Hypertonic Solution คืออะไร?

คนส่วนใหญ่ทราบดีว่าอาหารรสเค็มมีคุณสมบัติทำให้กระหายน้ำได้ บางทีคุณอาจสังเกตด้วยว่าอาหารที่มีรสหวานมากมักจะทำแบบเดียวกัน เนื่องจากเกลือ (ในรูปของโซเดียมและคลอไรด์ไอออน) และน้ำตาล (ในรูปของโมเลกุลกลูโคส) ทำหน้าที่เป็น ออสโมลที่ใช้งานอยู่ เมื่อละลายในของเหลวในร่างกาย ส่วนใหญ่เป็นส่วนประกอบของเลือดในซีรัม ซึ่งหมายความว่าเมื่อละลายในสารละลายที่เป็นน้ำหรือเทียบเท่าทางชีวภาพ พวกมันมีศักยภาพที่จะมีอิทธิพลต่อทิศทางที่น้ำในบริเวณใกล้เคียงจะเคลื่อนตัว (สารละลายคือน้ำที่มีสารอื่นละลายอยู่อย่างน้อยหนึ่งชนิด)

"โทน" ในแง่ของกล้ามเนื้อ หมายถึง "ความตึง" หรือหมายถึงสิ่งที่คงที่เมื่อเผชิญกับแรงแบบดึงที่แข่งขันกัน Tonicityในวิชาเคมีหมายถึงแนวโน้มของสารละลายที่จะดึงในน้ำเมื่อเทียบกับสารละลายอื่น วิธีแก้ปัญหาภายใต้การศึกษาอาจเป็น hypotonic, ไอโซโทนิก หรือ hypertonic เมื่อเทียบกับโซลูชันอ้างอิง โซลูชัน Hypertonic มีความสำคัญอย่างมากในบริบทของสิ่งมีชีวิตบนโลก

ก่อนอภิปรายความหมายของความเข้มข้นสัมพัทธ์และความเข้มข้นสัมบูรณ์ของสารละลาย เป็นสิ่งสำคัญ เพื่อทำความเข้าใจวิธีที่สิ่งเหล่านี้ถูกหาปริมาณและแสดงออกในเคมีวิเคราะห์และ ชีวเคมี.

บ่อยครั้ง ความเข้มข้นของของแข็งที่ละลายในน้ำ (หรือของเหลวอื่นๆ) มักแสดงเป็นหน่วยมวลหารด้วยปริมาตร ตัวอย่างเช่น กลูโคสในซีรัมมักจะวัดเป็นกรัมของกลูโคสต่อเดซิลิตร (สิบของลิตร) ของซีรัม หรือ g/dL (การใช้มวลหารด้วยปริมาตรนี้คล้ายกับที่ใช้คำนวณความหนาแน่น เว้นแต่ในการวัดความหนาแน่นจะมีสารเพียงตัวเดียว ที่กำลังศึกษาอยู่ เช่น ตะกั่ว กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตรของตะกั่ว) มวลของตัวถูกละลายต่อหน่วยปริมาตรของตัวทำละลายก็เป็นพื้นฐานสำหรับ "เปอร์เซ็นต์มวล" ด้วย การวัด; ตัวอย่างเช่น ซูโครส 60 กรัมที่ละลายในน้ำ 1,000 มล. เป็นสารละลายคาร์โบไฮเดรต 6 เปอร์เซ็นต์ (60/1,000 = 0.06 = 6%)

ในแง่ของการไล่ระดับความเข้มข้นที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของน้ำหรืออนุภาค สิ่งสำคัญคือต้องทราบจำนวนอนุภาคทั้งหมดต่อหน่วยปริมาตร โดยไม่คำนึงถึงขนาดของอนุภาค นี่คือมวลสารที่ถูกละลายทั้งหมด ซึ่งไม่ใช่มวลรวมที่มีอิทธิพลต่อการเคลื่อนไหวนี้ ซึ่งขัดกับสัญชาตญาณแม้ว่าจะเป็นเช่นนั้นก็ตาม สำหรับสิ่งนี้ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มักใช้ โมลาริตี (ม), คือจำนวนโมลของสารต่อหน่วยปริมาตร (ปกติคือลิตร) สิ่งนี้ถูกระบุโดยมวลโมลาร์หรือน้ำหนักโมเลกุลของสาร ตามแบบแผน สารหนึ่งโมลประกอบด้วย 6.02 × 10²³ อนุภาคที่ได้มาจากจำนวนอะตอมในคาร์บอนธาตุ 12 กรัมอย่างแม่นยำ มวลโมลาร์ของสารคือผลรวมของน้ำหนักอะตอมของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างเช่น สูตรของกลูโคสคือ C₆โฮ₁₂อู๋₆ และมวลอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเท่ากับ 12, 1 และ 16 ตามลำดับ ดังนั้นมวลโมเลกุลของกลูโคสคือ (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 กรัม

ดังนั้น เพื่อตรวจสอบโมลาริตีของสารละลาย 400 มล. ที่มีกลูโคส 90 กรัม ก่อนอื่นคุณต้องกำหนดจำนวนโมลของกลูโคสที่มีอยู่:

(90 ก.) × (1 โมล/180 ก.) = 0.5 โมล

หารด้วยจำนวนลิตรที่มีอยู่เพื่อกำหนดโมลาริตี:

(0.5 โมล)/(0.4 ลิตร) = 1.25 M

อนุภาคที่มีอิสระในการเคลื่อนย้ายในสารละลายจะชนกันแบบสุ่มและเมื่อเวลาผ่านไปทิศทางของ อนุภาคแต่ละอันที่เกิดจากการชนกันเหล่านี้จะหักล้างกันเพื่อไม่ให้ความเข้มข้นสุทธิเปลี่ยนแปลงไป ผล. วิธีแก้ปัญหาคือใน สมดุล ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ในทางกลับกัน หากนำตัวถูกละลายเข้าไปในส่วนของสารละลายที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นมากขึ้น ความถี่ที่เพิ่มขึ้นของ การชนกันที่ตามมาส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่สุทธิของอนุภาคจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่ต่ำกว่า ความเข้มข้น นี้เรียกว่าการแพร่กระจายและก่อให้เกิดความสำเร็จสูงสุดของสมดุล ปัจจัยอื่น ๆ คงที่

รูปภาพจะเปลี่ยนไปอย่างมากเมื่อมีการนำเยื่อกึ่งซึมผ่านเข้าสู่ส่วนผสม เซลล์ถูกห่อหุ้มด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ดังกล่าว "กึ่งซึมผ่านได้" หมายความว่าเพียงสารบางอย่างสามารถผ่านได้ในขณะที่สารอื่นไม่สามารถทำได้ ในแง่ของเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกุลขนาดเล็ก เช่น น้ำ ออกซิเจน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ สามารถเคลื่อนเข้าสู่และ ออกจากเซลล์ด้วยการแพร่อย่างง่าย โดยหลบเลี่ยงโปรตีนและโมเลกุลของไขมันซึ่งก่อตัวเป็นส่วนใหญ่ เมมเบรน อย่างไรก็ตาม โมเลกุลส่วนใหญ่ รวมทั้งโซเดียม (Na⁺), คลอไรด์ (Cl^-) และกลูโคสไม่สามารถทำได้ แม้ว่าจะมีความเข้มข้นต่างกันระหว่างภายในเซลล์กับภายนอกเซลล์ก็ตาม

ออสโมซิสการไหลของน้ำผ่านเมมเบรนเพื่อตอบสนองต่อความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่ต่างกันที่ด้านใดด้านหนึ่งของเมมเบรน เป็นหนึ่งในแนวคิดทางสรีรวิทยาของเซลล์ที่สำคัญที่สุดที่ต้องฝึกฝน ประมาณสามในสี่ของร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยน้ำ และในทำนองเดียวกันสำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ความสมดุลของของไหลและการเปลี่ยนแปลงมีความสำคัญต่อการอยู่รอดอย่างแท้จริงในช่วงเวลาหนึ่ง

แนวโน้มของออสโมซิสที่จะเกิดขึ้นเรียกว่าแรงดันออสโมติก และตัวละลายที่ส่งผลให้เกิดแรงดันออสโมติกซึ่งไม่ใช่ทั้งหมดจะเรียกว่าออสโมลเชิงรุก เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น ควรคิดว่าน้ำเป็น "ตัวถูกละลาย" ที่เคลื่อนจากด้านหนึ่งของเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านไปยังอีกด้านหนึ่งอันเป็นผลมาจากการไล่ระดับความเข้มข้นของมันเอง ในกรณีที่ความเข้มข้นของตัวถูกละลายสูงกว่า "ความเข้มข้นของน้ำ" จะต่ำกว่า ซึ่งหมายความว่าน้ำจะไหลในทิศทางที่มีความเข้มข้นสูงถึงความเข้มข้นต่ำเช่นเดียวกับออสโมลที่ทำงานอยู่อื่นๆ น้ำจะเคลื่อนที่ไปยังระยะความเข้มข้นที่เท่ากัน โดยสรุป นี่คือสาเหตุที่ทำให้คุณกระหายน้ำเมื่อคุณกินอาหารรสเค็ม: สมองของคุณตอบสนองต่อ Your เพิ่มความเข้มข้นของโซเดียมในร่างกายของคุณโดยขอให้คุณใส่น้ำเข้าสู่ระบบมากขึ้น - เป็นสัญญาณ ความกระหายน้ำ.

ปรากฏการณ์ออสโมซิสบังคับให้มีการแนะนำคำคุณศัพท์เพื่ออธิบายความเข้มข้นสัมพัทธ์ของสารละลาย ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น สารที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าสารละลายอ้างอิงเรียกว่า hypotonic ("hypo" เป็นภาษากรีกสำหรับ "under" หรือ "deficiency") เมื่อสารละลายทั้งสองมีความเข้มข้นเท่ากัน ก็จะเป็นไอโซโทนิก ("iso" หมายถึง "เหมือนกัน") เมื่อสารละลายมีความเข้มข้นมากกว่าสารละลายอ้างอิง จะเป็นไฮเปอร์โทนิก ("ไฮเปอร์" หมายถึง "มากกว่า" หรือ "เกิน")

น้ำกลั่นเป็นน้ำทะเลต่ำ น้ำทะเลมีภาวะ hypertonic ต่อน้ำกลั่น โซดาสองชนิดที่มีปริมาณน้ำตาลเท่ากันและตัวถูกละลายอื่นๆ คือไอโซโทนิก

ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับเซลล์ที่มีชีวิตหรือกลุ่มเซลล์หากเนื้อหามีความเข้มข้นสูง เมื่อเทียบกับเนื้อเยื่อรอบข้าง หมายความว่าถ้าเซลล์หรือเซลล์มีภาวะ hypertonic กับ สภาพแวดล้อม จากสิ่งที่คุณได้เรียนรู้เกี่ยวกับแรงดันออสโมติก คุณคาดว่าน้ำจะเคลื่อนเข้าสู่เซลล์หรือกลุ่มเซลล์เพื่อชดเชยความเข้มข้นของตัวถูกละลายภายในที่สูงขึ้น

นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น เซลล์เม็ดเลือดแดงของมนุษย์ที่เรียกอย่างเป็นทางการว่าเม็ดเลือดแดง ปกติแล้วจะมีรูปร่างเป็นจานและเว้าทั้งสองด้าน เหมือนเค้กที่ถูกบีบ หากใส่สารเหล่านี้ในสารละลายไฮเปอร์โทนิก น้ำจะออกจากเซลล์เม็ดเลือดแดง ปล่อยให้เซลล์ยุบตัวและมอง "แหลมคม" ใต้กล้องจุลทรรศน์ เมื่อเซลล์ถูกวางในสารละลายไฮโปโทนิก น้ำจะเคลื่อนเข้ามาและทำให้เซลล์ขยายตัว ชดเชยการไล่ระดับแรงดันออสโมติก – บางครั้งจนถึงจุดที่ไม่เพียงแต่บวมแต่แตกออก เซลล์. เนื่องจากเซลล์ที่ระเบิดภายในร่างกายโดยทั่วไปไม่ใช่ผลลัพธ์ที่น่าพอใจ เป็นที่ชัดเจนว่าการหลีกเลี่ยงความแตกต่างของแรงดันออสโมติกที่สำคัญในเซลล์ที่อยู่ติดกันในเนื้อเยื่อเป็นสิ่งสำคัญ

หากคุณออกกำลังกายเป็นเวลานาน เช่น วิ่งมาราธอนระยะทาง 26.2 ไมล์ หรือไตรกีฬา (ว่ายน้ำ ขี่จักรยาน และวิ่ง) สิ่งที่คุณกินไปก่อนหน้านี้อาจไม่ ก็เพียงพอที่จะประคับประคองคุณตลอดเหตุการณ์ เพราะกล้ามเนื้อและตับของคุณสามารถเก็บสะสมเชื้อเพลิงได้มากเท่านั้น ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในรูปของกลูโคสที่เรียกว่า ไกลโคเจน ในทางกลับกัน การกินอย่างอื่นนอกจากของเหลวในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนักอาจเป็นได้ทั้งเรื่องลอจิสติกส์และในบางคนอาการคลื่นไส้ ตามหลักแล้ว คุณควรทานของเหลวในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เพราะสิ่งเหล่านี้มักจะย่อยง่ายกว่า และคุณ ต้องการของเหลวที่มีน้ำตาลมาก (นั่นคือเข้มข้น) เพื่อส่งเชื้อเพลิงสูงสุดให้กับการทำงาน กล้ามเนื้อ

หรือคุณจะ? ปัญหาของแนวทางที่เป็นไปได้อย่างยิ่งนี้คือเมื่อสารที่คุณกินหรือดื่มเข้าไปถูกลำไส้ของคุณดูดซึม กระบวนการนี้จะขึ้นอยู่กับออสโมติก ไล่ระดับที่มักจะดึงสารในอาหารจากภายในของลำไส้ไปยังเลือดที่ซับในลำไส้ของคุณ เนื่องจากถูกกวาดขึ้นโดยการเคลื่อนไหวของ น้ำ. เมื่อของเหลวที่คุณบริโภคมีความเข้มข้นสูง นั่นคือ หากเป็นของเหลวที่เติมเกินในลำไส้ มันจะขัดขวางการไล่ระดับออสโมติกตามปกติและ "ดูด" น้ำกลับเข้าลำไส้จากภายนอกทำให้การดูดซึมสารอาหารหยุดชะงักและล้มล้างวัตถุประสงค์ทั้งหมดของการดื่มน้ำหวานบนลำไส้ ไป.

ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์การกีฬาได้ศึกษาอัตราการดูดซึมสัมพัทธ์ของเครื่องดื่มเกลือแร่ต่างๆ different ที่มีความเข้มข้นของน้ำตาลแตกต่างกัน และพบว่าผลลัพธ์ที่ "ขัดกับสัญชาตญาณ" นี้คือ ถูกต้อง เครื่องดื่มที่มีภาวะ hypotonic มักจะถูกดูดซึมได้เร็วที่สุด ในขณะที่เครื่องดื่มที่มีไอโซโทนิกและไฮเปอร์โทนิกจะถูกดูดซึมได้ช้ากว่า โดยวัดจากการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของกลูโคสในเลือด หากคุณเคยลองดื่มเครื่องดื่มเกลือแร่ เช่น Gatorade, Powerade หรือ All Sport คุณอาจสังเกตเห็นว่ารสชาติหวานน้อยกว่าโคล่าหรือน้ำผลไม้ นี่เป็นเพราะพวกเขาได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มีความอ่อนน้อมถ่อมตน

พิจารณาปัญหาที่สิ่งมีชีวิตในทะเล – นั่นคือ สัตว์น้ำที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรของโลก – เผชิญ: พวกเขา ไม่เพียงแต่อาศัยอยู่ในน้ำที่มีรสเค็มจัดเท่านั้น แต่ยังต้องได้รับน้ำและอาหารจากสารละลายไฮเปอร์โทนิกของ เรียงลำดับ; นอกจากนี้ พวกมันจะต้องขับของเสียออกมา (ส่วนใหญ่เป็นไนโตรเจน ในโมเลกุล เช่น แอมโมเนีย ยูเรีย และกรดยูริก) รวมทั้งได้รับออกซิเจนจากมัน

ไอออนเด่น (อนุภาคที่มีประจุ) ในน้ำทะเลเป็นไปตามที่คุณคาดหวัง Cl^- (19.4 กรัมต่อน้ำหนึ่งกิโลกรัม) และ Na⁺ (10.8 กรัม/กก.) ออสโมลที่ออกฤทธิ์อื่นๆ ที่มีนัยสำคัญในน้ำทะเล ได้แก่ ซัลเฟต (2.7 กรัม/กิโลกรัม) แมกนีเซียม (1.3 กรัม/กิโลกรัม) แคลเซียม (0.4 กรัม/กิโลกรัม) โพแทสเซียม (0.4 กรัม/กิโลกรัม) และไบคาร์บอเนต (0.142 กรัม/กิโลกรัม)

สิ่งมีชีวิตในทะเลส่วนใหญ่อย่างที่คุณคาดไว้นั้นเป็นไอโซโทนิกต่อน้ำทะเลอันเป็นผลสืบเนื่องมาจากวิวัฒนาการ พวกเขาไม่จำเป็นต้องใช้กลวิธีพิเศษใด ๆ เพื่อรักษาสมดุลเพราะสภาพธรรมชาติของพวกมันทำให้พวกมันสามารถอยู่รอดได้ในที่ที่สิ่งมีชีวิตอื่นไม่มีและไม่สามารถทำได้ อย่างไรก็ตาม ฉลามเป็นข้อยกเว้น ในการรักษาร่างกายที่มีภาวะไฮเปอร์โทนิกต่อน้ำทะเล พวกเขาบรรลุสิ่งนี้ด้วยสองวิธีหลัก: พวกเขาเก็บยูเรียในปริมาณที่ผิดปกติในเลือดของพวกเขาและปัสสาวะที่พวกเขาขับถ่ายนั้นเจือจางมากหรือ hypotonic เมื่อเทียบกับของเหลวภายในของพวกเขา