Лабораторная работа № 5б определение концентрации углекислого газа экспресс-методом

Цель работы: определить содержание углекислого газа в воздухе учебной аудитории, проанализировать найденное значение концентрации углекислого газа на предмет его соответствия санитарным нормам, изучить роль двуокиси углерода на организм человека.

Приборы и принадлежности: медицинский шприц на 150 мл, химический стакан, вместимостью 50 мл, 0,005% раствор карбоната натрия с фенолфталеином, барометр, термометр, секундомер, ГН 2.2.5.2100-06, ГОСТ Р ЕН 13779 – 2007.

Краткая теория

Современный человек проводит в жилых и общественных зданиях от 52 до 90 % суточного времени. Поэтому внутренняя среда помещений даже при относительно невысоких концентрациях большого количества токсических веществ может влиять на его самочувствие, работоспособность и здоровье.

Сухой атмосферный воздух в своем составе содержит (% по объему): азота – 78,08; кислорода – 20,95; аргона – 0,93; углекислого газа – 0,03-0,04; озона – 0,00005; прочих газов – менее 0,007. Воздух такого состава наиболее благоприятен для дыхания.

Одним из способов для определения требуемой интенсивности воздухообмена в общественных зданиях, является использование углекислого газа в качестве индикатора качества воздуха. По его концентрации судят о содержании других веществ, выделяемых человеком, которых в относительных концентрациях (отношение фактической концентрации к ПДК) образуется меньше. При снижении уровня СО₂ разбавлением приточным воздухом одновременно снижается уровень концентрации других веществ. Углекислый газ выбран из-за того, что его концентрацию легко измерить с достаточно высокой точностью и его массовое выделение значительно больше других вредных веществ.

Техногенная деятельность привела к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере Земли возросло с 0,027 в 1850 до 0,033 % в настоящее время. В воздухе городов концентрация углекислого газа увеличивается до 0,045%, в жилых и общественных зданиях (при плохой вентиляции) – до 0,6–0,8%.

CO₂ способен поглощать инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 700 до 1400 нм. Земля, как известно, поглощает почти всю свою энергию от Солнца в лучах видимого спектра (от 400 до 700 нм), а отражает в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Это приводит к повышению температуры в нижних слоях атмосферы. Данное явление называется парниковым эффектом.

Углекислый газ выводится из атмосферы в результате его поглощения в процессе фотосинтеза растений, а также связывания его в океанских водах по реакции: .

Всем известно, что при дыхании мы потребляем кислород и выдыхаем, в основном, углекислый газ. За сутки мужчина может потребить 920 г кислорода (620 л) и выделить 1000 г углекислого газа (510 л), женщина соответственно может потребить 640 г кислорода и выделить 700 г углекислого газа.

Таким образом, потребление кислорода одним человеком в состоянии покоя в час составляет 20-30 л, а выделение углекислого газа – 18-25 л. В среднем человек за сутки выдыхает 0,5 м³ углекислого газа. При выполнении физической работы потребление кислорода и выделение углекислого газа значительно возрастают. Ориентировочно принимается, что в выдыхаемом воздухе углекислого газа содержится в 100 раз больше, чем в чистом атмосферном воздухе. В таблице 1 приведено процентное содержание компонентов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. (При этом не учитывается влажность воздуха.)

Таблица 1. Процентное содержание вдыхаемых и выдыхаемых компонентов воздуха.

Газ	Вдыхаемый воздух, %	Выдыхаемый воздух, %
Азот	78,09	78,67
Кислород	20,95	16,73
Углекислый газ	0,03	3,6

Кроме того, в выдыхаемом воздухе содержатся и другие постоянные компоненты: окись углерода (до 25 мг/м³), ацетон (от следов до 100 мг/м³), углеводороды, метиловый и этиловый спирты, аммиак, фенол и др. Всего в выдыхаемом воздухе идентифицировано до 250 различных химических веществ. Состав и интенсивность выделения из организма большинства газообразных продуктов метаболизма возрастают при увеличении температуры воздуха, ограничении двигательной активности, а также зависят от характера питания. Оценку количества вредных веществ воздуха антропогенного происхождения (т.е. от человека) удобнее всего производить по концентрации углекислого газа, так как его токсическое действие перекрывает влияние других вредных веществ. В некоторых случаях для этих целей подходит такой суммарный показатель чистоты воздуха, как окисляемость, измеряемая массой кислорода (в мг), необходимой для окисления органических веществ, содержащихся в 1 м³ воздуха. Верхним пределом допустимой концентрации углекислого газа в помещениях является 0,4597 % (или 900 мг/м³ его массовой концентрации). Чаще всего содержание углекислого газа измеряют в ppm (миллионная доля) - сокращение от англ. parts per million - «частей на миллион». 1 ppm = 0,001 ‰ = 0,0001 %.

Таблица 2. Единицы измерения концентрации газов и их взаимный пересчет.

Сx Са	мг/м3	% (об.)	ppm, см3/м3 (частей на миллион)
мг/м3	1
% (об.)		1
ppm, см3/м3 (частей на миллион)			1

Обозначения:

C_a – числовое значение концентрации в заданных единицах;

C_x – числовое значение концентрации в искомых единицах;

M – молярная масса газов;

P – суммарное давление газовой смеси, Па;

T – температура, К.

В закрытом помещении объемом 6 м³ человек может при отсутствии вентиляции продержаться без риска для жизни не более 12 часов. Всякое физическое напряжение, прием пищи, повышение температуры обойдутся дополнительным потреблением кислорода и могут сократить время выживания до 3 - 4 часов. За этот срок концентрация углекислого газа возрастет с 0,3 до 2,5%. Основная причина, ограничивающая пребывание человека в духоте, – не недостаток кислорода, а именно накопление углекислоты и токсинов. Уже при концентрации СО₂ в 3 % увеличивается частота дыхания, при 5 % наступает смерть.

Поскольку углекислый газ соединяется с гемоглобином крови легче кислорода, то происходит нарушение процессов переноса кислорода, что приводит к частичному голоданию всех тканей организма. В результате постепенно снижается насыщение крови кислородом и развивается кислородное голодание, от которого страдает функция нервной системы, прежде всего, головного мозга. В крови человека в это время под воздействием углекислого газа происходят биохимические изменения, такие, как увеличение концентрации бикарбоната ацидоз (изменение кислотно-щелочного равновесия в организме. Длительный ацидоз, в свою очередь, приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, прибавлению в весе, снижению иммунитета, заболеванию почек, появлению суставных и головных болей.

А вот при вдыхании даже 8 % кислорода (вместо обычных 20 %) в отсутствие углекислого газа в дыхательной смеси частота и глубина дыхания существенно не меняются.

Влияние концентрации углекислого газа в помещении на здоровье человека представлено в таблице 3.

Таблица 3.

Уровень СO2, ppm	Физиологические проявления
Атмосферный воздух 380-400	Идеальный воздух для здоровья и хорошего самочувствия.
400-600	Нормальное количество воздуха. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, школ и детских садов.
600-1000	Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой, могут учащаться приступы.
Выше 1000	Общий дискомфорт, слабость, головная боль, концентрация внимания падает на треть, растёт число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови, также могут появиться проблемы с дыхательной и кровеносной системой.
Выше 2000	Может вызвать серьезные отклонения в здоровье людей. Количество ошибок в работе сильно возрастает, 70% учащихся, сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Нормированные значения содержание углекислого газа в помещениях представлены в ГОСТ Р ЕН 13779 – 2007 (Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования) и в ГН 2.2.5.2100-06 (Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

Таблица 4. Содержание СO₂ в помещениях.

Класс	Характеристика	Содержание СO2 в помещениях сверх содержания в наружном воздухе, ppm
		Типовые пределы	Типовые значения
IDA 1	Высокое качество воздуха в помещениях	£ 400	350
IDA 2	Среднее качество воздуха в помещениях	400-600	500
IDA 3	Приемлемое качество воздуха в помещениях	600-1000	800
IDA 4	Низкое качество воздуха в помещениях	> 1000	1200

Для создания и обеспечения нормируемых параметров микроклимата предусматриваются системы вентиляции и кондиционирования воздуха.