체내의 효소계가 적절하게 작용하기 위해서는 좁은 범위 내에서 pH가 조절되는 산-염기 평형이 이루어져야 한다. 정상적인 혈중 pH범위는 7.35~7.45이다. 혈중 pH의 감소를 산혈증(acidemia)라고 부르며, 혈중 수소이온(H⁺)의 증가로 발생한다. 혈중 pH의 증가를 알칼리혈증(alkalemia)라고 부르며, 혈중 수소이온(H⁺)의 감소로 발생한다.

이러한 산-염기 평형을 유지하는 완충계로써 중탄산염(bicarbonate), 인산염(phosphate), 단백질이 있다. 중탄산염이 세포외액의 가장 중요한 완충제이고, 인산염과 단백질은 주로 세포내역의 산-염기 평형을 담당한다. 중탄산염이 환자에서 산-염기 상태를 측정할 수 있는 유일한 완충제이고, 다음 평형 방정식으로 표현된다. CO₂ + H₂O ↔ H2CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃⁻. 이 방정식은 이산화탄소(CO₂) 또는 중탄산염(HCO₃⁻)이 추가되는 것이 완충계와 혈중 pH에 어떤 영향을 미치는 지를 보여준다. 완충계에 이산화탄소가 증가하면 방정식은 우측 방향으로 진행되어 혈중 수소이온농도가 증가하므로 혈중 pH는 낮아진다. 반대로 완충계에 중탄산염이 증가하면 방정식은 좌측 방향으로 진행되어 수소이온농도는 낮아지고, 혈중 pH는 높아진다. 쉽게 말해서 이산화탄소를 산기(acid)로, 중탄산염을 염기(base)로 생각하면 된다. 즉, 이산화탄소가 증가하면 산혈증이 발생하고, 중탄산염이 증가하면 알칼리혈증이 발생하게 된다.

완충계 뿐만 아니라, 폐와 신장이 산-염기 평형을 유지하는데 중요한 역할을 담당한다. 폐는 환기(ventilation)를 담당하고, 혈중 이산화탄소의 양을 조절한다. 신장은 혈중 중탄산염의 양을 조절하는데, 이는 근위세뇨관에서 중탄산이온을 재흡수하거나 배설함으로써 조절한다. 산-염기 불균형은 이산화탄소 농도 또는 중탄산이온의 농도뿐만 아니라 어느 장기에서 원발적인 문제가 발생했느냐에 따라 분류된다. 이산화탄소의 이상이 확인되었다면, 호흡성 장애가 존재하는 것이며, 중탄산이온의 이상이 확인되었다면, 대사성 장애가 존재하는 것이다.