Угарный газ

Угарный газ (монооксид углерода, окись углерода, химическая формула CO) — это химическое соединение, газ без цвета, вкуса и запаха, который образуется при неполном сгорании углеродсодержащих веществ (древесины, угля, природного газа, бензина, нефтепродуктов). Относится к классу неорганических соединений, является одним из наиболее распространённых и опасных токсичных продуктов горения. В высоких концентрациях вызывает смертельное отравление.

Физические и химические свойства

Угарный газ представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, что делает его обнаружение без специальных приборов невозможным. Его плотность при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) составляет 1,25 кг/м³, что несколько меньше плотности воздуха (1,29 кг/м³), поэтому CO может скапливаться в верхних частях помещений, но при наличии конвекции равномерно распределяется по объёму.

Молекула CO состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, соединённых тройной связью. Это одна из самых прочных химических связей в природе, что обусловливает высокую химическую инертность CO при комнатной температуре. Однако при нагревании или в присутствии катализаторов угарный газ проявляет восстановительные свойства. Он способен реагировать с кислородом, образуя углекислый газ (CO₂), и с некоторыми металлами, образуя карбонилы (например, Fe(CO)₅, Ni(CO)₄). Температура самовоспламенения CO в воздухе составляет около 609 °C, а взрывоопасные концентрации — от 12,5 до 74 % объёма.

История открытия и изучения

Угарный газ был известен человеку с древнейших времён в виде токсичного дыма от костров и печей, однако его химическая природа долгое время оставалась неясной. В 1776 году французский химик Жозеф де Лассон впервые получил чистый CO, пропуская углекислый газ через раскалённый древесный уголь. В 1800 году английский химик Уильям Крукшенк определил его состав и показал, что это соединение углерода и кислорода, отличное от углекислого газа. В XIX веке угарный газ стал объектом интенсивных исследований в связи с развитием промышленности и газового освещения. В 1870-х годах немецкий физиолог Феликс Гоппе-Зейлер установил механизм токсического действия CO, связав его с блокировкой гемоглобина. В XX веке были разработаны методы промышленного получения CO, а также способы защиты от отравлений.

Источники образования

Угарный газ образуется в результате неполного сгорания органических материалов. Основные источники делятся на природные и антропогенные.

Природные источники

Лесные и торфяные пожары.
Вулканическая деятельность.
Окисление метана в атмосфере.
Деятельность некоторых микроорганизмов и растений.

Антропогенные источники

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (автомобили, мотоциклы, генераторы).
Работа отопительных приборов, работающих на угле, дровах, газе или керосине (печи, камины, газовые колонки, котлы) при недостатке кислорода.
Промышленные выбросы (металлургия, химическая промышленность, производство синтез-газа).
Табачный дым.
Пожары в зданиях и сооружениях.

В быту наиболее частой причиной отравлений становится неправильная эксплуатация печного отопления (закрытие задвижки дымохода до полного прогорания топлива), использование газовых плит для обогрева помещений, а также работа двигателей автомобилей в закрытых гаражах.

Механизм токсического действия

Токсичность угарного газа обусловлена его способностью связываться с гемоглобином крови, образуя прочное соединение — карбоксигемоглобин (HbCO). Сродство CO к гемоглобину примерно в 200–250 раз выше, чем сродство кислорода. В результате даже при низких концентрациях CO в воздухе значительная часть гемоглобина блокируется и перестаёт переносить кислород к тканям. Развивается гемическая гипоксия — кислородное голодание организма.

Кроме того, CO связывается с миоглобином (мышечным белком, запасающим кислород) и с цитохромоксидазой — ферментом дыхательной цепи митохондрий, что дополнительно нарушает клеточное дыхание. Наиболее чувствительны к гипоксии головной мозг и сердечная мышца.

Симптомы и стадии отравления

Клиническая картина отравления угарным газом зависит от концентрации CO в воздухе, времени экспозиции и состояния здоровья человека. Различают три степени тяжести острого отравления.

Лёгкая степень

Концентрация CO в воздухе до 0,1 % (1000 ppm), содержание HbCO в крови — 10–30 %. Симптомы: головная боль (чаще в области лба и висков), головокружение, шум в ушах, тошнота, слабость, одышка при физической нагрузке, снижение остроты зрения. При прекращении контакта с газом симптомы проходят в течение нескольких часов.

Средняя степень

Концентрация CO до 0,3–0,5 %, HbCO — 30–50 %. К вышеперечисленным симптомам добавляются спутанность сознания, сонливость, нарушение координации движений, тахикардия, учащённое дыхание. Возможны кратковременные обмороки. Характерный признак — ярко-розовая окраска кожи и слизистых оболочек (за счёт карбоксигемоглобина), хотя этот симптом не является обязательным.

Тяжёлая степень

Концентрация CO выше 0,5 %, HbCO — более 50 %. Развивается потеря сознания, судороги, кома, нарушение дыхания и сердечной деятельности. Смерть наступает от остановки дыхания или сердечной недостаточности. При концентрации CO около 1 % (10 000 ppm) потеря сознания происходит в течение нескольких минут, а смерть — в течение 2–3 минут.

Хроническое отравление

Длительное воздействие низких концентраций CO (например, в условиях загазованности городов или при курении) может приводить к хронической интоксикации, проявляющейся головными болями, снижением работоспособности, ухудшением памяти, нарушениями сна, повышенной утомляемостью.

Первая помощь и лечение

При подозрении на отравление угарным газом необходимо немедленно:

Прекратить поступление газа: перекрыть источник, открыть окна и двери, вынести пострадавшего на свежий воздух.
Вызвать скорую медицинскую помощь.
Пострадавшему обеспечить покой, расстегнуть стесняющую одежду, при необходимости начать искусственное дыхание и непрямой массаж сердца.
При отсутствии сознания уложить пострадавшего на бок для предотвращения аспирации рвотных масс.

В стационаре основным методом лечения является оксигенотерапия — вдыхание чистого кислорода через маску или носовые канюли. При тяжёлых отравлениях применяется гипербарическая оксигенация (лечение в барокамере под повышенным давлением), которая позволяет вытеснить CO из связи с гемоглобином в несколько раз быстрее, чем при дыхании обычным воздухом. Также используются симптоматические средства: противосудорожные, сердечно-сосудистые, ноотропы.

Профилактика

Профилактика отравлений угарным газом включает:

Регулярную проверку и чистку дымоходов и вентиляционных каналов.
Обеспечение достаточного притока воздуха при работе газовых приборов и печей.
Запрет на использование газовых плит и духовок для обогрева помещений.
Недопущение работы двигателя автомобиля в закрытом гараже.
Установку в жилых и производственных помещениях автономных сигнализаторов угарного газа (детекторов CO), которые подают звуковой сигнал при превышении пороговой концентрации.
Соблюдение правил пожарной безопасности.

Применение в промышленности

Несмотря на высокую токсичность, угарный газ широко используется в промышленности как ценное химическое сырьё. Основные направления применения:

Производство синтез-газа — смеси CO и водорода, из которой получают метанол, аммиак, синтетическое топливо и другие органические соединения.
Металлургия — восстановление металлов из оксидов (например, железа из руды в доменных печах).
Химическая промышленность — синтез фосгена, муравьиной кислоты, уксусной кислоты, поликарбонатов, карбонилов металлов.
Пищевая промышленность — обработка мяса и рыбы для сохранения свежести (CO придаёт продуктам ярко-красный цвет, что запрещено в ряде стран, но разрешено в некоторых, включая Россию, при соблюдении норм).