你身边的气体“杀手”除了甲醛还有Ta

出品:科普中国

制作:雪杨

监制:中国科学院计算机网络信息中心

关于二氧化碳,其实我们并不陌生,它存在于周遭的空气中,在美味的食品里,看似温和的它竟然会给我们的生活带来安全隐患!

不过别担心,“知者无畏”,有了科学的认知,就能消除这种隐患并且合理有效地让二氧化碳为我们所用。

原来人体内二氧化碳浓度过高或过低都会中毒!

一听到“人吸进氧气”是不是会不假思索的接出下一句“呼出二氧化碳”?这在我们脑海里看似根深蒂固的标准答案真的正确吗?我们一探究竟:

呼出气体中气体含量(图片来源:作者自制)

空气中气体含量(图片来源:作者自制)

可见,呼出的气体中,二氧化碳含量虽然有所上升,但也只占总气体含量的4%,并非呼出的气体全都是二氧化碳。也正是由于我们呼出的气体中,还存在着16%的氧气,足够维持人体的呼吸作用,昏迷患者或心跳停止患者如无自主呼吸,急救人员会立即予以人工呼吸,以保证不间断地向患者供氧,防止重要器官因缺氧造成不可逆性损伤。

(锦州医科大学学生丁慧为素不相识的突发疾病晕倒的患者进行人工呼吸,图片来源:央视新闻)

在以往的二氧化碳泄露事故中有人就是因为液态的二氧化碳大量气化之后,挤走了事故现场的氧气而窒息。

当人体在二氧化碳浓度较高的环境中呼吸时,若二氧化碳的浓度达到1%以上,就会使人头晕目眩。看来著名歌手王力宏在他的歌曲《改变自己》中所唱的歌词不假:“清早起床了,觉得头有点痛,可能是二氧化碳太多氧气不足”。

(图片来源:作者提供)

当二氧化碳浓度达到4~5%,人便会恶心呕吐,呼吸不畅。若浓度继续提高超过10%,甚至会致人死亡。所以日常生活中,我们要尽量避免进入二氧化碳浓度高的区域,比如废井、地窑、矿井、下水道等。

如果确有进入的必要,要先点燃蜡烛观察燃烧情况,如果蜡烛立即熄火,说明空气中二氧化碳浓度至少在8%以上,进入时必须采取保护措施,比如先通风排气,并佩戴呼吸面罩。[4]

另外,当人体吸入的二氧化碳浓度过低时,同样能对人产生致命的影响。

这是因为人体体内的一小部分(约5%)二氧化碳物理溶解在血中形成二氧化碳分压Pa (CO2),通过刺激中枢化学感受器和神经化学感受器来促使呼吸中枢兴奋,进而维持人体呼吸活动持续不断的进行。绝大部分(95%)CO2, 则以碳酸氢根(-HCO3)的方式存在于血液中,在调节体液pH值时起着非常重要的作用。

当你极度愤怒、悲痛或者情绪激动时,是否有过这样的体验:浑身颤抖、手脚发麻、头晕甚至抽搐、不能呼吸、甚至背过气去?

造成这些让人不能自已的生理反应的罪魁祸首,就是人体缺二氧化碳,人在极端情绪中呼吸作用会加剧,呼出过多的二氧化碳,造成体内二氧化碳浓度偏低,pH值升高,大于7.45(正常7.35~7.45)而致使“呼吸性碱中毒”[5,6]。

对于呼吸性碱中毒,正常情况下,只有过度换气才可发生,所以不要刻意去加快呼吸加速换气,尽量避免情绪激动,如果发作,可以通过闭气来控制呼吸次数。

二氧化碳不止用在可乐里,这些领域也会用到

二氧化碳在我们日常生活中扮演着重要的角色。

我们选用材料时主要看它的物理和化学性质。由于二氧化碳不能支持燃烧,并且密度大于空气,因此可以包覆在可燃物周围而隔绝氧气,所以人们常用二氧化碳制备灭火器。

而且用二氧化碳灭火的一大优势是灭火之后二氧化碳会自然挥发,不留任何痕迹,“深藏身与名”,因此才更多地用于电子通信、互联网等高科技公司的消防灭火当中,而不会给电子器件和设备带来任何污染。

(图片来源:http://www.pajy999.com/zp_view.asp?id=690)

但是切记,对于钾、钙、钠、镁等活泼金属失火,千万不能用二氧化碳灭火器灭火,这是因为这些活泼金属可以在二氧化碳中剧烈燃烧。以镁为例,它与二氧化碳可发生如下反应:

Mg+CO2 = 2MgO+C

(图片来源:https://baike.baidu.com/item/%E9%95%81)

镁在二氧化碳中燃烧(图片来源:http://m.sohu.com/a/116631147_117959)

在食品领域,由于二氧化碳可能是目前为止所有气体中,唯一能够少量溶解在水中,溶于水中无毒,并且产生能使人味觉愉悦的刺痛感(俗称杀口感)的气体,因此被广泛用在雪碧、可乐、啤酒等碳酸饮料的制备中。

想象一下,在炎热的夏天,喝上一口冰镇的可乐或啤酒,一股清凉的冲击自内而外向你袭来,而嘴里残留着微痛的刺激感,你一定会感叹:这钱花的真值!

你感受到的这种杀口感是因为碳酸饮料中的二氧化碳在口腔的高温作用下迅速鼓泡并且破裂溢出,刺激口腔感官细胞而造成的。而饮用已经开封存放较久的碳酸饮料,杀口感就会大打折扣甚至荡然无存,这是因为碳酸饮料开封之后,随着存放时间的延长,饮料中所溶解的二氧化碳逐渐逸出,就难以给人带来足够的刺激。

(图片来源:作者提供)

关于二氧化碳,在生活中还有很多应用,比如固态的二氧化碳(干冰)可以应用于舞台演出,产生烟雾缭绕如仙境般的场景

(图片来源:www.ycnews.cn)

有时也会出现在餐厅或者社交场所的水果拼盘中,还会加在红酒当中来提升食物的口感

(图片来源:http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5cd96301b15ec00cfd48acef)

在工业领域,二氧化碳还可以作为激光器的出光介质,用来制备二氧化碳激光器。二氧化碳激光器是世界上最早的气体激光器,也是目前使用最广泛的工业用激光器[7],在材料加工、切割、雕刻、焊接等领域有着无可替代的优势[8]。

军事领域中,二氧化碳激光器在放电作用下,可以发射波长在10.6μm的红外波长的激光,人眼无法察觉,却在大气中具有较强的穿透力,所以在军事上可以用作激光武器,并且能做到杀敌于无形。

在医疗方面,由于红外光较可见光和紫外光的穿透能力更强,并且更容易被人体组织中的水分子吸收,所以二氧化碳激光器常被用来做激光嫩肤、祛痘、脱毛、磨皮等激光手术。

(图片来源:https://new.qq.com/omn/20190515/20190515A0AQU800)

(图片来源于网络及作者提供)

面对二氧化碳引起的温室效应 科学家研制出新型燃料

虽然二氧化碳有如此多的应用,但是地球上的二氧化碳浓度也不是越高越好。随着二氧化碳浓度的提高,温室效应等环境问题已悄然而至。

(图片来源: https://diyitui.com/content-1470593998.50772487.html)

(图片来源: https://item.btime.com/m_99802957058c5988c?from=so)

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员称:2019年4月,大气二氧化碳月均浓度达到观测史上的最大值。月均浓度超过了410ppm,在至少过去80万年中,该数值达到了最高水平。

按照学者们的估计,大气二氧化碳月均浓度指标在过去虽然一直波动,但在工业革命前,这一指标从未超过 300ppm,显然,二氧化碳浓度的大幅度提高与人类社会进入工业革命直接相关,比如大量利用化石燃料作能源[9]。

面对地球二氧化碳浓度的升高,科学家们正在做出努力。

首先是减少化石燃料的使用,比如更多的利用太阳能。在这方面,中科院大连化物所李灿院士领导的研究团队人工模拟植物的光合作用,在水中加入自己研制的催化剂,在太阳光的照射下就可以把水分解成氢气和氧气,实现了绿色燃料的制备。

(图片来源:https://science.sciencemag.org/content/347/6225/970/tab-pdf)

光催化分解水(图片来源视频:)https://cen.acs.org/articles/87/i32/Hydrogen-Sun-Water.html

另外,还可以对已存在的二氧化碳做转化利用。

大连化物所张涛院士领导的团队首次在国际上创造性地提出了“单原子催化”的概念,并利用自己研制的单原子催化剂,对二氧化碳进行催化利用,不仅减少了二氧化碳的排放,还变废为宝,利用二氧化碳制备出了甲酸、一氧化碳等重要的化工原料和能源燃料。

(图片来源:https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30577-1)

减少碳排放,保护我们共同的家园,是每个公民义不容辞的责任。小编也在这里呼吁大家,为人类战胜温室效应贡献自己力所能及的力量,比如:

1、出门少开车,尽量走路、骑自行车或者坐公交车;

2、尽量少喝可乐啤酒等碳酸饮料,多喝白开水;

3、夏天尽量多待在办公室,减少在家开空调的时间。

(图片来源:作者提供)

参考资料:

[1]https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=f97c8e264697a102f4c2c248&lemmaId=4051775&fromLemmaModule=pcBottom

[2] http://sdbwg.hzxh.gov.cn/art/2016/11/1/art_1241016_2631908.html

[3] https://baike.baidu.com/item/尼奥斯湖/9444591?fr=aladdin

[4]https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A2%B3%E4%B8%AD%E6%AF%92/4051775

[5] www.bjnews.com.cn/health/2013/12/31/299909.html

[6] https://m.dxy.com/disease/9127/detail

[7] Patel, C. K. N. Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2. Physical Review. 1964, 136 (5A): A1187–A1193.

[8] Andreeta, M. R. B.; Cunha, L. S.; Vales, L. F.; Caraschi, L. C.; Jasinevicius, R. G. Bidimensional codes recorded on an oxide glass surface using a continuous wave CO2 laser. Journal of icromechanics and Microengineering. 2011, 21 (2): 025004. Bibcode:2011JMiMi..21b5004A. doi:10.1088/0960-1317/21/2/025004

[9] Carbon Dioxide in the Atmosphere Hits Record High Monthly Average. The Keeling Curve. 2018-05-02.