二、气体在液体中的溶解度

气体的溶解平衡是指在密闭容器中，溶解在液体中的气体分子与液体上面的气体分子保持平衡。溶解达平衡时，气体在液体中的浓度就是气体的溶解度。通常用1体积液体中所能溶解气体的体积表示。表1-1是一些气体在水中的溶解度。

表1－1　一些气体在水中的溶解度

从表1-1中可以明显地看出，温度升高，气体的溶解度减小。也可以看出，不同的气体在水中的溶解度相差很大，这与气体及溶剂的本性有关。H₂，O₂，N₂等气体在水中的溶解度较小，因为这些气体在溶解过程中不与水发生化学反应，称为物理溶解。而CO₂，HCL，NH₃等气体在水中的溶解度较大，因为这些气体在溶解过程中与水发生了化学反应，称为化学溶解。

气体在液体中的溶解，除与气体的本性、温度有关外，压力对气体的溶解度的影响也比较大。压力和分压的单位是帕（或帕斯卡，符号Pa），通常用千帕（符号kPa）表示。101.325kPa(或101325Pa)相当于过去1atm（1大气压），133.32Pa相当于1mmHg，作为非国际单位制的atm和mmHg本书不再使用。

（一）分压定律

混合气体的总压力等于各组分气体分压力之和。这一定律称为分压定律。这种关系可用数学式表示。

p=p₁+p₂+p₃+…

式中，p是混合气体的总压力，p1,p2,p3等是各组分气体的分压力。

混合气体中每一种气体的分压力，可由总压力和该气体在混合气体中所占的体积百分数或摩尔分数的乘积来计算：

p₁=p×(%V₁)

或　p₁=p×x₁

式中，p为气体总压力，%V1为气体1的体积百分数，x₁为气体1的摩尔分数。

例1　人的肺泡气总压力为101.325kPa，37℃时，它的组成用体积百分数表示分别为：O₂为13.4%，CO₂为5.3%，N₂为75%，H₂O（蒸汽）为6.3%，试求各气体在肺泡中的分压。

解：p_o2=101.325kPa×13.4%=13.6kPa

p_CO2=101.325kPa×5.3%=5.4kPa

p_N2=101.325kPa×75%=76.0kPa

p_H2O=101.325kPa×6.3%=6.4kPa

(二)亨利定律

1803年亨利（Henry）从实验中总结出一条规律，其内容是：“在一定温度下，气体溶解达到平衡时，气体在液体中的溶解度和气相中该气体的分压成正比。”这一规律称为亨利定律。可用数学式表示：

c=Kp　(1-1)

式中，c为气体在液体中溶解度，一般是指1kg水中溶解气体的质量（克）；p为液面上气体的平衡分压；K为常数，是该气-液体系的特征常数。

必须注意，亨利定律只适用于压力不大（一般为202.3～303.9kPa）和溶解度很小的气体。温度越高或压力越低，在稀溶液中应用亨利定律能得到较准确的结果。另外，亨利定律只适用于不与溶剂发生化学反应的气体，即溶质在气相和液相中的分子状态必须是相同的。

例2　在0℃，平衡压力为303.9kPa。氧气的溶解度为0.2085g/1000g水。求在同温度、平衡压力为202.6kPa下氧气的溶解度。

解:由式(1-1)先求K值:

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

对于一定气体和溶剂,在一定温度下,K是一个常数,与气体的压力无关.在平衡压力为202.6kPa时，将K值代入式（1-1），则得在水中溶解度为：

c=Kp=0.000686×202.6=0.139(g/1000g水)

亨利定律在医学上有许多应用实例。例如，使用麻醉气体时，气体的分压越大，则它在血液中的溶解度就越大。高压氧气舱的压力为202.6-253.25kPa,比常压为大,因此溶于病人血液的氧气就越多.利用亨利定律还可以解释人在呼吸过程中O2和CO2的交换等。

（三）气体吸收系数

由于气体的体积比质量容易测定，所以气体的溶解度以溶解气体的体积表示比较方便。为了表示各种气体在不同温度和分压下的溶解度，规定将不同状态下所溶解气体的体积，均换算成标准状况下的体积数。

气体吸收系数（a）是指在一定温度下，1体积的液体在该气体分压为101.3kPa下,所能溶解气体的体积.气体体积如果不是标准状况(0℃,101.3kPa),一般要换算为标准状况.如在20℃和氢气分压为101.3kPa下,1L水能溶解氢气0.0195L.根据查理(Charles J.A.C.)定律可将其换算为标准状况下的体积:

0.0195L×273K/(273+20)K=0.0182(L)

0.0182即是在20℃时，101.3kPa下,氢气在水中的吸收系数。

与医学有关的气体在水和血浆中的吸收系数列于表1-2。

表1-2　37℃时气体在水和血浆中的吸收系数

从表1-2可以看出,当水中含有其他杂质时,气体的溶解度减少,尤其是有盐类存在时.由于盐类离子与水分子形成水合离子,这时影响则更大.血浆中含有盐类和蛋白质等,故气体在血浆中的溶解度比在水中要小.

利用表1-2的吸收系数,根据肺泡中O₂,CO₂,N₂的分压,就能算出它们溶解在血浆中的体积百分数.

已知肺泡气体中Po₂=13.6kPa,Pco₂=5.3kPa.P_N2=76.0kPa.因此,100mL血浆中所溶解的三种气体的体积百分数为：

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

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

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