《醫(yī)用化學(xué)》 二、氣體在液體中的溶解度

氣體的溶解平衡是指在密閉容器中，溶解在液體中的氣體分子與液體上面的氣體分子保持平衡。溶解達平衡時，氣體在液體中的濃度就是氣體的溶解度。通常用1體積液體中所能溶解氣體的體積表示。表1-1是一些氣體在水中的溶解度。

表1－1　一些氣體在水中的溶解度

溫度/℃O2H2N2CO2HCLNH30.04890.02150.02351.7135071176200.03100.01820.01550.878442702300.02610.01700.01340.665413586(28℃)350.02440.01670.01260.592————

從表1-1中可以明顯地看出，溫度升高，氣體的溶解度減小。也可以看出，不同的氣體在水中的溶解度相差很大，這與氣體及溶劑的本性有關(guān)。H2，O2，N2等氣體在水中的溶解度較小，因為這些氣體在溶解過程中不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稱為物理溶解。而CO2，HCL，NH3等氣體在水中的溶解度較大，因為這些氣體在溶解過程中與水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，稱為化學(xué)溶解。

氣體在液體中的溶解，除與氣體的本性、溫度有關(guān)外，壓力對氣體的溶解度的影響也比較大。壓力和分壓的單位是帕（或帕斯卡，符號Pa），通常用千帕（符號kPa）表示。101.325kPa(或101325Pa)相當(dāng)于過去1atm（1大氣壓），133.32Pa相當(dāng)于1mmHg，作為非國際單位制的atm和mmHg本書不再使用。

（一）分壓定律

混合氣體的總壓力等于各組分氣體分壓力之和。這一定律稱為分壓定律。這種關(guān)系可用數(shù)學(xué)式表示。

p=p1+p2+p3+…

式中，p是混合氣體的總壓力，p1,p2,p3等是各組分氣體的分壓力。

混合氣體中每一種氣體的分壓力，可由總壓力和該氣體在混合氣體中所占的體積百分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)的乘積來計算：

p1=p×(%V1)

或　p1=p×x1

式中，p為氣體總壓力，%V1為氣體1的體積百分?jǐn)?shù)，x1為氣體1的摩爾分?jǐn)?shù)。

例1　人的肺泡氣總壓力為101.325kPa，37℃時，它的組成用體積百分?jǐn)?shù)表示分別為：O2為13.4%，CO2為5.3%，N2為75%，H2O（蒸汽）為6.3%，試求各氣體在肺泡中的分壓。

解：po2=101.325kPa×13.4%=13.6kPa

pCO2=101.325kPa×5.3%=5.4kPa

pN2=101.325kPa×75%=76.0kPa

pH2O=101.325kPa×6.3%=6.4kPa

(二)亨利定律

1803年亨利（Henry）從實驗中總結(jié)出一條規(guī)律，其內(nèi)容是：“在一定溫度下，氣體溶解達到平衡時，氣體在液體中的溶解度和氣相中該氣體的分壓成正比。”這一規(guī)律稱為亨利定律。可用數(shù)學(xué)式表示：

c=Kp　(1-1)

式中，c為氣體在液體中溶解度，一般是指1kg水中溶解氣體的質(zhì)量（克）；p為液面上氣體的平衡分壓；K為常數(shù)，是該氣-液體系的特征常數(shù)。

必須注意，亨利定律只適用于壓力不大（一般為202.3～303.9kPa）和溶解度很小的氣體。溫度越高或壓力越低，在稀溶液中應(yīng)用亨利定律能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。另外，亨利定律只適用于不與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，即溶質(zhì)在氣相和液相中的分子狀態(tài)必須是相同的。

例2　在0℃，平衡壓力為303.9kPa。氧氣的溶解度為0.2085g/1000g水。求在同溫度、平衡壓力為202.6kPa下氧氣的溶解度。

解:由式(1-1)先求K值:

K=c/p=0.2085/303.9=0.000686(g/1000g水?kPa)

對于一定氣體和溶劑,在一定溫度下,K是一個常數(shù),與氣體的壓力無關(guān).在平衡壓力為202.6kPa時，將K值代入式（1-1），則得在水中溶解度為：

c=Kp=0.000686×202.6=0.139(g/1000g水)

亨利定律在醫(yī)學(xué)上有許多應(yīng)用實例。例如，使用麻醉氣體時，氣體的分壓越大，則它在血液中的溶解度就越大。高壓氧氣艙的壓力為202.6-253.25kPa,比常壓為大,因此溶于病人血液的氧氣就越多.利用亨利定律還可以解釋人在呼吸過程中O2和CO2的交換等。

（三）氣體吸收系數(shù)

由于氣體的體積比質(zhì)量容易測定，所以氣體的溶解度以溶解氣體的體積表示比較方便。為了表示各種氣體在不同溫度和分壓下的溶解度，規(guī)定將不同狀態(tài)下所溶解氣體的體積，均換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)。

氣體吸收系數(shù)（a）是指在一定溫度下，1體積的液體在該氣體分壓為101.3kPa下,所能溶解氣體的體積.氣體體積如果不是標(biāo)準(zhǔn)狀況(0℃,101.3kPa),一般要換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況.如在20℃和氫氣分壓為101.3kPa下,1L水能溶解氫氣0.0195L.根據(jù)查理(Charles J.A.C.)定律可將其換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積:

0.0195L×273K/(273+20)K=0.0182(L)

0.0182即是在20℃時，101.3kPa下,氫氣在水中的吸收系數(shù)。

與醫(yī)學(xué)有關(guān)的氣體在水和血漿中的吸收系數(shù)列于表1-2。

表1-2　37℃時氣體在水和血漿中的吸收系數(shù)

氣體在水中的吸收系數(shù)在血漿中的吸收系數(shù)O20.02390.0214CO20.5670.515N20.01230.0118

從表1-2可以看出,當(dāng)水中含有其他雜質(zhì)時,氣體的溶解度減少,尤其是有鹽類存在時.由于鹽類離子與水分子形成水合離子,這時影響則更大.血漿中含有鹽類和蛋白質(zhì)等,故氣體在血漿中的溶解度比在水中要小.

利用表1-2的吸收系數(shù),根據(jù)肺泡中O2,CO2,N2的分壓,就能算出它們?nèi)芙庠谘獫{中的體積百分?jǐn)?shù).

已知肺泡氣體中Po2=13.6kPa,Pco2=5.3kPa.PN2=76.0kPa.因此,100mL血漿中所溶解的三種氣體的體積百分?jǐn)?shù)為：

O2%=0.0214×13.6/101.3×100=0.287(mL/100mL血漿)

CO2%=0.515×5.3/101.3×100=2.69(mL/100mL血漿)

N2%=0.0118×76/101.3×100=0.885(mL/100mL血漿)