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浅谈氢气的吸收问题

物质有三种基本状态,气体、液体和固体。三种状态在分子相互作用力上存在非常大的差异。

固体分子间的作用力很大,绝大多数分子只能在各自的平衡位置附近振动,这是固体分子热运动的基本形式。液体分子的热运动情况跟固体相似,其主要形式也是振动。但除振动外,液体分子还会发生移动,这使得液体有一定体积而无一定形状,具有流动性,同时,其扩散速度也大于固体。

气体分子热运动的速率很大,分子间极为频繁地互相碰撞,每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高,分子运动就越激烈。在0℃时空气分子的平均速率约为400米/秒,由于极为频繁的碰撞,分子速度大小和方向时刻都在改变,气体分子沿一定方向迁移的速度就相当慢,所以气体扩散速度比气体分子运动的速度要慢得多。

将装有两种不同气体的两个容器连通,经过一段时间,两种气体就在这两个容器中混合均匀,这种现象叫做扩散。在液体间和固体间也会发生扩散现象。在扩散过程中,气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域,经过一段时间的掺和,密度分布趋向均匀。在扩散过程中,迁移的分子不是单一方向的,只是密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数,多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。

扩散现象是气体分子的内迁移现象。宏观上表现为从高浓度向低浓度扩散,从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时,分子之间发生相互碰撞的结果。不同空间区域的分子密度分布不均匀,分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移,最后达到均匀的密度分布。中学阶段就有一个二氧化碳和空气扩散的实验。

浅谈氢气的吸收问题
浅谈氢气的吸收问题

气体在液体中溶解和释放的过程也是通过扩散实现的,但情况相对复杂。例如将一杯水放在纯氢气舱内,开始水中没有氢气,氢气可以立刻扩散进入水中,但进入水中的部分氢气分子也会从水中释放出来。由于开始阶段水中氢气没有达到饱和浓度,氢气分子进入水中数量超过释放出来的数量,宏观上看是从气体向水中扩散,随着时间延长,水中氢气的浓度越来越高,当浓度达到溶解度水平时,进入水中和离开水中的氢气分子接近平衡,氢气浓度不再继续增加,此时就达到饱和浓度。例如氢气在室温一个大气压情况下大约在水中可以溶解1.8毫升,这就是氢气的溶解度。极性分子如酒精,可以与水分子形成氢键,达到互溶会结合,溶解度比较大。但非极性气体如氢气氧气在水中溶解度比较小,主要有两方面原因,一是水分子之间比较气体致密,水中缺乏容纳气体分子的空间,另一方面是水分子数量多,和气体分子发生碰撞的机会大,气体分子比较容易被排挤出来。呼吸过程简单说就是氧气溶解到组织和二氧化碳从组织中释放的过程,是通过扩散实现的。

极性物质如钠离子可以和水形成团簇,这样的结构不能依靠简单扩散方式跨越酯类细胞膜结构,重要极性物质如钠、钾和氯离子等是依靠特定蛋白通道才能跨膜运输。非极性气体在水中溶解度虽然低,但由于这些气体分子不与水相互结合,以独立分子存在于液体中,这类分子在生物系统内的扩散不受细胞膜限制,如氢气、氮气和氧气等气体分子可以自由跨膜出入细胞。
 

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