În condiții normale, o persoană respiră aer obișnuit, care are o compoziție relativ constantă (Tabelul 1). Aerul expirat conține întotdeauna mai puțin oxigen și mai mult dioxid de carbon. Cel mai puțin oxigen și cel mai mult dioxid de carbon din aerul alveolar. Diferența de compoziție a aerului alveolar și expirat se explică prin faptul că acesta din urmă este un amestec de aer din spațiu mort și aer alveolar.

Aerul alveolar este mediul gazos intern al corpului. Compoziția gazoasă a sângelui arterial depinde de compoziția acestuia. Mecanismele de reglare mențin constanta compoziției aerului alveolar. Compoziția aerului alveolar în timpul respirației liniștite depinde puțin de fazele de inspirație și expirație. De exemplu, conținutul de dioxid de carbon la sfârșitul inhalării este cu doar 0,2-0,3% mai mic decât la sfârșitul expirației, deoarece doar 1/7 din aerul alveolar este reînnoit cu fiecare respirație. În plus, curge continuu, în timpul inhalării și expirației, ceea ce ajută la egalizarea compoziției aerului alveolar. Odată cu respirația profundă, dependența compoziției aerului alveolar de inhalare și expirație crește.

Tabelul 1. Compoziția aerului (în %)

Schimbul de gaze în plămâni se realizează ca urmare a difuzării oxigenului din aerul alveolar în sânge (aproximativ 500 litri pe zi) și a dioxidului de carbon din sânge în aerul alveolar (aproximativ 430 litri pe zi). Difuzia are loc din cauza diferenței de presiune parțială a acestor gaze în aerul alveolar și a tensiunii lor în sânge.

Presiunea parțială a gazului: concept și formulă

Gaz cu presiune parțialăîntr-un amestec de gaze proporțional cu procentul de gaz și presiunea totală a amestecului:

Pentru aer: P atmosferic = 760 mm Hg. Artă.; Cu oxigen = 20,95%.

Depinde de natura gazului. Întregul amestec gazos de aer atmosferic este luat ca 100%, are o presiune de 760 mm Hg. Art., iar o parte din gaz (oxigen - 20,95%) este luată ca X. Prin urmare, presiunea parțială a oxigenului din amestecul de aer este de 159 mm Hg. Artă. La calcularea presiunii parțiale a gazelor din aerul alveolar, trebuie luat în considerare faptul că acesta este saturat cu vapori de apă, a căror presiune este de 47 mm Hg. Artă. În consecință, ponderea amestecului de gaze care face parte din aerul alveolar are o presiune de nu 760 mm Hg. Art. și 760 - 47 \u003d 713 mm Hg. Artă. Această presiune este considerată 100%. De aici este ușor de calculat că presiunea parțială a oxigenului, care este conținută în aerul alveolar în cantitate de 14,3%, va fi egală cu 102 mm Hg. Artă.; în consecință, calculul presiunii parțiale a dioxidului de carbon arată că aceasta este egală cu 40 mm Hg. Artă.

Presiunea parțială a oxigenului și a dioxidului de carbon din aerul alveolar este forța cu care moleculele acestor gaze tind să pătrundă prin membrana alveolară în sânge.

Difuzia gazelor prin barieră respectă legea lui Fick; deoarece grosimea membranei și aria de difuzie sunt aceleași, difuzia depinde de coeficientul de difuzie și de gradientul de presiune:

Q gaz- volumul de gaz care trece prin țesut pe unitatea de timp; S - zona de țesut; DK-coeficientul de difuzie al gazului; (P 1, - P 2) - gradientul de presiune parțială a gazului; T este grosimea barierei tisulare.

Dacă luăm în considerare că în sângele alveolar care curge către plămâni, tensiunea parțială a oxigenului este de 40 mm Hg. Art., iar dioxid de carbon - 46-48 mm Hg. Art., atunci gradientul de presiune care determină difuzia gazelor în plămâni va fi: pentru oxigen 102 - 40 = 62 mm Hg. Artă.; pentru dioxid de carbon 40 - 46 (48) \u003d minus 6 - minus 8 mm Hg. Artă. Deoarece coeficientul difuz al dioxidului de carbon este de 25 de ori mai mare decât cel al oxigenului, dioxidul de carbon părăsește capilarele mai activ în alveole decât oxigenul în direcția opusă.

În sânge, gazele sunt într-o stare dizolvată (liberă) și legată chimic. Difuzia implică doar molecule de gaz dizolvate. Cantitatea de gaz care se dizolvă într-un lichid depinde de:

• asupra compoziției lichidului;
• volumul și presiunea gazului în lichid;
• temperatura lichidului;
• natura gazului studiat.

Cu cât presiunea unui anumit gaz și temperatura sunt mai mari, cu atât gazul se dizolvă în lichid. La o presiune de 760 mm Hg. Artă. și o temperatură de 38 ° C, 2,2% oxigen și 5,1% dioxid de carbon se dizolvă în 1 ml de sânge.

Dizolvarea unui gaz într-un lichid continuă până când se atinge un echilibru dinamic între numărul de molecule de gaz care se dizolvă și care scapă în mediul gazos. Se numește forța cu care moleculele unui gaz dizolvat tind să scape într-un mediu gazos presiunea unui gaz într-un lichid. Astfel, la echilibru, presiunea gazului este egală cu presiunea parțială a gazului din lichid.

Dacă presiunea parțială a unui gaz este mai mare decât tensiunea acestuia, atunci gazul se va dizolva. Dacă presiunea parțială a gazului este sub tensiunea sa, atunci gazul va ieși din soluție în mediul gazos.

Presiunea și tensiunea parțială a oxigenului și dioxidului de carbon din plămâni sunt date în tabel. 2.

Tabelul 2. Presiunea și tensiunea parțială a oxigenului și dioxidului de carbon în plămâni (în mmHg)

Difuzia oxigenului este asigurată de diferența de presiuni parțiale în alveole și sânge, care este egală cu 62 mm Hg. Art., iar pentru dioxid de carbon - este de doar aproximativ 6 mm Hg. Artă. Timpul de curgere a sângelui prin capilarele cercului mic (o medie de 0,7 s) este suficient pentru egalizarea aproape completă a presiunii parțiale și a tensiunii gazului: oxigenul se dizolvă în sânge, iar dioxidul de carbon trece în aerul alveolar. Tranziția dioxidului de carbon în aer alveolar la o diferență de presiune relativ mică se explică prin capacitatea mare de difuzie a plămânilor pentru acest gaz.

În chimie, „presiune parțială” este presiunea exercitată de o singură componentă dintr-un amestec de gaze din mediu, de exemplu, pe un balon, cilindru sau limita atmosferei. Puteți calcula presiunea fiecărui gaz dacă îi cunoașteți cantitatea, cât volum ocupă și care este temperatura acestuia. Apoi puteți adăuga presiunile parțiale și puteți găsi presiunea parțială totală a unui amestec de gaze sau puteți găsi mai întâi presiunea totală și apoi presiunea parțială.

Pași

Partea 1

Acceptați fiecare gaz ca fiind „ideal”.În chimie, un „gaz ideal” este unul care interacționează cu alte substanțe fără a intra în contact cu acestea. Moleculele individuale se pot ciocni între ele și se pot respinge ca bile de biliard fără a fi deformate.

Determinați cantitatea de gaze. Gazele au atât masă, cât și volum. Volumul se măsoară de obicei în litri (l), dar există două opțiuni pentru calcularea masei.

Înțelegerea legii lui Dalton a presiunii parțiale. Legea descoperită de chimistul și fizicianul John Dalton, care a fost primul care a sugerat că elementele chimice sunt compuse din atomi individuali, afirmă că presiunea totală a unui amestec de gaze este egală cu suma presiunilor fiecărui gaz din amestec.

Partea 2

Calculul presiunii parțiale, apoi totale

1. Determinați ecuația presiunii parțiale pentru gazele cu care lucrați.În scopuri de calcul, să luăm un exemplu: un balon de 2 litri conține 2 gaze, azot (N 2 ), oxigen (O 2) și dioxid de carbon, dioxid de carbon (CO 2). Fiecare gaz - 10 g, temperatura fiecărui gaz din balon este de 37 de grade Celsius (98,6 Fahrenheit). Este necesar să se găsească presiunea parțială a fiecărui gaz și presiunea totală a amestecului de gaze de pe recipient.

   • Ecuația noastră de presiune parțială va arăta astfel: P total = P azot + P oxigen + P dioxid de carbon.
   • Deoarece încercăm să găsim presiunea pe care o exercită fiecare dintre gaze, știm volumul și temperatura și putem afla numărul de moli ai fiecărui gaz pe baza masei substanței, putem rescrie ecuația în următoarea formă : P total = (nRT/V) azot + (nRT/V) oxigen + (nRT/V) dioxid de carbon

2. Convertiți temperatura în grade Kelvin. Temperatura în Celsius este de 37 de grade, așa că adăugăm 273 la 37 și obținem 310 de grade K.

   Aflați numărul de moli ai fiecărui gaz din probă. Numărul de moli ai unui gaz este egal cu masa gazului împărțită la masa sa molară, care, așa cum sa menționat deja, este egală cu suma greutăților tuturor atomilor din compoziție.

   • Pentru primul nostru gaz, azotul (N2), fiecare atom are o masă atomică de 14. Deoarece azotul conține doi atomi (compuși din molecule biatomice), trebuie să înmulțim 14 cu 2 pentru a găsi masa molară a azotului, care este 28. Atunci împărțim masa în grame, 10 g, la 28 pentru a obține numărul de moli, care este aproximativ egal cu 0,4 moli.
   • Al doilea gaz, oxigenul (O 2 ), are o masă de 16 pe atom.Oxigenul este și un gaz diatomic, așa că înmulțim 16 cu 2 și obținem o masă molară de 32. Împărțind 10 g la 32 ne dă aproximativ 0,3 mol. de oxigen în probele de amestecuri de gaze.
   • Al treilea gaz, dioxidul de carbon (CO 2 ), este format din 3 atomi: un atom de carbon cu masa atomică de 12 și doi atomi de oxigen, fiecare cu masa atomică de 16. Adăugăm toate cele trei greutăți: 12 + 16 + 16 = 44 este masa molară. Împărțirea a 10 grame la 44 ne oferă aproximativ 0,2 moli de dioxid de carbon.

3. Introduceți valorile pentru alunițe, volum și temperatură. Ecuația noastră va arăta astfel: P total = (0,4 * R * 310/2) azot + (0,3 * R * 310/2) oxigen + (0,2 * R * 310/2) dioxid de carbon.

   • Pentru simplitate, am lăsat valorile curente ale unităților de măsură. Aceste unități vor dispărea după matematică și vor rămâne doar cele care sunt implicate în determinarea presiunii.

4. Înlocuiți valoarea constantei R. Vom da presiuni parțiale și totale în atmosfere, deci folosim o valoare R de 0,0821 L atm/K mol. Introducerea acestui lucru în ecuație ne dă P total = (0,4 * 0,0821 * 310/2) azot + (0,3 * 0,0821 * 310/2) oxigen + (0,2 * 0,0821 * 310/2) dioxid de carbon.

5. Calculați presiunea parțială a fiecărui gaz. Acum toate valorile sunt la locul lor, este timpul să trecem la calcule matematice.

   • Pentru a găsi presiunea parțială a azotului, înmulțim 0,4 mol cu ​​constanta noastră de 0,0821 și temperatura de 310 grade K, apoi împărțim la 2 litri: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm, aproximativ.
   • Pentru a obține presiunea parțială a oxigenului, înmulțiți 0,3 mol cu ​​o constantă de 0,0821 și o temperatură de 310 grade K, apoi împărțiți la 2 litri: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 atm, aproximativ.
   • Pentru a afla presiunea parțială a dioxidului de carbon, înmulțiți 0,2 mol cu ​​o constantă de 0,0821 și o temperatură de 310 grade K, apoi împărțiți la 2 litri: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm, aproximativ.
   • Acum vom adăuga valorile presiunii obținute și vom găsi presiunea totală: P total \u003d 5,09 + 3,82 + 2,54, sau 11,45 atm, aproximativ.

Partea 3

Calculul presiunii totale, apoi parțiale

1. Determinați presiunea parțială ca înainte. Din nou, luăm ca exemplu un balon de 2 litri cu trei gaze: azot (N 2 ), oxigen (O 2) și dioxid de carbon (CO 2). Avem 10 g din fiecare gaz, temperatura fiecărui gaz din balon este de 37 grade C (98,6 grade F).

   • Temperatura Kelvin va fi aceeași, 310 grade, ca și până acum, vom avea aproximativ 0,4 moli de azot, 0,3 moli de oxigen și 0,2 moli de dioxid de carbon.
   • Vom indica și presiunea în atmosfere, deci vom folosi valoarea 0,0821 l atm/K mol pentru constanta R.
   • Astfel, ecuația noastră de presiune parțială arată în prezent la fel ca înainte: P total = (0,4 * 0,0821 * 310/2) azot + (0,3 * 0,0821 * 310/2) oxigen + (0,2 * 0,0821 * 310/2) dioxid de carbon.

Presiunile parțiale ale gazelor respiratorii

Conform legii lui Dalton, presiunea parțială (tensiunea) a fiecărui gaz din amestec (Pr) este proporțională cu ponderea acestuia din volumul total, adică. fracțiile sale (Fr) . La aplicarea acestei legi la gazele respiratorii, trebuie avut în vedere că aerul atmosferic, ca și amestecul de gaze alveolare, conține nu numai O 2, CO 2, N 2 și gaze nobile, ci și vapori de apă, care au o anumită presiune parțială. (Pn 2 o). Deoarece fracțiile de gaze sunt date pentru amestecul lor uscat, în ecuația pentru legea lui Dalton, presiunea vaporilor de apă trebuie scăzută din presiunea totală (presiunea atmosferică: P atm). Apoi presiunea parțială a gazului va fi determinată de formula:

Pr \u003d Fr (R atm - Pn 2 o)

Dacă înlocuim valorile Fr pentru oxigen sau dioxid de carbon din aerul atmosferic în ecuația pentru presiunea parțială a gazelor: 21% (0,21) și 0,03% (0,0003) și presiunea vaporilor de apă (47 mm Hg), atunci putem calcula, ce presiune parțială specificat gazele din aerul atmosferic deasupra nivelului mării(P atm = 760 mm Hg) va fi, respectiv, 150 mm Hg (20 kPa) pentru oxigen și 0,2 mm Hg (0,03 kPa) pentru dioxid de carbon.

Din formula de mai sus rezultă că o scădere a presiunii barometrice, sau o scădere a conținutului specific al unui gaz (oxigen - FrO 2) în aerul inhalat va fi însoțită de o scădere a presiunii parțiale a acestui gaz (oxigen - PrO 2) în aerul inhalat.

Tensiunea oxigenului în amestecul de gaz alveolarîn condiții standard, ventilația depinde nu numai de consumul său, ci și de eliminarea dioxidului de carbon. În consecință, atunci când se calculează presiunea parțială a oxigenului în amestecul de gaz alveolar (PA O 2 ), se face o corecție pentru îndepărtarea CO 2 format în timpul metabolismului. Astfel, formula de calcul pentru determinarea P A O 2 este următoarea:

R A O 2 \u003d PrO 2 - ________,

unde PaCO 2 este presiunea parțială a dioxidului de carbon din sângele arterial (40 mm Hg);

R - coeficient respirator care caracterizează raportul dintre CO 2 eliberat și O 2 absorbit (în absența stresului și cu alimentație normală = 0,8).

Înlocuind valorile acestor indicatori, găsim:

R A O 2 \u003d 150 - _______ \u003d 100 mm Hg (13,3 kPa)

Presiunea parțială a dioxidului de carbon din amestecul de gaz alveolar este de 40 mm Hg (5,3 kPa). Din formula de mai sus rezultă că o scădere a PrO 2 va fi însoțită de o scădere a R A O 2 .

După cum se știe, schimbul de gaze în plămâni merge în direcția gradienților de presiune parțială pe ambele părți ale membranei alveolo-capilare (Δ). Pentru oxigen, acest gradient corespunde diferenței dintre P A O 2 și tensiunea oxigenului din capilarele sângelui venos (40 mm Hg) care intră în plămâni. Totuși, în timpul trecerii sângelui prin capilarele pulmonare (0,3 sec), această presiune crește rapid și după 0,1 sec este ≈ 90% din presiunea alveolară (G. Tevs, 2007), iar în următoarele 0,2 sec, tensiunea. oxigenul din capilare este egalizat cu cel alveolar. Prin urmare, conceptul este introdus gradientul mediu de presiuneîntre amestecul de gaz alveolar (100 mm Hg) și sângele capilarelor pulmonare (90 mm Hg), care este de 10 mm Hg. Artă.

Osmoză

Osmoză- fenomenul de difuzie selectivă a unui anumit tip de particule printr-o partiție semipermeabilă. Acest fenomen a fost descris pentru prima dată de stareț nolle în 1748. Partițiile care sunt permeabile numai la apă sau alt solvent și impermeabile la substanțe dizolvate, atât cu greutate moleculară mică, cât și cu greutate moleculară mare, pot fi realizate din filme polimerice (colodion) sau precipitate asemănătoare gelului, de exemplu, ferocianura de cupru Cu 2 ; acest precipitat se formează în porii filtrului despărțitor de sticlă atunci când materialul poros este scufundat mai întâi într-o soluție de sulfat de cupru (CuSO 4 x 5H 2 O) și apoi în sare galbenă de sânge K 2 . Substanțele difuzează printr-un astfel de compartiment, care este un caz important de osmoză, care face posibilă măsurarea presiunii osmotice, adică. presiune osmotica- o măsură a dorinței unui dizolvat de a trece din cauza mișcării termice în procesul de difuzie dintr-o soluție într-un solvent pur; distribuit uniform în volumul solventului, scăzând concentrația inițială a soluției.

Datorită presiunii osmotice, forța face ca lichidul să se ridice, această presiune osmotică este echilibrată de presiunea hidrostatică. Când vitezele substanțelor care difuzează devin egale, atunci osmoza se va opri.

Modele:

1. La temperatură constantă, presiunea osmotică a unei soluții este direct proporțională cu concentrația solutului.

2. Presiunea osmotică este proporțională cu temperatura absolută.

În 1886 J. G. van't Hoff a arătat că mărimea presiunii osmotice poate fi exprimată în termeni de starea gazului

P principal V = RT.

Legea lui Avogadro aplicabil soluțiilor diluate: volume egale de gaze diferite la aceeași temperatură și aceeași presiune osmotică conțin același număr de particule dizolvate. Soluțiile de substanțe diferite care au aceeași concentrație molară la aceeași temperatură au aceeași presiune osmotică. Astfel de soluții se numesc izotonic.

Presiunea osmotică nu depinde de natura substanțelor dizolvate, ci depinde de concentrație. Dacă volumul este înlocuit cu concentrație, obținem:

Considera Legea lui Van't Hoff: presiunea osmotică a unei soluții este numeric egală cu presiunea pe care o anumită cantitate de dizolvat ar produce-o dacă acesta, sub formă de gaz ideal, ar ocupa la o anumită temperatură un volum egal cu volumul soluției.

Toate legile descrise se aplică soluțiilor infinit diluate.

Presiune parțială- presiunea pe care gazul care intră în amestecul de gaze ar exercita-o dacă toate celelalte gaze ar fi îndepărtate din acesta, cu condiția ca temperatura și volumul să fie menținute constante.

Se determină presiunea totală a amestecului de gaze legea lui Dalton: presiunea totală a unui amestec de gaze care ocupă un anumit volum este egală cu suma presiunilor parțiale pe care le-ar avea fiecare gaz în parte dacă ar ocupa un volum egal cu volumul amestecului de gaze.

P = P 1 + R 2 + R 3 + … + R la,

Unde R- presiunea totala;

R la este presiunea parțială a componentelor.