Парциальные давления дыхательных газов

Согласно закону Дальтона парциальное давление (напряжение) каждого газа в смеси (Рr) пропорционально его доле от общего объема, т.е. его фракции (Fr) . Применяя этот закон к дыхательным газам, необходимо учитывать, что атмосферный воздух, как и альвеолярная газовая смесь, содержит не только О 2 , СО 2 , N 2 и благородные газы, но и водяной пар, имеющий некое парциальное давление (Pн 2 о). Поскольку фракции газов приводятся для сухой их смеси, в уравнении для закона Дальтона из общего давления (атмосферное давление: Р атм) следует вычесть давление водяного пара. Тогда парциальное давление газа будет определяться по формуле:

Рr = Fr (Р атм - Pн 2 о)

Если подставить в уравнение парциального давления газов значения Fr для кислорода или углекислого газа в атмосферном воздухе: 21% (0,21) и 0,03% (0,0003) и давления водяного пара (47 мм рт ст), то можно вычислить, что парциальное давление указанных газов в атмосферном воздухе над уровнем моря (Р атм = 760 мм рт ст) составит, соответственно, 150 мм рт ст (20кПа) для кислорода и 0,2 мм рт ст (0,03 кПа) для углекислого газа.

Из представленной формулы следует, что снижение барометрического давления, или уменьшение удельного содержания газа (кислорода - FrО 2) во вдыхаемом воздухе будет сопровождаться падением во вдыхаемом воздухе парциального давления этого газа (кислорода - РrО 2).

Напряжение кислорода в альвеолярной газовой смеси в стандартных условиях вентиляции зависит не только от его потребления, но и от выведения углекислого газа. Соответственно, при расчете парциального давления кислорода в альвеолярной газовой смеси (Р А О 2) вносится поправка на выведение СО 2 , образующегося в процессе метаболизма. Таким образом, расчетная формула определения Р А О 2 выглядит следующим образом:

Р А О 2 = РrО 2 - ________ ,

где РаСО 2 - парциальное давление углекислого газа в артериальной крови (40 мм рт ст);

R - дыхательный коэффициент, характеризующий отношение выделенного СО 2 к поглощенному О 2 (в отсутствии стресса и при нормальном питании = 0,8).

Подставляя значения этих показателей, находим:

Р А О 2 = 150 - ________ = 100 мм рт ст (13,3 кПа)

Парциальное давление углекислого газа в альвеолярной газовой смеси составляет 40 мм рт ст (5,3 кПа). Из приведенной формулы следует, что уменьшение PrO 2 будет сопровождаться снижением Р А О 2 .

Как известно, газообмен в легких идет в направлении градиентов парциальных давлений по обе стороны альвеолярно-капиллярной мембраны (Δ). Для кислорода этот градиент соответствует разнице между Р А О 2 и напряжением кислорода в капиллярах венозной крови (40 мм рт. ст.), поступающей в легкие. Однако, за время прохождения крови через легочные капилляры (0,3 сек) это давление быстро нарастает и уже через 0,1 сек составляет ≈ 90% от величины альвеолярного давления (Г. Тевс, 2007), а в последующие 0,2 сек напряжение кислорода в капиллярах уравнивается с альвеолярным. Поэтому вводится понятие среднего градиента давления между альвеолярной газовой смесью (100 мм рт ст) и кровью легочных капилляров (90 мм рт. ст.), который составляет 10 мм рт. ст.

В обычных условиях человек дышит обычным воздухом, имеющим относительно постоянный состав (табл. 1). В выдыхаемом воздухе всегда меньше кислорода и больше углекислого газа. Меньше всего кислорода и больше всего углекислого газа в альвеолярном воздухе. Различие в составе альвеолярного и выдыхаемого воздуха объясняется тем, что последний является смесью воздуха мертвого пространства и альвеолярного воздуха.

Альвеолярный воздух является внутренней газовой средой организма. От его состава зависит газовый состав артериальной крови. Регуляторные механизмы поддерживают постоянство состава альвеолярного воздуха. Состав альвеолярного воздуха при спокойном дыхании мало зависит от фаз вдоха и выдоха. Например, содержание углекислого газа в конце вдоха всего на 0,2-0,3% меньше, чем в конце выдоха, так как при каждом вдохе обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха. Кроме того, протекает непрерывно, при вдохе и при выдохе, что способствует выравниванию состава альвеолярного воздуха. При глубоком дыхании зависимость состава альвеолярного воздуха от вдоха и выдоха увеличивается.

Таблица 1. Состав воздуха (в %)

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь (около 500 л в сутки) и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух (около 430 л в сутки). Диффузия происходит вследствие разности парциального давления этих газов в альвеолярном воздухе и их напряжений в крови.

Парциальное давление газа: понятие и формула

Парциальное давленые газа в газовой смеси пропорционально процентному содержанию газа и общему давлению смеси:

Для воздуха: Р атмосферное = 760 мм рт. ст.; С кислорода = 20,95%.

Оно зависит от природы газа. Всю газовую смесь атмосферного воздуха принимают за 100%, она обладает давлением 760 мм рт. ст., а часть газа (кислорода — 20,95%) принимают за х. Отсюда парциальное давление кислорода в смеси воздуха равно 159 мм рт. ст. При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе необходимо учитывать, что он насыщен водяными парами, давление которых составляет 47 мм рт. ст. Следовательно, на долю газовой смеси, входящей в состав альвеолярного воздуха, приходится давление не 760 мм рт. ст., а 760 — 47 = 713 мм рт. ст. Это давление принимается за 100%. Отсюда легко вычислить, что парциальное давление кислорода, который содержится в альвеолярном воздухе в количестве 14,3%, будет равно 102 мм рт. ст.; соответственно, расчет парциального давления углекислого газа показывает, что оно равно 40 мм рт. ст.

Парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе является той силой, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь.

Диффузия газов через барьер подчиняется закону Фика; так как толщина мембраны и площадь диффузии одинакова, диффузия зависит от диффузионного коэффициента и градиента давления:

Q газа — объем газа, проходящего через ткань в единицу времени; S - площадь ткани; DK-диффузионный коэффициент газа; (Р 1 , — Р 2) - градиент парциального давления газа; Т — толщина барьера ткани.

Если учесть, что в альвеолярной крови, притекающей к легким, парциальное напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а углекислого газа — 46-48 мм рт. ст., то градиент давления, определяющий диффузию газов в легких, будет составлять: для кислорода 102 — 40 = 62 мм рт. ст.; для углекислого газа 40 — 46(48) = минус 6 — минус 8 мм рт. ст. Поскольку диффузный коэффициент углекислого газа в 25 раз больше, чем у кислорода, то углекислый газ более активно уходит из капилляров в альвеолы, чем кислород в обратном направлении.

В крови газы находятся в растворенном (свободном) и химически связанном состоянии. В диффузии участвуют только молекулы растворенного газа. Количество газа, растворяющегося в жидкости, зависит:

• от состава жидкости;
• объема и давления газа в жидкости;
• температуры жидкости;
• природы исследуемого газа.

Чем выше давление данного газа и температура, тем больше газа растворяется в жидкости. При давлении 760 мм рт. ст. и температуре 38 °С в 1 мл крови растворяется 2,2% кислорода и 5,1 % углекислого газа.

Растворение газа в жидкости продолжается до наступления динамического равновесия между количеством растворяющихся и выходящих в газовую среду молекул газа. Сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду, называется напряжением газа в жидкости. Таким образом, в состоянии равновесия напряжение газа равно парциальному давлению газа в жидкости.

Если парциальное давление газа выше его напряжения, то газ будет растворяться. Если парциальное давление газа ниже его напряжения, то газ будет из раствора выходить в газовую среду.

Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких приведены в табл. 2.

Таблица 2. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких (в мм рт. ст.)

Диффузия кислорода обеспечивается разностью парциальных давлений в альвеолах и крови, которая равна 62 мм рт. ст., а для углекислого газа — это всего лишь около 6 мм рт. ст. Времени протекания крови через капилляры малого круга (в среднем 0,7 с) достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напряжения газов: кислород растворяется в крови, а углекислый газ переходит в альвеолярный воздух. Переход углекислого газа в альвеолярный воздух при относительно небольшой разнице давлений объясняется высокой диффузионной способностью легких для этого газа.

Задача 41.
Смешивают 0,04м 3 азота, находящегося под давлением 96кПа (720мм. рт. ст.), с 0,02м3 кислорода. Общий объем смеси 0,06м 3 , а общее давление 97,6кПа (732мм. рт. ст.). Каким было давление взятого кислорода?
Решение :
По условию задачи объём азота увеличился в 1,5 раза (0,06/0,04 = 1,5), а объём кислорода – в 3 раза (0,06/0,02 = 3). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов.

Следовательно,

Отсюда Исходя из того, что объём кислорода до смешения был в три раза больше, чем после смешения, рассчитаем давление кислорода до смешения:

Ответ: Р общ. = 100,8кПа.

Задача 42.
Газовая смесь приготовлена из 2л Н 2 (Р = 93,3 кПа) и 5л CH 4 (Р = 112 кПа). Объем смеси равен 7л. Найти парциальные давления газов и общее давление смеси.
Решение:
По условию задачи объём водорода увеличился в 3,5 раза (7/2 = 3,5), а объём метана – в 1,4 раза (7/5 = 1,4). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов.

Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих во взаимодействие друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих систему (смесь).

Ответ:

Задача 43.
Газовая смесь состоит из NO и СО 2 . Вычислить объемное содержание газов в смеси (в %), если их парциальные давления равны соответственно 36,3 и 70,4 кПа (272 и 528мм. рт. ст.).
Решение:
Согласно закону Дальтона парциальное давление данного газа прямо пропорционально его мольной доли на общее давление смеси газов:

где Р(смеси) – общее давление смеси; Р(А) – парциальное давление данного газа; (A) - мольная доля данного газа.

Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих во взаимодействие друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих систему (смесь).

Ответ: 34,02%NO; 65,98%CO.

Задача 44.
В закрытом сосуде вместимостью 0,6м 3 находится при 0 0 С смесь, состоящая из 0,2кг СО 2 , 0,4кг 02 и 0,15кг СН 4 . Вычислить: а) общее давление смеси; б) парциальное давление каждого из газов; в) процентный состав смеси по объему.
Решение:
Вычислим общее количество газов в смеси по уравнению:

где - количество газа, кмоль; m – масса газа, кг; М – молекулярная масса газа, кг/моль. Тогда:

а) Общее давление смеси газов определяем по уравнению: Тогда:

б) Парциальные давления газов рассчитываем по уравнению:

где R k и k , соответственно, парциальное давление, и количество газа в смеси.

в) Парциальные объёмы газов рассчитаем по уравнению: Тогда

Отношение парциальных (приведённых) объёмов отдельных газов к общему объёму смеси называется объёмной долей и определяется по формуле: Тогда

Ответ:

Задача 45.
Газовая смесь приготовлена из 0,03м 3 СН 4 , 0,04м 3 Н 2 и 0,01м 3 СО. Исходные давления СН 4 , Н 2 и СО составляли ответственно 96, 84 и 108,8 кПа (720, 630 и 816мм рт. ст.). Объем смеси равен 0,08м 3 . Определить парциальные давления газов и общее давление смеси.
Решение:
По условию задачи объём метана увеличился после смешения в 2,67 раза (0,08/0,03 = 2,67), объём водорода – в 2 раза (0,08/0,04 = 2), а объём угарного газа – в 8 раз (0,08/0,01 = 8). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов. Следовательно,

Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих во взаимодействие друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих систему (смесь).
Отсюда:

Ответ:

Задача 46.
В газометре над водой находятся 7,4л кислорода при 23°С и давлении 104,1 кПа (781 мм. рт. ст.). Давление насыщенного водяного пара при 23°С равно 2,8 кПа (21мм. рт. ст.). Какой объем займет находящийся в газометре кислород при нормальных условиях?
Решение:
Парциальное давление кислорода равно разности общего давления и парциального давления паров воды:

Обозначив искомый объём через и, используя объединённое уравнение закона Бойля- Мариотта и Гей-Люссака , находим:

где Р и V - давление и объём газа при температуре Т = 296К (273 +23 = 296); Р 0 = 101,325кПа; Т 0 = 273К; Р = 104,1кПа; -объём газа при н.у.

Ответ: V 0 =6,825л.

В химии «парциальным давлением» назвают давление, которое оказывает отдельно взятый компонент из газовой смеси внешней среды, например, на колбу, баллон или границу атмосферы. Вы можете подсчитать давление каждого газа, если знаете его количество, какой объем он занимает и какова его температура. Затем вы можете сложить парциальные давления и найти общее парциальное давление смеси газов, или найдите вначале общее давление, а затем - парциальное.

Шаги

Часть 1

Примите каждый газ как «идеальный». В химии «идеальный газ» - тот, который взаимодействует с другими веществами, не вступая с ними в соединение. Отдельные молекулы могут сталкиваться друг с другом и отталкиваться, как шары для бильярда, не деформируясь при этом.

Определите количество газов. У газов есть и масса, и объем. Объем обычно измеряют в литрах (л), но есть два варианта подсчета массы.

Понимание закона Дальтона о парциальном давлении. Закон, открытый химиком и физиком Джоном Дальтоном, который первым предположил, что химические элементы состоят из отдельных атомов, гласит: общее давление смеси газов равняется сумме давлений каждого газа в смеси.

Часть 2

Подсчет парциального, затем общего давления

1. Определите уравнение парциального давления для газов, с которыми вы работаете. Для вычислительных целей возьмем пример: в колбе объемом 2 литра содержится 2 газа, нитроген (N 2), оксиген (O 2) и карбон диоксид, углекислый газ (CO 2). Каждого газа - по 10 г, температура каждого газа в колбе равна 37 градусам Цельсия (98.6 по Фаренгейту). Нужно найти парциальное давление каждого газа и общее давление смеси газов на емкость.

   • Наше уравнение парциального давления будет выглять следующим образом: P total = P нитроген + P оксиген + P карбон диоксид.
   • Поскольку мы пытаемся найти давление, которое оказывает каждый из газов, знаем объем и температуру и можем найти количество молей каждого газа, основываясь на массе вещества, мы можем переписать уравнение в следующей форме: P общее =(nRT/V) нитроген + (nRT/V) оксиген + (nRT/V) карбон диоксид

2. Переведите температуру в градусы Кельвина. Температура по Цельсию равна 37 градусам, потому мы добавим 273 к 37 и получим 310 градусов K.

   Найдите количество молей каждого газа в образце. Число молей газа равно массе газа, деленной на его молярную массу, которая, как уже говорилось, равна сумме весов всех атомов в составе.

   • Для нашего первого газа, нитрогена (N 2), каждый атом обладает атомарной массой 14. Поскольку нитроген содержит два атома (состоит из двухатомных молекул), мы должны умножить 14 на 2, чтобы найти молярную массу нитрогена, она равна 28. Затем мы делим массу в граммах, 10 г, на 28, чтобы получить количество молей, которое приблизительно равно 0.4 моль.
   • У второго газа, оксигена (O 2), масса каждого атома равна 16. Оксиген также двухатомный газ, потому мы умножаем 16 на 2 и получаем молярную массу, равную 32. Разделив 10 г на 32, мы получим примерно 0.3 моль оксигена в составе образца смеси газов.
   • Третий газ, карбон диоксид (CO 2), состоит из 3 атомов: одного атома карбона с атомарной массой 12 и двух атомов оксигена, каждый с атомарной массой 16. Мы складываем все три веса: 12 + 16 + 16 = 44 составляет молярную массу. Разделив 10 г на 44, мы получим примерно 0.2 моля карбон диоксида.

3. Подставьте значения для молей, объема и температуры. Наше уравнение будет выглядеть так: P общее =(0.4 * R * 310/2) нитроген + (0.3 *R * 310/2) оксиген + (0.2 * R *310/2) карбон диоксид.

   • Для простоты мы оставили текущие значения единиц измерения. Эти единицы уйдут после математических вычислений, и останутся только те, которые участвуют в определении давления.

4. Подставьте значение константы R. Мы будет указывать парциальное и общее давление в атмосферах, потому используем значение R, равное 0.0821 л атм/K моль. Подстановка этого значения в уравнение дает нам P общее =(0.4 * 0.0821 * 310/2) нитроген + (0.3 *0.0821 * 310/2) оксиген + (0.2 * 0.0821 * 310/2) карбон диоксид.

5. Подсчитайте парциальное давление каждого газа. Сейчас все значения на месте, пора перейти к математическим вычислениям.

   • Чтобы найти парциальное давление нитрогена, умножим 0.4 моль на нашу константу 0.0821 и температуру 310 градусов K, затем разделим на 2 литра: 0.4 * 0.0821 * 310/2 = 5.09 атм, приблизительно.
   • Для получения парциального давления оксигена умножим 0.3 моль на константу 0.0821 и температуру 310 градусов K, затем разделим на 2 литра: 0.3 *0.0821 * 310/2 = 3.82 атм, приблизительно.
   • Чтобы найти парциальное давление карбон диоксида, умножаем 0.2 моль на константу 0.0821 и температуру 310 градусов K, затем делим на 2 литра: 0.2 * 0.0821 * 310/2 = 2.54 атм, приблизительно.
   • Теперь мы сложим полученные значения давлений и найдет общее давление: P общее = 5.09 + 3.82 + 2.54, или 11.45 атм, приблизительно.

Часть 3

Вычисление общего, затем парциального давления

1. Определите парциальное давление, как и раньше. Вновь, возьмем в пример колбу на 2 литра с тремя газами: нитрогеном (N 2), оксигеном (O 2) и карбон диоксидом (CO 2). У нас по 10 г каждого газа, температура каждого газа в колбе равна 37 градусам C (98.6 градусам F).

   • Температура по Кельвину будет такой же, 310 градусов, как и раньше, у нас будет примерно 0.4 моль нитрогена, 0.3 моль оксигена и 0.2 моль карбон диоксида.
   • Мы так же будем указывать давление в атмосферах, потому будем использовать значение 0.0821 л атм/K моль для константы R.
   • Таким образом, наше уравнение парциального давления на текущий момент выглядит так же, как раньше: P общее =(0.4 * 0.0821 * 310/2) нитроген + (0.3 *0.0821 * 310/2) оксиген + (0.2 * 0.0821 * 310/2) карбон диоксид.

Осмос

Осмос – явление селективной диффузии определенного сорта частиц через полупроницаемую перегородку. Это явление впервые описал аббат Нолле в 1748 г. Перегородки, проницаемые только для воды или другого растворителя и непроницаемые для растворенных веществ, как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных, могут быть изготовлены из полимерных пленок (коллодия) или гелеобразных осадков, например, ферроцианида меди Cu 2 ; этот осадок образуется в порах перегородки стеклянного фильтра при погружении пористого материала сначала в раствор медного купороса (CuSO 4 x 5H 2 O), а затем желтой кровяной соли K 2 . Вещества диффундируют через такую перегородку, что является важным случаем осмоса, позволяющим измерять осмотическое дав-ление, т. е. осмотическое давление – мера стремления растворенного вещества перейти вследствие теплового движения в процессе диффузии из раствора в чистый растворитель; распределяется равномерно по всему объему растворителя, понизив первоначальную концентрацию раствора.

За счет осмотического давления сила заставляет жидкость подниматься вверх, это осмотическое давление уравновешивается гидростатическим давлением. Когда скорости диффундирующих веществ станут равны, тогда осмос прекратится.

Закономерности:

1. При постоянной температуре осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества.

2. Осмотическое давление пропорционально абсолютной температуре.

В 1886 г. Я. Г. Вант-Гофф показал, что величина осмотического давления может быть выражена через состояние газа

P осн V = RT .

Закон Авогадро применим к разбавленным растворам: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и одинаковом осмотическом давлении содержится одинаковое число растворенных частиц. Растворы различных веществ, имеющие одинаковые молярные концентрации при одинаковой температуре, имеют одинаковое осмотическое давление. Такие растворы называются изотоническими.

Осмотическое давление не зависит от природы растворяемых веществ, а зависит от концентрации. Если объем заменить на концентрацию, получим:

Рассмотрим закон Вант-Гоффа : осмотическое давление раствора численно равно тому давлению, которое производило бы данное количество растворенного вещества, если бы оно в виде идеального газа занимало при данной температуре объем, равный объему раствора.

Все описанные законы относятся к бесконечно разбавленным растворам.

Парциальное давление – то давление, которое оказывал бы газ, входящий в газовую смесь, если бы из нее были удалены все остальные газы при условии сохранения постоянными температуры и объема.

Общее давление газовой смеси определяется законом Дальтона : общее давление смеси газов, занимающих определенных объем, равно сумме парциальных давлений, которыми обладал бы каждый отдельно взятый газ, если бы он занимал объем, равный объему смеси газов.

Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 + … + Р к ,

где Р – общее давление;

Р к – парциальное давление компонентов.