Kaj je hipertonična raztopina?

Večina ljudi se zaveda, da ima slana hrana lastnost, da povzroča žejo. Morda ste tudi opazili, da zelo sladka hrana počne isto. To je zato, ker sol (kot natrijevi in ​​kloridni ioni) in sladkorji (kot molekule glukoze) delujejo kot aktivni osmoli kadar se raztopi v telesnih tekočinah, predvsem v serumski komponenti krvi. To pomeni, da lahko, ko so raztopljeni v vodni raztopini ali biološkem ekvivalentu, vplivajo na smer, v katero se bo gibala bližnja voda. (Raztopina je preprosto voda, v kateri je raztopljena ena ali več drugih snovi.)

"Ton" v smislu mišic pomeni "napetost" ali drugače pomeni nekaj, kar je fiksirano pred konkurenčnimi silami vlečnega sloga. Toničnostv kemiji se nanaša na težnjo raztopine, da vleče vodo v primerjavi z neko drugo raztopino. Rešitev, ki se preučuje, je lahko hipotonična, izotonična ali hipertonična v primerjavi z referenčno raztopino. Hipertonične rešitve imajo v življenju na Zemlji velik pomen.

Pred razpravo o posledicah relativne in absolutne koncentracije raztopin je pomembno razumeti načine, kako so ti količinsko opredeljeni in izraženi v analitični kemiji in biokemije.

Koncentracija trdnih snovi, raztopljenih v vodi (ali drugih tekočinah), je pogosto izražena preprosto v masnih enotah, deljenih s prostornino. Na primer, serumsko glukozo običajno merimo v gramih glukoze na deciliter (desetino litra) seruma ali g / dl. (Ta uporaba mase, deljene s prostornino, je podobna uporabi mase za izračun gostote, le da pri meritvah gostote obstaja samo ena snov grama svinca na kubični centimeter svinca.) Masa topljene snovi na enoto prostornine topila je tudi osnova za "odstotek mase" meritve; na primer 60 g saharoze, raztopljene v 1.000 ml vode, je 6-odstotna raztopina ogljikovih hidratov (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

Kar zadeva gradiente koncentracije, ki vplivajo na gibanje vode ali delcev, pa je pomembno vedeti skupno število delcev na enoto prostornine, ne glede na njihovo velikost. Ta, ne celotna masa topljene snovi, vpliva na to gibanje, čeprav je to lahko neintuitivno. Za to znanstveniki najpogosteje uporabljajo molarnost (M), kar je število molov snovi na enoto prostornine (običajno liter). To pa je določeno z molsko maso ali molekulsko maso snovi. Po dogovoru en mol snovi vsebuje 6,02 × 10²³ delcev, od katerih je število atomov natančno 12 gramov elementarnega ogljika. Molska masa snovi je vsota atomskih mas sestavnih atomov. Na primer, formula za glukozo je C₆H₁₂O₆ in atomske mase ogljika, vodika in kisika so 12, 1 oziroma 16. Zato je molska masa glukoze (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Tako določite molarnost 400 ml raztopine, ki vsebuje 90 g glukoze, najprej določite število molov glukoze:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

To določite s številom prisotnih litrov, da določite molarnost:

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

Delci, ki se prosto gibljejo v raztopini, naključno trčijo med seboj in sčasoma smeri posamezni delci, ki so posledica teh trkov, se medsebojno izničijo, tako da ne pride do neto spremembe koncentracije rezultatov. Rešitev naj bi bila v ravnotežje pod temi pogoji. Po drugi strani pa, če v lokalizirani del raztopine vnesemo več topljene snovi, se poveča pogostnost trkov, ki sledijo, povzroči neto gibanje delcev z območij z višjo koncentracijo na območja z nižjo koncentracijo koncentracija. To se imenuje difuzija in prispeva k končnemu doseganju ravnovesja, drugi dejavniki pa so nespremenjeni.

Slika se drastično spremeni, ko v mešanico vstavimo polprepustne membrane. Celice so zaprte prav s takšnimi membranami; "polprepustna" pomeni preprosto, da lahko nekatere snovi prehajajo, druge pa ne. Kar zadeva celične membrane, se lahko majhne molekule, kot so voda, kisik in plin ogljikov dioksid, preselijo v in ven iz celice s preprosto difuzijo, izogibanje beljakovin in lipidnih molekul, ki tvorijo večino membrano. Večina molekul, vključno z natrijem (Na⁺), klorid (Cl^-) in glukoza ne more, tudi če obstaja koncentracijska razlika med notranjostjo celice in zunanjostjo celice.

Osmozapretok vode skozi membrano kot odziv na različne koncentracije topljenih snovi na obeh straneh membrane je eden najpomembnejših konceptov celične fiziologije, ki ga je treba obvladati. Približno tri četrtine človeškega telesa sestavlja voda in podobno kot drugi organizmi. Ravnotežje tekočin in premiki so ključnega pomena za dobesedno preživetje od trenutka do trenutka.

Nagnjenost osmoze, da se pojavi, se imenuje osmotski tlak, raztopljene snovi, ki povzročajo osmotski tlak, kar pa ne počnejo vsi, pa aktivni osmoli. Da bi razumeli, zakaj se to zgodi, je koristno, če o vodi sami razmišljamo kot o "topljeni snovi", ki se zaradi lastnega koncentracijskega gradienta premika z ene strani polprepustne membrane na drugo. Kadar je koncentracija topljene snovi višja, je "koncentracija vode" nižja, kar pomeni, da bo voda tekla v smeri visoke koncentracije do nizke koncentracije, tako kot katera koli druga aktivna osmola. Voda se preprosto premakne, da izravna koncentracijske razdalje. Na kratko, zaradi tega postanete žejni, ko jeste slani obrok: možgani se odzivajo na povečana koncentracija natrija v telesu s pozivom, da v sistem vnesete več vode - to signalizira žeja.

Pojav osmoze prisili uvedbo pridevnikov za opis relativne koncentracije raztopin. Kot smo že omenili zgoraj, se snov, ki je manj koncentrirana kot referenčna raztopina, imenuje hipotonična ("hipo" v grščini pomeni "premalo" ali "pomanjkanje"). Ko sta raztopini enako koncentrirani, sta izotonični ("iso" pomeni "enako"). Kadar je raztopina bolj koncentrirana kot referenčna raztopina, je hipertonična ("hiper" pomeni "več" ali "presežek").

Destilirana voda je hipotonična za morsko vodo; morska voda je hipertonična za destilirano vodo. Dve vrsti sode, ki vsebujeta popolnoma enako količino sladkorja in drugih topljenih snovi, sta izotonični.

Predstavljajte si, kaj bi se lahko zgodilo z živo celico ali skupino celic, če bi bila vsebina močno koncentrirana v primerjavi z okoliškimi tkivi, kar pomeni, če so celice ali celice hipertonične okolice. Glede na to, kar ste se naučili o osmotskem tlaku, bi pričakovali, da se voda premakne v celico ali skupino celic, da bi izravnala večjo koncentracijo topljenih snovi v notranjosti.

Prav to se dogaja v praksi. Na primer, človeške rdeče krvne celice, ki jih formalno imenujemo eritrociti, so običajno v obliki diska in na obeh straneh konkavne, kot je bila stisnjena torta. Če jih damo v hipertonično raztopino, voda navadno zapusti rdeče krvne celice, tako da se pod mikroskopom zrušijo in "spikajo". Ko celice damo v hipotonično raztopino, se voda ponavadi premakne in napihne celice izravnava gradient osmotskega tlaka - včasih do te mere, da ne zgolj nabrekne, temveč poči celic. Ker celice, ki eksplodirajo v telesu, na splošno niso ugoden rezultat, je jasno, da je izogibanje večjim razlikam v osmotskem tlaku v sosednjih celicah v tkivih ključnega pomena.

Če se ukvarjate z zelo dolgimi vajami, kot je tekaški maraton v dolžini 26,2 kilometra ali triatlon (plavanje, vožnja s kolesom in tek), vse, kar ste predhodno pojedli, morda ne bo dovolj, da vas vzdržujejo za čas dogodka, ker lahko vaše mišice in jetra shranijo le toliko goriva, ki je večinoma v obliki verig glukoze, imenovanih glikogen. Po drugi strani pa je uživanje česar koli razen tekočin med intenzivno vadbo lahko tako logistično težko kot pri nekaterih ljudeh tudi slabost. V idealnem primeru bi potem vnesli tekočine v neki obliki, ker so te lažje v želodcu in vi bi želeli zelo težko (tj. koncentrirano) tekočino, ki vsebuje veliko sladkorja, da bi zagotovili največ goriva za delovne mišice.

Ali pa bi? Težava tega zelo verjetnega pristopa je, da ko črevesje absorbira snovi, ki jih jeste ali pijete, ta proces temelji na osmotski gradient, ki ponavadi vleče snovi v hrani iz notranjosti črevesja v kri, ki obdaja vaše črevo, zahvaljujoč temu, da ga premika vode. Kadar je tekočina, ki jo zaužijete, visoko koncentrirana - to je, če je hipertonična za tekočine, ki obdajajo črevesje -, moti ta normalni osmotski gradient in "vpije" vodo nazaj v črevesje od zunaj, povzroči zaustavitev absorpcije hranil in premaga celoten namen uživanja sladkih pijač na pojdi

Dejansko so športni znanstveniki preučevali relativno stopnjo absorpcije različnih športnih pijač vsebujejo različne koncentracije sladkorja in so ugotovili, da je ta "protiintuitiven" rezultat pravilno. Hipotonične pijače se navadno absorbirajo najhitreje, izotonične in hipertonične pijače pa počasneje, kar se meri s spremembo koncentracije glukoze v krvni plazmi. Če ste kdaj poskusili športne pijače, kot so Gatorade, Powerade ali All Sport, ste verjetno opazili, da so manj sladkega okusa kot kola ali sadni sok; to je zato, ker so bili zasnovani tako, da so nizko tonični.

Razmislite o problemu, s katerim se soočajo morski organizmi - torej vodne živali, ki živijo v zemeljskih oceanih: ne samo, da živijo v izredno slani vodi, ampak si morajo iz te zelo hipertonične raztopine dobaviti svojo vodo in hrano vrste; vanj morajo vanjo izločati odpadne snovi (večinoma kot dušik, v molekulah, kot so amoniak, sečnina in sečna kislina), pa tudi iz njih pridobivati ​​kisik.

Prevladujoči ioni (nabiti delci) v morski vodi so, kot bi pričakovali, Cl^- (19,4 grama na kilogram vode) in Na⁺ (10,8 g / kg). Med drugimi pomembnimi aktivnimi osmoli v morski vodi so sulfat (2,7 g / kg), magnezij (1,3 g / kg), kalcij (0,4 g / kg), kalij (0,4 g / kg) in bikarbonat (0,142 gr / kg).

Večina morskih organizmov je, kot bi lahko pričakovali, izotonična za morsko vodo kot osnovna posledica evolucije; za vzdrževanje ravnotežja jim ni treba uporabljati nobene posebne taktike, ker jim je njihovo naravno stanje omogočilo, da preživijo tam, kjer drugi organizmi niso in ne morejo. Morski psi pa so izjema, saj ohranjajo telesa, ki so hipertonična za morsko vodo. To dosežejo z dvema glavnima metodama: V krvi zadržijo nenavadno količino sečnine, urin, ki ga izločajo, pa je v primerjavi z notranjimi tekočinami zelo razredčen ali hipotoničen.