PROPRIETA COLLIGATIVE o CORRELATE Si definiscono proprietà colligative delle soluzioni quelle proprietà che non dipendono dalla natura chimica del soluto ma solo dalla concentrazione delle particelle di soluto presenti nel solvente.
Teoricamente, esse dipendono dalla concentrazione del SOLVENTE, tuttavia in molti casi è più pratico descrivere i fenomeni in funzione della concentrazione del SOLUTO Le proprietà colligative o correlate delle soluzioni sono: Abbassamento della Pressione di Vapore (o Tensione di Vapore) Abbassamento crioscopico Innalzamento Ebullioscopico Pressione Osmotica
Abbassamento della Pressione di Vapore Pressione di Vapore saturo è la pressione che il vapore esercita sul suo liquido in condizioni di equilibrio La pressione di vapore saturo di una soluzione formata dai due liquidi volatili A e B è la somma delle loro pressioni di vapore parziali secondo la Legge di Dalton: P tot = P A + P B e la pressione parziale di ciascun componente è proporzionale alla sua concentrazione (frazione molare) ed alla pressione di vapore del liquido allo stato puro, secondo la Legge di Raoult: P A = A P A 0 e P B = B P B 0 dove A e B sono la frazione molare di A e B, e P A 0 e P B sono la Pressione di vapore del componente A e B allo stato puro.
Consideriamo ora, una soluzione (data dal solvente liquido volatile A) in cui il soluto (B) è un solido che non esercita pertanto una pressione di vapore (solido non volatile). Per la legge di Raoult 0 P solv = solv P solv in una soluzione il solvente non è puro, solv è minore di 1 perché nella frazione molare compare sempre il soluto, quindi la pressione di vapore della soluzione è inferiore alla pressione di vapore del solvente puro
CONSEGUENZE: innalzamento della temperatura di ebollizione (innalzamento ebullioscopico) la pressione di vapore di un liquido in una soluzione è inferiore alla pressione di vapore del liquido puro, per raggiungere la pressione ambiente sarà necessaria una temperatura superiore. L innalzamento della temperatura di ebollizione dipende dalla frazione molare del liquido Abbassamento del punto di Congelamento (abbassamento crioscopico) il soluto influenzerà la transizione tra la fase liquida e quella solida La temperatura di congelamento rappresenta le condizioni di equilibrio tra solido e liquido ad una data pressione, analogamente alla temperatura di ebollizione. Il soluto quindi riduce la concentrazione del solvente allo stato liquido, ma non è presente nella fase solida così come non è presente nella fase di vapore. In conseguenza di ciò l equilibrio liquido-solido si sposta, e la temperatura di congelamento si abbassa.
Una conseguenza fisiologica dell abbassamento della pressione di vapore riguarda la termoregolazione Durante la sudorazione le ghiandole sudoripare secernono acqua e Sali (che via via si accumulano sulla pelle). la pressione di vapore dell acqua contenuta nel sudore si abbassa in conseguenza dell accumulo dei sali, l evaporazione diventa più lenta e la termoregolazione più inefficiente. fenomeno evidente in ambienti in cui sia già presente un elevata pressione di vapore acqueo (umidità relativa) Che cosa si suggerisce per migliorare la termoregolazione?
Diffusione e Osmosi fenomeni che si manifestano di fronte a due diversi compartimenti che devono, o non devono, consentire il passaggio di soluti da un compartimento all altro. I nutrienti trasportati dal sangue devono poter entrare nelle cellule, ma il contenuto delle cellule (proteine, DNA e altro) non devono poter uscire.(membrana cellulare). Modello semplice costituito da due recipienti (contenenti soluzioni a differente concentrazione) separati da una membrana: Quando la membrana separa due compartimenti, può comportarsi in vari modi a cui corrispondono nomi differenti: 1. Membrana permeabile o setto poroso: questa membrana rallenta solo il mescolamento delle soluzioni che separa, ma è permeabile sia al soluto (o soluti) che al solvente 2. Membrana semipermeabile: lascia passare solo il solvente e non i soluti 3. Membrana selettivamente permeabile, (o Semipermeabile reale): lascia passare solo il solvente ed alcuni soluti mentre è impermeabile per la maggior parte di questi ultimi Quando due soluzioni con composizione diversa sono separate da una membrana permeabile, soluti e solvente la possono attraversare liberamente ed abbiamo il fenomeno della Diffusione; se invece la membrana è semipermeabile, i soluti non la possono attraversare ed abbiamo il fenomeno dell Osmosi
questo recipiente è diviso in due da una membrana permeabile o setto poroso e contiene, nel comparto di sinistra, un alta concentrazione di un soluto in grado di attraversare tale membrana. l equilibrio di concentrazione viene ristabilito questa è la diffusione semplice dal rapido passaggio di tale sostanza attraverso la membrana. Sia soluto che solvente attraversano la membrana permeabile secondo un gradiente di concentrazione soluto solvente
La membrana che divide questo recipiente, invece, è semipermeabile, cioè non consente il passaggio del soluto (le sue maglie sono troppo fini), ma solo il passaggio di solvente (acqua). l equilibrio di concentrazione viene ristabilito grazie al passaggio di acqua questa è l osmosi (solvente) dal compartimento di destra a quello di sinistra. Il solvente attraversa la membrana semipermeabile secondo un gradiente di concentrazione solvente (H 2 O)
Osmosi L OSMOSI è il processo attraverso il quale molecole di solvente liquido passano attraverso una membrana semipermeabile, cioè con fori di dimensioni tali da impedire il passaggio del soluto Il solvente puro (a dx) ha una tensione di vapore più alta della soluzione, per cui si ha una differente velocità di migrazione delle molecole di solvente attraverso la membrana la velocità di passaggio da solvente puro a soluzione è più veloce del pasaggio inverso per questo il contenitore ha un livello più basso in corrispondenza del solvente puro
DIFFUSIONE E PRESSIONE OSMOTICA La migrazione di una sostanza da una zona di maggiore concentrazione ad una di minore concentrazione è detta DIFFUSIONE La diffusione fa si che il risultato del mescolamento di due soluzioni diverse sia una soluzione con concentrazione uniforme. In presenza di una membrana semipermeabile, ciò non avviene e una delle due soluzioni sarà sempre più concentrata Alternativamente, si può arrestare la migrazione aumentando la pressione sulla soluzione a più alta concentrazione. La PRESSIONE OSMOTICA è la pressione che si deve esercitare per raggiungere l equilibrio osmotico (cioè per FERMARE il flusso di solvente) nella diffusione libera, le molecole di soluto (schematizzate in blu) diffondono attraverso la membrana fino ad equilibrare le concentrazioni nei due scomparti il flusso osmotico si arresta quando si crea un dislivello tale che l'aumento di pressione idrostatica conseguente all'ingresso di solvente, contrasta la pressione osmotica.
membrana semipermeabile (fa passare solo il solvente) solvente con soluto A B solvente puro flusso di solvente (osmosi) Pressione osmotica = pressione che occorre esercitare su A per bloccare il flusso osmotico
PRESSIONE OSMOTICA SOLVENTE SOLUZIONE P idrostatica
Legge di van t Hoff Jacobus Henricus van 't Hoff Rotterdam (1852) - Steglitz (1911) Premio Nobel per la Chimica 1901 la pressione osmotica, intesa come la pressione che si deve applicare per impedire la diluizione del soluto, viene misurata quantitativamente con la relazione di Van't Hoff: P = pressione osmotica PV = n RT da cui: P = RT n/v (n/v = molarità) i = RTM dove: R = costante dei gas = 0.0820 [l][atm][mol] -1 [K] -1 ; T = temperatura assoluta in K; M= concentrazione della soluzione [mol] [l] -1 ; = fattore di correzione che tiene conto del numero di molecole in soluzione ( derivanti dalla eventuale dissociazione del soluto);
Osmolarità L'equazione di Van't Hoff P V= n R T i può essere riscritta considerando che n/v=m ( Molarità della soluzione) come: P = M i R T Mi rappresenta la concentrazione totale di tutte le particelle che non possono attraversare la membrana. Questa concentrazione Mi prende il nome di osmolarità della soluzione. Quindi l OSMOLE è una mole di particelle osmoticamente attive. L'osmolarità (Osm/L) esprime la concentrazione di una soluzione, considerando il numero di particelle in essa disciolte indipendentemente dalla carica elettrica e dalle dimensioni. Come per tutte le proprietà colligative la natura chimica del soluto non influenza la pressione osmotica. L'osmolalità è una misura della concentrazione di una soluzione e rappresenta il numero di osmoli di soluto per chilogrammo di solvente. L'osmolalità è una grandezza più precisa perché non risente della temperatura ambientale e della natura della soluzione. Nel caso dell'osmolalità il numero di molecole di soluto in rapporto con quelle di solvente è costante, nell'osmolarità è variabile ma a temperatura e pressioni costanti le differenze sono normalmente trascurabili e i due termini sono usati indifferentemente!
Quando si confrontano le proprietà osmotiche di una soluzione rispetto ad una soluzione di riferimento si definisce: SOLUZIONE ISOTONICA: soluzione che contiene lo stesso numero di particelle (stessa osmolarità, stessa P) di una soluzione di riferimento. SOLUZIONE IPERTONICA: soluzione che contiene un maggior numero di particelle (maggiore osmolarità, maggiore P) di una soluzione di riferimento. SOLUZIONE IPOTONICA: soluzione che contiene un minor numero di particelle (minore osmolarità, minore P) di una soluzione di riferimento.
Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili Più una molecola è piccola e solubile nei lipidi e più facilmente attraversa la membrana Molecole grosse e polari non diffondono attraverso la membrana Piccole molecole idrofobiche Piccole molecole polari neutre Grosse molecole polari neutre Ioni O 2, CO 2 N 2 Benzene H 2 O Glicerolo Etanolo Amminoacidi Glucosio Nucleotidi H +, Na +, HCO 3 - K +, Ca 2+, Cl -, Mg 2+
Permeabilità di membrana Le piccole molecole non polari (O 2,CO 2, N 2, etc.) attraversano rapidamente la membrana Permeabilità ai gas necessaria per la respirazione cellulare Ioni e molecole non cariche non diffondono quasi per niente Molecole polari neutre, diffondono rapidamente se sono piccole abbastanza H 2 O etanolo glicerolo Veloce----------------------Lento
Pressione Osmotica e Sangue Le membrane cellulari sono membrane semipermeabili La pressione osmotica non può cambiare, altrimenti le cellule vengono danneggiate Il flusso di acqua da un globulo rosso verso l ambiente deve essere all equilibrio Una soluzione Isotonica ha la stessa pressione osmotica delle cellule del sangue 5%p/v glucosio e 0.9%p/v NaCl
La pressione osmotica in un liquido nel quale sono disciolte più sostanze è quindi fornita dall'equazione di Van't Hoff. In questo caso, la concentrazione, M,deve rappresentare la concentrazione totale di tutte le particelle che non possono attraversare la membrana. Questa concentrazione M = prende il nome di osmolarità della soluzione. Il suo valore è dato dalla somma di tutte le particelle che non attraversano la membrana. Quindi OSMOLE: mole di particelle osmoticamente attive IMPORTANTE!!!!! Da sapere a memoria e ricavare L'osmolarità del liquido intracellulare è 0.3 osmol/l. Questo significa che in un litro di questo liquido vi sono 0.3 N ( N = numero di Avogadro = 6 10 23 ) = 1.8 10 23 molecole che non attraversano la membrana. La pressione osmotica del liquido intracellulare è dunque: P = 0.30 [osmol/l] 0.082 [atm l/mol K] (273 + 37 )[K] = 7.9 atm
Osmolalità rappresenta il numero di osmoli di soluto per chilogrammo di solvente. Osmolarità rappresenta il numero di osmoli di soluto per litro di soluzione. l'osmolalità è una grandezza più precisa da gestire perché non risente della temperatura ambientale e della natura della soluzione. Nel caso dell'osmolalità il numero di molecole di soluto in rapporto con quelle di solvente è costante, nell'osmolarità è variabile, ma nelle soluzioni diluite a temperature e pressioni costantile differenti sono normalmente TRASCURABILI. Valori normali nel plasma 275-295 mosm/kg e mosm/l di (giovane adulto) / 280-301 mosm/kg e mosm/l (sopra 60 anni)
UNITÀ DI MISURA OSMOLE: indica il numero di particelle contenute in una mole di soluto non dissociato Es. 1mole di glucosio (non dissocia) corrisponde a 1 osmole (1 Osm);1mole di NaCl (dissocia in due particelle) corrisponde a 2 osmoli (2 Osm) OSMOLALITÀ: Osm/Kg OSMOLARITÀ: Osm/L L osmolalità plasmatica fisiologica è compresa tra 0.275 e 0.295 Osm/Kg e Osm/L (275-290 mosm/kg e mosm/l) È mantenuta in un ristretto intervallo da meccanismi capaci di avvertire variazioni di tonicità dell 1-2% Nota: sebbene sia il numero di osmoli per Kg (osmolalità) e non quello per Litro (osmolarità) a determinare l'entità dell'osmosi, per soluzioni molto diluite - come quelle corporee - le differenze quantitative tra osmolarità ed osmolalità sono al di sotto dell'1% (perché solo una piccola parte del loro peso deriva dal soluto). Per questo i due termini OSMOLALITÀ E OSMOLARITÀ sono spesso usati indifferentemente come sinonimi
Globuli rossi Consideriamo l ambiente cellulare interno del globulo rosso, e il plasma, che circonda e in cui sono sospese queste cellule l'isotonia rispetto ai globuli rossi è prodotta da una soluzione allo 0.9% p/v di NaCl in acqua (la più semplice soluzione fisiologica). EMOLISI: se il globulo rosso è immerso in una soluzione ipotonica, l acqua entra all interno della cellula e ne provoca lo scoppio PLASMOLISI: se il globulo rosso è immerso in una soluzione ipertonica, l acqua fuoriesce dalla cellula ed esse si raggrinzisce. Per questo è importante sapere l osmolarità e la pressione osmotica del plasma per mantenere tale parametro nei limiti fisiologici.
La dimostrazione classica della pressione osmotica e dell osmosi: eritrociti posti in soluzioni a osmolarità variabile emolisi plasmolisi plasmolisi emolisi
plasmolisi emolisi
SOLUZIONI ALTAMENTE IPERTONICHE ( osmolarita x 7 rispetto al plasma ) ALTA TOSSICITA In biologia la tonicità è la pressione osmotica effettiva di una soluzione rispetto al plasma: isotonica è una soluzione che ha la stessa pressione osmotica del plasma (es. soluzione salina allo 0,9% (anche se è leggermente ipertonica) o una di glucosio al 5%).
Osmolarità dei fluidi Il termine osmolarità si riferisce alla concentrazione dei soluti ed è basata solamente sul numero di particelle, indipendentemente dalla grandezza o dalla natura di esse. osmolarità per litro = osmol/l osmolalità per chilogrammo = osmol/kg nelle soluzioni diluite, come i fluidi corporei, dove il volume occupato dai soluti è piccolo, si preferisce calcolare la concentrazione delle particelle in termini di osmolarità Sia la membrana capillare che quasi tutte le membrane cellulari sono liberamente permeabili all acqua ma sono impermeabili ad alcuni soluti. I soluti (osmols), che non possono entrare liberamente nelle membrane dei compartimenti vengono chiamati sostanze osmolari effettive mentre quelle che possono passare liberamente la membrana cellulare vengono chiamate non effettive. Le sostanze osmolari effettive determinano la distribuzione dell acqua tra i compartimenti. Un qualsiasi cambiamento nella concentrazione di soluti osmoticamente attivi su di un lato della membrana crea un gradiente osmotico: ne consegue che l acqua verrà ridistibuita tra i compartimenti finchè sarà nuovamente raggiunta la medesima osmolarità (isosmolarità) tra i compartimenti.
Nel 1929, Walter Cannon coniò il termine OMEOSTASI (= la tendenza dell organismo a mantenere lo Stato Stazionario ) Cannon, W.B. The Wisdom of the Body, New York, W.W. Norton and Co., 1932 Walter B. Cannon 1871-1945 STATO STAZIONARIO: disequilibrio permanente, mantenuto da un flusso di energia in entrata ed in uscita dal sistema. La stazionarietà nel tempo simula l equilibrio, ma essa è semplicemente dovuta all uguaglianza del flusso netto d entrata e del flusso netto d uscita. Equilibrio dinamico Stato stazionario
I soluti nell organismo: Le principali specie ioniche Intracellulari ed Extracellulari cationi Extracellulare: Na + Intracellulare: K + anioni Extracellulare: Cl - e bicarbonato (HCO 3- ) Intracellulare: proteine, aa, fosfati» inorganici (HPO 4 2-, H 2 PO 4- )» organici (aa e ATP) Composizione Ionica intra ed extracellulare Molto differente Concentrazione ionica totale molto simile Concentrazioni osmotiche totali identiche
I Fluidi extracellulari: porte di Ingresso e di Uscita Acqua del Plasma: 1. I nutrienti assorbiti raggiungono le cellule attraverso il plasma 2. I prodotti cellulari di rifiuto passano attraverso il plasma prima della loro eliminazione Acqua dello spazio interstiziale: - punto di accesso diretto per quasi tutte le cellule del corpo (tranne quelle del sangue) Principi di distribuzione dell acqua nell organismo I sistemi di controllo dell organismo regolano ingestione/escrezione dell acqua affinchè: 1. il contenuto di acqua del corpo risulti costante 2. l osmolarità totale del corpo risulti costante L osmolarità è identica in tutti i fluidi dei compartimenti del corpo (condizioni di stato stazionario) - L acqua Del Corpo Si Ridistribuisce Come Necessario Per Realizzarlo
Intracellular Fluid Volume (ICFV) ICFV viene alterato da: Variazioni della osmolarità del fluido extracellulare ICFV NON viene alterato da: Variazioni iso-osmotiche del volume del fluido extracellulare Extracellular Fluid Volume (ECF) ECF subisce variazioni proporzionali del: 1. volume dell acqua Interstiziale 2. volume dell acqua del Plasma
L osmolarità effettiva dei fluidi extracellulari determina il volume intracellulare; il volume cellulare aumenta quando la osmolarità effettiva viene diminuita, diminuisce invece quando l osmolarità effettiva è aumentata; nessun cambiamento invece quando l osmolarità effettiva è simile all interno ed all esterno della cellula. Cause aumento osmolarità ECF 1) perdita di H2O 2)aumento dei soluti effettivi (es. mannitolo, sodio, glucosio) conseguenza globulo rosso disidratazione ipersodiemia iperglicemia infusione mannitolo 3) aumento dei soluti non effettivi (es. urea, alcool) aumento osmolarità ECF e ICF non variazioni volume cellulare globulo rosso iperazotemia (uremia) intossicazione da alcool
PRESSIONE ONCOTICA Porzione della pressione osmotica dovuta alle macromolecole Indice di funzionalità epatica Nel plasma umano: Proteina PM, kda Concent r g/l Press oncotica mmhg Albumina 69 45 21.8 Globuline 140 25 6.0 Fibrinogeno 400 3 0.2 Totale 73 28.0
APPLICAZIONI in MEDICINA Le SOLUZIONI più usate in clinica sono Soluzione Fisiologica, Soluzioni Saline bilanciate e Soluzione Glucosata 5% La soluzione di NaCl 0.9% p/v o 0.15 M, chiamata Soluzione Fisiologica dalla farmacopea, è isotonica con il sangue, perché la sua osmolarità di 0.3 Osm/l è circa uguale a quella dei liquidi intracellulari; questa soluzione rappresenta la più semplice soluzione salina ed è utilizzata per via endovenosa in clinica come integratore elettrolitico e reidratante. In realtà questa soluzione è leggermente ipertonica, (valori normali pari a 275-295mOsm/l) Un esempio di soluzione che si avvicina maggiormente alla composizione del plasma è la soluzione Ringer Lattato che è una soluzione salina bilanciata. Un altra soluzione utilizzata per infusione in clinica è una soluzione di glucosio (o destrosio) al 5 %p/v e viene chiamata comunemente Glucosata.utilizzata come reidratante.
Composizione delle soluzioni per infusione venosa RINGER Lattato (Soluzione Salina Bilanciata) Composizione: 1000 ml di acqua p.p.i. contengono: Acido lattico g 2,60 Sodio idrossido g 1,17 Sodio cloruro g 6,0 Potassio cloruro g 0,4 Calcio cloruro g 0,27 Acqua per prep. iniettabili q.b. [meq/l: (Na+) 132; (K+ ) 5; (Ca++) 4; (Cl-) 112; (Lattato come HCO 3- ) 29 Osmolarità teorica: 280mOsm/l ph compreso tra 5.5 e 7.0. Forma Farmaceutica Soluzione perfusionale sterile ed apirogena,isotonica con il sangue Categoria terapeutica :reidratante e reintegratore elettrolitico Uso : Ipodermo-fleboclisi Modalità di conservazione : conservare ad una temperatura non superiore a 30 C. GLUCOSIO 5%p/v (Glucosata) Composizione : glucosio monoidrato 50 gr in 1000 ml di acqua p.p.i. Osmolarità :277,7 mosm/l ph : 3,5-6,5 Forma farmaceutica :soluzione perfusionale sterile,apirogena,isotonica con il sangue Categoria terapeutica :reidratante Uso : Ipodermo-fleboclisi Modalità di conservazione : conservare ad una temperatura non superiore a 30 C. Sodio Cloruro 0.9%p/v (Soluzione Fisiologica) Composizione : sodio cloruro 9 gr in 1000 ml di acqua p.p.i.(per preparazioni iniettabili) Principi attivi: Sodio Cloruro 9g meq/l di Na + 154 meq/l Cl - 154 Osmolarità :308 mosm/l ph : 4,5-7 Forma farmaceutica :soluzione perfusionale sterile,apirogena (che non provoca febbre o non contiene sostanze che la provocano), Categoria terapeutica :reidratante, reintegratore elettrolitico Uso : Ipodermo-fleboclisi Modalità di conservazione : conservare ad una temperatura non superiore a 30 C.
Padova, flebo sbagliate a 4 pazienti Acqua distillata invece di fisologica 26/11/2011 Sono in via di dimissione i due pazienti tenuti in osservazione, ai quali è stata somministrata una flebo di acqua distillata al posto di una con soluzione fisiologica nel reparto di... L errore, avvenuto giovedì scorso, è stato riconosciuto dalla stessa direzione sanitaria dell azienda ospedaliera che ha chiesto scusa ai pazienti interessati e alla città. Il direttore sanitario - come riporta la stampa locale si è detto, a nome di tutta la struttura ospedaliera, particolarmente «amareggiato per l errore di somministrazione della terapia» ai pazienti,. quando il personale sanitario si è accorto dello scambio delle flebo, per non aver letto l etichetta E purtroppo molti altri casi Latte in vena, muore neonato «Omicidio colposo», sei gli indagati Drammatico errore al.: alimento iniettato al posto della soluzione fisiologica. Aperte 3 inchieste
OSMOSI INVERSA Viene utilizzata per la produzione di acqua dolce dall acqua marina. Se viene applicata alla soluzione salina una pressione superiore alla sua pressione osmotica si ha un flusso di acqua dal lato dell'acqua di mare verso quella pura
Dialisi La dialisi è un procedimento fisico con cui si separano una o più sostanze disciolte in un liquido, utilizzando una membrana semipermeabile che permette il passaggio di tali sostanze in una sola direzione. Il moto delle sostanze è dovuto essenzialmente alla differenza di concentrazione (gradiente) di tale sostanza tra i soluti nei due comparti diffusione e cessa una volta giunti all'equilibrio. L emodialisi (rene artificiale) e usata in medicina per rimuovere delle sostanze (ad esempio urea) in concentrazione tossiche (In chimica NON esistono sostanze tossiche, ma solo concentrazioni tossiche)
Reni e Dialisi I prodotti di scarto trasportati dal sangue vengono dializzati dai reni attraverso una membrana semipermeabile. Attraverso dei tubuli vengono eliminati nell Urina Nel rene artificiale questa operazione viene effettuata artificialmente Arteria Vena Uretra