Đang tải... (xem toàn văn)
Đây là bài giảng được biên soạn của giáo viên tại trường mình đang học ( ĐH Y Dược TP.HCM) . Bài giảng nói về thuyết động học phân tử và các hiện tượng vận chuyển trao dổi chất . Đảm bảo chất lượng nên mọi người cứ tham khảo thoải mái nhé . Chúc mọi người thành công.
THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN TRAO ĐỔI CHẤT MỤC TIÊU • Hiểu Thuyết động học phân tử khí lý tưởng Từ phương trình suy hệ • Nắm vững ý nghĩa biểu thức nội khí lý tưởng • Nêu chất, ngun nhân tượng khuếch tán, ma sát nhớt Vận dụng để giải thích q trình vận chuyển trao đổi ch́ất thể • Nêu chất, ngun nhân trạng thái căng mặt ngồi chất lỏng, tượng mao dẫn Vận dụng giải thích số tượng liên quan thực tế, đời sống y học NỘI DUNG THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ KHÍ THỰC CÁC HIỆN TƯNG VẬN CHUYỂN TRONG CHẤT KHÍ TRẠNG THÁI CĂNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG HIỆN TƯNG MAO DẪN CÁC HIỆN TƯNG VẬN CHUYỂN TRONG CHẤT LỎNG I -THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ a Các khái niệm - Nhiệt độ: Là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử vật - Ngun lý thứ khơng (zero) nhiệt động lực học Từ thực nghiệm cho ta kết luận : “ Khi đặt hai vật (hệ) A B tiếp xúc với coi hệ hai vật lập Năng lượng E truyền từ vật có nhiệt độ cao (nóng hơn) sang vật có nhiệt độ thấp,cho đến hai vật có nhiệt độ khơng trao đổi lượng Lúc đó, hai vật trạng thái cân nhiệt ” (Hệ cô lập) Phát biểu : “ Nếu hai vật A B cân nhiệt với vật thứ ba C chúng (A B ) cân nhiệt với “ - Dựa vào ngun lý người ta đưa dụng cụ đo nhiệt gọi Nhiệt biểu Nhiệt biểu đóng vai trò vật vật kéo theo cân nhiệt với vật đạt đến nhiệt độ nhiệt độ vật Nhiệt biểu + chia độ = Nhiệt kế - Nhiệt độ vật xác định qua phép đo đại lượng vật lý (chiều dài, thể tích, điện trở ) có tương quan đơn trị với nhiệt độ VD: Nhiệt kế thủy ngân , điện trở … •- Thang nhiệt độ • toF = 9/5 toC + 32 (Hơi nước 100 212 32 Celcius (0C) Fahrenheit (0F) ( p = atm ) 373 sơi) 273 (Nước đá tan) Kelvin( K) • TK = toC + 273 (1) (2) Ví dụ: Nhiệt độ Fahrenheit tương ứng với -20oC là: toF = 9/5 (-20) +32 = - 4oF T = 0K = -273oC ( = - 460oF) Là giới hạn chung nhiệt độ VD: Trong đơn thuốc có ghi : Mỗi ngày uống lần , lần 15 giọt Cho biết hệ số căng mặt ngồi thuốc 8,5 10-2 N/m đầu mút ống nhỏ giọt có đường kính mm Khối lượng thuốc bệnh nhân phải uống ngày là: A 3,20 g B 2,14 g C 1,63 g D 0,75 g b Tác dụng bọt khí ống mao dẫn Xét ống mao dẫn nằm ngang có bọt khí bên - Khi khơng có tác dụng lực , chất lỏng đứng n, R1 = R2 , ∆p1 = ∆p2 ngược chiều - Khi có tác lực F (bên trái) R1 > R2 , ∆p1 < ∆p2 cản trở lực F R1 = R2 ⇒ ∆p1 = ∆p2 ur F R1 > R2 ⇒ ∆p1 < ∆p2 Áp suất phụ cực đại mà bọt khí chịu mặt bên trái mặt lồi, phía bên phải mặt lõm có bán kính cong bán kính r ống mao dẫn ur F r R1 = R = r 2σ 2σ 4σ ∆p max = ∆p1 + ∆p2 = + = r r r Vậy,ống mao dẫn chứa chất lỏng có bọt khí cần phải tác dụng áp suất lớn áp suất phụ cực đại , chất lỏng chuyển dịch Khi ống nhiều bọt khí có chỗ phân nhánh áp suất phụ cực đại mà bọt khí chịu lớn Đây lý gây tai biến trường hợp thể bị giảm áp suất đột ngột đưa thuốc vào thể qua tĩnh mạch tạo bọt khí lòng mạch máu, mạch máu tim, não,làm cho máu khó lưu thơng ,gây tắc mạch máu V CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CHẤT Hiện tượng khuyếch tán : a Khuyếch tán khơng qua màng Định luật Fick: Số phân tử ∆n loại chất đó,khuyếch tán qua diện tích ∆S khoảng thời gian ∆t sau: dC ∆n =− D ∆S ∆t dx dC : gradient nồng độ C theo phương x vng góc với ∆S D:dxhệ số khuyếch tán , phụ thuộc vào khối lượng hình dạng phân tử , độ nhớt dung mơi nhiệt độ dung dịch b Khuyếch tán qua màng xốp thấm tự - Màng xốp thấm tự : loại màng có lỗ với đường kính lớn so đường kính phân tử khuyếch tán (Tương tự khơng có màng chắn, phần diện tích để phân tử qua bị giảm nên q trình khuyếch tán xảy chậm hơn.) Giả sử phía màng ln trì nồng độ đồng C1 C2 ,phần bên hai mặt màng có nồng độ biến đổi màng tuyến tính ( GradxC có giá trị khơng đổi) C − C1 ∆n = − D ∆S ∆t l ∆n = − P (C2 − C1 ) ∆S ∆t C1 C2 l l: bề dày màng P = D/ l : hệ số thấm màng, phụ thuộc chất khuyếch tán tính chất màng c Hiện tượng khuyếch tán vận chuyển vật chất thể Các q trình vận chuyển thụ động vật chất qua màng có động lực tồn gradient khác hai phía màng mà khuyếch tán chế chủ yếu Các loại gradient thơng thường tồn màng tế bào sống như: Gradient nồng độ, gradient thẩm thấu, gradient màng, gradient độ hòa tan, gradien điện hóa - Chiều vận chuyển : Do tổng vectơ gradient vùng màng định - Năng lượng vận chuyển : Năng lượng dự trữ gradient Có dạng khuyếch tán • Khuyếch tán đơn giản: Là dạng khuyếch tán tác dụng gradient nồng độ (Các phân tử nước anion thường vận chuyển theo chế này) tn theo cơng thức : Δn = -P (C2 – C1) ∆S ∆t Mật độ dòng vật chất khuyếch tán : ∆n Φ= =− P (C − C1 ) ∆S ∆t • Khuyếch tán liên hợp Tương tự khuyếch tán đơn giản , song phân tử vật chất (cơ chất) lọt qua màng gắn vào phân tử khác gọi chất mang (các chất glucose, glycerin, acid amin số chất hữu khác vận chuyển theo chế này.) C: phân tử chất xâm nhập vào tế bào (cơ chất) , M : phân tử chất mang [MC]tr , [MC]ng : nồng độ phức chất MC mặt mặt ngồi Mật độ dòng vật chất MC khuyếch tán qua màng là: Φ = −D l ( [ MC ] tr − [ MC ] ng ) • Khuyếch tán trao đổi Tương tự khuyếch tán liên hợp đây, phân tử chất mang thực q trình vận chuyển vòng (Đây trường hợp vận chuyển ion Na+ qua màng hồng cầu Bằng phương pháp đánh dấu người ta thấy ion Na+ hồng cầu nhanh chóng đổi chỗ cho ion Na+ huyết Trong đó, nồng độ ion Na + huyết hồng cầu lại khơng thay đổi.) Hiện tượng thẩm thấu Màng bán thấm: Là màng cho dung mơi thấm qua mà khơng cho chất hồ tan qua Thẩm thấu : Là q trình vận chuyển dung mơi qua màng ngăn cách hai dung dịch có thành phần khác mà khơng có ngoại lực Ap suất thẩm thấu: Thí nghiệm: Cho thấy nước thấm qua màng vào phễu dâng lên độ cao h, đường khơng thấm ngồi Ap suất thủy tĩnh chiều cao h cột nước đường gây gọi áp suất thẩm thấu h Màng bán thấm nước đường Giải thích : Do nồng độ phân tử nước bên ngồi màng lớn bên màng Theo áp suất riêng phần nước bên ngồi màng lớn bên màng nên nước khuyếch tán từ ngồi vào màng Đối với dung dịch lỗng chất khơng điện ly áp suất thấm thấu tn theo phương trình Clapeyron – Mendeleev m P= ⇔ m =C µ V µ V R.T P = C R T : nồng độ Kmol dung dịch Màng bán thấm Áp suất thẩm thấu (ASTT) q trình trao đổi chất quan tế bào động thực vật So với dung dịch có ASTT p0 Nếu dung dịch có ASTT - p = p0 : dung dịch đẳng trương - p > p0 : dung dịch ưu trương - p < p0 : dung dịch nhược trương So với máu người 370C , ASTT p0 ~ 7,7 atm - Dung dịch muối 0,9% (0,15M)(nước muối sinh lý ) dung dịch đẳng trương vơí máu Vì vậy, để bù lại máu đưa vào lượng lớn dung dịch đẳng trương nước muối sinh lý, huyết v.v… - Nếu thể bị muối hay có số lượng nước lớn đưa vào, áp suất thẩm thấu bị giảm,có thể dẫn tới co giật, nơn mửa Ngược lại ,áp suất thẩm thấu tăng đưa vào thể lượng muối lớn dẫn đến phân phối lại nước thể, gây phù nề tổ chức - Tại nơi bị viêm, phân tử protein bị đứt gãy thành nhiều phân tử nhỏ, nồng độ vật chất gia tăng, áp suất thẩm thấu tăng, nước từ tổ chức xung quanh chuyển vị trí ,gây cảm giác áp suất [...]... chuyển động: - Tịnh tiến (Tọa độ x ,y, z) - Quay (Tọa độ θ,φ,ξ ) Z Y X Phân tử 1 nguyên tư û : i = 3 Z Z Y X Phân tử 2 nguyên tư û(O2, N2, ) : i = 5 Y X Phân tử 3 nguyên tư û(H2O, ) : i = 6 - Định luật phân bố đều động năng theo số bậc tự do “ Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do và mỗi bậc tự do ứng với động năng trung bình bằng 1 kT “ 2 V y từ định luật n y, một phân tử. .. khối khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Các phân tử khơng tương tác lẫn nhau trừ lúc va chạm Sự va chạm giữa các phân tử với nhau và phân tử với thành bình là hồn tồn đàn hồi b Phương trình cơ bản của Thuyết động học phân tử (Áp suất khí lý tưởng)- Hệ quả Theo quan điểm Động học phân tử Áp suất của khối khí g y ra trên thành bình chính là do lực tác dụng của các phân tử khí khi va chạm với thành bình Tính... của chất khí thứ i Định luật n y chỉ áp dụng cho các phân tử của các loại khí khơng có sự tương tác lẫn nhau về mặt hóa, lý 2 THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ Một số giả thuyết • • • • Các chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử Kích thước của các phân tử là khơng đáng kể so với khoảng cách giữa chúng với nhau Các phân tử là các quả cầu chuyển động hỗn loạn, khơng ngừng Năng... suất đo được ở thành bình (do sự va chạm của các phân tử với thành bình ) - Các phân tử ở trong lòng khối khí: Vì đối xứng, lực tổng hợp lực tác dụng lên các phân tử n y là triệt tiêu - Các phân tử ở sát thành bình: bị phân tử ở lớp trong hút vào phía trong lòng khối khí V y đối với khí thực áp suất của khối khí : p = p + pi pi: gọi là áp suất phân tử (áp lực hướng vào phía trong lòng khối khí và khơng... theo biểu thức: 2 P = n W 3 (18) n: mật độ phân tử m v2 : là động năng tịnh tiến trung bình của phân tử W = 2 m : khối lượng của phân tử v 2: trung bình của bình phương vận tốc Áp suất của chất khí tỷ lệ với mật độ phân tử và động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử 3 HỆ QUẢ - Nhiệt độ: Từ phương trình trạng thái đối với một kilomol khí lý tưởng Thay p = RT Vµ ↔ ↔ ↔ ↔ vào (18) : RT 2 = nW Vµ... (Chuyển động hổn loạn, không ngừng, quỹ đạo gấp khúc bất kỳ) “Rất nhiều thí nghiệm có thể chứng minh tơi đúng và chỉ cần thực nghiệm để có thể chứng minh tơi sai” ( Einstein) II KHÍ THỰC Khí thực có điểm khác nhau cơ bản với khí lý tưởng là các phần tử khí : - Có kích thước - Tương tác lẫn nhau 1 Lực tương tác phân tử - thế năng tương tác * Lực tương tác phân tử f - Do các điện tích trong các phân tử. .. r 0 < r < r0 : ∆r < 0 , f > 0 (lực đ y) -∆Wt = -(Wt2 – Wt1) < 0 , Wt2 > Wt1 Thế năng tăng 2 Phương trình trạng thái của khí thực Từ phương trình trạng thái đối với một kilomol khí lý tưởng p.Vµ = R.T Hiệu chỉnh thể tích: Vµ: là khoảng khơng gian mà các phân tử chuyển động tự do V y đối với khí thực ,thể tích khối khí : Vµ = Vµ - b b : thể tích riêng của phân tử Hiệu chỉnh áp suất: p : áp suất đo được... 517 m/s Mật độ phân tử: Từ (18) và(19) ta có: p = n kT hay 2 3 p = n( kT ) 3 2 p n = kT (32) Dưới cùng một áp suất và nhiệt độ, mọi chất khí đều có cùng một mật độ phân tử Ở điều kiện tiêu chuẩn : To = 273oK ,po = 1,013.105 N/m2 thì có: no = 1,013.105 /1,38.10-23.273 = 2,687.1025 phân tử /m3 (hằng số Loschmidt) 4 NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG - Số bậc tự do i: Số bậc tự do của một vật (hay một hệ) là số... tự do thì động năng trung bình là: (33) i W = 2 kT VD: Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí Nitơ ở 300K là : A 5,17 10-23 J B 0,62 10-20 J C 1,55 10-20 J D 4,85 10-23 J - Nội năng U của khí lý tưởng Nội năng của một hệ là tất cả các dạng năng lượng ứng với các chuyển động và tương tác bên trong hệ U = ∑ (W + Wt ) Đối với khí lý tưởng Wt = 0 → Nội năng của khí lý tưởng bằng tổng động năng... các phân tử U = ∑W - Đối với 1 kilomol khí lý tưởng thì: U = N0 W Từ (33) có: Vì R k= No i U = N o kT 2 ⇒ No = 6,023.1026 pt/kmol i U = RT 2 i: Số bậc tự do (34) - Đối với một khối lượng khí lý tưởng m (kg) gồm N phân tử, ta có: U = N W N m = ⇒ No µ U =( m i N o ) ( kT ) µ 2 m i U= RT µ 2 m i dU = RdT µ 2 (35) Nội năng U của khối khí lý tưởng nhất định chỉ biến thiên theo nhiệt độ T 5 CHUYỂN ĐỘNG