Монооксид углерода

Монооксид углерода (угарный газ, оксид углерода(II), химическая формула CO) — это химическое соединение, молекула которого состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, соединённых тройной связью. При нормальных условиях представляет собой бесцветный, не имеющий запаха и вкуса газ, который легче воздуха. Является одним из наиболее распространённых и опасных токсичных газов, образующихся при неполном сгорании углеродсодержащих веществ (древесины, угля, нефтепродуктов, природного газа). Относится к классу неорганических соединений и является важным промышленным сырьём, а также сильнодействующим ядом, вызывающим острую и хроническую интоксикацию.

Физические и химические свойства

Физические характеристики

Монооксид углерода — газ без цвета, вкуса и запаха, что делает его особенно опасным для человека, так как он не обнаруживается органами чувств. Плотность газа при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) составляет 1,250 кг/м³, что несколько меньше плотности воздуха (1,293 кг/м³). Температура кипения — −191,5 °C, температура плавления — −205 °C. В воде растворяется плохо (около 2,3 мл на 100 мл воды при 20 °C), но хорошо растворяется в органических растворителях (этанол, ацетон, бензол). Критическая температура — −140,2 °C, критическое давление — 3,5 МПа.

Химические свойства

Молекула CO характеризуется высокой прочностью тройной связи (энергия связи около 1070 кДж/моль), что обусловливает её относительную химическую инертность при комнатной температуре. Однако при повышенных температурах и в присутствии катализаторов CO проявляет восстановительные свойства и вступает в реакции:

Горение: CO горит на воздухе голубоватым пламенем с образованием диоксида углерода (CO₂). Реакция сильно экзотермична: 2CO + O₂ → 2CO₂ + 566 кДж. Взрывоопасен в смеси с воздухом при концентрациях от 12,5 до 74 % объёмных.
Восстановление металлов: Используется в металлургии для восстановления оксидов металлов (например, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂).
Реакция с водородом: В промышленности (процесс Фишера — Тропша) CO реагирует с H₂ с образованием углеводородов (синтетическое топливо) и метанола (CO + 2H₂ → CH₃OH).
Карбонилирование: CO способен присоединяться к металлам, образуя карбонилы, например, Fe(CO)₅ (пентакарбонил железа) — токсичная жидкость, используемая для получения чистого железа.
Реакция с хлором: На свету образует фосген (COCl₂) — сильнодействующее отравляющее вещество.

История открытия и изучения

Древние греки и римляне знали о токсичности дыма от сжигания древесного угля, но не выделяли угарный газ как отдельное вещество. Первое научное описание CO сделал английский химик Джозеф Пристли в 1772 году, получив его при нагревании смеси оксида цинка и углерода. В 1776 году французский химик Антуан Лавуазье определил, что этот газ является оксидом углерода, отличным от углекислого газа. В 1800 году английский химик Уильям Крукшенк установил точный состав CO — один атом углерода и один атом кислорода. В XIX веке были изучены механизмы токсического действия CO, а в XX веке разработаны методы промышленного синтеза и детоксикации (гипербарическая оксигенация).

Источники образования

Природные источники

В природе монооксид углерода образуется в результате:

Лесных пожаров (неполное сгорание биомассы).
Вулканической деятельности (выбросы из магмы).
Фотохимических реакций в верхних слоях атмосферы (окисление метана).
Деятельности микроорганизмов (например, некоторых бактерий, выделяющих CO в процессе метаболизма).

Антропогенные источники

Основная масса CO в атмосфере (до 60–70 %) образуется в результате деятельности человека:

Автотранспорт: Двигатели внутреннего сгорания (особенно бензиновые, работающие на обогащённой смеси) выбрасывают CO в выхлопных газах. Каталитические нейтрализаторы снижают, но не исключают выбросы.
Промышленность: Металлургические заводы (доменные печи), нефтеперерабатывающие заводы, химические производства (синтез аммиака, метанола), ТЭЦ, работающие на угле.
Бытовые источники: Неисправные газовые плиты, водонагреватели, печи, камины, работающие в закрытых помещениях при недостатке кислорода.
Сельское хозяйство: Сжигание стерни и растительных остатков.

Токсикология и воздействие на организм

Механизм действия

Монооксид углерода — сильнодействующий яд крови. Его токсичность обусловлена способностью связываться с гемоглобином (Hb) в 200–300 раз прочнее, чем кислород (O₂). Образуется карбоксигемоглобин (HbCO), который не способен переносить кислород к тканям. Это приводит к гемической гипоксии — кислородному голоданию всех органов, в первую очередь головного мозга и сердца. Кроме того, CO ингибирует цитохромоксидазу (фермент дыхательной цепи митохондрий), нарушая клеточное дыхание, и может вызывать окислительный стресс.

Симптомы отравления (интоксикации)

Клиническая картина зависит от концентрации CO во вдыхаемом воздухе и времени экспозиции:

Лёгкая степень (концентрация HbCO 10–20 %): головная боль (часто пульсирующая, в висках), головокружение, тошнота, слабость, сонливость, шум в ушах, снижение остроты зрения.
Средняя степень (HbCO 20–40 %): спутанность сознания, нарушение координации, одышка, учащённый пульс, возможны галлюцинации, потеря сознания.
Тяжёлая степень (HbCO 40–60 %): кома, судороги, остановка дыхания, сердечно-сосудистая недостаточность, отёк лёгких и мозга. При концентрации HbCO > 60 % — летальный исход в течение нескольких минут.
Хроническое отравление: Развивается при длительном воздействии малых доз. Проявляется астенией, снижением памяти, нарушениями сна, сердечно-сосудистыми расстройствами, повышением риска инфаркта миокарда.

Первая помощь и лечение

При подозрении на отравление CO необходимо:

Немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух.
Вызвать скорую медицинскую помощь.
При отсутствии дыхания — начать искусственную вентиляцию лёгких.
Основной метод лечения — ингаляция 100 % кислорода (оксигенотерапия) через маску или интубационную трубку. В тяжёлых случаях применяется гипербарическая оксигенация (барокамера), которая ускоряет выведение CO из организма в 4–5 раз.

Предельно допустимые концентрации (ПДК)

В Российской Федерации установлены следующие нормативы:

ПДК рабочей зоны (среднесменная) — 20 мг/м³ (около 0,0017 % объёмных).
ПДК максимальная разовая в атмосферном воздухе населённых мест — 5 мг/м³.
ПДК среднесуточная — 3 мг/м³.
Смертельная концентрация при вдыхании в течение 1 часа — около 0,1–0,2 % объёмных (1000–2000 мг/м³).

Применение в промышленности

Несмотря на токсичность, монооксид углерода является ценным сырьём в химической промышленности:

Производство метанола: CO + 2H₂ → CH₃OH (катализатор — Cu/ZnO/Al₂O₃, давление 5–10 МПа, температура 250–300 °C). Метанол используется как растворитель, топливо и сырьё для формальдегида.
Синтез углеводородов (процесс Фишера — Тропша): Из смеси CO и H₂ (синтез-газ) получают жидкое топливо (бензин, дизель), парафины, олефины.
Производство уксусной кислоты: Карбонилирование метанола (процесс Монсанто) с использованием родиевого катализатора: CH₃OH + CO → CH₃COOH.
Металлургия: Восстановление оксидов железа в доменных печах (CO служит восстановителем).
Получение карбонилов металлов: Для очистки никеля (процесс Монда) и получения чистого железа.
Пищевая промышленность: Используется как дымовой газ для копчения продуктов (в малых концентрациях) и в качестве упаковочного газа (CO предотвращает окисление мяса, сохраняя его красный цвет).

Экологические аспекты

Монооксид углерода является одним из загрязнителей атмосферы. В тропосфере (нижнем слое атмосферы) он участвует в фотохимических реакциях, способствуя образованию приземного озона (O₃) — компонента смога. В стратосфере CO реагирует с гидроксильными радикалами (OH), что может влиять на баланс озонового слоя. Время жизни CO в атмосфере составляет от 1 до 3 месяцев, после чего он окисляется до CO₂. Основные меры борьбы с выбросами CO включают установку каталитических нейтрализаторов на автомобилях, совершенствование технологий сжигания топлива, переход на альтернативные источники энергии.

Интересные факты

Детекторы CO: В быту и на производстве используются газоанализаторы (датчики угарного газа), которые срабатывают при концентрации CO выше 50–100 ppm (частей на миллион). Установка таких датчиков обязательна в помещениях с газовым оборудованием во многих странах.
CO в космосе: Монооксид углерода обнаружен в межзвёздных облаках, на кометах (например, комета Галлея) и в атмосферах планет-гигантов (Юпитер, Сатурн). Он является одним из наиболее распространённых соединений углерода во Вселенной.
Эндогенный CO: В организме человека (в клетках печени, селезёнки, эритроцитов) под действием фермента гемоксигеназы из гема (составной части гемоглобина) образуется небольшое количество CO (около 0,4 мл/ч). Этот эндогенный CO выполняет сигнальные функции, участвуя в регуляции тонуса сосудов и воспалительных процессов.
Исторические катастрофы: Массовые отравления CO происходили в результате пожаров, аварий на шахтах, при использовании неисправных печей. Одна из крупнейших — авария на шахте «Ульяновская» (Кемеровская область, 2007 год), где взрыв метана и последующее выделение CO привели к гибели 110 человек.

Источники

Вредные вещества в промышленности: Справочник / Под ред. Н. В. Лазарева, Э. Н. Левиной. — Л.: Химия, 1976. — Т. 3.
Куценко С. А. Основы токсикологии. — СПб.: Фолиант, 2004.
Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны».
Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации» (ежегодные выпуски Роспотребнадзора).
Под редакцией В. А. Попова. Экологическая химия атмосферы. — М.: Изд-во МГУ, 2010.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →