Za normálnych podmienok človek dýcha obyčajný vzduch, ktorý má relatívne stále zloženie (tab. 1). Vydychovaný vzduch vždy obsahuje menej kyslíka a viac oxid uhličitý. Najmenej kyslíka a najviac oxidu uhličitého v alveolárnom vzduchu. Rozdiel v zložení alveolárneho a vydychovaného vzduchu sa vysvetľuje tým, že vydychovaný vzduch je zmesou vzduchu mŕtveho priestoru a alveolárneho vzduchu.

Alveolárny vzduch je vnútorným plynným prostredím tela. Zloženie plynu v arteriálnej krvi závisí od jej zloženia. Regulačné mechanizmy udržujú stálosť zloženia alveolárneho vzduchu. Zloženie alveolárneho vzduchu pri pokojnom dýchaní málo závisí od fáz nádychu a výdychu. Napríklad obsah oxidu uhličitého na konci nádychu je len o 0,2 – 0,3 % menší ako na konci výdychu, keďže pri každom nádychu sa obnoví len 1/7 alveolárneho vzduchu. Navyše prúdi nepretržite, pri nádychu a výdychu, čo pomáha vyrovnávať zloženie alveolárneho vzduchu. Pri hlbokom dýchaní sa zvyšuje závislosť zloženia alveolárneho vzduchu od nádychu a výdychu.

Tabuľka 1. Zloženie vzduchu (v %)

Výmena plynov v pľúcach sa uskutočňuje v dôsledku difúzie kyslíka z alveolárneho vzduchu do krvi (asi 500 litrov za deň) a oxidu uhličitého z krvi do alveolárneho vzduchu (asi 430 litrov za deň). V dôsledku rozdielu dochádza k difúzii čiastočný tlak tieto plyny v alveolárnom vzduchu a ich napätie v krvi.

Čiastočný tlak plynu: koncept a vzorec

Plyn s čiastočným tlakom v zmes plynovúmerné percentu plynu a celkovému tlaku zmesi:

Pre vzduch: P atmosferický = 760 mm Hg. čl.; S kyslíkom = 20,95 %.

Závisí to od charakteru plynu. Celá plynná zmes atmosférického vzduchu sa berie ako 100%, má tlak 760 mm Hg. Art., a časť plynu (kyslík - 20,95%) sa berie ako X. Parciálny tlak kyslíka v zmesi vzduchu je teda 159 mm Hg. čl. Pri výpočte parciálneho tlaku plynov v alveolárnom vzduchu je potrebné vziať do úvahy, že je nasýtený vodnou parou, ktorej tlak je 47 mm Hg. čl. V dôsledku toho podiel plynnej zmesi, ktorá je súčasťou alveolárneho vzduchu, má tlak nie 760 mm Hg. Art., a 760 - 47 \u003d 713 mm Hg. čl. Tento tlak sa považuje za 100 %. Odtiaľ je ľahké vypočítať, že parciálny tlak kyslíka, ktorý je obsiahnutý v alveolárnom vzduchu v množstve 14,3%, sa bude rovnať 102 mm Hg. čl.; podľa toho výpočet parciálneho tlaku oxidu uhličitého ukazuje, že sa rovná 40 mm Hg. čl.

Parciálny tlak kyslíka a oxidu uhličitého v alveolárnom vzduchu je sila, s ktorou majú molekuly týchto plynov tendenciu prenikať cez alveolárnu membránu do krvi.

Difúzia plynov cez bariéru sa riadi Fickovým zákonom; keďže hrúbka membrány a difúzna plocha sú rovnaké, difúzia závisí od difúzneho koeficientu a tlakového gradientu:

Q plyn- objem plynu, ktorý prejde tkanivom za jednotku času; S - oblasť tkaniva; DK-difúzny koeficient plynu; (P 1, - P 2) - gradient parciálneho tlaku plynu; T je hrúbka tkanivovej bariéry.

Vzhľadom na to, že v alveolárnej krvi prúdiacej do pľúc, čiastočné napätie kyslík je 40 mm Hg. Art., a oxid uhličitý - 46-48 mm Hg. Art., potom tlakový gradient, ktorý určuje difúziu plynov v pľúcach, bude: pre kyslík 102 - 40 = 62 mm Hg. čl.; pre oxid uhličitý 40 - 46 (48) \u003d mínus 6 - mínus 8 mm Hg. čl. Pretože difúzny koeficient oxidu uhličitého je 25-krát väčší ako koeficient kyslíka, oxid uhličitý odchádza z kapilár do alveol aktívnejšie ako kyslík v opačnom smere.

V krvi sú plyny v rozpustenom (voľnom) a chemicky viazanom stave. Difúzia zahŕňa iba rozpustené molekuly plynu. Množstvo plynu, ktoré sa rozpustí v kvapaline, závisí od:

• na zložení kvapaliny;
• objem a tlak plynu v kvapaline;
• teplota kvapaliny;
• charakter skúmaného plynu.

Čím vyšší je tlak daného plynu a teplota, tým viac sa plyn rozpúšťa v kvapaline. Pri tlaku 760 mm Hg. čl. a teplote 38 °C sa v 1 ml krvi rozpustí 2,2 % kyslíka a 5,1 % oxidu uhličitého.

Rozpúšťanie plynu v kvapaline pokračuje dovtedy, kým sa nedosiahne dynamická rovnováha medzi počtom molekúl plynu, ktoré sa rozpúšťajú a unikajú do plynného prostredia. Sila, s ktorou majú molekuly rozpusteného plynu tendenciu uniknúť do plynného prostredia, sa nazýva tlak plynu v kvapaline. V rovnováhe sa teda tlak plynu rovná parciálnemu tlaku plynu v kvapaline.

Ak je parciálny tlak plynu vyšší ako jeho napätie, plyn sa rozpustí. Ak je parciálny tlak plynu pod jeho napätím, plyn prejde z roztoku do plynného média.

Parciálny tlak a napätie kyslíka a oxidu uhličitého v pľúcach sú uvedené v tabuľke. 2.

Tabuľka 2. Čiastočný tlak a napätie kyslíka a oxidu uhličitého v pľúcach (v mmHg)

Difúziu kyslíka zabezpečuje rozdiel parciálnych tlakov v alveolách a krvi, ktorý sa rovná 62 mm Hg. Art., a pre oxid uhličitý - je to len asi 6 mm Hg. čl. Doba prietoku krvi cez kapiláry malého kruhu (v priemere 0,7 s) je dostatočná na takmer úplné vyrovnanie parciálneho tlaku a napätia plynu: kyslík sa rozpúšťa v krvi a oxid uhličitý prechádza do alveolárneho vzduchu. Prechod oxidu uhličitého do alveolárneho vzduchu pri relatívne malom tlakovom rozdiele sa vysvetľuje vysokou difúznou kapacitou pľúc pre tento plyn.

V chémii je „parciálny tlak“ tlak vyvíjaný jednou zložkou zo zmesi plynov. vonkajšie prostredie, napríklad na banke, balóne alebo na hranici atmosféry. Môžete vypočítať tlak každého plynu, ak poznáte jeho množstvo, aký objem zaberá a akú má teplotu. Potom môžete sčítať parciálne tlaky a nájsť celkový parciálny tlak zmesi plynov alebo najskôr nájsť celkový tlak a potom parciálny tlak.

Kroky

Časť 1

Prijmite každý plyn ako „ideálny“. V chémii je „ideálny plyn“ taký, ktorý interaguje s inými látkami bez toho, aby s nimi prišiel do kontaktu. Jednotlivé molekuly sa môžu navzájom zrážať a odpudzovať sa ako biliardové gule bez toho, aby sa zdeformovali.

Určte množstvo plynov. Plyny majú hmotnosť aj objem. Objem sa zvyčajne meria v litroch (l), ale existujú dve možnosti na výpočet hmotnosti.

Pochopenie Daltonovho zákona parciálneho tlaku. Zákon objavil chemik a fyzik John Dalton, ktorý to ako prvý navrhol chemické prvky pozostávajú z jednotlivých atómov, hovorí: celkový tlak zmesi plynov sa rovná súčtu tlakov každého plynu v zmesi.

Časť 2

Výpočet parciálneho a potom celkového tlaku

1. Určite rovnicu parciálneho tlaku pre plyny, s ktorými pracujete. Pre výpočtové účely si zoberme príklad: 2-litrová banka obsahuje 2 plyny, dusík (N 2), kyslík (O 2) a oxid uhličitý, oxid uhličitý (CO 2). Každý plyn - 10 g, teplota každého plynu v banke je 37 stupňov Celzia (98,6 Fahrenheita). Je potrebné nájsť parciálny tlak každého plynu a celkový tlak zmesi plynov na nádobe.

   • Naša rovnica parciálneho tlaku bude vyzerať takto: P celkový = P dusík + P kyslík + P oxid uhličitý.
   • Keďže sa snažíme nájsť tlak, ktorým každý z plynov pôsobí, poznáme objem a teplotu a vieme nájsť počet mólov každého plynu na základe hmotnosti látky, môžeme rovnicu prepísať do nasledujúceho tvaru : P celkom = (nRT/V) dusík + (nRT/ V) kyslík + (nRT/V) oxid uhličitý

2. Preveďte teplotu na stupne Kelvina. Teplota v stupňoch Celzia je 37 stupňov, takže pripočítame 273 ku 37 a dostaneme 310 stupňov K.

   Nájdite počet mólov každého plynu vo vzorke. Počet mólov plynu sa rovná hmotnosti plynu delenej jeho molárna hmota, ktorý, ako už bolo spomenuté, sa rovná súčtu hmotností všetkých atómov v zložení.

   • Pre náš prvý plyn, dusík (N2), má každý atóm atómovú hmotnosť 14. Keďže dusík má dva atómy (zložené z dvojatómových molekúl), musíme vynásobiť 14 x 2, aby sme našli molárnu hmotnosť dusíka, ktorá je 28. Potom vydelíme hmotnosť v gramoch, 10 g, 28, aby sme dostali počet mólov, ktorý sa približne rovná 0,4 mólu.
   • Druhý plyn, kyslík (O 2 ), má hmotnosť na atóm 16. Kyslík je tiež dvojatómový plyn, preto vynásobíme 16 2, aby sme dostali molárnu hmotnosť 32. Vydelením 10 g číslom 32 dostaneme približne 0,3 mol kyslíka vo vzorkách zmesí plynov.
   • Tretí plyn, oxid uhličitý (CO2), tvoria 3 atómy: jeden atóm uhlíka s atómovou hmotnosťou 12 a dva atómy kyslíka, každý s atómovou hmotnosťou 16. Pripočítame všetky tri hmotnosti: 12 + 16 + 16 = 44 je molárna hmotnosť. Vydelením 10 gramov číslom 44 získame asi 0,2 mólu oxidu uhličitého.

3. Zapojte hodnoty pre krtky, objem a teplotu. Naša rovnica bude vyzerať takto: P celkom = (0,4 * R * 310/2) dusík + (0,3 * R * 310/2) kyslík + (0,2 * R * 310/2) oxid uhličitý.

   • Pre jednoduchosť sme ponechali aktuálne hodnoty merných jednotiek. Tieto jednotky po matematike zmiznú a zostanú len tie, ktoré sa podieľajú na určovaní tlaku.

4. Dosaďte hodnotu konštanty R. Budeme uvádzať parciálny a celkový tlak v atmosfére, preto použijeme hodnotu R 0,0821 L atm/K mol. Ak to zapojíme do rovnice, dostaneme P celkom = (0,4 * 0,0821 * 310/2) dusík + (0,3 * 0,0821 * 310/2) kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) oxid uhličitý.

5. Vypočítajte parciálny tlak každého plynu. Teraz sú všetky hodnoty na mieste, je čas prejsť na matematické výpočty.

   • Aby sme našli parciálny tlak dusíka, vynásobíme 0,4 mol našou konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom vydelíme 2 litrami: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm, približne.
   • Ak chcete získať parciálny tlak kyslíka, vynásobte 0,3 mol konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom vydeľte 2 litrami: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 atm, približne.
   • Ak chcete zistiť parciálny tlak oxidu uhličitého, vynásobte 0,2 mol konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom vydeľte 2 litrami: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = približne 2,54 atm.
   • Teraz spočítame získané hodnoty tlaku a nájdeme celkový tlak: P total \u003d 5,09 + 3,82 + 2,54 alebo približne 11,45 atm.

Časť 3

Výpočet celkového, potom parciálneho tlaku

1. Určte parciálny tlak ako predtým. Opäť si vezmite ako príklad 2-litrovú banku s tromi plynmi: dusík (N 2), kyslík (O 2) a oxid uhličitý (CO 2). Máme 10 g každého plynu, teplota každého plynu v banke je 37 stupňov C (98,6 stupňov F).

   • Kelvinova teplota bude rovnaká, 310 stupňov, ako predtým, budeme mať asi 0,4 mólu dusíka, 0,3 mólu kyslíka a 0,2 mólu oxidu uhličitého.
   • Uvádzame aj tlak v atmosférách, preto pre konštantu R použijeme hodnotu 0,0821 l atm/K mol.
   • Takže naša rovnica parciálneho tlaku pre tento moment vyzerá rovnako ako predtým: P celkom = (0,4 * 0,0821 * 310/2) dusík + (0,3 * 0,0821 * 310/2) kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) oxid uhličitý.

Parciálne tlaky dýchacích plynov

Podľa Daltonovho zákona je parciálny tlak (napätie) každého plynu v zmesi (Pr) úmerný jeho podielu na celkovom objeme, t.j. jeho zlomky (Fr) . Pri aplikácii tohto zákona na dýchacie plyny je potrebné vziať do úvahy, že atmosférický vzduch, podobne ako alveolárna zmes plynov, obsahuje nielen O 2, CO 2, N 2 a vzácne plyny, ale aj vodnú paru, ktorá má určitý parciálny tlak. (Pn 2 o). Keďže frakcie plynu sú uvedené pre ich suchú zmes, v rovnici pre Daltonov zákon z celkového tlaku ( Atmosférický tlak: P atm) odpočítajte tlak vodnej pary. Potom sa parciálny tlak plynu určí podľa vzorca:

Pr \u003d Fr (R atm – Pn 2 o)

Ak do rovnice pre parciálny tlak plynov dosadíme hodnoty Fr pre kyslík alebo oxid uhličitý atmosférický vzduch: 21 % (0,21) a 0,03 % (0,0003) a tlak vodnej pary (47 mm Hg), potom môžeme vypočítať, že čiastočný tlakšpecifikované plyny v atmosférickom vzduchu nad hladinou mora(Patm = 760 mm Hg) bude 150 mm Hg (20 kPa) pre kyslík a 0,2 mm Hg (0,03 kPa) pre oxid uhličitý.

Z vyššie uvedeného vzorca vyplýva, že pokles barometrického tlaku, alebo pokles špecifického obsahu plynu (kyslík - FrO 2) vo vdychovanom vzduchu bude sprevádzaný poklesom parciálneho tlaku tohto plynu (kyslík - PrO 2) vo vdychovanom vzduchu.

Napätie kyslíka v alveolárnej zmesi plynov pri štandardných podmienkach je vetranie závislé nielen od jeho spotreby, ale aj odvádzania oxidu uhličitého. V súlade s tým sa pri výpočte parciálneho tlaku kyslíka v alveolárnej zmesi plynov (P A O 2) vykoná korekcia na odstránenie CO 2 vytvoreného počas metabolizmu. Touto cestou, kalkulačný vzorec definície RA02 sú nasledovné:

R A O 2 \u003d PrO 2 - ________,

kde PaCO 2 je parciálny tlak oxidu uhličitého v arteriálnej krvi (40 mm Hg);

R - respiračný koeficient charakterizujúci pomer uvoľneného CO 2 k absorbovanému O 2 (v neprítomnosti stresu a pri normálnej výžive = 0,8).

Nahradením hodnôt týchto ukazovateľov zistíme:

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

Parciálny tlak oxidu uhličitého v alveolárnej zmesi plynov je 40 mm Hg (5,3 kPa). Z vyššie uvedeného vzorca vyplýva, že pokles PrO 2 bude sprevádzaný poklesom RA O 2 .

ako je známe, výmena plynov v pľúcach ide v smere gradientov parciálneho tlaku na oboch stranách alveolárno-kapilárnej membrány (Δ). Pre kyslík tento gradient zodpovedá rozdielu medzi P A O 2 a napätím kyslíka v kapilárach venóznej krvi (40 mm Hg) vstupujúcej do pľúc. Pri prechode krvi cez pľúcne kapiláry (0,3 sek.) sa však tento tlak rýchlo zvyšuje a po 0,1 sek je ≈ 90 % alveolárneho tlaku (G. Tevs, 2007) a za ďalších 0,2 sek. kyslík v kapilárach sa vyrovnáva s alveol. Preto sa zavádza koncept stredný tlakový gradient medzi alveolárnou zmesou plynov (100 mm Hg) a krvou pľúcnych kapilár (90 mm Hg), čo je 10 mm Hg. čl.

Osmóza

Osmóza- fenomén selektívnej difúzie určitý druhčastice cez polopriepustnú bariéru. Prvýkrát tento jav opísal opát nolle v roku 1748. Priečky, ktoré sú priepustné len pre vodu alebo iné rozpúšťadlo a nepriepustné pre rozpustené látky, či už s nízkou molekulovou hmotnosťou, alebo s vysokou molekulovou hmotnosťou, môžu byť vyrobené z polymérnych filmov (kolódium) alebo gélovitých precipitátov, napríklad ferokyanid meďnatý Cu2; táto zrazenina sa vytvorí v póroch sklenenej filtračnej priehradky, keď sa porézny materiál prvýkrát ponorí do roztoku modrý vitriol(CuSO4 x 5H20) a potom žltá krvná soľ K2. Cez takúto prepážku difundujú látky, čo je dôležitý prípad osmózy, ktorá umožňuje merať osmotický tlak, t.j. osmotický tlak- miera túžby rozpustenej látky prejsť v dôsledku tepelného pohybu v procese difúzie z roztoku do čistého rozpúšťadla; distribuované rovnomerne v celom objeme rozpúšťadla, čím sa znižuje počiatočná koncentrácia roztoku.

V dôsledku osmotického tlaku sila spôsobuje stúpanie kvapaliny nahor, tento osmotický tlak je vyvážený hydrostatickým tlakom. Keď sa rýchlosť difúznych látok vyrovná, osmóza sa zastaví.

Vzory:

1. Pri konštantnej teplote je osmotický tlak roztoku priamo úmerný koncentrácii rozpustenej látky.

2. Osmotický tlak je úmerný absolútnej teplote.

V roku 1886 J. G. van't Hoff ukázali, že veľkosť osmotického tlaku možno vyjadriť stavom plynu

P hlavné V = RT.

Avogadrov zákon použiteľné pre zriedené roztoky: v rovnakých objemoch rôzne plyny pri rovnakej teplote a rovnakom osmotickom tlaku obsahuje rovnaké číslo rozpustené častice. Riešenia rôzne látky majúce rovnakú molárnu koncentráciu pri rovnakej teplote majú rovnaký osmotický tlak. Takéto riešenia sú tzv izotonický.

Osmotický tlak nezávisí od povahy rozpustených látok, ale závisí od koncentrácie. Ak je objem nahradený koncentráciou, dostaneme:

Zvážte Van't Hoffov zákon: osmotický tlak roztoku sa číselne rovná tlaku, ktorý by vytvorilo dané množstvo rozpustenej látky, keby bolo vo forme ideálny plyn zaujímal pri danej teplote objem rovný objemu roztoku.

Všetky opísané zákony platia pre nekonečne zriedené roztoky.

Čiastočný tlak- tlak, ktorý by vyvinul plyn vstupujúci do zmesi plynov, keby sa z nej odstránili všetky ostatné plyny, za predpokladu, že konštantná teplota a objem.

Stanoví sa celkový tlak plynnej zmesi daltonov zákon: celkový tlak zmesi plynov zaberajúcej určitý objem sa rovná súčtu parciálnych tlakov, ktoré by mal každý jednotlivý plyn, keby zaberal objem rovný objemu zmesi plynov.

P = P 1 + R 2 + R 3 + … + R až,

kde R- celkový tlak;

R až je parciálny tlak komponentov.