分圧

大気圧は、酸素、窒素、アルゴン、水蒸気、二酸化炭素などの構成ガスの分圧の合計にほぼ等しくなります。

気体混合物では、各構成気体の分圧は、その構成気体が単独で同じ温度で元の混合物の全体積を占めているかのようにみなされるその構成気体の概念的な圧力である。^{[ 1 ]}理想気体混合物の全圧力は、混合物中の気体の分圧の合計である（ドルトンの法則）。

呼吸生理学では、液体に溶解したガス（動脈血中の酸素など）の分圧は、そのガスが気相では溶解していないが液体と平衡状態にあるときの分圧としても定義されます。^{[ 2 ] [ 3 ]}この概念は血液ガス張力としても知られています。この意味で、気体液体の拡散は分圧（濃度ではなく）の差によって引き起こされると言われています。化学と熱力学では、この概念は非理想気体に一般化され、代わりにフガシティと呼ばれています。ガスの分圧はその熱力学的活性の尺度です。ガスは、ガス混合物中の濃度や溶液中の溶質としてではなく、分圧に応じて溶解、拡散、反応します。^{[ 4 ]}このガスの一般的な特性は、生物学におけるガスの化学反応にも当てはまります。

シンボル

圧力を表す記号は通常pまたはppで、下付き文字で圧力を表す場合もあります。また、ガス種も下付き文字で表されます。これらの下付き文字を組み合わせる場合、再帰的に適用されます。^{[ 5 ] [ 6 ]}

例:

• ${\displaystyle P_{1}}$ または= 時刻1における圧力${\displaystyle p_{1}}$
• ${\displaystyle P_{{\ce {H2}}}}$ または= 水素の分圧${\displaystyle p_{{\ce {H2}}}}$
• ${\displaystyle P_{a_{{\ce {O2}}}}}$ またはP _a O 2 ₌動脈血酸素分圧${\displaystyle p_{a_{{\ce {O2}}}}}$
• ${\displaystyle P_{v_{{\ce {O2}}}}}$ またはP _v O 2 ₌静脈血酸素分圧${\displaystyle p_{v_{{\ce {O2}}}}}$

ドルトンの分圧の法則

ドルトンの法則の概念を示す図。

ドルトンの法則は、理想気体の混合物の全圧は、混合物中の個々の気体の分圧の合計に等しいという事実を表しています。^{[ 7 ]}この等式は、理想気体では分子が互いに相互作用しないほど離れているという事実から生じます。現実世界のほとんどの気体は、この理想状態に非常に近いです。例えば、窒素（N2 _）、水素（H2 _）、 アンモニア（NH3 _）の理想気体混合物を考えてみましょう。

$${\displaystyle p=p_{{\ce {N2}}}+p_{{\ce {H2}}}+p_{{\ce {NH3}}}}$$ どこ：

• ${\displaystyle p}$ = ガス混合物の全圧力
• ${\displaystyle p_{{\ce {N2}}}}$ = 窒素分圧（N ₂）
• ${\displaystyle p_{{\ce {H2}}}}$ _{= 水素（H 2}）の分圧
• ${\displaystyle p_{{\ce {NH3}}}}$ _{= アンモニア（NH 3}）の分圧

理想気体混合物

理想的には、分圧比は分子数の比と等しくなります。つまり、理想気体混合物中の個々の気体成分のモル分率は、 その成分の分圧または成分の モル数で表すことができます。${\displaystyle x_{\mathrm {i} }}$ $${\displaystyle x_{\mathrm {i} }={\frac {p_{\mathrm {i} }}{p}}={\frac {n_{\mathrm {i} }}{n}}}$$

理想気体中の個々のガス成分の分圧は次の式で求めることができます。 $${\displaystyle p_{\mathrm {i} }=x_{\mathrm {i} }\cdot p}$$

どこ：
${\displaystyle x_{\mathrm {i} }}$	= ガス混合物中の個々のガス成分のモル分率
${\displaystyle p_{\mathrm {i} }}$	= ガス混合物中の個々のガス成分の部分圧
${\displaystyle n_{\mathrm {i} }}$	= ガス混合物中の個々のガス成分のモル数
${\displaystyle n}$	= 混合ガスの総モル数
${\displaystyle p}$	= ガス混合物の全圧力

ガス混合物中のガス成分のモル分率は、ガス混合物中のその成分の体積分率に等しい。^{[ 8 ]}

分圧比は次の等温線関係に依存します。 $${\displaystyle {\frac {V_{\rm {X}}}{V_{\rm {tot}}}}={\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}={\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}}$$

• V _Xは個々のガス成分の部分体積（X）である。
• V _totはガス混合物の総体積である。
• p _XはガスXの分圧である。
• p _totはガス混合物の全圧力である。
• n _Xはガス（X）の物質量である。
• n _totはガス混合物中の物質の総量である。

部分体積（アマガットの加法体積の法則）

混合物中の特定のガスの部分体積とは、混合ガスの1つの成分の体積です。空気などの混合ガスにおいて、酸素などの特定のガス成分に焦点を当てるのに役立ちます。

これは分圧とモル分率の両方から近似できる：^{[ 9 ]}$${\displaystyle V_{\rm {X}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {p_{\rm {X}}}{p_{\rm {tot}}}}=V_{\rm {tot}}\times {\frac {n_{\rm {X}}}{n_{\rm {tot}}}}$$

• V _Xは混合物中の個々のガス成分Xの部分体積である。
• V _totはガス混合物の総体積である。
• p _XはガスXの分圧である。
• p _totはガス混合物の全圧力である。
• n _XはガスXの物質量である
• n _totはガス混合物中の物質の総量である。

蒸気圧

様々な液体のlog-lin蒸気圧チャート

蒸気圧とは、蒸気以外の相（液体または固体）と平衡状態にある蒸気の圧力です。この用語は、液体の蒸発する性質を表すために最もよく用いられます。これは、分子や原子が液体または固体から逃げようとする性質の尺度です。液体の大気圧沸点は、その蒸気圧が周囲の大気圧と等しくなる温度に相当し、しばしば標準沸点と呼ばれます。

特定の温度における液体の蒸気圧が高いほど、その液体の標準沸点は低くなります。

表示されている蒸気圧チャートには、様々な液体の蒸気圧と温度の関係を示すグラフがあります。^{[ 10 ]}チャートからわかるように、蒸気圧が最も高い液体は標準沸点が最も低くなります。

例えば、任意の温度において、塩化メチルはグラフ中の液体の中で最も高い蒸気圧を持ちます。また、標準沸点（-24.2 °C）も最も低く、これは塩化メチルの蒸気圧曲線（青線）が絶対蒸気圧1気圧の水平圧力線と交差する点です。標高が高いほど、大気圧は海面よりも低くなるため、液体の沸点は低下します。エベレスト山頂の大気圧は約0.333 atmであるため、このグラフを用いると、ジエチルエーテルの沸点は海面（1 atm）の34.6 °Cに対して約7.5 °Cとなります。

気体混合物の反応の平衡定数

混合気体を含む化学反応の 平衡定数は、各気体の分圧と全体の反応式が与えられれば計算可能です。例えば、次のような気体反応物と気体生成物を含む可逆反応の場合、$${\displaystyle {\ce {{{\mathit {a}}A}+{{\mathit {b}}B}} <=>{{\mathit {c}}C}+{{\mathit {d}}D}}}$$

反応の平衡定数は次のようになります。 $${\displaystyle K_{\mathrm {p} }={\frac {p_{C}^{c}\,p_{D}^{d}}{p_{A}^{a}\,p_{B}^{b}}}}$$

どこ：
${\displaystyle K_{p}}$	= 反応の平衡定数
${\displaystyle a}$	= 反応物の係数${\displaystyle A}$
${\displaystyle b}$	= 反応物の係数${\displaystyle B}$
${\displaystyle c}$	= 積の係数${\displaystyle C}$
${\displaystyle d}$	= 積の係数${\displaystyle D}$
${\displaystyle p_{C}^{c}}$	= 分圧の累乗${\displaystyle C}$ ${\displaystyle c}$
${\displaystyle p_{D}^{d}}$	= 分圧の累乗${\displaystyle D}$ ${\displaystyle d}$
${\displaystyle p_{A}^{a}}$	= 分圧の累乗${\displaystyle A}$ ${\displaystyle a}$
${\displaystyle p_{B}^{b}}$	= 分圧の累乗${\displaystyle B}$ ${\displaystyle b}$

可逆反応では、全圧、温度、または反応物濃度の変化により、ルシャトリエの原理に従って、反応の右側または左側のいずれかに有利になるように平衡がシフトします。しかし、反応速度論は平衡シフトを阻害することも促進することもできます。場合によっては、反応速度論が考慮すべき最も重要な要因となることがあります。

ヘンリーの法則と気体の溶解度

気体は液体に溶解しますが、その溶解量は溶解していない気体と液体に溶解した気体（溶媒と呼ばれる）との間の平衡によって決まります。^{[ 11 ]}この平衡の平衡定数は：

$${\displaystyle k={\frac {p_{x}}{C_{x}}}}$$

1

どこ：

• ${\displaystyle k}$ =溶媒和過程の平衡定数
• ${\displaystyle p_{x}}$ =ガスの一部を含む溶液と平衡状態にあるガスの分圧${\displaystyle x}$
• ${\displaystyle C_{x}}$ =液体溶液中のガスの濃度${\displaystyle x}$

平衡定数の形は、溶液中の溶質ガスの濃度が、溶液より上のそのガスの分圧に正比例することを示しています。この式はヘンリーの法則として知られており、平衡定数はしばしばヘンリーの法則定数と呼ばれます。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}${\displaystyle k}$

ヘンリーの法則は次のように書かれることもある: ^{[ 14 ]}

$${\displaystyle k'={\frac {C_{x}}{p_{x}}}}$$

2

ここで、はヘンリーの法則定数とも呼ばれます。^{[ 14 ]}上記の式( 1 )と式( 2 )を比較するとわかるように、はの逆数です。どちらもヘンリーの法則定数と呼ばれることがあるため、技術文献を読む際には、ヘンリーの法則のどのバージョンが使用されているかを注意深く確認する必要があります。 ${\displaystyle k'}$ ${\displaystyle k'}$ ${\displaystyle k}$

ヘンリーの法則は、希薄な理想溶液と、液体溶媒が溶解しているガスと 化学的に反応しない溶液にのみ適用される近似値です。

潜水呼吸ガス

水中潜水においては、呼吸ガスを構成する個々のガスの生理学的影響は分圧の関数となる。^{[ 15 ]}

ダイビング用語を使用すると、分圧は次のように計算されます。

分圧 = (絶対圧) × (ガス成分の体積分率) ^{[ 15 ]}

成分ガス「i」の場合：

p _i = P × F _i ^{[ 15 ]}

たとえば、水深 50 メートル (164 フィート) では、絶対圧力の合計は 6 bar (600 kPa) (つまり、大気圧1 bar + 水圧 5 bar)となり、空気の主成分である酸素(体積比 21% ) と窒素(体積比約 79%) の分圧は次のようになります。

pN ₂ = 6 bar × 0.79 = 4.7 bar絶対

pO ₂ = 6 bar × 0.21 = 1.3 bar絶対

どこ：
円周率	= ガス成分iの部分圧 =この記事で使用されている用語 ${\displaystyle P_{\mathrm {i} }}$
P	= 全圧 =この記事で使用されている用語 ${\displaystyle P}$
F i	= ガス成分の体積分率 i = モル分率、この記事で使用されている用語では ${\displaystyle x_{\mathrm {i} }}$
pN 2	= 窒素分圧 =この記事で使用されている用語 ${\displaystyle P_{\mathrm {N_{2}} }}$
pO 2	= 酸素分圧 =この記事で使用されている用語 ${\displaystyle P_{\mathrm {O_{2}} }}$

潜水用呼吸ガス混合物中の酸素分圧の安全下限値は絶対値で0.16バール（16 kPa）である。酸素分圧が0.16バール未満では、低酸素症や突然の意識喪失が問題となる可能性がある。^{[ 16 ]} 酸素分圧が高すぎると、けいれんを伴う酸素毒性が問題となる。NOAAダイビングマニュアルでは、1回の曝露の最大時間を、絶対値で1.6バールで45分、絶対値で1.5バールで120分、絶対値で1.4バールで150分、絶対値で1.3バールで180分、絶対値で1.2バールで210分と推奨している。これらの酸素分圧および曝露時間を超過すると、酸素毒性のリスクが生じる。酸素分圧は、混合ガスの最大作動深度も決定する。 ^{[ 15 ]}

高圧ガスを吸入すると、麻酔状態になることがあります。通常、テクニカルダイビングの計画時に使用される麻酔ガスの最大分圧は、麻酔深度35メートル（115フィート） を基準として、絶対圧で約4.5バール程度です。

呼吸ガス中の一酸化炭素などの有毒汚染物質の影響は、呼吸時の分圧にも関連しています。水面では比較的安全な混合物であっても、潜水の最大深度では危険なほど有毒になる可能性があります。また、潜水用リブリーザーの呼吸ループ内の二酸化炭素濃度は許容範囲内であっても、潜降中に分圧が急激に上昇すると数秒以内に耐えられなくなり、ダイバーのパニックや行動不能につながる可能性があります。^{[ 15 ]}

医学では

特に酸素（ ）と二酸化炭素（ ）の分圧は動脈血ガスの検査において重要なパラメータですが、例えば脳脊髄液でも測定できます。 ${\displaystyle p_{\mathrm {O_{2}} }}$ ${\displaystyle p_{\mathrm {CO_{2}} }}$

およびの基準範囲${\displaystyle p_{\mathrm {O_{2}} }}$ ${\displaystyle p_{\mathrm {CO_{2}} }}$

	ユニット	動脈血ガス	静脈血ガス	脳脊髄液	肺胞ガス圧
${\displaystyle p_{\mathrm {O_{2}} }}$	kPa	11～13 [ 17 ]	4.0～5.3 [ 17 ]	5.3–5.9 [ 17 ]	14.2
	mmHg	75～100 [ 18 ]	30～40 [ 19 ]	40～44 [ 20 ]	107
${\displaystyle p_{\mathrm {CO_{2}} }}$	kPa	4.7～6.0 [ 17 ]	5.5～6.8 [ 17 ]	5.9～6.7 [ 17 ]	4.8
	mmHg	35～45 [ 18 ]	41～51 [ 19 ]	44～50 [ 20 ]	36

参照

• 血液ガス圧 – 血液ガスの分圧
• 呼吸ガス – 人間の呼吸に使用されるガス
• ヘンリーの法則 – 溶存ガスの比例に関する気体の法則
• 理想気体 – 実在気体の挙動を近似する数学モデル
  • 理想気体の法則 – 仮想的な理想気体の状態方程式
• モル分率 – 混合物中の成分の割合
  • モル（単位）  – 物質量のSI単位
• 蒸気 – 臨界点よりも低い温度で気相状態にある物質

参考文献

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11. ヘンリーの法則定数の広範なリストと変換ツール
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17. 0.133322 kPa/mmHgを使用してmmHg値から導出
18. 正常基準範囲表（ 2011年12月25日アーカイブ、テキサス大学ダラス校サウスウェスタン医療センター所蔵）。インタラクティブケーススタディコンパニオン「疾患の病理学的根拠」で使用。
19. ブルックサイド・アソシエイツ医療教育部門--> ABG（動脈血ガス） 2009年12月6日閲覧
20. 病理学 425 脳脊髄液 [CSF] 2012年2月22日アーカイブ、ブリティッシュコロンビア大学病理学・臨床検査医学部のWayback Machineより。GP Bondy著。2011年11月閲覧。