Оксид углерода(II) как загрязнитель атмосферы. Экологические ловушки

Оксид углерода(II) как загрязнитель атмосферы. Экологические ловушки Углерод образует два оксида: СО – монооксид, и СО2 – диоксид. Их тривиальные на-звания – соответственно угарный газ и углекислый газ. Оба газа входят в природный состав атмосферы. До 80% присутствующего в атмосфере монооксида углерода образуется естественным путями, главным из которых является окислением метана молекулярным кислородом: 2СН4 + 3О2 = 2СО + 4Н2О. Реакция идет медленно, но ускоряется на свету за счет образования радикального кислорода: О2 + ћ∙ⱱ, = 2О·. Далее атомарный кислород окисляет метан: СН4 + 3О· = СО + 2Н2О. По суммарной массе среди загрязнителей-газов антропогенного происхождения оксид углерода занимает второе место (после углекислого газа). В настоящее время в тро-посфере содержится около 5,2 · 1011 кг СО. Основные техногенные источники оксида углерода(II) – выбросы теплоэлектростанций и автотранспорта. Доля СО них составляет от 20 до 30%, поэтому содержание оксида угле-рода в атмосфере неуклонно растет, хотя и очень малыми темпами. Существуют природные процессы, приводящие к поддержанию баланса оксида углерода. По оценкам ученых, среднее время пребывания СО в атмосфере составляет около 6 месяцев. Оксид углерода окисляется молекулярным кислородом по реакции: 2СО + О2 = 2СО2, но очень медленно. Процесс ускоряется на свету за счет образую-щегося в результате фотодиссоциации О2 атомарного кислорода: СО + О· = СО2. Кроме окисления, существуют другие пути уменьшения СО в атмосфере – поглощение почвенными бактериями и растворение в морской воде. В пресной воде оксид углерода очень мало растворим, однако в морских водах, где присутствует большое количество (хотя и в малой концентрации) ионов металлов-комплексообразователей, и СО в их присутствии проявляет свойства лиганда, образуя прочные комплексные соединения. Помимо того, существует процесс диффузии оксида углерода в стратосферу. где он окисляется реакционноспособными молекулами озона: 2СО + О3 = 2СО2 + О2, и радикальными соединениями. Чаще всего в реакции участвуют гидроксорадикалы НО· и пероксигидроксорадикалы НОО·: СО + НО· = СО2 + Н· СО + НОО· = СО2 + ОН·. В молекуле СО углерод и кислород связаны прочной двойной связью с очень малой сте-пенью полярности, поэтому оксид углерода(II) характеризуется низкой реакционной спо-собностью, поэтому можно предположить, что из-за химической инертности СО неопасен для человека и животных. На самом деле это не так. Оксид углерода обладает очень не-приятным свойством – он способен, за счет образования комплексной связи с присут-ствующим в молекуле гемоглобина крови катионом железа, быстро связываться с гемо-глобином, вытесняя кислород и становясь на его место. Для удобства описания этого процесса формулу гемоглобина принято обозначать символом Hb. Гемоглобин – это специфический белок крови, транспортирующий по организму кислород. Форма молекулы Hb – незамкнутая спираль из цепочки атомов углерода, соединенных с водородом либо какой-то функциональной группой. В спирали имеются 6 аминогрупп, каждая из которых соединена с находящимся в центре молекулы катионом железа. Железо – очень хороший комплексообразователь, т.е. оно может образовывать очень прочные связи с частицами (молекулами, ионами), имеющими явный (в виде отри-цательного заряда в ионе) или скрытый (в молекуле) избыток электронов. Как в молеку-лярном кислороде, так и оксиде углерода, в образовании двойной связи участвуют по два электрона от каждого атома, остальные остаются свободными (несвязанными). Эти сво-бодные электроны оттягиваются у молекулы кислорода или оксида углерода катионом железа, имеющих свободные места на d-подуровне электронной оболочки железа, и в результате образуется очень прочная донорно-акцепторная связь. Когда кислород в со-ставе воздуха попадает в кровь, он срезу же образует комплексное соединение с гемо-глобином – оксигемоглобин: Hb + О2 ↔ HbО2. Процесс образования комплекса, как и любая химическая реакция, является равновесным. В избытке кислорода равновесие сдвинуто вправо, т.к. процесс идет самопроизвольно, поскольку энергетически выгоден. Когда гемоглобин попадает в клетку ткани любого органа, комплекс распадается, т.к. кислород нужен для окисления какого-либо органического питательного вещества (углевода, жирной кислоты, белка). Окисление сопровождается выделением большого количества энергии, сверх достаточного для разрыва связи Hb-О2. Оксигемоглобин распадается, и образуется новое соединение – с молекулой диоксида углерода (продуктом окисления пищи). Далее, с обратным потоком крови, это соединение попадает в легкие, там про-исходит его распад и удаление диоксида углерода с выдохом. Многочисленные исследования показали, что способность к комплексообразованию у оксида углерода(II) в 210 раз выше, чем у молекулярного кислорода. По этой причине, когда в легкие попадает СО, он очень быстро замещает кислород в оксигемоглобине, образуя карбоксигемоглобин HbСО. Процесс может быть в упрощенном виде изображен таким образом: HbО2 + СО ↔ HbСО + О2. Константа равновесия этой реакции Кравн. = [HbСО]·[О2] / [СО]·[HbО2] = 210. Это означает, что устойчивость карбоксигемоглобина в 210 раз выше, чем оксигемо-глобина. Гемоглобин является белком-тетрамером, т.е. имеет четыре реакционноспособные группы, поэтому может присоединять 4 молекулы кислорода или, соответственно, оксида углерода. Даже небольшое количество угарного газа в воздухе способно вывести из ра-бочего состояния значительную часть гемоглобина крови, вследствие этого организм не получает достаточно кислорода. Например, человек, который дышит воздухом, содер-жащим всего 0,1%, в течение 4-х часов, поглощает его столько, что более 60% кислорода может замениться на СО. Этот процесс сопровождается «тупой» головной болью из-за гипоксии (низкого содержания кислорода в крови), понижением эффективности мысли-тельной способности, потерей «чувства времени». Монооксид углерода – бесцветный газ, не обладает специфическим запахом, и его чрезвычайно трудно обнаружить в воздухе без специальных средств, при помощи органов чувств. Первые заметные симптомы отрав-ления (головная боль) у человека, находящегося в помещении, где концентрация угарного газа составляет 200 – 220 мг/м3, появляются примерно через два часа. Указанное значение концентрации отвечает соотношению количеств СО и О2, равному 1 : 12000. Для справки: ПДКр.з. для СО = 5 мг/м3. Недостаток кислорода заставляет более интенсивно работать сердце, поэтому загрязнение воздуха оксидом углерода способствует развитию болезней сердца, что нередко наблю-дается у курильщиков и тех, кто постоянно работает в загрязненном СО воздухе. Маленькие дети, проживающие в квартире, где регулярно курят, гораздо чаще болеют респираторными заболеваниями. Высокие локальные концентрации монооксида углерода могут формироваться при пожаре в помещении при недостаточной и отсутствующей вентиляции, особенно в случае, если горению подвергаются изделия из пластмасс, синтетических волокон и других синтети-ческих материалов. Другой пример интенсивного загрязнения воздуха оксидом углеро-да(II) – следствие массовых выбросов угарного газа автомобилями в условиях замедлен-ного движения автотранспорта (пробки на дорогах). В таких условиях поступление кислорода, необходимого для сжигания топлива, затруднено, и основным продуктом го-рения является оксид, а не диоксид углерода. Создается своеобразная экологическая ло-вушка –ситуация, в которой человек не осознает опасности за счет понижения скорости мышления. Последнее проявляется в снижении скорости реакции (торможении) на меняю-щуюся ситуацию. Как следствие – появление аварийных ситуаций в условиях низкого скоростного режима движения автомобильного потока. Первая помощь при отравлении угарны газом – дать пострадавшему доступ к чистому воздуху для более интенсивного насыщения крови кислородом. Наилучших результатов в борьбе с симптомами и последствиями отравления оксидом углерода можно достичь, если пострадавшему дать подышать специальной смесью кислорода и углекислого газа, где по-следний содержится в концентрации 3 – 5%. Такую смесь называют карбогеном. Повышенное парциальной давление этих газов в смеси позволяет вытеснить угарный газ из гемоглобина и, окислив до диоксида углерода, вывести из организма. Процесс происхо-дит за счет смещения равновесия реакции 2СО + О2 ↔ 2СО2. вправо, поскольку диок-сид энергетически более устойчив, чем оксид. Оксид углерода является составной частью смеси газов, образующих фотохимический смог. О нем – в следующей лекции.