Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów · Rozpuszczanie elektrolitów...

Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów

Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2

Do niedawna nasze wiadomości o gospodarce wodnej i elektrolitowej były nie tyle niewystarczające, ile bardzo mało popularne. Powiązanie z chemią i matematyką odstręczało – i w dalszym ciągu odstręcza – lekarzy od poznawania tej dziedziny medycyny. Tymczasem stanowi ona istotną składową prawie każdej specjalności, w tym szczególnie pediatrii, chirurgii i interny. Pomimo że leczenie płynami o różnym składzie jest niezbędne, tylko niewielu lekarzy stosując je ma dobrze ugruntowaną wiedzę patofizjologiczną. Nic więc dziwnego, że jatrogenne stany niedowodnienia i przewodnienia nie należą, niestety, do rzadkości.

F.Kokot, Gospodarka wodno-elektrolitowa i kwasowo-zasadowa w stanach fizjologii patologii

3

Właściwości wody:

wysoka temperatura wrzenia i topnienia

woda: odprowadza nadmiar ciepła z ustroju (wysokie ciepło parowania)

odparowanie niewielkiej ilości wody w postaci potu: wyraźne ochłodzenie ciała

bez wywoływania zmian w składzie jonowym ustroju

bez zaburzeń w gospodarce wodnej

wysokie ciepła właściwe, ciepło topnienia i parowania

duże napięcie powierzchniowe

Właściwości fizyczne H2O H2S H2Se

Temperatura topnienia [C] 0,0 -85,6 -65,9

Temperatura wrzenia [C] 100,0 -60,8 41,5

Temperatura krytyczna [C] 374,0 100,4 137,0

Ciepło topnienia [kJ/mol] 6,0 2,4 -

Ciepło parowania [kJ/mol] 40,6 18,8 -

Gęstość [g/ml] 1,0 1,0 2,0

Napięcie powierzchniowe [dyn/cm] 58,9 28,7 28,9

Moment dipolowy [D] 1,9 1,1 -

Właściwości fizyczne wodorków 6 grupy

4

Budowa cząsteczki wody

nieregularny tetraedr

hybrydyzaja 2sp3

kąt między atomami wodoru a tlenem – 104,5o

jest dipolem

wiązanie wodorowe

charakter polarny

duże napięcie powierzchniowe

silne wzajemne powinowactwo między

cząsteczkami

5

mężczyźni kobiety

Woda całkowita 60 54

1. Przestrzeń wodna pozakomórkowa 20 20

a) przestrzeń wodna pozakomórkowa 5 5

śródnaczyniowa (osocze krwi)

b) przestrzeń wodna pozakomórkowa 15 15

pozanaczyniowa

c) woda transcelularna (trzecia przestrzeń) <2 - 3 <2 - 3

2. Przestrzeń wodna wewnątrzkomórkowa 40 34

Rozmieszczenie wody w poszczególnych przestrzeniach wodnych u mężczyzn i kobiet w wieku 20 - 40 lat. Liczby wyrażają procent całkowitej masy ciała

Kationy mg/l mEq/l mmol/L

Sód 3260 142 142

Potas 160 4 4

Wapń 100 5 2,5

Magnez 24 2 1

Suma 3544 153

Aniony mg/l mEq/l mmol/L

Wodorowęglany 582 26 26

Chlorki 3586 101 101

Fosforany 34 2 1,1

Siarczany 16 1 0,5

Kwasy organiczne 245 7

Białczny 65000 16 0,9

Suma 69463 153

Stężenia elektrolitów w płynie pozakomórkowym, wyrażone w mg/l, mEq/l i w mmol/L

5

7

142 101

26

16

10

Skład jonowy surowicy krwi Skład jonowy płynu

wewnątrzkomórkowego

Suma

kationów anionów

153 mEq/l 153 mEq/l

Suma

kationów anionów

198 mEq/l 198 mEq/l

Na+

K+ 4

Ca+ 5

Mg+ 2

Cl-

HCO3-

białczany

aniony

resztkowe

160

26

100

65

10

20

Na+

K+

Mg2+

Ca2+

2 mEq

Cl- 3 mEq

HCO3- 10 mEq

SO4-

fosforany

białczany

6

8

Skład jonowy płynów ustrojowych

W płynie wewnątrzkomórkowym dominują

kationy: potasowy i magnezowy

aniony: fosforanowy i białczanowy

W płynie zewnątrzkomórkowym dominują

kationy: sodowy i wapniowy

aniony: chlorkowy i wodorowęglanowy

7

9

Rozpuszczanie ciał stałych w cieczy

Rozpuszczanie nieelektrolitów – do roztworu przechodzą pojedyncze, elektrycznie obojętne cząstki

Rozpuszczanie elektrolitów –

dysocjacja elektrolityczna – wzrost ilości cząstek zawartych w roztworze

asocjacja – obniżenie ilości cząstek w roztworze

10

Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany:

obniżenie prężności pary

obniżenie temperatury krzepnięcia

podwyższenie temperatury wrzenia

nadają roztworowi właściwości

wywierania ciśnienia osmotycznego

11

Prężność pary nasyconej nad roztworem

Prężność pary nasyconej nad roztworem –

cisnienie pary nad cieczą pozostającą

w stanie równowagi ciecz-para

Prężność pary nasyconej nad roztworem jest mniejsza od prężności pary nad czystym rozpuszczalnikiem część powierzchni cieczy zajmują nielotne cząstki substancji

rozpuszczonej

oddziaływania rozpuszczalnik – substancja rozpuszczona utrudnia przechodzenie rozpuszczalnika w stan pary

Substancje rozpuszczone wywołują

w rozpuszczalniku zmiany:

• obniżenie prężności pary

• obniżenie temperatury krzepnięcia

• podwyższenie temperatury wrzenia

• nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego

12

Prawo Raoulta – względne obniżenie prężności pary nasyconej rozpuszczalnika nad roztworem jest wprost proporcjonalne do ułamka molowego rozpuszczonej substancji

po – p n =

po N + n

N – liczba moli rozpuszczalnika n – liczba moli nielotnej substancji rozpuszczonej po – prężność pary nasyconej czystego rozpuszczalnika p – prężność pary nad roztworem po-p = p – obniżenie prężności pary p/po – względne obniżenie prężności pary

Prężność pary nasyconej nad roztworem







13

Prężność pary nasyconej nad roztworem – prawo Raoulta

Jednakowe liczby cząstek różnych substancji, rozpuszczone w określonej masie rozpuszczalnika

(w jednakowej temperaturze) wywołują jednakowe obniżenie prężności pary.

Obniżenie prężności pary nie zależy od rodzaju,

a od ilościilości rozpuszczonej substancji

dla nieelektrolitów – w czasie procesu rozpuszczania

nie zachodzą zmiany ilości cząstek (dysocjacja, asocjacja)

gdy rozpuszczaniu ulega substancja nielotna

dla roztworów rozcieńczonych (oddziaływania międzycząsteczkowe w roztworze są małe)







14

Prężność pary nasyconej nad roztworem – prawo Raoulta

Roztwory elektrolitów:

p`= i p

i - współczynnik izotoniczny – mniejszy od całkowitej sumy liczby jonów, na które rozpada się cząsteczka elektrolitu

i – wyraża wzrost względnego obniżenia prężności par nad roztworem elektrolitu w stosunku do roztworu nieelektrolitu o tym samym stężeniu

w miarę rozcieńczania i 1

po-p = p – obniżenie prężności pary







15

Temperatura krzepnięcia roztworów

Obniżenie temperatury krzepnięcia - w roztworze maleje zdolność cząstek do przechodzenia z fazy ciekłej do fazy stałej

ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonej jej cząsteczki zajmują

większą część objętości roztworu obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu nieelektrolitu

(rozcieńczonego) jest wprost proporcjonalne do stężenia molalnego

Tk = Tko – Tk = kk * c Tko – temperatura krzepnięcia czystego rozpuszczalnika Tk – temperatura krzepnięcia roztworu Tk – obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu kk – stała krioskopowa c – stężenie molalne (ilość moli/kg rozpuszczalnika)







16

Temperatura krzepnięcia roztworów

Stała krioskopowa rozpuszczalnika – wartość równa obniżeniu temperatury krzepnięcia roztworu zawierającego 1 mol nielotnej, niedysocjującej substancji, rozpuszczonej w 1000 g rozpuszczalnika, w porównaniu do czystego rozpuszczalnika

nie zależy od rodzaju rozpuszczonej substancji

wielkość charakterystyczna dla rozpuszczalnika

kk dla wody = 1,86 K*g/mol

zależy od temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika i entalpii topnienia

Obniżenie temperatury krzepnięcia dla elektrolitów

T`k = i * Tk

i – współczynnik izotoniczny; odpowiada za zmiany związane z dysocjacją (asocjacją) rozpuszczonych związków







17

Temperatura wrzenia roztworów

Podwyższenie temperatury wrzenia – konsekwencja obniżenia prężności pary nad roztworem

Ciecz wrze, gdy prężność pary nasyconej równa się ciśnieniu zewnętrznemu

wzrost temperatury wrzenia roztworu nieelektrolitu (rozcieńczonego) jest

wprost proporcjonalny do stężenia molalnego

Tw = Two – Tw = ke * c Two – temperatura wrzenia czystego rozpuszczalnika Tw – temperatura wrzenia roztworu Tw – wzrost temperatury wrzenia roztworu kk – stała ebulioskopowa c – stężenie molalne (ilość moli/kg rozpuszczalnika)







18

Temperatura wrzenia roztworów

Stała ebulioskopowa rozpuszczalnika – wartość równa podwyższeniu temperatury wrzenia roztworu zawierającego 1 mol nielotnej, niedysocjującej substancji, rozpuszczonej w 1000 g rozpuszczalnika,

w porównaniu do czystego rozpuszczalnika

nie zależy od rodzaju rozpuszczonej substancji wielkość charakterystyczna dla rozpuszczalnika ke dla wody = 0,52 K*g/mol

R*Two2 * Mr

ke = 1000 * Hw

R – stała gazowa Two – temperatura wrzenia rozpuszczalnika Mr – masa molowa rozpuszczalnika Hw – molowa entalpia parowania rozpuszczalnika







19

Powstawanie ciśnienia osmotycznego







Błona półprzepuszczalna Błona półprzepuszczalna

Roztwór rozcienczony roztwór stężony stan równowagi dynamicznej

wędrówka cząsteczek wody

ciśnienie osmotyczne

19

Właściwości ciśnienia osmotycznego W stałej temperaturze ciśnienie osmotyczne jest wprost proporcjonalne do

ilości cząsteczek osmotycznie czynnych, czyli swobodnie poruszających się w roztworze.

Ciśnienie osmotyczne przy stałej objętości zależy wprost proporcjonalnie od

temperatury Równe objętości roztworów, o takich samych ciśnieniach osmotycznych

zawierają takie same ilości cząstek osmotycznie czynnych

Ciśnienie osmotyczne roztworu zawierającego kilka rozpuszczonych substancji jest równe sumie ciśnień osmotycznych poszczególnych składników

Ciśnienie osmotyczne wyrażamy w jednostkach stężenia – osmolach. 1 osmol odpowiada ciśnieniu osmotycznemu, jakie w temperaturze 0o C wywiera względem wody roztwór niedysocjującej substancji o stężeniu 1 mola/kg rozpuszczalnika.

20

21

Ciśnienie osmotyczne

Pomiar wartości ciśnienia osmotycznego (osmolalności)

dokonujemy przez: pomiar podwyższenia temperatury wrzenia lub

pomiar obniżenia temperatury krzepnięcia roztworu.

Obniżenie temperatury krzepnięcia o 1,86oC

odpowiada cisnieniu osmotycznemu równemu

jednemu osmolowi

Osmometry

Temperatura mierzona jest przy pomocy termistora, którym jest półprzewodnik metaliczny (opornik).

Chłodzenie próbki (zamrażanie) prowadzi się przy pomocy układu Peltiera umieszczonego w bloku termostatującym.

Obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu względem temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika jest proporcjonalne do osmolarności roztworu

Praca ciągła - 24 godziny/dobę, 7 dni w tygodniu, z możliwością ciągłego zbierania danych.

Czas pomiaru poniżej 1 min.

Objętość próbki 100-200 μl

Pomiar bezpośredni osmolarności osocza, moczu, płynu mózgowo-rdzeniowego i in.

W farmacji zastosowanie do badania osmolarności leków i płynów do wlewów (krople do oczu, nosa, płyny do kroplówek).

22

Osmometry – zasada działania te

mpera

tura

czas [s]

Obniżenie temperatury poniżej punktu rosy (TD) powstaje ciecz przechłodzona Uruchomienie mieszadła powoduje gwałtowną krystalizację. Wydzielające się ciepło przemiany fazowej (ciepło krystalizacji) kompensuje ciepło odbierane przez blok termostatujący osmometru Ustala się stan równowagi (plateau), w którym temperatura próbki jest temperaturą krzepnięcia, a w równowadze występują dwie fazy (ciekła i stała).

uniwersalna krzywa krzepnięcia 23

Osmometry

ti – temperatura, przy której zostaje zainicjowana krystalizacja tk – obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu

niskie ciśnienie osmotyczne wysokie ciśnienie osmotyczne

czas [s]

tem

pera

tura

czas [s] uniwersalna krzywa krzepnięcia 24

Osmometry - zastosowania Oddziały intensywnej terapii i anestezjologii

Zatrucie alkoholem - obecność etanolu w surowicy, powoduje zwiększenie jej osmolalności. Dla każdego promila etanolu we krwi, wzrost osmolalności wynosi 23 mOs/kg.

Poparzenia - szybka ocena stanu nawodnienia organizmu w celu zastosowania szybkiej terapii.

Śpiączka cukrzycowa - osmometry kriometryczne, w przeciwieństwie do osmometrów opartych na pomiarze ciśnienia pary lub punktu rosy, dają prawidłowe wyniki niezależnie od obecności w próbce substancji lotnych. Dlatego pomiary osmolalności u chorych z kwasicą i chorych na śpiączkę hiperosmolalną są wiarygodne.

Monitorowanie pacjentów

Pooperacyjne - przy łóżku, w razie potrzeby. Pomiar osmolalności surowicy dla szybkiej analizy równowagi elektrolity /metabolity

Przy dializach nerek - podwyższona osmolalność surowicy może służyć jako wskazanie do dializowania. Możliwość monitorowania osmolalności roztworu dializatu.

W chirurgii - monitorowanie perfuzji nerek przy chirurgii nerki lub roztworów kardioplegicznych w kardiochirurgii.

Przy terapii insulinowej - szybka ocena efektów terapii insulinowej u cukrzyków

25

Osmometry - zastosowania Diagnostyka

Różniczkowa diagnostyka niedyspozycji nerek - szybka ocena osmolalności moczu i surowicy przy podawaniu diuretyków, ADH i insuliny. Znacznie lepsza diagnostyka od niepewnej metody urinometrycznej.

Bilans wolnej wody - łatwy do określenia metodą osmometryczną. Możliwość analizy również z pełnej krwi.

Ocena hiper- i hiponatremii - szczególnie ważna dla pacjentów z lipemią.

Moczówka prosta - ocena wpływu czynników humoralnych na osmolalności moczu i surowicy oraz szybkie określenie etiologii tej choroby.

Wybiórcza ocena osmolalności - możliwość określenia czy Na+, mocznik lub glukoza są przyczyną nienormalnej osmolalności surowicy.

Zaburzenia neurologiczne.

Ocena jakości roztworów

Infuzyjne płyny fizjologiczne.

Kontrola składu mieszanki dla dzieci.

Kontrola osmolalności płynów przy żywieniu pozajelitowym

Odczynniki i roztwory podstawowe używane w laboratoriach szpitalnych.

Roztwory do hodowli tkanek.

26

27


Roztwory izoosmotyczne:

roztwory oddzielone od siebie błoną idealnie

półprzepuszczalną,

zawierające taką samą ilość cząsteczek osmotycznie

czynnych

wykazujące w tej samej temperaturze jednakowe ciśnienie

osmotyczne

28


W układach biologicznych na powstanie ciśnienia

osmotycznego mogą mieć wpływ:

wzajemne oddziaływania między cząsteczkami

obecność substancji tworzących koloidy

zmiany w budowie białkowo-lipidowej błony

29


Roztwory izotoniczne:

roztwory oddzielone od siebie błoną rzeczywistą

(biologiczną)

pozostające ze sobą w równowadze osmotycznej

Izotoniczność zagwarantowana jest przez

zrównoważone stężenie elektrolitów oraz innych

związków osmotycznie czynnych w przestrzeniach

wodnych oddzielonych rzeczywistą błoną

półprzepuszczalną

Osmolalność płynów ustrojowych

ok. 290 mOsm/kg H2O

Osmolalność osocza

1,86 x [Na] + [glukoza/18] + [BUN/2,8]

Ciśnienie osmotyczne osocza

1,86 x [Na] + [glukoza/18]

Osmolalność moczu - metoda urinometryczna – obliczenie na podstawie

gęstości moczu pod warunkiem niewystępowania białkomoczu i glukozurii:

osmolalność moczu [w mmol/kgH2O]=

ostatnie dwie cyfry gęstości względnej moczu x 26

Wzrost ciśnienia osmotycznego osocza odwodnienie komórek

30

31

Oporność osmotyczna erytrocytów

dyskocyt

sferocyt

echinocyt plazmoliza

hemoliza

R-r

hip

oto

nic

zny

R-r

hip

erto

nic

zny

Ciśnienie onkotyczne

Ciśnienie onkotyczne - rodzaj ciśnienia osmotycznego powodowanego przez białka obecne w osoczu krwi (głównie albuminy – białka produkowane w wątrobie).

Ciśnienie onkotyczne równoważy hydrostatyczne ciśnienie krwi w naczyniach krwionośnych, dzięki czemu nie dochodzi do utraty wody z naczyń.

W stanach chorobowych, w których następuje obniżenie poziomu białek w osoczu (np. przy białkomoczu lub niedożywieniu), zmniejszone ciśnienie onkotyczne prowadzić może do powstania obrzęku

Pathophysiology of edema from: Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, Professional Edition, 8th

32

33

Równanie Nernsta

NaCl = Na+ + RT ln aNa+ + Cl- + RT ln aCl -

RT czewn

V = ln

zF c wewn

Potencjał chemiczny:

wielkość intensywna, ma określoną wielkość w każdym miejscu fazy,

nie zależy od jej masy, a jedynie od jej stanu wewnętrznego.

Potencjał chemiczny rządzi kierunkiem przemieszczania się

substancji chemicznych

34

A błona B

rozpuszczalnik rozpuszczalnik

Na+ Pr- Na+ Cl-

c1 c1 c2 c2

Początkowo

Równowaga Donnana (1)

W trakcie dyfuzji

Na+ Pr- Na+

Cl-

Po ustaleniu stanu równowagi

Cl- Na+ Pr- Na+ Cl-

x c1 + x c1 c2 - x c2 – x

35


Po ustaleniu stanu równowagi

Cl- Na+ Pr- Na+ Cl-

rozpuszczalnik rozpuszczalnik

x c1 + x c1 c2 - x c2 – x

Na+ + RT ln aNa+ + Cl- + RT ln aCl- = Na+ + RT ln aNa+ + Cl- + RT ln aCl-

aNa+A aCl-A = aNa+B a Cl-B

dla f=1 c=a

cNa+A cCl-A = cNa+B c C l-B

[Na+ ]A [Cl- ]A = [Na+ ]B[Cl-]B

w układzie A [Cl- ] +[Pr- ] = [Na+ ]

w układzie B [Na+ ] = [Cl- ]

NaCl = Na+ + RT ln aNa+ + Cl- + RT ln aCl - RT czewn

V = ln

zF c wewn

36


Iloczyn stężeń jonów dyfundujących znajdujących się po jednej strony równy jest iloczynowi substancji dyfundujących znajdujących się po drugiej stronie błony

W obu układach suma kationów musi być równa sumie anionów

[Na+ ]A [Cl-]A = [Na+ ]B[Cl-]B

w układzie A [Cl- ] +[Pr- ] = [Na+]

w układzie B [Na+ ] = [Cl-]

37


Z tej strony, z której znajdują się jony niezdolne do

dyfuzji, stężenie jonów dyfundujących tego samego

znaku co białko (nie zdolne do dyfuzji),

jest zawsze mniejsze, a stężenie jonów

przeciwnego znaku większe, w porównaniu do

analogicznych stężeń z sąsiadującej przestrzeni

zawierającej dyfundujące jony elektrolitu,

a nie zawierające jonu niedyfundującego.

38

Przypadek I – białko o charakterze anionu

A błona B

Na+ Pr - Na+ Cl –

Cl-

Na+A > Na+

B

Cl –A < Cl –B

39

Przypadek II – białko o charakterze kationu

A błona B

Cl- Pr + Na+ Cl –

Na+

Na+A < Na+

B

Cl –A > Cl –B

40

Właściwości roztworów wodnych Rozpuszczalność gazów w cieczach

Dyfuzja proces samorzutnego przemieszczania się cząstek z przestrzeni o stężeniu wyższym do przestrzeni o stężeniu niższym.

Szybkość dyfuzji gazów rośnie wraz ze wzrostem:

temperatury,

powierzchni wymiany,

gradientu stężeń pomiędzy gazem nad cieczą i w cieczy

Szybkość dyfuzji gazów maleje wraz ze wzrostem:

wymiaru cząsteczek, które są proporcjonalne do masy gazu,

lepkości cieczy,

długości drogi dyfuzyjnej

41

Właściwości roztworów wodnych Rozpuszczalność gazów w cieczach

Rozpuszczalność gazów w cieczy zależy od: rodzaju obu substancji, gazu i

rozpuszczalnika, „podobne rozpuszcza się w

podobnym”, reakcji towarzyszących rozpuszczaniu temperatury i ciśnienia:

masa gazu rozpuszczonego w

określonej objętości cieczy jest wprost proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego gazu znajdującego się nad roztworem.

ze wzrostem temperatury maleje rozpuszczalność gazów w cieczach

Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów · Rozpuszczanie elektrolitów...

Documents

Transcript of Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów · Rozpuszczanie elektrolitów...