Частичное давление

Давление компонента газа в смеси

Атмосферное давление примерно равно сумме парциальных давлений составляющих его газов — кислорода , азота , аргона , водяного пара , углекислого газа и т. д .

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] Полное давление идеальной газовой смеси представляет собой сумму парциальных давлений газов в смеси ( закон Дальтона ).

Парциальное давление газа является мерой термодинамической активности молекул газа . Газы растворяются, диффундируют и реагируют в зависимости от парциального давления, а не в зависимости от концентрации в газовых смесях или жидкостях. Это общее свойство газов справедливо и для химических реакций газов в биологии. Например, необходимое количество кислорода для дыхания человека и количество, которое является токсичным, определяется только парциальным давлением кислорода. Это справедливо для очень широкого диапазона различных концентраций кислорода, присутствующего в различных вдыхаемых дыхательных газах или растворенного в крови; ^[2] следовательно, соотношение смесей, например, 20% пригодного для дыхания кислорода и 80% азота, определяется по объему, а не по весу или массе. ^[3] Кроме того, парциальные давления кислорода и углекислого газа являются важными параметрами при тестировании газов артериальной крови . Тем не менее, это давление также можно измерить, например, в спинномозговой жидкости .

Символ

Символом давления обычно является P или p , который может использовать нижний индекс для обозначения давления, а виды газа также обозначаются нижним индексом. В сочетании эти индексы применяются рекурсивно. ^{[4] [5]}

Примеры:

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

Закон парциальных давлений Дальтона

Схематически показано понятие закона 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-за того, что в идеальном газе молекулы расположены настолько далеко друг от друга, что не взаимодействуют друг с другом. Большинство реальных газов очень близки к этому идеалу. Например, дана идеальная газовая смесь азота (N ₂ ), водорода (H ₂ ) и аммиака (NH ₃ ):

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

• ${\displaystyle p}$= общее 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 )

Идеальные газовые смеси

В идеале соотношение 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 : ${\displaystyle x_{\mathrm {i} }}$

$${\displaystyle x_{\mathrm {i} }={\frac {p_{\mathrm {i} }}{p}}={\frac {n_{\mathrm {i} }}{n}}}$$

а парциальное давление отдельного компонента газа в идеальном газе можно получить с помощью этого выражения:

$${\displaystyle p_{\mathrm {i} }=x_{\mathrm {i} }\cdot p}$$

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

Отношение парциальных давлений зависит от следующего соотношения изотерм:

$${\displaystyle {\frac {V_{\rm {X}}}{V_{\rm {tot}}}}={\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}={\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}}$$

• V _X — частичный объем любого отдельного компонента газа (X).
• Vобщ _– общий объем газовой смеси
• p _X — парциальное давление газа X
• p _tot – полное давление газовой смеси
• n _X – количество вещества газа (X)
• nобщ _– общее количество вещества в газовой смеси

Частичный объем (закон аддитивного объема Амагата)

Парциальный объем конкретного газа в смеси — это объем одного компонента газовой смеси. В газовых смесях, например, с воздухом, полезно сосредоточиться на одном конкретном компоненте газа, например, на кислороде.

Его можно аппроксимировать как по парциальному давлению, так и по мольной доле: ^[8]

$${\displaystyle V_{\rm {X}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}}$$

• V _X – парциальный объем отдельного газового компонента X в смеси.
• Vобщ _– общий объем газовой смеси
• p _X — парциальное давление газа X
• p _tot – полное давление газовой смеси
• n _X – количество вещества газа X
• nобщ _– общее количество вещества в газовой смеси

Давление газа

Лог-лин-диаграмма давления пара для различных жидкостей

Давление пара — это давление пара , находящегося в равновесии с его непаровыми фазами (т. е. жидкими или твердыми). Чаще всего этот термин используется для описания склонности жидкости к испарению . Это мера тенденции молекул и атомов покинуть жидкость или твердое тело . Точка кипения жидкости при атмосферном давлении соответствует температуре, при которой давление ее паров 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 отображаемой диаграмме давления пара представлены графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. ^[9] Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением паров имеют самые низкие нормальные температуры кипения.

Например, при любой заданной температуре хлористый метил имеет самое высокое давление паров среди всех жидкостей, представленных на диаграмме. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (-24,2 ° C), где кривая давления пара метилхлорида (синяя линия) пересекает горизонтальную линию абсолютного давления пара в одну атмосферу ( атм ). На больших высотах атмосферное давление меньше, чем на уровне моря, поэтому температура кипения жидкостей снижается. На вершине Эвереста атмосферное давление составляет примерно 0,333 атм, поэтому, используя график, точка кипения диэтилового эфира составит примерно 7,5 °C против 34,6 °C на уровне моря (1 атм).

Константы равновесия реакций с участием газовых смесей

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

$${\displaystyle {\ce {{{\mathit {a}}A}+{{\mathit {b}}B}<=>{{\mathit {c}}C}+{{\mathit {d}}D}}}}$$

Константа равновесия реакции будет равна:

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

Для обратимых реакций изменения общего давления, температуры или концентрации реагентов сместят равновесие так , чтобы отдать предпочтение правой или левой стороне реакции в соответствии с принципом Ле Шателье . Однако кинетика реакции может как противодействовать, так и усиливать сдвиг равновесия. В некоторых случаях кинетика реакции может быть решающим фактором, который следует учитывать.

Закон Генри и растворимость газов.

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

где:

• ${\displaystyle k}$= константа равновесия процесса сольватации
• ${\displaystyle p_{x}}$= парциальное давление газа в равновесии с раствором , содержащим некоторое количество газа ${\displaystyle x}$
• ${\displaystyle C_{x}}$= концентрация газа в жидком растворе ${\displaystyle x}$

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 часто называют константой закона Генри. ^{[10] [11] [12]} ${\displaystyle k}$

Закон Генри иногда записывают так: ^[13]

где также называется константой закона Генри. ^[13] Как видно из сравнения уравнений ( 1 ) и ( 2 ), приведенных выше, является обратной величиной . Поскольку обе константы можно назвать константами закона Генри, читатели технической литературы должны внимательно следить за тем, какая версия уравнения закона Генри используется. ${\displaystyle k'}$ ${\displaystyle k'}$ ${\displaystyle k}$

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.

В дайвинге дыхательные газы

При подводном плавании физиологическое воздействие отдельных компонентов дыхательных газов зависит от парциального давления. ^[14]

Используя термины дайвинга, парциальное давление рассчитывается как:

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

Для компонента газа «i»:

п _я = П × F _я ^[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 азот примерно 79% по объему составляют:

pN ₂ = 6 бар × 0,79 = 4,7 бар абсолютное

pO ₂ = 6 бар × 0,21 = 1,3 бар абсолютное

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

Наркоз является проблемой при вдыхании газов 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 токсических примесей, таких как окись углерода, в дыхательном газе также связан с парциальным давлением при дыхании. Смесь, которая может быть относительно безопасной на поверхности, может оказаться опасно токсичной на максимальной глубине погружения, или допустимый уровень углекислого газа в дыхательном контуре ребризера для дайвинга может стать невыносимым в течение нескольких секунд во время спуска, когда парциальное давление быстро увеличивается. и может привести к панике или потере трудоспособности дайвера. ^[14]

В медицине

Парциальные давления кислорода ( ) и углекислого газа ( ) являются важными параметрами при тестировании газов артериальной крови , но их также можно измерить, например, в спинномозговой жидкости . ^{[ почему? ]} ${\displaystyle p_{\mathrm {O_{2}} }}$ ${\displaystyle p_{\mathrm {CO_{2}} }}$

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, аппроксимирующая поведение реальных газов.
  • Закон идеального газа  - Уравнение состояния гипотетического идеального газа.
• Мольная доля  - доля компонента в смеси.
  • Моль (единица измерения)  – единица количества вещества в системе СИ.
• Пар  – вещества, находящиеся в газовой фазе при температуре ниже критической точки.

Рекомендации

1. Чарльз Хенриксон (2005). Химия . Заметки Клиффса. ISBN 978-0-7645-7419-1.
2. «Давление газа и дыхание». Люмен Обучение .
3. Смешение газов
4. Персонал. «Символы и единицы измерения» (PDF) . Респираторная физиология и нейробиология: Руководство для авторов . Эльзевир. п. 1. Архивировано (PDF) из оригинала 23 июля 2015 г. Проверено 3 июня 2017 г. Все символы, относящиеся к видам газа, указаны в нижнем индексе.
5. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) «давление, р». дои :10.1351/goldbook.P04819
6. Закон парциального давления Дальтона
7. "Общая химия онлайн" Государственного университета Фростберга.
8. Страница 200 в: Медицинская биофизика. Флемминг Корнелиус. 6-е издание, 2008 г.
9. Перри, Р.Х.; Грин, Д.В., ред. (1997). Справочник инженеров-химиков Перри (7-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049841-9.
10. Обширный список констант закона Генри и инструмент преобразования.
11. Фрэнсис Л. Смит и Аллан Х. Харви (сентябрь 2007 г.). «Избегайте распространенных ошибок при использовании закона Генри». CEP (Химический прогресс) . ISSN  0360-7275.
12. Вводная университетская химия, закон Генри и растворимость газов. Архивировано 4 мая 2012 г. в Wayback Machine.
13. "Конспекты занятий по химии в Университете Аризоны" . Архивировано из оригинала 7 марта 2012 г. Проверено 26 мая 2006 г.
14. Программа дайвинга NOAA (США) (декабрь 1979 г.). Миллер, Джеймс В. (ред.). Руководство NOAA по дайвингу, Дайвинг для науки и технологий (2-е изд.). Силвер-Спринг, Мэриленд: Министерство торговли США: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Управление океанической инженерии.
15. Савацки, Дэвид (август 2008 г.). «3: Кислород и его влияние на дайвера». В Маунте, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия разведки и дайвинга на смешанном газе (1-е изд.). Майами-Шорс, Флорида: Международная ассоциация дайверов на найтроксе. стр. 41–50. ISBN 978-0-915539-10-9.
16. Получено на основе значений мм рт.ст. с использованием 0,133322 кПа/мм рт.ст.
17. Таблица нормальных эталонных диапазонов. Архивировано 25 декабря 2011 г. в Wayback Machine из Юго-западного медицинского центра Техасского университета в Далласе. Используется в интерактивном тематическом исследовании, дополняющем патологическую основу заболевания.
18. Отдел медицинского образования Brookside Associates -> ABG (газ артериальной крови). Получено 6 декабря 2009 г.
19. Патология 425 Цереброспинальная жидкость [СМЖ]. Архивировано 22 февраля 2012 г. в Wayback Machine на факультете патологии и лабораторной медицины Университета Британской Колумбии. Автор: Г. П. Бонди. Проверено в ноябре 2011 г.