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Petizione OCEAN4FUTURE

Titolo : Impariamo a ridurre le plastiche in mare

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Gli effetti dei gas in soluzione nei tessuti di un subacqueo di Luca Cicali

livello medio
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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: NA
AREA: DIDATTICA
parole chiave: gas, immersione

 

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La verità non si trova mediante prove, ma mediante esplorazione. Essa è sempre sperimentale. Simone Weil

Meccanismo di diffusione dei gas nel nostro corpo
Eravamo rimasti alle leggi fondamentali dei gas. Vediamo ora il meccanismo con il quale miscele gassose, composte ad esempio da ossigeno, azoto e anidride carbonica, si diffondono nel nostro corpo. E’ un argomento un poco complesso da capire ma è fondamentale per arrivare a comprendere il perché abbiamo bisogno della decompressione. Riassumiamo quanto ci siamo detti in precedenza con questa figura.

membrana alveolare. Meccanismo attraverso il quale miscele gassose (es. O2, N2, CO2) diffondono nei liquidi del corpo umano attraverso membrane permeabili ai gas. membrana capillare. Legge di Henry: a temperatura costante, la quantità di gas disciolta in un liquido è proporzionale alla pressione parziale del gas sul liquido. gas. s (0 oC) (cm3/atm) s (40 oC) O2. 4,9. 2,3. N2. 2,4. 1,2. CO V = volume di gas (NTP) disciolto in 100 ml; p = pressione parziale del gas; s = coefficiente di solubilità.

Le miscele gassose (es. O2, N2, CO2) si diffondono nei tessuti del corpo umano attraverso le membrane permeabili ai gas seguendo la Legge di Henry. Come abbiamo visto, essa afferma che, a temperatura costante, la quantità di gas disciolta in un liquido è proporzionale alla pressione parziale del gas sul liquido.


Un pò di azoto in una tazzina d’acqua e agitare bene

Gas messi a contatto con liquidi si sciolgono all’interno di essi, un concetto che a prima vista può sembrare un po’ strambo.  Siamo infatti abituati a veder sciogliere solidi nei liquidi, ad esempio lo zucchero nel caffè.   Invece è proprio ciò che accade normalmente nel nostro organismo: in pratica i tessuti del corpo umano si comportano, ai fini dell’assorbimento dei gas, praticamente come dei liquidi. 

Solubilità dei gas. Il disordine del gas è minore quando il gas è disciolto in un liquido. Quindi il contributo entropico alla solubilizzazione del gas è NEGATIVO. La solubilità di un gas è MAGGIORE a Temperatura MINORE. La solubilità di un gas è MAGGIORE all’aumentare della polarizzabilità. Tanto piu’ un gas è ideale tanto meno è solubile. Domanda: piu’ solubile He o Rn? CO2 o O2 ? NH3!

Solubilità dei gas. Il disordine del gas è minore quando il gas è disciolto in un liquido. Quindi il contributo entropico alla solubilizzazione del gas è NEGATIVO. La solubilità di un gas è MAGGIORE a temperatura MINORE. 

La soluzione
Iniziamo cercando di definire cos’è una soluzione: essa è costituita dall’unione di un soluto, ovvero ciò che si scioglie, e un solvente ovvero ciò che fa sciogliere il soluto.
La massima concentrazione che un soluto può assumere in un solvente, ad una certa pressione e temperatura, si chiama solubilità. L’esperienza pratica aiuta a capire il concetto: se sciogliamo zucchero in un bicchiere d’acqua sappiamo che, dopo una certa quantità, ulteriori aggiunte di zucchero si sciolgono con sempre maggiore difficoltà, fino a quando lo zucchero in eccesso si ammassa sul fondo del bicchiere senza sciogliersi più.   Questo significa che la soluzione acquosa di zucchero, è satura, ovvero lo zucchero è disciolto nell’acqua con una concentrazione pari alla sua solubilità. Come sappiamo, fortunatamente per noi subacquei, i gas sono generalmente poco solubili nei liquidi e la loro solubilità dipende, principalmente, dalla temperatura e dalla pressione del gas a contatto con il liquido. fattori fondamentali per pianificare con sicurezza le nostre immersioni.

Il gas che si fa largo a spintoni
Quando respiriamo, i gas atmosferici giungono ad intimo contatto con il sangue in apposite strutture specializzate dei polmoni, chiamate alveoli polmonari, tramite i quali entrano in soluzione nel sangue per ossigenarlo e rimuovere da esso l’anidride carbonica.

scambi-gassosiMa naturalmente anche tutti gli altri gas componenti dell’aria come azoto, gas nobili, e l’anidride carbonica giungono a tutti i tessuti dell’organismo.   Pertanto, appena inizia una immersione, quantità aggiuntive di inerte entrano in soluzione nei tessuti secondo dinamiche complesse. La rimozione di tali gas durante la fase di ritorno alla pressione atmosferica non può avvenire in qualunque modo, come ben noto: la desaturazione deve essere graduale, in modo che siano rispettati alcuni precisi rapporti tra pressione ambiente e quantità di azoto disciolto.

La legge di Henry stabilisce  che la solubilità di un gas (S) in un liquido è proporzionale  alla pressione parziale (P) di quel gas con un rapporto  S = C x P secondo un fattore C  che viene detto coefficiente di assorbimento

Quindi, maggiore è la pressione del gas e maggiore è la sua solubilità, ovvero la sua concentrazione finale alla saturazione, secondo un fattore C, detto coefficiente di assorbimento.   Una maggiore pressione del gas comporta infatti un maggior numero di impatti delle sue molecole contro la superficie del liquido, parte delle quali vi restano intrappolate passando in soluzione.

tabellaassorbimento gas Il coefficiente di assorbimento che compare nella legge di Henry diminuisce all’aumentare della temperatura, quindi a temperature più basse i gas tendono a passare più facilmente in soluzione.

NB: Per questo motivo immersioni in acque fredde aumentano il rischio della malattia da decompressione.

In condizioni normali ed a pressione atmosferica (1 Atm), nei tessuti dell’organismo umano abbiamo circa un litro di azoto disciolto (N2).   Applicando la legge di Henry ricaviamo proprio questo valore per l’azoto disciolto nei tessuti organici alla pressione parziale di 0,78 bar, e alla temperatura di circa 35° centigradi ad 1 atmosfera (ovvero in superficie).

Tensione di un gas in soluzione
Il problema per noi subacquei sta nelle particolari  modalità con le quali varia nel tempo la concentrazione del  gas disciolto nei tessuti al variare della pressione del gas respirato.

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come possiamo vedere nei diagrammi la solubilità aumenta alle basse temperature, anche se in maniera differenziata, per tutti i gas

Per capire meglio occorre quindi condurre una piccola indagine, come degli apprendisti detective, fra differenti molecole di gas, concentrazioni e pressioni parziali, fino a definire la tensione di un gas in un tessuto. Non spaventatevi ci arriveremo piano piano.

Abbiamo visto che se un liquido (ad esempio  il sangue) o un tessuto organico (come i muscoli o le ossa), inizialmente privi di gas disciolto,  vengono messi di colpo a contatto con un gas (come l’aria compressa) ad una certa pressione P, inizia a generarsi un flusso di molecole di gas che si sciolgono al suo interno.  Nello stesso tempo avremo un ritorno delle molecole di gas disciolto dai tessuti e dai liquidi al gas.

blue night sphere

Di fatto, la concentrazione del gas disciolto inizia ad aumentare, generando a sua volta  il flusso inverso e crescente di molecole che dal liquido riescono casualmente a fuoriuscire tornando al gas. L’equilibrio viene raggiunto quando la concentrazione di gas disciolto diviene pari alla solubilità e non può più aumentare, e i due flussi di molecole in entrata e uscita si equivalgono. 

La concentrazione del gas disciolto agisce quindi come una sorta di pressione interna del gas che si oppone a quella del gas premente sul liquido, e che contrasta l’ulteriore passaggio di gas in soluzione, rendendolo sempre più lento. Questa “pressione equivalente” è chiamata tensione del gas disciolto nel liquido, (solitamente indicata con T), e non è ovviamente misurabile con un manometro, perché non è una reale pressione, pur adottando le sue unità di misura.

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Tensione di un gas in un liquido/tessuto, (dal libro “Oltre la Curva – Luca Cicali”)

In sintesi, la saturazione è quindi la situazione in cui la tensione  eguaglia la pressione del gas in ingresso, ovvero quando il gas disciolto ha raggiunto la concentrazione massima prevista dalla legge di Henry per determinate temperature e pressioni. Nel nostro ambiente abituale noi siamo saturi del gas (aria) che respiriamo, ovvero tutti i tessuti del nostro corpo (liquidi e solidi) contengono il massimo quantitativo possibile delle molecole di quel gas. Essendo l’aria composta principalmente da ossigeno ed azoto si verificano due situazioni.

L’ossigeno viene in parte consumato nei processi respiratori per cui ne entra sempre più (21%) di quanto ne esce (16%), mentre l’azoto, che chiamiamo gas inerte,  non venendo utilizzato dai nostri sistemi biologici, resta invariato (tanto ne entra 78% quanto ne esce 78%). Quando ci immergiamo la pressione aumenta (1 atmosfera ogni 10 metri) ed inizierà un movimento di gas dall’esterno verso l’interno  fino a raggiungere un nuovo equilibrio che chiamiamo saturazione. Sono questi accumuli che ci creano problemi … ma non vi preoccupate nei prossimi articoli vedremo come risolvere il problema.

Luca Cicali

per maggiori approfondimenti, si consiglia la lettura di questo libro di Luca Cicali 

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