网站地图
hnsjyk999.com
三九百科 包罗万象
一氧化碳 发布于:

一氧化碳(carbon monoxide),一种碳氧化合物,化学式为CO,化学式量为28.0101,通常状况下为是无色、无臭、无味的气体。物理性质上,一氧化碳的熔点为-205℃,沸点为-191.5℃,难溶于水(20℃时在水中的溶解度为0.002838 g ),不易液化和固化。化学性质上,一氧化碳既有还原性,又有氧化性,能发生氧化反应(燃烧反应)、歧化反应等;同时具有毒性,较高浓度时能使人出现不同程度中毒症状,危害人体的脑、心、肝、肾、肺及其他组织,甚至电击样死亡,人吸入最低致死浓度为5000 ppm(5分钟)。工业上,一氧化碳是一碳化学的基础,可由焦炭氧气法等方法制得,主要用于生产甲醇和光气以及有机合成等。

在古希腊时代,哲学家亚里士多德(Aristotle,前384年-前322年)曾记录了燃烧的煤炭散发有毒烟气(toxic fumes)的现象。当时有这样一种执行死刑的方法:将罪犯关在一间浴室,并在浴室内放置文火燃烧的煤炭(smouldering coals)。对此,古希腊医生盖伦(Galen,129年-199年)推测,由于浴室内空气的组成(composition)发生了变化,因此呼入后会对人体造成伤害。

之后,比利时化学家海尔蒙特(即扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特,Jan Baptista van Helmont,1580年-1644年)曾在实验中研究燃烧木炭和其他可燃物生成的碳气(gas carbonum),发现由文火燃烧的木炭(smouldering charcoal)产生的一种有毒气体能危及自己的生命,并记述了自己被燃烧的木炭的烟熏时的症状——一氧化碳中毒的症状。

1776年,法国化学家拉索纳(即约瑟夫·玛丽·弗朗索瓦·拉索纳,Joseph Marie François de Lassone,1717年7月3日-1788年12月6日或8日,又译“J.M.F.德拉松” 、“拉索内” 、“赖森” 、“列桑” 和“拉逊” 等)通过加热锌白和木炭而制得了一氧化碳气体。但由于一氧化碳燃烧时产生了与氢气类似的蓝色火焰,拉索纳在《皇家科学院备忘录》(Mém. de l 'Acad. Roy des Sciences)(Vol. XC)中错误地把制得的一氧化碳气体描述为“一种性质极怪异的可燃空气”——氢气。 之后,普里斯特利(即约瑟夫·普里斯特利,Joseph Priestley,1733年-1804年)在1785年利用木炭加热铸皮(氧化铁)制备了一氧化碳,但由于信奉“燃素说”,他也误以为制得的是“可燃空气”。

1801年,《尼克森杂志》(Nicholson’s Journal)上发表了苏格兰化学家克鲁克尚克(即威廉·康伯兰·克鲁克尚克,William Cumberland Cruikshank,1745年-1800年6月27日,又译“威廉·克鲁克香克” 等)的2篇报告,证明了普里斯特利所谓的“可燃空气”是由碳元素和氧元素组成的化合物。

1846年,法国生理学家克劳德·伯纳德(Claude Bernard,1813年-1878年)让狗吸入一氧化碳气体,发现狗的血液“变得比任何动脉中的血都要鲜红”,这是最早对一氧化碳毒性进行的研究(血液变成“樱桃红色”的现象后来被证实为是一氧化碳中毒的特有的临床症状)。

CO分子是由一个C原子和一个O原子结合成的异核双原子分子,分子形状为直线形。

根据电子配对法(价键理论),C原子(1s2s2px2py)和O原子(1s2s2px2py2pz)各含两个未成对的电子,由此可以构成两个共价键:一个是2px沿x轴偶合构成的σ键,另一个是2py电子沿x轴“肩并肩”构成π键。其结构应该是一般的双键结构:

而按照分子轨道法(分子轨道理论),可以自然地得到CO分子具有三重键的结构。按照分子轨道法,CO分子轨道是由C原子轨道和O原子轨道组合而成的,CO分子轨道形成式为

从CO分子轨道形成式来看,CO分子和N2分子结构十分相似,都是以三重键(σ+π+π)结合的:一个σ键(

其分子轨道能级图为:

由于是CO分子是以三重键结合的,故CO的键长比一般碳氧双键短、键能比一般碳氧双键大;同时,由于O原子的电负性比C原子的高,电子云应该偏向O原子,从而CO分子应该有较大的偶极矩,但CO分子中形成配位键的电子对是由O原子单独提供的,使电子云又反馈到C原子上,在一定程度上补偿了因O原子和C原子间电负性差所造成的极性,使得CO分子偶极矩很小,与CO分子偶极矩很小的事实一致。

在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、难溶于水的气体, 其物理常数如下表:

性质

条件或符号

单位

数值

熔点

摄氏度(℃)

-205

三相点

15.3 kPa

摄氏度(℃)

-205.1

沸点

101.325 kPa

摄氏度(℃)

-191.5

相对密度

液态,水=1

0.793

相对蒸气密度

空气=1

0.967

比容

21.1℃,101.325 kPa

立方米每千克(m/kg)

0.8615

蒸气压

-203.43℃

千帕(kPa)

20

-180℃

305

140℃

3500

临界温度

摄氏度(℃)

-140.2

临界压力

千帕(kPa)

3499

临界密度

千克每立方米(kg/m)

301

辛醇/水分配系数

1.78

黏度

101.325kPa,0℃

毫帕斯卡秒(mPa·s)

0.01662

表面张力

-100℃

牛每米(N/m)

0.0098

在空气中可燃范围

20℃,101.325kPa

12.5%~74%

在空气中的最低燃点

101.325kPa

摄氏度(℃)

630

(表格参考资料: )

一氧化碳分子是不饱和的亚稳态分子,在化学上就分解而言是稳定的。常温下,一氧化碳不与酸、碱等反应,但与空气混合能形成爆炸性混合物,遇明火、高温能引起燃烧、爆炸,属于易燃、易爆气体。因一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2,能被氧化成+4价,具有还原性;且能被还原为低价态,具有氧化性。

1氧化反应(燃烧反应)

一氧化碳能够在空气中或氧气中燃烧,生成二氧化碳:

2.歧化反应(分解反应)

由于一氧化碳分子中碳氧键很牢固,需要有很高的活化能,故一氧化碳实际上不能进行无催化分解。当一氧化碳活性吸附在某些物质的晶体表面上时,才有可能进行分解。这些物质中以铁居首位,有铁参与的一氧化碳分解机理可以表示为:

总的化学反应方程式为:

3.变换反应

在一定条件下,一氧化碳和水蒸气等摩尔反应生成氢气和二氧化碳:CO + H2O → H2+ CO2。在工业装置中,早期的一氧化碳变换反应通常分两段进行,即高(中)温变换和低温变换。高(中)温变换用铁系作催化剂,典型水蒸汽和一氧化碳比为3左右,在温度为300~500℃、空速为2000~4000 h的条件下,高温变换炉出口一氧化碳含量为2%~5%;低温变换用高活性铜锌催化剂,在温度为180~280℃、空速为2000~4000 h的条件下,低温变换炉出口一氧化碳含量为0.2%~0.5%。

4.加氢反应

在不同的反应条件和催化剂作用下,一氧化碳加氢可合成多种有机物,如:合成甲醇、费托(Fischer-Tropsch)法合成烃(费托合成)、合成甲烷(甲烷化反应)、合成乙二醇、合成聚亚甲基(polymethylene)等。

(1)合成甲醇

选用铜-锌-铬催化剂,在温度为230~270℃、压力为5~10MPa、空速为20000-60000 h的条件下,一氧化碳和氢气反应生成甲醇:CO + 2H2→CH3OH。

(2)费托合成

一氧化碳和氢气的混合气体在催化剂(如铁钴催化剂)和适当条件(温度为190~350℃、压力为0.7~20 MPa)下可以反应生成液态的烃或碳氢化合物(hydrocarbon)。 这一反应为非均相反应,反应产物是以直链烷烃和烯烃为主的混合物,可用以下反应通式表示:

(3)甲烷化反应

以镍作催化剂,在温度为230~450℃、压力为0.1~10 MPa、空速为500-25000 h的条件下,氢气与一氧化碳之比不小于3时,可反应生成甲烷:CO + 3H2→CH4+H2O。这一反应为多相催化的气相反应,是费托合成的特例。

(4)合成乙二醇

以羰基铑络合物作催化剂,在温度为150~300℃和极高压力(约300 MPa)下,氢气与一氧化碳(氢气与一氧化碳之比接近1)转化为多元醇的选择性为60%~70%。其中,以乙二醇(HOCH2CH2OH)为主:2CO + 3H2→HOCH2CH2OH。反应在液相溶液中进行,副产物有丙二醇、丙三醇、甲醇、乙酸甲酯以及少量的高级醇等。

(5)合成聚亚甲基

以金属钌作催化剂,一氧化碳和氢气在有利于甲烯(CH2)合成的压力(100~200 MPa)和温度(100~120℃)下,一氧化碳大部分与氢气反应生成聚亚甲基〔n(CH2)〕:

5配位反应

一氧化碳可以和大部分过渡金属反应而生成羰络金属及其衍生物。 如在常温、常压下,一氧化碳可直接与活性金属镍粉反应而生成无色液体四羰基合镍〔Ni(CO)4〕:

6与有机物反应

(1)与醇反应

①甲醇催化羰基化:一氧化碳与醇反应可以制羧酸,如甲醇催化羰基化制乙酸:CO+CH3OH→CH3COOH。采用不同催化剂,反应条件不相同:巴斯夫(BASF)工艺用碘改性的钴催化剂,相应的反应温度为250℃、压力为68 MPa,乙酸的选择性以甲醇计算为90%,以一氧化碳计算为70%;孟山都(Monsanto)工艺用铑-碘催化剂(Rh/I2),相应的反应温度为150~250℃、压力为1~4 MPa,乙酸的选择性以甲醇计算为99%,以一氧化碳计算为90%。

②强碱催化羰基化:以强碱(NaOH)催化,在温度为170~190℃、压力为1~2 MPa的条件下,一氧化碳与甲醇反应生成甲酸甲酯:CO + CH3OH → HCOOCH3

③氧化羰基化:在温度为90℃、压力约为10 MPa、有氧参反应与时,一氧化碳可以和甲醇反应生成碳酸二甲酯或草酸二甲酯:2CO + 4CH3OH+ O2→ 2(CH3O)2CO + 2H2O或4CO + 4CH3OH+ O2→ 2CH3O-CO-CO-OCH3 + 2H2O。若选用氯化亚铜催化剂,则生成碳酸酯;若选用氯化钯和氯化铜的混合物作催化剂,则生成草酸酯。

④醇的同系化反应:一氧化碳和醇在有氢气存在的情况下反应而生成高一级的醇。如以羰基钴作催化剂,在温度为200℃、压力为30 MPa的条件下,一氧化碳和甲醇、氢气反应生成乙醇:CO + CH3OH+ 2H2→ CH3CH2OH + H2O。

(2)与不饱和烃反应羰基

①雷佩(Reppe)反应(氢羧基化反应):一氧化碳与不饱和烃、水的羰基化反应。如以钴或铑作催化剂,在温度为175~195℃、压力为3~7 MPa的条件下,一氧化碳与乙烯、水反应生成丙酸:CO + H2C=CH2 +H2O → CH3CH2COOH。

②氢酯基化反应:一氧化碳与不饱和烃、醇的羰基化反应。如以羰络镍作催化剂,一氧化碳与乙炔、甲醇可以在接近常温常压的条件下反应生成丙烯酸甲酯:CO + HC≡CH+ CH3OH → H2C=CHCOOCH3

③氧化羰基化:一氧化碳与不饱和烃、氧气反应生成羧酸或酯。如以氯化钯或氯化铑作催化剂,在温度为110℃、压力为10 MPa的条件下,一氧化碳与乙烯、氧气反应生成丙烯酸:2CO + 2H2C=CH2+O2→ 2H2C=CH-COOH。

(3)其他反应

除了与醇和不饱和烃反应外,一氧化碳还可以与醛、醚、酯、胺、卤代烃、芳香烃及其衍生物反应。如:

①以氢氟酸作催化剂,在温度为常温、压力为7 MPa的条件下,一氧化碳与甲醛、水反应生成乙醇酸:CO + HCHO+ H2O→ HOCH2COOH。

②同系化反应:以钯和铑的碘化物作催化剂,在温度为135~160℃、压力为30 MPa的条件下,一氧化碳和氢气的混合气体与乙酸甲酯反应而生成亚乙基二乙酸酯:2CO + 2CH3COOCH3+ H2→ CH3CH(OOCCH3)2 +CH3COOH。

③以甲醇钠作催化剂,在温度为60~130℃、压力为0.5~0.9 MPa的条件下,一氧化碳与二甲胺在溶液中反应生成二甲基甲酰胺(DMF):CO + (CH3)2NH→ (CH3)2NCHO。

④加特曼-科赫反应:在氯化亚铜和氯化铝的作用下,芳香烃可与一氧化碳和干燥的氯化氢反应而生成相应的芳香甲醛。如苯可与一氧化碳和干燥的氯化氢反应而生成苯甲醛:Ph + CO +HCl → Ph-CHO + HCl。(Ph表示苯基)

7与金属氧化物反应

高温下,一氧化碳能将许多金属氧化物还原成金属单质,如:①将黑色的氧化铜还原成红色的金属铜:

总的化学反应方程式为:

8.与五氧化二碘

在65~70℃间,一氧化碳能与五氧化二碘(I2O5)反应生成碘单质(I2):

9.与氯气反应

以活性炭作催化剂,在正压力和500 K温度下,等摩尔的一氧化碳和氯气混合,可以反应生成碳酰氯(俗称“光气”):

10.与氯化钯反应

常温下,一氧化碳可以将氯化钯溶液中氯化钯(PdCl2)的还原成金属钯:

在许多工业过程中都产生一氧化碳,例如合成氨原料气、黄磷生产尾气以及钢铁工业的高炉气和转炉气。从一氧化碳资源来说,钢厂气数量庞大。对一氧化碳纯度要求高、需要量不是特别大的场合,往往建立一氧化碳的生产装置,或利用处理成本较低的副产煤气。常用的方法有焦炭氧气法、二氧化碳和木炭还原法二氧化碳通入电炉的木炭层被还原成一氧化碳、合成氨铜洗再生气法。

实验室一般使用浓硫酸催化或加热草酸制取一氧化碳,反应方程式为:

取一个1 L的圆底烧瓶,接上磨口的滴液漏斗和气体导出管,制成一个气体发生装置。往其中加入大约占总容积2/3的浓磷酸,水浴加热至80℃,然后慢慢滴入甲酸,此时有气泡产生:

在化学工业中,一氧化碳是一碳化学的基础。 作为合成气和各类煤气的主要组分,一氧化碳是合成一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料,由一氧化碳出发,可以制取几乎所有的基础化学品,如氨、光气以及醇、酸、酐、酯、醛、醚、胺、烷烃和烯烃等。同时,利用一氧化碳与过渡金属反应生成羰络金属或羰络金属衍生物的性质,可以制备有机化工生产所需的各类均相反应催化剂。 此外,一氧化碳可在聚乙稀聚合反应中用作终止剂。

在冶金工业中,利用羰络金属的热分解反应,一氧化碳可用于从原矿中提取高纯镍,也可以用来获取高纯粉末金属(如锌白颜料)、生产某些高纯金属膜(如钨膜和钼膜等)。同时,一氧化碳可用作精炼金属的还原剂 ,如在炼钢高炉中用于还原铁的氧化物(方程式见“理化性质·化学性质”);而在多晶态钻石膜的生产中,则可用研究级一氧化碳(≥99.99%)为化学气相沉积工艺过程提供碳源。此外,一氧化碳和氢气组成的混合物(合成气)可用于生产某些特殊的钢,如直接还原铁矿石生产海绵铁。

除了化学工业和冶金工业两方面的应用外,一氧化碳还可用作燃料 ,高纯一氧化碳则主要用作标准气体,一氧化碳激光器,环境监测及科学研究中 。其中,一氧化碳标准气体可应用于石油化工工艺控制仪器的校准和检测、石油化工产品质量的控制、环境污染物检测、汽车尾气排放检测、矿井用报警器的校准、各种工厂尾气的检测、医疗仪器校验、电力系统变压器油质量检测、空分产品质量控制、交通安全检测仪器的校正、地质勘探与地震监测、冶金分析、燃气具实验与热值分析、化肥工业仪器仪表校准等。

此外,一氧化碳常用于鱼、肉、果蔬及袋装大米的保鲜,特别是生鱼片的保鲜,又因可以使肉质品色泽红润而被作为颜色固定剂。

疏水参数计算参考值(XlogP)

0.7

氢键受体数量

1

拓扑分子极性表面积(TPSA)

1

重原子数量

2

复杂度

10

共价键单元数量

1

(表格参考资料: )

发色机理

动物体内红色素主要有肌红蛋白和血红蛋白两种,其中肌肉中以肌红蛋白为主,主要负责接收毛细血管中的氧并将之扩散到细胞组织。肌红蛋白由球蛋白分子和含铁血红素分子组成,其存在形式有脱氧肌红蛋白(deoxymyoglobin,Mb)、氧合肌红蛋白(oxymyoglobin,MbO2)和高铁肌红蛋白(metmyoglobin,MetMb),其中肌肉色泽的变化主要由肌红蛋白含量和肌红蛋白存在形式决定。动物体内肌红蛋白的变化形式如图:

在动物生存时,肌肉中的肌红蛋白以两种形式存在:与氧结合形成鲜红色的氧合型肌红蛋白,不与氧结合时成暗红色脱氧合肌红蛋白。动物死后,当肌肉组织爆露于空气中以后,肌红蛋白自动氧化生成暗褐色的高铁肌红蛋白。动物死后如何保持肉中肌红蛋白的存在形式,避免肌红蛋白氧化生成褐色的高铁肌红蛋白是控制肉制品色泽的关键。因一氧化碳与肉中肌红蛋白具有极强的亲合能力,通常其亲合力高出氧近240倍,且与肌红蛋白结合的稳定性极高,防止肌红蛋白中Fe向Fe转化,从而能达到长时间保持肉质良好色泽的效果。从发色机理分析,一氧化碳与鱼肉肌红蛋白的结合并不会改变肌红蛋白的结构,并且反应是一个可逆过程,同肌红蛋白与氧的结合类似,一氧化碳只是作为一种气体被肌红蛋白运送到肌肉组织。

食用一氧化碳发色肉制品对健康的影响

根据日本及中国上海市对发色罗非鱼片及金枪鱼等产品的调查结果,罗非鱼体内的一氧化碳含量最高为775 μg/kg,而金枪鱼体内一氧化碳含量最高约为1000 μg/kg。将这个数字扩大1倍,假设鱼肉中一氧化碳含量为2000 μg/kg,而人体在30分钟内摄入一氧化碳处理后的鱼肉500 g,假设全部被机体吸收的话,摄入的一氧化碳只有1mg,低于允许的安全限量。而经一氧化碳处理后的肉制品在不含有一氧化碳的环境下贮存时,其内部的一氧化碳也在不断减少,半衰期约为3天。

根据美国的规定,其工人工作环境允许一氧化碳浓度为57 mg/m。据分析,在这种环境条件下工作,人体内一氧化碳浓度会保持在某一水平,该水平为摄食肌红蛋白一氧化碳达饱和状态为100%的肉类225 g可达到水平的14倍。其前提是:肉中肌红蛋白和血红蛋白的一氧化碳饱和度最大(为100%),且肉中一氧化碳从胃肠道转化到血液中的比例为100%。而事实上任何一种方式处理的鱼类,其体内一氧化碳均不可能达到100%,一般都在50%以下,且任何物质在体内的吸收率也无法达到100%。因此,人类通过食用含有一氧化碳的产品对体内碳氧血红蛋白(carboxy-hemoglobin,HbCO)水平的影响远远低于安全限量范围。

家庭防护冬季取暖季节,应宣传普及预防知识,防止生活性一氧化碳中毒事故的发生。

公共防护:在生产场所中,应加强自然通风,防止输送管道和阀门漏气。有条件时,使用或可能产生一氧化碳的生产装置,家庭、公共场所等应在适当位置安装一氧化碳报警设备。矿井放炮后,应严格遵守操作规程,必须通风20分钟后方可进入工作。进入一氧化碳浓度较高的环境内,须戴供氧式防毒面具进行操作。

呼吸系统防护:空气中浓度超标时,佩戴自吸过滤式防毒面具(半面罩)。紧急事态抢救或撤离时,建议佩戴空气呼吸器、一氧化碳过滤式自救器。

眼睛防护:一般不需特殊防护,接触高浓度一氧化碳时可戴安全防护眼镜。

身体防护:穿防静电工作服。

手防护:戴一般作业防护手套。

其他防护:工作现场严禁吸烟。实行就业前和定期的体检。避免吸入高浓度一氧化碳。进入罐、限制性空间或其他高浓度区作业,须有人监护。

1.急救措施

参见:一氧化碳中毒

现场急救

(1)立即打开门窗通风,迅速将患者转移至空气新鲜流通处,卧床休息,保持安静并注意保暖。

(2)确保呼吸道通畅。对于恶心、呕吐等症状严重的,要尽可能清除患者口中的呕吐物或痰液,将头偏向一侧,以免呕吐物阻塞呼吸道引起窒息或吸入性肺炎。

(3)对抽搐或神志不清以致昏迷的患者,可在其头部置冰袋,以减轻脑水肿,并及时送医院抢救,最好请救护站送到有高压氧舱设备的医院。

医院急救

(1)改善组织缺氧,保护重要器官:①迅速纠正缺氧:给予高浓度吸氧,流量8~10 L/min,之后根据病情采用持续低流量吸氧,清醒后改为间歇吸氧。有条件者最好尽快行高压氧治疗。必要时进行口对口人工呼吸或气管插管,或进行气管切开,对发生猝死者应立即进行心肺脑复苏。 ②保护心脑等重要器官:可用细胞色素C 30 mg静脉滴注(用前做皮肤试验),或将三磷腺苷20 mg、辅酶A50 U、普通胰岛素4 U加入25%葡萄糖溶液250 mL中静脉滴注。③有脑血管痉挛、震颤性麻痹者,可用阿托品1 mg或654-2(山莨菪碱) 10 mg静脉注射。

(2)防治脑水肿:应用高渗脱水剂,如20%甘露醇125~250 mL与高渗葡萄糖液60 mL交替静脉滴注,并用利尿剂20~40 mg及地塞米松5 mg。(脑水肿多出在中毒后2~4 h。)

(3)纠正呼吸障碍:可应用呼吸兴奋剂,如洛贝林等。重症缺氧、深昏迷24h以上者可行气管切开,呼吸停止者立即人工呼吸,必要时气管插管,加压给氧,使用人工呼吸器。

(4)纠正低血压:发现休克征象者立即抗休克治疗,如补充有效循环血量、多巴胺60~120 mg静脉滴注。

(5)对症处理:惊厥者应用苯巴比妥、地西泮(安定)镇静;震颤性麻痹服苯海索(安坦)2~4 mg,每天3次;瘫痪者肌注氢溴酸加兰他敏2.5~5 mg,口服维生素B族和地巴唑,配合新针、按摩疗法。

(6)预防感染:对长期昏迷者给抗生素治疗,如青霉素、先锋霉素、氧氟沙星。

2.泄漏应急

(1)消除所有点火源。

(2)根据气体的影响区域划定警戒区,无关人员从侧风、上风向撤离至安全区。

(3)建议应急处理人员戴正压自给式空气呼吸器,穿防静电服。作业时使用的所有设备应接地。尽可能切断泄漏源。喷雾状水抑制蒸气或改变蒸气云流向。防止气体通过下水道、通风系统和密闭性空间扩散。隔离泄漏区直至气体散尽。

(4)隔离与疏散距离应为:小量泄漏时,初始隔离30 m,下风向疏散时白天隔离100 m、夜晚隔离100 m;大量泄漏时,初始隔离150 m,下风向疏散时白天隔离700 m、夜晚隔离2700 m。

3.灭火方法

切断气源。若不能切断气源,则不允许熄灭泄漏处的火焰。喷水冷却容器,尽可能将容器从火场移至空旷处。可以采用的灭火剂:雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。

一氧化碳是一种大气污染物,在大气中数量最多、分布最广,是煤、石油等含碳物质不完全燃烧的产物,其生成机理为:RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO(R表示碳氢自由基团)。主要来源于冶金工业中炼焦、炼铁等生产过程;化学工业中合成氨、甲醇等生产过程;矿井放炮和煤矿瓦斯爆炸事故;汽车等交通工具尾气的排放;锅炉中燃料的不完全燃烧;家庭居室中煤炉产生的煤气或液化气管道漏气以及火山爆发、森林火灾、地震等自然灾害中一氧化碳的释放。此外,高层大气的化学反应、二氧化碳的轻微解离作用及动物新陈代谢过程中也会产生少量的一氧化碳。

大气对流层中一氧化碳的浓度约为0.1~2ppm(1 ppm=10,表示体积分数。由于一氧化碳的气态密度为1.2504 kg/m,故体积分数为1 ppm时,一氧化碳的浓度为1.2504×10kg/m=1.2504 mg/m ,这种含量对人体无害。但由于世界各国交通运输事业、工矿企业不断发展,煤和石油等燃料的消耗量持续增长,一氧化碳的排放量也随之增多。

法国生理学家克劳德·伯纳德指出:一氧化碳中毒是一氧化碳与血红蛋白(Hb)可逆性结合引起缺氧所致。一般认为,一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力大230~270倍,能把血液内氧合血红蛋白(HbO2)中的氧排挤出来,形成碳氧血红蛋白。又由于碳氧血红蛋白的离解比氧合血红蛋白慢3600倍,故碳氧血红蛋白较之氧合血红蛋白更为稳定。

而碳氧血红蛋白不仅本身无携带氧的功能,它的存在还影响氧合血红蛋白的离解。研究表明,随着碳氧血红蛋白含量的逐渐增加,氧合血红蛋白中氧的解离和组织内二氧化碳的输出受到阻碍,最终导致组织缺氧和二氧化碳潴留,产生中毒症状。

生物降解

一氧化碳随空气吸入后,通过肺泡进入血液循环,与血液中的血红蛋白和血液外的其他某些含铁蛋白质(如肌红蛋白、二价铁的细胞色素等)形成可逆性的结合。其中90%以上一氧化碳与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白,约7%的一氧化碳与肌红蛋白结合成碳氧肌红蛋白,仅少量与细胞色素结合。实验表明,一氧化碳在体内不蓄积,动物吸入200 ppm一氧化碳持续1个月,停毒后24小时一氧化碳已完全排出,其中98.5%是以原形经肺排出,仅1%在体内氧化成二氧化碳。一氧化碳吸收与排出,取决于空气中一氧化碳的分压和血液中碳氧血红蛋白的饱和度(即血红蛋白总量中被一氧化碳结合的百分比);次要的因素为接触时间和肺通气量。其中,后者与劳动强度直接有关。

非生物降解

一氧化碳的物理化学特性表明,大气中一氧化碳的去除主要通过一氧化碳与羟基的反应,其最终产物为二氧化碳。每年排放在大气中的绝大多数的一氧化碳通过与羟基反应除去约85%,土壤吸收10%,剩下的扩散到平流层中。在每年的排放和去除的过程中,存在一个小小的不平衡,引起了一氧化碳每年有1%的增加。这个不平衡可能是由于人类活动使排放量增加引起的。

急性毒性

急性吸入的致死浓度(LC):小鼠为2300~5700 mg/m³,豚鼠为1000~3300 mg/m³,兔为4600~17200 mg/m³,猫为4600~45800 mg/m³,狗为34400~45800 mg/m³。小温血动物如小鼠和鸟类对一氧化碳较为敏感。

男性吸入最小致死浓度(LCLo):4000 ppm(30分钟)。

男性吸入最低中毒浓度(TCLo):650 ppm(45分钟)。

人吸入最低致死浓度(LCLo):5000 ppm(5分钟)。

大鼠吸入半数致死浓度(LC50):1807 ppm(4小时)。

小鼠吸入半数致死浓度(LC50):2444 ppm(4小时)。

亚急性与慢性毒性

大鼠吸入0.1~0.3 mg/L的一氧化碳,保持4~8小时/天,经过1-2周,引起生长缓慢,血红蛋白及红细胞数增高,肝脏的琥珀酸脱氢酶及细胞色素氧化酶的活性受到破坏。

大鼠吸入0.047~0.053 mg/L的一氧化碳,保持4~8小时/天,经过30天,大鼠将出现生长缓慢,血红蛋白及红细胞数增高,肝脏的琥珀酸脱氢酶及细胞色素氧化酶的活性受到破坏。

猴吸入0.11 mg/L,经3~6个月引起心肌损伤。

生殖毒性

大鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):150 ppm(孕1~22天,24小时),引起心血管(循环)系统发育异常,对新生胎鼠的生长统计指数和新生胎鼠的行为有影响。

大鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):1 mg/m(交配前72天,24小时),引起月经周期改变或失调,对分娩有影响,对雌性生育指数的影响,对新生胎鼠的生长有影响,引起新生胎鼠迟发效应。

小鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):65 ppm(孕7~18天,24小时),引起对新生胎鼠行为的影响。

小鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):250 ppm(孕6~15天,7小时),使植入后死亡率上升,引起肌肉骨骼发育异常。

小鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):125 ppm(孕7~18天,24小时),引起胚胎毒性。

小鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):8 ppm(孕8天,1小时),对每窝胎数有影响,引起胚胎毒性和死胎。

小鼠吸入最低中毒浓度(TCLo):8 ppm(孕8天,1小时),引起中枢神经系统发育异常。

参见:一氧化碳中毒

一般接触反应

接触一氧化碳后如出现头痛、头昏、心悸、恶心等症状,于吸入新鲜空气后症状即可迅速消失者,属于一般接触反应。

轻度中毒

轻度中毒者血液中碳氧血红蛋白浓度在10%~20%之间 ,出现剧烈的头痛、头昏、恶心、呕吐、心悸、眼花、四肢无力、嗜睡、烦躁、步态不稳、轻度至中度意识障碍(如意识模糊、朦胧状态,但无昏迷)等症状,但无昏迷。此时如能及时脱离中毒环境,吸入新鲜空气,症状可迅速缓解,并逐渐完全恢复。

中度中毒

中度中毒者血液中碳氧血红蛋白浓度在30%~40%之间 ,出现反应迟钝,除头痛、恶心、呕吐、心悸、乏力、嗜睡等外,可出现面色潮红,口唇呈樱红色,脉搏增快,多汗、昏迷,瞳孔对光反射、角膜反射及腱反射迟钝,呼吸、血压可发生改变,中毒初期虽然意识清楚,但已无自救能力,意识障碍表现为浅至中度昏迷。此时如能及时移离中毒场所并经抢救后可渐恢复,一般无明显并发症或后遗症。

重度中毒

重度中毒者血液中碳氧血红蛋白浓度在50%以上 ,意识障碍严重,呈深度昏迷或植物状态,各种反射减弱或消失,常见瞳孔缩小,对光反射正常或迟钝,四肢肌张力增高,牙关紧闭,或有阵发性去大脑强直,腱壁反射及提睾反射一般消失,腱反射存在或迟钝,并可出现大小便失禁。脑水肿继续加重时,表现持续深度昏迷,连续去脑强直发作,瞳孔对光反应及角膜反射迟钝,体温升高达39~40℃,脉快而弱,血压下降,面色苍白或发绀,四肢发凉,出现潮式呼吸。有的患者眼底检查见视网膜动脉不规则痉挛,静脉充盈,或见乳头水肿,提示颅内压增高并有脑疝形成的可能。有不少患者眼底检查阴性,甚至脑脊液检查压力正常,而病理解剖后证实有严重的脑水肿。

重度中毒者经过救治从昏迷中苏醒的过程中,常出现躁动、意识混浊、定向力丧失,或失去远、近记忆力。部分患者神志恢复后,可发现皮层功能障碍,如失用(apraxia)、失认(agnosia)、失写(agraphia)、失语(aphasia)、皮层性失明或一过性失聪等异常;还可出现以智能障碍为主的精神症状。此外,短暂的轻度偏瘫、帕金森综合征、舞蹈症、手足徐动症或癫痫大发作等均有人报道。经过积极抢救治疗,多数重度中毒患者仍可完全恢复。少数出现植物状态的患者,表现为意识丧失、睁眼不语、去脑强直,预后不良。

除上述脑缺氧的表现外,重度中毒者中还可出现其他脏器的缺氧性改变或并发症:①部分患者心律不齐,出现严重的心肌损害或休克;②并发肺水肿者肺中出现湿啰音,呼吸困难;③约1/5的患者发现肝大,2周后常可缩小;④有的患者因应激性胃溃疡可出现上消化道出血;⑤偶有并发横纹肌溶解综合征(rhabdomyolysis)及筋膜间隙综合征(compartment syndrome)者,因出现肌红蛋白尿可继发急性肾功衰竭;⑥有的患者出现皮肤自主神经营养障碍,表现为四肢或躯干部皮肤出现大、小水疱或类似烫伤的皮肤病变,或皮肤成片红肿类似丹毒样改变,经对症处理不难痊愈;⑦有的患者听觉前庭损害可表现为耳聋、耳鸣和眼球震荡;⑧还有2%~3%的患者出现神经损害,最常受累的是股外侧皮神经、尺神经、正中神经、胫神经、腓神经等,可能与昏迷后局部受压有关。

后遗症

中度中毒者、重度中毒者有神经衰弱、震颤麻痹、偏瘫、偏盲、失语、吞咽困难、智力障碍、中毒性精神病或去大脑强直,部分患者可发生继发性脑病。

迟发脑病

部分急性一氧化碳中毒患者于昏迷苏醒后,意识恢复正常,但经2~30天的假愈期后,又出现脑病的神经精神症状,称为急性一氧化碳中毒迟发性脑病。因表现出“双相”的临床过程,亦有人称之为“急性一氧化碳中毒神经系统后发症”。常见的临床表现有以下几种:

(1)精神症状:突然发生定向力丧失、表情淡漠、反应迟钝、记忆障碍、大小便失禁、生活不能自理;或出现幻视、错觉、语无伦次、行为失常,表现如急性痴呆木僵型精神病。

(2)脑局灶损害:①锥体外系神经损害:以帕金森综合征多见,患者四肢呈铅管状或齿轮样肌张力增高、动作缓慢、步行时双上肢失去随伴运动或出现书写过小症与静止性震颤。少数患者可出现舞蹈症。②锥体系神经损害:表现为一侧或两侧的轻度偏瘫,上肢屈曲强直,腱反射亢进,踝阵挛阳性,引出一侧或两侧病理反射,也可能出现运动性失语或假性球麻痹。③其他:皮层性失明、癫痫发作、顶叶综合征(失认、失用、失写或失算)亦曾有报道。

在短时间内吸入过量的高浓度一氧化碳会造成急性一氧化碳中毒,使人出现中毒症状,引起脑、心、肝、肾、肺及其他组织的继发性营养不良性损伤。 中毒者常很快进入昏迷,呼吸困难和呼吸肌麻痹而迅速死亡,甚至电击样死亡。

至于长时间接触低浓度的一氧化碳是否会造成慢性中毒,学界有两种看法:部分学者认为在血液中形成的碳氧血红蛋白可以逐渐解离,只要脱离接触,一氧化碳的毒作用即可逐渐消除,因而不存在一氧化碳的慢性中毒;部分学者认为接触低浓度的一氧化碳能引起慢性中毒。许多动物实验和流行病学调查表明:长期接触低浓度一氧化碳对健康是有影响的。其主要表现为:

①对心血管系统的影响。S.M.艾尔斯等人发现,当血液中碳氧血红蛋白的饱和度为8%时,静脉血氧张力降低,从而引起心肌摄取氧量减少和促使某些细胞内氧化酶系统停止活动,血清乳酸脱氢酶(LDH)、羟丁酸脱氢酶(HBD)、肌酸磷酸激酶(CPK)增高。P.阿斯特鲁普等则证明,一氧化碳能促使大血管中类脂质沉积量增加。当血中碳氧血红蛋白达15%时,能促使大血管内膜对胆固醇的摄入量增加并促进胆固醇沉积,使原有的动脉硬化症加重,从而影响心肌,心电图可出现心律失常、ST段下降、QT间期延长或右束支传导阻滞等异常。此外,人群调查结果表明:约20%~25%的吸烟者血液中碳氧血红蛋白高于8%~10%,这些人心肌梗死的猝死率比不吸烟者为高。近10余年对63名冠状动脉硬化患者研究发现,在接触一氧化碳使碳氧血红蛋水平由0.6%升高至2%及3.9%后,冠状动脉硬化患者出现心肌梗死和心绞痛的时间提前,对运动的耐受力明显减低。

②对神经系统的影响(往往表现在有多次轻度急性一氧化碳中毒历史的中毒患者身上)。脑是人体内耗氧最多的器官,也是对缺氧最敏感的器官。动物实验表明,脑组织对一氧化碳吸收能力明显高于心、肺、肝、肾等。一氧化碳进入人体后,大脑皮层和苍白球受害最为严重。缺氧还会引起细胞呼吸内窒息,发生软化和坏死,出现视野缩小,听力丧失等;轻者也会出现头痛、头晕、记忆力降低等神经衰弱症候群,并兼有心前区紧迫感和针刺样疼痛。

③造成低氧血症。出现红细胞、血红蛋白等代偿性增加,其症状与缺氧引起的病理变化相似。

④对后代的影响。通过对吸烟孕妇和非吸烟孕妇的研究,发现吸烟孕妇的胎儿趋向于出生时体重小、智力发育迟缓。

1.储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源,防止阳光直晒。库房内温不宜超过30℃。

2.禁止使用易产生火花的机械设备和工具。

3.储存区应备有泄漏应急处理设备。

4.搬运储罐时应轻装轻卸,防止钢瓶及附件破损。

5.注意防雷、防静电,厂(车间)内的储罐应按《建筑物防雷设计规范》(GB 50057)的规定设置防雷设施。

1.运输车辆应有危险品运输标志,安装具有行驶记录功能的卫星定位装置。

2.未经公安机关批准,运输车辆不得进入危险化学品运输车辆限制通行的区域。

3.装运该物品的车辆排气管必须配备阻火装置。

4.禁止使用易产生火花的机械设备和工具装卸。

5.在传送过程中,钢瓶和容器必须接地和跨接,防止产生静电。槽车上要备有2只以上干粉或二氧化碳灭火器和防爆工具。

6.高温季节应早晚运输,防止日光曝晒。

7.车辆运输钢瓶时,瓶口一律朝向车辆行驶方向的右方,堆放高度不得超过车辆的防护栏板,并用三角木垫卡牢,防止滚动。

8.不准同车混装有抵触性质的物品和让无关人员搭车。

9.中途停留时应远离火种、热源。禁止在居民区和人口稠密区停留。

在中国,1979年9月30日颁发、1979年11月1日起实行至1998年12月1日废止的《工业企业设计卫生标准》(TJ 36-1979)中对居住区大气中有害物质的最高容许浓度作了要求,其中要求一氧化碳最高容许浓度的一次值为3.00 mg/m³,日均值为1.00 mg/m³。

之后,代替《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ 2-2002)而于2007年4月12日发布、2007年11月1日实施的 《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分:化学有害因素》(GBZ 2.1-2007) 中,一氧化碳是第296种物质,相关要求如下:

卫生要求

OELs(mg/m)

MAC

PC-TWA

PC-STEL

非高原

-

20

30

高原

海拔2000~3000米

20

-

-

海拔大于3000米

15

-

-

备注

①OELs:职业接触限值(occupational exposure limits)。

②MAC:最高容许浓度(maximum allowable concentration)。

③PC-TWA:时间加权平均容许浓度(permissible concentration-time weighted average)。

④PC-STEL:短时间接触容许浓度(permissible concentration-Short term exposure limit)。

(表格参考资料: )

而2016年1月1日起代替《环境空气质量标准》(GB 3095-1996)而实施的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012) 中,对一氧化碳的要求如下:

环境空气功能区质量要求

平均时间

浓度限值

一级

二级

24小时平均

4.00 mg/m³

4.00 mg/m³

1小时平均

10.00 mg/m³

10.00 mg/m³

污染物分析方法

手工分析方法

自动分析方法

分析方法

标准编号

空气质量 一氧化碳的测定 非分散红外法

GB 9801

气体滤波相关红外吸收法、非分散红外吸收法

浓度数据有效性的最低要求

平均时间

数据有效性规定

24小时平均

每日至少有20小时平均浓度值或采样时间

1小时平均

每小时至少有45分的钟采样时间

术语和定义

①1小时平均指任何1小时污染物浓度的算术平均值。

②24小时平均指一个自然日24小时平均浓度的算术平均值,也称为日平均。

(表格参考资料: )

此外,1985年1月2日至2017年3月23日实施的《职业性接触毒物危害程度分级》(GB 5044-1985)中,一氧化碳的危害分级为II级(高度危害)。

在美国,对于工作场所中一氧化碳的浓度,美国政府工业卫生学家会议(American Conference OF Governmental Industrial Hygienists,ACGIH)给出的阈限值时间加权平均值(TLV TWA)为25 ppm,阈限值短期暴露限值(TLV STEL)为400 ppm;美国国家职业安全卫生研究所(National Institute for Occupational Safety and Health,NIOSH)给出的室内应急暴露限值时间加权平均值(REL TWA)为35 ppm,立即危及生命和健康浓度(Immediately Dangerous to Life or Health concentration,IDLH)为1200 ppm;美国国家职业安全卫生研究所(National Institute for Occupational Safety and Health,NIOSH)给出的公共场所应急暴露限值时间加权平均值为50 ppm,公共场所应急暴露(PEL)最大值为200 ppm。

对于一氧化碳能否使高锰酸钾(KMnO4)溶液褪色,有人认为“高锰酸钾溶液可以氧化一氧化碳”,即“一氧化碳能使高锰酸钾溶液褪色”,学者徐美玲和任引哲通过实验得出的结论是:室温常压下一氧化碳不能使高锰酸钾溶液或其酸性溶液褪色。


相关文章推荐:
式量 | 溶解度 | 中毒 | 电击样死亡 | 一碳化学 | 甲醇 | 亚里士多德 | 盖伦 | 扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特 | 氢气 | 约瑟夫·普里斯特利 | 燃素说 | 一氧化碳中毒 | 价键理论 | 克分子 | 德拜 | σ键 | π键 | σ键 | π键 | 空速 | 费托合成 | 空速 | 选择性 | 甲烯 | 甲酸甲酯 | 碳酸二甲酯 | 草酸二甲酯 | 丙烯酸甲酯 | 丙烯酸 | 乙醇酸 | 乙酸甲酯 | 二甲基甲酰胺 | 苯甲醛 | 金属氧化物 | 单质 | 氧化铜 | 氧化锌 | 还原反应 | 碳酰氯 | 氯化钯 | | 草酸 | 一碳化学 | 氧合肌红蛋白 | 碳氧血红蛋白 | 一氧化碳中毒 | 细胞色素C | 三磷腺苷 | 辅酶A | 阿托品 | 654-2 | 甘露醇 | 利尿剂 | 地塞米松 | 洛贝林 | 有效循环血量 | 多巴胺 | 苯巴比妥 | 地西泮 | 苯海索 | 氢溴酸加兰他敏 | 地巴唑 | 抗生素 | 氧合血红蛋白 | 含铁蛋白质 | 肌红蛋白 | 细胞色素 | 羟基 | 致死浓度 | 最小致死浓度 | 半数致死浓度 | 琥珀酸脱氢酶 | 细胞色素氧化酶 | 一氧化碳中毒 | 对光反应 | 定向力 | 湿啰音 | 应激性 | 横纹肌溶解综合征 | 筋膜间隙综合征 | 一氧化碳中毒迟发性脑病 | 定向力 | 帕金森综合征 | 运动性失语 | 假性球麻痹 | 顶叶综合征 | 血清乳酸脱氢酶 | 肌酸磷酸激酶 | 细胞呼吸 | IDLH | 高锰酸钾 |