Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów.

Woda w organizmie człowieka. Właściwości koligatywne roztworów. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego 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 2 1

Właściwości fizyczne wodorków 6 grupy Właściwości fizyczne H 2O H 2S H 2Se 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 1,1-3 Właściwości wody: wysoka temperatura wrzenia i topnienia woda: odprowadza nadmiar ciepła z ustroju 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 4 2

~28 32 litrów 2014-10-26 Budowa cząsteczki wody nieregularny tetraedr hybrydyzaja 2sp 3 kąt między atomami wodoru a tlenem 104,5 o jest dipolem wiązanie wodorowe charakter polarny duże napięcie powierzchniowe silne wzajemne powinowactwo między cząsteczkami 5 Rozmieszczenie wody w poszczególnych przestrzeniach wodnych u mężczyzn i kobiet w wieku 20-40 lat. Liczby wyrażają procent całkowitej masy ciała mężczyźni kobiety Woda całkowita 60 54 1. Przestrzeń wodna pozakomórkowa 20 20 a) przestrzeń wodna pozakomórkowa śródnaczyniowa (osocze krwi) b) przestrzeń wodna pozakomórkowa pozanaczyniowa 5 5 15 15 c) woda transcelularna (trzecia przestrzeń) <2-3 <2-3 2. Przestrzeń wodna wewnątrzkomórkowa 40 34 ~12-14 L 6 3

Stężenia elektrolitów w płynie pozakomórkowym, wyrażone w mg/l, meq/l i w mmol/l 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 7 5 Suma kationów anionów 153 meq/l 153 meq/l Suma kationów anionów 198 meq/l 198 meq/l Na + 10 20 Cl - 3 meq HCO - 3 10 meq SO 4 - Na + 142 101 Cl - K + 160 100 fosforany K + 4 Ca + 5 Mg + 2 26 16 10 HCO 3 - białczany aniony resztkowe Ca 2+ 2 meq Mg 2+ 26 65 białczany 6 Skład jonowy surowicy krwi Skład jonowy płynu wewnątrzkomórkowego 8 4

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 9 7 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 5

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 Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 12 6

Prężność pary nasyconej nad roztworem Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego Prawo Raoulta względne obniżenie prężności pary nasyconej rozpuszczalnika nad roztworem jest wprost proporcjonalne do ułamka molowego rozpuszczonej substancji p o p p o = n N + n N liczba moli rozpuszczalnika n liczba moli nielotnej substancji rozpuszczonej p o prężność pary nasyconej czystego rozpuszczalnika p prężność pary nad roztworem p o -p = Dp obniżenie prężności pary Dp/p o względne obniżenie prężności pary 13 Prężność pary nasyconej nad roztworem prawo Raoulta Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 ilości 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 7

Prężność pary nasyconej nad roztworem prawo Raoulta Roztwory elektrolitów: Dp`= i Dp Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 p o -p = Dp obniżenie prężności pary 15 Temperatura krzepnięcia roztworów Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 DT k = T ko T k = k k * c T ko temperatura krzepnięcia czystego rozpuszczalnika T k temperatura krzepnięcia roztworu DT k obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu k k stała krioskopowa c stężenie molalne (ilość moli/kg rozpuszczalnika) 16 8

Temperatura krzepnięcia roztworów Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 k k dla wody = 1,86 K*g/mol zależy od temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika i entalpii topnienia Obniżenie temperatury krzepnięcia dla elektrolitów DT`k = i * DT k i współczynnik izotoniczny; odpowiada za zmiany związane z dysocjacją (asocjacją) rozpuszczonych związków 17 Temperatura wrzenia roztworów Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 DT w = T wo T w = k e * c T wo temperatura wrzenia czystego rozpuszczalnika T w temperatura wrzenia roztworu DT w wzrost temperatury wrzenia roztworu k k stała ebulioskopowa c stężenie molalne (ilość moli/kg rozpuszczalnika) 18 9

Temperatura wrzenia roztworów Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego 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 k e dla wody = 0,52 K*g/mol k e = R*T wo 2 * M r 1000 * DH w R stała gazowa T wo temperatura wrzenia rozpuszczalnika M r masa molowa rozpuszczalnika DH w molowa entalpia parowania rozpuszczalnika 19 Powstawanie ciśnienia osmotycznego Substancje rozpuszczone wywołują w rozpuszczalniku zmiany: obniżenie prężności pary obniżenie temperatury krzepnięcia podwyższenie temperatury wrzenia nadają roztworowi właściwości wywierania ciśnienia osmotycznego Błona półprzepuszczalna Błona półprzepuszczalna ciśnienie osmotyczne wędrówka cząsteczek wody Roztwór rozcienczony roztwór stężony stan równowagi dynamicznej 20 10

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 0 o C wywiera względem wody roztwór niedysocjującej substancji o stężeniu 1 mola/kg rozpuszczalnika. 21 Ciśnienie osmotyczne Pomiar wartości ciśnienia osmotycznego (osmolalności) dokonujemy przez: pomiar podwyższenia temperatury wrzenia lub pomiar obniżenia temperatury krzepnięcia roztworu. Obniżenie temperatury krzepnięcia o 1,86 o C odpowiada cisnieniu osmotycznemu równemu jednemu osmolowi 22 11

temperatura 2014-10-26 Osmometry Temperatura mierzona jest przy pomocy termistora, którym jest półprzewodnik metaliczny. 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 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). 23 Osmometry zasada działania czas [s] Obniżenie temperatury poniżej punktu rosy (T D ) 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 12

temperatura 2014-10-26 Osmometry t i temperatura, przy której zostaje zainicjowana krystalizacja t k obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu czas [s] niskie ciśnienie osmotyczne wysokie ciśnienie osmotyczne czas [s] uniwersalna krzywa krzepnięcia 25 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 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 26 13

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. 27 Ciśnienie osmotyczne 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 14

Ciśnienie osmotyczne 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 Ciśnienie osmotyczne 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 30 15

Osmolalność płynów ustrojowych ok. 290 mosm/kg H 2 O 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/kgh 2 O]= ostatnie dwie cyfry gęstości względnej moczu x 26 Wzrost ciśnienia osmotycznego osocza odwodnienie komórek 31 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 16

R-r hipotoniczny R-r hipertoniczny 2014-10-26 Oporność osmotyczna erytrocytów sferocyt hemoliza dyskocyt echinocyt plazmoliza 33 Równanie Nernsta 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 V = RT zf ln c zewn c wewn m NaCl = m O Na+ + RT ln a Na+ +m O Cl - + RT ln a Cl - 34 17

Równowaga Donnana (1) Początkowo A błona B rozpuszczalnik rozpuszczalnik Na + Pr - Na + Cl - c1 c1 c2 c2 W trakcie dyfuzji rozpuszczalnik rozpuszczalnik Na+ Pr - Na + Cl - Po ustaleniu stanu równowagi rozpuszczalnik rozpuszczalnik Cl - Na + Pr - Na + Cl - x c1 + x c1 c2 - x c2 x 35 Równowaga Donnana (2) Po ustaleniu stanu równowagi rozpuszczalnik rozpuszczalnik Cl - Na + Pr - Na + Cl - x c1 + x c1 c2 - x c2 x m Na+ + RT ln a Na+ +m Cl- + RT ln a Cl- = m Na+ + RT ln a Na+ +m Cl- + RT ln a Cl- dla f=1 c=a a Na+A a Cl-A = a Na+B a Cl-B c Na+A c Cl-A = c Na+B c C l-b [Na + ] A [Cl - ] A = [Na + ] B [Cl - ] B w układzie A [Cl - ] +[Pr - ] = [Na + ] w układzie B [Na + ] = [Cl - ] 36 18

Równowaga Donnana (3) [Na + ] A [Cl - ] A = [Na + ] B [Cl - ] B w układzie A [Cl - ] +[Pr - ] = [Na + ] w układzie B [Na + ] = [Cl - ] 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 37 Równowaga Donnana (4) Z tej strony, z której znajdują się jony niezdolne do dyfuzji, stężenie jonów dyfundujących tego samego znaku co białko (nie zdolne do dfuzji), 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 19

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 20

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 42 21