Материал: 5677

2.2. Газовое состояние и газовые законы

Газовое состояние возникает при слабом взаимодействии между молекулами смешиваемых веществ. При высоком давлении и низких температурах силы взаимодействия возрастают, в результате чего вещество из газообразного может перейти в конденсированное состояние (жидкое или твёрдое). В целом состояние газообразных веществ зависит от давления, температуры и объёма, который занимает газ.

При изучении газообразного состояния было введено понятие об идеальном газе. Принято считать, что между молекулами идеального газа отсутствуют силы взаимного притяжения и молекулы при соударениях ведут себя, как абсолютно упругие шарики. Отсутствие этих двух условий характеризует реальные газы, поскольку даже при незначительном взаимодействии между молекулами свойства реальных газов отклоняются от свойств идеальных газов. Многие газовые законы были выведены без учёта того, что молекулы газов имеют свой собственный объём и что они на определённом расстоянии могут взаимодействовать. Известно, что чем больше расстояние между молекулами газов, тем слабее это взаимодействие, поэтому реальные газы при высоких температурах и низких давлениях по свойству приближаются к идеальным газам.

Если между газовыми смесями нет химического взаимодействия, они подчиняются общим газовым законам.

Закон Дальтона выражает зависимость между общим давлением смеси газов и парциальным давлением её компонентов. Под парциальным давлением газа понимают то давление, которое имел бы газ, если бы он один занимал объём, который занимает вся смесь, и находился бы при той температуре, что и смесь. Согласно закону Дальтона, давление смеси газов равно сумме парциальных давлений её компонентов. Математически закон Дальтона выражается следующим уравнением:

р = р1+р2+р3+…+рn,

где р – общее давление смеси газов; р1, р2, р3, …; рn – парциальные давления компонентов смеси.

Газы, как правило, незначительно растворяются в жидкостях. Растворимость газов резко изменяется в зависимости от температуры и давления: с увеличением давления растворимость газов возрастает, с повышением температуры – понижается. Эта зависимость имеет большое биологическое значение для организмов, живущих в воде. С повышением температуры дыхание организмов

16

затрудняется, увеличивается потребность в кислороде, тогда как его концентрация в воде уменьшается. Сильное нагревание может привести к гибели организмов от удушья из-за недостатка кислорода. При насыщении воды кислородом в организме становится менее чувствительными к повышению температуры.

Английский химик Генри (1803 г.) при изучении растворимости газов установил закон, который формулируется так: при постоянной температуре растворимость данного газа в определённом объёме жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению газа. Математически закон Генри можно выразить уравнением:

С = kp,

где С – весовая концентрация газа в насыщенном растворе; k – коэффициент пропорциональности, или константа Генри (зависит от природы газа и растворителя, от температуры, но не зависит от давления); р – парциальное давление газа.

Дальтон также установил подобную зависимость для смеси газов: растворимость газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению. Закон Дальтона является важным дополнением к закону Генри, и поэтому оба закона часто объединяют в один общий закон Генри – Дальтона, который точно соблюдаются лишь тогда, когда условия приближаются к условиям существования идеальных газов и жидкостей. Во всех остальных случаях, особенно при высоких давлениях и низких температурах, наблюдаются

закономерности растворения газов в крови и в тканях тела. Известно, что газы (кислород и азот) в организм и кровь попадают главным образом из внешней среды, основное же количество углекислоты образуется в тканях организма (в воздухе СО2 содержится 0,03 мас. %).

Количество растворённого газа для крови, как и для других жидкостей, определяется коэффициентом абсорбции газа α, который представляет собой объём газа в миллилитрах (при нормальных условиях), растворённый в миллилитре жидкости при соответствующей температуре и при парциальном давлении газа, равном 101325 Па, и зависит от парциального давления газа в данной пробе крови.

Растворимость газов в крови несколько меньше, чем в воде (таблица 1).

17

Коэффициент абсорбции газов (α) по Бору

Пользуясь этой таблицей, можно рассчитать количество растворённого в крови газа при любом его парциальном давлении по формуле

m = ,

где m – количество растворённого газа, об. %; р – парциальное давление газа в данной пробе крови; α – коэффициент абсорбции газа при данной температуре.

Кровь переносит кислород от лёгких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении – от тканей к лёгким. Это чрезвычайно важный процесс, который нарушается при разных патологических состояниях, поэтому информация о количестве этих газов в крови используется для диагностических целей и изучения патогенеза заболевания.

И.М. Сеченов исследовал закономерности процесса поглощения углекислого газа физиологическими жидкостями и солевыми растворами. Он доказал, что растворимость газов в растворителе уменьшается при наличии в нём электролитов и может быть рассчитана по формуле

С = С0е-ра, где С – искомая растворимость газа; С0 – растворимость газа в чистом

растворителе; е – основание натурального логарифма; р – константа, зависящая от температуры, природы газа и электролита, а – концентрация электролита. И.М. Сеченов также установил, что 2/3 всего количества углекислого газа растворяется в плазме крови, а 1/3 связывается с красными кровяными тельцами и что процесс перехода СО2 из крови в лёгкие аналогичен диффузии газа из жидкости в воздух. На основании этих исследований Сеченов определил роль гемоглобина крови в переносе кислорода и углекислого газа.

18

2.3. Жидкое состояние. Концентрация растворов и способы её выражения

По свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твёрдыми телами. Подобно газам, жидкости принимают форму того сосуда, в котором они находятся. Жидкости имеют свой собственный объём и, подобно твёрдым телам, малосжимаемы, обладают значительной плотностью. В отличие от твёрдых тел жидкости обладают текучестью, что связано со способностью молекул свободно перемещаться, а также совершать поступательное и вращательное движения. Силы взаимодействия, возникающие между молекулами жидкостей, значительно больше сил между молекулами газов, но меньше сил между молекулами твёрдых тел, чтобы препятствовать перемещению частиц друг относительно друга. Одним из свойств поверхности жидкости является её стремление к сокращению своего объёма, что проявляется в сферической форме капель и в других свойствах поверхностей жидкостей.

Жидкости, так же как и твёрдые тела, обладают определённой структурой, например, жидкая вода имеет структуру, подобную структуре льда. Подобно индивидуальным жидким веществам растворы имеют так называемую внутреннюю структуру ближнего порядка. Это следует понимать так: разбавленные растворы имеют структуру, подобную структуре растворителя, концентрированные – подобную структуре растворённого вещества.

Растворы – это однофазные системы переменного состава, образованные двумя и большим количеством компонентов. Однородность растворов роднит их по свойствам с химическими соединениями, переменность состава обусловливает свойства, характерные для механических смесей. Растворы играют исключительно важную роль в жизни человека, в природе и технике. Значительное количество известных химических реакций протекает в растворах. Воды мирового океана и атмосфера являются растворами. Физиологические жидкости – плазма крови, лимфа, спинномозговая жидкость, желудочный и кишечный соки, пот, моча и другие – также являются растворами. Почти все лекарства оказывают лечебное действие на организм в растворённом состоянии. С растворами связаны почти все физиологические процессы, и управление ими в определённой степени будет зависеть от наших знаний о внутренней структуре и свойствах растворов.

Одной из важнейших характеристик любого вещества является его растворимость, т. e. способность распределяться в том или ином растворителе.

В зависимости от количества растворённого вещества растворы бывают

19

насыщенными, ненасыщенными, перенасыщенными и разбавленными. Концентрацию растворов можно выражать по-разному. На практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентрации:

1.Процентная концентрация показывает, сколько граммов данного вещества содержится в 100 г раствора. Например, 10%-ный раствор NaCl — это значит, что в 100 г раствора содержится 10 г NaCl и 90 г воды.

2.Молярная концентрация показывает, сколько молей растворённого вещества содержится в 1 л раствора.

3.Нормальная концентрация показывает, сколько грамм-эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 л раствора.

4.Моляльная концентрация показывает; сколько молей растворенного вещества содержится в 1000 г растворителя.

Титр показывает, сколько граммов растворённого вещества содержится в 1 мл раствора. Наряду с перечисленными способами выражения концентрации существуют и другие, применяющиеся для выражения концентрации биологически активных веществ. Например, содержание биологически активных веществ в тканях выражают в микрограммах (1 мкг = 10-6 г), отнесённых к 1 г живой ткани. Концентрацию биологически активных веществ в физиологических жидкостях выражают в граммах на литр, которая показывает сколько граммов вещества содержится в 1000 мл жидкости.

При изготовлении растворов лекарственных препаратов пользуются процентной концентрацией. При этом концентрацию лекарственных препаратов выражают следующим образом:

1.В массовых процентах, показывающих массовое количество вещества, содержащегося в 100 г раствора.

Например:

Для приготовления такого раствора 4 г NaBr растворяют в 196 г воды.

2. В массо-объёмных процентах, показывающих массовое количество вещества, содержащегося в 100 мл раствора.

20