談高考理綜的跨學(xué)科命題

胡彥堯

【關(guān)鍵詞】 化學(xué);生物;人體體液;酸堿平衡調(diào)節(jié)

【中圖分類(lèi)號(hào)】 G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 1004—0463（2015）23—0123—01

2015年全國(guó)高考Ⅱ卷理綜考試中，出現(xiàn)了跨化學(xué)與物理學(xué)科之間的綜合題型，表明跨學(xué)科知識(shí)考查已成為高考命題的一大趨勢(shì)。從現(xiàn)在的趨向來(lái)看，化學(xué)與生物之間的綜合題也有可能出現(xiàn)在今后的高考題中，這就有必要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)與生理學(xué)等學(xué)科之間的密切關(guān)系。這里就從人體體液的酸堿平衡調(diào)節(jié)問(wèn)題出發(fā)，討論生物與化學(xué)兩學(xué)科間的密切聯(lián)系。

一、人體中酸、堿的產(chǎn)生

人身體中的任何一個(gè)細(xì)胞，必須處在合適的氫離子濃度下，才能完成正常的生理活動(dòng)。在生命代謝中，人體內(nèi)不可避免地生成一些酸性物質(zhì)，如碳酸、乳酸等，也生成一些堿性物質(zhì)，如HCO3-、HPO42-等。同時(shí)通過(guò)飲食，有相當(dāng)數(shù)量的酸性物或堿性物從外界進(jìn)入人體，但在人體中酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)總是要保持一定的數(shù)量或濃度比例，體液的pH值總要維持在一定的范圍內(nèi)。不同人的同一器官或同一人的不同器官的pH值可以略有不同，但不會(huì)相差太大。在細(xì)胞內(nèi)部其pH值可以不同，但在血液中，正常人的pH值就要維持在7.35至7.45之間，pH值過(guò)低會(huì)造成酸中毒，pH值過(guò)高會(huì)造成堿中毒。

一般來(lái)說(shuō)，能提供H+的物質(zhì)或能接受OH-的物質(zhì)都應(yīng)該是酸。而在人體中的酸性物質(zhì)首要的是碳酸，它是糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)在人體中氧化的最終產(chǎn)物CO2與水結(jié)合而來(lái)，人在平靜狀態(tài)時(shí)，就能產(chǎn)生大量的CO2，若運(yùn)動(dòng)時(shí)人的代謝速度加快，產(chǎn)生的CO2更多。大部分CO2將通過(guò)呼吸作用由肺部排出體外，少量的CO2生成了碳酸，即使碳酸是弱酸，可形成的H+的數(shù)目也是相當(dāng)可觀的。另外，在代謝過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生一些有機(jī)酸，如乙酰乙酸、乳酸、尿酸等，一些有機(jī)酸繼續(xù)被氧化生成CO2，還有少量的有機(jī)酸被排出體外，另一些則是由飲食或藥物提供的，如有銨鹽攝入時(shí)在肝臟中合成尿素，并釋放H+。

2NH4+ + CO2 ?→ ?（NH2）2CO + H2O + 2H+

能提供OH-的物質(zhì)或能接受H+的物質(zhì)都應(yīng)該是堿。如氨基酸在脫去氨基后將生成NH3，氨將通過(guò)器官轉(zhuǎn)移中和人體中的酸并保留一部分堿。蔬菜、水果中含有較多的有機(jī)酸及鹽，這些有機(jī)酸及鹽在人體中被氧化，不發(fā)生變化的Na+、K+進(jìn)入體液，為了平衡電荷，只有增加HCO3-數(shù)量或濃度，這也是獲得堿物質(zhì)的途徑之一。

二、人體酸堿平衡的調(diào)節(jié)

人體中無(wú)論是自身產(chǎn)生的酸堿還是外界提供的酸堿都不可能只堆積、不變化。它必須通過(guò)人體機(jī)能進(jìn)行調(diào)節(jié)，排除多余的酸或堿，或接受所需要的酸或堿，來(lái)維持人體中的pH值的相對(duì)穩(wěn)定。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，主要由人體體液中處處存在的緩沖溶液來(lái)完成。

在人體血液中存在著酸式碳酸鹽、磷酸鹽以及蛋白質(zhì)的緩沖系統(tǒng)。這些物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的碳酸、磷酸、蛋白質(zhì)都是弱電解質(zhì)，若就NaHCO3/H2CO3的緩沖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只要c（NaHCO3）和c（H2CO3）的比值維持在20∶1，血液的pH值就可保持7.4不變。NaHCO3和H2CO3的濃度比例調(diào)節(jié)主要依靠下列平衡關(guān)系：

HCO3-+H2O?H2CO3+OH-

HCO3-+H2O?H2CO3?CO2+H2O

由于c（HCO3-）和c（H2CO3）的比值維持在20∶1左右，所以血液中有較多的接受H+或OH-的HCO3-。若有酸進(jìn)入血漿，則H+與HCO3-結(jié)合生成H2CO3，H2CO3可經(jīng)肺臟分解成CO2排出體外，第一個(gè)平衡關(guān)系正向移動(dòng)，H+不會(huì)有太大的變化，可維持pH值為7.4的相對(duì)穩(wěn)定。若有堿進(jìn)入人體，雖然H2CO3的相對(duì)含量較少，可體內(nèi)CO2的來(lái)源卻很廣泛，H2CO3與OH-結(jié)合生成HCO3-，兩步平衡均逆向移動(dòng)，同時(shí)H2PO4-也參與結(jié)合OH-，使多余的堿被消耗，保持了OH-濃度的穩(wěn)定，而生成較多的HCO3-和HPO42-并由腎臟調(diào)節(jié)排出。

肺臟在呼吸時(shí)也可調(diào)節(jié)血漿的pH值。若人體中的CO2含量明顯偏高或pH值降低，則人的呼吸會(huì)加深變快，加速CO2的排出，反之，人的呼吸會(huì)變淺變慢。

通過(guò)腎臟也可以排出過(guò)多的酸、堿以平衡人體中的pH值。當(dāng)血液中的NaHCO3濃度較低時(shí)，腎臟會(huì)加速排出H+，換回Na+，Na+和HCO3-同時(shí)回收進(jìn)入血液;當(dāng)血液中的NaHCO3濃度較高時(shí)，腎臟會(huì)增加堿性物質(zhì)（如NH3）的排出，結(jié)合H+生成NH4+，NH4+與CO2作用生成尿素，第二步平衡正向移動(dòng)，NaHCO3濃度會(huì)降到正常含量，同時(shí)生成的尿素排出體外。

三、化學(xué)中的緩沖體系

血液的緩沖作用是維持酸堿平衡的第一道防線，碳酸與碳酸氫鈉緩沖體系是最主要的緩沖體系，其次才是Na2HPO4/NaH2PO4的緩沖系統(tǒng);在調(diào)節(jié)血液緩沖系統(tǒng)的穩(wěn)定性中肺、腎是相輔相成的，任何一方功能失調(diào)都會(huì)造成酸堿平衡紊亂;在pH值調(diào)節(jié)中對(duì)H+或OH-的吸收是有限度的，過(guò)多的酸或堿都會(huì)改變HCO3-與H2CO3的濃度比值，導(dǎo)致體液中pH值發(fā)生改變，成為酸中毒或堿中毒。

遇少量酸或堿后，溶液的pH值略有改變，但不會(huì)較大幅度變化的溶液為緩沖溶液。其組成一般為弱酸及對(duì)應(yīng)的弱酸鹽混合液、弱堿及對(duì)應(yīng)的弱堿鹽混合液，如，NH3·H2O/NH4+、CH3COOH/CH3COO-、H2CO3/HCO3-、H2PO4-/HPO42-等都可組成緩沖體系。根據(jù)弱電解質(zhì)平衡理論可知，當(dāng)組成緩沖溶液中的兩成分濃度相同時(shí)，對(duì)酸和堿的緩沖能力達(dá)到最好。

緩沖溶液在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面都有重要的用途。如通過(guò)緩沖系統(tǒng)來(lái)維持土壤酸堿性的基本穩(wěn)定，從而保證了植物的正常生長(zhǎng)。由以上分析可知，化學(xué)與生理學(xué)是息息相關(guān)的，有著緊密的聯(lián)系。編輯：張昀