Какво е хипертоничен разтвор?

Повечето хора са наясно, че солените храни имат свойството да предизвикват жажда. Може би сте забелязали също, че много сладките храни са склонни да правят същото. Това е така, защото солта (като натриеви и хлоридни йони) и захарите (като глюкозни молекули) функционират като активни осмоли когато се разтваря в телесни течности, главно серумен компонент на кръвта. Това означава, че когато се разтворят във воден разтвор или биологичен еквивалент, те имат потенциала да повлияят посоката, в която ще се движи близката вода. (Разтвор е просто вода с едно или повече други вещества, разтворени в нея.)

"Тон", в смисъл на мускули, означава "опънатост" или по друг начин предполага нещо, което е фиксирано в лицето на конкуриращи се сили на дърпане. Тоничност, в химията, се отнася до тенденцията на разтвора да изтегля вода в сравнение с някакъв друг разтвор. Изследваното решение може да бъде хипотонична, изотоничен или хипертонична в сравнение с референтното решение. Хипертоничните решения имат значително значение в контекста на живота на Земята.

Преди да обсъдим последиците от относителната и абсолютната концентрация на разтвори, е важно да се разберат начините, по които те се определят количествено и се изразяват в аналитичната химия и биохимия.

Често концентрацията на твърди вещества, разтворени във вода (или други течности), се изразява просто в единици за маса, разделени на обем. Например, серумната глюкоза обикновено се измерва в грамове глюкоза на децилитър (десета от литър) серум или g / dL. (Тази употреба на маса, разделена на обем, е подобна на тази, използвана за изчисляване на плътността, с изключение на това, че при измерванията на плътността има само едно вещество например грамове олово на кубичен сантиметър олово.) Масата на разтвореното вещество на единица обем разтворител също е в основата на "процентната маса" измервания; например 60 g захароза, разтворена в 1000 ml вода, е 6% разтвор на въглехидрати (60/1000 = 0,06 = 6%).

По отношение на градиентите на концентрация, които влияят на движението на вода или частици, е важно да се знае общият брой на частиците в единица обем, независимо от техния размер. Това е, а не общата разтворена маса, която влияе върху това движение, макар и противоречащо на това. За това учените най-често използват моларност (М), което е броят на моловете на веществото в единица обем (обикновено литър). Това от своя страна се определя от моларната маса или молекулното тегло на веществото. По споразумение един мол вещество съдържа 6,02 × 10²³ частици, получени от това е броят на атомите в точно 12 грама елементарен въглерод. Моларната маса на веществото е сумата от атомните тегла на съставните му атоми. Например, формулата за глюкоза е С₆Н₁₂О₆ а атомните маси на въглерода, водорода и кислорода са съответно 12, 1 и 16. Следователно, моларната маса на глюкозата е (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

По този начин, за да определите моларността на 400 mL разтвор, съдържащ 90 g глюкоза, първо определяте броя на присъстващите молове глюкоза:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Разделете това на броя на наличните литри, за да определите моларността:

(0,5 mol) / (0,4 L) = 1,25 M

Частиците, които са свободни да се движат в разтвор, се сблъскват помежду си на случаен принцип и с течение на времето посоките на отделни частици, получени в резултат на тези сблъсъци, се отменят, така че да няма нетна промяна в концентрацията резултати. Казва се, че решението е в равновесие при тези условия. От друга страна, ако в локализираната част от разтворите се въведе повече разтворено вещество, увеличената честота на последващите сблъсъци водят до нетно движение на частици от зони с по-висока концентрация към области с по-ниска концентрация. Това се нарича дифузия и допринася за крайното постигане на равновесие, като други фактори се поддържат постоянни.

Картината се променя драстично, когато в сместа се въведат полупропускливи мембрани. Клетките са затворени от точно такива мембрани; "полупропусклив" означава просто, че някои вещества могат да преминат, докато други не. По отношение на клетъчните мембрани малки молекули като вода, кислород и газ от въглероден диоксид могат да се преместят в и излиза от клетката чрез проста дифузия, избягвайки протеините и липидните молекули, образуващи по-голямата част от мембрана. Повечето молекули обаче, включително натрий (Na⁺), хлорид (Cl^-) и глюкозата не могат, дори когато има разлика в концентрацията между вътрешността на клетката и външността на клетката.

Осмоза, потокът от вода през мембрана в отговор на диференциални концентрации на разтворени вещества от двете страни на мембраната, е една от най-важните концепции за клетъчна физиология, които трябва да се усвоят. Около три четвърти от човешкото тяло се състои от вода, както и други организми. Балансът на течностите и изместванията са жизненоважни за буквалното оцеляване на всеки момент.

Тенденцията към появата на осмоза се нарича осмотично налягане, а разтворените вещества, които водят до осмотично налягане, което не всички от тях правят, се наричат ​​активни осмоли. За да разберете защо се случва, е полезно да мислите за самата вода като за „разтворено вещество“, което се премества от едната страна на полупропускливата мембрана в другата в резултат на собствения си градиент на концентрация. Когато концентрацията на разтворено вещество е по-висока, "концентрацията на водата" е по-ниска, което означава, че водата ще тече в посока с висока концентрация към ниска концентрация, точно както всяка друга активна осмола. Водата просто се премества, за да изравнява концентрационните разстояния. Накратко, това е причината да ожаднеете, когато ядете солено ястие: Вашият мозък реагира на повишена концентрация на натрий в тялото ви, като ви моли да вкарате повече вода в системата - това сигнализира жажда.

Феноменът осмоза принуждава въвеждането на прилагателни за описване на относителната концентрация на разтвори. Както беше засегнато по-горе, вещество, което е по-малко концентрирано от референтния разтвор, се нарича хипотонично („хипо“ е на гръцки за „под“ или „дефицит“). Когато двата разтвора са еднакво концентрирани, те са изотонични ("iso" означава "еднакви"). Когато разтворът е по-концентриран от референтния разтвор, той е хипертоничен ("хипер" означава "повече" или "излишък").

Дестилираната вода е хипотонична на морската вода; морската вода е хипертонична на дестилирана вода. Два вида сода, които съдържат абсолютно същото количество захар и други разтворени вещества, са изотонични.

Представете си какво може да се случи с жива клетка или група клетки, ако съдържанието е силно концентрирано в сравнение с околните тъкани, което означава, ако клетката или клетките са хипертонични спрямо техните заобикалящата среда. Като се има предвид това, което сте научили за осмотичното налягане, бихте очаквали водата да се движи в клетката или групата клетки, за да компенсира по-високата концентрация на разтворени вещества във вътрешността.

Точно това се случва на практика. Например, човешките червени кръвни клетки, официално наречени еритроцити, обикновено са с форма на диск и вдлъбнати от двете страни, като торта, която е била притисната. Ако те се поставят в хипертоничен разтвор, водата има тенденция да напуска червените кръвни клетки, оставяйки ги да се срутят и да "гледат" под микроскоп. Когато клетките се поставят в хипотоничен разтвор, водата има тенденция да се придвижва и да подува клетките компенсира градиента на осмотичното налягане - понякога до степен не просто да се подуе, а да се спука клетки. Тъй като клетките, експлодиращи в тялото, като цяло не са благоприятен резултат, ясно е, че избягването на големи разлики в осмотичното налягане в съседните клетки в тъканите е от решаващо значение.

Ако сте ангажирани с много дълъг пристъп, като бягащ маратон с дължина 26,2 мили или триатлон (плуване, каране на колело и бягане), каквото и да сте изяли предварително, може да не да бъде достатъчно, за да ви поддържа по време на събитието, защото вашите мускули и черен дроб могат да съхраняват само толкова много гориво, повечето от които е под формата на вериги глюкоза, наречени гликоген. От друга страна, поглъщането на нещо освен течности по време на интензивни упражнения може да бъде както логистично трудно, така и при някои хора да предизвика гадене. В идеалния случай бихте приемали течности под някаква форма, защото те са по-лесни за стомаха, а и вие би искал много тежка захар (т.е. концентрирана) течност, за да достави максимално гориво на работещите мускули.

Или бихте ли? Проблемът с този много правдоподобен подход е, че когато веществата, които ядете или пиете, се абсорбират от червата ви, този процес разчита на осмотичен градиент, който има тенденция да изтегля вещества в храната от вътрешността на червата към кръвта, покриваща червата ви, благодарение на това, че е погълнат от движението на вода. Когато течността, която консумирате, е силно концентрирана - тоест, ако е хипертонична за течностите, покриващи червата - това нарушава този нормален осмотичен градиент и "изсмуква" водата обратно в червата от външната страна, причинявайки абсорбция на хранителни вещества и затруднявайки цялата цел на приема на сладки напитки отивам.

Всъщност спортните учени са изследвали относителните нива на усвояване на различните спортни напитки съдържащи различни концентрации на захар и са установили, че този "противоинтуитивен" резултат е правилно. Хипотоничните напитки са склонни да се усвояват най-бързо, докато изотоничните и хипертоничните напитки се абсорбират по-бавно, измерено чрез промяната в концентрацията на глюкоза в кръвната плазма. Ако някога сте опитвали спортни напитки като Gatorade, Powerade или All Sport, вероятно сте забелязали, че те имат по-сладък вкус от кола или плодов сок; това е така, защото те са проектирани да бъдат с ниска тоничност.

Помислете за проблема, с който се сблъскват морските организми - тоест водните животни, които специално живеят в океаните на Земята: не само живеят в изключително солена вода, но и трябва да си набавят вода и храна от този силно хипертоничен разтвор на сортове; освен това те трябва да отделят отпадъчни продукти в него (най-вече като азот, в молекули като амоняк, урея и пикочна киселина), както и да извличат кислород от него.

Преобладаващите йони (заредени частици) в морската вода са, както бихте очаквали, Cl^- (19,4 грама на килограм вода) и Na⁺ (10,8 g / kg). Други важни активни осмоли в морската вода включват сулфат (2,7 g / kg), магнезий (1,3 g / kg), калций (0,4 g / kg), калий (0,4 g / kg) и бикарбонат (0,142 gr / kg).

Повечето морски организми, както може да се очаква, са изотонични на морската вода като основна последица от еволюцията; не е необходимо да използват някакви специални тактики за поддържане на равновесие, защото естественото им състояние им е позволило да оцелеят там, където другите организми не са и не могат. Акулите обаче са изключение, като поддържат тела, които са хипертонични към морската вода. Те постигат това чрез два основни метода: Те задържат необичайно количество урея в кръвта си, а урината, която отделят, е много разредена или хипотонична в сравнение с техните вътрешни течности.