Prawo Daltona
Prawo przemian gazowych opisuje zachowanie gazów i ich mieszanin. Jednak inne cechy gazów również odgrywają rolę podczas nurkowania i oddychania pod zwiększonym ciśnieniem jak choćby reaktywność chemiczna gazów w zależności od proporcji mieszanin.
Podczas mieszania gazów zachodzi zjawisko dyfuzji. W wyniku tego gazy mieszają się nawet, jeśli ich cząsteczki mają różną masę i rozmiary. Odpowiada za to nieustanny ruch cząstek. Jednak nawet zmieszane, gazy często zachowują swoje indywidualne własności pod wpływem ciśnienia.
Pierwszym, który badał to zjawisko był angielski uczony John Dalton. Podsumowując swoje eksperymenty z mieszaninami gazów sformułował prawo:
Definicja
- Prawo Daltona
- całkowite ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień poszczególnych gazów tworzących tą mieszaninę.
Oznacza to po prostu, ze każdy ze składników mieszaniny gazowej oddziałuje niezależnie. Indywidualne ciśnienie wywierane prze składnik mieszaniny jest proporcjonalne do ilości molekuł tego składnika. To indywidualne ciśnienie jest nazwane ciśnieniem parcjalnym (partial pressure - pp). Ciśnienia parcjalne składników sumują się dając całkowite ciśnienie mieszaniny. Zrozumienie pojęcia ciśnienia parcjalnego jest ważne, gdyż jak to będzie wyjaśnione później, zarówno dyfuzja jak i rozpuszczalność gazów w ciele człowieka zależy od ich ciśnienia parcjalnego.
Jako przykład weźmy powietrze. W przybliżeniu jest ono mieszaniną tlenu (21%) i azotu (79%). Pod ciśnieniem 1 atm, każdy ze składników wywiera ciśnienie odpowiednio 0.21atm i 0.79atm. Wyobraźmy sobie, że zwiększamy ciśnienie do 2 atm bez dodawania powietrza. Z prawa Boyle'a wynika ze objętość zmniejszy się dwukrotnie. Każdy ze składników będzie wywierał teraz ciśnienie odpowiednio: tlen - 2*0.21=0.42 atm, azot 2*0.79=1.58 atm.
Matematycznie prawo Daltona można napisać następująco:
Pcałkowite= ppA + ppB + ppC ...
Gdzie ppA to Pcałkowite * %mieszaniny A, itd.
Przykład
Dana jest mieszanina - 1%CO2, 79%N2, 20% O2, Jakie będzie ciśnienie parcjalne azotu na głębokości 40 m ?
%N2 = 79%, Na głębokości 40m panuje ciśnienie 5atm, tak więc ciśnienie parcjalne azotu wynosi: ppN2=5*0.79 =3.95 atm
Przy obliczeniach, jak zwykle należy pamiętać o używaniu jednakowych jednostek. Wszystkie te rozważania można prowadzić np. w mmHg.
Poprzednia dyskusja dot. Prawa Boyle'a pokazuje, że jeżeli zwiększa się ciśnienie otoczenia, to gaz zamknięty w sprężystym pojemniku (jak np. balon) zmniejsza swoja objętość. Podobnie zachowują się płuca człowieka. Żeby zachować niezmieniona objętość przy zwiększaniu ciśnienia należy dodać gaz do pojemnika. Jest to zasadniczy powód, dla którego nurkowie używają automatu regulującego ciśnienie podawanej mieszanki.
Podczas gdy skład procentowy mieszaniny nie zmienia się ze zmianami ciśnienia, liczba cząstek rośnie proporcjonalnie do tych zmian. Gdy przykładowo teoretyczna objętość płuc zawiera 100*1021 molekuł z których 79*1021 to molekuły N2 zaś 21*1021to molekuły O2. Gdyby na powierzchni wziąć oddech czystym tlenem w płucach znalazłoby się 100 *1021 cząsteczek O2.
Gdy ciśnienie wzrasta pięciokrotnie (tak dzieje się na 40m głębokości) oddech zawiera 500*1021 cząstek powietrza czyli 395*1021 cząstek N2 oraz 105*1021 cząstek O2. Widać, że przy takim ciśnieniu ilość molekuł tlenu w płucach jest taka jak przy oddechu czystym tlenem na powierzchni. Z fizjologicznego punktu widzenia oddech zależy od ciśnienia parcjalnego tlenu, pozostałe składniki mieszanki nie biorą udziału w procesach fizjologicznych.
Oznacza to, że porównywalny efekt oddechowy można osiągnąć mieszanką tlenu i gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem jak oddychając czystym tlenem na powierzchni, byleby jego ciśnienie parcjalne było jednakowe. Efekt ten nazywamy ekwiwalentem powierzchniowym (surface equivalency). Zjawisko to jest bardzo groźne w przypadku szkodliwych domieszek.
Wyobraźmy sobie mieszankę zawierająca 0.5% tlenku węgla CO. W takim stężeniu na powierzchni oddychanie nim jest niemal nieszkodliwe. Ciśnienie parcjalne CO wynosi bowiem 0.005 atm. Jednak na głębokości 40m, gdzie ciśnienie wynosi 5atm, ciśnienie parcjalne CO zwiększa się do 0.025 atm. Ilość molekuł CO wdychanych przez nurka jest taka, jakby na powierzchni oddychał mieszanka zawierająca 2.5% CO co jest już poziomem trującym. Nic w składzie mieszanki nie uległo zmianie. Zatrucie byłoby wynikiem działania prawa Daltona.
