Газована вода, вулкан, Венера і рефрижератор мають дещо спільне — вуглекислий газ. Ця сполука трапляється і в склянці лимонаду, і в атмосфері іншої планети, і в повітрі класу, де годинами не відчиняли вікна. Розберемо, як поводиться діоксид вуглецю за різних умов, звідки він береться і чому його концентрація у приміщенні має значення для самопочуття.
Що таке діоксид вуглецю
Діоксид вуглецю відомий передусім у газоподібному стані — як вуглекислий газ із простою хімічною формулою CO2. У такому вигляді він існує за нормальних умов: атмосферного тиску й звичайних температур.
Але варто змінити умови, і поведінка речовини змінюється. За підвищеного тиску — понад 5 850 кПа, що відповідає тиску на морській глибині близько 600 метрів, — газ переходить у рідину. За сильного охолодження, приблизно до мінус 78,5 °C, він кристалізується й перетворюється на так званий сухий лід, який широко використовують у торгівлі для зберігання заморожених продуктів у рефрижераторах.
Рідка вуглекислота й сухий лід застосовуються в людській діяльності, але ці форми нестійкі й легко розпадаються. А ось газоподібний діоксид вуглецю поширений усюди: він виділяється під час дихання тварин і рослин і є важливим складником хімічного складу атмосфери та океану.
Фізичні властивості вуглекислого газу
CO2 не має кольору й запаху. За звичайних умов у нього немає й смаку. Однак за вдихання високих концентрацій діоксиду вуглецю в роті можна відчути кислуватий присмак: газ розчиняється на слизових оболонках і в слині, утворюючи слабкий розчин вугільної кислоти.
Саме здатність діоксиду вуглецю розчинятися у воді використовують для виготовлення газованих напоїв. Бульбашки лимонаду — той самий вуглекислий газ. Перший апарат для насичення води CO2 винайшли ще 1770 року, а вже 1783 року підприємливий швейцарець Якоб Швепп почав промислове виробництво газованої води; торговельна марка Schweppes існує донині.
Вуглекислий газ важчий за повітря приблизно в 1,5 раза, тому за поганої вентиляції він схильний накопичуватися в нижніх шарах приміщення. Звідси відомий ефект «собачої печери», де CO2 виділяється прямо з землі й збирається на висоті близько пів метра. Доросла людина, зайшовши в таку печеру, на рівні свого зросту не відчуває надлишку вуглекислого газу, а собаки опиняються прямо в густому шарі діоксиду вуглецю й зазнають отруєння.
CO2 не підтримує горіння, тому його використовують у вогнегасниках і системах пожежогасіння. На цій самій властивості ґрунтується фокус із гасінням свічки в начебто порожній склянці, де насправді зібрався вуглекислий газ.
Природні джерела вуглекислого газу
У природі вуглекислий газ утворюється з кількох джерел.
- Дихання тварин і рослин. Рослини поглинають CO2 з повітря й використовують його у фотосинтезі. Але вони не лише поглинають, а й виділяють вуглекислий газ за відсутності світла — це частина процесу дихання. Тому велика кількість кімнатних рослин у погано провітрюваній спальні не компенсує брак припливної вентиляції: вночі рівень CO2 там лише зростатиме.
- Вулканічна діяльність. Діоксид вуглецю входить до складу вулканічних газів. У місцевостях із високою вулканічною активністю CO2 може виділятися прямо з землі — з тріщин і розломів, які називають мофетами. Концентрація вуглекислого газу в долинах із мофетами настільки висока, що багато дрібних тварин, потрапивши туди, гинуть.
- Розкладання органічних речовин. Вуглекислий газ утворюється під час горіння й гниття органіки. Об’ємні природні викиди діоксиду вуглецю супроводжують лісові пожежі.
Крім того, вуглекислий газ «зберігається» в природі у вигляді вуглецевих сполук у корисних копалинах: вугіллі, нафті, торфі, вапняку. Гігантські запаси CO2 містяться в розчиненому вигляді у Світовому океані.
Викид вуглекислого газу з відкритої водойми може призвести до лімнологічної катастрофи, як це сталося 1984 і 1986 років на озерах Манун і Ніос у Камеруні. Обидва озера утворилися на місці вулканічних кратерів. Вулкани нині згасли, проте в глибині магма все ще виділяє вуглекислий газ, який піднімається до вод озера й розчиняється в них. Унаслідок низки кліматичних і геологічних процесів концентрація вуглекислоти у водах перевищила критичне значення. В атмосферу викинуло величезну кількість вуглекислого газу, який на зразок лавини спустився гірськими схилами. Жертвами лімнологічної катастрофи на камерунських озерах стали близько 1 800 осіб.
Штучні джерела CO2
Основними антропогенними джерелами діоксиду вуглецю залишаються промислові викиди, пов’язані з процесами згоряння, та автомобільний транспорт. Частка екологічного транспорту у світі зростає, але переважна частина населення планети ще не скоро матиме можливість — або бажання — пересісти на нові автомобілі.
Активна вирубка лісів у промислових цілях також веде до підвищення концентрації вуглекислого газу в повітрі.
Вуглекислий газ в організмі людини
CO2 — один із кінцевих продуктів метаболізму, тобто розщеплення глюкози й жирів. Він утворюється в тканинах і переноситься за допомогою гемоглобіну до легень, звідки видихається. У повітрі, яке видихає людина, близько 4,5 % діоксиду вуглецю (45 000 ppm) — у 60–110 разів більше, ніж у вдихуваному.
Вуглекислий газ відіграє велику роль у регуляції кровопостачання й дихання. Підвищення рівня CO2 у крові змушує капіляри розширюватися: вони пропускають більше крові, яка доставляє до тканин кисень і виводить вуглекислоту.
Дихальна система теж збуджується підвищенням вмісту вуглекислого газу, а не браком кисню, як може здатися. Брак кисню організм довго не відчуває, і цілком можлива ситуація, коли в розрідженому повітрі людина знепритомніє раніше, ніж відчує нестачу повітря. Саме тому в апаратах штучного дихання вуглекислий газ підмішують до кисню, щоб «запустити» дихальну систему.
Чим небезпечний надлишок CO2
Вуглекислий газ потрібен людському організму так само, як кисень. Але, як і з киснем, надлишок CO2 шкодить здоров’ю.
Велика концентрація CO2 у повітрі призводить до інтоксикації організму й викликає стан гіперкапнії. За гіперкапнії людина відчуває труднощі з диханням, нудоту, головний біль і може навіть знепритомніти. Якщо вміст вуглекислого газу не знижується, настає черга гіпоксії — кисневого голодування. Річ у тім, що і вуглекислий газ, і кисень переміщуються в організмі на одному й тому самому «транспорті» — гемоглобіні. У нормі вони «подорожують» разом, прикріпившись до різних місць молекули гемоглобіну. Однак підвищена концентрація вуглекислого газу в крові знижує здатність кисню зв’язуватися з гемоглобіном. Кількість кисню в крові зменшується, і настає гіпоксія.
Такі наслідки для організму виникають за вдихання повітря з вмістом CO2 понад 5 000 ppm — приблизно таким буває повітря в шахтах. У звичайному житті ми майже не стикаємося з таким повітрям. Однак і значно менша концентрація діоксиду вуглецю позначається на здоров’ї не найкращим чином.
За висновками деяких досліджень, уже 1 000 ppm CO2 викликає в половини випробовуваних стомлення і головний біль. Задуху й дискомфорт багато людей починають відчувати ще раніше. За подальшого підвищення концентрації вуглекислого газу до 1 500–2 500 ppm критично знижується працездатність: мозок «лінується» проявляти ініціативу, обробляти інформацію й ухвалювати рішення.
Якщо рівень 5 000 ppm майже неможливий у повсякденному житті, то 1 000 і навіть 2 500 ppm легко можуть бути частиною реальності сучасної людини. Наш експеримент у школі показав, що в рідко провітрюваних класах рівень CO2 значну частину часу тримається на позначці понад 1 500 ppm, а іноді підскакує вище 2 000 ppm. Є всі підстави припускати, що в багатьох офісах і навіть квартирах ситуація схожа.
Безпечним для самопочуття людини рівнем вуглекислого газу фізіологи вважають 800 ppm.
Ще одне дослідження виявило зв’язок між рівнем CO2 та окислювальним стресом: що вищий рівень діоксиду вуглецю, то більше ми страждаємо від окисного стресу, який руйнує клітини нашого організму.
Орієнтовні рівні CO2 у повітрі та їхній вплив
| Концентрація CO2 | Що це означає для людини |
|---|---|
| Близько 400 ppm | Фоновий рівень в атмосферному повітрі |
| До 800 ppm | Рівень, який фізіологи вважають безпечним для самопочуття |
| Близько 1 000 ppm | У половини випробовуваних з’являються стомлення і головний біль; задуха й дискомфорт можуть відчуватися раніше |
| 1 500–2 500 ppm | Критично знижується працездатність, мозок гірше обробляє інформацію й ухвалює рішення |
| Понад 5 000 ppm | Інтоксикація, гіперкапнія, а за її збереження — гіпоксія |
Вуглекислий газ в атмосфері Землі
В атмосфері нашої планети лише близько 0,04 % CO2 — це приблизно 400 ppm. Ще зовсім недавно було й того менше: позначку в 400 ppm вуглекислий газ перетнув тільки восени 2016 року. Учені пов’язують зростання рівня CO2 в атмосфері з індустріалізацією: у середині XVIII століття, перед промисловим переворотом, він становив лише близько 270 ppm.
Попри такий мізерний відсотковий вміст діоксиду вуглецю в атмосфері, він має великий вплив на клімат планети. Вуглекислий газ — один із парникових газів. Він поглинає й утримує інфрачервоне випромінювання з поверхні Землі, що зрештою сприяє підвищенню температури на планеті. Цей процес називається парниковим ефектом. Без парникового ефекту температура на земній кулі була б приблизно на 30 °C нижчою.
Атмосфера Венери на 96,5 % складається з вуглекислого газу й, імовірно, теж зазнає парникового ефекту. Через нього Венера є найгарячішою планетою Сонячної системи — гарячішою навіть за Меркурій, найближчий до Сонця. Температура на Венері близько 464 °C; цього достатньо, щоб розплавити свинець і олово.
Зростання рівня CO2 в атмосфері Землі веде до посилення парникового ефекту, а той — до незворотних змін клімату. Уже сьогодні можна спостерігати танення льодовиків. Наприклад, знаменита сніжна шапка Кіліманджаро зменшилася за останні 100 років на 80 %.
Що з цього випливає для повсякдення
Без вуглекислого газу наш світ був би зовсім іншим: він бере участь у найважливіших хімічних, біологічних, кліматичних і геологічних процесах на Землі. Але найпомітніший для більшості людей висновок лежить не в планетарному масштабі, а в межах власної квартири чи робочого кабінету.
Якщо після кількох годин у приміщенні з’являються втома, головний біль і бажання відкласти складне завдання, причина може бути не в нестачі кави, а в накопиченому CO2. Перевірити це просто: порівняйте самопочуття до й після провітрювання. Якщо після десяти хвилин із відчиненими вікнами голова прояснюється, варто змінити режим вентиляції, а не шукати інші пояснення.
Кілька практичних орієнтирів, які випливають із наведених даних:
- Провітрюйте приміщення коротко, але інтенсивно, замість того щоб тримати вікно прочиненим увесь день.
- Не покладайтеся на кімнатні рослини як на заміну припливній вентиляції: уночі вони самі виділяють вуглекислий газ.
- У спальні, де вікно зачинене всю ніч, рівень CO2 зростає найшвидше — саме тому тут особливо доречне провітрювання перед сном.
- Якщо в офісі чи класі постійно хочеться спати після обіду, варто перевірити не лише освітлення й режим харчування, а й рівень CO2.
Для точних вимірювань потрібен побутовий датчик CO2 — саме він показує, коли концентрація перетинає межу 1 000 ppm, а не суб’єктивне відчуття задухи, яке в різних людей виникає за різних значень. Якщо ж головний біль супроводжується нудотою, запамороченням або не минає після провітрювання, це привід звернутися до лікаря: надлишок вуглекислого газу — не єдина й не найімовірніша причина таких симптомів, і встановити її самостійно неможливо.
