Осмотическая концентрация

Осмотическая концентрация , ранее известная как осмолярность , ^[1] является мерой концентрации растворенного вещества , определяемой как число осмолей (Осм) растворенного вещества на литр (л) раствора (осмоль/л или Осм/л). Осмолярность раствора обычно выражается как Осм/л (произносится как «осмолярный»), таким же образом, как молярность раствора выражается как «М» (произносится как «молярный»). В то время как молярность измеряет число молей растворенного вещества на единицу объема раствора, осмолярность измеряет число осмолей частиц растворенного вещества на единицу объема раствора. ^[2] Это значение позволяет измерить осмотическое давление раствора и определить, как растворитель будет диффундировать через полупроницаемую мембрану ( осмос ), разделяющую два раствора с различной осмотической концентрацией.

Единица

Единицей осмотической концентрации является осмоль . Это не входящая в систему СИ единица измерения, которая определяет количество молей растворенного вещества, которые вносят вклад в осмотическое давление раствора. Миллиосмоль ( мОсм ) составляет 1/1000 осмола. Микроосмоль ( мкОсм ) (также пишется как микроосмол ) составляет 1/1000000 осмола.

Типы растворенных веществ

Осмолярность отличается от молярности, поскольку она измеряет осмоли частиц растворенного вещества, а не моли растворенного вещества. Различие возникает из-за того, что некоторые соединения могут диссоциировать в растворе, тогда как другие не могут. ^[2]

Ионные соединения , такие как соли , могут диссоциировать в растворе на составляющие их ионы , поэтому между молярностью и осмолярностью раствора нет однозначного соотношения. Например, хлорид натрия (NaCl) диссоциирует на ионы Na ⁺ и Cl ⁻ . Таким образом, на каждый 1 моль NaCl в растворе приходится 2 осмоля частиц растворенного вещества (т. е. раствор NaCl концентрацией 1 моль/л — это раствор NaCl концентрацией 2 осмоля/л). Ионы натрия и хлорида влияют на осмотическое давление раствора. ^[2]

Другим примером является хлорид магния (MgCl ₂ ), который диссоциирует на ионы Mg ²⁺ и 2Cl ⁻ . На каждый 1 моль MgCl ₂ в растворе приходится 3 осмоля частиц растворенного вещества.

Неионные соединения не диссоциируют и образуют только 1 осмол растворенного вещества на 1 моль растворенного вещества. Например, раствор глюкозы 1 моль/л имеет 1 осмол/л. ^[2]

Несколько соединений могут способствовать осмолярности раствора. Например, раствор 3 Osm может состоять из: 3 моль глюкозы, или 1,5 моль NaCl, или 1 моль глюкозы + 1 моль NaCl, или 2 моль глюкозы + 0,5 моль NaCl, или любой другой подобной комбинации. ^[2]

Определение

Осмолярность раствора, выраженная в осмолях на литр (осмоль/л), рассчитывается по следующему выражению: где $\mathrm {осмолярность} =\sum _{i}\varphi _{i}\,n_{i}C_{i}$

$φ$ — осмотический коэффициент , который учитывает степень неидеальности раствора. В простейшем случае это степень диссоциации растворенного вещества. Тогда $φ$ находится в диапазоне от 0 до 1, где 1 указывает на 100% диссоциацию. Однако $φ$ также может быть больше 1 (например, для сахарозы). Для солей электростатические эффекты приводят к тому, что $φ$ становится меньше 1, даже если происходит 100% диссоциация (см. уравнение Дебая–Хюккеля );
$n$ — число частиц (например, ионов), на которые распадается молекула. Например: у глюкозы $n$ равно 1, а у NaCl — $2$ ;
$С$ — молярная концентрация растворенного вещества;
индекс $i$ представляет собой идентичность конкретного растворенного вещества.

Осмолярность можно измерить с помощью осмометра , который измеряет коллигативные свойства , такие как понижение точки замерзания , давление пара или повышение точки кипения .

Осмолярность против тоничности

Осмолярность и тоничность — это связанные, но разные понятия. Таким образом, термины, оканчивающиеся на -осмотический (изоосмотический, гиперосмотический, гипоосмотический), не являются синонимами терминов, оканчивающихся на -тонический (изотонический, гипертонический, гипотонический). Термины связаны тем, что они оба сравнивают концентрации растворенных веществ двух растворов, разделенных мембраной. Термины различаются, поскольку осмолярность учитывает общую концентрацию проникающих растворенных веществ и непроникающих растворенных веществ, тогда как тоничность учитывает общую концентрацию только не свободно проникающих растворенных веществ . ^[3]^[2]

Проникающие растворенные вещества могут диффундировать через клеточную мембрану , вызывая кратковременные изменения в объеме клетки, поскольку растворенные вещества «тянут» за собой молекулы воды. Непроникающие растворенные вещества не могут пересекать клеточную мембрану; поэтому для достижения равновесия растворов должно произойти движение воды через клеточную мембрану (т. е. осмос ) .

Раствор может быть как гиперосмотическим, так и изотоническим. ^[2] Например, внутриклеточная жидкость и внеклеточная жидкость могут быть гиперосмотическими, но изотоническими — если общая концентрация растворенных веществ в одном отсеке отличается от таковой в другом, но один из ионов может пересекать мембрану (другими словами, проникающее растворенное вещество), увлекая за собой воду, тем самым не вызывая чистого изменения объема раствора.

В медицине

Осмолярность плазмы против осмоляльности

Осмолярность плазмы, осмолярность плазмы крови , можно рассчитать из осмолярности плазмы по следующему уравнению: ^[4]

Осмолярность = осмоляльность

\times (ρ соль - c а)

где:

$ρ sol$ – плотность раствора в г/мл, которая для плазмы крови составляет 1,025 г/мл .^[5]
$c a$ – концентрация ( безводного ) растворенного вещества в г/мл – не путать с плотностью высушенной плазмы

Согласно ИЮПАК, осмоляльность — это частное от деления отрицательного натурального логарифма рациональной активности воды на молярную массу воды, тогда как осмолярность — это произведение осмоляльности и массовой плотности воды (также известной как осмотическая концентрация). ^[1]

Проще говоря, осмоляльность — это выражение осмотической концентрации растворенного вещества на массу растворителя, тогда как осмолярность — на объем раствора (таким образом, преобразование осуществляется путем умножения на массовую плотность растворителя в растворе (кг растворителя/литр раствора). ${\text{осмоляльность}}=\sum _{i}\varphi _{i}\,n_{i}m_{i}$

где $m i$ — моляльность компонента $i$ .

Осмолярность/осмоляльность плазмы важны для поддержания надлежащего электролитного баланса в кровотоке. Неправильный баланс может привести к обезвоживанию , алкалозу , ацидозу или другим опасным для жизни изменениям. Антидиуретический гормон (вазопрессин) частично отвечает за этот процесс, контролируя количество воды, которое организм удерживает из почек при фильтрации кровотока. ^[6]

Гиперосмолярность и гипоосмолярность

Концентрация осматически активного вещества называется гиперосмолярной, если высокая концентрация вызывает изменение осматического давления в ткани, органе или системе. Аналогично, она называется гипоосмолярной, если осмолярность или осматическая концентрация слишком низкая. Например, если осмолярность парентерального питания слишком высока, это может вызвать серьезное повреждение тканей. ^[7] Одним из примеров состояния, вызванного гипоосмолярностью, является водная интоксикация . ^[8]

Смотрите также

Ссылки

DJ Taylor, NPO Green, GW Stout Biological Science

^ ab McNaught, AD; Wilkinson, A.; Chalk, SJ (1997). IUPAC. Compendium of Chemical Terminology («Золотая книга») (2-е изд.). Oxford: Blackwell Scientific Publications. ISBN 0-9678550-9-8. Получено 23 января 2022 г. .
^ abcdefg Видмайер, Эрик П.; Хершель Рафф; Кевин Т. Стрэнг (2008). Vander's Human Physiology, 11-е изд . McGraw-Hill. стр. 108–12. ISBN 978-0-07-304962-5.
^ Костанцо, Линда С. (2017-03-15). Физиология . Предшественник: Костанцо, Линда С., 1947- (Шестое изд.). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN 9780323511896. OCLC 965761862.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Мартин, Альфред Н.; Патрик Дж. Синко (2006). Физическая фармация и фармацевтические науки Мартина: физико-химические и биофармацевтические принципы в фармацевтических науках. Филадельфия, Пенсильвания: Lippincott Williams and Wilkins. стр. 158. ISBN 0-7817-5027-X.
^ Шмуклер, Майкл (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность крови». The Physics Factbook . Получено 2022-01-23 .
^ Эрли, LE; Сандерс, CA (1959). «Влияние изменения осмоляльности сыворотки на высвобождение антидиуретического гормона у некоторых пациентов с декомпенсированным циррозом печени и низкой осмоляльностью сыворотки». Журнал клинических исследований . 38 (3): 545–550. doi :10.1172/jci103832. PMC 293190. PMID 13641405 .
^ Панганибан, Дженнифер; Маскаренас, Мария Р. (2021), «Парентеральное питание», заболевания желудочно-кишечного тракта и печени у детей , Elsevier, стр. 980–994.e5, doi :10.1016/b978-0-323-67293-1.00088-8, ISBN 978-0-323-67293-1, получено 2024-05-10
^ Дональдсон, Д. (1994), «Психиатрические расстройства биохимического происхождения», Научные основы биохимии в клинической практике , Elsevier, стр. 144–160, doi :10.1016/b978-0-7506-0167-2.50013-3, ISBN 978-0-7506-0167-2, получено 2024-05-10

Внешние ссылки

Онлайн-калькулятор осмолярности/осмоляльности сыворотки