Что такое гипертонический раствор?

Большинство людей знают, что соленая пища вызывает жажду. Возможно, вы также заметили, что очень сладкие продукты имеют тенденцию делать то же самое. Это связано с тем, что соль (как ионы натрия и хлорида) и сахара (как молекулы глюкозы) действуют как активные осмолы при растворении в биологических жидкостях, прежде всего в сыворотке крови. Это означает, что, будучи растворенными в водном растворе или биологическом эквиваленте, они могут влиять на направление, в котором будет двигаться близлежащая вода. (Раствор - это просто вода с растворенными в ней одним или несколькими другими веществами.)

«Тонус» в смысле мускулов означает «напряжение» или иным образом подразумевает что-то, что фиксируется перед лицом конкурирующих сил тянущего стиля. Тоничностьв химии относится к тенденции раствора втягивать воду по сравнению с каким-либо другим раствором. Исследуемое решение может быть гипотонический, изотонический или же гипертонический по сравнению с эталонным решением. Гипертонические решения имеют большое значение в контексте жизни на Земле.

Прежде чем обсуждать значение относительных и абсолютных концентраций растворов, важно: понять способы их количественной оценки и выражения в аналитической химии и биохимия.

Часто концентрация твердых веществ, растворенных в воде (или других жидкостях), выражается просто в единицах массы, разделенных на объем. Например, уровень глюкозы в сыворотке обычно измеряется в граммах глюкозы на децилитр (десятые доли литра) сыворотки или г / дл. (Это использование массы, разделенной на объем, аналогично тому, как используется для расчета плотности, за исключением того, что при измерениях плотности используется только одно вещество. (например, граммы свинца на кубический сантиметр свинца). Масса растворенного вещества на единицу объема растворителя также является основой для "массового процента". измерения; например, 60 г сахарозы, растворенной в 1000 мл воды, представляет собой 6-процентный раствор углеводов (60/1000 = 0,06 = 6%).

Однако с точки зрения градиентов концентрации, которые влияют на движение воды или частиц, важно знать общее количество частиц в единице объема, независимо от их размера. Именно эта, а не общая масса растворенного вещества, влияет на это движение, хотя это может быть парадоксальным. Для этого ученые чаще всего используют молярность (М), который представляет собой количество молей вещества на единицу объема (обычно литр). Это, в свою очередь, определяется молярной массой или молекулярной массой вещества. Условно в одном моль вещества содержится 6,02 × 10²³ частицы, полученное из числа атомов ровно в 12 граммах элементарного углерода. Молярная масса вещества - это сумма атомных масс составляющих его атомов. Например, формула для глюкозы - C₆ЧАС₁₂О₆ а атомные массы углерода, водорода и кислорода равны 12, 1 и 16 соответственно. Следовательно, молярная масса глюкозы равна (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 г.

Таким образом, чтобы определить молярность 400 мл раствора, содержащего 90 г глюкозы, вы сначала определяете количество присутствующих молей глюкозы:

(90 г) × (1 моль / 180 г) = 0,5 моль

Разделите полученное количество на количество литров, чтобы определить молярность:

(0,5 моль) / (0,4 л) = 1,25 М

Частицы, которые могут свободно перемещаться в растворе, сталкиваются друг с другом случайным образом, и со временем направления движения отдельные частицы, возникающие в результате этих столкновений, нейтрализуют друг друга, так что нет чистого изменения концентрации полученные результаты. Говорят, что решение находится в равновесие в этих условиях. С другой стороны, если больше растворенного вещества вводится в локализованную часть растворов, повышенная частота последующие столкновения приводят к чистому перемещению частиц из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. концентрация. Это называется диффузией и способствует окончательному достижению равновесия при неизменных других факторах.

Картина кардинально меняется, когда в смесь вводятся полупроницаемые мембраны. Клетки заключены именно в такие мембраны; «полупроницаемый» просто означает, что одни вещества могут проходить, а другие - нет. Что касается клеточных мембран, небольшие молекулы, такие как вода, кислород и углекислый газ, могут перемещаться внутрь и из клетки посредством простой диффузии, уклоняясь от белков и липидных молекул, образующих большую часть мембрана. Однако большинство молекул, включая натрий (Na⁺), хлорид (Cl^-), а глюкоза не может, даже если существует разница концентраций внутри клетки и снаружи клетки.

Осмос, поток воды через мембрану в ответ на разную концентрацию растворенного вещества по обе стороны от мембраны - одна из наиболее важных концепций клеточной физиологии, которую необходимо освоить. Около трех четвертей человеческого тела состоит из воды, и то же самое для других организмов. Жидкий баланс и сдвиги жизненно важны для буквального выживания от момента к моменту.

Склонность к возникновению осмоса называется осмотическим давлением, а растворенные вещества, которые приводят к осмотическому давлению, а не все из них, называются активными осмолями. Чтобы понять, почему это происходит, полезно представить себе воду как «растворенное вещество», которое перемещается с одной стороны полупроницаемой мембраны на другую в результате собственного градиента концентрации. Когда концентрация растворенного вещества выше, «концентрация воды» ниже, что означает, что вода будет течь в направлении от высокой к низкой концентрации, как и любой другой активный осмоль. Вода просто перемещается, чтобы выровнять расстояния концентрации. Короче говоря, вот почему вы испытываете жажду, когда едите соленую еду: ваш мозг реагирует на повышенная концентрация натрия в вашем организме из-за того, что вас просят налить больше воды в систему - это сигнализирует жажда.

Явление осмоса требует введения прилагательных для описания относительной концентрации растворов. Как упоминалось выше, вещество, которое менее концентрировано, чем контрольный раствор, называется гипотоническим («гипо» в переводе с греческого означает «недостаток» или «недостаток»). Когда два раствора одинаково сконцентрированы, они изотоничны («iso» означает «одинаковый»). Когда раствор более концентрированный, чем эталонный раствор, он гипертонический («гипер» означает «больше» или «избыток»).

Дистиллированная вода гипотонична морской воде; морская вода гипертонична по отношению к дистиллированной. Два вида газированных напитков, которые содержат одинаковое количество сахара и других растворенных веществ, являются изотоническими.

Представьте, что могло бы случиться с живой клеткой или группой клеток, если бы содержимое было очень концентрированным. по сравнению с окружающими тканями, что означает, что клетка или клетки гипертоничны по отношению к их окружение. Учитывая то, что вы узнали об осмотическом давлении, можно было бы ожидать, что вода переместится в ячейку или группу ячеек, чтобы компенсировать более высокую концентрацию растворенных веществ внутри.

Именно это и происходит на практике. Например, красные кровяные тельца человека, формально называемые эритроцитами, обычно имеют дискообразную форму и вогнутые с обеих сторон, как сдавленный пирог. Если их поместить в гипертонический раствор, вода имеет тенденцию покидать красные кровяные тельца, в результате чего они разрушаются и становятся «шипастыми» - выглядящими под микроскопом. Когда клетки помещают в гипотонический раствор, вода имеет тенденцию проникать внутрь и раздувать клетки, чтобы компенсировать градиент осмотического давления - иногда до такой степени, что не только набухает, но и лопается клетки. Поскольку взрыв клеток внутри тела, как правило, не является благоприятным исходом, очевидно, что критически важно избегать значительных различий осмотического давления в соседних клетках в тканях.

Если вы занимаетесь очень долгой тренировкой, например, беговым марафоном на 26,2 мили или триатлоном (плавание, поездка на велосипеде и бег), все, что вы съели заранее, не может будет достаточно, чтобы поддерживать вас на протяжении всего мероприятия, потому что ваши мышцы и печень могут хранить только определенное количество топлива, большая часть которого находится в форме цепочек глюкозы, называемых гликоген. С другой стороны, употребление чего-либо, кроме жидкости, во время интенсивных упражнений может быть как с материальной точки зрения, так и, у некоторых людей, вызывать тошноту. В таком случае в идеале вам следует принимать жидкости в той или иной форме, потому что они, как правило, легче переносятся желудком, и вы хотели бы иметь очень тяжелую сахарную (то есть концентрированную) жидкость, чтобы обеспечить максимальное количество топлива для рабочих мышцы.

Или ты бы? Проблема с этим очень правдоподобным подходом заключается в том, что когда вещества, которые вы едите или пьете, всасываются в кишечнике, этот процесс зависит от осмотического градиент, который имеет тенденцию втягивать вещества в пище из внутренней части кишечника в кровь, выстилающую ваш кишечник, благодаря движению вода. Когда жидкость, которую вы потребляете, является высококонцентрированной, то есть гипертонической по отношению к жидкостям, выстилающим кишечник, она нарушает этот нормальный осмотический градиент и «всасывает» воду обратно в кишечник снаружи, вызывая задержку всасывания питательных веществ и сводя на нет всю цель приема сладких напитков на идти.

Фактически, спортивные ученые изучили относительную скорость всасывания различных спортивных напитков. содержащих сахар в различных концентрациях, и обнаружили, что этот «противоречивый» результат является правильный. Гипотонические напитки, как правило, всасываются быстрее всего, в то время как изотонические и гипертонические напитки всасываются медленнее, что измеряется по изменению концентрации глюкозы в плазме крови. Если вы когда-нибудь пробовали спортивные напитки, такие как Gatorade, Powerade или All Sport, вы, вероятно, заметили, что они на вкус менее сладкие, чем кола или фруктовый сок; это потому, что они были разработаны с низким тонусом.

Рассмотрим проблему, с которой сталкиваются морские организмы, то есть водные животные, которые специально живут в океанах Земли: они они не только живут в очень соленой воде, но и сами должны получать воду и пищу из этого сильно гипертонического раствора. сорта; кроме того, они должны выделять в него продукты жизнедеятельности (в основном в виде азота, в таких молекулах, как аммиак, мочевина и мочевая кислота), а также получать из него кислород.

Преобладающими ионами (заряженными частицами) в морской воде, как и следовало ожидать, являются Cl^- (19,4 грамма на килограмм воды) и Na⁺ (10,8 г / кг). Другие важные осмоли в морской воде включают сульфат (2,7 г / кг), магний (1,3 г / кг), кальций (0,4 г / кг), калий (0,4 г / кг) и бикарбонат (0,142 г / кг).

Как и следовало ожидать, большинство морских организмов изотоничны морской воде как основное следствие эволюции; им не нужно использовать какую-либо особую тактику для поддержания равновесия, потому что их естественное состояние позволило им выжить там, где другие организмы этого не сделали и не могут. Акулы, однако, являются исключением, их тела гипертоничны по отношению к морской воде. Они достигают этого с помощью двух основных методов: они удерживают необычное количество мочевины в крови, а моча, которую они выделяют, является очень разбавленной или гипотонической по сравнению с их внутренними жидкостями.