Τι είναι το Hypertonic Solution;

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι τα αλμυρά τρόφιμα έχουν την ιδιότητα να προκαλούν δίψα. Ίσως έχετε επίσης παρατηρήσει ότι τα πολύ γλυκά τρόφιμα τείνουν να κάνουν το ίδιο πράγμα. Αυτό συμβαίνει επειδή το άλας (ως ιόντα νατρίου και χλωριούχου) και τα σάκχαρα (ως μόρια γλυκόζης) λειτουργούν ως ενεργά ωσμωτικά όταν διαλύεται σε σωματικά υγρά, κυρίως το συστατικό του αίματος στον ορό. Αυτό σημαίνει ότι, όταν διαλύονται σε υδατικό διάλυμα ή το βιολογικό ισοδύναμο, έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν την κατεύθυνση στην οποία θα κινηθεί το κοντινό νερό. (Μια λύση είναι απλώς νερό με μία ή περισσότερες άλλες ουσίες διαλυμένες σε αυτό.)

«Τόνος», με την έννοια των μυών, σημαίνει «ένταση» ή αλλιώς υπονοεί κάτι που είναι σταθερό μπροστά σε ανταγωνιστικές δυνάμεις τύπου έλξης. Τονικότητα, στη χημεία, αναφέρεται στην τάση ενός διαλύματος να τραβάει νερό σε σύγκριση με κάποια άλλη λύση. Η υπό μελέτη λύση μπορεί να είναι υποτονική, ισοτονικό ή υπερτονική σε σύγκριση με τη λύση αναφοράς. Οι υπερτονικές λύσεις έχουν σημαντική σημασία στο πλαίσιο της ζωής στη Γη.

Πριν συζητήσετε τις επιπτώσεις σχετικών και απόλυτων συγκεντρώσεων λύσεων, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τους τρόπους με τους οποίους αυτοί ποσοτικοποιούνται και εκφράζονται στην αναλυτική χημεία και βιοχημεία.

Συχνά, η συγκέντρωση στερεών διαλυμένων σε νερό (ή άλλα υγρά) εκφράζεται απλώς σε μονάδες μάζας διαιρεμένες με όγκο. Για παράδειγμα, η γλυκόζη στον ορό μετράται συνήθως σε γραμμάρια γλυκόζης ανά δεκαλίτρο (δέκατο του λίτρου) ορού, ή g / dL. (Αυτή η χρήση μάζας διαιρεμένη με όγκο είναι παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της πυκνότητας, εκτός από το ότι στις μετρήσεις πυκνότητας, υπάρχει μόνο μία ουσία υπό μελέτη, π.χ. γραμμάρια μολύβδου ανά κυβικό εκατοστό μολύβδου.) Η μάζα της διαλυμένης ουσίας ανά μονάδα όγκου διαλύτη είναι επίσης η βάση για "τοις εκατό μάζας" Μετρήσεις; Για παράδειγμα, 60 g σακχαρόζης διαλυμένα σε 1.000 mL νερού είναι ένα διάλυμα υδατανθράκων 6 τοις εκατό (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

Όσον αφορά τις βαθμίδες συγκέντρωσης που επηρεάζουν την κίνηση νερού ή σωματιδίων, ωστόσο, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τον συνολικό αριθμό σωματιδίων ανά μονάδα όγκου, ανεξάρτητα από το μέγεθός τους. Αυτή η κίνηση, όχι η ολική διαλυμένη μάζα, επηρεάζει αυτήν την κίνηση, αντιφατική αν και αυτό μπορεί να είναι. Για αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συνήθως μοριακότητα (Μ), που είναι ο αριθμός γραμμομορίων μιας ουσίας ανά μονάδα όγκου (συνήθως ένα λίτρο). Αυτό με τη σειρά του καθορίζεται από τη μοριακή μάζα ή το μοριακό βάρος μιας ουσίας. Κατά συνθήκη, ένα γραμμομόριο μιας ουσίας περιέχει 6,02 × 10²³ σωματίδια, που προέρχονται από αυτό είναι ο αριθμός ατόμων σε ακριβώς 12 γραμμάρια στοιχειακού άνθρακα. Η μοριακή μάζα μιας ουσίας είναι το άθροισμα των ατομικών βαρών των συστατικών ατόμων της. Για παράδειγμα, ο τύπος γλυκόζης είναι C₆Η₁₂Ο₆ και οι ατομικές μάζες άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου είναι 12, 1 και 16 αντίστοιχα. Επομένως, η μοριακή μάζα της γλυκόζης είναι (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Έτσι, για να προσδιορίσετε τη γραμμομοριακή ικανότητα των 400 ml διαλύματος που περιέχει 90 g γλυκόζης, καθορίζετε πρώτα τον αριθμό γραμμομορίων γλυκόζης που υπάρχουν:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Διαιρέστε το με τον αριθμό των λίτρων που υπάρχουν για να προσδιορίσετε τη μοριακότητα:

(0,5 mol) / (0,4 L) = 1,25 Μ

Τα σωματίδια που είναι ελεύθερα να κινούνται σε διάλυμα συγκρούονται μεταξύ τους τυχαία και με την πάροδο του χρόνου, οι κατευθύνσεις του μεμονωμένα σωματίδια που προκύπτουν από αυτές τις συγκρούσεις ακυρώνουν το ένα το άλλο έτσι ώστε να μην υπάρχει καθαρή αλλαγή στη συγκέντρωση Αποτελέσματα. Λέγεται ότι η λύση είναι ισορροπία υπό αυτές τις συνθήκες. Από την άλλη πλευρά, εάν εισαχθεί περισσότερη διαλυτή ουσία σε ένα εντοπισμένο τμήμα των διαλυμάτων, η αυξημένη συχνότητα του συγκρούσεις που ακολουθούν οδηγούν σε καθαρή κίνηση σωματιδίων από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωση. Αυτό ονομάζεται διάχυση και συμβάλλει στην απόλυτη επίτευξη ισορροπίας, ενώ άλλοι παράγοντες διατηρούνται σταθεροί.

Η εικόνα αλλάζει δραστικά όταν εισάγονται στο μείγμα ημι-διαπερατές μεμβράνες. Τα κύτταρα περικλείονται από τέτοιες μεμβράνες. "ημι-διαπερατό" σημαίνει απλά ότι ορισμένες ουσίες μπορούν να περάσουν ενώ άλλες δεν μπορούν. Όσον αφορά τις κυτταρικές μεμβράνες, μικρά μόρια όπως νερό, οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα μπορούν να κινηθούν προς και έξω από το κύτταρο μέσω απλής διάχυσης, αποφεύγοντας τις πρωτεΐνες και τα μόρια λιπιδίων που σχηματίζουν το μεγαλύτερο μέρος του μεμβράνη. Ωστόσο, τα περισσότερα μόρια περιλαμβάνουν το νάτριο (Na⁺), χλωριούχο (Cl^-) και η γλυκόζη δεν μπορεί, ακόμη και όταν υπάρχει διαφορά συγκέντρωσης μεταξύ του εσωτερικού του κυττάρου και του εξωτερικού του κυττάρου.

Ωσμωση, η ροή του νερού σε μια μεμβράνη σε απόκριση σε διαφορικές συγκεντρώσεις διαλυμένης ουσίας και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, είναι μια από τις πιο σημαντικές έννοιες κυτταρικής φυσιολογίας που πρέπει να κυριαρχήσουμε. Περίπου τα τρία τέταρτα του ανθρώπινου σώματος αποτελούνται από νερό, και παρομοίως για άλλους οργανισμούς. Η ισορροπία των ρευστών και οι μετατοπίσεις είναι ζωτικής σημασίας για την κυριολεκτική επιβίωση από στιγμή σε στιγμή.

Η τάση εμφάνισης της όσμωσης ονομάζεται ωσμωτική πίεση και οι διαλυμένες ουσίες που οδηγούν σε ωσμωτική πίεση, την οποία δεν κάνουν όλοι, ονομάζονται ενεργά ωσμωτικά. Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει, είναι χρήσιμο να θεωρούμε το ίδιο το νερό ως "διαλυτή ουσία" που κινείται από τη μία πλευρά της ημιπερατής μεμβράνης στην άλλη ως αποτέλεσμα της δικής της διαβάθμισης συγκέντρωσης. Όπου η συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας είναι υψηλότερη, η "συγκέντρωση νερού" είναι χαμηλότερη, πράγμα που σημαίνει ότι το νερό θα ρέει προς μια κατεύθυνση υψηλής συγκέντρωσης σε χαμηλή συγκέντρωση, όπως κάθε άλλη ενεργή οσμόλη. Το νερό μετακινείται απλώς σε ομαλές αποστάσεις συγκέντρωσης. Με λίγα λόγια, αυτός είναι ο λόγος που διψάτε όταν τρώτε ένα αλμυρό γεύμα: Ο εγκέφαλός σας ανταποκρίνεται στο αυξημένη συγκέντρωση νατρίου στο σώμα σας ζητώντας σας να βάλετε περισσότερο νερό στο σύστημα - αυτό σηματοδοτεί δίψα.

Το φαινόμενο της όσμωσης αναγκάζει την εισαγωγή επίθετων για να περιγράψει τη σχετική συγκέντρωση των διαλυμάτων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, μια ουσία που είναι λιγότερο συμπυκνωμένη από ένα διάλυμα αναφοράς ονομάζεται υποτονική ("hypo" "είναι ελληνική για" under "ή" έλλειψη "). Όταν τα δύο διαλύματα είναι εξίσου συμπυκνωμένα, είναι ισοτονικά ("iso" σημαίνει "ίδια"). Όταν ένα διάλυμα είναι πιο συμπυκνωμένο από το διάλυμα αναφοράς, είναι υπερτονικό ("υπερ" σημαίνει "περισσότερο" ή "περίσσεια").

Το απεσταγμένο νερό είναι υποτονικό στο θαλασσινό νερό. το θαλασσινό νερό είναι υπερτονικό σε απεσταγμένο νερό Δύο είδη σόδας που περιέχουν ακριβώς την ίδια ποσότητα σακχάρου και άλλων διαλυτών είναι ισοτονικά.

Φανταστείτε τι θα μπορούσε να συμβεί σε ένα ζωντανό κύτταρο ή ομάδα κυττάρων εάν το περιεχόμενο ήταν πολύ συγκεντρωμένο σε σύγκριση με τους περιβάλλοντες ιστούς, που σημαίνει ότι το κύτταρο ή τα κύτταρα είναι υπερτονικά με αυτά περιβαλλοντας ΧΩΡΟΣ. Λαμβάνοντας υπόψη όσα έχετε μάθει για την οσμωτική πίεση, θα περίμενε κανείς το νερό να μετακινηθεί στο κελί ή στην ομάδα των κυττάρων για να αντισταθμίσει την υψηλότερη συγκέντρωση διαλυμένων στο εσωτερικό.

Αυτό ακριβώς συμβαίνει στην πράξη. Για παράδειγμα, τα ανθρώπινα ερυθρά αιμοσφαίρια, που τυπικά ονομάζονται ερυθροκύτταρα, έχουν συνήθως σχήμα δίσκου και κοίλο και στις δύο πλευρές, σαν ένα κέικ που έχει τσιμπήσει. Εάν αυτά τοποθετηθούν σε ένα υπερτονικό διάλυμα, το νερό τείνει να αφήσει τα ερυθρά αιμοσφαίρια, αφήνοντάς τα να καταρρεύσουν και να "αγκαθωτά" - βλέποντας κάτω από ένα μικροσκόπιο. Όταν τα κύτταρα τοποθετούνται σε υποτονικό διάλυμα, το νερό τείνει να κινείται μέσα και να φουσκώνει τα κύτταρα αντισταθμίζει την κλίση της οσμωτικής πίεσης - μερικές φορές στο σημείο όχι μόνο πρήξιμο αλλά έκρηξη κύτταρα. Δεδομένου ότι τα κύτταρα που εκρήγνυνται μέσα στο σώμα δεν είναι γενικά ευνοϊκό αποτέλεσμα, είναι σαφές ότι η αποφυγή σημαντικών διαφορών ωσμωτικής πίεσης σε γειτονικά κύτταρα στους ιστούς είναι κρίσιμη.

Εάν ασχολείστε με μια πολύ μεγάλη περίοδο άσκησης, όπως έναν μαραθώνιο 26,2 μιλίων ή ένα τριάθλο (κολύμπι, βόλτα με ποδήλατο και τρέξιμο), ό, τι έχετε φάει εκ των προτέρων μπορεί να μην να είναι αρκετό για να σας στηρίξει κατά τη διάρκεια της εκδήλωσης, επειδή οι μύες και το συκώτι σας μπορούν να αποθηκεύσουν τόσο πολύ καύσιμο, τα περισσότερα από τα οποία έχουν τη μορφή αλυσίδων γλυκόζης που ονομάζονται γλυκογόνο. Από την άλλη πλευρά, η κατάποση οτιδήποτε εκτός από υγρά κατά τη διάρκεια έντονης άσκησης μπορεί να είναι λογικά δύσκολη και, σε μερικούς ανθρώπους, να προκαλεί ναυτία. Στην ιδανική περίπτωση, λοιπόν, θα παίρνατε υγρά κάποιας μορφής, επειδή αυτά τείνουν να είναι ευκολότερα στο στομάχι και εσείς θα ήθελα ένα πολύ βαρύ ζάχαρο (δηλαδή, συμπυκνωμένο) υγρό έτσι ώστε να παρέχει μέγιστο καύσιμο στην εργασία μυς.

Ή μήπως; Το πρόβλημα με αυτήν την πολύ εύλογη προσέγγιση είναι ότι όταν ουσίες που τρώτε ή πίνετε απορροφώνται από το έντερο σας, αυτή η διαδικασία βασίζεται σε ένα οσμωτικό ντεγκραντέ που τείνει να τραβά ουσίες στα τρόφιμα από το εσωτερικό του εντέρου στο αίμα που καλύπτει το έντερο σας, χάρη στη σάρωση από την κίνηση νερό. Όταν το υγρό που καταναλώνετε είναι πολύ συμπυκνωμένο - δηλαδή, εάν είναι υπερτονικό προς τα υγρά που επενδύουν στο έντερο - διαταράσσει αυτήν την κανονική οσμωτική βαθμίδα και "απορροφά" νερό πίσω στο έντερο από το εξωτερικό, προκαλώντας την απορρόφηση των θρεπτικών ουσιών σταματώντας και καταστρέφοντας ολόκληρο τον σκοπό της λήψης ζαχαρούχων ποτών στο πηγαίνω.

Στην πραγματικότητα, οι αθλητικοί επιστήμονες έχουν μελετήσει τα σχετικά ποσοστά απορρόφησης διαφορετικών αθλητικών ποτών που περιέχει διάφορες συγκεντρώσεις ζάχαρης και έχουν βρει αυτό το "αντιδιαισθητικό" αποτέλεσμα να είναι το σωστό. Τα ποτά που είναι υποτονικά τείνουν να απορροφώνται πιο γρήγορα, ενώ τα ισοτονικά και υπερτονικά ποτά απορροφώνται πιο αργά, όπως μετράται από την αλλαγή στη συγκέντρωση γλυκόζης στο πλάσμα του αίματος. Εάν έχετε δοκιμάσει ποτέ αθλητικά ποτά όπως το Gatorade, το Powerade ή το All Sport, πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι έχουν λιγότερη γλυκιά γεύση από ό, τι οι κόλα ή ο χυμός φρούτων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι έχουν σχεδιαστεί για να είναι χαμηλής τονικότητας.

Εξετάστε το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι θαλάσσιοι οργανισμοί - δηλαδή τα υδρόβια ζώα που ζουν ειδικά στους ωκεανούς της Γης: όχι μόνο ζουν σε εξαιρετικά αλμυρό νερό, αλλά πρέπει να πάρουν το δικό τους νερό και τροφή από αυτήν την εξαιρετικά υπερτονική λύση του είδη; Επιπλέον, πρέπει να εκκρίνουν τα απόβλητα σε αυτά (κυρίως ως άζωτο, σε μόρια όπως η αμμωνία, η ουρία και το ουρικό οξύ) καθώς και να προέρχονται από οξυγόνο.

Τα κυρίαρχα ιόντα (φορτισμένα σωματίδια) στο θαλάσσιο νερό είναι, όπως θα περίμενε κανείς, Cl^- (19,4 γραμμάρια ανά χιλιόγραμμο νερού) και Na⁺ (10,8 g / kg). Άλλες δραστικές οσμόλες σημασίας στο θαλάσσιο νερό περιλαμβάνουν θειικό άλας (2,7 g / kg), μαγνήσιο (1,3 g / kg), ασβέστιο (0,4 g / kg), κάλιο (0,4 g / kg) και όξινο ανθρακικό (0,142 gr / kg).

Οι περισσότεροι θαλάσσιοι οργανισμοί, όπως θα περίμενε κανείς, είναι ισοτονικοί στο θαλάσσιο νερό ως βασική συνέπεια της εξέλιξης. Δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν ειδικές τακτικές για να διατηρήσουν την ισορροπία, επειδή η φυσική τους κατάσταση τους επέτρεψε να επιβιώσουν όπου άλλοι οργανισμοί δεν έχουν και δεν μπορούν. Οι καρχαρίες, ωστόσο, αποτελούν εξαίρεση, διατηρώντας σώματα που είναι υπερτονικά στο θαλασσινό νερό. Αυτό το επιτυγχάνει μέσω δύο κύριων μεθόδων: Διατηρούν μια ασυνήθιστη ποσότητα ουρίας στο αίμα τους και τα ούρα που εκκρίνουν είναι πολύ αραιά ή υποτονικά, σε σύγκριση με τα εσωτερικά υγρά τους.