6.1.5. Gase

Der Aggregatzustand eines Stoffes ist abhängig von der Temperatur und dem Umgebungsdruck. Man Unterscheidet zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen.

Der Schnittpunkt der drei Phasen wird Trippelpunkt genannt, für Wasser liegt er bei 273,16 K und 613 Pa.

Gasgesetze

Gasgesetze stellen zwischen Druck \(p\), Volumen \(V\), Temperatur \(T\) und Stoffmenge \(n\) (Masse \(m\) bzw. Teilchenzahl \(N\)) eine Beziehung her. Es gilt:

\[ \begin{align}\begin{aligned} p \propto \frac{1}{V} \quad \ldots T~\mbox{konstant}\\V \propto T \quad \ldots p~\mbox{konstant}\\P \propto T \quad \ldots V~\mbox{konstant} \end{aligned}\end{align} \]

Zustandsgleichung idealer und realer Gase

Zustandsgleichung idealer Gase

\[ p \cdot V = n \cdot R \cdot T \]

Molzahl \(n\), Gaskonstante \(R\) (8,314J/(mol K))

Reale Gase

Moleküle haben Ausdehnung, Kräfte zwischen den Molekülen:

Zustandsgleichung realer Gase

\[ \left(p + {\frac{a}{V^2}}\right) \cdot \left(V - {\color{green}b}\right) = n \cdot R \cdot T \]

\({{\frac{a}{V^2}}}\) Kohäsionsbinnendruck, \({\color{green}b}\) Eigenvolumen der Gasmoleküle

Dampfdruck

Partialdruck, Dalton-Gesetz

Partialdruck bezeichnet den Beitrag eines Gases in einem Gasgemisch zum Gesamtdruck. Der Gesamtdruck setzt sich demnach aus den Partialdrücken der einzelnen Gaskomponenten zusammen.

Dalton-Gesetz

Die Summe aller Partialdrücke ist bei idealen Gasen gleich dem Gesamtdruck des Gemisches.

Fig. 12 Partialdrücke der Raumluft auf Seehöhe

[© Andrew Jarvis, ℓ CC BY-SA 4.0]

Henry-Gesetz

Das Henry-Gesetz besagt, dass der Partialdruck eines Gases über einer Flüssigkeit direkt proportional ist zur Konzentration des Gases in der Flüssigkeit. Die Proportionalität wird ausgedrückt durch die Henry-Konstante \(H^{cp}\).

Gleichung: Henry-Gesetz

\[ c = H^{cp} \cdot p \]

\(c\): Gaskonzentration (im Blut); \(H^{cp}\): Henry-Löslichkeitskonstante; \(p\): Partialdruck des Gases

Die dimensionslose Henry-Löslichkeitskonstante \(H^{cc}\) wird auch als Blut-Gas-Verteilungskoeffizient BGV bezeichnet:

\[ \mathsf{BGV} = H^{cc} = \frac{c_{\mathsf{Blut}}}{\cdot c_{\mathsf{Gas}}} \]

Tab. 18 Blut-Gas-Verteilungskoeffizient (BGV) verschiedener Narkosegase

Narkosegas	BGV
Ether	12,1	hohe Löslichkeit, langsames Anfluten
Chloroform	8,4
Halothan	2,3
Lachgas	0,47
Xenon	0,14	niedrige Löslichkeit, schnelles Anfluten

Die Konzentration hängt laut dem Gesetz von William Henry vom Partialdruck ab.

Die Konzentration an Teilchen in der flüssigen Phase (hier blau dargestellt) hängt vom Partialdruck ab.

Eine Erhöhung des Außendrucks (hier durch Einpressen eines Kolbens dargestellt) führt zu einem höheren Partialdruck der Gasphase und folglich zu einer höheren Konzentration.

Fig. 13 Bilderserie: Konzentration, Partialdruck und das Henry-Gesetz. [₢ Johannes Schneider, ℓ CC BY-SA 4.0]

Mit dem relativ einfachen Henry-Gesetz lässt sich die Dekompressionserkrankung bei Tauchern erklären. Der Umgebungsdruck nimmt um etwa 1 bar pro 10 Meter Wassertiefe zu. Mit zunehmendem Partialdruck löst sich mehr Stickstoff zunächst im Blut, das ihn in die Peripherie transportiert. Dort diffundiert er vorzugsweise in Kompartimente mit hohem Fettanteil. Erfolgt das Auftauchen zu schnell bzw. ohne die evtl. notwendigen Dekompressionspausen, so ist die Rückdiffusion von Stickstoff (Gewebe → Blut → Lunge → Wasser) zu langsam, sodass er ausperlt. Findet dies im Gewebe statt, spricht man von Bends (Gelenkschmerzen), im Lungenkreislauf von Chokes (Atemproblemen) oder bei Blasenbildung in Arterien, die Hirn- oder Rückenmark versorgen, von Staggers (neurologischen Symptomen).

Verdampfer

Ein Verdampfer ist ein Gerät, das eine Flüssigkeit gezielt in die Gasphase überführt. Dazu nutzt er verschiedene Prinzipien, um die Verdampfung zu unterstützen und zu steuern.

• Über ein Ventil wird der Gasfluss reguliert, sodass die Menge des verdampften Stoffes kontrolliert dosiert werden kann.

• Eine vergrößerte Oberfläche (z. B. durch spezielle Strukturen oder Einsätze) erleichtert die Verdampfung, da mehr Flüssigkeit gleichzeitig in Kontakt mit der Umgebungsluft oder Heizfläche steht.

• Durch Erhitzen wird zusätzliche Energie zugeführt, wodurch die Flüssigkeit schneller in die Gasphase übergeht.

Medizinische Bedeutung

In der Medizin werden Verdampfer vor allem in der Anästhesie eingesetzt, um flüchtige Anästhetika (z. B. Sevofluran, Isofluran, Desfluran) kontrolliert zu verdampfen und mit dem Atemgasstrom zu vermischen. Dadurch lässt sich die Konzentration des Narkosemittels präzise einstellen.