Що таке гіпертонічний розчин?

Більшість людей усвідомлює, що солона їжа має властивість викликати спрагу. Можливо, ви також помічали, що дуже солодка їжа, як правило, робить те саме. Це пояснюється тим, що сіль (як іони натрію та хлориду) та цукри (як молекули глюкози) функціонують як активні осмоли при розчиненні в рідинах організму, насамперед сироватковому компоненті крові. Це означає, що при розчиненні у водному розчині або біологічному еквіваленті вони можуть впливати на напрямок, в якому рухатиметься вода поблизу. (Розчин - це просто вода з розчиненою в ній однією або кількома іншими речовинами.)

"Тон" у розумінні м'язів означає "напруженість" або іншим чином передбачає щось, що фіксується перед конкуруючими силами, що тягнуть. Тонічністьу хімії відноситься до тенденції розчину втягувати воду у порівнянні з іншим розчином. Вивчається рішення може бути гіпотонічний, ізотонічний або гіпертонічна порівняно з еталонним рішенням. Гіпертонічні розчини мають значне значення в контексті життя на Землі.

Перш ніж обговорювати наслідки відносної та абсолютної концентрацій розчинів, це важливо зрозуміти способи їх кількісного визначення та вираження в аналітичній хімії та біохімія.

Часто концентрація твердих речовин, розчинених у воді (або інших рідинах), виражається просто в одиницях маси, поділених на об’єм. Наприклад, рівень глюкози в сироватці крові зазвичай вимірюється в грамах глюкози на децилітр (десята частина літра) сироватки або г / дл. (Це використання маси, поділеної на об’єм, подібне до того, що використовується для обчислення щільності, за винятком того, що у вимірах щільності існує лише одна речовина наприклад, грами свинцю на кубічний сантиметр свинцю.) Маса розчиненої речовини на одиницю об'єму розчинника також є основою для "відсоткової маси" вимірювання; наприклад, 60 г сахарози, розчиненої в 1000 мл води, є 6-відсотковим розчином вуглеводів (60/1000 = 0,06 = 6%).

З точки зору градієнтів концентрації, які впливають на рух води або частинок, важливо знати загальну кількість частинок в одиниці об’єму, незалежно від їх розміру. Саме ця, а не загальна маса розчиненої речовини впливає на цей рух, хоча це може бути протиінтуїтивно. Для цього вчені найчастіше використовують молярність (М), що являє собою кількість молей речовини в одиниці об’єму (як правило, літр). Це, в свою чергу, визначається молярною масою або молекулярною масою речовини. За домовленістю, один моль речовини містить 6,02 × 10²³ частинки, отримані з цього числа атомів у точно 12 грамах елементарного вуглецю. Молярна маса речовини - це сума атомних ваг складових атомів. Наприклад, формулою глюкози є С₆H₁₂О₆ а атомні маси вуглецю, водню та кисню становлять 12, 1 та 16 відповідно. Отже, молярна маса глюкози становить (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 г.

Таким чином, щоб визначити молярність 400 мл розчину, що містить 90 г глюкози, спочатку визначають кількість молей глюкози:

(90 г) × (1 моль / 180 г) = 0,5 моль

Поділіть це на кількість присутніх літрів, щоб визначити молярність:

(0,5 моль) / (0,4 л) = 1,25 М

Частинки, які вільно рухаються в розчині, стикаються між собою навмання, і з часом напрямки окремі частинки, отримані в результаті цих зіткнень, анулюють одна одну так, що не відбувається чистої зміни концентрації результати. Кажуть, що рішення є в рівновагу за цих умов. З іншого боку, якщо в локалізовану частину розчинів вводиться більше розчиненої речовини, збільшується частота наступні зіткнення призводять до чистого переміщення частинок з областей вищої концентрації в зони меншої концентрація. Це називається дифузією і сприяє остаточному досягненню рівноваги, інші фактори підтримуються постійно.

Картина різко змінюється, коли в суміш вводяться напівпроникні мембрани. Клітини укладені саме такими мембранами; "напівпроникний" означає просто те, що одні речовини можуть проходити, тоді як інші - ні. Що стосується клітинних мембран, дрібні молекули, такі як вода, кисень і газ вуглекислий газ, можуть переходити в і виходять з клітини за допомогою простої дифузії, ухиляючись від білків і молекул ліпідів, що утворюють більшу частину мембрана. Однак більшість молекул, включаючи натрій (Na⁺), хлорид (Cl^-), а глюкоза не може, навіть коли існує різниця концентрацій між внутрішністю клітини та зовнішнім елементом клітини.

Осмос, потік води через мембрану у відповідь на різну концентрацію розчиненої речовини по обидва боки мембрани є однією з найважливіших концепцій клітинної фізіології для засвоєння. Приблизно на три чверті людського тіла складається з води, як і для інших організмів. Баланс рідини та зрушення життєво необхідні для буквального виживання від моменту до моменту.

Тенденція осмосу називатися осмотичним тиском, а розчинені речовини, що призводять до осмотичного тиску, що не у всіх з них, називаються активними осмолами. Щоб зрозуміти, чому це трапляється, корисно думати про саму воду як про «розчинену речовину», яка рухається від одного боку напівпроникної мембрани до іншого в результаті власного градієнта концентрації. Там, де концентрація розчиненої речовини вища, "концентрація води" нижча, що означає, що вода буде текти у напрямку з високою до низькою концентрацією, як і будь-яка інша активна осмола. Вода просто рухається, щоб вирівняти відстань концентрації. У двох словах, ось чому ви відчуваєте спрагу, коли їсте солону їжу: ваш мозок реагує на підвищена концентрація натрію в організмі, просячи ввести більше води в систему - це сигналізує спрага.

Явище осмосу змушує вводити прикметники для опису відносної концентрації розчинів. Як зазначалося вище, речовина, яка менш концентрована, ніж еталонний розчин, називається гіпотонічною ("гіпо" по-грецьки означає "недостатньо" або "дефіцит"). Коли два розчини однаково концентровані, вони ізотонічні («iso» означає «однаковий»). Коли розчин більш концентрований, ніж еталонний розчин, він гіпертонічний ("гіпер" означає "більше" або "надлишок").

Дистильована вода гіпотонічна морській воді; морська вода гіпертонічна до дистильованої. Два види соди, що містять рівно однакову кількість цукру та інших розчинених речовин, є ізотонічними.

Уявіть, що може статися з живою клітиною або групою клітин, якби вміст був висококонцентрованим порівняно з навколишніми тканинами, тобто якщо клітина або клітини гіпертонічні до своїх оточення. Враховуючи те, що ви дізналися про осмотичний тиск, ви очікуєте, що вода буде надходити в клітину або групу клітин, щоб компенсувати більшу концентрацію розчинених речовин у внутрішній частині.

Це саме те, що відбувається на практиці. Наприклад, еритроцити людини, які офіційно називаються еритроцитами, зазвичай мають форму диска і ввігнуті з обох сторін, як затиснутий корж. Якщо їх помістити в гіпертонічний розчин, вода, як правило, залишає червоні кров’яні тільця, залишаючи їх зруйнованими і «колючими», що виглядають під мікроскопом. Коли клітини поміщають у гіпотонічний розчин, вода, як правило, рухається всередину і роздуває клітини зсув градієнта осмотичного тиску - іноді до межі не просто набухання, а розриву клітин. Оскільки клітини, що вибухають всередині тіла, як правило, не є сприятливим результатом, очевидно, що уникнення значних перепадів осмотичного тиску в сусідніх клітинах у тканинах є критичним.

Якщо ви зайняті дуже тривалими вправами, такими як біговий марафон довжиною 26,2 милі або триатлон (плавання, їзда на велосипеді та біг), все, що ви з'їли заздалегідь, може не вистачить, щоб підтримати вас на час події, оскільки ваші м’язи та печінка можуть зберігати лише стільки палива, більшість з яких у формі ланцюгів глюкози, глікоген. З іншого боку, приймати все, крім рідини під час інтенсивних фізичних вправ, може бути як логістично складним, так і у деяких людей викликати нудоту. Тоді в ідеалі ви б вживали рідини певної форми, оскільки вони, як правило, легше діють на шлунок, і вам хотіли б дуже важку (тобто концентровану) рідину з цукром, щоб доставити максимум палива робочим м’язи.

Чи ти хотів би? Проблема цього дуже правдоподібного підходу полягає в тому, що коли речовини, які ви їсте або п'єте, всмоктуються кишечником, цей процес покладається на осмотичний градієнт, який має тенденцію втягувати речовини, що містяться в їжі, зсередини кишечника до крові, що вистилає ваш кишечник, завдяки тому, що рухається води. Коли рідина, яку ви вживаєте, сильно концентрована - тобто, якщо вона гіпертонічна до рідин, що вистилають кишечник, - це порушує цей нормальний осмотичний градієнт і "всмоктує" воду ззовні в кишечник, спричиняючи зупинку поглинання поживних речовин і перемагаючи ціль прийому солодких напоїв на піти.

Насправді спортивні вчені вивчали відносні показники поглинання різних спортивних напоїв містять різні концентрації цукру і виявили, що цей "протиінтуїтивний" результат є правильний. Гіпотонічні напої, як правило, засвоюються найшвидше, тоді як ізотонічні та гіпертонічні напої засвоюються повільніше, як вимірюється зміною концентрації глюкози в плазмі крові. Якщо ви коли-небудь пробували такі спортивні напої, як Gatorade, Powerade або All Sport, ви, мабуть, помічали, що на смак вони менш солодкі, ніж кола або фруктовий сік; це тому, що вони спроектовані з низькою тонічністю.

Розглянемо проблему, з якою стикаються морські організми - тобто водні тварини, які особливо мешкають в океанах Землі: вони не тільки живуть у надзвичайно солоній воді, але й повинні отримувати власну воду та їжу з цього надзвичайно гіпертонічного розчину сортування; крім того, вони повинні виділяти в нього відходи (переважно як азот, у таких молекулах, як аміак, сечовина та сечова кислота), а також отримувати з них кисень.

Переважаючими іонами (зарядженими частинками) у морській воді є, як і слід було очікувати, Cl^- (19,4 грам на кілограм води) та Na⁺ (10,8 г / кг). Інші активні осмоли, що мають значення у морській воді, включають сульфат (2,7 г / кг), магній (1,3 г / кг), кальцій (0,4 г / кг), калій (0,4 г / кг) та бікарбонат (0,142 г / кг).

Більшість морських організмів, як можна було очікувати, є ізотонічними для морської води як основний наслідок еволюції; їм не потрібно застосовувати жодної спеціальної тактики для підтримання рівноваги, оскільки їх природний стан дозволив їм вижити там, де інших організмів немає і не можуть. Акули, однак, є винятком, зберігаючи тіла, які гіпертонічні до морської води. Вони досягають цього двома основними методами: Вони утримують незвичну кількість сечовини в крові, а сеча, яку вони виділяють, дуже розріджена або гіпотонічна у порівнянні з їх внутрішньою рідиною.