Углекислый газ часто используется в качестве защитной среды для GMAW сварки углеродистых сталей. В случае применения этого газа для других металлов, он может спровоцировать окисление сварных швов, ухудшить металлургические свойства металла. С углеродистыми сталями двуокись углерода взаимодействует наоборот. Он придает полезные свойства сварному шву и не способствует его деформации.

В чем сила углекислого газа для сварки?

Применяя чистый углекислый газ в качестве экранирующей среды не стоит рассчитывать на невероятно красивый сварной шов, но в сочетании с другими газами, например, с аргоном, можно рассчитывать на улучшения стабильности сварочной дуги, получить оптимальную текучесть металла в сварочной ванне, повысить прочность сварных швов.

Чтобы понять почему так важен углекислый газ для сварки стоит предварительно ответить на другие вопросы:

• Как возможна сварка с этим газом, если он способствует окислению?
• Что делает его таким особенным?

9 фактов и преимуществ углекислого газа

Вот некоторые основные причины, из-за которых диоксид углерода применяется в качестве защитного газа для дуговой сварки углеродистых сталей. 9 фактов

Улучшенное проникновение

Как защитный газ двуокись углерода обеспечивает лучшее проникновение и более глубокий провар. Таким образом наличие в экранирующей смеси углекислого газа улучшает физико-химические свойства свариваемого металла в области боковой стенки и корня шва.

Минимизация затрат

Одним из самых больших преимуществ, которое весьма повышает ценность углекислого газа для сварки среди других защитных газов, является его низкая стоимость. Применяя двуокись углерода вместо кислорода можно избежать окисления в металле сварного шва. Будучи тяжелее чем кислород, СО 2 обеспечивает лучшие характеристики экранирования. Но есть одно замечание. Чистый углекислый газ для сварки дешевле, чем аргон и гелий, но в сравнении с ними при его применении качество сварных швов становится хуже, могут быть сварочные брызги. Поэтому чаще всего он применяется в комбинации с иными газами, позволяя таким образом повысить производительность сварочных работ и снизить их себестоимость.

Эффективен в сочетании с другими газами

Как мы говорили, чистый углекислый газ при сварке не дает очень высоких результатов для большинства металлов. Но если его смешать с другими газами, можно добиться значительного улучшения качественных свойств сварного шва и параметров сварочной дуги. К примеру, в сочетании с инертными газами (тот же аргон, соотношение 75% Ar + 25% СО 2 или 82% Ar +18% СО 2 (по стандарту)), устраняется проблема разбрызгивания и дуговой нестабильности.

Если во время сварки углеродистых и легированных сталей плавящимся электродом использовать смесь углекислого газа (до 20%), кислорода (до 5%) и аргона, то можно упредить пористость шва, оптимизировать свойства сварочной дуги, улучшить формирование швов. Смеси, содержащие указанные компоненты, ассоциируются как универсальные. Применяя их, можно выполнять сварку с разными режимами: импульсным и циклическим с короткой дугой, струйным, крупнокапельным и ротационным переносом металла. Такие смеси помогают сваривать углеродистые и низколегированные стали разной толщины.

Углекислый газ может быть в составе тройных смесей (Ar +СО 2 + О 2) или только в сочетании с чистым кислородом (добавляется от 2 – 5% до 20%). В последнем случае двойная смесь способствует уменьшению потерь металла при разбрызгивании на 30-40%, так как перенос электродного металла стает мелкокапельным за счет поверхностного натяжения.

Стоит отметить, бинарные газовые смеси (Аг + СО 2) применяются при технике как обычного – так и импульсно-струйного переноса металла для большинства известных марок углеродистых сталей, нержавейки.

Предотвращение подреза сварного шва

Как известно, диоксид углерода является более плотным газом, он понижает звуковые колебания при сварке. Таким образом применение углекислого газа может предотвратить серьезные недостатки сварки, к которым относится подрез сварного шва.

Безопасность

Углекислота — это нетоксичный, а также не взрывоопасный газ. Если не соблюдать элементарных правил безопасности, превышение допустимой концентрации СО 2 более 92г/м 3 (5%) в закрытых помещениях, емкостях провоцирует кислородную недостаточность, удушье.

Хорошая вентиляция на рабочем месте является важным шагом, позволяющим сделать вашу работу более безопасной.

Защита от ржавчины

Углекислый газ в качестве защитной среды при сварке наименее чувствителен к возможной ржавчине на кромках (в разумных пределах, конечно) и предотвращает ее появление в сварном шве. С одной стороны, применение СО 2 защищает расплавленный металл и сварочную дугу от влияния окружающей атмосферы, с другой - этот газ разлагается при высокой температуре дуги на окись углерода и кислорода, проявляя окисляющее действие на расплавляемый металл. Для связывания кислорода и его удаления из сварочной ванны важным является повышенное количество раскислителей, таких, как кремний и марганец. Двуокись углерода с нормальным содержанием влаги при правильном сочетании с другими газами помогают предотвратить дефекты сварки, такие как пористость, непровар, непровар в металле сварного шва.

Простота и универсальность

• Возможность проведения работ в разных пространственных положениях в режимах автоматической и полуавтоматической сварки.
• Отсутствие необходимости в приспособлениях для подачи и отвода флюса.

Применение СО 2 является наиболее эффективным при сварке тонколистовых углеродистых сталей. Этот газ часто используется при кузовном ремонте легковушек, грузовиков. Тут преимущества наличия защитной среды СО 2 выявляются особенно четко.

Улучшение прочности сварного шва

В процессе сварки, подходящий состав газов и соответствующие расходные материалы являются первичными инструментами и факторами, влияющими на получение необходимой ударной вязкости металла в сварном шве. Диоксид углерода в сочетании с другими газами способствует повышению ударной вязкости сварного соединения.

Снижение поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение является еще одной проблемой для углеродистых сталей. Из-за этого для них проникновение расплава хуже. Наплавляемый металл в расплавленном состоянии приобретает высокое поверхностное натяжение, которое не можно уменьшить при использовании таких инертных газов как гелий, аргон и т.д. В этом случае диоксид углерода является единственным защитным газом, способным уменьшить интенсивность поверхностного натяжения, обеспечивает лучший провар. Таким образом описанные выше преимущества делают углекислый газ для сварки углеродистых сталей весьма важным инструментом хорошего сварного шва, особенно если речь идет о порошковых электродах.

Устаревшее - шипучие воды, просторечное - газировка.

Это прохладительный напиток из обычной ароматизированной или минеральной воды, насыщенной углекислым газом.

Виды. По уровню насыщения углекислым газом существует три вида газированной воды:

Слабогазированная, при уровне насыщения углекислым газом 0,2-0,3 %,

Среднегазированная - 0,3-0,4 %,

Сильногазированная - выше 0,4 %.

Производство. Газацию проводят двумя способами.

1. Механическим - насыщение жидкости диоксидом углерода, минеральные и фруктовые воды, газированные или шипучие вода и вина. Напитки газируются в специальных аппаратах - сатураторах, сифонах, акратофорах, металлических баках под давлением, пред этим охлаждая и выводя из воды воздух. Напитки насыщают до 5-10 г/л. Во время насыщения углекислым газом воды обеззараживания её не происходит.

2. Химическим - напиток газируют углекислотой при брожении: акратофорное и бутылочное шампанское, пиво, сидр, игристые вина, хлебный квас или при взаимодействии питьевой соды и кислоты - зельтерская вода (она же содовая).

Альтернативные углекислоте газы. Газированная вода производится и продаётся, она насыщена либо кислородом, либо смесью закиси азота и углекислого газа.

История. Газированная природная вода известна с древних времён. Использовалась она в лечебных целях. Гиппократ этой воде посвятил целую главу своего труда и больным велел её не только пить, но и купаться в ней. С 18 века минеральную воду из источников разливают в бутылки и развозят по миру. Но она дорогая была и быстро выдыхалась.

Английский химик Джозеф Пристли в 1767 году первым создал газированную воду.

В 1770 году швед Тоберн Бергман сконструировал аппарат, способный под давлением с помощью насоса насыщать воду пузырьками углекислого газа, и назвал его сатуратором (saturo - насыщать).

Промышленное производство газированной воды первым начал Якоб Швепп. В 1783 году он усовершенствовал сатуратор и построил установку для производства газированной воды.

Свойства углекислого газа в составе газированной воды.

Углекислый газ хорошо растворяется в воде, точно так же, как и другие газы, которые вступают с водой в химическое взаимодействие: диоксид серы, сероводород, аммиак и другие. Другие газы меньше расстворимы в воде. Углекислый газ служит консервантом и на упаковке обозначается кодом Е290.

Влияние на здоровье. В литейных цехах согласно Межотраслевым правилам по охране труда в литейном производстве следует предусматривать устройства, обеспечивающие работников подсоленой газированной водой, в составе которой 0,5% поваренной соли из расчёта 4-5 литров на человека в смену.

Слишком сильное увлечение сладкой газированной водой увеличивает вероятность ожирения, а также сахарного диабета. Во многих странах мира введён запрет на торговлю газированными напитками на территории школ.

Ух, ты!.. Вот, это да!.. Будьте здоровы!..

Углерод-это невероятный элемент. Расположить атомы углерода в одну сторону, и они становятся мягкими, податливее графита.

Переустановите расположение, и — престо! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.

Углерод также является ключевым компонентом для большей части жизни на Земле; пигмент, который сделал первые рисунки; и основой для технологических чудес, таких как графен, который является материалом, более сильным, чем сталь, и более гибким, чем резина. [См. Периодическую таблицу элементов].

Углерод встречается в природе как углерод-12, что составляет почти 99% углерода во Вселенной; углерод-13, что составляет около 1%, а углерода-14, что составляет незначительную сумму от общего углерода, а это очень важно в знакомствах органических объектов.

Углерод является уникальным по своим свойствам, поскольку он образует ряд компонентов выше, чем общее добавление всех других элементов в сочетании друг с другом.

Физические и химические свойства углерода зависят от кристаллической структуры элемента.

• Атомный номер (число протонов в ядре): 6
• Атомный символ (на периодической таблице элементов): с
• Атомная масса (средняя масса атома): 12.0107
• Плотность: 2.2670 граммов на кубический сантиметр
• Фазы при комнатной температуре: Твердый
• Точка плавления: 6,422 градусов по Фаренгейту (3,550 градусов C)
• Точка кипения: 6,872 Ф (3,800 с) (сублимации)
• Количество изотопов: 15 общий; двух стабильных изотопов, в которых расположены атомы одного элемента с разным количеством нейтронов.
• Наиболее распространенных изотопов: углерода-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерода-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)
• Радиус Vanderwaals 0.091 нм
• Ионный радиус 0.26 нм (-4) ; 0,015 нм (+4)
• Изотопы 3
• Электронные оболочки [ Он ] с 2S 2 2Р 2
• Энергия первой ионизации 1086.1 кДж.моль -1
• Энергия второй ионизации 2351.9 кДж.моль -1
• Энергия третьего ионизации 4618.8 кДж.моль -1

Углерод: от звезд к жизни

Согласно шестому по численности числу элементов во Вселенной, углерод образуется в внутри звезд в реакции, называемой тройным альфа-процессом, согласно Центру астрофизики.

В старых звездах, которые сжигали большую часть своего водорода, сохраняется оставшийся гелий. Каждое ядро гелия имеет два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100 000 000 Кельв. (179,999,540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала как пары в неустойчивые 4-протонные бериллиевые ядра, а в конечном итоге, по мере того, как появляются достаточное количество ядер бериллий, в бериллий и гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углеродом.

Углерод — производитель шаблонов. Он может связываться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он может также связываться с четырьмя другими атомами из-за его расположения электронов. Атомы расположены как ядро, окруженное электронным облаком, причем электроны движутся вокруг на разных расстояниях от ядра. Согласно данным Университета Калифорнии Дэвис, химики понимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.

У углерода есть две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из возможных восьми пространств. Когда атомы связаны, они делят электроны в их внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства в своей внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим числом атомов путем образования двойных и тройных связей).

Другими словами, у углерода есть варианты. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и ученые считают, что углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений. Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что это имеет решающее значение почти для всей жизни.

Углерод в организмах

Открытие углерода уходит в историю. Элемент был известен доисторическим людям в форме древесного угля. По словам Всемирной ассоциации угля, углерод как уголь по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, еще одна форма углерода, является обычной промышленной смазкой.

Углерод-14 представляет собой радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для современных организмов и останков. Углерод-14 естественным образом встречается в атмосфере. По словам Университета штата Колорадо, растения принимают его в дыхании, в котором они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Живые организмы включают углерод-14 в свои тела, употребляя в пищу растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.

Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает на некогда живых организмах, включая предметы из дерева или другого растительного материала.

Углерод получает свое название от латинского слова carbo, что означает уголь.

• Бриллианты и графит являются одними из самых твердых и самых мягких природных материалов, известных, соответственно. Единственная разница между ними — их кристаллическая структура.
• Согласно Энциклопедии Земли, углерод составляет 0,032 процента земной литосферы (коры и внешней мантии). Грубая оценка веса литосферы геологом Университета Ла Сальла Дэвидом Смитом составляет 300 000 000 000 000 000 000 000 (или 3 * 10 ^ 23) фунтов, что делает приблизительный вес углерода в литосфере 10 560 000 000 000 000 000 000 000 (или 1.056 * 10 ^ 22) фунтов.
• Двуокись углерода (атом углерода плюс два атома кислорода) составляет около 0,04 процента земной атмосферы, согласно Национальному управлению океанических и атмосферных исследований (NOAA) — увеличение по сравнению с доиндустриальными временами из-за сжигания ископаемого топлива.
• Окись углерода (атом углерода плюс один атом кислорода) является запахом газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Угарный газ убивает путем связывания с гемоглобином, кислородсодержащим соединением в крови. Углекислый газ связывается с гемоглобином в 210 раз сильнее, чем кислород, связывается с гемоглобином, эффективно вытесняя кислород.
• Алмаз, самая яркая версия углерода, формируется под большим давлением глубоко в земной коре. Самый крупный алмаз из драгоценного камня, который когда-либо был найден, был алмазом Cullinan, который был обнаружен в 1905 году. Необработанный алмаз составлял 3 106,75 карата. Самый большой камень, вырезанный из алмаза, на 530,2 карата, является одним из Королевских Драгоценностей Соединенного Королевства и известен как Великая Звезда Африки.
• Согласно данным исследования 2009 года в журнале «Археологическая наука», татуировки Ötzi the Iceman, трупов которым 5300 лет, найденные в Альпах, были сделаны из углерода. Были сделаны небольшие разрезы на коже, уголь втирался, возможно, как часть лечения иглоукалыванием.

Новые молекулы углерода

Молекулы углерода — это давно изученный элемент, но это не значит, что его больше не найти. Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки жгли как древесный уголь, может стать ключом к технологическим материалам следующего поколения.

В 1985 году Рик Смалли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги обнаружили новую форму углерода. По словам Американского химического общества, испарив графит с помощью лазеров, ученые создали таинственную новую молекулу из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой шара, состоящей из 60 атомов углерода. Новая молекула углерода теперь более известна как «buckyball». Исследователи, которые её обнаружили, выиграли Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Было установлено, что бакиболы препятствуют распространению ВИЧ, согласно исследованию, опубликованному в 2009 году в Журнале химической информации и моделирования; медицинские исследователи работают над прикреплением лекарств, молекулы к молекулам, к бакиболам, чтобы доставлять лекарства непосредственно на участки инфекции или опухоли в организме; это включает исследования Колумбийского университета.

С тех пор были обнаружены другие новые чистые молекулы углерода — фуллерены, в том числе эллиптические и углеродные нанотрубки с удивительными проводящими свойствами. Углеродная химия все еще достаточно горячая. Исследователи из Японии и США занимаются выяснением того, как связывать атомы углерода вместе с использованием атомов палладия, что позволяет производить сложные новые молекулы углерода.

Графен

Говоря простым языком, графен , представляет собой тонкий слой чистого углерода; это отдельный, плотно уложенный слой атомов углерода, которые скреплены вместе в гексагональной гексагональной решетке. В более сложных условиях, это аллотроп углерода в структуре самолет из SP2 атомами с в молекуле длина связи 0.142 нм. Слоев графена, сложенных на вершине друг друга, образуют графит, с межплоскостным расстоянием 0.335 нм.

Это тончайшее соединение, известное человеку, в один атом толщиной, легкий материал известен (с 1 кв. м идет около 0.77 миллиграмм), сильнейший обнаруженное соединение (от 100 до 300 раз прочнее стали и с прочностью на жесткость 150,000,000 пс), лучшим проводником тепла, при комнатной температуре (в (4.84±0.44) × 10^3 к (5.30±0.48) × 10^3 Вт·м−1·К−1) а также лучший проводник электричества (исследования показали, подвижность электронов при значениях более 15 000 см2·в−1·с−1). Другие известные свойства графена его уникальные уровни поглощения света в πα ≈ 2.3% белого света, и его потенциальную пригодность для использования в спиновой транспорт.

Имея это в виду, вы могли быть удивлены знать, что углерод является вторым наиболее распространенным материалом в организме человека и четвертый по распространенности элемент во Вселенной (по массе), после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой для всех известных форм жизни на земле, поэтому графен вполне может быть экологически чистым, устойчивым решением для почти безграничного количества приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена, достижения в рамках разных научных дисциплин взорвались, с огромными достижениями, особенно в области электроники и биотехнологии.

Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой крохотную, соломенно-подобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти трубки чрезвычайно полезны в широком спектре электронных, магнитных и механических технологий. Диаметры этих трубок настолько малы, что они измеряются в нанометрах. Нанометр составляет одну миллиардную часть метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки по меньшей мере в 100 раз прочнее стали, но только на одну шестую, как тяжелые, поэтому они могут добавлять силу практически к любому материалу. Они также лучше, чем медь при проведении электричества и тепла.

Нанотехнологии применяются чтобы превратить морскую воду в питьевую. В новом исследовании ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) разработали процесс углеродных нанотрубок, который может вывести соль из морской воды гораздо эффективнее традиционных технологий.

В исследовании нанотрубок ученые подражали тому, как структурированы биологические мембраны: по существу матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно мелкие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти крошечные нанотрубки обеспечивают очень высокий поток воды, но настолько узкий, что через трубку может проходить только одна молекула воды. И самое главное, солевые ионы слишком велики, чтобы вписаться в трубку.

Исследователи считают, что новое открытие имеет важные последствия для следующего поколения как процессов очистки воды, так и технологий с высоким потоком мембран.

Ходим ли мы, бегаем, думаем и даже мечтаем - абсолютно для любых действий и процессов нужна энергия . Когда мы про­сто лежим, организм продолжает тратить энергию. Даже во сне расход энергии не прекращается ни на секунду: бьется сердце, сокращаются дыхательные мышцы, работает выделительная система и бегут по нервам импульсы. В этом непрерывном об­мене веществ и энергии заключается одно из основных отличий живых организмов от неживой природы.

Самый эффективный путь получения заветных калорий - окислительные процессы при участии кислорода. Именно чтобы обеспечить организму бесконечное окисление содержащихся в нем органических веществ, происходит процесс дыхания. Под дыханием обычно подразумевают постоянные вдохи и выдохи , которые совершают легкие. Однако это внешнее дыхание, пер­вая ступень сложнейшего процесса.

Попав в кровь, кислород в составе белка гемоглобина движется по кровеносной системе и доставляется в каждую клеточку тела. Там, где капилляры не могут подойти непосредственно к клетке, роль посредника выполняет межклеточная жидкость. Только в клетке, а именно в ее части, называемой митохондрией, происходят процессы окисления, в результате которых выделяется необходимая нам энергия.

Откуда берется материал для окисления? Пища - жиры, белки и углеводы - вот топливо, которое медленно, но верно сгорает в кислородной «топке» нашего тела.

Как при любом производстве, здесь не обходится без отходов. Отходами процесса дыхания являются углекислый газ и вода , ко­торые покидают организм различными путями: углекислый газ проделывает тот же путь, что и кислород, но в обратном порядке (клетка - кровь - легкие), вода удаляется через легкие (с во­дяными парами), почки (с мочой), кожу (с потом) и кишечник.

Какие силы в легких заставляют кислород устремляться в кровь, а углекислый газ - покидать ее?

Любой газ в составе смеси (в данном случае такой смесью будет вдыхаемый нами воздух) обладает собственной силой, называемой парциальным давлением. Такой же силой облада­ют и газы, растворенные в жидкой среде (в нашем примере жидкость - это кровь), только здесь эта сила называется на­пряжением. Обе силы измеряются в миллиметрах ртутного столба. Вся «сцена» обмена разыгрывается в легочных пузырь­ках - альвеолах, которые, как гроздья винограда, висят на концах самых мелких бронхов. Стенка альвеолы образована слоем альвеолярных клеток, слоем клеток капилляра и слоем соединительной ткани между ними и служит границей между воздушной средой легких и кровью капилляров. Она очень тонкая - общая толщина всех трех слоев всего 1 мкм - и явля­ется весьма незначительной преградой для газов.

Если парциальное давление газа в газовой смеси больше, чем напряжение этого же газа в жидкости, газ стремится проникнуть в жидкость и раствориться в ней, и наоборот, если напряжение газа в жидкости больше его парциального давления в газовой смеси, газ покидает жидкость. Например, в природе таким способом атмосферный кислород попадает в водоемы - реки и озера, а углекислый газ - из водоемов в атмосферу.

Как происходит газообмен в легких? На уровне моря во вдыхаемом нами воздухе парциальное давление кислорода со­ставляет около 100 мм рт. ст., а его напряжение в венозной кро­ви -40 мм рт. ст. Естественно, кислород «давит» в газе сильнее, чем «напрягает» в жидкости, и эта сила заставляет его поступать в кровь, пока давление и напряжение кислорода не уравнове­сятся. Кровь протекает через капилляры легких за 0,5 с, а чтобы кровь из венозной превратилась в артериальную, достаточно половины этого времени. При здоровом состоянии человека артериальная кровь насыщается кислородом на 95-97 %.

Для углекислого газа картина обратная. Его парциальное давление в альвеолах - 40 мм рт. ст., а напряжение в кро­ви - 46 мм рт. ст., поэтому углекислый газ «выталкивается» из крови, пока не наступит равновесие. Несколько странным может показаться факт, что, несмотря на меньшую разницу между напряжением и давлением, углекислый газ покидает кровь в 20 раз быстрее, чем кислород проникает в нее. Это про­исходит потому, что растворимость углекислого газа в 25 раз больше, чем кислорода. Тем не менее артериальная кровь наряду с кислородом всегда содержит небольшое количество углекислого газа.

Дыхание до некоторой степени контролируется сознанием. Мы можем заставить себя дышать чаще или реже, а то и во­все задержать дыхание. Однако как бы долго мы ни старались сдерживать вдох, наступает момент, когда это становится не­возможным. Сигналом для очередного вдоха служит не недо­статок кислорода , что могло бы показаться логичным, а избыток углекислого газа . Именно накопившийся в крови углекислый газ является физиологическим стимулятором дыхания . После открытия роли углекислого газа его начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательно­го центра. Этот же принцип используют при наркозе.

В нормальных условиях в состоянии покоя человек совер­шает около 15 дыхательных циклов, то есть вдох-выдох проис­ходит каждые 4-5 с. Если искусственно понизить содержание углекислого газа в крови путем гипервентиляции, выполнив шесть-восемь частых глубоких вдохов и выдохов, то после по­следнего выдоха наступает интересное состояние - на некото­рое время исчезает потребность дышать. Желание сделать вдох появляется примерно через 0,5 мин вместо обычных 4-5 с. Это происходит потому, что при гипервентиляции углекислый газ активно удаляется из организма и его напряжение в артериаль­ной крови значительно падает. Теперь для возбуждения дыха­тельного центра потребуется больше времени, пока содержание углекислого газа не достигнет нужного уровня. Чем чревата гипервентиляция для ныряльщиков, вы узнаете позже.

Примером гипоксии, часто приводящей к смерти, является отравление угарным газом . Особенно велико его содержание в автомобильных выхлопах. Коварство этого газа в том, что он не имеет цвета и запаха . Единственный признак начинающе­гося отравления - непреодолимое желание спать. Угарный газ, как и кислород, соединяется с гемоглобином, но эта связь в 300 раз прочнее. Чем дольше человек дышит угарным газом, тем меньше кислорода остается в его крови. Единственное, что может спасти человека при тяжелом отравлении, - срочное переливание крови, так как при этом в организм поступят эри­троциты, свободные от угарного газа и способные переносить кислород.

Отравление угарным газом - это крайний случай гипок­сии. В целом у человека, как и у других живых существ, есть разнообразные приспособления для борьбы с недостатком кис­лорода -учащение дыхания, усиление выработки красных кле­ток крови и ускорение синтеза гемоглобина. Если содержание кислорода и меняется в окружающей среде, то исключительно в сторону уменьшения, а вот от избытка кислорода организму защищаться нечем.

Как ни странно, при дыхании чистым кислородом наступа­ет отравление организма , а затем гибель от асфиксии, то есть удушья. Если во вдыхаемом воздухе содержание кислорода чрезмерно велико, гемоглобин крови на 100 % насыщается кислородом, а молекулы кислорода, которым не хватило места в эритроцитах, растворяются в крови и отправляются в «сво­бодное плавание». По мере того как эритроциты отдают кис­лород клеткам, его «свободно плавающие» молекулы занимают освободившееся место. Проходя через капилляры, эритроциты не успевают забрать основную массу углекислого газа, так как 75 % его переносится к легким именно эритроцитами и только 25 % растворяется в плазме крови. Тогда молекулы углекислого газа остаются не удел, ведь «оседлать» эритроциты они могут, только пока те плывут по капиллярам, поскольку газообмен происходит исключительно в этих сосудах. Так вместо венозной крови по венам течет кровь, полная кислорода, а углекислый газ остается в клетках и провоцирует приступ удушья.

В легких кровь снова насыщается кислородом сверх нормы, и история повторяется. Очень быстро количество углекислого газа в клетках и тканях становится настолько ощутимым, что краснеет лицо, появляются одышка, головная боль и судороги (подергивания в мышцах губ, век, лица и пальцев рук и ног), и в конце концов человек теряет сознание, а «беспризорный» кислород продолжает наводить свои порядки. Его молекулы чрезвычайно активны и тратят окислительные силы направо и налево. В первую очередь они разрушают клеточные мембра­ны, которые состоят главным образом из легко окисляющихся липидных (жироподобных) молекул. Несколько сотен окислен­ных молекул липида могут запустить цепную реакцию самораз­рушения всей клетки. Распадающиеся молекулы уже не просто неспособны выполнять свои функции - они очень токсичны. Разрушаются клетки легких и кровеносных сосудов, страдают сердце, печень, головной и спинной мозг. В атмосфере чистого кислорода человек может выжить не более суток .

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Венозная кровь окрашена в темно-вишневый цвет, а в тропиках она приобретает алый оттенок. Это происходит потому, что в теплом и влажном климате человеку требуется меньше энергии для под­держания процессов жизнедеятельности и нормальной температу­ры тела. Следовательно, организм потребляет меньше кислорода, поэтому в вены возвращается кровь, богатая кислородом. Самые потребляющие кислород органы - сердечная мышца и го­ловной мозг. На 1 мм 2 этих органов приходится 2,5-3 тыс. капилля­ров, тогда как на 1 мм 2 скелетной мышцы - только 0,3-1 тыс. ка­пилляров.

Около 15 % всего кислорода, который поступает в организм в со­стоянии покоя, потребляет сердце.

При вдохе сокращения сердца учащаются, а при выдохе - за­медляются.

Общая площадь альвеол у взрослого человека примерно в 50 раз больше поверхности тела.

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.