Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. m. Prahy Hellichova 3, 118 00 Praha 1
Závěrečná práce studentského projektu
Plyny CH. 8
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
Vypracovaly: Izabela Pšenčíková, 5. C Vu Thi Lien Phuong, 5. C Kristýna Ţemlová, 5. C 2014 profesorka
Vedoucí projektu: RNDr. Markéta Bludská,
Čestné prohlášení Já, níţe podepsaný/á, prohlašuji, ţe jsem závěrečnou práci na téma „Plyny“ vypracoval/a samostatně a s pouţitím literatury a pramenů, které jsou uvedeny v příloze této práce. V Praze, dne 31. 05. 2014
…………………………… Izabela Pšenčíková, 5. C
…………………………………. Vu Thi Lien Phuong, 5. C
…………………………… Kristýna Ţemlová, 5. C
Souhlasím s tím, aby tato závěrečná práce byla vyuţívána ke studijním účelům veřejnosti bez mého písemného souhlasu.
-1-
Poděkování Děkujeme profesorce RNDr. Markétě Bludské za vedení a podporu při tvorbě tohoto projektu. Dále profesoru Vozkovi a Martinu Isozovi za asistenci a odborný dohled při realizaci praktické části v laboratoři chemie GJN. V neposlední řadě děkujeme panu docentovi Petru Sýkorovi za to, ţe nám umoţnil seznámit se s fungováním plynového chromatogramu v praxi.
-2-
ABSTRAKT Tato práce je výstupním textem projektu OPPA (Operační program Praha adaptabilita, pod záštitou Evropské Unie) na téma „Plyny“. Zaměřuje se na plyny a jejich vliv na lidský organismus. Zkoumá rovněţ vyuţití tohoto jejich působení v oboru lékařství a chemického zbrojení. Na problém je zde nahlíţeno ve třech rovinách. Nejprve v rovině obecné, tudíţ co to plyn vůbec je a jaké má vlastnosti, dále se vymezujeme na pouţití plynů jako jedů a chemických zbraní a nakonec na jejich uplatnění pro medicinální účely. Součástí této práce je i popis praktických pokusů realizovaných v laboratoři za účelem ověření některých vlastností plynů, jako jsou tekutost, barvy a zápachy či podpora hoření. Jedná se o text na pomezí populárně naučného a odborného funkčního stylu, je proto vhodný jako studijní materiál na úrovni základního a středoškolského vzdělání a pro rozšíření znalosti daného tématu. Klíčová slova: plyn; vlastnosti plynů; vyuţití plynů; jed; otrava plynem; bojové plyny; medicinální plyny; anestezie; analgezie; diagnostika; terapie; dýchací přístroje; příprava plynů v laboratoři
ABSTRACT This work is the output text of the OPPA (The Operational Program Prague Adaptability, under the patronage of the European Union) on the topic of "Gases". It focuses on gases and their influence on human organism. It also examines the use of those effects these gases have in the field of medicine and chemical armament. The issue is viewed on three levels. First of all the common level, what is a gas and what are its properties, further we define the use of gases as poisons and chemical weapons and at last we define their use for the medical purposes. A part of this work is the description of practical experiments launched in a laboratory in order to verify some of the properties of the gases such as the fluidity, the colors and the odors or the support of inflammation. The style of the text is in between the popular educative and the technical academic style, it is therefore suitable as a revision material at the level of the elementary and secondary education and for broadening of the knowledge on the topic. Key words: gas, properties of gases, use of gases, poison, gas poisoning, nerve agents, medical gases, anesthesia, diagnosis, therapy, breathing apparatus, preparation of gases in a laboratory
-3-
OBSAH I. Úvod .............................................................................................................................................. II. Plyn .............................................................................................................................................. 2.1 Co je to plyn? ................................................................................................................ 2.2 Vlastnosti ....................................................................................................................... 2.3 Vyuţití vlastností plynů ................................................................................................. 2.4 Ideální plyn .................................................................................................................... 2.4.1 Teorie ideálního plynu .......................................................................................... 2.4.2 Stavová rovnice .................................................................................................... 2.5 Barevné označení tlakových láhví s plyny ..................................................................... 2.5.1Všeobecné značení ................................................................................................. 2.6 Plynová chromatografie ................................................................................................. III. Jedovaté plyny ............................................................................................................................ 3.0 Úvod ………………………………………………………………………………...... 3.1 Historie ………………………………………………...…………………………....... 3.2 Jedovatý plyn – chemická zbraň ………………………………...………………........ 3.3 Známé jedovaté plyny ................................................................................................... 3.3.1 Působení jedovatých plynů na organismus ……………………....………........... 3.3.2 Toxicita ……………………………………………………………………........ 3.3.3 Oxid uhelnatý ……………………………………………………………...…… 3.3.4 Chlor ………………………………………………………………………...…. 3.3.5 Yperit a jeho formy ………………………………………………………....….. 3.3.6 Kyanovodík ……………………………………………………………....……. 3.3.7 Arsan……………………………………………………………………...…….. 3.3.8 Oxid siřičitý ………………………………………………………………...….. IV. Medicinální plyny ..................................................................................................................... 4.1 Anestetika a analgetika ................................................................................................ 4.1.1 Oxid dusný ........................................................................................................... 4.1.2 Xenon ................................................................................................................... 4.2 Plyny v diagnostice ...................................................................................................... 4.2.1 Helium ................................................................................................................. 4.2.2 Oxid uhličitý ........................................................................................................ 4.3 Terapeutické plyny ....................................................................................................... 4.3.1 Hexafluorid sírový/ perfluoropropan ................................................................... 4.3.2 Kyslík ................................................................................................................... 4.3.3 Oxid dusnatý ........................................................................................................ 4.3.4 Dusík .................................................................................................................... 4.3.5 Oxid uhličitý ......................................................................................................... 4.4 Další vyuţití plynů ………………………………………………………….....…....... 4.4.1 Uchovávání biologického materiálu .................................................................... V. Experimentální práce v laboratoři .............................................................................................. VI. Závěr ......................................................................................................................................... Zdroje informací………………………………………………………………………………....
-4-
5 6 6 6 6 7 7 7 7 7 9 9 9 9 10 10 10 11 12 12 12 13 14 14 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16 16 16 17 17 17 17 21 23
I. Úvod Pod pojmem jed si většina z nás představí nějakou rozpustnou pevnou látku, která působí po jejím poţití negativním účinkem. Obecně jde o látku, která můţe způsobit poruchy v našem organismu (např.: narušit funkci nějakého orgánu či soustavy) chemickou reakcí či jinou aktivní reakcí na molekulární úrovni při jejím styku s organismem v dostatečném mnoţství. Jedná se interakci dané toxické látky s biologicky aktivní makromolekulou např.: bílkovinou, enzymem či nukleovou kyselinou. Do těla se jedy mohou dostat různými způsoby např.: perorálním způsobem, při kontaktu s kůţí či například vdechnutím. Jednou z forem jedu mohou být i plyny, které mají velice široké vyuţití, nejen jako nástroje k boji, hubení lidí, ale rovněţ jako léčiva či technické plyny. Medicinální plyny se však od technických plynů čím dál tím více oddělují, zejména z důvodu větších poţadavků na jejich distributory a bezpečnost uţivatelů, i kdyţ se v podstatě jedná o velice podobnou skupinu chemických látek. Medicinální plyny, neboli plyny vyuţívané v lékařství lze rozdělit např. podle jejich způsobu vyuţití na anestetika/analgetika, na plyny slouţící v diagnostice a na plyny přímo určené k léčbě pacienta, čili k terapii. S neustálým rozvojem vědy a techniky spolu s lidskou kreativitou jsme tedy schopni objevovat stále další nové informace a vyuţití vlastností látek. A tím se blíţíme k odpovědím, které lidé po dobu své existence hledají. Pokrok a technologie nám usnadňují kaţdodenní ţivot. Nicméně hrozí zde i moţnost zneuţití. Dobrým příkladem jsou právě plyny. V naší práci jsme se zabývali vlastnostmi plynů a jejich vyuţitím. Vlastnosti plyny mohou být uţitečné ať uţ v medicíně či v jiném odvětví vědy. Avšak mohou být zneuţity jako chemické zbraně. Naším cílem bylo tedy poukázat na dobré a špatné stránky pokroku a motivovat k zabránění tohoto zneuţití a vést vědu tím správným směrem.
-5-
II. Plyny 2.0 Co je to plyn? V chemických rovnicích se označuje písmenem g (gas). Lze jej definovat jako jedno ze skupenství látek, při kterém jsou molekuly od sebe natolik vzdáleny, ţe na sebe vzájemně působí prakticky zanedbatelnými silami a pohybují se volně v celém svém objemu. Skupenství látkek se teplotou a tlakem mohou měnit a hodnoty pro tyto změny se liší látku a látky. Přechod kapalné látky na plynnou se nazývá vypařování, v opačném případě se jedná o zkapalnění. Změna pevné látky na plynnou se jmenuje sublimace a plynné pak desublimace. Vakuum je prostor bez jakýchkoli částic, takţe neobsahuje ani ţádný plyn.
Obrázek č. 1 - Vakuum v nádobě
2.1 Vlastnosti a) Tekutost, jejíţ příčinou je snadná pohyblivost částic, které plynné látky tvoří. Plyny se přelévají v závislosti na jejich hustotě a to horem nebo spodem. b) Nemají stálý tvar a zaujímají tak vţdy tvar nádoby, ve kterých se nacházejí. c) Jsou velmi dobře stlačitelné, protoţe částice, které je tvoří, jsou dostatečně vzdálené. d) Mohou být různě barevné. Například inertní plyny jsou bezbarvé a chlór zelenoţlutý. e) Mají různé zápachy. f) Na základě počtu elektronů v jejich valenční vrstvě jsou reaktivní nebo inertní (vzácné).
2.2 Využití vlastností plynů Vlastnosti plynů vyuţívají lidé uţ dlouhou dobu. Za první vynález, při kterém se vyuţilo jedné z vlastnosti plynů, lze pokládat střelný prach. Poprvé byl střelný prach vyroben v Číně v 7. století. Jedná se o směs pevných snadno vznětlivých látek, které při reakci vytvoří plynu. Klasický černý střelný prach se skládá z 75% dusičnanu draselného, 15% dřevěného uhlí a 10% síry. Poměr jednotlivých látek se liší podle vyuţití. Zpravidla se pouţívá k trhacím pracem (např.: při těţení se vyuţívá prachu s niţším obsahem dusičnanu draselného (60-70%) a k armádním účelům vyšší obsah KNO3(74-75%)). Vyuţívá se rozpínavosti plynu, který vznikne (v případě střelného prachu se jedná o oxid uhličitý dusík): 2 KNO3 + S + 3 C → K2S + N2(g)+ 3 CO2(g) Na podobném principu funguje i prášek do pečiva. Skládá se nejčastěji z hydrogenuhličitanu sodného (NaHCO3 + H+ → Na+ + CO2 (g) + H2O) či uhličitanu amonného (2NH3 + H2CO3 →(NH4)2CO3(g)). Další vyuţití plynů jsou například v potravinářském průmyslu k balení potravin (např.: masa či chipsů), nebo jako nosný plyn a analytické chemii nebo také v medicíně.
Obrázek č. 2 - Kypřící prášek do pečiva
-6-
2.3 Ideální (dokonalý plyn) Ideální plyn je takový plyn, který splňuje následující tři předpoklady: 1. Rozměry molekul ideálního plynu jsou zanedbatelné ve srovnání se střední vzdáleností molekul. 2. Molekuly ideálního plynu na sebe nepůsobí přitaţlivými silami. 3. Vzájemné sráţky molekul ideálního plynu a nárazy molekul na stěny nádoby jsou dokonale pruţné. 4. Je dokonale stlačitelný. 2.3.1 Teorie ideálního plynu Tlak ideálního plynu Základní rovnice pro tlak ideálního plynu p=(1/3)(N/V)mv²=(1/3)Nmv² Podíl počtu molekul N a objemu V (neboli NV) je hustota částic. Známe-li hustotu plynu, lze rovnici ideálního plynu vyjádřit vztahem: 2.3.2 Stavová rovnice pro ideální plyn Ideální plyn je takový plyn, který lze popsat stavovou rovnicí. pV=nRT p ... tlak [Pa] V ... objem [m3] n ... látkové mnoţství [mol] T ... termodynamická teplota v Kelvinech [K] R ... molární plynová konstanta R = 8,315 [J.mol-1.K-1] Výhodou ideálního plynu je snadná aplikace matematického popisu. Vlastnosti reálných plynů jsou samozřejmě odlišné, protoţe skutečný plyn vţdy zkapalní a mezi jeho molekulami často působí nějaké síly. Přesto však lze stavovou rovnici a další matematické vztahy, vycházející ze studia ideálního plynu, v praxi velmi aplikovat s dostatečnou přesností a to v případě, ţe se plyn příliš nepřiblíţí ke stavu zkapalnění a nebudeme ho vystavovat extrémně nízkým teplotám a vysokým tlakům. Sledováním idéalní plynu v tzv. normálních podmínkách ( p= 1,01325 *105Pa a T= 273,15 K), lze určit jeho molární objem Vmol , tj. objem 1 molu. Podle Avogadrova zákona, který říká, ţe plyny o stejném objemu, teplotě a tlaku mají stejný počet molekul, je moţné určit teoretický molární objem všech plynů: Vm= 22,414 l/mol.
2.5 Barevné označení tlakových lahví s plyny Plynné látky se zásadně přepravují v plynových bombách, které jsou specificky označené v souvislosti s jejich obsahem. ,,Euro- norma DIN EN 1089-3 změnila dosud pouţívané barevné značení tlakových lahví s plyny. Nové značení bylo do praxe uváděno postupně od 1. 1. 1998, závazné je od července 2006. Uzávěry tlakových lahví, jejichţ značení bylo normou DIN EN 1089-3 změněno, jsou od původního značení odlišeny písmenem „N“ (angl. new, něm. neu, čes. nový,…). Norma ČSN 07 8508, dosud pouţívaná v České republice, byla zrušena bez náhrady.“ Laboratorní technika [online]. Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity, katedra chemie 2007-2008 .
-7-
Tabulka č. 1 - Všeobecné značení plynů Barva uzávěru
Vlastnosti
Příklady látek chlor,
fluor,
oxid
uhelnatý,
toxická látka nebo ţíravina
amoniak, oxid siřičitý
Hořlavina
methan, etylen
oxidační činidlo
směsi plynů s kyslíkem
inertní látka
směsi plynů pro ochrannou atmosféru při svařování
Tabulka č. 2 - Nové značení Evropské Unie
O2
lékařský O2
směs He – O2(hnědá)
směs O2– CO2
lékařský CO2
lékařský N2O
směs O2– N2O
CO2
syntetický vzduch
N2
Ar (tmavozelená)
Ne, Kr, Xe (světlezelená)
směs Ar – CO2
stlačený vzduch
He (hnědá)
acetylen (rezavá)
H2
směs N2– H2
CO2
-8-
2.6 Plynová chromatografie Plynová chromatografie je separační metoda určená k dělení a stanovení plynů, kapalin i pevných látek, které mají bod varu do 400°C. Podstatou této metody je rozdělování sloţek mezi dvě fáze a to fází pohyblivou - mobilní a fázi nepohyblivou - stacionární. V plynové chromatografii je mobilní fází takzvaný nosný plyn. Stacionární fáze je umístěna v chromatografické koloně. Stacionární fáze u náplňových kolon můţe být pevná látka (aktivní uhlí, silikagel, oxid hlinitý, polymerní sorbenty apod.) nebo vysokovroucí kapalina nanesená v tenké vrstvě na inertním nosiči. Princip této metody spočívá v tom, ţe vzorek se vstříkne do nástřikové komory, kde se odpaří a ve formě par je unášen nosným plynem do kolony. Jednotlivé sloţky ze vzorku postupují kolonou odlišnou rychlostí závislou na jejich hmotnosti. Látky postupně vycházejí z kolony v pořadí rostoucí hmotnosti částic a vstupují do detektoru, který indikuje okamţitou koncentraci separovaných látek v nosném plynu a jejich název. Výsledný grafický záznam detektoru se nazývá chromatogram.
Obrázek č. 3 - Chromatogram
Obrázek č. 4 - Ventilátor chromatografu
III. Jedovaté plyny 3.0 Úvod- Co je to jed? Pod pojmem jed si většina z nás představí nějakou pevnou látku, která je rozpustná ve vodě a působí po jejím poţití negativním účinkem. Obecně jde o látku, která můţe způsobit poruchy v našem organismu (např.: narušit funkci nějakého orgánu či soustavy) chemickou reakcí či jinou aktivní reakcí na molekulární úrovni při jejím styku s organismem v dostatečném mnoţství. Jedná se o interakci dané toxické látky s biologicky aktivní makromolekulou např.: bílkovinou, enzymem či nukleovou kyselinou. Do těla se jedy mohou dostat různými způsoby např.: perorálním způsobem, při kontaktu s kůţí či inhalací. V této části naší práce se budeme zabývat především tím třetím způsobem, tedy jedovatými plyny.
3.1 Historie využití jedovatých plynů S jedovatými plyny se lidé setkali ve větší míře aţ s rozvojem vědy a technologie. Jedovaté plyny jsou totiţ reaktivní látky a ve většině případů jde o uměle vyrobené látky. Obvykle tyto plyny slouţily jako zbraně během válek. Nicméně první styky s jedovatými plyny byly uţ datovány od starověku. Z dochovaných spisů a dokumentů, archeologové zjistili, ţe se jedovaté plyny pouţívali jiţ kolem roku 2000 let př. n. l.. V čínských pramenech z Dynastie Sun je zaznamenáno, ţe byly pouţity vylouhované extrakty z jedovatých rostlin k vyrobení toxického dýmu, který vyvolával spánek a v některých případech i smrt. Další záznamy vypovídají, ţe Spartakova armáda vyuţívala látky obsahující síru (pravděpodobně sfalerit a pyrit) k vyrobení oxidu siřičitého při obléhání Platají. Máme také historické údaje o nevydařeném obléhání Bělehradu Turky, jehoţ výsledek byl značně ovlivněn vyuţitím jedovatého oblaku obsahující sloučeniny arsenu. Prášek se sloţkami arsenu byl posypán na krysy a posléze hromadně vypouštěny na protivníky. Nápad vyuţít chlor jako chemickou zbraň měl v 19. století i anglický admirál Dundonald, který navrhl, aby byly vyuţity proti ruským vojskům během krymské války. Nicméně tento návrh nebyl přijat.
-9-
V roce 1862 během občanské války ve Spojených státech amerických se znovu objevil tento nápad pro pouţití chloru, ale ani zde nebyl uskutečněn. K realizaci této myšlenky došlo aţ v Evropě z iniciativy německého inţenýra Fritze Habera, který doporučil vyuţití chloru v 1. světové válce. Tato chemická zbraň byla pouţita 22. dubna 1915 na francouzskou armádu u belgického města Ypres. Během 5 minut bylo vypuštěno do vzduchu 180 tun chloru. Zasaţeno bylo 15 000 osob, z nichţ jedna třetina zemřela do 2 dnů. Tento útok je povaţován za počátek éry chemický zbraní a Fritz Haber je v některých publikacích pojmenován jako „otec chemické války“. Další chlorový útok provedli Němci v květnu 1915 u Bolimova proti ruským vojskům, kdy bylo rozptýleno 264 tun chloru. V prosinci 1915 byl německou armádou pouţit další účinnější plyn – fosgen, který byl pak vyuţíván v boji i ostatními mocnostmi. (Z dat vyplývá, ţe jeho působením zemřelo 80% lidí ze všech obětí chemické války mezi lety 1914-1915.) V roce 1916 Němci znova napadli Ypres s další otravnou látkou. Byla to nová látka s názvem βdichlordietylsulfid známý téţ jako hořčičný plyn či yperit (poprvé objevena v roce 1860 frederickem Guthrie). Jeho vysoká účinnost přesahovala dosud všechny pouţité plyny, a proto byl v té době nazýván „králem plynů“. Celkově bylo během 1. světové války pouţito více neţ 45 druhů jedovatých látek, z nichţ bylo 18 smrtících a 27 v různé míře dráţdivých. Nejnebezpečnějšími byly v první řadě chlor, fosgen, difosgen, yperit a kyanovodík. Na obou stranách bylo pouţito více neţ 110 000 tun otravných látek, které zasáhly více neţ 1,3 milion lidí, z nichţ asi 100 000 zemřelo.
3.2 Jedovatý plyn- chemická zbraň Pouţití chemických látek a jejich účinnost změnila pohled na způsob boje. Ve srovnání s klasickými zbraněmi jsou mnohem efektivnější, a proto se jejich vývoj rychlostně posouval dál. Během 1. světové války se jednalo prakticky o soutěţ vyrobit co nejúčinnější novou látku, aby mohla být pouţita k hromadnému ničení. Tato hrozba byla zmírněna 17. června 1925 Ţenevským protokolem, který zakazuje pouţívání dusivých, jedovatých a jiných plynů a všech podobných kapalin, látek a přístrojů stejně jako i bakteriologických prostředků. Avšak nezakazuje státům tyto látky vyrábět, skladovat či transportovat. Tyto podmínky upravuje aţ Úmluvy o biologických zbraních z 1972 a Úmluvy o chemických zbráních z roku 1992. Tím mohly experimenty a výzkumy jak teoretické i praktické pokračovat dál. V roce 1935 chemický inţenýr koncernu Farben Gerhard Schrader popsal toxické účinky N- dimethylamidofosforylfluoridu při výzkumu nových insekticidů, a tím začaly nové výzkumy k vyrobení bojových látek s nervově paralytickým účinkem. Touto myšlenkou vznikaly další velmi toxické jedy např.: sarin či tabun. Otravnými kapalinami se poté plnili granáty či další zbraně. Jedovaté plyny jsou velmi účinné, protoţe jsou většinou bez barvy či zápachu a tak jsou stěţí identifikovány. Navíc moţnost ochrany je před nimi nízká vzhledem k nutnosti dýchání pro člověka a těţké detekci přítomnosti toxického plynu. Z tohoto důvodu je to jeden z dnešních oblíbených moderních zabijáků.
3.3 Známé jedovaté plyny V této kapitole si představíme několik jedovatých plynů. Podíváme se na jejich vlastnosti a především působení na lidský organismus. Nejprve si však vysvětlíme pojem toxicita a také si rozdělíme účinky jedů. 3.3.1 Působení jedovatých plynů na organismus Jed ve formě plynu se dostává do organismu vdechnutím a proniká dýchacími cestami, které můţe případně podráţdit či poškodit (záleţí na druhu). Poté putuje do plicních sklípků a je následně vstřebáván. Krví či mízním systémem se dostává do tkání, kde se můţe metabolizovat na více jedovatou látku. Zde také dochází k toxickému efektu. Efekty jedy mohou být různé, např. změna biologických reakcí a procesů nebo zničené napadené buňky. Některé jedy se váţou na bílkoviny a tak způsobují nefunkčnost jednotlivých enzymů. Obecně řečeno, jed pokaţdé napadá buňku, ve větším měřítku soubor buněk, tkáň či dokonce celý organismus. V případě inhalace dochází k toxickému efektu velice rychle, protoţe se z alveol jed dostává velmi rychle do krevního řečiště a tím má velmi rychlý přístup ke tkáním.
- 10 -
Účinek jedu závisí na koncentraci a objemu vdechovaného kontaminovaného vzduchu a tedy souvisí s dechovou frekvencí jedince. Cestou do plic se můţe jed zachytit na řasinkový epitel pokrývající dýchací cesty. Jejich pohybem a tvorbou hlenu se mohou pak vyloučit do ústní dutiny. Při polykání lze mluvit také z části o otravě zaţívací cestou. Podle účinků na organismus člověka můţeme rozlišit jedy s účinky - specifickými (poškození určitého orgánu či tkáně) - nespecifickými (poškození základní ţivotní funkce) - systémovými (poškození skupin orgánů a systému) - alergizujícími (vyvolání přecitlivělost na danou látku) - karcinogenními (vyvolávají nekontrolovatelné dělení buněk) V mnoha případech se tyto účinky mohou kombinovat. Dále můţeme dělit účinky na systémové úrovni: - nervově paralytické: známé také podle dřívějšího pojmenování bojové organofosfáty; působí na centrální a periferní nervový systém - zpuchýřující látky: vyvolávají tvorbu puchýřů a toxicky působí na imunitní systém jedince - všeobecně jedovaté látky: zabraňují přenosu kyslíku z krve do tkání - zneschopňující: způsobují dočasnou nefunkčnost určitého systému; nejsou ve většině případů smrtelné - dráždivé: mají iritující účinky na horní cesty dýchací, kůţi, či jde o slzotvornou látku; jejich působení na organismus je během kontaktu s danou látkou, po přerušení styku s ní její účinky mizí 3.3.2 Toxicita Toxicita je vlastnost chemické látky vyvolat otravu u organismu (lidí či zvířat) po jejím poţití, vdechnutím či, absorbcí přes kůţi. Teoreticky jsou všechny látky toxické, závisí pouze na jejich mnoţství. Například voda je také toxická; pokud dojde k velkému poţití (5L najednou u člověka s malou pohybovou aktivitou), naruší homeostázi organismu a můţe způsobit i smrt. Toto jiţ věděl i Paracelsus kdyţ pronesl známou větu: „Dosis sola facit ut venenum non sit“ (= „Je to dávka, která určuje, aby nešlo o jed.“) Toxicita látek se určuje toxikologickými konstantami: - střední prahová koncentrace ICt50: je koncentrace, kdy u 50% zasaţených jedinců vyvolá po určité době t prahové příznaky otravy - střední zneschopňující koncentrace ECt50: je koncentraci, kdy u 50% zasaţených vyvolá po určité době t zneschopnění - střední letální koncentrace LCt50: je koncentrace, kdy 50% zasaţených jedinců po určité době t zemře 3.3.3 Oxid uhelnatý CO Je bezbarvý nedráţdivý plyn, bez chuti a zápachu a lidskými smysly nepostřehnutelný. Je lehčí neţ vzduch, ale se vzduchem se mísí. Je málo rozpustný ve vodě. Dříve se pouţíval palivo (součást svítiplynů), tvoří součást vodního plynu a je obsaţen v generátorech. Má silné redukční schopnosti. Jedná se o produkt nedokonalého spalování organických látek v kamnech, pecích, motorech či při poţárech (např.: benzínu, uhelnatého pletiva, dřeva či papíru). Riziko styku s tímto plynem je především u majitelů starších špatně udrţovaných aut, kde můţe dojít k nedokonalému spalování pohonných hmot. Při výskytu rzi na výfukovém systému a proděravění auta můţe vnikat oxid uhelnatý zpátky do vozu. Můţeme se s ním setkat i přírodě. V atmosféře je v nepatrném mnoţství. Vzniká působením ultrafialového světla na oxid uhličitý. Jde o tzv. fotolýzu oxidu uhličitého. Jedná se také o jeden z produktů při sopečném výbuchu, je to součást sopečného plynu (vulkanický plyn). Při vdechnutí oxidu uhelnatého dochází k tvorbě vazby na červené barvivo hemoglobinu (obsahující atom ţeleza).
- 11 -
Vazba je několiksetkrát silnější neţ vazba s kyslíkem a proto oxid uhelnatý kyslík vytěsní. Tím dochází ke sníţení koncentrace kyslíku v krvi a následně pak k nedostatečné oxidaci tkání respektive buněk. Nedostatek kyslíku zapříčiní tkáňové dušení. Nejrychleji se tento nedostatek projeví ve tkáních, kde je ho největší spotřeba (centrální nerovová soustava, srdce, játra).
Tabulka č. 3 - Příznaky otravy CO při daných koncentracích Příznaky
Koncentrace CO navázaného na hemoglobin
Koncentrace CO ve vzduchu (ppm)
Ţádné (u kuřáků)
5%
více 35 ppm
Bolest hlavy, neklid, závrať, dušnost
10%
50 ppm
Intenzivní bolest hlavy, dušnost, neklid
20%
100 ppm
Bolest hlavy, zhoršení vidění, spavost, pocit tupost
30 %
200 ppm
Zmatenost, letargie, tachykardie, kolaps
40-50%
300 – 500 ppm
Křeče, koma
60-70%
800 – 1200 ppm
Náhlá smrt (zástava srdce)
80%
1900 ppm
Dojde k zrychlení dechu, srdečního tepu, posléze k poruše srdečního rytmu a sníţení krevního tlaku. Ve vysokých koncentracích můţe dojít k zabarvení kůţe a sliznice má třešňově červenou barvu. První pomoc: Hlavním cílem je zvýšit koncentraci kyslíku ve tkáních. Je tedy nutné postiţeného přemístit na čerstvý vzduch. Pokud není moţné se přemístit, je důleţité sníţit objem vdechovaného oxidu uhelnatého pomocí ochranné masky se speciálním filtrem, který ho absorbuje či mokrým hadrem. Po zavolání odborné pomoci se zvyšuje koncentrace kyslíku pomocí 100% kyslíkové bomby, která přeruší vazby CO na hemoglobin. Je nutné, aby se obnovila acidobazická rovnováha v těle. Jestliţe dojde k bezvědomí je nutná resuscitace. U těţkých otrav je účinná i přetlaková terapie v barokomorách. 3.3.4 Chlor Cl2 Je jedovatý zelenoţlutý plyn se specifickým zápachem. Jeho výroba je snadná, vyrábí se například elektrolýzou roztoku chloridu sodného za vzniku chloru, vodíku a hydroxidu sodného. Je to velmi důleţitá výchozí látka k výrobě HCl. elektrolýza
2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2 Chlor vniká do organismu dýchacími cestami, které během cesty do plic naleptává tím, ţe reaguje s vlhkým prostředím tkání za vzniku kyseliny chlorné a chlorovodíkové. Naleptány jsou i plicní sklípky. Zasaţený je nápadně bledý, má úporný kašel a pociťuje celkovou únavu. První pomoc: Nasadíme postiţenému ochranou masku a přeneseme ho ze zamořeného prostoru. Poté podáváme 100% kyslík. Při horších stavech, kdy dochází aţ k edému plic (zadrţování vody v plicích) se mohou podávat kortikosteroidy.
- 12 -
3.3.5 Yperit a jeho formy (C4H8Cl2S) Yperit jinak známý jako hořčičný plyn je účinný bojovný plyn ve formě aerosolu. Jedná se o synteticky vyrobenou organickou látku (výroba z chloridu sirnatého a etylenu). V čisté formě v normálních podmínkách (20°C) se jedná o čirou kapalinu se zápachem po hořčici. Jde o velmi reaktivní sloučeninu, která reaguje především s guaninem v DNA a tím její spojí oba řetězce. Důsledkem toho je zastavené buněčné dělení. Ve většině případů má yperit dlouhou dobu latence, která závisí na koncentraci a dobu vystavení k tomuto noxu. Nejvíce působí v částech těla, kde se vyskytuje velké mnoţství ţláz (např.: podpaţí) či v místech, nedochází k zvýšenému mechanickému dráţdění. Nejdříve se příznaky objevují u nejcitlivější části těla- očí. Po určité době latence dojde k slzení, zarudnutí spojivek a víček, vytvoří se otok na víčkách a vzniknou vředy na rohovce. Zasaţený má pocit cizího tělesa v oku a je světloplachý. Na konec dojde k odumření celé tkáně oka. K pálení a svědění kůţe dochází zpravidla po 4-6 hodinách od zasaţení. Na povrchu se vytvoří koţní defekty (u lidí většinou puchýře), po kterých zůstanou jizvy. Nejprve se vytvoří malé puchýřky, které se časem rozrůstají do větších puchýřů, na kterých se objeví vředy. Jejich hojivost můţe být komplikována infekcí. Narušena je především dýchací soustava: raněný cítí bolest za hrudní kostí a dušnost, také se objevují bolesti krku a pocit suchosti v dutině ústní. Charakteristický je také chrapot či kýchání, coţ jsou první náznaky zánětu dýchacích cest a plic. Zasaţený má také křeče v břiše, pociťuje celkovou nevolnost a dochází také k opakovanému zvracení (s příměsí krve). Celkově dochází k poškození cévní a srdeční soustavy a také k zhoršení látkové výměny ve svalech, játrech, ledvinách a srdci. Můţe dojít i psychickým změnám, by zaznamenaná především apatie (nezájem), deprese a melancholické stavy. První pomoc: Pokud je k dispozici nasadíme zasaţenému ochranou masku a snaţit se ochránit i povrch těla před stykem s yperitem. Následně dochází k okamţitému opuštění zamořeného prostoru a odstraní se oděv, který se dostal se styku s jedem. Pokud dojde k zasaţení očí vyplachují se roztokem jedlé sody (1-2%), manganistanem draselným (0,5-1%) , chloridu sodného (0,9%) či monochloraminem B. Ústa se rovněţ vyplachují roztokem jedlé sody. Můţe se vyvolávat i zvracení, ale pouze jednu hodinu od zasaţení. Zasaţeného zbytečně nenamáháme a poskytujeme případnou inhalaci aerosolu roztoku jedlé sody. V dnešní době si yperit udrţuje svoji důleţitost jako bojový plyn. Daleko účinnější jsou však jeho sloučeniny jako například: dusíkový yperit (směs yperitu s čistým dusíkem), který má paralyzující účinky, oxolový yperit ((Bis-2-chloroethylthioethyl)-ether), který má niţší bod tuhnutí neţ sirnatého yperitu (teplota tuhnutí oxolového yperitu: -30°C, teplota tuhnutí sirného yperitu: 14°C) a proto můţe být pouţit i v zimě či sesquiyperit (1,2 Bis-2-chlorethylthio-ethan), který je aţ pětkrát dráţdivější neţ sirný yperit. 3.3.6 Kyanovodík (HCN) Je bezbarvá kapalina s hořkomandlovým zápachem. Vzhledem k tomu, ţe je to velmi těkavá látka, se její účinnost sniţuje, protoţe na otevřeném terénu vydrţí v zimě průměrně pouze 10 minut. Efektivnější je tedy pouţívat kyanovodík v uzavřené místnosti či ho chemicky ztuţit. Vzniká např. reakcí oxidu uhelnatého s amoniakem při vysoké teplotě (500-700°C) za přítomnosti oxidu hlinitého či částečnou oxidací směsi amoniaku a methanu kyslíkem na platinové desce. Kyanovodík a jeho soli (např.: kyanid vápenatý, kyanid amonný) je smrtelně jedovatý jiţ v malé koncentraci (smrtelná koncentrace ve vzduchu: 25 ppm, v lidském těle: 300mg/ člověka). Stejně jako oxid uhelnatý je to dusivá látka, která zabraňuje přenosu kyslíku z krve do tkání. Kyanovodík, přesněji řečeno ion CN- se váţe v organismu na enzymy, které obsahují Fe3+ např.: cytochromoxidáza a3. Dochází pozastavení metabolických procesů a k buněčnému dušení. Při malé koncentraci dochází u zasaţeného k bolesti hlavy, závrati, problému s dýcháním, přechodné poruše vidění a bolesti krku. Při vyšší koncentraci, kromě předešlých příznaků, pociťuje postiţený tlak na hrudníku, rychle následuje ztráta vědomí a zástava srdeční činnosti. Obecně je kyanovodík v plynné formě nejrychlejší a nejagresivnější.
- 13 -
První pomoc: Nasadíme postiţenému ochrannou masku a odneseme ho ze zamořeného prostoru. Pokud dojde ke ztrátě vědomí, poskytujeme umělé dýchání a inhalaci par amylnitrilu (propylnitrilu). Posléze mu podáváme čistý kyslík. K vytěsnění CN- z krevního řečitě pouţime antidoty např. natrium thiosulfuricum, vitamin B12 nebo EDTA (Kelocyanor). Další sloučenina obsahující ion CN- je např.: chlornan, který je ještě těkavější neţ kyanovodík, má dusivé a slzotvorné účinky a prochází dokonce i filtry ochranné masky.
3.3.7 Arsan (AsH3) Je bezbarvý plyn se zápachem po česneku. Jedná se o prudce jedovatou látku, která vzniká např. reakcí arsenidu či kov obsahující příměs arsenu s kyselinou (HCl či H2SO4). K otravám arsanem proto dochází právě především během zpracovávání kovů (metalurgické závody). Arsen, a tedy i arsan se vyskytuje v přírodě velmi vzácně (zemská kúra obsahuje průměrně 0,003 mg/dm3 ). Nejvýznamnější rudou arsenu je arsenpyrit (směsný sulfid ţeleza a arsenu), ale je obsaţen také např. v uhlí. Arsan je letálně jedovatá látka jiţ při malé koncentraci. Čichem je rozpoznatelný jiţ od koncentrace 0,5 ppm, ale i tato koncentrace mít pro postiţeného fatální následky. Běţná smrtelná koncentrace se pohybuje mezi 25-30 ppm. Arsan vniká do organismu především dýchacími cestami, kde naleptává sliznice. Nicméně můţe procházet i ranami. Dráţdí a leptá kůţi a oči. V těle arsan reaguje s enzymy s thiolovými (sulfhydrylovými ) skupinami např. ALT (alaninamino-transferasa; enzym působící v játrech). U postiţeného arsanem se projevuje dušnost, zvýšená frekvence dechu, závrať a svalové křeče. Velmi rychle dochází k zástavě srdce. Arsen a jeho sloučeniny jsou prokázané karcinogenní látky (nádory vznikají především u plic a jater). První pomoc a léčba: Nasadíme postiţenému ochranou masku a přeneseme ze zamořeného prostoru. Podáváme kyslík a antidoty k částečnému vyloučení arsenu v těle např. dimerkaprol. Z důvodu karcinogenní vlastnosti látky je důleţité sledovat příznaky případného nádoru po delší dobu. 3.3.8 Oxid siřičitý (SO2) Je bezbarvý plyn se specifickým štiplavým zápachem. Stejně jako oxid uhelnatý je SO2 součást sopečného plynu. Vzniká spalování sirnatého uhlí a ropy s obsahem síry. Spolu s nitrozními plyny (např.NO2) je to nejčastější látka znečišťující ovzduší (přijatelná hranice SO2 v ovzduší: 10 mg/m2). V průmyslu se vyuţívá především v potravinářství k udrţení barvy a desinfekci (sušené ovocí, víno) či k úpravě kovů, bělení papíru nebo vlny. Oxid siřičitý dráţdí dýchací cesty a spojivky. Tlumí funkci smyslových orgánu a negativně ovlivňuje funkci plic. Postiţený má podráţděné sliznice, má problémy s dýcháním a bolest hlavy při vysoké koncentraci. Vyvolává pálení v nose, chrapot, pocit dušení a kašel. Oxid siřičitý je nebezpečný především pro astmatiky, protoţe se rychleji dostává do krevního řečiště, kde pak narušuje funkci organismu. V dnešní době existují výzkumy, které zkoumají problematiku vysoké koncentrace oxidu siřičitého v ovzduší, především ve městech. Bylo prokázáno, ţe zvyšuje mortalitu, sniţuje funkci plic (sniţuje jejich ventilace, dechovou kapacitu) a způsobuje bronchitidu (zánět průdušek). První pomoc: Postiţenému poskytneme ochranou masku a přeneseme ho na čerstvý vzduch. Poté podáváme 100% kyslík.
- 14 -
IV. Medicinální plyny 4.1 Anestetika a analgetika Anestetika jsou látky způsobující stav otupělosti (narkózy) s lokálním nebo celkovým účinkem. Analgetika mírní bolest, aniţ by pacient ztratil vědomí, pouţívají se např. pooperačně a v rekonvalescenci. 4.1.1Oxid dusný Asi nejznámějším plynem vyuţívaným v oboru anesteziologie je oxid dusný (N2O), triviálně nazývaný rajský plyn. Jedná se o nejedovatý, bezbarvý plyn nasládlé chuti, který je ve vysokých koncentracích nedýchatelný. Průmyslově se vyrábí tepelným rozkladem dusičnanu amonného (NH4NO3), dále je čištěn na potřebnou kvalitu a zkapalněn. Oproti jiným oxidům dusíku je oxid dusný poměrně stabilní, nahradil proto dříve pouţívaná narkotika, jako jsou diethylether (CH3CH2OCH2CH3), cyklopropan či halotan (CF3CHClBr), která kvůli mnoţství vedlejších účinků a rizik ohroţovala zdraví pacientů. Narkóza oxidem dusným se neprovádí čistým plynem, ale zpravidla jeho směsí s jinými plyny, nejčastěji s kyslíkem (O2). Ředění oxidu dusného sniţuje rizika pouţití tohoto plynu při zákrocích. Jako minimální koncentrace kyslíku v narkotické směsi se uvádí 21% (obj.), tento poměr je vhodný k navození hluboké narkózy pro operace. Jako nejlepší poměr zastoupení obou plynů ve směsi se ukazuje 50% (obj.) N2O na 50% (obj.) O2, která se od 60. let pouţívá jako anestetikum při porodech a od té doby se rozšířila i jako analgetikum při ambulantních zákrocích.Oxid dusný vytěsňuje z dýchaného plynu kyslík, coţ v niţších koncentracích způsobuje přidušenost a následnou ztrátu vědomí, ve vyšších koncentracích aţ smrt, jelikoţ oxid dusný vytěsní veškerý kyslík potřebný k normálnímu fungování organismu. Po odpojení pacienta od zdroje narkotika se opět doplní potřebný kyslík ze vzduchu a organismus se vrací k normálu, toto „vystřízlivění“ můţe trvat aţ několik hodin. 4.1.2 Xenon V dnešní době se za účelem zvýšení bezpečnosti pacientů hledají další alternativy narkotizujících látek pro maximální sníţení rizik spojených s jejich aplikací. Asi nejvýznamnějších pokrokem v tomto směru je záměna N2O za xenon (Xe). Xenon je bezbarvý nejedovatý plyn patřící do skupiny vzácných plynů, které jsou díky osmi valenčním elektronům prakticky inertní, reagují pouze některé a to za extrémních podmínek, vzniklé sloučeniny mají obvykle velice krátkou ţivotnost. Díky těmto vlastnostem se xenon perfektně hodí pro pouţití v anesteziologii, jelikoţ ho organismus lépe snáší. Bylo také prokázáno, ţe xenon navozuje snadněji hlubokou narkózu, jiţ při koncentraci 80% (obj.) xenonu na 20% (obj.) kyslíku. Narkóza xenonem je bez vedlejších účinků a k probuzení pacienta dochází uţ několik minut po přerušení dávkování narkotika. Nevýhodou xenonu je prozatím vysoká cena, která je způsobena vzácností výskytu xenonu v zemské atmosféře (asi 0,008% (obj.)). Xenon se získává frakční destilací zkapalněného vzduchu.
4.2 Plyny v diagnostice Plyny našli své uplatnění rovněţ v diagnostice nejrůznějších onemocnění, neslouţí však většinou jako přímé diagnostické nástroje, ale spíše jako pomocné prostředky k zefektivnění diagnostických metod. 4.2.1 Helium Helium (He) je dalším ze skupiny vzácných plynů. Jedná se o bezbarvý nejedovatý plyn s nízkým bodem varu blíţícímu se absolutní nule (-273°C), díky čemuţ je hojně vyuţíván k navození supravodivosti některých supravodičů. Při extrémně nízkých teplotách se kolem těchto tzv. supravodičů vytváří magnetické pole. Helium se proto vyskytuje např. i v okolí silných elektromagnetů, které jsou součástí tomografů pro magnetickou rezonanci. Magnetická rezonance je diagnostická neinvazivní zobrazovací metoda, která zkoumá různé rozloţení atomů vodíku v tkáních (v molekulách vody H2O), na základě čehoţ potom posílá obraz do počítače. Ten pomocí sloţení tkáně můţe poskytnout výsledný 3D obraz daného orgánu. Jedná se tedy o unikátní metodu umoţňující zkoumání lidského těla zevnitř zcela neinvazivním způsobem.
- 15 -
Magnetická rezonance není vhodná pro osoby s kovovými předměty v těle, jako jsou např. kloubní náhrady kovového charakteru. U nových náhrad se však pouţívají jiţ nekovové materiály. Zvláštní upozornění platí pro pacienty s kardiostimulátory a jinými voperovanými elektronickými přístroji, kteří by neměli vyšetření podstupovat z důvodu moţného ohroţení zdraví a ţivota. 4.2.2 Oxid uhličitý Významnou úlohu v diagnostice hraje hojně vyuţívaný oxid uhličitý (CO2). Jakoţto biogenní plyn, tedy lidskému tělu vlastní, je vhodný pro pouţití při nejrůznějších vnitřních vyšetřeních. Tento bezbarvý nízce reaktivní plyn se zavádí do těla pacienta tzv. insuflací, kdy je do dutiny břišní napuštěno poţadované mnoţství oxidu uhličitého. Ten vyplní meziorgánový prostor a nadzvedne tak stěnu břišní dutiny a umoţní tak volný pohyb přístrojům provádějícím zákrok. Insuflace je dnes běţně pouţívána při kolonoskopii, vyšetření vnitřní sliznice tlustého a tenkého střeva, kdy se plyn vhání přímo do střeva, které je za normálních podmínek kolabované (splasklé). Dříve se k insuflaci při kolonoskopii pouţíval vzduch, kdy však pacient po výkonu pociťoval značné bolesti břicha související se vstřebáváním plynu a návratem střeva do kolabovaného stavu. Oxid uhličitý se ukázal jako lepší alternativa s kratší dobou zotavení a niţším výskytem pooperačních obtíţí, zejména díky snadnějšímu vstřebání plynu ve střevě. Dále se insuflace vyuţívá při laparoskopické chirurgii či endoskopii.
4.3 Terapeutické plyny Pod pojmem terapeutické plyny se rozumí plyny, které mají sami účinky, jichţ se vyuţívá přímo k léčbě pacienta, tj. plyny jsou oním léčivým prostředkem. 4.3.1 Hexafluorid sírový/perfluoropropan Dalším plynem vyuţívaným k insuflaci při operacích je hexafluorid sírový (SF6) nebo perfluoropropan (C3F8). Vyuţívá se jich zejména při operacích odloupnuté sítnice, kdy se zákrok provádí zevnitř oka (vitrektomie). Po odejmutí sklivce se laserem ošetří porušená sítnice a následně se provede tzv. vnitřní tamponáda oka, kdy se prostor oční koule vyplní rozpínavým plynem, kterým je právě SF6 či C3F8, ten pak fixuje pozici sítnice aţ do jejího zhojení. Plyn z oka samovolně vymizí po 6-7 týdnech. 4.3.2 Kyslík Kyslík (O2) je biogenním plynem nezbytným k ţivotu člověka. Podílí se na řadě chemických procesů v organismu, od dýchání po metabolizaci ţivin. Medicinální kyslík se obecně vyuţívá při nedostatečném okysličení organismu, např. z důvodu poruchy dýchacího systému či při obnově traumatizovaných tkání. Kyslíková terapie za zvýšeného tlaku (hyperbarická oxygenoterapie – HBOT) je velice účinná inhalační metoda podávání kyslíku v prostoru speciální vysokotlaké komory. Plyn podávaný při tlaku 2,5 – 3 vyšším neţ tlak atmosférický je 5krát koncentrovanější, neţ kyslík ve vzduchu, jedná se tedy o téměř 100% kyslík. Účelem terapie je dosycení krevního hemoglobinu o kyslík, coţ se díky extrémním podmínkám daří aţ 15krát lépe, neţ při běţném dýchání. Tato metoda je vhodná zejména pro pacienty po otravě oxidem uhelnatým (např. při poţáru či z oblastí s vysokou koncentrací prachových částic v ovzduší – Ostravsko, Karvinsko, Mostecko, atd.), dále u pacientů s drtivým poraněním končetin, popáleninami či po prodělaném dekompresním šoku u potápěčů. Zvýšená koncentrace kyslíku v krvi rovněţ pozitivně ovlivňuje vliv některých antibiotik, zvyšuje schopnost bílých krvinek ničit bakterie či zastavuje růst anaerobních mikroorganismů. Tato metoda naopak není vhodná pro těhotné ţeny, pro pacienty s akutním pneumotoraxem či kuřáky v odvykacím období. Rizika spojená s oxygenoterapií souvisí zejména s moţným poraněním např. zvukovodů, bubínků či plic v důsledku zvýšeného tlaku, dále hrozí intoxikace kyslíkem z důvodu nedodrţení indikované dávky apod. 4.3.3 Oxid dusnatý Oxid dusnatý (NO) je bezbarvý plyn, za normálních okolností pro člověka toxický. V malých dávkách se však ukázal velice účinným prostředkem k rozšiřování cév a uvolňování křečí hladké svaloviny. Je rovněţ přirozeně přítomen v organismu a zodpovídá za některé procesy v něm, jako je např. tvorba paměti, uvolnění svalstva ve střevech a tím vznikající peristaltiku či topoření penisu. Diagnózy, k jejichţ léčbě se oxidu dusnatého vyuţívá, jsou zejména zvýšený plicní tlak (plicní tenze)
- 16 -
u novorozenců a dětí s vrozenými srdečními a plicními vadami, akutní selhání plic či křeče hladké svaloviny, nejčastěji dutiny břišní. Při plicních obtíţích se směs NO inhaluje, při křečích je aplikována injekčně. Léčba NO však nepatří mezi běţné terapeutické metody, zejména pro svou vysokou rizikovost. Ta je spojena především s toxicitou oxidu dusnatého při dlouhodobějším uţívání a rovněţ kvůli moţnému vzniku závislosti. 4.3.4 Dusík Dusík (N2) je hojně vyuţívaným terapeutickým plynem. Díky své inertní povaze a nízkým teplotám tání a varu se vyuţívá k tzv. kryoterapii, která je aplikována lokálně nebo celkově. Podoba kryoterapie se v jednotlivých lékařských oborech liší. V dermatologii se podchlazení určité části těla vyuţívá např. k odstraňování bradavic, výrostků na kůţi způsobených virem rodu papilloma, které se mohou vyskytovat kdekoli na těle, nejčastěji na ploskách nohou, rukou či obličeji a často jsou resistentní vůči jakékoli jiné léčbě. Při opakované aplikaci tekutého dusíku nízké teploty se výrůstek spolu s napadenou tkání (bradavice často prorůstají hluboko do tkáně) postupně odlupuje, aţ do úplného odumření. Při celkové kryoterapii je organismus krátkodobě (1-3 minuty) vystaven extrémně nízkým teplotám za účelem vyvolání přirozené reakce těla na chlad. Kryoterapie se provádí v tzv. kryokomoře. Nejčastějšími indikacemi celkové kryoterapie jsou problémy pohybového ústrojí – bolesti kloubů a svalů, rehabilitace po operacích kloubních náhrad a amputacích, onemocnění dýchacího ústrojí – astma, chronické bronchitidy, či pouze při únavě a stresu. Dále je vhodná pro pacienty s lupénkou, akné a jinými dermatologickými obtíţemi. Celkovému podchlazení organismu by se naopak měly vyvarovat osoby se špatnou činností srdce – s kardiostimulátory, hypertonici, lidé s nádorovým onemocněním či těhotné ţeny. 4.3.5 Oxid uhličitý Oxid uhličitý (CO2) se osvědčil nejen jako diagnostický pomocný plyn, ale rovněţ jako plyn terapeutický. Dvěma metodami vyuţívající léčivé účinky oxidu uhličitého jsou injekční insuflace (karboxyterapie) a plynné uhličité koupele. Obě dvě metody se vyuţívají zejména v dermatologii. Injekční insuflace spočívá v podkoţní aplikaci oxidu uhličitého na postiţené místo. Vstřebáváním plynu se dráţdí cévní chemoreceptory a dochází ke zvýšení krevního tlaku. Zároveň přispívá ke zvýšenému prokrvení koronárních arterií a tím i myokardu. Náhlá přítomnost CO2 v podkoţí má vedlejší vasodilatační účinky, vyuţívá se proto ve fyzioterapii k uvolňování svalových křečí, zejména v okolí páteře a k léčbě bolestí kloubů. V estetické medicíně se pouţívá k omlazení kůţe v oblasti víček, spánků, čela, dekoltu a hřbetu rukou. Díky lipolytickému efektu lze pomocí karboxyterapie modelovat problematické partie jako jsou boky, břicho, hýţdě či krční val (tzv. druhá brada). Metoda není vhodná pro pacienty se záněty kůţe či panickým strachem z vpichů. Po zákroku nejsou ţádná omezení, naopak pohyb přispívá k lepšímu vstřebávání plynu do těla. Uhličitých koupelí se hojně vyuţívá v lázeňství. Tato léčivá metoda má blahodárné regenerační účinky na kůţi. Pomáhá při hojení jizev, proti pomerančové kůţi i stařeckým bradavicím. Kůţe je po aplikaci vypnutá a odpočinutá. Pacientovi je nasazen igelitový vak, který pokrývá celé tělo aţ po dekolt (krom hlavy). Ten je pak napuštěn oxidem uhličitým. Jedná se o tzv. suchou uhličitou koupel. Druhou variantou uhličité koupele je koupel v minerální vodě s vysokou koncentrací oxidu uhličitého. Voda se těsně před aplikaci vyhřeje na teplotu 34-36°C, aby se z ní začal plyn uvolňovat a dělo se tak po celou dobu terapie. Jak plyn uniká z minerální vody, roztahuje cévy a prokrvuje pokoţku. Účinky jsou obdobné jako u suché uhličité koupele. Pro lepší účinky je vhodné terapii několikrát opakovat.
4.4 Další využití plynů Existují i další plyny vyuţívané ve zdravotnictví, které však nepatří ani do jedné z předchozích kategorií. Jejich význam ale není o nic zanedbatelnější, stále platí za nenahraditelné pomocníky. 4.4.1 Uchovávání biologického materiálu Kapalným dusíkem (N2) se buňky mohou hubit, ale také uchovávat. V boxech podchlazených tímto plynem se uchovávají např. orgány odejmuté z těl dárců určené k transplantaci.
- 17 -
Stejně tak banky krevní plazmy či pohlavních buněk jsou vlastně obřími mrazáky chlazené kapalným dusíkem. Spermabanky jsou zásobárny haploidních muţských pohlavních buněk. O jejich odběr můţe poţádat pacient, který má poruchu tvorby spermií či pokud jsou jeho spermie neschopné absolvovat oplodňovací cyklus. Do spermabank ukládají svoje semeno muţi s potenciálním rizikem onemocnění, nebo ti, kteří chtějí pomoci ostatním a svoje semeno darovat. Pacient tedy obdrţí buď svoje zmraţené sperma, nebo sperma dárce. Obdobný systém zmraţení buněk funguje i u lidských vajíček. Díky podchlazení dusíkem se přeruší vývoj těchto buněk a jsou schopny konzervace. Po rozmraţení opět můţe dojít k jejich reprodukci, zejména prostřednictvím umělého oplodnění. V současné době probíhá výzkum moţnosti zmrazení umírajících lidí, či lidí těsně po smrti, s nadějí jejich moţného oţivení/uzdravení po určité době, kdy budou k dispozici lepší lékařské metody. Jedná se však o stadium převáţně utajeného výzkumu s nejasnými výsledky.
V. Experimentální činnost V rámci naší práce jsme se věnovali přípravám a důkazům několika druhů plynů, abychom ověřili jejich vlastnosti a účinky. 1) Kyslík (O2) Nejprve jsme připravovali kyslík rozkladem peroxidu vodíku za přítomnosti katalyzátoru oxidu manganičitého. Vzniklý kyslík jsme odváděli a jímali pod vodou do zkumavek. Úspěšnost naší přípravy jsme dokazovali vzplanutím ţhavé špejle v přítomnosti kyslíku ve zkumavce a dokázali jsme tak, ţe podporuje hoření. 2H2O2 → 2H2O + O2(g)
Obrázek č. 5 - Hoření síry
Obrázek č. 6 - Hoření hořčíku
Obrázek č. 7 - Důkaz kyslíku ţhavou špejlé
Obrázek č. 8 - Příprava kyslíku
- 18 -
2) Chloraceton (CH3COCH2Cl) Dále jsme připravovali chloraceton. Reakcí kyseliny chlorovodíkové a manganistanu draselného jsme vytvořili chlór a zaváděli jej do promývačky s acetonem, se kterým hnědý plyn vytvořil vazbu a vznikl chloraceton, neboli slzný plyn, který je velice těkavý a leptá sliznice. Tyto vlastnosti jsme dokázali na cvrčcích, kteří v jeho přítomnosti nepřeţili déle neţ 30 sekund. Abychom ověřili, ţe jsme úspěšně připravili chloraceton, který je stejně bezbarvý jako aceton, vystavili jsme cvrčky i samotnému acetonu. Zemřeli po znatelné delší době v řádech minut. 16 HCl + 2 KMnO4 → 2 KCl + 2 MnCl2 + 8 H2O + 5 Cl2 Cl2 se uvolní a přejde do 1. promývačky, kde dojde k chlorizaci acetonu za vzniku chloracetonu (CH3)2CO + Cl2 → (CH3)(CH2Cl)CO + HCl Přebytečný chlor reagoval ve 2. promývačce s NaOH za vzniku NaClO, vody a NaCl 2 NaOH + 2 Cl2 → NaCl + NaClO + H2O
Obrázek č. 9 - Aparatura na přípravu chlóru
Obrázek č. 10 - Příprava chlóru
Obrázek č. 11 - Pokusný hmyz
3) Oxid dusný (N2O) Jako další zajímavý a uţitečný plyn jsme shledali plyn rajský (oxid dusný). Jeho příprava spočívala v reakci síranu amonného s dusičnanem sodným ve frakční baňce a následném zahřívání. Vznikající oxid dusný jsme jímali pod vodní hladinou do odměrného válce. 2 NaNO3 + (NH4)2SO4 → Na2SO4 + 2 N2O + 4 H2O Pro rajský plyn jsme nenašli ţádný důkaz vhodný pro naše laboratorní podmínky. Pokus s cvrčkem byl negativní.
Obrázek č. 12 - Aparatura na přípravu oxidu dusného
- 19 -
3) Fluorovodík (HF) Specifické vlastnosti má kyselina fluorovodíková, která je těkavou kapalinou. Plyn, který se z této kyseliny uvolňuje, je známý jako fluorovodík a, podobně jako jeho kyselina, leptá sklo. Tyto vlastnosti jsme testovali následovně. Na hodinové sklíčko jsme nakapali vosk a poté jsme jím přiklopili nádobu s kyselinou fluorovodíkovou. Po hodině a půl bylo naleptání skla zřetelné na místech nechráněných voskem. 4HF + SiO2 → SiF4 + 2H2O
Obrázek č. 13 - Leptání skla fluorovodíkem
4) Oxid dusičitý (NO2) Oxid dusnatý jsme připravovali reakcí kyseliny dusičné s hoblinkami mědi za vzniku oxidu dusnatého a ten jsme jímali pod vodou do odměrného válce. Cu + 4HNO3 (konc.) → Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O Vzniklý plyn jsme dokázali pomocí dalšího odměrného válce se vzduchem. Díky vysokému podílu kyslíku ve vzduchu jsme oxid dusnatý zoxidovali promícháním obou plynů na oxid dusičitý a z bezbarvého plynu se stal plyn hnědý. 2NO + O2 → 2NO2
- 20 -
VI. Závěr V naší práci bylo prvním krokem hledání informací týkajících se plynů. Na základě této rešerše jsme se rozhodli ubírat třemi hlavními směry. Jednak jsme studovali plyny obecně, z hlediska jejich vlastností, moţného pouţití v běţné i odborné praxi a jejich značení. Dále jsme se více specializovali na jejich účinky na lidský organismus. Nejprve na ty negativní, které způsobují jedovaté a dráţdivé plyny, jako např. chlór. Z čehoţ vyplynulo, ţe se naše bádání ubralo k vyuţití plynů jakoţto chemických zbraní a jejich účinkům na tělo. Poté jsme na problematiku nahlédli i z opačného úhlu a zabývali jsme se plyny, které léčí, tedy jejich vyuţití ve zdravotnictví a příbuzných oborech. Svoje poznatky jsme následně uplatnili v praktické části, která spočívala v ověření některých vlastností plynů v laboratorní praxi. Tuto část jsme realizovali částečně v rámci chemického semináře, kde jsme zároveň obohacovali své znalosti nejen z oblasti plynů, a z části v rámci vlastního bádání. Za praktické ověření vlastnosti plynu lze povaţovat test toxicity chloracetonu, neboli slzného plynu, na krmných cvrčcích, jeţ nepatrná dávka této vysoce těkavé kapaliny usmrtila jiţ do několika vteřin. Za zajímavý výstup naší práce povaţujeme zjištění, ţe plyny, i kdyţ pojmy zdánlivě vzdálené, nás obklopují, doslova (vzduch) i obrazně (široké vyuţití), neustále a rozhodně stojí za to jim věnovat pozornost
- 21 -
Zdroje Kniţní zdroje: [1] PRYMULA.R. a kolektiv: Biologický a chemický terorismus, Informace pro každého 1. vydání nakladatelství Grada, Praha 2001 [2] STELZAR.J., CHYTILOVÁ.J.: První pomoc pro každého; 1. vydání nakladatelství Grada, Praha 2007 [3]OPAVA.Z.: Chemie kolem nás; 2. vydání nakladatelství Albatros, Praha, 1986 [4]FUSEK.J., PATOČKA J.:Toxikologie a medicína- Postgraduální medicína; 1999; 1. Díl, článek 5, s.58-62 [5]ŠTĚTINA.J.: Medicína katastrof a hromadných neštěstí; 1. vydání nakladatelství Grada, Praha 2000 Internetové zdroje: [5] Sopečné plyny. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Sope%C4%8Dn%C3%A9_plyny [6]Biomasa. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Biomasa [7] Hranice toxicity oxidu uhelnatého michal.pdf
http://www.akutne.cz/res/publikace/otrava-co-hajek-
[8] Hranice smrtelné koncentrace oxidu uhelnatého http://www.pozary.cz/clanek/22031-oxiduhelnaty-zabiji/http://www.biotox.cz/toxikon/toxikologie/o_mechanismus.php [9] Tabun. Wikipedie http://en.wikipedia.org/wiki/Tabun_(nerve_agent) [10] Toxologie, toxicita.VŠCHT http://www.vscht.cz/document.php?docId=8130 [11] Toxicita. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Toxicita [12] Ideální plyn. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Plyn#Ide.C3.A1ln.C3.AD_plyn [13] Teorie ideální plynu. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Ide%C3%A1ln%C3%AD_plyn [14] Molekuly plynu. http://www.gypri.cz/zde/fyzika/vyuka/stred_f/molekul/plyn.html [15] Vlastnosti kapalin a plynu. http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/110-vlastnosti-kapalin-aplynu [16] Vlastnosti plynu. http://www.zslado.cz/vyuka_fyzika/e_kurz/7/vlastplynu/vlastplynuvykl.htm [17] Inertní plyn. Wikipedie http://cs.wikipedia.org/wiki/Inertn%C3%AD_plyn [18] Vlastnosti plynu. http://www.dlr.de/schoollab/desktopdefault.aspx/tabid-1918/2803_read10837/ [19] Označení plynů. http://www.ontola.com/cs/di/jake-barvy-davaji-plyny-helium-neon-argo [20] Ideální plyn. http://www.kfy.zcu.cz/dokumenty/FYI1/ideal.pl.pdf
- 22 -
[21] Tlakové láhve. http://www.ped.muni.cz/wchem/sm/hc/labtech/pages/tlakove_lahve.html [22] Plynová chromatografie. VŠCHT http://www.vscht.cz/anl/lach2/GC.pdf [23]Rozklad peroxidu kyslíku. http://www.studiumchemie.cz/pokus.php?id=42 [24] Střelný prach http://cs.wikipedia.org/wiki/St%C5%99eln%C3%BD_prach [25]Kypřící prášek http://jidloneniveda.cz/2013/04/15/kyprici-prasek-cetli-jste-nekdy-slozeni/ [26] Spalovací produkty ve vzduchu. http://www.airproducts.cz/industries/Chemicals/FineSpecialtyChemicals/fine-specialtychemicalsapplications/productlist/blanketinginertingfinespecialtychemicals.aspx?itemId=242FD1D 7EA664D0384C736EA67681C8 [27]Prvnípomoc.http://www.dominoefekty.cz/isde/referencniselektivnianalyza/analyzovanalatkavinfra strukture/4/prvnipomoc/ [28]Schéma. http://schema.org/WebPage [29] Kovy a jejich stopové prvky. http://soudni.lf1.cuni.cz/file/5684/04_NT_Ekotoxikologie.pdf [30] Oxidy síry http://arnika.org/oxidy-siry [31] Toxikologie jedu a škodlivin. http://www.ekologove.cz/files/chem/toxikologie_jedu_a_skodlivin.pdf [32] Znečistění vzduchu. http://www.vylecime.cz/cim-je-znecistovan-vzduch-ktery-dychame [33] Oxid siřičitý v ovzduší. http://www.ecmost.cz/ver_cz/ovzdusi/smernice/smernice5.htm#Kyselý aerosol: účinky na lidské zdraví [34]Nebezpečné oxidy a jejich vlivy na organismus. http://is.muni.cz/th/237452/pedf_b/Intoxikace_a_jejich_pusobeni_na_lidsky_organismus.txt
- 23 -
