谈高考理综的跨学科命题

胡彦尧

【关键词】 化学;生物;人体体液;酸碱平衡调节

【中图分类号】 G633.8 【文献标识码】 A

【文章编号】 1004—0463（2015）23—0123—01

2015年全国高考Ⅱ卷理综考试中，出现了跨化学与物理学科之间的综合题型，表明跨学科知识考查已成为高考命题的一大趋势。从现在的趋向来看，化学与生物之间的综合题也有可能出现在今后的高考题中，这就有必要让学生认识到化学与生理学等学科之间的密切关系。这里就从人体体液的酸碱平衡调节问题出发，讨论生物与化学两学科间的密切联系。

一、人体中酸、碱的产生

人身体中的任何一个细胞，必须处在合适的氢离子浓度下，才能完成正常的生理活动。在生命代谢中，人体内不可避免地生成一些酸性物质，如碳酸、乳酸等，也生成一些碱性物质，如HCO3-、HPO42-等。同时通过饮食，有相当数量的酸性物或碱性物从外界进入人体，但在人体中酸性物质和碱性物质总是要保持一定的数量或浓度比例，体液的pH值总要维持在一定的范围内。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，但不会相差太大。在细胞内部其pH值可以不同，但在血液中，正常人的pH值就要维持在7.35至7.45之间，pH值过低会造成酸中毒，pH值过高会造成碱中毒。

一般来说，能提供H+的物质或能接受OH-的物质都应该是酸。而在人体中的酸性物质首要的是碳酸，它是糖类、脂肪、蛋白质在人体中氧化的最终产物CO2与水结合而来，人在平静状态时，就能产生大量的CO2，若运动时人的代谢速度加快，产生的CO2更多。大部分CO2将通过呼吸作用由肺部排出体外，少量的CO2生成了碳酸，即使碳酸是弱酸，可形成的H+的数目也是相当可观的。另外，在代谢过程中，还会产生一些有机酸，如乙酰乙酸、乳酸、尿酸等，一些有机酸继续被氧化生成CO2，还有少量的有机酸被排出体外，另一些则是由饮食或药物提供的，如有铵盐摄入时在肝脏中合成尿素，并释放H+。

2NH4+ + CO2  →  （NH2）2CO + H2O + 2H+

能提供OH-的物质或能接受H+的物质都应该是碱。如氨基酸在脱去氨基后将生成NH3，氨将通过器官转移中和人体中的酸并保留一部分碱。蔬菜、水果中含有较多的有机酸及盐，这些有机酸及盐在人体中被氧化，不发生变化的Na+、K+进入体液，为了平衡电荷，只有增加HCO3-数量或浓度，这也是获得碱物质的途径之一。

二、人体酸碱平衡的调节

人体中无论是自身产生的酸碱还是外界提供的酸碱都不可能只堆积、不变化。它必须通过人体机能进行调节，排除多余的酸或碱，或接受所需要的酸或碱，来维持人体中的pH值的相对稳定。这种自动调节功能，主要由人体体液中处处存在的缓冲溶液来完成。

在人体血液中存在着酸式碳酸盐、磷酸盐以及蛋白质的缓冲系统。这些物质所对应的碳酸、磷酸、蛋白质都是弱电解质，若就NaHCO3/H2CO3的缓冲系统来说，只要c（NaHCO3）和c（H2CO3）的比值维持在20∶1，血液的pH值就可保持7.4不变。NaHCO3和H2CO3的浓度比例调节主要依靠下列平衡关系：

HCO3-+H2O?H2CO3+OH-

HCO3-+H2O?H2CO3?CO2+H2O

由于c（HCO3-）和c（H2CO3）的比值维持在20∶1左右，所以血液中有较多的接受H+或OH-的HCO3-。若有酸进入血浆，则H+与HCO3-结合生成H2CO3，H2CO3可经肺脏分解成CO2排出体外，第一个平衡关系正向移动，H+不会有太大的变化，可维持pH值为7.4的相对稳定。若有碱进入人体，虽然H2CO3的相对含量较少，可体内CO2的来源却很广泛，H2CO3与OH-结合生成HCO3-，两步平衡均逆向移动，同时H2PO4-也参与结合OH-，使多余的碱被消耗，保持了OH-浓度的稳定，而生成较多的HCO3-和HPO42-并由肾脏调节排出。

肺脏在呼吸时也可调节血浆的pH值。若人体中的CO2含量明显偏高或pH值降低，则人的呼吸会加深变快，加速CO2的排出，反之，人的呼吸会变浅变慢。

通过肾脏也可以排出过多的酸、碱以平衡人体中的pH值。当血液中的NaHCO3浓度较低时，肾脏会加速排出H+，换回Na+，Na+和HCO3-同时回收进入血液;当血液中的NaHCO3浓度较高时，肾脏会增加碱性物质（如NH3）的排出，结合H+生成NH4+，NH4+与CO2作用生成尿素，第二步平衡正向移动，NaHCO3浓度会降到正常含量，同时生成的尿素排出体外。

三、化学中的缓冲体系

血液的缓冲作用是维持酸碱平衡的第一道防线，碳酸与碳酸氢钠缓冲体系是最主要的缓冲体系，其次才是Na2HPO4/NaH2PO4的缓冲系统;在调节血液缓冲系统的稳定性中肺、肾是相辅相成的，任何一方功能失调都会造成酸碱平衡紊乱;在pH值调节中对H+或OH-的吸收是有限度的，过多的酸或碱都会改变HCO3-与H2CO3的浓度比值，导致体液中pH值发生改变，成为酸中毒或碱中毒。

遇少量酸或碱后，溶液的pH值略有改变，但不会较大幅度变化的溶液为缓冲溶液。其组成一般为弱酸及对应的弱酸盐混合液、弱碱及对应的弱碱盐混合液，如，NH3·H2O/NH4+、CH3COOH/CH3COO-、H2CO3/HCO3-、H2PO4-/HPO42-等都可组成缓冲体系。根据弱电解质平衡理论可知，当组成缓冲溶液中的两成分浓度相同时，对酸和碱的缓冲能力达到最好。

缓冲溶液在工业、农业、生物学、医学等方面都有重要的用途。如通过缓冲系统来维持土壤酸碱性的基本稳定，从而保证了植物的正常生长。由以上分析可知，化学与生理学是息息相关的，有着紧密的联系。编辑：张昀