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.

Парциа́льное давление (лат. partialis - частичный, от лат. pars - часть) - давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре. При этом пользуются также законом парциальных давлений: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих данную смесь, то естьРобщ = Р1 + Р2 + .. + Рп

Из формулировки закона следует, что парциальное давление представляет собой частичное давление, создаваемое отдельным газом. И действительно, парциальное давление - это такое давление, которое бы создавал данный газ, если бы он один занимал весь объем.

12.Дайте определение понятиям: система, фаза, среда, макро- и микросостояние.

Системой называется совокупность находящихся во взаимодей­ствии веществ, обособленная от окружающей среды. Различают гомогенные и гетерогенные системы.

Систему называют термодинамической , если между телами, ее составляющими, может происходить обмен теплотой, вещест­вом и если система полностью описывается термодинамически­ми понятиями.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые, закрытые и изолиро­ ванные .

Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров (параметров состояния, функций состояния).

13.Назовите основные термодинамические величины, характеризующие состояние системы. Рассмотрите смысл понятий "внутренняя энергия системы и энтальпия".

Осн параметрами состояния системы явл такие пара­метры, кот можно непосредственно измерить (температура, давление, плотность, масса и т. д.).

Параметры состояния, которые не поддаются непосредст­венному измерению и зависят от основных параметров, называ­ются функциями состояния (внутренняя энергия, энтропия, эн­тальпия, термодинамические потенциалы).

В ходе химической реакции (переходе системы из одного состояния в другое) изменяется внутренняя энергия системы U:

U = U 2 -U 1 , где U 2 и U 1 - внутренняя энергия системы в конечном и на­чальном состояниях.

Значение U положительно (U> 0), если внутренняя энер­гия системы возрастает.

Энтальпия системы и ее изменение .

Работу А можно разделить на работу расширения A = pV (p = const)

и другие виды работ А" (полезная работа), кроме работы расши­рения: A = A" + pV,

где р - внешнее давление; V- изменение объема (V= V 2 - V\); V 2 - объем продуктов реакции; V 1 - объем исходных веществ.

Соответственно уравнение (2.2) при постоянном давлении запишется в виде: Q p = U + A" + pV.

Если на систему не действуют никакие другие силы, кроме постоянного давления, т. е. при протекании хим про­цесса единственным видом работы является работа расширения, тоА" = 0.

В этом случае уравнение (2.2) запишется так: Q p = U + pV.

Подставив U= U 2 – U 1 , получим: Q P =U 2 -U 1+ pV 2 + pV 1 =(U 2 +pV 2)-(U 1 + pV 1). Характеристическая функцияU + pV = Hназывается энтальпией системы . Это одна из термодинамических функций, характеризующих систему, находящуюся при постоян­ном давлении. Подставив уравнение (2.8) в (2.7), получим: Q p = H 2 -H 1 = r H.

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.

Газовая смесь находится в состоянии равновесия, если концентрации компонентов и её параметры состояния во всём объёме имеют одинаковые значения. При этом температура всех газов, входящих в смесь, одинакова и равна температуре смеси Т см.

В равновесном состоянии молекулы каждого газа рассеяны равномерно по всему объёму смеси, то есть имеют свою определённую концентрацию и, следовательно, своё давление р i , Па, которое называется парциальным . Оно определяется следующим образом.

Парциальное давление равно давлению данного компонента при условии, что он один занимает весь объём, предназначенный для смеси при температуре смеси Т см .

По закону английского химика и физика Дальтона, сформулированному в 1801 году, давление смеси идеальных газов р см равно сумме парциальных давлений её компонентов р i :

где n – число компонентов.

Выражение (2) также называется законом парциальных давлений.

3.3. Приведённый объём компонента газовой смеси. Закон Амага

По определению приведённым объёмом i -го компонента газовой смеси V i , м 3 , называется объём, который один этот компонент мог бы занимать при условии, что его давление и температура будут равны давлению и температуре всей газовой смеси.

Закон французского физика Амага, сформулированный примерно в 1870 году, гласит: сумма приведённых объёмов всех компонентов смеси равна объёму смеси V см :

, м 3 . (3)

3.4. Химический состав газовой смеси

Химический состав газовой смеси может задаваться тремя различными способами.

Рассмотрим газовую смесь, состоящую из n компонентов. Смесь занимает объём V см, м 3 , имеет массу М см, кг, давление р см, Па и температуру Т см, К. Также число молей смеси равно N см, моль. При этом масса одного i -го компонента m i , кг, а число молей этого компонента ν i , моль.

Очевидно, что:

, (4)

. (5)

Используя для рассматриваемой смеси закон Дальтона (2) и Амага (3) можно записать:

, (6)

, (7)

где р i – парциальное давление i -го компонента, Па; V i – приведённый объём i -го компонента, м 3 .

Однозначно химический состав газовой смеси может быть задан либо массовыми, либо мольными, либо объёмными долями её компонентов:

, (8)

, (9)

, (10)

где g i , k i и r i – массовая, мольная и объёмная доли i -го компонента смеси соответственно (безразмерные величины).

Очевидно, что:

,
,
. (11)

Часто на практике химический состав смеси задаётся не долями i -го компонента, а его процентами.

Например, в теплотехнике приближённо принимается, что сухой воздух состоит из 79 объёмных процентов азота и 21 объёмного процента кислорода.

Процент i -го компонента в смеси вычисляется путём умножения его доли на 100.

Для примера с сухим воздухом будем иметь:

,
. (12)

где
и
– объёмные доли азота и кислорода в сухом воздухе; N 2 и О 2 – обозначение объёмных процентов азота и кислорода соответственно, % (об.).

Примечание:

1) Мольные доли идеальной смеси численно равны объёмным долям: k i = r i . Докажем это.

Пользуясь определением объёмной доли (10) и законом Амага (3) можем записать:

, (13)

где V i – приведённый объём i -го компонента, м 3 ; ν i – число молей i -го компонента, моль; – объём одного моля i -го компонента при давлении смеси р см и температуре смеси Т см , м 3 /моль.

Из закона Авогадро (см. п. 2.3 данного приложения) следует, что при одинаковых температуре и давлении один моль любого газа (компонента смеси) занимает один и тот же объём. В частности, при Т см и р см это будет некоторый объём V 1 , м 3 .

Сказанное позволяет записать равенство:

. (14)

Подставляя (14) в (13) получаем требуемое:

. (15)

2) Объёмные доли компонентов газовой смеси можно рассчитать, зная их парциальные давления. Покажем это.

Рассмотрим i -ый компонент идеальной газовой смеси в двух различных состояниях: когда он находится при своём парциальном давлении р i ; когда он занимает свой приведённый объём V i .

Уравнение состояния идеального газа справедливо для любых его состояний, в частности, и для двух, названных выше.

В соответствии с этим, и учитывая определение удельного объёма, можем записать:

, (16)

, (17)

где R i – газовая постоянная i -го компонента смеси, Дж/(кг·К).

После деления обоих частей (16) и (17) друг на друга получаем требуемое:

. (18)

Из (18) видно, что парциальные давления компонентов смеси можно рассчитать по её химическому составу, при известном общем давлении смеси р см :

. (19)

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.