Что будет, если дышать углекислым газом?

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.
Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф. Для измерения низких концентраций CO₂ (а также CO) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе.

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа (кривая Килинга). Измерения в обсерватории на горе Мауна-Лоа, Гавайи.

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.

Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) даёт малый вклад в круговорот углекислоты, а полосы суши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан).
Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО₂ в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон.

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290.

В криохирургии используется как одно из основных веществ для криоабляции новообразований.

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях. Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими.

Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространённый метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги. При брожении выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений.

Углекислый газ используется для газирования лимонада, газированной воды и других напитков. Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии (в газобаллонной пневматике) и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31 °С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 20 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31 °С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа, — таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота — «сухой лёд» — используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при их посадке внатяжку) и так далее. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки.

Применение в других сферах деятельности

Человек также использует углекислоту в других областях деятельности и в быту. Доступность диоксида обуславливает его широкую распространенность, а свойства – востребованность даже среди обывателей.

Где еще применяется углекислота:

• При сварке. Защищает металл от нагрева и окисления, обтекая электрическую дугу.
• В сельском хозяйстве. Углекислый газ в купе с солнечным светом – идеальный способ удобрить любые культуры. Распыление газа в парнике или теплице увеличивает урожайность в 2-3 раза;
• В медицине служит для создания атмосферы, близкой к реальной, при проведении искусственных операций на органах. Он применяется как стимулятор для восстановления дыхания пациента и при введении его в наркоз;
• Фармацевтика. Создает идеальную среду для синтеза химии и низкотемпературной транспортировки вод;
• Приборы и оборудование. Охлаждает оборудование и агрегаты без разбора на модули, выступает как абразивный элемент прочистки;
• Защита окружающей среды. Регулирует показатель водорода в стоках;
• Пищевая промышленность. Используется как консервант и разрыхлитель теста. Добавляется в напитки, делая их газированными;
• Для создания давления в пневматическом оружии.

Получаемый в малом количестве от спиртового брожения используется как способ газировки напитков. Он также уберегает муку, сухофрукты, арахис от насекомых, не влияя на качество и скорость их порчи.

Углекислый газ – первоклассная среда для разведения цветов, подкормки овощей и подводных растений. Он ускоряет фотосинтез и улучшает обменные процессы в растительных клетках. Главное – имеет доступную цену даже для обывателей.

Диоксид углерода может применяться и в криодеструкции, в качестве заморозки. Он сжигает холодом поверхность бородавок и родинок, заставляя их отваливаться, но не оставлять шрамов от скальпеля и швов.

Примечания

1. ↑
2. .
3.  (англ.). National Oceanic and Atmospheric Administration. Дата обращения 24 сентября 2013.
4. Chen Zhou, Mark D. Zelinka & Stephen A. Klein.  (англ.). Nature Geoscience. Дата обращения 4 декабря 2019.
5. Егоров А. С. Репетитор по химии — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2009.
6.  (англ.). US EPA. Дата обращения 4 декабря 2019.
7. Charles Henrickson. Chemistry (неопр.). — Cliffs Notes, 2005. — ISBN 0-7645-7419-1.
8. ↑ Пересчитано из значений в мм. рт. ст. с использованием коэффициента пересчёта 0,133322 кПа/мм. рт. ст.
9. ↑
10. ↑  (недоступная ссылка). solarnavigator.net. Дата обращения 12 октября 2007.
11. ↑
12. Большая Энциклопедия Нефти и Газа.
13. . Docs.cntd.ru. — М.: Стандартинформ, 2009.. Дата обращения 4 декабря 2019.
14. Бялко А. В. Растения убыстряют рост // Природа. — 1996. — № 10. (по Keeling C.D., Whorf Т.P., Wahlen M., van der Plicht J. // Nature. 1995. V. 375, № 6533. P.666-670)
15.  (англ.)
16.  (англ.)

Где используется углекислый газ

Углекислый газ находится не только в теле человека и в окружающей атмосфере. Многие промышленные производства активно используют химическое вещество на различных стадиях технологических процессов. Его применяют в качестве:

• стабилизатора;
• катализатора;
• первичного или вторичного сырья.

Двуокись кислорода способствует преобразованию винограда во вкусное терпкое домашнее вино. При брожении сахара, содержащегося в ягодах, выделяется углекислый газ. Он придает напитку игристость, позволяет ощутить лопающиеся пузырьки во рту.На упаковке продуктов питания двуокись углерода скрывается под кодом Е290. Как правило, она используется в качестве консерванта для длительного хранения. При выпечке вкусных кексов или пирогов многие хозяйки добавляют в тесто разрыхлитель. В процессе приготовления образуются пузырьки воздуха, делающие сдобу пышной, мягкой. Это и есть углекислый газ — результат химической реакции между гидрокарбонатом натрия и пищевой кислотой. Любители аквариумных рыбок используют бесцветный газ в качестве активатора роста водных растений, а производители автоматических углекислотных установок помещают его в огнетушители.

Польза углекислого газа

Оздоровляющее действие двуокиси углерода на организм человека широко используется в медицине в терапии различных заболеваний. Так, в последнее время пользуются огромной популярностью сухие углекислые ванны. Процедура заключается в воздействии углекислого газа на тело человека при отсутствии посторонних факторов: давления воды и температуры окружающей среды.

Косметические салоны и лечебные учреждения предлагают клиентам проведение необычных врачебных манипуляций:

Под сложными терминами скрываются газовые уколы или инъекции углекислым газом. Такие процедуры можно отнести как к разновидностям мезотерапии, так и к методикам реабилитации после перенесенных тяжелых заболеваний.

Перед проведением этих процедур следует посетить лечащего врача для консультации и тщательной диагностики. Как и все методики терапии, уколы с углекислым газом имеют противопоказания к применению.

Полезные свойства двуокиси углерода используются в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, артериальной гипертензии. А сухие ванны снижают содержание свободных радикалов в организме, обладают омолаживающим действием. Углекислый газ увеличивает сопротивляемость человека вирусным и бактериальным инфекциям, укрепляет иммунитет, повышает жизненный тонус.

Оксид углерода CO 2 (IV) — углекислый газ

Молекула углекислого газа имеет линейное строение (углерод имеет валентность 4, и степень окисления +4):

Атомы углерода и кислорода связаны ковалентными полярными связями, но сама молекула неполярна.

Углекислый газ (диоксид углерода) также, как и угарный газ, не имеет цвета, запаха, плохо растворим в воде, но, растворяется лучше, чем CO. При низких температурах углекислота переходит в жидкое, а затем в твердое состояние (сухой лед).

Углекислый газ реагирует со следующими веществами:

• при растворении в воде образует угольную кислоту :CO 2 +H 2 O = H 2 CO 3
• с основными оксидами и основаниями CO 2 взаимодействует, как кислотный оксид, образуя соли, которые называются карбонатами:
  Na 2 O+CO 2 = Na 2 CO 3
• при высоких температурах углекислый газ проявляется свойства окислителя — активные металлы могут гореть в среде углекислого газа, отнимая у него кислород:
  CO 2 +C = 2COCO 2 +2Mg = 2MgO+C

Получение и применение углекислого газа

• в промышленности — обжигом известняка:CaCO 3 = CaO+CO 2
• в лаборатории — действием кислоты на соли угольной кислоты:Na 2 CO 3 +2HCl = 2NaCl+H 2 O+CO 2
• в природе углекислый газ выделяется при гниении и горении органических веществ:C+O 2 = CO 2

Углекислый газ нашел широкое применение в пищевой промышленности, в качестве основного компонента газированных напитков. Сухой лед применяется в качестве охладителя. Углекислотные огнетушители применяются при тушении похара, если температура горения не превышает 1000°C.

Характерные особенности углекислого газа

Двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислый газ — газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Вещество в 1, 5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04 %. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления — соединение сразу переходит в твердое состояние, известное как «сухой лед». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для ее транспортировки и длительного хранения.

Углекислый газ не становится преградой для ультрафиолетовых лучей, которые поступают в атмосферу от Солнца. А вот инфракрасное излучение Земли абсорбируется углеродным ангидридом. Это и становится причиной глобального потепления с момента образования огромного количества промышленных производств.

В течение суток организм человека поглощает и метаболизирует около 1 кг двуокиси углерода. Она принимает активное участие в обмене веществ, который происходит в мягких, костных, суставных тканях, а затем попадает в венозное русло. С потоком крови углекислый газ поступает в легкие и покидает организм при каждом выдохе.

Химическое вещество находится в теле человека преимущественно в венозной системе. Капиллярная сеть легочных структур и артериальная кровь содержат небольшую концентрацию углекислого газа. В медицине используется термин «парциальное давление», характеризующий концентрационное соотношение соединения по отношению ко всему объему крови.

Вступление

Из курса биологии (анатомии) школьной программы известно, что наш организм дышит кислородом (O₂). Однако на уроках не рассматривается вопрос о том, какое значение имеет углекислый газ в крови для нашего здоровья? Многие не знают, что CO₂ влияет на здоровье всех органов человека и регулирует биохимические процессы, протекающие в организме.

При изучении дыхания и образования диоксида углерода в теле человека иногда путают углекислый и угарный газы между собой. Угарный газ имеет химическую формулу CO и совершенно другие свойства.

Оксид углерода (CO), это ядовитое вещество, которое при попадании через легкие в кровь даже в минимальном количестве опасно для жизни и здоровья.

Дыхание происходит следующим образом — человек сначала выдыхает углекислоту, а потом вдыхает кислород:

• В результате биохимических процессов при расщеплении жиров и белков в клетках происходит процесс образования углекислого газа в организме человека. Этот газ выделяется из клеток в капилляры, а затем поступает в кровь. При накоплении крови газом нервная система подает сигнал в мозг о выделении излишков двуокиси углерода за пределы нашего тела. Красные кровяные тельца (эритроциты) транспортируют молекулы углекислоты в виде химических соединений бикарбонатов и связанных с гемоглобином к альвеолам легких.
• В альвеолах происходит обмен молекул углекислого газа на молекулы O2, которые распространяются по всему организму. Эритроциты переносят молекулы кислорода к органам и тканям, связывая его с гемоглобином, а взамен опять забирают продукт жизнедеятельности этих клеток – CO₂.

Доказанным фактом считается то, что углекислота, это основатель дыхательных процессов, а не кислород, как считалось ранее. Двуокись углерода является необходимым газом для дыхания человека наравне с O₂.

При выдохе человек выдыхает не только CO₂, из легких уходит также избыточный O₂. Рефлекс дыхания разделяется в 2 этапа:

1. При выдыхании происходит снижение давления в легких, купол диафрагмы поднимается, легкие сжимаются, концентрация CO₂ в крови повышается. Кровь движется по венам и окрашивается темный, почти черный цвет.
2. За выдохом идет вдох. При вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается. Осуществляется отдача от гемоглобина через альвеолы в легкие и выброс в атмосферу диоксида углерода. Там же в альвеолах происходит прием гемоглобином молекулы O₂. Кровь переходит на следующий круг и движется по артериям. Она окрашивается в ярко-розовый цвет.

Нормальный здоровый человек дышит ровно и регулярно. Учащенное дыхание или с задержкой, если это не вызвано большими физическими или психологическими нагрузками, считается сигналом о серьезных заболеваниях организма.

Транспорт кровью и связь с кислородом.

Существует два круга кровообращения в организме: большой артериальный и малый венозный. По большому кругу транспортируется артериальная кровь, насыщенная кислородом. По малому кругу движется венозная кровь, насыщенная CO₂.

Раньше существовало мнение, что с выдохом углекислый газ в организме человека не остается. Однако как показывают исследования, в артериальной крови всегда присутствует определенное количество углекислоты. Концентрация ее небольшая, в пределах 6,0-7,0%, но если она превышает или наоборот, меньше этого количества, то для организма это плохо. Появляется либо переизбыток O₂ в крови (Гипероксия), либо его недостаток (Гипоксемия). Это происходит потому, что обмен этими газами взаимосвязан. Чтобы эритроцит мог поглотить молекулу кислорода и связать ее с гемоглобином, он должен удалить в атмосферу молекулу диоксида углерода.

При физических нагрузках обменные процессы в клетках ускоряются, чтобы вывести большее количество углекислоты, человеку необходимо чаще и глубже дышать. Процесс происходит рефлекторно. В таких случаях опасно находится в помещении с высокой концентрацией CO₂, так как вместе с O₂ человек вдыхает двуокись углерода. Это приводит к повышению ее концентрации в крови, а дальше к приступам удушья. Появляются головокружение, тошнота, вялость, учащается сердцебиение и дыхание (Гиперкапния).

Изучая процессы дыхания и газообмена в организме человека, ученые пришли к выводу, что опасен для здоровья не столько недостаток кислорода, сколько избыток диоксида углерода в воздухе.

Газ CO₂ не является сильнодействующим отравляющим веществом, но так как гемоглобин занятый углекислым газом не принимает кислород, то происходит эффект удушения, вплоть до летального исхода.

Высокая концентрация этого вещества в крови приводит к гибели эритроцитов и воспалению стенок кровеносных сосудов. Так происходит если наличие углекислого газа в воздухе более 3 % в воздухе. При таком уровне человек чувствует себя слабым, его тянет на сон. При концентрации 5% проявляется удушающий эффект, головные боли, головокружение.

Желудочно-кишечный тракт

Углекислый газ в организм попадает не только при дыхании, но и вместе с пищей. Углерод содержится практически во всех органических веществах, наибольшая концентрация содержится в продуктах растительного происхождения. Больше всего его образуется при расщеплении легкоусвояемых углеводов.

В результате пищеварения, пища расщепляется на два компонента: CO₂ и воду. Далее происходит восстановление диоксида углерода до глюкозы. Процесс этот называется гликолиз и происходит он в печени. Глюкоза, это питательный элемент для клеток организма.

Углекислота влияет на химический состав жидкости в теле человека, хотя и не так значительно, но при сильном понижении или превышении может оказывать губительное воздействие. В организме почти все процессы жизнедеятельности клеток происходят при определенном уровне кислотно-щелочного баланса, который скорее близок к нейтральной воде, чем к кислоте. Наличие повышенной концентрации CO₂ в употребляемых продуктах сильно меняет состав жидкости в теле человека. Это также влияет на протекание биохимических процессов. Происходит нарушение обмена веществ, гибель клеток или неправильный процесс их деления, что очень опасно.

Поэтому продукты, содержащие CO₂ в свободном состоянии (газировка) во многих странах запрещены к продаже.

Наибольший вред они наносят организму:

• При любых заболеваниях желудочно-кишечного тракта, в том числе хронических. Так как при приеме в пищу таких продуктов, происходит раздражение слизистой желудка. Они стимулируют выработку ферментов и повышают кислотность желудочного сока, что приводит к обострению имеющихся воспалительных процессов, образованию или углублению язвочек.
• Детям, до трех лет не стоит давать такие продукты, потому что их организм еще не совсем сформировался. Поэтому углекислота может привести к нарушению обмена веществ в организме и в будущем стать причиной высокой хрупкости костей.
• Диоксид углерода может вызвать аллергическую реакцию у человека.
• При наличии лишнего веса нельзя употреблять такие продукты, так как полнота, это следствие нарушения обмена веществ. А употребление продуктов с высоким содержанием CO₂ приведет только к усугублению ситуации.

Во многих западных странах принят закон, в соответствии с которым наличие углекислого газа в продуктах не должно превышать 0,4%. Исключение дается только простой минеральной воде с газом, но только в том случае, если она содержит незначительное количество диоксида углерода. Но и это допустимо только по разрешению или рекомендации врача, особенно при болезнях желудка.

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.
Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф. Для измерения низких концентраций CO₂ (а также CO) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе.

Терапевтические свойства двуокиси углерода

Проникновение углекислого газа в организм вызывает у человека дыхательный рефлекс. Повышение давления химического соединения провоцирует тонкие нервные окончания посылать импульсы к рецепторам головного или (и) спинного мозга. Именно так происходят процессы вдоха и выдоха. Если уровень углекислоты в крови начинает повышаться, то легкие ускоряют его выделение из тела.

Ученые доказали, что значительная продолжительность жизни у людей, проживающих в высокогорье, непосредственно связана с большим содержанием углекислого газа в воздухе. Он повышает иммунитет, нормализует обменные процессы, укрепляет сердечно-сосудистую систему.

В организме человека двуокись углерода является одним из важнейших регуляторов, выступая в качестве основного продукта наравне с молекулярным кислородом. Роль углекислого газа в процессе жизнедеятельности человека сложно переоценить. К основным функциональным особенностям вещества можно отнести следующие:

• обладает способностями вызывать стойкое расширение крупных сосудов и капилляров;
• способно оказывать седативное влияние на центральную нервную системы, провоцируя анестезирующее действие;
• принимает участие в продуцировании важнейших аминокислот;
• возбуждает дыхательный центр при увеличении концентрации в кровяном русле.

Если в организме ощущается острый дефицит углекислого газа, то все системы мобилизуются и повышают свою функциональную активность. Все процессы в организме направлены на восполнение запасов двуокиси углерода в тканях и кровяном русле:

• сосуды сужаются, развивается бронхоспазм гладкой мускулатуры верхних и нижних дыхательных путей, а также кровеносных сосудов;
• бронхи, бронхиолы, структурные отделы легких секретируют повышенной количество слизи;
• снижается проницаемость крупных и мелких кровеносных сосудов, капилляров;
• на клеточных мембранах начинает откладываться холестерин, что вызывает их уплотнение и тканевой склероз.

Совокупность всех этих патологических факторов в сочетании с малым поступлением молекулярного кислорода приводит к гипоксии тканей и снижению скорости течения крови в венах. Особенно остро ощущается кислородное голодание в клетках головного мозга, они начинают разрушаться. Нарушается регуляция всех систем жизнедеятельности: отекают мозг и легкие, снижается ритм сердечных сокращений. При отсутствии врачебного вмешательства человек может умереть.

Заключение

Очень жаль, что система образования в наших странах не уделяет столь важного внимания для пересмотра учебников в школах и институтах. Полученные знания об углекислоте необходимо доводить со школьной скамьи до учащихся образовательных учреждений

Знания многих процессов, протекающих в организме с участием диоксида углерода, могли бы научить нас правильному питанию и ведению здорового образа жизни. Продление жизни нашего организма тесно связано с наличием углекислого газа в нем, поэтому применяя на практике полученные знания, мы бы могли обеспечить себе здоровую и долгую жизнь.