Ósmosis
Ósmosis– el fenómeno de la difusión selectiva de un determinado tipo de partículas a través de un tabique semipermeable. Este fenómeno fue descrito por primera vez por el abad. nolle en 1748. Las particiones, permeables sólo al agua u otros disolventes e impermeables a sustancias disueltas, tanto de bajo como de alto peso molecular, pueden estar hechas de películas poliméricas (colodión) o precipitados en forma de gel, por ejemplo, ferrocianuro de cobre Cu 2; Este precipitado se forma en los poros de la partición del filtro de vidrio cuando el material poroso se sumerge por primera vez en una solución. sulfato de cobre(CuSO 4 x 5H 2 O), y luego sal de sangre amarilla K 2. Las sustancias se difunden a través de dicha partición, lo que es un caso importante de ósmosis, que permite medir la presión osmótica, es decir. presión osmótica– una medida de la tendencia de un soluto a moverse debido al movimiento térmico durante el proceso de difusión de una solución a un disolvente puro; distribuido uniformemente por todo el volumen del disolvente, reduciendo la concentración inicial de la solución.
Debido a la presión osmótica, la fuerza hace que el líquido suba hacia arriba, esta presión osmótica se equilibra presión hidrostática. Cuando las velocidades de las sustancias en difusión se igualan, la ósmosis se detendrá.
Patrones:
1. A temperatura constante, la presión osmótica de una solución es directamente proporcional a la concentración del soluto.
2. La presión osmótica es proporcional a la temperatura absoluta.
En 1886 J. G. van't Hoff demostró que el valor de la presión osmótica se puede expresar en términos del estado del gas
P base V = RT.
ley de avogadro aplicable a soluciones diluidas: en volúmenes iguales varios gases a la misma temperatura y la misma presión osmótica están contenidas el mismo número de partículas disueltas. Soluciones de diferentes sustancias que tienen las mismas concentraciones molares a la misma temperatura tienen la misma presión osmótica. Este tipo de soluciones se denominan isotónico.
La presión osmótica no depende de la naturaleza de las sustancias disueltas, sino de la concentración. Si reemplazamos el volumen por la concentración, obtenemos:
consideremos ley de van't hoff: La presión osmótica de una solución es numéricamente igual a la presión que produciría una determinada cantidad de soluto si éste, en forma de gas ideal, ocupara un volumen igual al volumen de la solución a una temperatura determinada.
Todas las leyes descritas se aplican a soluciones infinitamente diluidas.
Presión parcial- la presión que ejercería el gas incluido en la mezcla de gases si se le eliminaran todos los demás gases, siempre que temperaturas constantes y volumen.
La presión total de la mezcla de gases se determina. ley de dalton: la presión total de una mezcla de gases que ocupan un volumen determinado es igual a la suma de las presiones parciales que tendría cada gas individual si ocupara un volumen igual al volumen de la mezcla de gases.
pag = pag 1 + R 2 + R 3 + … + R k,
Dónde R– presión total;
R k– presión parcial de los componentes.
Si hay una mezcla de gases encima de un líquido, entonces cada gas se disuelve en él según su presión parcial, en la mezcla, es decir, la presión que cae sobre su parte. Presión parcial de cualquier gas en una mezcla de gases se puede calcular conociendo la presión total de la mezcla de gases y su composición porcentual. si, cuando presión atmosférica aire 700 mmHg. la presión parcial de oxígeno es aproximadamente el 21% de 760 mm, es decir, 159 mm, la del nitrógeno, el 79% de 700 mm, es decir, 601 mm.
Al calcular presión parcial del gas en el aire alveolar hay que tener en cuenta que está saturado con vapor de agua, cuya presión parcial a temperatura corporal es de 47 mm Hg. Arte. Por tanto, la proporción de otros gases (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono) ya no es 700 mm, sino 700-47 - 713 mm. Si el contenido de oxígeno en el aire alveolar es del 14,3%, su presión parcial será de sólo 102 mm; con un contenido de dióxido de carbono del 5,6%, su presión parcial es de 40 mm.
Si un líquido saturado de gas a una determinada presión parcial entra en contacto con el mismo gas, pero a menor presión, entonces parte del gas saldrá de la solución y la cantidad de gas disuelto disminuirá. Si la presión del gas es mayor, se disolverá más gas en el líquido.
La disolución de los gases depende de la presión parcial, es decir, la presión de un gas determinado, y no presión total mezcla de gases. Por lo tanto, por ejemplo, el oxígeno disuelto en un líquido escapará a una atmósfera de nitrógeno de la misma manera que a un vacío, incluso cuando el nitrógeno esté bajo una presión muy alta.
Cuando un líquido entra en contacto con una mezcla de gases de cierta composición, la cantidad de gas que entra o sale del líquido depende no sólo de la relación entre las presiones del gas en el líquido y en la mezcla de gases, sino también de sus volúmenes. Si un gran volumen de líquido entra en contacto con un gran volumen de una mezcla de gases, cuya presión difiere marcadamente de la presión de los gases en el líquido, entonces pueden salir o entrar. grandes cantidades gas Por el contrario, si un volumen suficientemente grande de líquido entra en contacto con una burbuja de gas de pequeño volumen, entonces una cantidad muy pequeña de gas saldrá o entrará en el líquido y la composición gaseosa del líquido permanecerá prácticamente sin cambios.
Para gases disueltos en un líquido, el término " Voltaje", correspondiente al término "presión parcial" para los gases libres. El voltaje se expresa en las mismas unidades que la presión, es decir, en atmósferas o milímetros de mercurio o columna de agua. Si el voltaje del gas es de 1,00 mmHg. Art., esto significa que el gas disuelto en el líquido está en equilibrio con el gas libre bajo una presión de 100 mm.
Si la tensión del gas disuelto no es igual a la presión parcial del gas libre, entonces se altera el equilibrio. Se restablece cuando estas dos cantidades vuelven a ser iguales. Por ejemplo, si la tensión de oxígeno en el líquido de un recipiente cerrado es de 100 mm y la presión de oxígeno en el aire de este recipiente es de 150 mm, entonces entrará oxígeno al líquido.
En este caso, la tensión de oxígeno en el líquido aumentará y su presión fuera del líquido disminuirá hasta que se establezca un nuevo equilibrio dinámico y ambos valores sean iguales, recibiendo algún nuevo valor entre 150 y 100 mm. La forma en que cambian la presión y el voltaje en un flujo determinado depende de los volúmenes relativos de gas y líquido.
Una mezcla de gases está en estado de equilibrio si las concentraciones de los componentes y sus parámetros de estado en todo el volumen tienen los mismos valores. En este caso, la temperatura de todos los gases incluidos en la mezcla es igual e igual a la temperatura de la mezcla. t centímetro.
En estado de equilibrio, las moléculas de cada gas se encuentran dispersas uniformemente por todo el volumen de la mezcla, es decir, tienen su propia concentración específica y, por tanto, su propia presión. r i, Pa, que se llama parcial . Se define de la siguiente manera.
La presión parcial es igual a la presión de un componente dado, siempre que él solo ocupe todo el volumen destinado a la mezcla a la temperatura de la mezcla T centímetro .
Según la ley del químico y físico inglés Dalton, formulada en 1801, la presión de una mezcla de gases ideales p centímetro igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes p i :
Dónde norte– número de componentes.
La expresión (2) también se llama Ley de presiones parciales.
3.3. El volumen reducido de un componente de una mezcla de gases. Ley de Amag
Por definición, el volumen reducido iº componente de la mezcla de gases V i, m3, es el volumen que podría ocupar este componente, siempre que su presión y temperatura sean iguales a la presión y temperatura de toda la mezcla de gases.
La ley del físico francés Amag, formulada hacia 1870, establece: la suma de los volúmenes reducidos de todos los componentes de una mezcla es igual al volumen de la mezcla.V centímetro :
,m3. (3)
3.4. Composición química de la mezcla de gases.
La composición química de la mezcla de gases se puede especificar. tres diferentes maneras.
Considere una mezcla de gases que consta de n componentes. La mezcla ocupa volumen. V cm, m 3, tiene masa METRO cm, kg, presión r cm, Pa y temperatura t cm, K. Además, el número de moles de la mezcla es igual a norte cm, mole. Al mismo tiempo, la masa de uno iº componente metro i, kg y el número de moles de este componente ν i, lunar.
Es obvio que:
, (4)
. (5)
Utilizando la ley de Dalton (2) y la ley de Amag (3) para la mezcla considerada, podemos escribir:
, (6)
, (7)
Dónde r i– presión parcial iésimo componente, Pa; V i– volumen reducido iésimo componente, m3.
Sin ambigüedades, la composición química de una mezcla de gases se puede especificar en masa, mol o fracciones de volumen de sus componentes:
, (8)
, (9)
, (10)
Dónde gramo i , k i Y r i– fracciones de masa, moles y volúmenes iº componente de la mezcla, respectivamente (valores adimensionales).
Es obvio que:
,
,
. (11)
A menudo, en la práctica, la composición química de una mezcla no se especifica en fracciones. iº componente y su porcentaje.
Por ejemplo, en ingeniería de calefacción se supone aproximadamente que el aire seco se compone de un 79 por ciento en volumen de nitrógeno y un 21 por ciento en volumen de oxígeno.
Por ciento i El décimo componente de la mezcla se calcula multiplicando su proporción por 100.
Por ejemplo con aire seco tendremos:
,
. (12)
Dónde 
Y 
– fracciones volumétricas de nitrógeno y oxígeno en aire seco; N 2 y O 2 – designación del porcentaje en volumen de nitrógeno y oxígeno, respectivamente, % (vol.).
Nota:
1)Las fracciones molares de una mezcla ideal son numéricamente iguales a las fracciones en volumen:k i = r i . Demostrémoslo.
Usando la definición de fracción de volumen(10)y la ley de Amag (3) podemos escribir:
,
(13)
DóndeV i – volumen reducidoiésimo componente, m 3
;
ν
i – número de molesiésimo componente, mol;
– volumen de un moliº componente a presión de mezcla p centímetro y temperatura de la mezcla T centímetro , metro 3
/mol.
De la ley de Avogadro (ver párrafo 2.3 de este apéndice) se deduce que a la misma temperatura y presión, un mol de cualquier gas (componente de la mezcla) ocupa el mismo volumen. En particular, en T centímetro yp centímetro será algo de volumenV 1 , metro 3 .
Esto nos permite escribir la igualdad:
.
(14)
Sustituyendo(14)V(13)obtenemos lo que necesitamos:
.
(15)
2)Las fracciones en volumen de los componentes de una mezcla de gases se pueden calcular conociendo sus presiones parciales. Mostrémoslo.
consideremosi-ésimo componente de una mezcla de gases ideales en dos estados diferentes: cuando está a su presión parcial p i ; cuando ocupa su reducido volumenV i .
La ecuación de estado de un gas ideal es válida para cualquiera de sus estados, en particular, para los dos mencionados anteriormente.
De acuerdo con esto, y teniendo en cuenta la definición de volumen específico, podemos escribir:
,
(16)
,
(17)
DóndeR i – constante de los gasesiésimo componente de la mezcla, J/(kg K).
Después de dividir ambas partes(16)Y(17)uno sobre el otro obtenemos lo requerido:
.
(18)
De(18)Se puede observar que las presiones parciales de los componentes de la mezcla se pueden calcular a partir de su composición química, con una presión total de mezcla conocida p centímetro :
.
(19)
Problema 41.
Mezclar 0,04m3 nitrógeno a una presión de 96 kPa (720 mm Hg), con 0,02 m3 de oxígeno. El volumen total de la mezcla es 0,06 m. 3 , y la presión total es 97,6 kPa (732 mm Hg). ¿Cuál fue la presión del oxígeno tomado?
Solución :
Según las condiciones del problema, el volumen de nitrógeno aumentó 1,5 veces (0,06/0,04 = 1,5) y el volumen de oxígeno aumentó 3 veces (0,06/0,02 = 3). Las presiones parciales de los gases disminuyeron en la misma cantidad.
Por eso,
A partir de aquí, partiendo del hecho de que el volumen de oxígeno antes de mezclar era tres veces mayor que después de mezclar, calculamos la presión de oxígeno antes de mezclar:
Respuesta: total . = 100,8kPa.
Problema 42.
La mezcla de gases se preparó a partir de 2 litros de H2 (P = 93,3 kPa) y 5 litros de CH4 (P = 112 kPa). El volumen de la mezcla es de 7 litros. Encuentre las presiones parciales de los gases y la presión total de la mezcla.
Solución:
Según las condiciones del problema, el volumen de hidrógeno aumentó 3,5 veces (7/2 = 3,5) y el volumen de metano aumentó 1,4 veces (7/5 = 1,4). Las presiones parciales de los gases disminuyeron en la misma cantidad.
Según la ley de las presiones parciales, la presión total de una mezcla de gases que no interactúan entre sí es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que forman el sistema (mezcla).
Respuesta:
Problema 43.
La mezcla de gases se compone de NO y CO2. Calcule el contenido volumétrico de gases en la mezcla (en%) si sus presiones parciales son iguales a 36,3 y 70,4 kPa, respectivamente (272 y 528 mm Hg).
Solución:
De acuerdo a ley de dalton La presión parcial de un gas dado es directamente proporcional a su fracción molar por presión total de la mezcla de gases:
donde P(mezcla) es la presión total de la mezcla; Р(А) – presión parcial de un gas determinado; (A) es la fracción molar de un gas dado.
Según la ley de las presiones parciales, la presión total de una mezcla de gases que no interactúan entre sí es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que forman el sistema (mezcla).
Respuesta: 34,02%NO; 65,98%CO.
Problema 44.
En un recipiente cerrado con una capacidad de 0,6 m 3 hay una mezcla a 0 0 C, compuesta por 0,2 kg CO 2, 0,4 kg 02 y 0,15 kg CH 4. Calcular: a) la presión total de la mezcla; b) presión parcial de cada gas; c) composición porcentual de la mezcla en volumen.
Solución:
Calculemos la cantidad total de gases en la mezcla usando la ecuación:
¿Dónde está la cantidad de gas, kmol? m – masa de gas, kg; M es la masa molecular del gas, kg/mol. Entonces:
a) La presión total de la mezcla de gases está determinada por la ecuación: Entonces:
b) Las presiones parciales de los gases se calculan mediante la ecuación:
donde R k y k son, respectivamente, la presión parcial y la cantidad de gas en la mezcla.
c) Calculamos los volúmenes parciales de gases mediante la ecuación: Entonces
La relación entre los volúmenes parciales (reducidos) de gases individuales y el volumen total de la mezcla se denomina fracción de volumen y está determinada por la fórmula: Entonces
Respuesta: 
Problema 45.
La mezcla de gases se prepara a partir de 0,03 m 3 CH 4, 0,04 m 3 H 2 y 0,01 m 3 CO. Las presiones iniciales de CH 4, H 2 y CO fueron respectivamente 96, 84 y 108,8 kPa (720, 630 y 816 mm Hg). El volumen de la mezcla es 0,08 m 3. Determine las presiones parciales de los gases y la presión total de la mezcla.
Solución:
Según las condiciones del problema, el volumen de metano aumentó después de la mezcla 2,67 veces (0,08/0,03 = 2,67), el volumen de hidrógeno aumentó 2 veces (0,08/0,04 = 2) y el volumen monóxido de carbono– 8 veces (0,08/0,01 = 8). Las presiones parciales de los gases disminuyeron en la misma cantidad. Por eso,
Según la ley de las presiones parciales, la presión total de una mezcla de gases que no interactúan entre sí es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que forman el sistema (mezcla).
Desde aquí:
Respuesta:
Problema 46.
En un gasómetro sobre el agua hay 7,4 litros de oxígeno a 23°C y una presión de 104,1 kPa (781 mm Hg). La presión del vapor de agua saturado a 23°C es de 2,8 kPa (21 mm Hg). ¿Qué volumen ocupará el oxígeno en el gasómetro en condiciones normales?
Solución:
La presión parcial del oxígeno es igual a la diferencia entre la presión total y la presión parcial del vapor de agua:
Denotando el volumen requerido a través y usando la ecuación combinada Leyes de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac, encontramos:
donde P y V son la presión y el volumen de gas a una temperatura T = 296 K (273 +23 = 296); P0 = 101,325 kPa; T0 = 273K; P = 104,1 kPa; -volumen de gas en el no.
Respuesta: V0 =6,825l.
EN condiciones normales el hombre respira aire regular, teniendo una composición relativamente constante (Tabla 1). Siempre hay menos oxígeno y más dióxido de carbono en el aire exhalado. El aire alveolar contiene la menor cantidad de oxígeno y la mayor cantidad de dióxido de carbono. La diferencia en la composición del aire alveolar y exhalado se explica por el hecho de que este último es una mezcla de aire del espacio muerto y aire alveolar.
El aire alveolar es el ambiente gaseoso interno del cuerpo. La composición gaseosa de la sangre arterial depende de su composición. Los mecanismos reguladores mantienen la constancia de la composición del aire alveolar. La composición del aire alveolar durante la respiración tranquila depende poco de las fases de inhalación y exhalación. Por ejemplo, el contenido de dióxido de carbono al final de la inhalación es solo un 0,2-0,3% menor que al final de la exhalación, ya que con cada inhalación solo se renueva 1/7 del aire alveolar. Además, ocurre de forma continua durante la inhalación y la exhalación, lo que ayuda a igualar la composición del aire alveolar. Con la respiración profunda, aumenta la dependencia de la composición del aire alveolar de la inhalación y la exhalación.
Tabla 1. Composición del aire (en%)
El intercambio de gases en los pulmones se produce como resultado de la difusión de oxígeno del aire alveolar a la sangre (aproximadamente 500 litros por día) y de dióxido de carbono de la sangre al aire alveolar (aproximadamente 430 litros por día). La difusión se produce debido a la diferencia en la presión parcial de estos gases en el aire alveolar y su tensión en la sangre.
Presión parcial del gas: concepto y fórmula.
Presión parcial del gas en una mezcla de gases es proporcional al porcentaje de gas y a la presión total de la mezcla:
Para aire: P atmosférico = 760 mm Hg. Arte.; C oxígeno = 20,95%.
Depende de la naturaleza del gas. Toda la mezcla de gases aire atmosférico tomada como 100%, tiene una presión de 760 mmHg. Art., Y parte del gas (oxígeno - 20,95%) se toma como INCÓGNITA. Por tanto, la presión parcial de oxígeno en la mezcla de aire es de 159 mm Hg. Arte. Al calcular la presión parcial de los gases en el aire alveolar, es necesario tener en cuenta que está saturado con vapor de agua, cuya presión es de 47 mm Hg. Arte. En consecuencia, la proporción de la mezcla de gases que forma parte del aire alveolar no representa una presión de 760 mm Hg. Art., y 760 - 47 = 713 mm Hg. Arte. Esta presión se toma como 100%. A partir de aquí es fácil calcular que la presión parcial de oxígeno contenida en el aire alveolar en una cantidad del 14,3% será igual a 102 mm Hg. Arte.; En consecuencia, el cálculo de la presión parcial de dióxido de carbono muestra que es igual a 40 mm Hg. Arte.
La presión parcial de oxígeno y dióxido de carbono en el aire alveolar es la fuerza con la que las moléculas de estos gases intentan atravesar la membrana alveolar hacia la sangre.
La difusión de gases a través de una barrera obedece a la ley de Fick; Dado que el espesor de la membrana y el área de difusión son los mismos, la difusión depende del coeficiente de difusión y del gradiente de presión:
Gas Q- volumen de gas que pasa a través del tejido por unidad de tiempo; S - área de tela; DK - coeficiente de difusión de gases; (P 1, - P 2) - gradiente de presión parcial del gas; T es el espesor de la barrera tisular.
Teniendo en cuenta que en la sangre alveolar que fluye hacia los pulmones, la tensión parcial de oxígeno es de 40 mmHg. Art. Y dióxido de carbono: 46-48 mm Hg. Art., entonces el gradiente de presión que determina la difusión de gases en los pulmones será: para oxígeno 102 - 40 = 62 mm Hg. Arte.; para dióxido de carbono 40 - 46(48) = menos 6 - menos 8 mm Hg. Arte. Dado que el coeficiente de difusión del dióxido de carbono es 25 veces mayor que el del oxígeno, el dióxido de carbono se mueve más activamente desde los capilares hacia los alvéolos que el oxígeno en la dirección opuesta.
En la sangre, los gases están disueltos (libres) y químicamente estado ligado. En la difusión sólo participan las moléculas de gas disueltas. La cantidad de gas que se disuelve en un líquido depende de:
- sobre la composición del líquido;
- volumen y presión de gas en líquido;
- temperatura del líquido;
- naturaleza del gas en estudio.
Cuanto mayor es la presión y la temperatura de un gas determinado, más gas se disuelve en el líquido. A una presión de 760 mm Hg. Arte. y a una temperatura de 38 °C, en 1 ml de sangre se disuelven 2,2% de oxígeno y 5,1% de dióxido de carbono.
La disolución de un gas en un líquido continúa hasta que se produce un equilibrio dinámico entre el número de moléculas de gas que se disuelven y escapan al medio gaseoso. La fuerza con la que las moléculas de un gas disuelto tienden a escapar a un medio gaseoso se llama tensión del gas en el líquido. Por tanto, en equilibrio, la tensión del gas es igual a la presión parcial del gas en el líquido.
Si la presión parcial de un gas es mayor que su voltaje, entonces el gas se disolverá. Si la presión parcial de un gas es menor que su voltaje, entonces el gas dejará la solución al ambiente gaseoso.
La presión parcial y la tensión de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones se dan en la tabla. 2.
Tabla 2. Presión parcial y tensión de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones (mm Hg)
La difusión de oxígeno está garantizada por la diferencia de presiones parciales en los alvéolos y la sangre, que es igual a 62 mm Hg. Art., Y para el dióxido de carbono es de solo unos 6 mm Hg. Arte. El tiempo de flujo sanguíneo a través de los capilares del círculo pequeño (en promedio 0,7 s) es suficiente para igualar casi por completo la presión parcial y la tensión de los gases: el oxígeno se disuelve en la sangre y el dióxido de carbono pasa al aire alveolar. La transición del dióxido de carbono al aire alveolar con una diferencia de presión relativamente pequeña se explica por la alta capacidad de difusión de este gas en los pulmones.