Частичное давление

В смеси газов каждый составляющий газ имеет парциальное давление, которое является условным давлением этого составляющего газа, если только он занимал весь объем исходной смеси при той же температуре . ^[1] Полное давление идеальной газовой смеси - это сумма парциальных давлений газов в смеси ( закон Дальтона ).

Парциальное давление газа является мерой термодинамической активности молекул газа . Газы растворяются, диффундируют и реагируют в соответствии с их парциальным давлением, а не в соответствии с их концентрацией в газовых смесях или жидкостях. Это общее свойство газов справедливо и для химических реакций газов в биологии. Например, количество кислорода, необходимое для дыхания человека и количество токсичных веществ, определяется парциальным давлением кислорода. Это верно для очень широкого диапазона различных концентраций кислорода, присутствующего в различных вдыхаемых газах для дыхания или растворенного в крови. ^{[ требуется пояснение ]}^[2] Парциальные давления кислорода и углекислого газа являются важными параметрами при испытанияхгазы артериальной крови , но также могут быть измерены, например, в спинномозговой жидкости .

Символ [ править ]

Обозначение давления обычно $P$ или $p,$ которое может использовать индекс для обозначения давления, и газы также обозначаются индексом. При объединении эти индексы применяются рекурсивно. ^[3]^[4]

Примеры:

{\ displaystyle {P_ {1}}}

или = давление в момент времени 1

{\ displaystyle {p_ {1}}}

{\ displaystyle {P _ {\ rm {H_ {2}}}}}

или = парциальное давление водорода

{\ displaystyle {p _ {\ rm {H_ {2}}}}}

{\ displaystyle {P_ {v _ {\ rm {O_ {2}}}}}}

или = венозное парциальное давление кислорода

{\ displaystyle {p_ {v _ {\ rm {O_ {2}}}}}}

Закон парциальных давлений Дальтона [ править ]

Закон Дальтона выражает тот факт, что полное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов в смеси. ^[5] Это равенство возникает из-за того, что в идеальном газе молекулы настолько удалены друг от друга, что не взаимодействуют друг с другом. Большинство реальных газов очень близко подходят к этому идеалу. Например, для идеальной газовой смеси азота (N ₂ ), водорода (H ₂ ) и аммиака (NH ₃ ):

{\ displaystyle p = p _ {{\ ce {N2}}} + p _ {{\ ce {H2}}} + p _ {{\ ce {NH3}}}}

куда:
${\ displaystyle p \,}$	= полное давление газовой смеси
${\ displaystyle p _ {{\ ce {N2}}}}$	= парциальное давление азота (N ₂ )
${\ displaystyle p _ {{\ ce {H2}}}}$	= парциальное давление водорода (H ₂ )
${\ displaystyle p _ {{\ ce {NH3}}}}$	= парциальное давление аммиака (NH ₃ )

Схема, показывающая концепцию закона Дальтона.

Идеальные газовые смеси [ править ]

В идеале отношение парциальных давлений равно отношению количества молекул. То есть мольная доля отдельного газового компонента в идеальной газовой смеси может быть выражена через парциальное давление компонента или моль компонента: ${\ Displaystyle х _ {\ mathrm {я}}}$

{\ displaystyle x _ {\ mathrm {i}} = {\ frac {p _ {\ mathrm {i}}} {p}} = {\ frac {n _ {\ mathrm {i}}} {n}}}

а парциальное давление отдельного газового компонента в идеальном газе может быть получено с помощью этого выражения:

{\ displaystyle p _ {\ mathrm {i}} = x _ {\ mathrm {i}} \ cdot p}

куда:
${\ Displaystyle х _ {\ mathrm {я}}}$	= мольная доля любого отдельного газового компонента в газовой смеси
${\ displaystyle p _ {\ mathrm {i}}}$	= парциальное давление любого отдельного газового компонента в газовой смеси
${\ Displaystyle п _ {\ mathrm {я}}}$	= моль любого отдельного газового компонента в газовой смеси
${\ displaystyle n}$	= общее количество молей газовой смеси
${\ displaystyle p}$	= полное давление газовой смеси

Мольная доля газового компонента в газовой смеси равна объемной доле этого компонента в газовой смеси. ^[6]

Отношение парциальных давлений основывается на следующем соотношении изотермы:

{\ displaystyle {\ frac {V _ {\ rm {X}}} {V _ {\ rm {tot}}}} = {\ frac {p _ {\ rm {X}}} {p _ {\ rm {tot}} }} = {\ frac {n _ {\ rm {X}}} {n _ {\ rm {tot}}}}}

V _X - это парциальный объем любого отдельного газового компонента (X)
V _tot - общий объем газовой смеси.
p _X - парциальное давление газа X
p _tot - полное давление газовой смеси
n _X - количество вещества газа (X)
n _tot - общее количество вещества в газовой смеси

Частичный объем (закон аддитивного объема Амагата) [ править ]

Парциальный объем конкретного газа в смеси - это объем одного компонента газовой смеси. В газовых смесях, например, воздухе, полезно сосредоточиться на одном конкретном газовом компоненте, например, кислороде.

Его можно приблизительно определить как по парциальному давлению, так и по молярной доле: ^[7]

{\ Displaystyle V _ {\ rm {X}} = V _ {\ rm {tot}} \ times {\ frac {p _ {\ rm {X}}} {p _ {\ rm {tot}}}} = V _ {\ rm {tot}} \ times {\ frac {n _ {\ rm {X}}} {n _ {\ rm {tot}}}}}

V _X - парциальный объем отдельного газового компонента X в смеси.
V _tot - общий объем газовой смеси.
p _X - парциальное давление газа X
p _tot - полное давление газовой смеси
n _X - количество вещества газа X
n _tot - общее количество вещества в газовой смеси

Давление пара [ править ]

Диаграмма давления паров по лог-лингу для различных жидкостей

Давление пара является давление в пара в равновесии с его фазами не-пара (то есть, жидких или твердых). Чаще всего этот термин используется для описания жидкости тенденции «s , чтобы испариться . Это мера тенденции молекул и атомов к выходу из жидкости или твердого тела . Точка кипения жидкости при атмосферном давлении соответствует температуре, при которой давление ее пара равно окружающему атмосферному давлению, и ее часто называют нормальной точкой кипения .

Чем выше давление пара жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная точка кипения жидкости.

На представленной диаграмме давления пара есть графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. ^[8] Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением пара имеют самую низкую нормальную температуру кипения.

Например, при любой заданной температуре хлористый метил имеет самое высокое давление пара среди всех жидкостей в таблице. Он также имеет самую низкую нормальную точку кипения (-24,2 ° C), где кривая давления паров хлористого метила (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления в одну атмосферу ( атм ) абсолютного давления пара. Обратите внимание, что на больших высотах атмосферное давление ниже, чем на уровне моря, поэтому точки кипения жидкостей снижаются. На вершине Эвереста атмосферное давление составляет примерно 0,333 атм, поэтому, используя график, температура кипения диэтилового эфира будет примерно 7,5 ° C по сравнению с 34,6 ° C на уровне моря (1 атм).

Константы равновесия реакций с участием газовых смесей [ править ]

Можно вычислить константу равновесия для химической реакции с участием смеси газов, учитывая парциальное давление каждого газа и общую формулу реакции. Для обратимой реакции с участием газовых реагентов и газовых продуктов, таких как:

{\ displaystyle a \, A + b \, B \ leftrightarrow c \, C + d \, D}

константа равновесия реакции будет:

K_{p}={\frac {p_{C}^{c}\,p_{D}^{d}}{p_{A}^{a}\,p_{B}^{b}}}

куда:
$K_{p}$	= константа равновесия реакции
$a$	= коэффициент реагента $A$
$b$	= коэффициент реагента $B$
$c$	= коэффициент продукта $C$
$d$	= коэффициент продукта $D$
$p_{C}^{c}$	= парциальное давление, возведенное в степень $C$ $c$
$p_{D}^{d}$	= парциальное давление, возведенное в степень $D$ $d$
$p_{A}^{a}$	= парциальное давление, возведенное в степень $A$ $a$
$p_{B}^{b}$	= парциальное давление, возведенное в степень $B$ $b$

Для обратимых реакций изменения общего давления, температуры или концентраций реагентов будут сдвигать равновесие в пользу правой или левой стороны реакции в соответствии с принципом Ле Шателье . Однако кинетика реакции может противодействовать или усиливать сдвиг равновесия. В некоторых случаях кинетика реакции может быть решающим фактором, который следует учитывать.

Закон Генри и растворимость газов [ править ]

Газы растворяются в жидкостях до степени, определяемой равновесием между нерастворенным газом и газом, растворенным в жидкости (называемым растворителем ). ^[9] Константа равновесия для этого равновесия:

(1)

k={\frac {p_{x}}{C_{x}}}

куда:
$k$	= константа равновесия процесса сольватации
$p_{x}$	= парциальное давление газа в равновесии с раствором, содержащим часть газа $x$
$C_{x}$	= концентрация газа в жидком растворе $x$

Форма константы равновесия показывает, что концентрация растворенного газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над раствором . Это утверждение известно как закон Генри, а константа равновесия довольно часто упоминается как константа закона Генри. ^[9]^[10]^[11] $k$

Закон Генри иногда записывают так: ^[12]

(2)

k'={\frac {C_{x}}{p_{x}}}

где также называется постоянной закона Генри. ^[12] Как видно из сравнения уравнений (1) и (2) выше, является обратной величиной . Поскольку и то и другое можно назвать константой закона Генри, читатели технической литературы должны быть очень осторожны, чтобы отметить, какая версия уравнения закона Генри используется. $k'$ $k'$ $k$

Закон Генри - это приближение, которое применимо только к разбавленным идеальным растворам и к растворам, в которых жидкий растворитель не вступает в химическую реакцию с растворяемым газом.

При нырянии с газами [ править ]

При подводном плавании физиологические эффекты отдельных составляющих газов дыхательных газов являются функцией парциального давления.

Используя термины погружения, парциальное давление рассчитывается как:

парциальное давление = (общее абсолютное давление) × (объемная доля газового компонента)

Для компонентного газа «i»:

р _я = Р × F _я

Например, на глубине 50 метров (164 фута) под водой общее абсолютное давление составляет 6 бар (600 кПа) (т. Е. 1 бар атмосферного давления + 5 бар давления воды), а парциальные давления основных компонентов воздуха , кислорода 21% по объему и азот примерно 79% по объему:

pN ₂ = 6 бар × 0,79 = 4,7 бар абс.

pO ₂ = 6 бар × 0,21 = 1,3 бар абс.

куда:
п _я	= парциальное давление газового компонента i = в терминах, используемых в этой статье $P_{\mathrm {i} }$
п	= общее давление = в терминах, используемых в этой статье $P$
F _i	= объемная доля газового компонента i = мольная доля , в терминах, используемых в этой статье $x_{\mathrm {i} }$
pN ₂	= парциальное давление азота = в терминах, используемых в этой статье $P_{{\mathrm {N} }_{2}}$
pO ₂	= парциальное давление кислорода = в терминах, используемых в этой статье $P_{{\mathrm {O} }_{2}}$

Минимальный безопасный нижний предел парциального давления кислорода в газовой смеси составляет 0,16 бар (16 кПа) абсолютного давления. Гипоксия и внезапная потеря сознания становятся проблемой при парциальном давлении кислорода менее 0,16 бар абсолютного давления. Кислородное отравление , включая судороги, становится проблемой, когда парциальное давление кислорода слишком высокое. Руководство NOAA Diving Manual рекомендует максимальное однократное воздействие: 45 минут при абсолютном давлении 1,6 бара, 120 минут при абсолютном давлении 1,5 бара, 150 минут при абсолютном давлении 1,4 бара, 180 минут при абсолютном давлении 1,3 бара и 210 минут при абсолютном давлении 1,2 бара. Кислородное отравление становится опасным, когда эти парциальные давления кислорода превышаются. Парциальное давление кислорода определяет максимальную рабочую глубину газовой смеси.

Наркоз - это проблема при вдыхании газов под высоким давлением. Как правило, максимальное общее парциальное давление наркотических газов, используемое при планировании технического дайвинга, может составлять около 4,5 бар абсолютного давления , исходя из эквивалентной наркотической глубины в 35 метров (115 футов).

Воздействие токсичного загрязнителя, такого как окись углерода, на вдыхаемый газ, также связано с парциальным давлением при вдыхании. Смесь, которая может быть относительно безопасной на поверхности, может быть опасно токсичной на максимальной глубине погружения, или допустимый уровень углекислого газа в дыхательном контуре дайвинг- ребризера может стать недопустимым в течение нескольких секунд во время спуска, когда парциальное давление быстро увеличивается. , и может привести к панике или выведению из строя дайвера.

В медицине [ править ]

Парциальные давления кислорода ( ) и углекислого газа ( ) являются важными параметрами при тестировании газов артериальной крови , но также могут быть измерены, например, в спинномозговой жидкости . ^[^{почему?}^] $p_{{\mathrm {O} }_{2}}$ $p_{{\mathrm {CO} }_{2}}$

Референсные диапазоны для и $p_{{\mathrm {O} }_{2}}$ $p_{{\mathrm {CO} }_{2}}$
	Единица измерения	Газ артериальной крови	Венозный газ крови	Спинномозговая жидкость	Альвеолярное давление газов в легких
p O 2 {\displaystyle p_{{\mathrm {O} }_{2}}}	кПа	11–13 ^[13]	4,0–5,3 ^[13]	5,3–5,9 ^[13]	14,2
p O 2 {\displaystyle p_{{\mathrm {O} }_{2}}}	мм рт. ст.	75–100 ^[14]	30–40 ^[15]	40–44 ^[16]	107
p C O 2 {\displaystyle p_{{\mathrm {CO} }_{2}}}	кПа	4,7–6,0 ^[13]	5,5–6,8 ^[13]	5,9–6,7 ^[13]	4.8
p C O 2 {\displaystyle p_{{\mathrm {CO} }_{2}}}	мм рт. ст.	35–45 ^[14]	41–51 ^[15]	44–50 ^[16]	36

См. Также [ править ]

Дыхание газа - газ , используемый для дыхания человека
Закон Генри - Отношение равновесной растворимости газа в жидкости к его парциальному давлению в контактирующей газовой фазе
Идеальный газ - математическая модель, которая приближает поведение реальных газов.
- Закон идеального газа - Уравнение состояния гипотетического идеального газа.
Молярная доля - отношение одного компонента к общему количеству всех компонентов в смеси, выраженное в моль / моль.
- Моль (единица) - единица измерения количества вещества в системе СИ
Пар - вещество в газовой фазе при температуре ниже его критической точки.

Ссылки [ править ]

^ Чарльз Хенриксон (2005). Химия . Заметки о скалах. ISBN 978-0-7645-7419-1.
^ «Давление газа и дыхание» . Lumen Learning .
^ Персонал. «Символы и единицы» (PDF) . Респираторная физиология и нейробиология: Руководство для авторов . Эльзевир. п. 1 . Дата обращения 3 июня 2017 . Все символы, относящиеся к газам, находятся в нижнем индексе,
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « давление, р ». DOI : 10,1351 / goldbook.P04819
^ Закон частичных давлений Дальтона
^ "Общая химия онлайн" государственного университета Фростберга
↑ Стр. 200 в: Медицинская биофизика. Флемминг Корнелиус. 6-е издание, 2008 г.
Перейти ↑ Perry, RH and Green, DW (Editors) (1997). Справочник инженеров-химиков Перри (7-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049841-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text: authors list (link)
^ a b Обширный список констант закона Генри и инструмент преобразования
^ Фрэнсис Л. Смит и Аллан Х. Харви (сентябрь 2007 г.). «Избегайте распространенных ошибок при использовании закона Генри». CEP (Прогресс химического машиностроения) . ISSN 0360-7275 .
^ Введение в университетскую химию, закон Генри и растворимость газов, заархивировано 4 мая 2012 г. в Wayback Machine
^ a b «Заметки о классе химии в Университете Аризоны» . Архивировано из оригинала на 2012-03-07 . Проверено 26 мая 2006 .
^ a b c d e f Получено из значений в мм рт. ст. с использованием 0,133322 кПа / мм рт.
^ a b Таблица нормального эталонного диапазона. Архивировано 25 декабря 2011 г. на Wayback Machine из Юго-западного медицинского центра Техасского университета в Далласе. Используется в интерактивном справочнике по изучению клинических случаев для изучения патологической основы заболевания.
^ a b Отдел медицинского образования Brookside Associates -> ABG (газ артериальной крови) по состоянию на 6 декабря 2009 г.
^ a b ПАТОЛОГИЯ 425 ЦЕРЕБРОСПИНАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ [CSF] Архивировано 22 февраля 2012 г. на аппарате Wayback Machine на кафедре патологии и лабораторной медицины Университета Британской Колумбии. Доктор Г. П. Бонди. Проверено ноябрь 2011 г.

[1] Чарльз Хенриксон (2005). Химия . Заметки о скалах. ISBN 978-0-7645-7419-1.

[2] «Давление газа и дыхание» . Lumen Learning .

[Elsevier_guide-3] Персонал. «Символы и единицы» (PDF) . Респираторная физиология и нейробиология: Руководство для авторов . Эльзевир. п. 1 . Дата обращения 3 июня 2017 . Все символы, относящиеся к газам, находятся в нижнем индексе,

[4] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « давление, р ». DOI : 10,1351 / goldbook.P04819

[5] Закон частичных давлений Дальтона

[6] "Общая химия онлайн" государственного университета Фростберга

[biophysics200-7] Стр. 200 в: Медицинская биофизика. Флемминг Корнелиус. 6-е издание, 2008 г.

[8] Перейти ↑ Perry, RH and Green, DW (Editors) (1997). Справочник инженеров-химиков Перри (7-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049841-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text: authors list (link)

[RolfeSander-9] Обширный список констант закона Генри и инструмент преобразования

[10] Фрэнсис Л. Смит и Аллан Х. Харви (сентябрь 2007 г.). «Избегайте распространенных ошибок при использовании закона Генри». CEP (Прогресс химического машиностроения) . ISSN 0360-7275 .

[11] Введение в университетскую химию, закон Генри и растворимость газов, заархивировано 4 мая 2012 г. в Wayback Machine

[UArizona-12] «Заметки о классе химии в Университете Аризоны» . Архивировано из оригинала на 2012-03-07 . Проверено 26 мая 2006 .

[mmHg-13] Получено из значений в мм рт. ст. с использованием 0,133322 кПа / мм рт.

[southwest-14] Таблица нормального эталонного диапазона. Архивировано 25 декабря 2011 г. на Wayback Machine из Юго-западного медицинского центра Техасского университета в Далласе. Используется в интерактивном справочнике по изучению клинических случаев для изучения патологической основы заболевания.

[brookside-15] Отдел медицинского образования Brookside Associates -> ABG (газ артериальной крови) по состоянию на 6 декабря 2009 г.

[UBC-16] ПАТОЛОГИЯ 425 ЦЕРЕБРОСПИНАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ [CSF] Архивировано 22 февраля 2012 г. на аппарате Wayback Machine на кафедре патологии и лабораторной медицины Университета Британской Колумбии. Доктор Г. П. Бонди. Проверено ноябрь 2011 г.

[1]