Изотонические растворы

Определение и значение изотонических растворов

Изотоническими называются растворы, которые оказывают одинаковое осмотическое давление при одной и той же температуре. В биохимии и медицине этот термин особенно важен, так как именно осмотическое давление определяет движение воды через полупроницаемые мембраны клеток. Если раствор, окружающий клетку, имеет такое же осмотическое давление, как и внутриклеточная жидкость, вода не перемещается направленно через мембрану, и клетка сохраняет свою форму и объём.

Осмотическое давление и его роль

Осмотическое давление (π) прямо пропорционально молярной концентрации растворённых частиц и определяется уравнением Вант-Гоффа:

π = iCRT

где i — изотонический коэффициент (число частиц, образующихся при диссоциации вещества), C — молярная концентрация раствора, R — универсальная газовая постоянная, T — температура в Кельвинах.

Равенство осмотических давлений в различных растворах позволяет говорить об их изотоничности.

Примеры изотонических растворов

Наиболее известным примером является физиологический раствор хлорида натрия концентрацией 0,9 % (массовая доля NaCl). Его осмотическое давление примерно соответствует осмотическому давлению плазмы крови человека при температуре 37 °C. Помимо него, к изотоническим могут относиться растворы глюкозы (около 5 % по массе), некоторые смеси электролитов и буферные растворы, специально подобранные для поддержания клеточного равновесия.

Значение в биологических системах

Поддержание изотонического состояния имеет фундаментальное значение:

В медицине: внутривенные вливания проводят только изотоническими растворами, чтобы не нарушать водно-солевой баланс крови.
В физиологии: эритроциты, помещённые в изотонический раствор, сохраняют нормальную форму, тогда как в гипотоническом растворе происходит их набухание и возможный гемолиз, а в гипертоническом — сморщивание.
В фармацевтике: глазные капли и растворы для ингаляций готовят изотоническими, чтобы избежать раздражения тканей.

Методы приготовления изотонических растворов

Для расчёта состава изотонического раствора применяют метод осмотического эквивалента. Каждому веществу соответствует величина, показывающая, сколько граммов данного вещества осмотически эквивалентно 1 г хлорида натрия. Используя эти коэффициенты, можно рассчитать точное количество компонента, которое нужно растворить, чтобы получить раствор, изотоничный плазме крови.

Гипертонические и гипотонические отклонения

Гипертонические растворы обладают осмотическим давлением выше, чем у клеточного содержимого. Они вызывают выход воды из клетки, что ведёт к её обезвоживанию.
Гипотонические растворы обладают меньшим осмотическим давлением, чем внутриклеточная жидкость. В таких условиях вода поступает внутрь клетки, что может привести к её разрыву.

Именно поэтому точный расчёт изотоничности имеет критическое значение для медицины, физиологии и фармацевтики.

Физико-химические особенности

Изотоничность определяется не только концентрацией растворённого вещества, но и степенью его диссоциации. Так, одинаковая массовая доля различных электролитов не всегда создаёт одинаковое осмотическое давление. Например, раствор 0,9 % NaCl и раствор 5 % глюкозы оказывают одинаковое действие на клетки, несмотря на различия в составе и молекулярной массе веществ. Это объясняется тем, что NaCl диссоциирует на два иона, увеличивая число частиц в растворе, а глюкоза остаётся в растворе в виде недиссоциированных молекул.

Практическое применение

Изотонические растворы широко применяются:

в клинической практике для поддержания объёма циркулирующей крови;
при приготовлении лекарственных форм для парентерального введения;
в биотехнологии и клеточных культурах для сохранения жизнеспособности клеток;
в спортивной медицине и диетологии как основа гидратационных напитков, поддерживающих водно-солевой баланс организма.

Таким образом, понятие изотоничности объединяет фундаментальные законы физической химии с практическими потребностями медицины и биологии, подчёркивая связь между молекулярными свойствами веществ и физиологическими процессами организма.