Глава 12. Некоторые ядовитые газы

Токсикологическая химия Вергейчик Т.Х.

12.1. Оксид углерода (II)

12.2. Хлор

Токсические вещества, поступающие в организм ингаляционным путем, называют ядовитыми газами. Через легкие в организм могут проникать вещества в виде аэрозолей, паров, дыма и т.д. В данном разделе мы рассматриваем вещества, токсическое действие которых проявляется только при вдыхании воздуха, содержащего примесь газов — это хлор и оксид углерода. Другие летучие соединения рассмотрены в соответствующих разделах.

12.1. Оксид углерода (II)

Физико-химические свойства. Оксид углерода (II) — монооксид углерода, угарный газ. Это газ без цвета и запаха, горит синим пламенем с образованием СO₂. В смеси с воздухом взры­вается при зажигании. Он образуется при неполном сгорании топлива, в процессе выплавки и переработки черных и цветных металлов. Оксид углерода (II) содержится в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, образуется при взрывных работах, при пожарах.

Токсикологическое значение. Отравления оксидом углерода составляют более 17% среди общего числа отравлений. Основными их видами являются:

• Отравления оксидом углерода (II), содержащимся в выхлопных газах автомобилей и других транспортных средств. Наблюдаются у лиц, длительно находящихся в закры­тых гаражах и автомобилях с работающим двигателем (чаще всего в зимнее время).
• Отравления от угорания в быту в помещениях с неисправным отоплением, в ко­тельных бытовых и производственных зданий.
• Отравления при пожарах лиц, находящихся в задымленных зданиях и помещениях (закрытые комнаты, квартиры), в вагонах транспорта и в лифтах.

Чувствительность людей разных возрастных групп к оксиду углерода различна. Новорожденные более выносливы и переносят такие концентрации оксида углерода (II) в воздухе, которые являются смертельными для взрослых.

Действие оксида углерода (II) на организм выражается в угнетении кислородопе­реносящей функции крови. Механизм основан на взаимодействии оксида углерода (II) с железом (II) гемоглобина и образовании карбоксигемоглобина.

HbO2 + СО ↔ O2 + HbСО

Сродство гемоглобина к окиду углерода (II) в 250-300 раз выше, чем к кислороду. Даже небольшое количество оксида углерода (II) во вдыхаемом воздухе приводит к образованию больших количеств HbСО. Например, наличие в воздухе 0,1% угарного газа ведет к пре­вращению в карбоксигемоглобин 50% гемоглобина крови. Обратная реакция диссоциации карбоксигемоглобина происходит в 3600 раз медленнее, чем диссоциация оксигемопгобина, что приводит к выраженной гипоксии тканей. Симптомы отравления при различных концентрациях карбоксигемоглобина (HbСО) в крови приведены в таблице 57.

Оксид углерода (II) способен угнетать тканевое дыхание. Это происходит за счет его соединения с железосодержащим комплексом цитохромоксидазой, что снижает способ­ность тканей утилизировать кислород. Оксид углерода (II) фиксируется и задерживается тканями достаточно длительное время (более 16 сут.). Это объясняется прочной связью с миоглобином, основным белком мышечной ткани.

МbO2 + СО ↔ МbСО + O2

Таблица 57. Содержание карбоксигемоглобина в гемоглобине и основные симптомы отравления

Концентрация HbСО, %	Симптомы отравления
0-10	Симптомов не выявлено
10-20	Ощущаются сжатие лба, небольшая головная боль, покраснение кож­ных покровов
20-30	Легкая степень отравления: ощущение тяжести и давления в голове, пульсация в висках, туман в глазах, головокружение, сильная сла­бость, головная боль, тошнота, часто рвота, сонливость, сердцебие­ние, учащенное дыхание
30-40	Отравление средней тяжести: нарастающая слабость, одышка, крат­ковременная потеря сознания и памяти, заторможенность, судороги
40-50	К описанным симптомам добавляются учащение дыхания и пульса, часто наблюдается коллапс
50 60	Тяжелая форма отравления: длительная потеря сознания (часы, сутки), нарушение нервной и психической деятельности (галлюцинации, бред, клонические и тонические судороги, парезы, параличи). Резкое расстройство дыхания (частое, неправильного типа), кровообраще­ния. Слизистые оболочки и цвет лица алые
60-70	К вышеописанным симптомам добавляются ослабление дыхательной н сердечной деятельности. Возможен смертельный исход
70-80	Замедление дыхания, ослабление пульса, остановка дыхания и смер­тельный исход

На течение отравления оксидом угаерода (II) оказывают влияние следующие факторы:

• Этиловый спирт сдерживает насыщение крови оксидом углерода (II), и чем больше спирта в крови, тем меньше процент образования ньСО.
• Синильная кислота способна усилить токсическое действие оксида углерода (II). Синильная кислота выделяется при сгорании шерсти, полимеров, синтетических материалов (на пожарах).
• Оксиды азота (II и IV) усиливают токсическое действие оксида углерода (II).

При отравлении наибольшие количества оксида углерода (II) обнаруживаются в синусах мозговых оболочек, сосудах бедра и плеча. Оксид углерода (II) выводится из организма через дыхательные пути за 1 ч на 60-70%, за 4 ч — на 90-96%.

Объекты исследования: кровь, мышцы (редко).

Обнаружение и определение оксида углерода (II) проводится непосредственно в крови. С этой целью используются газохроматографический, химический, спектроско­пический и спектрофотометрический методы анализа.

Газохроматографический метод основан на определении оксида угаерода (II) с по­мощью парофазного анализа. Обнаружение проводят непосредственно в газовой фазе или после восстановления до метана или окисления до оксида углерода (IV).

1. й вариант метода. К крови добавляют карбонат или гидрокарбонат натрия. Оксид углерода (II) переходит в газовую фазу. Ее отбирают шприцом и вводят в хроматограф. Используют детектор по теплопроводности (катарометр). Обнаружение проводят по вре­мени удерживания. Концентрацию оксида углерода (II) рассчитывают по калибровочному графику, выражающему зависимость площади пика от концентрации оксида угперода (II). В таком варианте определение оксида углерода (II) в крови возможно при его содержании 30-100%. Ошибка метода составляет 10%.
2. й вариант метода. Выделение оксида углерода (II) из крови проводят, как и в пер­вом варианте. Газовую фазу вводят в дозатор прибора. В качестве газа-носителя реко­мендован гелий, который вытесняет СО из дозатора и переносит в хроматографическую колонку с никелевым катализатором на ИНЗ-600. Под действием водорода СО восста­навливается до метана (СНД, появление которого в системе регистрируется пламенно­ионизационным детектором (ПИД). Преимущество метода в высокой чувствительности и возможности проведения анализа с малыми навесками крови (0,1 мл).
3. й вариант метода основан также на применении парофазного анализа. В паро­газовой фазе содержится смесь СО и С02 эндогенного происхождения. Используется колонка с силикагелем, на которой разделяются оксид углерода (IV) и оксид углерода (II). Это разделение фиксируется детектором. Затем оксид углерода (II) в специальной ячейке окисляется оксидом йода (V) до оксида углерода (1V), и регистрируется общее количество С02, Концентрацию оксида углерода (II) определяют по разнице полученных пиков эндо­генного С02 и суммарного количества СO2.

Метод микродиффузии. Описание метода и используемого прибора приведено ранее (см. раздел 6.6.2). Во внешнюю камеру прибора вносят 1 мл крови и 1 мл 10% раствора серной кислоты. Во внутреннюю камеру помещают 2 мл 0,1% раствора хлорида палладия в 0,1 М растворе хлороводородной кислоты. Прибор закрывают крышкой и оставляют на 1 ч при комнатной температуре. При наличии в крови оксида углерода (II) во внутрен­ней камере появляется серебристая пленка металлического палладия.

PdCI₂ + СО + Н₂O → Pd + 2HCI + СO₂

Химический метод основан на том, что оксид углерода (II) образует с гемоглобином довольно прочное химическое соединение, которое плохо реагирует с другими реакти­вами.

Обнаружение карбоксигемоглобина химическим методом при отравлениях прово­дят непосредственно в крови с использованием различных реактивов. Для сравнения ис­пользуют кровь животных или доноров (контрольная проба), с которой проводят те же испытания (табл. 58).

Изменение окраски наблюдают путем сравнения контрольного и испытуемого образца после добавления различных реактивов. Кровь, содержащая карбоксигемоглобин, от при­бавления химических реагентов не изменяет или незначительно изменяет окраску.

Заключение об обнаружении карбоксигемоглобина в крови дается, если с большин­ством реактивов будут получены указанные в таблице результаты.

Следует учитывать, что при легкой степени отравления и незначительном содержа­нии карбоксигемоглобина возможно получение отрицательного результата.

Спектроскопический метод используется для обнаружения в крови карбоксигемогло­бина при отравлении оксидом углерода (II). В практике химико-токсикологического анализа для этих целей используют микроспектроскоп — это спектроскоп, соединенный с окуляром. В основе метода — способность гемоглобина и его производных поглощать световое излучение определенной дайны волны. Если луч света проходит через раствор, содержащий гемоглобин и его производные, в спектре появляются темные полосы поглощения.

Таблица 58. Химические реакции для обнаружения в крови карбоксигемоглобина

Название пробы	Реактив	Окраска крови, содержащей HbСО	Окраска контрольного опыта крови
Гоппе-Зейлера	30% раствор NaOH	Ярко-красная	Бурая
Сальковского- Катаяма	(NH4)2S + 30% раствор СН3СООН	Малиново-красная	Серо-зеленая
Хорошкевича- Маркеа	8% раствор хинина г/х → t° + (NH4)2S	Светло-красная	Красно-бурая
Бюркера	1% раствор K3[Fe (CN)6]	Красная	Желтоватая
Сидорова	20% р-р K3[Fe (CN)6] и 0,01% раствор К2Сr2O7	Карминово-красная	Коричнево-зеленая
Ветцеля	20% р-р K3[Fe(CN)6] + ледяная СН3СООН	Вишнево-красный осадок	Серовато-коричневый осадок
Лнбермана	Формалин	Красная	Коричнево-черная
Рубнера	5% раствор основного ацетата свинца	Красная	Коричневая
Залесского	10% раствор CuSO4	Пурпурно-красная	Зеленая

Разбавленная кровь, не содержащая карбоксигемоглобина, при наблюдении в спек­троскопе обнаруживает две полосыпоглощения. Они располагаются между линиями Фраунгофера Д и Е в желтой и зеленой частях спектра, которые соответствуют оксигемоглобину. Если к крови добавить восстановитель (NH₄)₂S, оксигемоглобин восстанавли­вается в гемоглобин. При этом вместо 2 полос поглощения будет наблюдаться одна ши­рокая полоса в той же области спектра. В разбавленной крови, направленной на химико­токсикологический анализ с подозрением на отравление оксидом углерода (II), также будут наблюдаться две темные полосы поглощения (рис. 100). При добавлении к этой крови (NH₄)₂S восстановления не происходит. Две полосы поглощения не исчезают. Это говорит о высокой химической стойкости карбоксигемоглобина. Однако между этими четко выра­женными полосами часто появляется небольшое затемнение за счет того, что несвязанный с оксидом углерода (II) оксигемоглобин восстанавливается до гемоглобина.

Спектрофотометрическое определение карбоксигемоглобина. По своей сущности этот метод можно отнести к дифференциальной фотометрии.

В крови людей и животных гемоглобин содержится в виде дезоксигемоглобина (Hb) и оксигемоглобина (HbO₂) — продукта взаимодействия гемоглобина с кислородом. В кро­ви может содержаться также небольшое количество метгемоглобина (MtHb).

При поступлении в организм оксида углерода (II) происходит образование карбокси­гемоглобина за счет оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Метгемоглобин с оксидом углерода (II) не связывается. Все указанные соединения имеют характерные спектры по­глощения в области 450-620 нм.

Метод определения карбоксигемоглобина основан на том, что при взаимодействии с восстановителями (дитионатом натрия, сульфидом аммония) все соединения гемогло­бина (MtHb, HbO₂) за исключением карбоксигемоглобина (СОHb) восстанавливаются до дезоксигемоглобина.

Спектр поглощения дезоксигемоглобина имеет одну полосу поглощения с максимумом при 557 нм. Карбоксигемоглобин не восстанавливается, и его спектр поглощения сохраня­ется. Это видно из представленных спектров поглощения проб крови (см. рис. 101).

Методика определения карбоксигемоглобина (ВОЗ, Женева, 1998) заключается в следующем. Для анализа исследуемую кровь делят на 3 части. Одну часть (А) остав­ляют без изменения, вторую часть (В) насыщают оксидом углерода до 100% содержа­ния СОHb и используют в качестве стандарта, третью часть (С) насыщают кислородом до полного вытеснения СО, т.е. получают 100% оксигемоглобина.

К каждой из трех проб добавляют восстановитель дитионат натрия — Na₂S₂O₄ · 2Н₂O. Регистрируют спектры поглощения всех трех растворов в области 500-620 нм и измеря­ют значение оптической плотности А при 540 и 579 нм (изобестическая точка).

Расчет содержания карбоксигемоглобина ведут по величине отношения оптической плотности А540/А579. Находят отношение А540/А579 для растворов А, В и С. Эти отношения подставляют в формулу:

Этот метод эффективен при исследовании крови, содержащей более 10% карбоксиге­моглобина. Физиологическая норма содержания карбоксигемоглобина в крови составляет от 1,5 до 3,1%, для курильщиков — <10%. Смертельная концентрация карбоксигемогло­бина в крови составляет в среднем -60% и может колебаться в зависимости от внешних условий и особенностей организма от 40 до 80%.

Определение оксида углерода (II) в воздухе

1-й способ. Для обнаружения оксида углерода (II) в воздухе используют его способность поглощаться кровью животного. С этой целью 20 л воздуха прокачивают при помощи аспиратора сначала через ряд склянок Тищенко с суспензией гидроксида железа (II) с це­лью связывания кислорода, а затем через 5 мл разведенной крови животного. Полученную кровь анализируют спектрофотометрическим методом.

2-й способ. Метод основан на окислении оксида углерода (II) оксидом йода (V) до ок­сида утлерода (IV). Исследуемый объем воздуха (20 л) прокачивают через раствор, со­держащий оксид йода (V).

I₂O₅ + 5СО → 5СO₂ + I₂

Образовавшийся оксид углерода (IV) пропускают через раствор гидроксида бария.

Ва(ОН)₂ + СO₂ → ВаСO₃ + Н₂O

Избыток гидроксида бария оттитровывают (микротитрование) хлороводородной кис­лотой.

Ва(ОН)₂ + 2HCI → ВаСI₂ + 2Н₂O

Симптомы отравления оксидом углерода (II) наблюдаются при его содержании в воз­духе 0,20 мг/л. Смертельное отравление может наступить при 1,8-5,7 мг/л. При концен­трации 5,7-14,8 г/л смерть наступает в течение нескольких минут, что соответствует 90% содержанию карбоксигемоглобина в крови.

12.2. Хлор

Хлор — желто-зеленый газ с резким удушающим запахом, растворим в неполярных рас­творителях, хуже — в воде. Хлор применяется для хлорирования воды, для получения пластмасс, инсектицидов, растворителей, дезинфицирующих, отбеливающих, моющих средств, в производстве глицерина, оксида этилена, в металлургии для хлорирующего обжига руд цветных металлов.

Хлор является высокотоксичным элементом, его использовали во время Первой миро­вой войны как боевое отравляющее вещество. Отравления хлором, в том числе массовые, могут наблюдаться в результате аварий на химических производствах, а также при транс­портировке хлора или при избыточном хлорировании воды в бассейнах. Содержание хло­ра в воздухе 0,006 мг/л оказывает раздражающее действие на дыхательные пути. Хлор в организме реагирует с влагой на слизистых дыхательных путей и образует хлороводо­родную и хлорноватистую кислоты, что и обуславливает его раздражающее действие. Концентрация хлора в воздухе 0,1 мг/л опасна для жизни. Пострадавший задыхается, лицо синеет, он мечется, делает попытку бежать, но тотчас падает, движения становятся нескоординированными, сознание теряется, пульс делается частым, затем нитевидным. Остановка дыхания может наступить через 5-25 мин после вдыхания газа. Вдыхание более высокой концентрации может привести к мгновенной смерти в результате рефлек­торного торможения дыхательного центра. Смертельный исход объясняется химическим ожогом легких.

При вскрытии легкие кажутся уменьшенными в размере и имеют характерный желтовато-бурый глинистый цвет, ткань легких теряет эластичность.

Обнаружить в организме свободный хлор невозможно. Чаще всего обнаружение хло­ра проводят в атмосфере или в производственных помещениях.

Для обнаружения хлора в воздухе около 20 л его прокачивают через два поглотите­ля. Первый поглотитель содержит растворы йодида калия и крахмала, второй раствор о-толидина. В первом случае при наличии хлора в воздухе наблюдается появление синего окрашивания за счет выделения свободного йода, который с крахмалом образует окра­шивание.

Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂

Такое окрашивание могут давать оксиды азота, озон. Поэтому в качестве теста для проверки используют вторую реакцию с о-толидином. О-толидин подвергается окис­лению с образованием желто-оранжевого окрашивания.

Для количественного определения хлора в воздухе применяют два метода. Фотоколориметрический метод основан на реакции с йодидом калия и крахмалом и спек­трофотометрический метод по реакции с о-толидином.