La maggior parte delle persone è consapevole che i cibi salati hanno la proprietà di indurre la sete. Forse hai anche notato che i cibi molto dolci tendono a fare la stessa cosa. Questo perché il sale (come ioni sodio e cloruro) e gli zuccheri (come molecole di glucosio) funzionano come osmoli attivi una volta disciolti nei fluidi corporei, principalmente il componente sierico del sangue. Ciò significa che, quando sciolti in soluzione acquosa o equivalente biologico, hanno il potenziale per influenzare la direzione in cui si sposterà l'acqua vicina. (Una soluzione è semplicemente acqua con una o più altre sostanze disciolte in essa.)

"Tono", nel senso dei muscoli, significa "tensione" o implica in altro modo qualcosa che è fissato di fronte alla trazione concorrente forze di stile. La tonicità, in chimica, si riferisce alla tendenza di una soluzione a tirare in acqua rispetto ad altre soluzioni. La soluzione in esame può essere ipotonica, isotonica o ipertonica rispetto alla soluzione di riferimento. Le soluzioni ipertoniche hanno un significato considerevole nel contesto della vita sulla Terra.
Misurare la concentrazione

Prima di discutere le implicazioni delle concentrazioni relative e assolute delle soluzioni, è importante comprendere i modi in cui queste sono quantificate ed espresse in chimica analitica e biochimica.

Spesso, la concentrazione di solidi disciolti in acqua (o altri fluidi) è espressa semplicemente in unità di massa divise per volume. Ad esempio, il glucosio sierico viene solitamente misurato in grammi di glucosio per decilitro (decimo di litro) di siero o g /dL. (Questo uso della massa diviso per volume è simile a quello usato per calcolare la densità, tranne che nelle misurazioni della densità, c'è solo una sostanza in studio, ad esempio grammi di piombo per centimetro cubo di piombo.) Massa di soluto per unità di volume di il solvente è anche la base per misurazioni della "massa percentuale"; ad esempio, 60 g di saccarosio disciolto in 1.000 mL di acqua è una soluzione di carboidrati al 6% (60 /1.000 \u003d 0,06 \u003d 6%).

In termini di gradienti di concentrazione che influenzano il movimento di acqua o particelle, tuttavia, è importante conoscere il numero totale di particelle per unità di volume, indipendentemente dalla loro dimensione. È questa, non la massa totale del soluto, che influenza questo movimento, per quanto controintuitivo possa essere. Per questo, gli scienziati usano più comunemente la molarità (M) , che è il numero di moli di una sostanza per unità di volume (di solito un litro). Questo a sua volta è specificato dalla massa molare, o peso molecolare, di una sostanza. Per convenzione, una mole di una sostanza contiene 6,02 × 10 ^{23 particelle, derivate dal fatto che questo è il numero di atomi in esattamente 12 grammi di carbonio elementare. La massa molare di una sostanza è la somma dei pesi atomici dei suoi atomi costituenti. Ad esempio, la formula per il glucosio è C _{6H 12O 6 e le masse atomiche di carbonio, idrogeno e ossigeno sono rispettivamente 12, 1 e 16. Pertanto, la massa molare del glucosio è (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) \u003d 180 g.}}

Pertanto, per determinare la molarità di 400 ml di soluzione contenente 90 g di glucosio, devi prima determinare il numero di moli di glucosio presenti:

(90 g) × (1 mol /180 g) \u003d 0,5 mol

Dividi questo per il numero di litri presenti per determinare molarità:

(0,5 mol) /(0,4 L) \u003d 1,25 M
Gradienti di concentrazione e spostamenti di fluidi

Le particelle libere di muoversi in soluzione si scontrano a vicenda a caso, e nel tempo, le direzioni delle singole particelle risultanti da queste collisioni si annullano a vicenda in modo che non si verifichino cambiamenti netti nella concentrazione. Si dice che la soluzione sia in equilibrio in queste condizioni. D'altra parte, se viene introdotto più soluto in una porzione localizzata delle soluzioni, l'aumento della frequenza delle collisioni che segue si traduce in un movimento netto di particelle da aree di maggiore concentrazione verso aree di minore concentrazione. Questa si chiama diffusione e contribuisce al raggiungimento dell'equilibrio finale, altri fattori mantenuti costanti.

L'immagine cambia drasticamente quando vengono introdotte nel mix membrane semipermeabili. Le cellule sono racchiuse proprio da tali membrane; "semi-permeabile" significa semplicemente che alcune sostanze possono passare, mentre altre no. In termini di membrane cellulari, piccole molecole come acqua, ossigeno e anidride carbonica possono muoversi dentro e fuori la cellula attraverso una semplice diffusione, schivando le proteine e le molecole lipidiche che formano la maggior parte della membrana. La maggior parte delle molecole, tuttavia, incluso sodio (Na ^{+), cloruro (Cl -) e glucosio non possono farlo, anche quando esiste una differenza di concentrazione tra l'interno della cellula e l'esterno della cellula.
Osmosi}

L'osmosi, il flusso di acqua attraverso una membrana in risposta a concentrazioni di soluti differenziali su entrambi i lati della membrana, è uno dei concetti di fisiologia cellulare più importanti da padroneggiare. Circa tre quarti del corpo umano è costituito da acqua, e allo stesso modo per altri organismi. L'equilibrio e gli spostamenti fluidi sono vitali per la sopravvivenza letterale da un momento all'altro.

La tendenza a manifestarsi dell'osmosi si chiama pressione osmotica e risolve il risultato in una pressione osmotica, che non tutti fanno, sono chiamati osmole attivi. Per capire perché ciò accada, è utile pensare all'acqua stessa come a un "soluto" che si sposta da un lato della membrana semipermeabile all'altro a causa del proprio gradiente di concentrazione. Laddove la concentrazione di soluto è maggiore, la "concentrazione di acqua" è inferiore, il che significa che l'acqua scorrerà in una direzione da alta concentrazione a bassa concentrazione proprio come qualsiasi altra osmole attiva. L'acqua si sposta semplicemente per uniformare le distanze di concentrazione. In poche parole, questo è il motivo per cui hai sete quando mangi un pasto salato: il tuo cervello risponde all'aumentata concentrazione di sodio nel tuo corpo chiedendoti di mettere più acqua nel sistema - segnala sete.

Il Il fenomeno dell'osmosi impone l'introduzione di aggettivi per descrivere la concentrazione relativa delle soluzioni. Come accennato in precedenza, una sostanza che è meno concentrata di una soluzione di riferimento è chiamata ipotonica ("ipo" è greco per "sotto" o "carenza"). Quando le due soluzioni sono ugualmente concentrate, sono isotoniche ("iso" significa "stesso"). Quando una soluzione è più concentrata della soluzione di riferimento, è ipertonica ("iper" significa "più" o "eccesso").

L'acqua distillata è ipotonica per l'acqua di mare; l'acqua di mare è ipertonica rispetto all'acqua distillata. Due tipi di soda che contengono esattamente la stessa quantità di zucchero e altri soluti sono isotonici.
Tonicità e singole cellule

Immagina cosa potrebbe accadere a una cellula vivente o a un gruppo di cellule se il contenuto fosse altamente concentrato rispetto ai tessuti circostanti, il che significa che la cellula o le cellule sono ipertoniche all'ambiente circostante. Dato ciò che hai appreso sulla pressione osmotica, ti aspetteresti che l'acqua si sposti nella cellula o nel gruppo di cellule per compensare la maggiore concentrazione di soluti all'interno.

Questo è esattamente ciò che accade nella pratica. Ad esempio, i globuli rossi umani, chiamati formalmente eritrociti, sono normalmente a forma di disco e concavi su entrambi i lati, come una torta che è stata pizzicata. Se questi sono posti in una soluzione ipertonica, l'acqua tende a lasciare i globuli rossi, lasciandoli crollati e "appuntiti" guardando al microscopio. Quando le cellule sono poste in una soluzione ipotonica, l'acqua tende a spostarsi e gonfiare le cellule per compensare il gradiente di pressione osmotica - a volte al punto di non solo gonfiore ma scoppio delle cellule. Poiché le cellule che esplodono all'interno del corpo non sono generalmente un risultato favorevole, è chiaro che è fondamentale evitare le principali differenze di pressione osmotica nelle cellule adiacenti nei tessuti.
Soluzioni ipertoniche e nutrizione sportiva

Se sei coinvolto in un esercizio fisico molto lungo, come una maratona di corsa di 26,2 miglia o un triathlon (una nuotata, un giro in bicicletta e una corsa), qualunque cosa tu abbia mangiato in precedenza potrebbe non essere sufficiente per sostenerti per la durata dell'evento perché i tuoi muscoli e il fegato può immagazzinare solo così tanto combustibile, la maggior parte dei quali è sotto forma di catene di glucosio chiamate glicogeno. D'altra parte, ingerire qualsiasi cosa oltre ai liquidi durante un intenso esercizio fisico può essere sia logisticamente difficile che, in alcune persone, indurre la nausea. Idealmente, quindi, assorbiresti liquidi di qualche forma perché questi tendono ad essere più facili sullo stomaco e vorresti un liquido molto zuccherato (cioè concentrato) in modo da fornire il massimo carburante ai muscoli che lavorano.

O lo faresti? Il problema con questo approccio molto plausibile è che quando le sostanze che mangi o bevi vengono assorbite dall'intestino, questo processo si basa su un gradiente osmotico che tende a trascinare le sostanze negli alimenti dall'interno dell'intestino al sangue che riveste il tuo intestino, grazie a essere spazzato dal movimento dell'acqua. Quando il liquido che consumi è altamente concentrato, ovvero se è ipertonico ai fluidi che rivestono l'intestino, interrompe questo normale gradiente osmotico e "risucchia" l'acqua dall'intestino dall'esterno, causando lo stallo e la sconfitta dell'assorbimento dei nutrienti l'intero scopo di assumere bevande zuccherate in viaggio.

In effetti, gli scienziati sportivi hanno studiato i tassi di assorbimento relativi di diverse bevande sportive contenenti diverse concentrazioni di zucchero e hanno trovato questo risultato "controintuitivo" come corretto uno. Le bevande ipotoniche tendono ad essere assorbite più rapidamente, mentre le bevande isotoniche e ipertoniche vengono assorbite più lentamente, come misurato dalla variazione della concentrazione di glucosio nel plasma sanguigno. Se hai mai provato bevande sportive come Gatorade, Powerade o All Sport, probabilmente avrai notato che hanno un sapore meno dolce delle cole o del succo di frutta; questo perché sono stati progettati per essere a basso contenuto di tonicità.
Ipertonicità e organismi marini

Considera il problema che devono affrontare gli organismi marini, ovvero gli animali acquatici che vivono specificamente negli oceani terrestri: vivono solo in acqua estremamente salata, ma devono ottenere la propria acqua e cibo da questa sorta di soluzione altamente ipertonica; inoltre, devono espellere i prodotti di scarto (principalmente azoto, molecole come ammoniaca, urea e acido urico) e ricavarne ossigeno.

Gli ioni predominanti (particelle cariche) nell'acqua di mare sono , come ci si aspetterebbe, Cl ^{- (19,4 grammi per chilogrammo di acqua) e Na + (10,8 g /kg). Altri osmoli attivi significativi nell'acqua di mare includono solfato (2,7 g /kg), magnesio (1,3 g /kg), calcio (0,4 g /kg), potassio (0,4 g /kg) e bicarbonato (0,142 gr /kg).}

La maggior parte degli organismi marini, come ci si potrebbe aspettare, sono isotonici dell'acqua di mare come conseguenza fondamentale dell'evoluzione; non hanno bisogno di usare alcuna tattica speciale per mantenere l'equilibrio perché il loro stato naturale ha permesso loro di sopravvivere dove altri organismi non hanno e non possono. Gli squali, tuttavia, fanno eccezione, mantenendo corpi ipertonici dell'acqua di mare. Raggiungono questo obiettivo attraverso due metodi principali: trattengono una quantità insolita di urea nel sangue e l'urina che espellono è molto diluita o ipotonica, rispetto ai loro fluidi interni.