Apa itu Solusi Hipertonik?

Kebanyakan orang sadar bahwa makanan asin memiliki sifat merangsang rasa haus. Mungkin Anda juga memperhatikan bahwa makanan yang sangat manis cenderung melakukan hal yang sama. Ini karena garam (sebagai ion natrium dan klorida) dan gula (sebagai molekul glukosa) berfungsi sebagai: osmol aktif bila dilarutkan dalam cairan tubuh, terutama komponen serum darah. Ini berarti bahwa, ketika dilarutkan dalam larutan berair atau setara biologis, mereka memiliki potensi untuk mempengaruhi arah di mana air di dekatnya akan bergerak. (Larutan hanyalah air dengan satu atau lebih zat lain yang terlarut di dalamnya.)

"Nada", dalam pengertian otot, berarti "ketegangan" atau menyiratkan sesuatu yang tetap dalam menghadapi gaya tarik-menarik yang bersaing. Tonisitas, dalam kimia, mengacu pada kecenderungan larutan untuk menarik air dibandingkan dengan beberapa larutan lain. Solusi yang sedang dipelajari mungkin hipotonik, isotonik atau hipertonik dibandingkan dengan larutan referensi. Solusi hipertonik memiliki signifikansi yang cukup besar dalam konteks kehidupan di Bumi.

Sebelum membahas implikasi dari konsentrasi relatif dan absolut dari solusi, penting untuk memahami cara-cara di mana ini dikuantifikasi dan diekspresikan dalam kimia analitik dan biokimia.

Seringkali, konsentrasi padatan terlarut dalam air (atau cairan lain) dinyatakan secara sederhana dalam satuan massa dibagi volume. Misalnya, glukosa serum biasanya diukur dalam gram glukosa per desiliter (sepersepuluh liter) serum, atau g/dL. (Penggunaan massa dibagi volume ini mirip dengan yang digunakan untuk menghitung massa jenis, kecuali bahwa dalam pengukuran massa jenis, hanya ada satu zat sedang dipelajari, misalnya, gram timbal per sentimeter kubik timbal.) Massa zat terlarut per satuan volume pelarut juga merupakan dasar untuk "persen massa" pengukuran; misalnya, 60 g sukrosa yang dilarutkan dalam 1.000 mL air adalah larutan karbohidrat 6 persen (60/1.000 = 0,06 = 6%).

Dalam hal gradien konsentrasi yang mempengaruhi pergerakan air atau partikel, bagaimanapun, penting untuk mengetahui jumlah total partikel per satuan volume, terlepas dari ukurannya. Inilah, bukan massa zat terlarut total, yang mempengaruhi gerakan ini, meskipun mungkin berlawanan dengan intuisi. Untuk ini, para ilmuwan paling sering menggunakan molaritas (M), yang merupakan jumlah mol zat per satuan volume (biasanya liter). Ini pada gilirannya ditentukan oleh massa molar, atau berat molekul suatu zat. Dengan konvensi, satu mol zat mengandung 6,02 × 10²³ partikel, berasal dari ini menjadi jumlah atom tepat 12 gram karbon unsur. Massa molar suatu zat adalah jumlah berat atom dari atom-atom penyusunnya. Misalnya, rumus glukosa adalah C₆H₁₂HAI₆ dan massa atom karbon, hidrogen dan oksigen masing-masing adalah 12, 1 dan 16. Oleh karena itu, massa molar glukosa adalah (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Jadi, untuk menentukan molaritas 400 mL larutan yang mengandung 90 g glukosa, Anda terlebih dahulu menentukan jumlah mol glukosa yang ada:

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Bagilah ini dengan jumlah liter yang ada untuk menentukan molaritas:

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

Partikel yang bebas bergerak dalam larutan bertabrakan satu sama lain secara acak, dan seiring waktu, arah partikel individu yang dihasilkan dari tumbukan ini saling meniadakan sehingga tidak ada perubahan konsentrasi hasil. Solusinya dikatakan dalam keseimbangan di bawah kondisi ini. Di sisi lain, jika lebih banyak zat terlarut dimasukkan ke dalam bagian lokal dari solusi, peningkatan frekuensi frequency Tumbukan yang mengikuti menghasilkan gerakan bersih partikel dari area dengan konsentrasi tinggi ke area yang lebih rendah konsentrasi. Ini disebut difusi dan berkontribusi pada pencapaian akhir keseimbangan, faktor-faktor lain tetap konstan.

Gambaran berubah secara drastis ketika membran semi-permeabel dimasukkan ke dalam campuran. Sel tertutup oleh membran seperti itu; "semi-permeabel" berarti hanya beberapa zat dapat melewati sementara yang lain tidak bisa. Dalam hal membran sel, molekul kecil seperti air, oksigen dan gas karbon dioksida dapat bergerak ke dalam dan keluar dari sel melalui difusi sederhana, menghindari protein dan molekul lipid yang membentuk sebagian besar selaput. Namun, sebagian besar molekul, termasuk natrium (Na⁺), klorida (Cl^-) dan glukosa tidak bisa, bahkan ketika ada perbedaan konsentrasi antara bagian dalam sel dan bagian luar sel.

Osmosa, aliran air melintasi membran sebagai respons terhadap konsentrasi zat terlarut yang berbeda di kedua sisi membran, adalah salah satu konsep fisiologi seluler yang paling penting untuk dikuasai. Sekitar tiga perempat dari tubuh manusia terdiri dari air, dan juga untuk organisme lain. Keseimbangan cairan dan pergeseran sangat penting untuk kelangsungan hidup literal dari waktu ke waktu.

Kecenderungan terjadinya osmosis disebut tekanan osmotik, dan zat terlarut yang menghasilkan tekanan osmotik, yang tidak semuanya terjadi, disebut osmol aktif. Untuk memahami mengapa hal itu terjadi, akan sangat membantu untuk memikirkan air itu sendiri sebagai "zat terlarut" yang bergerak dari satu sisi membran semipermeabel ke sisi lain sebagai akibat dari gradien konsentrasinya sendiri. Di mana konsentrasi zat terlarut lebih tinggi, "konsentrasi air" lebih rendah, artinya air akan mengalir dalam arah konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah seperti halnya osmol aktif lainnya. Air hanya bergerak untuk meratakan jarak konsentrasi. Singkatnya, inilah mengapa Anda merasa haus saat makan makanan asin: Otak Anda merespons peningkatan konsentrasi natrium dalam tubuh Anda dengan meminta Anda memasukkan lebih banyak air ke dalam sistem – ini menandakan haus.

Fenomena osmosis memaksa pengenalan kata sifat untuk menggambarkan konsentrasi relatif larutan. Seperti disinggung di atas, zat yang kurang terkonsentrasi daripada larutan referensi disebut hipotonik ("hipo'" adalah bahasa Yunani untuk "di bawah" atau "kekurangan"). Ketika dua solusi sama terkonsentrasi, mereka isotonik ("iso" berarti "sama"). Ketika suatu larutan lebih pekat daripada larutan referensi, itu adalah hipertonik ("hiper" berarti "lebih" atau "berlebihan").

Air suling bersifat hipotonik terhadap air laut; air laut hipertonik terhadap air suling. Dua jenis soda yang mengandung jumlah gula yang sama dan zat terlarut lainnya adalah isotonik.

Bayangkan apa yang mungkin terjadi pada sel atau kelompok sel hidup jika isinya sangat terkonsentrasi dibandingkan dengan jaringan sekitarnya, artinya jika sel atau sel hipertonik terhadap lingkungan. Mengingat apa yang telah Anda pelajari tentang tekanan osmotik, Anda akan mengharapkan air bergerak ke dalam sel atau kelompok sel untuk mengimbangi konsentrasi zat terlarut yang lebih tinggi di bagian dalam.

Inilah yang terjadi dalam praktik. Misalnya, sel darah merah manusia, yang secara resmi disebut eritrosit, biasanya berbentuk cakram dan cekung di kedua sisinya, seperti kue yang telah dicubit. Jika ini ditempatkan dalam larutan hipertonik, air cenderung meninggalkan sel darah merah, meninggalkannya runtuh dan tampak "berduri" di bawah mikroskop. Ketika sel ditempatkan dalam larutan hipotonik, air cenderung bergerak masuk dan menggembungkan sel mengimbangi gradien tekanan osmotik – kadang-kadang sampai tidak hanya membengkak tetapi meledaking sel. Karena sel-sel yang meledak di dalam tubuh umumnya bukanlah hasil yang baik, jelas bahwa menghindari perbedaan tekanan osmotik yang besar pada sel-sel yang berdekatan dalam jaringan sangat penting.

Jika Anda terlibat dalam latihan yang sangat panjang, seperti lari maraton 26,2 mil atau triathlon (berenang, bersepeda, dan lari), apa pun yang Anda makan sebelumnya mungkin tidak cukup untuk menopang Anda selama acara karena otot dan hati Anda hanya dapat menyimpan begitu banyak bahan bakar, yang sebagian besar dalam bentuk rantai glukosa yang disebut glikogen. Di sisi lain, menelan apa pun selain cairan selama latihan intens bisa menjadi sulit secara logistik dan, pada beberapa orang, menyebabkan mual. Idealnya, kemudian, Anda akan mengambil cairan dalam bentuk tertentu karena ini cenderung lebih mudah di perut, dan Anda menginginkan cairan yang sangat banyak gula (yaitu, terkonsentrasi) untuk mengirimkan bahan bakar maksimum ke tempat kerja otot.

Atau akankah Anda? Masalah dengan pendekatan yang sangat masuk akal ini adalah bahwa ketika zat yang Anda makan atau minum diserap oleh usus Anda, proses ini bergantung pada osmotik. gradien yang cenderung menarik zat dalam makanan dari bagian dalam usus ke darah yang melapisi usus Anda, berkat disapu oleh pergerakan air. Ketika cairan yang Anda konsumsi sangat pekat - yaitu, jika hipertonik terhadap cairan yang melapisi usus - itu mengganggu gradien osmotik normal dan "menyedot" air kembali ke usus dari luar, menyebabkan penyerapan nutrisi terhenti dan mengalahkan seluruh tujuan minum minuman manis di perut. Pergilah.

Faktanya, para ilmuwan olahraga telah mempelajari tingkat penyerapan relatif dari minuman olahraga yang berbeda mengandung berbagai konsentrasi gula dan telah menemukan hasil "berlawanan" ini sebagai yang benar. Minuman yang hipotonik cenderung diserap paling cepat, sedangkan minuman isotonik dan hipertonik diserap lebih lambat, yang diukur dengan perubahan konsentrasi glukosa dalam plasma darah. Jika Anda pernah mencicipi minuman olahraga seperti Gatorade, Powerade atau All Sport, Anda mungkin memperhatikan bahwa rasanya kurang manis daripada cola atau jus buah; ini karena mereka telah direkayasa agar tonisitasnya rendah.

Pertimbangkan masalah yang dihadapi organisme laut – yaitu, hewan air yang secara khusus hidup di lautan Bumi –: Mereka tidak hanya hidup di air yang sangat asin, tetapi mereka harus mendapatkan air dan makanan sendiri dari larutan yang sangat hipertonik ini macam; selain itu, mereka harus mengeluarkan produk limbah ke dalamnya (kebanyakan sebagai nitrogen, dalam molekul seperti amonia, urea dan asam urat) serta memperoleh oksigen darinya.

Ion dominan (partikel bermuatan) dalam air laut, seperti yang Anda harapkan, Cl^- (19,4 gram per kilogram air) dan Na⁺ (10,8 g/kg). Osmol aktif lainnya yang penting dalam air laut termasuk sulfat (2,7 g/kg), magnesium (1,3 g/kg), kalsium (0,4 g/kg), kalium (0,4 g/kg) dan bikarbonat (0,142 gr/kg).

Kebanyakan organisme laut, seperti yang Anda duga, isotonik terhadap air laut sebagai konsekuensi dasar evolusi; mereka tidak perlu menggunakan taktik khusus untuk menjaga keseimbangan karena keadaan alami mereka memungkinkan mereka untuk bertahan hidup di mana organisme lain tidak dan tidak bisa. Hiu, bagaimanapun, adalah pengecualian, memelihara tubuh yang hipertonik terhadap air laut. Mereka mencapai ini melalui dua metode utama: Mereka mempertahankan jumlah urea yang tidak biasa dalam darah mereka, dan urin yang mereka keluarkan sangat encer, atau hipotonik, dibandingkan dengan cairan internal mereka.