ما هو محلول مفرط التوتر؟

يدرك معظم الناس أن الأطعمة المالحة لها خاصية التسبب في العطش. ربما لاحظت أيضًا أن الأطعمة الحلوة جدًا تميل إلى فعل الشيء نفسه. وذلك لأن الملح (مثل أيونات الصوديوم والكلوريد) والسكريات (مثل جزيئات الجلوكوز) تعمل مثل الأسمولات النشطة عندما يذوب في سوائل الجسم ، وبشكل أساسي مكون الدم في الدم. هذا يعني أنه عندما يذوب في محلول مائي أو ما يعادله بيولوجيًا ، فإن لديهم القدرة على التأثير على الاتجاه الذي ستتحرك فيه المياه القريبة. (الحل هو ببساطة الماء الذي يحتوي على مادة أو أكثر من المواد المذابة فيه).

"النغمة" ، بمعنى العضلات ، تعني "الشد" أو بمعنى آخر تعني شيئًا ثابتًا في مواجهة قوى أسلوب الشد المتنافسة. توترية، في الكيمياء ، يشير إلى ميل المحلول إلى سحب الماء مقارنة ببعض الحلول الأخرى. قد يكون الحل قيد الدراسة نقص الضغط, مساوي التوتر أو مفرط التوتر مقارنة بالحل المرجعي. الحلول مفرطة التوتر لها أهمية كبيرة في سياق الحياة على الأرض.

قبل مناقشة الآثار المترتبة على التركيزات النسبية والمطلقة للحلول ، من المهم لفهم الطرق التي يتم بها قياسها والتعبير عنها في الكيمياء التحليلية و الكيمياء الحيوية.

في كثير من الأحيان ، يتم التعبير عن تركيز المواد الصلبة الذائبة في الماء (أو سوائل أخرى) ببساطة بوحدات الكتلة مقسومة على الحجم. على سبيل المثال ، يُقاس الجلوكوز في الدم عادةً بجرام الجلوكوز لكل ديسيلتر (عُشر لتر) من المصل أو جم / ديسيلتر. (هذا الاستخدام للكتلة مقسومًا على الحجم يشبه ذلك المستخدم لحساب الكثافة ، باستثناء أنه في قياسات الكثافة ، توجد مادة واحدة فقط قيد الدراسة ، على سبيل المثال ، جرام من الرصاص لكل سنتيمتر مكعب من الرصاص.) كتلة المذاب لكل وحدة حجم من المذيب هي أيضًا أساس "النسبة المئوية للكتلة" قياسات؛ على سبيل المثال ، 60 جم ​​من السكروز المذاب في 1000 مل من الماء عبارة عن محلول كربوهيدرات بنسبة 6 بالمائة (60/1000 = 0.06 = 6٪).

فيما يتعلق بتدرجات التركيز التي تؤثر على حركة الماء أو الجسيمات ، من المهم معرفة العدد الإجمالي للجسيمات لكل وحدة حجم ، بغض النظر عن حجمها. هذا ، وليس الكتلة الذائبة الكلية ، هو الذي يؤثر على هذه الحركة ، على الرغم من أن هذا قد يكون أمرًا بديهيًا. لهذا ، يستخدم العلماء الأكثر شيوعًا المولارية (م), وهو عدد مولات المادة لكل وحدة حجم (عادة لتر). يتم تحديد هذا بدوره من خلال الكتلة المولية ، أو الوزن الجزيئي للمادة. وفقًا للاتفاقية ، يحتوي مول واحد من مادة ما على 6.02 × 10²³ الجسيمات مشتقة من عدد الذرات في 12 جرامًا من الكربون الأولي. الكتلة المولية للمادة هي مجموع الأوزان الذرية للذرات المكونة لها. على سبيل المثال ، صيغة الجلوكوز هي C₆ح₁₂ا₆ والكتل الذرية للكربون والهيدروجين والأكسجين هي 12 و 1 و 16 على التوالي. لذلك ، الكتلة المولية للجلوكوز هي (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 جم.

وبالتالي ، لتحديد مولارية 400 مل من المحلول المحتوي على 90 جم من الجلوكوز ، عليك أولاً تحديد عدد مولات الجلوكوز الموجودة:

(90 جم) × (1 مول / 180 جم) = 0.5 مول

اقسم هذا على عدد اللترات الموجودة لتحديد المولارية:

(0.5 مول) / (0.4 لتر) = 1.25 م

الجسيمات التي يمكن أن تتحرك بحرية في المحلول تتصادم مع بعضها البعض بشكل عشوائي ، وبمرور الوقت ، اتجاهات تلغي الجسيمات الفردية الناتجة عن هذه الاصطدامات بعضها البعض بحيث لا يتغير صافي التركيز النتائج. يقال إن الحل موجود حالة توازن في ظل هذه الظروف. من ناحية أخرى ، إذا تم إدخال المزيد من الذائبة في جزء محلي من الحلول ، فإن التكرار المتزايد لـ ينتج عن الاصطدامات التي تلي ذلك حركة صافية للجسيمات من مناطق تركيز أعلى إلى مناطق أقل تركيز. وهذا ما يسمى بالانتشار ويساهم في تحقيق التوازن النهائي ، وثبات العوامل الأخرى.

تتغير الصورة بشكل كبير عندما يتم إدخال أغشية شبه منفذة إلى المزيج. الخلايا محاطة بمثل هذه الأغشية ؛ "شبه نفاذية" تعني ببساطة أن بعض المواد يمكن أن تمر بينما لا يمكن للبعض الآخر. من حيث أغشية الخلايا ، يمكن أن تنتقل الجزيئات الصغيرة مثل الماء والأكسجين وغاز ثاني أكسيد الكربون إلى و خارج الخلية عن طريق الانتشار البسيط ، مما يؤدي إلى تفادي البروتينات وجزيئات الدهون التي تشكل معظم غشاء. ومع ذلك ، فإن معظم الجزيئات بما في ذلك الصوديوم (Na⁺) ، كلوريد (Cl^-) ولا يمكن للجلوكوز ، حتى عندما يكون هناك اختلاف في التركيز بين الجزء الداخلي للخلية والجزء الخارجي للخلية.

التنافذيعد تدفق الماء عبر الغشاء استجابةً لتركيزات الذائبة التفاضلية على جانبي الغشاء أحد أهم مفاهيم علم وظائف الأعضاء الخلوية التي يجب إتقانها. يتكون حوالي ثلاثة أرباع جسم الإنسان من الماء ، وكذلك بالنسبة للكائنات الحية الأخرى. يعد توازن السوائل والتحولات أمرًا حيويًا للبقاء الفعلي على أساس اللحظة.

يُطلق على ميل حدوث التناضح إلى الضغط الاسموزي ، وتسمى المواد المذابة التي تؤدي إلى الضغط الاسموزي ، والتي لا تفعلها جميعها ، باسم الأسمولات النشطة. لفهم سبب حدوث ذلك ، من المفيد التفكير في الماء نفسه على أنه "مذاب" ينتقل من جانب واحد من الغشاء شبه القابل للنفاذ إلى الجانب الآخر نتيجة لتدرج التركيز الخاص به. عندما يكون تركيز الذائبة أعلى ، يكون "تركيز الماء" أقل ، مما يعني أن الماء سوف يتدفق في اتجاه تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض تمامًا مثل أي أسمول نشط آخر. يتحرك الماء ببساطة لتساوي مسافات التركيز. باختصار ، هذا هو سبب شعورك بالعطش عند تناول وجبة مالحة: يستجيب دماغك لـ زيادة تركيز الصوديوم في جسمك عن طريق مطالبتك بوضع المزيد من الماء في النظام - إنها إشارات العطش.

تجبر ظاهرة التناضح على إدخال الصفات لوصف التركيز النسبي للحلول. كما تم التطرق إليه أعلاه ، فإن المادة الأقل تركيزًا من محلول مرجعي تسمى ناقصة التوتر ("hypo" هي كلمة يونانية تعني "تحت" أو "نقص"). عندما يتركز الحلين بالتساوي ، يكونان متساويين ("iso" تعني "نفسه"). عندما يكون الحل أكثر تركيزًا من الحل المرجعي ، يكون مفرط التوتر ("مفرط" يعني "أكثر" أو "زائد").

الماء المقطر ناقص التوتر بالنسبة لمياه البحر. مياه البحر مفرطة التوتر بالنسبة للماء المقطر. نوعان من الصودا يحتويان بالضبط على نفس الكمية من السكر والمواد المذابة الأخرى متساوي التوتر.

تخيل ما يمكن أن يحدث لخلية حية أو مجموعة من الخلايا إذا كانت المحتويات شديدة التركيز مقارنة بالأنسجة المحيطة ، مما يعني إذا كانت الخلية أو الخلايا مفرطة التوتر بالنسبة لها محيط. بالنظر إلى ما تعلمته عن الضغط الاسموزي ، تتوقع أن ينتقل الماء إلى الخلية أو مجموعة الخلايا لتعويض التركيز العالي للمواد المذابة في الداخل.

هذا بالضبط ما يحدث في الممارسة. على سبيل المثال ، خلايا الدم الحمراء البشرية ، التي يطلق عليها رسميًا كريات الدم الحمراء ، تكون عادةً على شكل قرص ومقعرة على كلا الجانبين ، مثل كعكة مقروصة. إذا تم وضعها في محلول مفرط التوتر ، يميل الماء إلى ترك خلايا الدم الحمراء ، تاركًا إياها منهارة و "شائكة" تنظر تحت المجهر. عندما توضع الخلايا في محلول ناقص التوتر ، يميل الماء إلى التحرك وانتفاخ الخلايا تعويض تدرج الضغط الاسموزي - في بعض الأحيان إلى درجة ليس فقط التورم ولكن انفجار الخلايا. نظرًا لأن الخلايا التي تنفجر داخل الجسم ليست نتيجة مواتية بشكل عام ، فمن الواضح أن تجنب اختلافات الضغط التناضحي الرئيسية في الخلايا المجاورة في الأنسجة أمر بالغ الأهمية.

إذا كنت منخرطًا في نوبة تمرين طويلة جدًا ، مثل سباق الماراثون الجري لمسافة 26.2 ميلًا أو الترياتلون (السباحة وركوب الدراجة والجري) ، فكل ما أكلته مسبقًا قد لا تكون كافية لإبقائك طوال مدة الحدث لأن عضلاتك وكبدك لا يستطيعان سوى تخزين الكثير من الوقود ، ومعظمه في شكل سلاسل من الجلوكوز تسمى الجليكوجين. من ناحية أخرى ، فإن تناول أي شيء غير السوائل أثناء التمرين المكثف يمكن أن يكون صعبًا من الناحية اللوجستية ، وفي بعض الناس ، يسبب الغثيان. من الناحية المثالية ، إذن ، قد تتناول سوائل من نوع ما لأنها تميل إلى أن تكون أسهل على المعدة ، وعليك قد يحتاج إلى سائل شديد السكر (أي مركّزًا) لتوفير أقصى قدر من الوقود للعمل عضلات.

أم أنك؟ تكمن المشكلة في هذا النهج المعقول جدًا في أنه عندما تمتص الأمعاء المواد التي تتناولها أو تشربها ، فإن هذه العملية تعتمد على التناضحي. التدرج الذي يميل إلى سحب المواد في الطعام من داخل الأمعاء إلى الدم الذي يبطن أمعائك ، وذلك بفضل تجتاحه بحركة ماء. عندما يكون السائل الذي تستهلكه شديد التركيز - أي إذا كان مفرط التوتر بالنسبة للسوائل المبطنة للأمعاء - فإنه يعطل هذا التدرج الاسموزي الطبيعي و "تمتص" الماء مرة أخرى إلى الأمعاء من الخارج ، مما يتسبب في توقف امتصاص العناصر الغذائية وإحباط الغرض الكامل من تناول المشروبات السكرية على الجسم. اذهب.

في الواقع ، درس علماء الرياضة معدلات الامتصاص النسبية للمشروبات الرياضية المختلفة تحتوي على تركيزات متفاوتة من السكر ووجدت أن هذه النتيجة "غير المنطقية" هي صحيح. تميل المشروبات منخفضة التوتر إلى الامتصاص بسرعة أكبر ، بينما يتم امتصاص المشروبات متساوية التوتر والمفرطة التوتر بشكل أبطأ ، كما يتم قياسها بالتغير في تركيز الجلوكوز في بلازما الدم. إذا كنت قد أخذت عينات من المشروبات الرياضية مثل Gatorade أو Powerade أو All Sport ، فمن المحتمل أنك لاحظت أن مذاقها أقل حلاوة من الكولا أو عصير الفاكهة ؛ هذا لأنه تم تصميمها لتكون منخفضة في التوتر.

ضع في اعتبارك المشكلة التي تواجهها الكائنات البحرية - أي الحيوانات المائية التي تعيش على وجه التحديد في محيطات الأرض -: لا يعيشون فقط في مياه شديدة الملوحة ، ولكن يجب أن يحصلوا على الماء والغذاء من هذا المحلول عالي التوتر أنواع. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يفرزوا نفاياته (في الغالب على شكل نيتروجين ، في جزيئات مثل الأمونيا واليوريا وحمض البوليك) بالإضافة إلى اشتقاق الأكسجين منه.

الأيونات السائدة (الجسيمات المشحونة) في مياه البحر هي ، كما هو متوقع ، Cl^- (19.4 جرام لكل كيلوجرام من الماء) و Na⁺ (10.8 جم / كجم). تشمل الأسمولات النشطة الأخرى ذات الأهمية في مياه البحر الكبريتات (2.7 جم / كجم) والمغنيسيوم (1.3 جم / كجم) والكالسيوم (0.4 جم / كجم) والبوتاسيوم (0.4 جم / كجم) والبيكربونات (0.142 جم / كجم).

معظم الكائنات البحرية ، كما قد تتوقع ، متساوية التوتر لمياه البحر كنتيجة أساسية للتطور ؛ إنهم لا يحتاجون إلى استخدام أي تكتيكات خاصة للحفاظ على التوازن لأن حالتهم الطبيعية سمحت لهم بالبقاء على قيد الحياة حيث لم تفعل الكائنات الأخرى ولا تستطيع ذلك. ومع ذلك ، تعتبر أسماك القرش استثناءً ، فهي تحافظ على أجسام مفرطة التوتر لمياه البحر. إنهم يحققون ذلك من خلال طريقتين رئيسيتين: يحتفظون بكمية غير عادية من اليوريا في دمهم ، والبول الذي يفرزونه يكون مخففًا جدًا ، أو منخفض التوتر ، مقارنة بالسوائل الداخلية.