Osmóza

Osmóza– fenomén selektívnej difúzie určitú odrodučastice cez polopriepustnú prepážku. Prvýkrát tento jav opísal opát Nolle v roku 1748. Priečky, priepustné len pre vodu alebo iné rozpúšťadlo a nepriepustné pre rozpustené látky, či už s nízkou alebo vysokou molekulovou hmotnosťou, môžu byť vyrobené z polymérnych filmov (kolódium) alebo gélovitých precipitátov, napríklad ferokyanid meďnatý Cu 2; táto zrazenina sa vytvorí v póroch sklenenej filtračnej priehradky, keď sa porézny materiál prvýkrát ponorí do roztoku síran meďnatý(CuSO4 x 5H20) a potom žltá krvná soľ K2. Cez takúto prepážku difundujú látky, čo je dôležitý prípad osmózy, umožňujúci meranie osmotického tlaku, t.j. osmotický tlak– miera tendencie rozpustenej látky pohybovať sa v dôsledku tepelný pohyb počas procesu 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, tento osmotický tlak je vyvážený hydrostatickým tlakom. Keď sa rýchlosti difúznych látok vyrovnajú, 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 báza 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, ktoré majú rovnaké molárne koncentrácie 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:

Uvažujme van't Hoffov zákon: osmotický tlak roztoku sa číselne rovná tlaku, ktorý by vytvorilo dané množstvo rozpustenej látky, ak by vo forme ideálneho plynu zaberalo objem rovný objemu roztoku pri danej teplote.

Všetky opísané zákony platia pre nekonečne zriedené roztoky.

Čiastočný tlak- tlak, ktorý by vyvíjal plyn obsiahnutý v plynnej zmesi, keby sa z nej odstránili všetky ostatné plyny, za predpokladu, že teplota a objem budú udržiavané konštantné.

Celkový tlak zmes plynov určený 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 k,

Kde R– celkový tlak;

R k– čiastočný tlak komponentov.

Parciálny tlak (lat. participialis - parciálny, z lat. pars - časť) je tlak, ktorý by mal plyn obsiahnutý v zmesi plynov, keby sám zaberal objem rovný objemu zmesi pri rovnakej teplote. V tomto prípade tiež používajú zákon parciálnych tlakov: celkový tlak zmesi plynov sa rovná súčtu parciálnych tlakov jednotlivých plynov, ktoré tvoria túto zmes, teda Pcelk = P1 + P2 + .. + Pp

Zo znenia zákona vyplýva, že parciálny tlak je parciálny tlak vytvorený jednotlivým plynom. Parciálny tlak je totiž tlak, ktorý by daný plyn vytvoril, keby sám zaberal celý objem.

12. Definujte pojmy: systém, fáza, prostredie, makro- a mikrostav.

Systém je súbor interagujúcich látok izolovaných z prostredia. Rozlišovať homogénneAheterogénnesystémov.

Systém je tzv termodynamické, ak sa teplo a hmota môžu vymieňať medzi telesami, ktoré ju tvoria a ak je systém úplne opísaný termodynamickými pojmami.

V závislosti od povahy interakcie s prostredím sa rozlišujú systémy otvorené, zatvorenéAizolovanýkúpeľne.

Každý stav systému je charakterizovaný určitým súborom hodnôt termodynamických parametrov (stavové parametre, stavové funkcie).

13.Vymenujte hlavné termodynamické veličiny, ktoré charakterizujú stav sústavy. Zvážte význam pojmov „vnútorná energia systému a entalpia“.

Základné parametre stavu systému Existujú také parametre, ktoré sa dajú priamo merať (teplota, tlak, hustota, hmotnosť atď.).

Stavové parametre, ktoré sa nedajú priamo merať a závisia od základných parametrov, sa nazývajú štátne funkcie(vnútorná energia, entropia, entalpia, termodynamické potenciály).

Počas chemická reakcia(prechod systému z jedného stavu do druhého), vnútorná energia systému U sa mení:

U = U 2 -U 1, kde U 2 a U 1 sú vnútorná energia systému v konečnom a počiatočnom stave.

Hodnota U je kladná (U> 0), ak sa vnútorná energia systému zvyšuje.

Entalpia systému a jej zmena .

Prácu A možno rozdeliť na expanznú prácu A = pV (p = konšt.)

a iné druhy prác A" (užitočná práca), okrem prác na rozširovanie: A = A" + pV,

kde p je vonkajší tlak; V- zmena objemu (V= V 2 - V\); V 2 - objem reakčných produktov; V 1 - objem východiskových látok.

Podľa toho rovnicu (2.2) pri konštantnom tlaku zapíšeme ako: Q p = U + A" + pV.

Ak na systém nepôsobia žiadne iné sily okrem konštantného tlaku, t.j. počas chemického procesu je jediným druhom práce expanzná práca, potom A" = 0.

V tomto prípade bude rovnica (2.2) napísaná takto: Q p = U + pV.

Dosadením U= U 2 – U 1 dostaneme: Q P =U 2 -U 1+ pV 2 + pV 1 =(U 2 +pV 2)-(U 1 + pV 1). Charakteristická funkcia U + pV = H sa nazýva entalpia systému. Toto je jedna z termodynamických funkcií, ktoré charakterizujú systém pri konštantnom tlaku. Dosadením rovnice (2.8) do (2.7) dostaneme: Qp = H 2 -H 1 = r H.

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 určitú parciálnu tlak (Pn 2 o). Keďže frakcie plynu sú uvedené pre suchú zmes, v rovnici pre Daltonov zákon z celkového tlaku ( Atmosférický tlak: P atm) treba odpočítať tlak vodnej pary. Potom sa parciálny tlak plynu určí podľa vzorca:

Рr = Fr (Р atm – Рн 2 о)

Ak dosadíme hodnoty Fr za kyslík resp oxid uhličitý v atmosférickom vzduchu: 21 % (0,21) a 0,03 % (0,0003) a tlak vodnej pary (47 mmHg), potom možno 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 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 - FrO 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 (PA O 2) vykoná korekcia na odstránenie CO 2 vytvoreného počas metabolického procesu. teda kalkulačný vzorec Definícia RA02 je nasledovná:

RA02 = RrO2 - ________,

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

R je 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:

RA02 = 150 - ________ = 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 PrO2 bude sprevádzaný poklesom PAO2.

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. v kapilárach je rovnaký ako v alveolárnom. Preto sa zavádza koncept priemerný tlakový gradient medzi alveolárnou zmesou plynov (100 mm Hg) a krvou pľúcnych kapilár (90 mm Hg), čo je 10 mm Hg. čl.

Plynná zmes je v rovnovážnom stave, ak koncentrácie zložiek a jej stavové parametre v celom objeme majú rovnaké hodnoty. V tomto prípade je teplota všetkých plynov obsiahnutých v zmesi rovnaká a rovná sa teplote zmesi T cm.

V rovnovážnom stave sú molekuly každého plynu rozptýlené rovnomerne po celom objeme zmesi, to znamená, že majú svoju vlastnú špecifickú koncentráciu, a teda aj vlastný tlak. R i, Pa, ktorý je tzv čiastočné . Definuje sa nasledovne.

Parciálny tlak sa rovná tlaku danej zložky za predpokladu, že samotná zaberá celý objem určený pre zmes pri teplote zmesi T cm .

Podľa zákona anglického chemika a fyzika Daltona, sformulovaného v roku 1801, tlak zmesi ideálnych plynov p cm rovný súčtu parciálnych tlakov jeho zložiek p i :

Kde n- počet komponentov.

Výraz (2) sa tiež nazýva zákon parciálnych tlakov.

3.3. Znížený objem zložky plynnej zmesi. Amagov zákon

Podľa definície znížený objem i zložka plynnej zmesi V i, m3, je objem, ktorý by táto jedna zložka mohla zaujať za predpokladu, že jej tlak a teplota sa rovnajú tlaku a teplote celej zmesi plynov.

Zákon francúzskeho fyzika Amaga, formulovaný okolo roku 1870, hovorí: súčet redukovaných objemov všetkých zložiek zmesi sa rovná objemu zmesiV cm :

, m 3. (3)

3.4. Chemické zloženie zmesi plynov

Je možné špecifikovať chemické zloženie zmesi plynov tri rôzne spôsoby.

Uvažujme zmes plynov pozostávajúcu z n zložiek. Zmes zaberá objem V cm, m 3, má hm M cm, kg, tlak R cm, Pa a teplota T cm, K. Tiež počet mólov zmesi je N cm, krtek. Zároveň hmotnosť jedného i komponent m i, kg a počet mólov tejto zložky ν i, Krtko.

Je zrejmé, že:

, (4)

. (5)

Pomocou Daltonovho zákona (2) a Amagovho zákona (3) pre uvažovanú zmes môžeme napísať:

, (6)

, (7)

Kde R i- čiastočný tlak i zložka, Pa; V i- znížený objem i zložka, m3.

Jednoznačne možno chemické zloženie zmesi plynov špecifikovať buď hmotnosťou, mólom, alebo objemovým zlomkom jej zložiek:

, (8)

, (9)

, (10)

Kde g i , k i A r i– hmotnostné, mólové a objemové zlomky i zložky zmesi (bezrozmerné hodnoty).

Je zrejmé, že:

,
,
. (11)

V praxi často nie je chemické zloženie zmesi špecifikované vo frakciách i zložku a jej percento.

Napríklad vo vykurovacej technike sa približne uznáva, že suchý vzduch pozostáva zo 79 objemových percent dusíka a 21 objemových percent kyslíka.

Percento i Zložka v zmesi sa vypočíta vynásobením jej podielu číslom 100.

Napríklad so suchým vzduchom budeme mať:

,
. (12)

Kde
A
– objemové frakcie dusíka a kyslíka v suchom vzduchu; N 2 a O 2 – označenie objemových percent dusíka, resp. kyslíka, % (obj.).

Poznámka:

1)Molové zlomky ideálnej zmesi sa číselne rovnajú objemovým zlomkom:k i = r i . Poďme to dokázať.

Použitie definície objemového zlomku(10)a Amagov zákon (3) môžeme napísať:

, (13)

KdeV i - znížený objemizložka, m 3 ; ν i – počet krtkovizložka, mol; – objem jedného móluizložka pri tlaku zmesi p cm a teplota zmesi T cm , m 3 /mol.

Z Avogadrovho zákona (pozri odsek 2.3 tejto prílohy) vyplýva, že pri rovnakej teplote a tlaku jeden mól akéhokoľvek plynu (zložka zmesi) zaberá rovnaký objem. Najmä v T cm a p cm bude to nejaký objemV 1 , m 3 .

To nám umožňuje napísať rovnosť:

. (14)

Nahrádzanie(14)V(13)dostaneme to, čo potrebujeme:

. (15)

2)Objemové podiely zložiek plynnej zmesi možno vypočítať na základe znalosti ich parciálnych tlakov. Ukážme to.

Uvažujmei-tá zložka ideálnej zmesi plynov v dvoch rôznych stavoch: keď je pri svojom parciálnom tlaku p i ; keď zaberá svoj zmenšený objemV i .

Stavová rovnica ideálneho plynu platí pre ktorýkoľvek z jeho stavov, najmä pre dva vyššie uvedené.

V súlade s tým a berúc do úvahy definíciu konkrétneho objemu môžeme napísať:

, (16)

, (17)

KdeR i – plynová konštantaizložka zmesi, J/(kg K).

Po rozdelení oboch častí(16)A(17)na seba dostaneme požadované:

. (18)

Od(18)vidno, že parciálne tlaky zložiek zmesi možno vypočítať z jej chemické zloženie, so známym celkovým tlakom zmesi p cm :

. (19)

Za normálnych podmienok človek dýcha obyčajný vzduch, ktorý má relatívne stále zloženie (tab. 1). Vo vydychovanom vzduchu je vždy menej kyslíka a viac oxidu uhličitého. Alveolárny vzduch obsahuje najmenej kyslíka a najviac oxidu uhličitého. 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 počas tichého dýchania málo závisí od fáz nádychu a výdychu. Napríklad obsah oxidu uhličitého na konci nádychu je len o 0,2 až 0,3 % nižší ako na konci výdychu, pretože pri každom vdýchnutí sa obnoví len 1/7 alveolárneho vzduchu. Okrem toho sa vyskytuje nepretržite počas 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 nastáva 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). K difúzii dochádza v dôsledku rozdielu parciálneho tlaku týchto plynov v alveolárnom vzduchu a ich napätia v krvi.

Parciálny tlak plynu: pojem a vzorec

Parciálny tlak plynu v zmesi plynov je úmerná percentu plynu a celkovému tlaku zmesi:

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

Závisí to od charakteru plynu. Celá zmes plynov atmosférický vzduch brané ako 100% má tlak 760 mmHg. 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, nezodpovedá tlaku 760 mm Hg. Art., a 760 - 47 = 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.; Výpočet parciálneho tlaku oxidu uhličitého teda ukazuje, že sa rovná 40 mm Hg. čl.

Parciálny tlak kyslíka a oxidu uhličitého v alveolárnom vzduchu je sila, ktorou sa molekuly týchto plynov snažia preniknúť 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:

Plyn Q- objem plynu prechádzajúceho tkanivom za jednotku času; S - oblasť tkaniny; DK - koeficient difúzie 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 mmHg. Art., a oxid uhličitý - 46-48 mm Hg. Čl., potom tlakový gradient určujúci difúziu plynov v pľúcach bude: pre kyslík 102 - 40 = 62 mm Hg. čl.; pre oxid uhličitý 40 - 46(48) = mínus 6 - mínus 8 mm Hg. čl. Keďže koeficient difúzie oxidu uhličitého je 25-krát väčší ako koeficient kyslíka, oxid uhličitý sa pohybuje aktívnejšie z kapilár do alveol ako kyslík v opačnom smere.

V krvi sú plyny v rozpustenom (voľnom) a chemicky viazanom stave. Na difúzii sa podieľajú iba molekuly rozpusteného plynu. Množstvo plynu rozpusteného v kvapaline závisí od:

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

Čím vyšší je tlak a teplota daného plynu, tým viac plynu sa rozpustí 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 nenastane dynamická rovnováha medzi počtom molekúl plynu, ktoré sa rozpúšťajú a unikajú do plynného média. Sila, s ktorou majú molekuly rozpusteného plynu tendenciu uniknúť do plynného prostredia, sa nazýva napätie plynu v kvapaline. V rovnováhe sa teda napätie plynu rovná parciálnemu tlaku plynu v kvapaline.

Ak je parciálny tlak plynu vyšší ako jeho napätie, plyn sa rozpustí. Ak je parciálny tlak plynu nižší ako jeho napätie, plyn opustí roztok do plynného prostredia.

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 (mm Hg)

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. Čas prietoku krvi cez kapiláry malého kruhu (v priemere 0,7 s) je dostatočný na takmer úplné vyrovnanie parciálneho tlaku a napätia plynov: 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.