Osmose
Osmose– fænomenet med selektiv diffusion af en bestemt type partikler gennem en semipermeabel skillevæg. Dette fænomen blev først beskrevet af abbeden Nolle i 1748. Skillevægge, der kun er gennemtrængelige for vand eller andre opløsningsmidler og uigennemtrængelige for opløste stoffer, både lav og høj molekylvægt, kan fremstilles af polymerfilm (collodion) eller gel-lignende bundfald, for eksempel kobberferrocyanid Cu 2; dette bundfald dannes i porerne i glasfilterets skillevæg, når det porøse materiale først nedsænkes i en opløsning kobbersulfat(CuSO 4 x 5H 2 O), og derefter gult blodsalt K 2. Stoffer diffunderer gennem en sådan skillevæg, hvilket er et vigtigt tilfælde af osmose, hvilket tillader måling af osmotisk tryk, dvs. osmotisk tryk– et mål for et opløst stofs tendens til at bevæge sig på grund af termisk bevægelse under diffusionsprocessen fra en opløsning til et rent opløsningsmiddel; fordelt jævnt over hele opløsningsmidlets volumen, hvilket reducerer opløsningens begyndelseskoncentration.
På grund af osmotisk tryk får kraften væsken til at stige opad, dette osmotiske tryk er afbalanceret hydrostatisk tryk. Når hastighederne af de diffuserende stoffer bliver ens, vil osmosen stoppe.
Mønstre:
1. Ved en konstant temperatur er det osmotiske tryk af en opløsning direkte proportionalt med koncentrationen af det opløste stof.
2. Osmotisk tryk er proportional med den absolutte temperatur.
I 1886 J. G. van't Hoff viste, at størrelsen af osmotisk tryk kan udtrykkes i form af gassens tilstand
P base V = RT.
Avogadros lov gælder for fortyndede opløsninger: i lige store volumener forskellige gasser ved samme temperatur og samme osmotiske tryk er det samme antal opløste partikler indeholdt. Opløsninger af forskellige stoffer med samme molære koncentrationer ved samme temperatur har det samme osmotiske tryk. Sådanne løsninger kaldes isotonisk.
Osmotisk tryk afhænger ikke af arten af de opløste stoffer, men afhænger af koncentrationen. Hvis volumen erstattes af koncentration, får vi:
Lad os overveje van't Hoffs lov: det osmotiske tryk af en opløsning er numerisk lig med det tryk, som en given mængde opløst stof ville producere, hvis den i form af en ideel gas optog et volumen svarende til opløsningens rumfang ved en given temperatur.
Alle de beskrevne love gælder for uendeligt fortyndede opløsninger.
Delvis tryk- det tryk, som gassen i gasblandingen ville udøve, hvis alle andre gasser blev fjernet fra den, forudsat at konstante temperaturer og volumen.
Det totale tryk af gasblandingen bestemmes Daltons lov: det samlede tryk af en blanding af gasser, der optager et bestemt volumen, er lig med summen af de partialtryk, som hver enkelt gas ville have, hvis den optog et volumen svarende til volumenet af blandingen af gasser.
P = P 1 + R 2 + R 3 + … + R k,
Hvor R– totalt tryk;
R k– deltryk af komponenter.
Hvis der er en blanding af gasser over væsken, så opløses hver gas i den i henhold til sit partialtryk, i blandingen, dvs. det tryk, der falder på dens andel. Delvis tryk af enhver gas i en gasblanding kan beregnes ved at kende det samlede tryk af gasblandingen og dens procentvise sammensætning. Ja, hvornår atmosfærisk tryk luft 700 mm Hg. iltens partialtryk er ca. 21% af 760 mm, dvs. 159 mm, nitrogen - 79% af 700 mm, dvs. 601 mm.
Ved beregning gaspartialtryk i alveolær luft skal det tages i betragtning, at den er mættet med vanddamp, hvis partialtryk ved kropstemperatur er 47 mm Hg. Kunst. Derfor er andelen af andre gasser (nitrogen, oxygen, kuldioxid) er ikke længere 700 mm, men 700-47 - 713 mm. Hvis iltindholdet i alveoleluften er 14,3 %, vil dens partialtryk kun være 102 mm; med et kuldioxidindhold på 5,6% er dets partialtryk 40 mm.
Hvis en væske mættet med gas ved et bestemt partialtryk kommer i kontakt med den samme gas, men med et lavere tryk, vil en del af gassen komme ud af opløsning, og mængden af opløst gas vil falde. Hvis gastrykket er højere, vil mere gas opløses i væsken.
Opløsningen af gasser afhænger af partialtryk, altså trykket af en given gas, og ikke totalt tryk gasblanding. Derfor vil for eksempel ilt opløst i en væske undslippe til en nitrogenatmosfære på samme måde som ind i et hulrum, selv når nitrogenet er under meget højt tryk.
Når en væske kommer i kontakt med en gasblanding af en bestemt sammensætning, afhænger mængden af gas, der kommer ind eller ud af væsken, ikke kun af forholdet mellem gastryk i væsken og i gasblandingen, men også af deres volumener. Hvis et stort volumen væske kommer i kontakt med et stort volumen af en gasblanding, hvis tryk adskiller sig skarpt fra trykket af gasserne i væsken, kan de forlade eller komme ind i den. store mængder gas Tværtimod, hvis et tilstrækkeligt stort volumen væske kommer i kontakt med en gasboble med lille volumen, vil en meget lille mængde gas forlade eller komme ind i væsken, og væskens gassammensætning forbliver praktisk talt uændret.
For gasser opløst i en væske, udtrykket " spænding", svarende til udtrykket "deltryk" for frie gasser. Spænding udtrykkes i de samme enheder som tryk, det vil sige i atmosfærer eller millimeter kviksølv eller vandsøjle. Hvis gasspændingen er 1,00 mmHg. Art. betyder det, at gassen opløst i væsken er i ligevægt med den frie gas under et tryk på 100 mm.
Hvis spændingen af den opløste gas ikke er lig med partialtrykket af den frie gas, så er ligevægten forstyrret. Det genoprettes, når disse to mængder igen bliver lig med hinanden. For eksempel, hvis iltspændingen i væsken i en lukket beholder er 100 mm, og ilttrykket i luften i denne beholder er 150 mm, vil ilt komme ind i væsken.
I dette tilfælde vil iltspændingen i væsken stige, og dens tryk uden for væsken vil falde, indtil en ny dynamisk ligevægt er etableret, og begge disse værdier er ens, og modtager en ny værdi mellem 150 og 100 mm. Hvordan tryk og spænding ændrer sig i en given strøm afhænger af de relative volumener af gas og væske.
En gasblanding er i en ligevægtstilstand, hvis koncentrationerne af komponenterne og dens tilstandsparametre i hele volumenet har samme værdier. I dette tilfælde er temperaturen på alle gasser inkluderet i blandingen den samme og lig med blandingens temperatur T cm.
I en ligevægtstilstand er molekylerne i hver gas spredt jævnt over hele blandingens volumen, det vil sige, at de har deres egen specifikke koncentration og derfor deres eget tryk r jeg, Pa, som kaldes delvis . Det er defineret som følger.
Partialtrykket er lig med trykket af en given komponent, forudsat at det alene fylder hele det volumen, der er beregnet til blandingen ved blandingstemperaturen T cm .
Ifølge loven fra den engelske kemiker og fysiker Dalton, formuleret i 1801, er trykket af en blanding af ideelle gasser p cm lig med summen af partialtrykket af dets komponenter p jeg :
Hvor n– antal komponenter.
Udtryk (2) kaldes også loven om partialtryk.
3.3. Det reducerede volumen af en komponent i en gasblanding. Amags lov
Per definition den reducerede volumen jeg komponent i gasblandingen V jeg, m3, er det volumen, som denne ene komponent kan optage, forudsat at dens tryk og temperatur er lig med trykket og temperaturen af hele gasblandingen.
Den franske fysiker Amags lov, formuleret omkring 1870, siger: summen af de reducerede volumener af alle komponenter i en blanding er lig med blandingens volumenV cm :
, m 3. (3)
3.4. Kemisk sammensætning af gasblandingen
Den kemiske sammensætning af gasblandingen kan specificeres tre forskellige måder.
Betragt en gasblanding bestående af n komponenter. Blandingen optager volumen V cm, m 3, har masse M cm, kg, tryk r cm, Pa og temperatur T cm, K. Også antallet af mol af blandingen er lig med N cm, muldvarp. Samtidig er massen af en jeg komponent m jeg, kg og antallet af mol af denne komponent ν jeg, muldvarp.
Det er indlysende, at:
, (4)
. (5)
Ved at bruge Daltons lov (2) og Amags lov (3) for den pågældende blanding kan vi skrive:
, (6)
, (7)
Hvor r jeg– deltryk jeg komponent, Pa; V jeg– reduceret volumen jeg komponent, m3.
Utvetydigt kan den kemiske sammensætning af en gasblanding specificeres enten ved masse, eller mol eller volumenfraktioner af dens komponenter:
, (8)
, (9)
, (10)
Hvor g jeg , k jeg Og r jeg– masse-, mol- og volumenfraktioner jeg komponent af blandingen, henholdsvis (dimensionsløse værdier).
Det er indlysende, at:
,
,
. (11)
Ofte i praksis er den kemiske sammensætning af en blanding ikke specificeret i fraktioner jeg komponent og dens procentdel.
For eksempel antages det i varmeteknik tilnærmelsesvis, at tør luft består af 79 volumenprocent nitrogen og 21 volumenprocent ilt.
Procent jeg Den th komponent i blandingen beregnes ved at gange dens andel med 100.
For et eksempel med tør luft vil vi have:
,
. (12)
Hvor 
Og 
– volumenfraktioner af nitrogen og oxygen i tør luft; N 2 og O 2 – betegnelse for volumenprocenten af henholdsvis nitrogen og ilt, % (vol.).
Note:
1)Molfraktionerne af en ideel blanding er numerisk lig med volumenfraktionerne:k jeg = r jeg . Lad os bevise det.
Brug af definitionen af volumenfraktion(10)og Amags lov (3) kan vi skrive:
,
(13)
HvorV jeg – reduceret volumenjegkomponent, m 3
;
ν
jeg – antal moljegkomponent, mol;
– volumen på en moljegkomponent ved blandingstryk s cm og blandingstemperatur T cm , m 3
/mol.
Af Avogadros lov (se afsnit 2.3 i dette appendiks) følger det, at ved samme temperatur og tryk optager et mol af enhver gas (blandingskomponent) det samme volumen. Især hos T cm og s cm det vil være noget volumenV 1 , m 3 .
Dette giver os mulighed for at skrive ligheden:
.
(14)
Erstatning(14)V(13)vi får hvad vi har brug for:
.
(15)
2)Volumenfraktionerne af komponenterne i en gasblanding kan beregnes ved at kende deres partialtryk. Lad os vise det.
Lad os overvejejeg-te komponent af en ideel gasblanding i to forskellige tilstande: når den er ved sit partialtryk p jeg ; når den optager sit reducerede volumenV jeg .
Tilstandsligningen for en ideel gas er gyldig for enhver af dens tilstande, især for de to nævnte ovenfor.
I overensstemmelse med dette og under hensyntagen til definitionen af specifik volumen, kan vi skrive:
,
(16)
,
(17)
HvorR jeg – gaskonstantjegkomponent af blandingen, J/(kg K).
Efter at have delt begge dele(16)Og(17)på hinanden får vi det nødvendige:
.
(18)
Fra(18)det kan ses, at partialtrykket af blandingens komponenter kan beregnes ud fra dens kemisk sammensætning, med et kendt totalt blandingstryk p cm :
.
(19)
Opgave 41.
Bland 0,04m 3 nitrogen under et tryk på 96 kPa (720 mm Hg), med 0,02 m3 oxygen. Blandingens samlede volumen er 0,06 m 3 , og det samlede tryk er 97,6 kPa (732 mm Hg). Hvad var trykket af ilten taget?
Løsning:
I henhold til problemets betingelser steg mængden af nitrogen med 1,5 gange (0,06/0,04 = 1,5), og volumen af ilt steg med 3 gange (0,06/0,02 = 3). Gassernes partialtryk faldt med samme mængde.
Derfor,
Herfra Ud fra det faktum, at mængden af ilt før blanding var tre gange større end efter blanding, beregner vi ilttrykket før blanding:
Svar: P i alt . = 100,8 kPa.
Opgave 42.
Gasblandingen blev fremstillet ud fra 2 liter H2 (P = 93,3 kPa) og 5 liter CH4 (P = 112 kPa). Blandingens rumfang er 7 liter. Find gassernes partialtryk og blandingens samlede tryk.
Løsning:
Ifølge betingelserne for problemet steg mængden af brint med 3,5 gange (7/2 = 3,5), og volumenet af metan steg med 1,4 gange (7/5 = 1,4). Gassernes partialtryk faldt med samme mængde.
Ifølge loven om partialtryk er det samlede tryk af en blanding af gasser, der ikke interagerer med hinanden, lig med summen af partialtrykket af de gasser, der udgør systemet (blanding).
Svar:
Opgave 43.
Gasblandingen består af NO og CO 2. Beregn det volumetriske indhold af gasser i blandingen (i%), hvis deres partialtryk er lig med henholdsvis 36,3 og 70,4 kPa (272 og 528 mm Hg).
Løsning:
Ifølge Daltons lov Partialtrykket af en given gas er direkte proportional med dens molfraktion pr. samlet tryk af gasblandingen:
hvor P(blanding) er blandingens samlede tryk; Р(А) – partialtryk af en given gas; (A) er molfraktionen af en given gas.
Ifølge loven om partialtryk er det samlede tryk af en blanding af gasser, der ikke interagerer med hinanden, lig med summen af partialtrykket af de gasser, der udgør systemet (blanding).
Svar: 34,02% NO; 65,98% CO.
Opgave 44.
I en lukket beholder med en kapacitet på 0,6 m 3 er der en blanding ved 0 0 C, bestående af 0,2 kg CO 2, 0,4 kg 02 og 0,15 kg CH 4. Beregn: a) blandingens samlede tryk; b) partialtryk af hver gas; c) den procentvise sammensætning af blandingen efter volumen.
Løsning:
Lad os beregne den samlede mængde af gasser i blandingen ved hjælp af ligningen:
hvor er mængden af gas, kmol; m - gasmasse, kg; M er gassens molekylvægt, kg/mol. Så:
a) Det totale tryk af gasblandingen bestemmes af ligningen: Så:
b) Partialgastryk beregnes ved hjælp af ligningen:
hvor Rk og k er henholdsvis partialtrykket og mængden af gas i blandingen.
c) Vi beregner delvolumen af gasser ved hjælp af ligningen: Derefter
Forholdet mellem de partielle (reducerede) volumener af individuelle gasser og blandingens samlede volumen kaldes volumenfraktionen og bestemmes af formlen: Så
Svar: 
Opgave 45.
Gasblandingen fremstilles af 0,03 m 3 CH 4, 0,04 m 3 H 2 og 0,01 m 3 CO. Starttrykket for CH 4, H 2 og CO var henholdsvis 96, 84 og 108,8 kPa (720, 630 og 816 mm Hg). Blandingens volumen er 0,08 m 3. Bestem gassernes partialtryk og blandingens samlede tryk.
Løsning:
Ifølge betingelserne for problemet steg volumenet af metan efter blanding med 2,67 gange (0,08/0,03 = 2,67), volumenet af brint steg med 2 gange (0,08/0,04 = 2), og volumenet kulilte– 8 gange (0,08/0,01 = 8). Gassernes partialtryk faldt med samme mængde. Derfor,
Ifølge loven om partialtryk er det samlede tryk af en blanding af gasser, der ikke interagerer med hinanden, lig med summen af partialtrykket af de gasser, der udgør systemet (blanding).
Herfra:
Svar:
Opgave 46.
I et gasometer over vand er der 7,4 liter ilt ved 23°C og et tryk på 104,1 kPa (781 mmHg). Trykket af mættet vanddamp ved 23°C er 2,8 kPa (21 mm Hg). Hvilket volumen vil ilten i gasometeret optage under normale forhold?
Løsning:
Iltpartialtrykket er lig med forskellen mellem det samlede tryk og vanddampens partialtryk:
Betegnelse af det nødvendige volumen gennem og ved hjælp af den kombinerede ligning Boyle-Mariotte og Gay-Lussac love, finder vi:
hvor P og V er trykket og volumenet af gas ved temperatur T = 296 K (273 +23 = 296); Po = 101,325 kPa; To = 273K; P = 104,1 kPa; -gasvolumen ved nr.
Svar: Vo = 6,825 l.
I normale forhold mand trækker vejret almindelig luft med en relativt konstant sammensætning (tabel 1). Der er altid mindre ilt og mere kuldioxid i udåndingsluften. Alveoleluften indeholder mindst ilt og mest kuldioxid. Forskellen i sammensætningen af alveolær og udåndet luft forklares ved, at sidstnævnte er en blanding af dødrumsluft og alveolær luft.
Alveolær luft er det indre gasmiljø i kroppen. Gassammensætningen af arterielt blod afhænger af dets sammensætning. Reguleringsmekanismer opretholder konstanten af sammensætningen af alveolær luft. Sammensætningen af alveolær luft under stille vejrtrækning afhænger kun lidt af faserne af indånding og udånding. For eksempel er kuldioxidindholdet ved slutningen af inhalationen kun 0,2-0,3 % mindre end ved slutningen af udåndingen, da kun 1/7 af alveolærluften fornyes ved hver indånding. Derudover sker det kontinuerligt under ind- og udånding, hvilket er med til at udligne sammensætningen af alveolær luft. Med dyb vejrtrækning øges afhængigheden af sammensætningen af alveolær luft ved indånding og udånding.
Tabel 1. Luftsammensætning (i %)
Gasudveksling i lungerne opstår som følge af diffusion af ilt fra alveolærluften til blodet (ca. 500 liter pr. dag) og kuldioxid fra blodet til alveoleluften (ca. 430 liter pr. dag). Diffusion opstår på grund af forskellen i partialtrykket af disse gasser i den alveolære luft og deres spænding i blodet.
Gaspartialtryk: koncept og formel
Gaspartialtryk i en gasblanding er proportional med procentdelen af gas og blandingens samlede tryk:
For luft: P atmosfærisk = 760 mm Hg. Kunst.; C oxygen = 20,95%.
Det afhænger af gassens art. Hele gasblandingen atmosfærisk luft taget som 100 %, har hun et tryk på 760 mmHg. Art., og en del af gassen (ilt - 20,95%) tages som X. Derfor er partialtrykket af oxygen i luftblandingen 159 mm Hg. Kunst. Ved beregning af partialtrykket af gasser i alveolærluften er det nødvendigt at tage højde for, at den er mættet med vanddamp, hvis tryk er 47 mm Hg. Kunst. Den andel af gasblandingen, der er en del af alveoleluften, svarer derfor ikke til et tryk på 760 mm Hg. Art., og 760 - 47 = 713 mm Hg. Kunst. Dette tryk tages som 100%. Herfra er det let at beregne, at partialtrykket af oxygen, som er indeholdt i alveolærluften i mængden af 14,3%, vil være lig med 102 mm Hg. Kunst.; Følgelig viser beregningen af partialtrykket af kuldioxid, at det er lig med 40 mm Hg. Kunst.
Partialtrykket af ilt og kuldioxid i alveolærluften er den kraft, hvormed molekylerne af disse gasser stræber efter at trænge ind i alveolærmembranen i blodet.
Diffusion af gasser gennem en barriere overholder Ficks lov; Da membrantykkelsen og diffusionsarealet er det samme, afhænger diffusionen af diffusionskoefficienten og trykgradienten:
Gas Q- volumen af gas, der passerer gennem vævet pr. tidsenhed; S - stof område; DK - gasdiffusionskoefficient; (P 1, - P 2) - gaspartialtrykgradient; T er tykkelsen af vævsbarrieren.
I betragtning af, at i det alveolære blod, der strømmer til lungerne, er den partielle iltspænding 40 mmHg. Art., og kuldioxid - 46-48 mm Hg. Art., så vil trykgradienten, der bestemmer diffusionen af gasser i lungerne, være: for oxygen 102 - 40 = 62 mm Hg. Kunst.; for kuldioxid 40 - 46(48) = minus 6 - minus 8 mm Hg. Kunst. Da diffusionskoefficienten for kuldioxid er 25 gange større end for oxygen, bevæger kuldioxid sig mere aktivt fra kapillærerne ind i alveolerne end oxygen i den modsatte retning.
I blodet er gasser opløst (gratis) og kemisk bundet tilstand. Kun opløste gasmolekyler deltager i diffusionen. Mængden af gas, der opløses i en væske, afhænger af:
- på væskens sammensætning;
- volumen og tryk af gas i væske;
- væske temperatur;
- arten af den gas, der undersøges.
Jo højere tryk og temperatur en given gas er, jo mere gas opløses i væsken. Ved et tryk på 760 mm Hg. Kunst. og en temperatur på 38 °C, 2,2 % oxygen og 5,1 % kuldioxid opløses i 1 ml blod.
Opløsningen af en gas i en væske fortsætter, indtil der opstår en dynamisk ligevægt mellem antallet af gasmolekyler, der opløses og undslipper i det gasformige medium. Den kraft, hvormed molekyler af en opløst gas har tendens til at undslippe ind i et gasformigt medium, kaldes spænding af gas i væske. Ved ligevægt er gasspændingen således lig med partialtrykket af gassen i væsken.
Hvis partialtrykket af en gas er højere end dens spænding, vil gassen opløses. Hvis partialtrykket af en gas er lavere end dens spænding, vil gassen forlade opløsningen og komme ind i det gasformige miljø.
Partialtrykket og spændingen af ilt og kuldioxid i lungerne er angivet i tabel. 2.
Tabel 2. Partialtryk og spænding af ilt og kuldioxid i lungerne (mm Hg)
Iltdiffusion sikres af forskellen i partialtryk i alveolerne og blodet, som er lig med 62 mm Hg. Art., og for kuldioxid er det kun omkring 6 mm Hg. Kunst. Tiden for blodgennemstrømning gennem kapillærerne i den lille cirkel (i gennemsnit 0,7 s) er tilstrækkelig til næsten fuldstændig udligning af partialtrykket og spændingen af gasser: ilt opløses i blodet, og kuldioxid passerer ind i alveoleluften. Overgangen af kuldioxid til den alveolære luft ved en relativt lille trykforskel forklares af lungernes høje diffusionskapacitet for denne gas.