Topics - acid , base , buffer - unit of concentration - water : body water ; properties of water - solution : solubility ; physical properties - colloidal state - Gibbs-Donnan equilibrium - transport of small molecules across membrane - clinical application Physicochemical Principles “เป็ นการใช้ หลักของฟิ สิ กส์ และเคมี เพื่ออธิบายการ เปลีย่ นแปลงทีเ่ กิดขึน้ กับส่ วนประกอบต่ างๆในร่ างกาย ของสิ่ งมีชีวติ ” WATER : H2O Body water (w/w) adult baby Total body water (TBW) 60% 70% : Intracellular fluid (ICF) 40% 40% : Extracellular fluid (ECF) 20% 30% 5% 5% 15% 25% - intravascular (IVF) - interstitial (ISF) Note: ISF (intercellular fluid) มีส่วนประกอบเหมือน plasma เพราะเป็ นของเหลวทีซ่ ึมผ่ านผนังหลอดเลือดฝอย แบ่ งเป็ น นา้ เหลือง (lymph) และ นา้ ผ่ านเซลล์ น้ำผ่ำนเซลล์ (transcellular fluid) ได้แก่ - น้ำตำมข้อ (joint or synovial fluid) - น้ำในเยือ ่ บุช่องท้อง (peritoneal fluid) - น้ำในโพรงเยือ ่ หุ้มปอด (pleural fluid) - น้ำในถุงเยือ ่ หุ้มหัวใจ (pericardial fluid) - น้ำไข้สน ั หลัง (cerebrospinal fluid or CSF) - น้ำคัดหลั่งต่ำงๆ (secretion) ได้แก่ น้ำในลูกตำ น้ำย่อยอำหำร น้ำจำกต่อมเหงื่อ ปริ มาณน้าในเนื้อเยือ่ ต่ างๆ Dental enamel 3% liver 75% Bones (s marrow) 22-23% heart 79% Adipose tissue kidney 10-30% 81-83% Cartilages 55% brain (gray) 86% Skin 70% brain (white) 70% CNT 80% bone (c marrow) 46% Muscles LENS 75-80% 99% Properties of water - Non bonded e- pair .. . .o H + 104.5 ๐ H + Polar molecule -unusual physical & chemical properties : Molecular structure & intermolecular force ICE COMPLETE AGGREGATE LIQUID WATER MIXTURE OF SMALLER AGGREGATES & INDIVIDUAL MOLECULES VAPOR WATER INDIVIDUAL MOLECULES Empty space Vapor water Ice Liquid water ENERGY OF CHEMICAL BOND TYPE OF INTERACTION BOND ENERGY (KJ/MOLE) 1.COVALENT BOND 250-500 2.IONIC BOND (ION PAIR) 400-4000 IN THE ABSENT OF SOLVENT ; MUCH SMALLER IN AN AQUEOUS + SOLUTION; USUALLY LESS THAN 50 3.POLAR BOND 3.1 ION – DIPOLE 40-600 3.2 DIPOLE – DIPOLE 1-25 4. H-BOND (SPECIAL DIPOLE-DIPOLE) 2-40 5.VAN DER WAALs 0.1-4 (TEMPORARY DIPOLE-DIPOLE) 6.HYDROPHOBIC NORMALLY CLOSE TO 3 BOND ENERGY OF H- BOND = 5 kcal/mol BOND ENERGY OF COVALENT BOND = 110 kcal/mol Liquid form = tetrahedral (closely packed) Solid form = open lattice (hexagonal) (ความหนาแน่ นน้ อย) คุณสมบัตพิ เิ ศษบางประการของนา้ 1.High solubility power : polarity & H-bonding capacity : substances with ionic or polar covalent bonds : universal solvent 2.High specific heat ความร้อนที่ใช้ในการทาให้น้ า 1 g มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°C เก็บความร้อนได้ 1 cal, Fe = 0.11, ether =0.56 : heat buffer 3.HIGH LATENT HEAT ปริ มาณความร้อนที่ใช้หรื อถูกปล่อยออกมาในการเปลี่ยนสถานะของสาร : ความร้อนที่ใช้ในการทาให้น้ า 1 g เปลี่ยนสถานะเป็ นไอที่ 100°C, sweat 0.54 kcal/ml 4.HIGH HEAT CONDUCTIVITY : เป็ นการไหลของความร้อนจากที่ที่ T สู งไปยังที่ที่ T ต่ากว่า 5.HIGH DIELECTRIC CONSTANT F = q1q2 (Coulomb’s Law) Dr2 Where: F = electrostatic force q1, q2 = electrically charge particles r = separation distance D = dielectric constant : H2O = 78.55 CCl4 = 2.24 , BENZENE = 2.28 6.HIGH CATALYTIC ACTION 7.HIGH LUBRICATIVE ACTION 8.HIGH SURFACE TENSION , INTERFACIAL TENSION : This tension is the result of unbalanced attraction of the molecules to each other Surface film a b c d e f Surface active substance beads Non polar wax GLASS (POLAR) H2O Si-O แรงตึงผิวของน้ าเป็ นพลังงานชนิดหนึ่งมีค่า 75 dyne/cm Cohesive force : แรงดึงดูดของอนุภาคชนิดเดียวกัน Adhesive force : แรงดึงดูดของอนุภาคต่ างชนิดกัน ความเครียดพืน้ ผิว (แรงตึงผิว) อาจเปลีย่ นแปลงได้ 1.อุณหภูมิ : temp surface tension 2. เติมสารบางอย่างลงไป : เกลือต่างๆ surface tension สบู่, น้ ามัน, protein, bile salts (surfactant) surface tension surfactant, surface active substance = สารลดแรงตึงผิว ในร่ างกายเรา มีสารอยู่ 3 ประเภท 1. Polar compound : ละลายได้ในน้ า (polarity, H-bond) 2. Non polar compound : ละลายได้ใน organic solvent (Van-der-Waals & hydrophobic attraction) 3. Amphipathic molecules : เช่น bile salts, sodium lauryl (laureth) sulfate, phospholipid ใน molecules มีท้ งั ส่ วนมีข้ วั และส่ วนไม่มีข้ วั sodium lauryl sulfate, SLS Polar head Hydrophobic tail Micelle ในการกาจัดสงิ่ สกปรกมักใช ้ SLS > PL เพราะมีขนาดเล็ก ทาให ้เกิดฟองและกาจัดสงิ่ สกปรกได ้ดีกว่า ี ของ SLS คือ สะสมในร่างกายได ้ เชน ่ ในรากผม - ข ้อเสย ทาให ้ผมร่วง, ในตับ ไต หัวใจ อาจทาให ้เป็ นมะเร็ง ดังนัน ้ การใช ้ SLS ในน้ ายาสระผม, สบู,่ น้ ายาล ้างจาน (detergent) ้ จึงควรใชในปริ มาณน ้อยๆ และล ้างออกให ้หมด Emulsion : Emulsifying agent or emulsifier นา้ นม : เคซีน , แอลบูมีน (emulsion ของไขมันในนา้ ) นา้ สลัด : ไข่ แดง (emulsion ของนา้ มันกับนา้ ส้ ม) การทางานของสบู่ในการกาจัดคราบไขมัน SOLUTION MOLECULAR SOLUTION IONIC SOLUTION -ของแข็ง ของเหลว ก๊ าซ -solvent & solute -aqueous solution : H2O (solvent) TRUE SOLUTION Examples of solutions Solid solutions gas in a solid liquid in a solid solid in a solid Amalgam (alloy of murcury with another metal (used in making dental fillings)) Rubber cement (toluene in rubber) Steel (carbon in iron) Gaseous solutions gas in a gas Air liquid in a gas (if droplets are present, colloidal system) solid in a gas (if particles are present, colloidal system) Liquid solutions gas in a liquid Carbonated beverages liquid in a liquid Vinegar , gasoline solid in a liquid Seawater ปัจจัยต่ างๆที่ช่วยในการละลาย 1. Nature of solute & solvent : like dissolves like : substances with similar bonding , structures and intermolecular forces will be mutually soluble solubility : the amount that will dissolve in a given solvent to produce saturated sol. (at a given T.) Miscibility : 2.Temp. : โดยทัว่ ไป temp solubility เช่น (NH4)2SO4 SUNDISSOLVED + SOLUTION + HEAT OF SOLUTION MORE CONCENTRATED SOLUTION Li2CO3, Ca(OH)2 Gas : temp temp solubility solubility Gasundissolved + SOLUTION MORE CONCENTRATED SOLUTION + HEAT OF SOLUTION NaCl ไม่เปลี่ยนแปลง 3.Pressure Solubility of gas partial pressure of that gas above solution Henry’s law (pressure solubility law) Cg = kgPg (at constant temp.) : decompression sickness (Caisson’s disease, bends) Air : O2 20%, N2 80% -high-altitude flyers -Deep-sea divers -Pressurized caissons :rapid changes in atmospheric pressure :Formation of N2 gas bubbles called the bends -cause intense pain , loss of function, deafness, paralysis and intravascular clotting, death -joints , adipose and other tissues : if gradual , the dissolved gases are removed by regular exhalation and diffusion through the skin : helium-oxygen mixture instead of air 4. พื้นผิวสัมผัส : ถ้ามาก 5. การคนหรื อเขย่า : rate of dissolution rate of dissolution 1)-3) : solubility 4)-5) : rate of dissolution , ไม่เพิม ่ solubility solubility = rate of dissolution solubility -saturated solution -unsaturated solution -supersaturated solution : solvent holds more solute than it can normally hold at a given temp. Eg. Sat.soln of glycine at 80°c without agitation no crystal cool to 30°c supersat.soln are not stable , slightly disturb or seeded with a dust particle or a crystalline produces crystal rapidly Colloidal state (colloidal dispersion) - ~90 % ของสารอินทรี ยใ์ นเนื้อเยือ่ ของสิ่ งมีชีวิตจะอยูใ่ นสภาพของ colloids (colloidal solution) -Thomas Graham (1861) แบ่งสารเป็ น 2 ประเภท 1. Crystalloids : sucrose , copper sulfate 2. Colloids : gelatin , glue , starch paste Colloidal state -modern concept : based on size of particles dispersed in the medium -crytalloidal soln : homogeneous , solutes are present in molecular or ionic state , uniformly distributed -colloidal systems are heterogeneous : 2 phases medium = dispersion medium (peptizing agent) = solvent particles (micelle) = dispersed phase = solute (cluster of molecules) Types of colloidal systems 1. sol : เป็ นภาวะทีข่ องแข็งกระจายอยู่ใน ของแข็ง ของเหลว หรื อ ก๊ าซ 2. gel : เป็ นภาวะทีข่ องแข็งทีม่ ีความเข้ มข้ นสู งกระจายอยู่ในของเหลว 3. emulsion : เป็ นภาวะทีข่ องเหลวชนิดหนึ่งกระจายอยู่ในของเหลวอีกชนิด หนึ่งโดยที่ของเหลวทั้งสองชนิดไม่ ละลายในกันและกัน 4. foam : เป็ นภาวะทีก่ ๊ าซกระจายอยู่ในของเหลว Both phases may be solids , liquids or gases except no colloidal dispersion of gas in gas Examples of colloids Dispersed phase Dispersing medium type gas gas - gas liquid foam gas solid Solid foam colloids none Soap suds Activated charcoal , marshmallows liquid gas Liquid aerosol Fog , clouds liquid liquid emulsion Milk , mayonnaise liquid solid Solid emulsion Cheese , butter solid gas smoke Smoke , dust in smog solid liquid sol solid solid solid sol Coffee , tea , jelly , plasma extender , protoplasm Alloys , black diamond , pearls Tyndall effect ( Tyndall phenomenon) - พบเฉพาะใน colloidal solution เท่ านั้น - Colloidal particles scatter the light and make the path of the light beam visible Brownian movement - เกิดจากอนุภาคของนา้ buffeting and collision ของอนุภาค colloids ทีถ่ ูก ล้อมรอบโดยmolecule ของ dispersion medium Types of colloids : 2 types (ability to take up dispersion medium) 1. Lyophilic colloids (=solvent loving) or emulsoids : have a great attraction for dispersion medium Hydration shells (solvation spheres) Eg. Starch , egg albumin , blood protein , soap ไม่ stable เหมือน emulsion ถาวร 2. Lyophobic colloids (=solvent hating) or suspensoid : ไม่ ชอบ dispersion medium ไม่ มีเปลือกนา้ มาหุ้มหรื อมีบางมาก จึงมีโอกาสตกตะกอนได้ ง่ายแบบเดียวกับ suspension Eg. Colloidal metals (gold , silver) Kaolin (native hydrated aluminium silicate) Theodore W. Richards (1868-1928) The first American to receive the Nobel Prize In Chemistry in 1914) Gold - dispersion medium เป็ นน้ า : hydrophilic & hydrophobic colloids - hydrophilic colloid อยูต่ วั ดีมาก , ตกตะกอนได้ยาก เมื่อตกตะกอนด้วย การเติมเกลือ (salting out) แล้วก็เอากลับมาละลายได้อีก - hydrophobic colloid ตกตะกอนได้ง่ายกว่า เมื่อตกตะกอน แล้วจะไม่ สามารถกลับละลายได้อีก เนื่องจากขนาดของตะกอนใหญ่กว่า Electrical charges on colloids 2 ways 1. Groups on the surface of colloidal particles may ionize eg. Proteins R + NH3 CH COOH R + NH3 CH COO- H+ Acidic cation R NH2 CH COOH+ Zwitterions Basic anion 2. Ions from the medium may be absorbed on the surface of colloidal particles Carrying like charges repel each other Electrophoresis or cataphoresis เป็ นการแยกสาร colloid วิธีหนึ่ง เช่ น การแยก plasma proteins ชนิดต่ างๆ, การแยกสารโดยใช้ charge & size Stability of colloids 1. charges on colloids 2. size of colloids 3. solvation layer : ถ้าหนาจะ stable 4. constant movement of particles Any procedure that tends to diminish the effect of one or more of the stabilizing factors tends also to precipitate the colloids 1. การเปลีย่ น pH : เป็ นหลักการของ isoelectric point (pI = pH of soln at which the molecules show no migration in an electric field) ที่ pI อนุภาคจะมี net charge = 0 จึงตกตะกอนได้ ง่ายทีส่ ุ ด 2. การเติม colloid ทีม่ ปี ระจุตรงข้ ามกัน (mutual precipitation) เกิดจากการทาลายประจุซึ่งกันและกัน 3. การเติมเกลือ (salting out) : 2 mechanisms * ทาให้ hydration shell บางลง * ทาให้ ประจุของ colloidal particles หมดไป - เกลือ เช่ น NaCl , (NH4)2SO4 , Na2SO4 - hydrophobic colloid ตกตะกอนง่ ายกว่ า hydrophilic colloids 4. การเติมสารอินทรี ยบ์ างชนิด เช่น ethanol, alkaloid บางชนิด * ทาให้ hydration shell บางลง ทาให้ colloid ตกตะกอน Protective colloids - hydrophilic colloid ป้องกันการตกตะกอนของ hydrophobic colloid โดย ที่มนั จะถูก adsorbไว้ที่ผิวของ hydrophilic colloid ทาให้มีคุณสมบัติ เหมือนhydrophilic colloid - ช่วยป้องกันการตกตะกอนของพวกอนินทรี ยสารบางอย่างได้เช่น colloid คุม้ กันอยูท่ ี่น้ าดีหรื อปัสสาวะ ป้องกันการตกตะกอนของสารบางอย่าง เพื่อมิให้เกิดเป็ นนิ่วได้ง่าย Physical properties of solution 1.Diffusion : movement of solute high conc. temp low conc. diffusion เร็ วขึ้น ขึ้นกับขนาดอณู, ชนิดของมัชฌิม 2.Osmosis & Osmotic pressure -osmosis = movement of solvent (water) through semipermeable membrane from soln that is less concentrated to one that is more concentrated -osmotic pressure = pressure needed to prevent osmosis Hydrostatic pressure Osmotic pressure sucrose H2O sucrose H2O O.P. : POTENTIAL PRESSURE , IS EVIDENT ONLY IF THERE IS A SEMIPERMEABLE MEMBRANE SEPARATING ONE SOLUTION FROM ANOTHER SEMIPERMEABLE MEMB. = OSMOTIC MEMB. (cellophane) (cellulose acetate) REVERSE OSMOSIS pressure pump น้ าเค็ม น้ าจืด -O.P.ขึ้นกับจานวนอนุภาคของตัวถูกละลาย (molecule , ion , aggregates of molecules = colloidal particle) osmotic membrane H2O -colloidal sol. H2O O.P. ต่าแต่ถาวร (oncotic pressure) H2O Crystalloidal sol H2O O.P. สู งแต่ไม่ถาวร H2O ISOTONIC SOL. : 5% glucose, 0.9% NaCl (physiological saline , normal saline sol. , NSS) Isosmosis HYPOTONIC SOL. : endosmosis , hemolysis HYPERTONIC SOL. : exosmosis , crenation -ร่ างกายมีน้ าหลายส่ วน ส่ วนประกอบแตกต่างกันออกไป แต่ท้ งั หมดมี O.P.เท่ากัน ถ้าไม่เท่ากัน : เกิดอาการผิดปกติ เช่น *ถ้า O.P.ของเลือด น้ าเข้าcell สมองบวม *ถ้า protein ในเลือด น้ าออกจากหลอดเลือด เข้าสู่ น้ าระหว่าง cell บวม (edema) ชัก หมดสติ -plasma : O.P. 7 บรรยากาศ , เกือบทั้งสิ้ นได้จากเกลือแร่ ต่างๆ (Na+, Cl-) , ส่ วนน้อยเพียง 28 mmHg (0.53%) ได้จาก protein (Oncotic pressure) ช่วยดึงน้ าให้คงอยูใ่ นหลอดเลือด 3. Freezing point depression Amount of decrease number of separate particles in solution เช่น ตัวถูกละลายที่ไม่แตกตัวเป็ น ion 1 โมล (6.02 x 1023 อนุภาค) ในน้ า 1 Kg F.P. ลดลง 1.86 °C (Molal freezing point constant) การวัดการลดจุดเยือกแข็ง เรี ยกว่า cryoscopy 4. Boiling point elevation Amount of increase number of separate particles เช่น ตัวถูกละลายที่ไม่แตกตัว ion 1 โมล ในน้ า 1 ก.ก. B.P. สู งขึ้น 0.52° C (Molal boiling point constant) การวัดการเพิ่มจุดเดือด เรี ยกว่า ebullioscopy Colligative properties Physical properties of solution that depend upon the number but not the kind of solute particles present เปรียบเทียบลักษณะของสารละลายชนิดต่ างๆ true solution colloid suspension Consistency homogeneous homogeneous heteroge or borderline Particle size molecular size molecular less than 10 A clusters of -neous greater than10000 A 10-10000 A Separation cannot be some partial fairly, easily by gravity separation or filtration separated separated Osmotic high but not pressure permanent appearance clear , may be colored low but none permanent may be clear or cloudy , some particles may be seen in a high power microscope not clear Motion molecular brownian separated by movement movements gravitation Behavior no tyndall + tyndall many times light toward effect ; effect : light rays will not pass light light rays beam is seen through at all not reflected as it passes (translucent , (transparent) through solution opaque) (often translucent or opaque but maybe transparent) Gibbs-Donnan Equilibrium -เป็ นภาวะสมดุลทีม่ ีอนุภาค colloid มาเกีย่ วข้ องด้ วย Semipermeable memb. Crystalloids Na+ I II Cl- Na+ Cl- At equilibrium 1. Conc of NaClI = NaClII 2. [Na+]1[Cl-] 1 = [Na+]2[Cl-]2 3. แต่ ละช่ องประจุบวกเท่ ากับประจุลบ Na+1 = Cl-1 = Na+2 = Cl-2 Crystalloids and colloids At beginning At equilibrium I II Na+1 Na+2 Pr- Cl-2 I Na+(a+x) II Na+(b-x) Cl-(x) Cl-(b-x) Pr(a) Na+1<Na+2 Thermodynamic’s principle The zeroth law of thermodynamics Product of conc of diffusible cation-anion pair on one side will equal the product of conc of the same pair on the other side [Na+]1[Cl-] = [Na+]2[Cl-]2 (a+x)x = (b-x)(b-x) X = b2 a+2b 1 ตัวอย่าง START I Na+(1M) II Na+(1M) Pr-(1M) Cl-(1M) EQUILIBRIUM I Na+(1+x) II Na+(1-x) Cl-(x) Cl-(1-x) Pr-(1) X= 12 =0.33 1+2 ที่สมดุล ion ต่างๆจะมีการกระจายตัวดังนี้ [Na+]1 = 1.33 M [Cl-] = 0.33 M [Na+]2 = 0.67 M [Cl-]2 = 0.67 M [Pr-]1 = 1 M 1 ตัวอย่าง START EQUILIBRIUM I II Na+(0.01M) Na+(0.05M) -(0.05M) Cl Pr (0.01M) I II Na+(0.01+x) Na+(0.05-x) Cl-(x) Cl-(0.05-x) Pr-(0.01) ทีส่ มดุล ion ต่ างๆจะมีการกระจายตัวดังนี้ [Na+]1 = 0.033 M [Cl-] [Na+]2 = 0.27 [Pr-]1 1 M [Cl-]2 = = 0.023 M = 0.27 M 0.01 M [Na+]1 > [Na+]2 , [Cl-] 1 < [Cl-]2 เมื่อมีสาร colloid อยู่ด้วยจะทาให้ การกระจายของ diffusible ions ใน 2 ด้ านของ membrane ไม่ เท่ ากัน Clinical applications 1. dialysis -เป็ นวิธีใช้แยกสาร crystalloid ออกจากสาร colloid ใน solution ที่มีสารทั้ง 2 อย่างรวมกันอยู่ -diffusion of solute through a membrane -dialyzing membrane (colloidion shell , cellophane) has hole large enough to pass ions and small molecules , but not the larger colloidal particles -sieve action -eg. Hemodialysis , peritoneal dialysis The isotonic solution used in hemodialysis consist of 0.6% NaCl , 0.04% KCl , 0.2% NaHCO3 , and 0.72% glucose A Patient is usually on an artificial kidney machine for 4 to 7 hours . During this time isotonic bath is changed every 2 hours . 2. Fluid replacement therapy - volume expanders : trauma, burn, sepsis, hypovolemic shock - crystalloid fluid ใช้ กบั ผู้ป่วยทั่วไป เช่ น ท้ องเสี ย อาเจียนรุ นแรง ดื่มนา้ ไม่ ได้ : normal saline : lactated Hartman’s solution differ in ionic concentration : lactated Ringer’s solution - colloid fluid ใช้ กบั ผู้ป่วยสมองบวม ไข้ เลือดออกช็อกที่ควบคุมไม่ ได้ ผู้ป่วยที่เสียเลือดมาก โดยใช้ 6% in 0.9% NSS or 5% dextrose : gelatin : hetastarch หรื อ hydroxyethylstarch : albumin : plasma protein fraction : dextran : vuluven ชนิดของน้าเกลือ 1. 0.9% NaCl หรื อ NSS เป็ นนา้ เกลือทีน่ ิยมให้ ในผู้ป่วยทีข่ าดนา้ รุ นแรง เช่ น ท้ องเสี ยรุ นแรง ผู้ป่วยทีม่ ภี าวะช็อก 2. 5% DN/2 เป็ นนา้ เกลือทีน่ ิยมให้ ในผู้ใหญ่ ทวั่ ไป 5%D หมายถึง 5% dextrose (glucose), N/2 หมายถึง มี NaCl อยู่ครึ่งหนึ่งของ NSS 3. 5% DN/3 เป็ นนา้ เกลือทีน่ ิยมให้ ในเด็ก เพราะเกลือในเลือดของเด็กน้ อยกว่ าผู้ใหญ่