液，第164頁，世茂出版（2008）。
4. Henderson–Hasselbalch equation, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hen … sselbalch_equation.
5. ”孩子被動吸煙長大易患肺氣腫” ，    http://www.takungpao.com/news/10/01/04/YYXZ-1196451.htm。