Парциальное давление

В смеси газов каждый составляющий газ имеет парциальное давление , которое является условным давлением этого составляющего газа, как если бы он один занимал весь объем исходной смеси при той же температуре . ^[1] Общее давление идеальной газовой смеси равно сумме парциальных давлений газов в смеси ( закон Дальтона ).

Парциальное давление газа является мерой термодинамической активности молекул газа . Газы растворяются, диффундируют и реагируют в соответствии со своими парциальными давлениями, но не в соответствии с их концентрациями в газовых смесях или жидкостях. Это общее свойство газов также верно в химических реакциях газов в биологии. Например, необходимое количество кислорода для дыхания человека и количество, которое является токсичным, устанавливается только парциальным давлением кислорода. Это верно для очень широкого диапазона различных концентраций кислорода, присутствующего в различных вдыхаемых дыхательных газах или растворенного в крови; ^[2] следовательно, соотношения смесей, например, для вдыхаемого 20% кислорода и 80% азота, определяются по объему, а не по весу или массе. ^[3] Кроме того, парциальные давления кислорода и углекислого газа являются важными параметрами в тестах газов артериальной крови . Тем не менее, эти давления также можно измерить, например, в спинномозговой жидкости .

Символ

Символ давления обычно $p$ или $pp$ , который может использовать нижний индекс для обозначения давления, а виды газа также обозначаются нижним индексом. При объединении эти нижние индексы применяются рекурсивно. ^[4]^[5]

Примеры:

$P_{1}$ или = давление в момент времени 1 $p_{1}$
$P_{{\ce {H2}}}$ или = парциальное давление водорода $p_{{\ce {H2}}}$
$P_{a_{{\ce {O2}}}}$ или или P _a O ₂ = артериальное парциальное давление кислорода $p_{a_{{\ce {O2}}}}$
$P_{v_{{\ce {O2}}}}$ или P _v O ₂ = венозное парциальное давление кислорода $p_{v_{{\ce {O2}}}}$

Закон парциальных давлений Дальтона

Закон Дальтона выражает тот факт, что общее давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов в смеси. ^[6] Это равенство возникает из того факта, что в идеальном газе молекулы находятся так далеко друг от друга, что не взаимодействуют друг с другом. Большинство реальных газов очень близки к этому идеалу. Например, если взять идеальную газовую смесь азота (N ₂ ), водорода (H ₂ ) и аммиака (NH ₃ ):

$p=p_{{\ce {N2}}}+p_{{\ce {H2}}}+p_ {{\ce {NH3}}}$ где:

$p$ = общее давление газовой смеси
$p_{{\ce {N2}}}$ = парциальное давление азота (N ₂ )
$p_{{\ce {H2}}}$ = парциальное давление водорода (H ₂ )
$p_{{\ce {NH3}}}$ = парциальное давление аммиака (NH ₃ )

Идеальные газовые смеси

В идеале отношение парциальных давлений равно отношению числа молекул. То есть мольная доля отдельного газового компонента в идеальной газовой смеси может быть выражена через парциальное давление компонента или моли компонента: $x_{\mathrm {i} }$ $x_{\mathrm {i} }={\frac {p_{\mathrm {i} }}{p}}={\frac {n_{\mathrm {i} }}{n}}$

а парциальное давление отдельного газового компонента в идеальном газе можно получить с помощью этого выражения: $p_{\mathrm {i} }=x_{\mathrm {i} }\cdot p$

Мольная доля газового компонента в газовой смеси равна объемной доле этого компонента в газовой смеси. ^[7]

Соотношение парциальных давлений зависит от следующего изотермического соотношения: ${\frac {V_{\rm {X}}}{V_{\rm {tot}}}}={\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}={\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}$

V _X — 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)

Частичный объем определенного газа в смеси — это объем одного компонента газовой смеси. В газовых смесях, например, воздухе, полезно сосредоточиться на одном конкретном компоненте газа, например, кислороде.

Его можно приблизительно рассчитать как по парциальному давлению, так и по молярной доле: ^[8] $V_{\rm {X}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}$

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

Давление пара — это давление пара, находящегося в равновесии с его непаровыми фазами (т. е. жидкостью или твердым телом). Чаще всего этот термин используется для описания тенденции жидкости к испарению . Это мера тенденции молекул и атомов выходить из жидкости или твердого тела . Температура кипения жидкости при атмосферном давлении соответствует температуре, при которой давление ее пара равно окружающему атмосферному давлению, и ее часто называют нормальной температурой кипения .

Чем выше давление паров жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная температура кипения жидкости.

На представленной диаграмме давления пара представлены графики давления пара в зависимости от температуры для различных жидкостей. ^[9] Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением пара имеют самые низкие нормальные температуры кипения.

Например, при любой заданной температуре метилхлорид имеет самое высокое давление пара среди всех жидкостей на графике. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (−24,2 °C), где кривая давления пара метилхлорида (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления одной атмосферы ( атм ) абсолютного давления пара. На больших высотах атмосферное давление меньше, чем на уровне моря, поэтому точки кипения жидкостей снижаются. На вершине горы Эверест атмосферное давление составляет приблизительно 0,333 атм, поэтому, используя график, температура кипения диэтилового эфира будет приблизительно 7,5 °C против 34,6 °C на уровне моря (1 атм).

Константы равновесия реакций с участием газовых смесей

Можно рассчитать константу равновесия для химической реакции, включающей смесь газов, учитывая парциальное давление каждого газа и общую формулу реакции. Для обратимой реакции, включающей газообразные реагенты и газообразные продукты, такие как: ${\ce {{{\mathit {a}}A}+{{\mathit {b}}B}<=>{{\mathit {c}}C}+{{\mathit {d}}D}}}$

константа равновесия реакции будет равна: $K_{\mathrm {p} }={\frac {p_{C}^{c}\,p_{D}^{d}}{p_{A}^{a}\,p_{B}^{b}}}$

Для обратимых реакций изменения общего давления, температуры или концентраций реагентов сместят равновесие таким образом, чтобы благоприятствовать либо правой, либо левой стороне реакции в соответствии с принципом Ле Шателье . Однако кинетика реакции может либо препятствовать, либо усиливать сдвиг равновесия. В некоторых случаях кинетика реакции может быть решающим фактором для рассмотрения.

Закон Генри и растворимость газов

Газы растворяются в жидкостях в той степени, которая определяется равновесием между нерастворенным газом и газом, растворенным в жидкости (называемым растворителем ). ^[10] Константа равновесия для этого равновесия равна:

где:

$k$ = константа равновесия для 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 константу равновесия довольно часто называют константой закона Генри. ^[10]^[11]^[12] $k$

Закон Генри иногда записывают так: ^[13]

где также называется константой закона Генри. ^[13] Как можно увидеть, сравнивая уравнения ( 1 ) и ( 2 ) выше, является обратной величиной . Поскольку оба могут называться константой закона Генри, читатели технической литературы должны быть очень внимательны и обращать внимание на то, какая версия уравнения закона Генри используется. $k'$ $k'$ $k$

Закон Генри является приближением, применимым только к разбавленным идеальным растворам и к растворам, в которых жидкий растворитель не вступает в химическую реакцию с растворяемым газом.

При подводном плавании дыхательные газы

При подводном плавании физиологические эффекты отдельных газовых компонентов дыхательных газов являются функцией парциального давления. ^[14]

Используя терминологию дайвинга, парциальное давление рассчитывается следующим образом:

парциальное давление = (полное абсолютное давление) × (объемная доля газового компонента) ^[14]

Для компонента газа «i»:

p _i = P × F _i^[14]

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 азота примерно 79% по объему, составляют:

pN ₂ = 6 бар × 0,79 = 4,7 бар абс.

pO ₂ = 6 бар × 0,21 = 1,3 бар абс.

Минимальный безопасный нижний предел парциального давления кислорода в дыхательной газовой смеси для дайвинга составляет 0,16 бар (16 кПа) абсолютного давления. Гипоксия и внезапная потеря сознания могут стать проблемой при парциальном давлении кислорода менее 0,16 бар абсолютного давления. ^[15] Кислородная интоксикация , включающая судороги, становится проблемой, когда парциальное давление кислорода слишком высокое. Руководство по дайвингу NOAA рекомендует максимальное однократное воздействие 45 минут при 1,6 бар абсолютного давления, 120 минут при 1,5 бар абсолютного давления, 150 минут при 1,4 бар абсолютного давления, 180 минут при 1,3 бар абсолютного давления и 210 минут при 1,2 бар абсолютного давления. Кислородная интоксикация становится риском, когда эти парциальные давления кислорода и воздействия превышаются. Парциальное давление кислорода также определяет максимальную рабочую глубину газовой смеси. ^[14]

Наркоз является проблемой при дыхании газами под высоким давлением. Обычно максимальное общее парциальное давление наркотических газов, используемых при планировании технического дайвинга, может составлять около 4,5 бар абсолютного давления, исходя из эквивалентной наркотической глубины 35 метров (115 футов).

Эффект токсичного загрязнителя, такого как окись углерода в дыхательном газе, также связан с парциальным давлением при дыхании. Смесь, которая может быть относительно безопасной на поверхности, может быть опасно токсичной на максимальной глубине погружения, или допустимый уровень углекислого газа в дыхательном контуре водолазного ребризера может стать невыносимым в течение нескольких секунд во время спуска, когда парциальное давление быстро увеличивается, и может привести к панике или потере дееспособности дайвера. ^[14]

В медицине

Парциальное давление, в частности, кислорода ( ) и углекислого газа ( ) являются важными параметрами в анализах газов артериальной крови , но также могут быть измерены, например, в спинномозговой жидкости . ^[^{почему?}^] $p_{\mathrm {O_{2}} }$ $p_{\mathrm {CO_{2}} }$

Смотрите также

Напряжение газов крови – Парциальное давление газов крови
Дыхательный газ – газ, используемый для дыхания человека.
Закон Генри – Газовый закон относительно пропорциональности растворенного газа
Идеальный газ – математическая модель, которая аппроксимирует поведение реальных газов.
- Закон идеального газа – Уравнение состояния гипотетического идеального газа
Мольная доля – доля компонента в смеси.
- Моль (единица) – единица измерения количества вещества в системе СИ.
Пар – Вещества в газовой фазе при температуре ниже критической точки.

Ссылки

^ Чарльз Хенриксон (2005). Химия . Cliffs Notes. ISBN 978-0-7645-7419-1.
^ "Давление газа и дыхание". Lumen Learning .
^ Смешивание газов
^ Сотрудники. "Символы и единицы" (PDF) . Физиология дыхания и нейробиология : Руководство для авторов . Elsevier. стр. 1. Архивировано (PDF) из оригинала 2015-07-23 . Получено 3 июня 2017 . Все символы, относящиеся к видам газа, указаны в нижнем индексе,
^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «давление, p». doi :10.1351/goldbook.P04819
^ Закон парциальных давлений Дальтона
^ «Общая химия онлайн» Университета Фростберга
↑ Страница 200 в: Медицинская биофизика. Флемминг Корнелиус. 6-е издание, 2008.
^ Перри, Р. Х.; Грин, Д. В., ред. (1997). Справочник инженеров-химиков Перри (7-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049841-9.
^ ab 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». Chemical Engineering Progress . ISSN 0360-7275.
^ Введение в университетскую химию, Закон Генри и растворимость газов Архивировано 2012-05-04 на Wayback Machine
^ ab "Заметки по химии в Университете Аризоны". Архивировано из оригинала 2012-03-07 . Получено 2006-05-26 .
^ abcde Программа дайвинга NOAA (США) (декабрь 1979 г.). Миллер, Джеймс У. (ред.). Руководство по дайвингу NOAA, Дайвинг для науки и технологий (2-е изд.). Силвер-Спринг, Мэриленд: Министерство торговли США: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Офис океанической инженерии.
^ Sawatzky, David (август 2008). "3: Кислород и его влияние на дайвера". В Mount, Tom; Dituri, Joseph (ред.). Exploration and Mixed Gas Diving Encyclopedia (1-е изд.). Miami Shores, Florida: International Association of Nitrox Divers. стр. 41–50. ISBN 978-0-915539-10-9.
^ abcdef Выведено из значений мм рт. ст. с использованием 0,133322 кПа/мм рт. ст.
^ Таблица нормальных значений ab Архивировано 25 декабря 2011 г. в Wayback Machine Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе. Используется в интерактивном приложении к патологической основе заболевания.
^ ab Отдел медицинского образования Brookside Associates--> ABG (газы артериальной крови) Получено 6 декабря 2009 г.
^ ab Патология 425 Спинномозговая жидкость [CSF] Архивировано 22.02.2012 в Wayback Machine на кафедре патологии и лабораторной медицины в Университете Британской Колумбии. Автор GP Bondy. Получено в ноябре 2011 г.