Содержания кислорода в воздухе составляет. Химический состав атмосферного воздуха и его гигиеническое значение

Атмосферный воздух, поступающий в легкие во время вдоха, называется вдыхаемым воздухом; воздух, выделяемый наружу через дыхательные пути во время выдоха, - выдыхаемым . Выдыхаемый воздух - это смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, - альвеолярного воздуха - с воздухом, находящимся в воздухоносных путях (в полости носа, гортани, трахеи и бронхов). Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха в нормальных условиях у здорового человека довольно постоянен и определяется следующими цифрами (табл. 3).

Данные цифры могут несколько колебаться в зависимости от различных условий (состояние покоя или работы и др.). Но при всех условиях альвеолярный воздух отличается от вдыхаемого значительно меньшим содержанием кислорода и большим содержанием углекислого газа. Это происходит в результате того, что в легочных альвеолах из воздуха поступает в кровь кислород, а обратно выделяется углекислый газ.

Газообмен в легких обусловлен тем, что в легочных альвеолах и венозной крови , притекающей к легким, давление кислорода и углекислоты различно: давление кислорода в альвеолах выше, чем в крови, а давление углекислого газа, наоборот, в крови выше, чем в альвеолах. Поэтому в легких и осуществляется переход кислорода из воздуха в кровь, а углекислоты - из крови в воздух. Такой переход газов объясняется определенными физическими законами: если давление какого-нибудь газа, находящегося в жидкости и в окружающем ее воздухе, различно, то газ переходит из жидкости в воздух и наоборот, пока давление не уравновесится.

Таблица 3

В смеси газов, какой является воздух, давление каждого газа определяется процентным содержанием данного газа и называется парциальным давлением (от латинского слова pars - часть). Например, атмосферный воздух оказывает давление, равное 760 мм ртутного столба. Содержание кислорода в воздухе равно 20,94%. Парциальное давление кислорода атмосферного воздуха будет составлять 20,94% от общего давления воздуха, т. е. 760 мм, и равно 159 мм ртутного столба. Установлено, что парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 100 - 110 мм, а в венозной крови и капиллярах легких - 40 мм. Парциальное давление углекислого газа равняется в альвеолах 40 мм, а в крови - 47 мм. Разницей в парциальном давлении между газами крови и воздуха и объясняется газообмен в легких. В этом процессе активную роль играют клетки стенок легочных альвеол и кровеносных капилляров легких, через которые происходит переход газов.

Воздух - смесь газов, главным образом азота и кислорода, из которых состоит атмосфера земного шара Общая масса воздуха составляет 5,13× 10 15 т и оказывает на поверхность Земли давление, равное на уровне моря в среднем 1,0333 кг на 1 см 3 . Масса 1 л сухого воздуха свободного от водяных паров и углекислого газа, при нормальных условиях равна 1,2928 г , удельная теплоемкость - 0,24, коэффициент теплопроводности при 0° - 0,000058, вязкость - 0,000171, показатель преломления - 1,00029, растворимость в воде 29,18 мл на 1 л воды. Состав атмосферного воздуха - см. табл . Атмосферный воздух содержит также в различных количествах водяные пары и примеси (твердые частицы, аммиак, сероводород и др.).

Состав атмосферного воздуха

Для человека жизненно важной составной частью В является кислород , общая масса которого 3,5× 10 15 т . В процессе восстановления нормального содержания кислорода основную роль играет фотосинтез зелеными растениями, исходными веществами для которого служат углекислый газ и вода. Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в В. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм . При снижении его до 140 мм у человека появляются первые признаки гипоксии . Снижение парциального давления до 50-60 мм опасно для жизни (см. Высотная болезнь , Горная болезнь ).

Библиогр.: Атмосфера земли и планет, под ред. Д.П. Койпера. пер. с англ., М., 1951; Губернский Ю.Д. и Кореневская Е.И. Гигиенические основы кондиционирования микроклимата жилых и общественных зданий, М., 1978; Минх А.А. Ионизация воздуха и ее гигиеническое значение, М., 1963; Руководство по гигиене атмосферного воздуха, под ред. К.А. Буштуевой, М., 1976; Руководство по коммунальной гигиене, под ред. Ф.Г. Кроткова, т. 1, с. 137, М., 1961.

ВОЗДУХ – смесь газов, образующая атмосферу, оболочку вокруг земного шара, обусловливающую возможность жизни на Земле животных и растительных организмов.

Воздух состоит в основном из смеси азота (78,09% по объему) и кислорода (20,95% по объему); на долю всех остальных газов приходится около 1%. Важнейшей составной частью воздуха является кислород, играющий основную роль в поддержании жизни на Земле. В процессе жизнедеятельности животные организмы непрерывно потребляют кислород. Пополнение запасов кислорода В. происходит за счет продуцирования его растениями, зеленые части которых в процессе фотосинтеза поглощают на свету углекислый газ и используют его углерод для образования органических веществ, выделяя при этом в воздух свободный кислород. Таким образом, в природе происходит кругооборот кислорода, в процессе которого одновременно с большим расходом кислорода происходит полное восстановление его количества.

Человек вдыхает за сутки 20-30 м куб. воздуха. Потребность человека в кислороде зависит от интенсивности трудовой деятельности; в покое эта потребность составляет 25 л в час. Снижение содержания кислорода в воздухе до 16-18% не оказывает заметного влияния на организм человека; снижение до 14% уже сопровождается явлениями кислородной недостаточности, а снижение до 9% опасно для жизни. Однако основное биологическое значение имеет не процентное содержание кислорода в воздухе, а его парциальное (частичное) давление, то есть та часть общего атмосферного давления, которая приходится на его долю, так как переход кислорода из воздуха, содержащегося в альвеолах легких, в кровь и ткани основан на разнице его парциального давления. Наиболее полно этот переход осуществляется при парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе, равном 150- 159 мм, которое обычно имеет место при атмосферном давлении 760 мм. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе ниже, чем в атмосферном воздухе: при парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе, равном 159 мм, в альвеолярном воздухе оно составляет только 105 мм. Понижение парциального давления кислорода воздуха влечет за собой нарушение дыхательного процесса, снижение легочного и тканевого газообмена, обеднение крови и тканей кислородом. При понижении парциального давления кислорода в атмосферном воздухе до 130-140 мм (в альвеолярном воздухе соответственно до 80-85 мм) уже может возникать ряд нарушений – одышка, учащение и увеличение глубины дыхания, учащение сердце биений, ускорение тока крови и другие, которые носят компенсаторный характер. При дальнейшем снижении парциального давления кислорода до 110 мм (в альвеолярном воздухе – около 62 мм) компенсаторные возможности организма оказываются уже недостаточными и возникают явления кислородной недостаточности (так называемая гипоксемия, гипоксия). Дальнейшее снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм (в альвеолярном воздухе до 20-25 мм) может привести к смерти. Дефицит кислорода можно компенсировать употребляя кислородный коктейль. Приготовление кислородного коктейля производят с помощью различных аппаратов, в том числе концентратор кислорода , кислородные миксеры, ароматические станции, пенообразователи и многие другие.

Понижение парциального давления кислорода отмечается с подъемом на высоту. Поэтому при подъемах на горы или на самолете с негерметизированной кабиной у малотренированных и неакклиматизированных людей может развиться так называемая высотная болезнь. Значительно легче организм переносит повышение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. Экспериментальные животные переносят содержание кислорода в воздухе 40-60% в течение длительного срока без каких-либо заметных проявлений и нарушений в состоянии организма. При водолазных работах дыхание воздухом, содержащим до 50% кислорода, также переносится без вредных последствий.

При высоком парциальном давлении кислорода (около 1 атм) и длительном вдыхании его развивается отек и воспаление легких.

Второй важной составной частью воздуха является азот. Он относится к инертным газам и не способен поддерживать дыхание и горение. Однако азот играет важную роль как разбавитель кислорода в атмосферном воздухе, обеспечивая благоприятную для поддержания нормального дыхания животных и человека концентрацию кислорода в воздухе. Наилучшие условия для жизни создаются при содержании в воздухе азота 78,09% (по объему) и кислорода 20,95%. При увеличении содержания азота в воздухе до 83% отмечаются первые признаки недостаточности кислорода. Азот при повышенном парциальном его давлении во вдыхаемом воздухе обладает наркотическим действием (при парциальном давлении азота 30-40 атм наступает полный наркоз). Изучение токсического действия азота у водолазов при глубоководных спусках показало, что при дыхании обыкновенным воздухом под давлением 9 атм и более отмечается ряд расстройств. Азот растворяется в крови и тканях организма в количествах, пропорциональных его парциальному давлению. При быстром переходе человека от повышенного давления к низкому избыток азота выделяется из тканей и крови в виде пузырьков газа, что является причиной так называемой кессонной болезни.

Постоянной составной частью воздуха является углекислый газ (CO2). Углекислый газ участвует в круговороте углерода; он поглощается в большом количестве растениями. Однако количество его в воздухе остается постоянным за счет поступления из почвы, в составе промышленных газов и дыма, за счет дыхания людей и животных. Человек в покое за 1 час выдыхает 22,6 л CO2. Наибольшее количество CO2 содержится в воздухе крупных промышленных городов. Наименьшее количество - над водной поверхностью океанов и морей. Регулирующее влияние на содержание СO2 в атмосферном воздухе оказывает вода морей и океанов, которая в зависимости от величины парциального давления кислорода воздуха и температуры отдает или поглощает СO2 из атмосферного воздуха. Физиологическое значение углекислого газа заключается в его возбуждающем действии на дыхательный центр. Так как в процессе жизнедеятельности в организме образуется углекислый газ в количестве, достаточном для создания в крови необходимого парциального давления СO2, обеспечивающего нормальное течение дыхательного процесса, то понижение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе не имеет существенного значения. Повышение же концентрации СO2 в воздухе сказывается на состоянии организма: при содержании в воздухе 3-4% СO2 дыхание ускоряется и углубляется, появляется головная боль, шум в ушах, замедление пульса, повышение кровяного давления и другое, при повышении концентрации СO2 в воздухе до 10% может наступить потеря сознания и смерть. Механизм действия высоких концентраций СO2 аналогичен действию кислородной недостаточности. Гигиенической нормой содержания СO2 в воздухе жилых и общественных помещениях принято считать 0,1%. Углекислый газ принято рассматривать как показатель загрязнения воздуха в помещениях.

Из других газов воздуха необходимо отметить озон (O3), который относится к активным газам, оказывающим влияние на здоровье человека. Однако естественное содержание озона у поверхности земли ничтожно и не представляет какой-либо опасности для здоровья. Наибольшие количества озона сосредоточиваются в атмосфере на высоте 25-30 км. Озон играет важную роль в защите от вредного действия коротких волн солнечной радиации, а также обладает способностью задерживать тепло, исходящее от земли и, таким образом, в некоторой степени препятствует охлаждению земной поверхности.

В воздухе могут находиться в виде примесей и другие газы, в том числе и вредные (сероводород, сернистый газ, аммиак, окись углерода и другие), что чаще всего имеет место вблизи промышленных предприятий. Среди примесей, загрязняющих воздух, первое место принадлежит пыли . Мероприятия по санитарной охране воздуха направлены к всемерному снижению содержания в воздухе этих вредных примесей.
Помимо состава воздуха, существенное значение для нормальной жизнедеятельности человека имеют также физические свойства воздуха: температура, влажность, подвижность, которые оказывают комбинированное действие на организм, увеличивая или уменьшая его теплоотдачу. Наиболее благоприятная для человека температура воздуха 18-20°. Чем тяжелей выполняемая человеком работа, тем ниже должна быть температура воздуха. Человек легко переносит колебания температуры, вследствие свойственной ему способности к .

Большое значение для нормального самочувствия человека имеет влажность воздуха. Наиболее благоприятна для человека относительная влажность воздуха 40-60%. Сухой воздух переносится человеком хорошо, высокая влажность действует крайне неблагоприятно: при высокой температуре воздуха она способствует перегреву организма, так как затрудняет испарение пота, а при низких температурах способствует его переохлаждению, так как влажный воздух отличается высокой теплопроводностью. Человек очень чувствителен к движению воздуха, вызывающему усиление теплоотдачи организма. При низких температурах ветер способствует быстрому переохлаждению тела. При высокой температуре или интенсивном солнце ветер предохраняет от перегрева, улучшает самочувствие.

В воздухе могут содержаться микроорганизмы, в том числе и болезнетворные. Загрязненный ими воздух может способствовать распространению некоторых заразных болезней, особенно так называемых капельных инфекций (грипп, дифтерия, корь, скарлатина, коклюш и другие), возбудители которых больной человек выделяет с капельками слюны и слизи при кашле, чихании, разговоре.

Необходимо всегда следить за чистотой воздуха в помещении: систематически мыть полы, проветривать комнаты путем устройства сквозняков, тщательно выколачивать пыль из мягкой мебели, ковров, портьер, постельных принадлежностей и одежды не реже одного раза в неделю.

Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.

Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.

1. Азот

Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:

• белков;
• аминокислот;
• нуклеиновых кислот;
• хлорофилла;
• гемоглобина и др.

В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.

2. Кислород

Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.

3. Аргон

Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.

4. Углекислый газ

Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».

5. Неон

Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.

6. Метан

Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.

7. Гелий

Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика 🙂 Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.

8. Криптон

Речь не идет о родине Супермена 🙂 Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.

9. Водород

Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.

10. Ксенон

Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.

Атмосферный воздух , который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В закрытых помещениях, заполненных людьми, процентное содержание углекислого газа в воздухе может быть несколько выше.

Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота (эти цифры приведены в перерасчете на сухой воздух, т. е. за вычетом паров воды, которыми всегда насыщен выдыхаемый воздух).

Состав выдыхаемого воздуха весьма непостоянен; он зависит от интенсивности обмена веществ организма и от объема легочной вентиляции. Стоит сделать несколько глубоких дыхательных движений или, напротив, задержать дыхание, чтобы состав выдыхаемого воздуха изменился.

Азот в газообмене не участвует, однако процентное содержание азота в видимом воздухе на несколько десятых долей процента выше, чем во вдыхаемом. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем объем вдыхаемого, а потому то же самое количество азота, распределяясь в меньшем объеме, дает больший процент. Меньший объем выдыхаемого воздуха по сравнению с объемом вдыхаемого объясняется тем, что углекислого газа выделяется несколько меньше, чем поглощается кислорода (часть поглощаемого кислорода используется в организме на обращение соединений, которые выделяются из организма с мочой и потом).

Альвеолярный воздух отличается от выдыхаемого большим процентом некислоты и меньшим процентом кислорода. В среднем состав альвеолярного воздуха таков: кислорода 14,2-14,0%, углекислого газа 5,5- 5,7%, азота около 80%.

Определение состава альвеолярного воздуха важно для понимания механизма газообмена в легких. Холден предложил простой метод для определения состава альвеолярного воздуха. После нормального вдоха исследуемый делает возможно более глубокий выдох через трубку длиной 1-1,2 м и диаметром 25 мм. Первые порции выдыхаемого воздуха,уходящие через трубку, содержат воздух вредного пространства; последние же порции, остающиеся в трубке, содержат альвеолярный воздух. Для анализа в газоприемник берут воздуха из той части трубки, которая находится ближе всего ко рту.

Состав альвеолярного воздуха несколько различается в зависимости от того, произведён ли забор пробы воздуха для анализа на высоте вдоха или выдоха. Если сделать быстрый, короткий и неполный выдох в конце нормального вдоха, то проба воздуха отразит состав альвеолярного воздуха после наполнения легких дыхательным воздухом, т. е. во время вдоха. Если же сделать глубокий выдох после нормального выдоха, то проба отразит состав альвеолярного воздуха во время выдоха. Понятно, что в первом случае процент углекислого газа будет несколько меньше, а процент кислорода несколько больше, чем во втором. Это видно из результатов опытов Холдена, который установил, что процент углекислого газа в альвеолярном воздухе в конце вдоха составляет в среднем 5,54, а в конце выдоха - 5,72.

Таким оораэом, имеется сравнительно небольшое различие в содержании углекислого газа в альвеолярном воздухе на вдохе и на выдохе: всего на 0,2-0,3%. Это в большой степени объясняется тем, что при нормальном дыхании, как сказано выше, ется всего, обновляется всего 1/7 объема воздуха в легочных альвеолах. Относительное постоянство состава альвеолярного воздуха имеет большое физиологическое значение, что выяснено ниже.