Сероводород в воздухе вред для организма. Чем опасно превышение уровня сероводорода в воздухе? Какие существуют степени отравления

Уникальностью Черного моря является то, что оно единственное в котором более, чем 90% объема воды содержит растворенный в ней сероводород. Сероводород присутствует также в водах Красного моря, у побережья Перу, Намибии, в некоторых глубоких фьордах Норвегии, но в гораздо меньшем количестве, чем в Черном море!

В энергетическом отношении (по теплоте сгорания) 1 м3 сероводорода эквивалентен 0,65 м3 метана. Однако, если при сжигании последнего кроме воды образуется диоксид углерода −CO2, то продуктом непосредственного сжигания сероводорода является диоксид серы − SO2, дальнейшая переработка которого позволяет получить, кроме дополнительной теплоты, ценный продукт неорганического синтеза – серную кислоту.

Как известно, водяная толща Чёрного моря состоит из неоднородных слоёв, которые почти не перемешиваются. Верхний слой – «живой»: обычная вода, в которой обитают морские организмы. Нижний слой – «мёртвый»: он содержит в растворённом виде сероводород, и концентрация его настолько велика, что ниже 120-200 метров в Чёрном море жизни почти нет.
Н.Д. Зелинский выдвинул первые гипотезы образования черноморского сероводорода. Впоследствии эти гипотезы оспаривались.

Среди множества версий выделяют три основные: восстановление сульфатов, гниение органических веществ и вулканическое происхождение. Эти версии не противоречат друг другу и, вероятнее всего, являются основными причинами образования глобальной сероводородной линзы. Чтобы понять эти причины, посмотрим на Черное море как на накопитель морской воды, поступающей извне. Еще 9 тыс. лет назад Черное море, подобно Каспийскому, было изолировано от акватории мирового океана. Глобальное потепление повысило уровень океана, и соленые средиземноморские воды хлынули в черноморскую впадину, вытеснив ее более легкую пресную воду к поверхности. В ходе дальнейших событий образовалось три слоя: термоклин, галоклин, пикноклин.

Внешний слой термоклин, питаемый пресной речной водой, подвержен сезонным изменениям температуры и участвует в круговороте воды, обогащаясь кислородом, что делает его пригодным для жизни. Почти весь объем Черного моря содержится в пикноклине, который «питается» соленой водой через Босфорский пролив. Промежуточный слой галоклин, характеризующийся резким изменением солености, не позволяет двум другим обмениваться водами. В результате основная масса Черного моря является практически изолированной. Такие условия, с одной стороны, превратили его в отстойник веществ, поступающих из океана, с другой – сформировали особые бескислородные (анаэробные) условия, которые и являются основной причиной образования сероводорода.

Расслоение Черного моря не позволяет пикноклину получать кислород, что породило уникальную анаэробную биосферу в черноморских глубинах, главную роль в которой играют особые сульфатредуцирующие бактерии. В ходе их жизнедеятельности происходит восстановление сероводорода из сульфатных ионов, которые, в свою очередь, возникают при разложении органических веществ. Такой процесс, называемый сульфатредукцией, происходит во всей толще вод пикноклина, но особенно интенсивен он на поверхности донных отложений, в слое толщиной всего несколько сантиметров.

Сульфатредуцирующие анаэробные бактерии являются основным источником черноморского сероводорода. Бескислородная среда черноморских глубин также сопутствует второй причине образования сероводорода. При гниении отмерших организмов происходит распад белков, содержащих серу. Из-за того, что распад происходит без окисления, конечными его продуктами являются сероводород и сульфатные ионы. Заметим, что последние могут участвовать в дальнейшей сульфатредукции.

Кроме органических источников сероводорода выделяют вулканические. Сероводород, порождаемый вулканической деятельностью тектонических разломов, остается в изолированных черноморских глубинах. Итак, Черное море можно назвать крупным генератором и накопителем сероводорода. Суммарные запасы сероводорода оцениваются в десятки миллиардов тонн при ежегодном приросте 4-9 млн тонн, что говорит о его свойстве возобновляться.

В результате за последние несколько тысяч лет здесь сформировалась сероводородная «линза», занимающая 90 процентов объёма моря!

Несмотря на то, что количество сероводорода в черноморских глубинах практически не ограничено, его концентрация в воде относительно невелика, из-за чего добыча газа связана с выделением его из больших масс воды и очищением от примесей. Дело в том, что до сих пор не разработана рентабельная технология извлечения газа из столь громадных объёмов воды.

Выделению сероводорода из морской воды препятствует следующее:

– низкая концентрация сероводорода, в сотни раз меньшая относительно его насыщенного раствора;

– концентрация недиссоциированной формы H2S не более 15%, преобладающая форма нахождения сероводорода, до 80 – 90%, диссоциированная, т.е. ионная, химически связанная.

Поэтому не удивительно, что, несмотря на многодесятилетнюю историю попыток утилизации сероводорода Черного моря, до сих пор не разработано практически реализуемых технологий выделения его газообразной формы из морской воды.

Существует множество идей технологического решения этого вопроса. Эти технологии можно условно разделить по нескольким категориям.

Одним из альтернативных подходов является выделение сероводорода на глубине. Разработаны способы, основанные на уже существующих технологиях очистки от сероводорода дренажных и пластовых вод. К примеру, аэрация содержащей сероводород воды, предварительно подвергнутой подкислению серной кислотой для снижения затрат и повышения эффективности. При этом необходимое количество серной кислоты можно производить из полученного сероводорода. Подобный способ основан на окислении сероводорода в воде озонированным воздухом, при котором вместе с очищенной водой выделяется сера. Известны способы, в которых подкисление воды совмещается с гидравлическими ударами или с воздействием вибрационных колебаний. Другим вариантом глубинной добычи является использование на глубине особых мембранных абсорбентов. Суть технологии заключается в том, что сероводород в таких абсорбентах растворяется на порядок лучше, что позволяет эффективно выделять его и доставлять на поверхность.

Наибольший интерес представляют собой методы с использованием газлифта по аналогии с фонтанным способом добычи нефти, который, в свою очередь, является наименее затратным в нефтяной промышленности. Фонтанная технология основана на подъеме нефти за счет гидростатического напора и расширения содержащегося в нефти газа.

На Рис. приведена карта акватории Черного моря с указанием глубин расположения верхней границы сероводородной зоны и распределением направления течений морской воды:

Более удачен в плане использования газлифта такой подход. На дно моря опускается трубопровод, изолированный от воды закрытым затвором. Открытие затвора приведет к тому, что вода устремится вверх, теряя давление, в результате чего начинает выделяться сероводород, создавая эффект газлифта. Предполагается, что это создаст постоянный фонтан из высокообогащенной сероводородом воды, который будет действовать, пока в черноморской воде будет присутствовать сероводород. Численные расчеты и проведенные лабораторные эксперименты подтверждают эти смелые предположения.

Тут уместна аналогия с откупоренной бутылкой шампанского. Пока она закрыта, смесь газа и жидкости пребывает в спокойном состоянии. Открыли – изменилось давление, и пузырьки газа начали, высвобождаясь, подниматься вверх и увлекать за собой жидкость. Шампанское выплёскивается из горлышка бутылки. Вот так и сероводород, растворённый в воде, при изменении давления (верхний слой воды из трубы откачали!) будет поднимать газоводяную смесь вверх. В результате получается постоянно действующий газоводяной фонтан.

“Коэрцитивная сила”, соответствующая разности давлений в подъемнике и в открытом море, характеризует эффективность фонтанного подъемника. Чем больше “коэрцитивная сила”, тем эффективнее работа подъемника. Численные расчеты перепада давлений на уровне моря для выбранных параметров дают величину порядка 0,15 МПа, что соответствует подъему сероводородной воды в подъемнике на технологическую высоту до 25 м.

При этом, чем выше концентрация сероводорода в воде, т.е. чем глубже погружен нижний срез водозаборной трубы, тем эффективнее работает подъемник. Эффективность работы подъемника также возрастает при увеличении толщины бессероводородного поверхностного слоя моря в месте забора воды. Это означает, что необходимо осуществлять забор сероводородной морской воды с максимально возможных больших глубин в регионах моря с толстым бессероводородным слоем воды.

Таким образом, фонтанный подъем воды исключает расходование энергии и материалов, что делает этот вариант добычи сероводорода наиболее выгодным и привлекательным.

Способы использования сероводорода можно разделить на два крупных направления. А именно: химическое производство и получение энергии .

Есть многочисленные способы использования сероводорода, но главную роль отводят производству серы и серной кислоты. Серная кислота применяется главным образом для получения минеральных удобрений, однако есть целый ряд прочих продуктов, в состав которых она входит: от свинцовых аккумуляторов и нефтепереработки до химических волокон и пищевых добавок. Ключевой момент заключается в том, что сам процесс выработки кислоты включает в себя этап сжигания, позволяющий использовать полученное тепло для передачи теплоты отопительной системе и получения электрической энергии.

Удельная теплота сгорания природного газа всего лишь в два раза превосходит теплоту сгорания сероводорода. Учитывая упомянутую ранее неисчерпаемость черноморского сероводорода, можно отметить перспективность его использования как готового топлива. В противовес этому существует ряд проблем горения сероводорода, которые требуют иного подхода к созданию и эксплуатации установок для его сжигания.

Главной проблемой является сероводородная коррозия металлов, которая приводит в аварийное состояние обычный котел всего за не- сколько дней. Поиски решения этой проблемы показали, что сероводородная коррозия создает целый комплекс пагубных явлений. К примеру, перенапряжение во время аварийной остановки котла и термо- циклическая усталость металла, фактически разрушающая котел. Но эти поиски не оказались напрасными. Была разработана оптимальная конструкция котла, учитывающая весь спектр коррозийных явлений. Полученный при сжигании в котле сернистый газ направляется на дальнейшую переработку, в ходе которой и образуется серная кислота.

Вторым основным продуктом сероводорода является сера, которая также находит широкое применение в промышленности.

В основном это важный элемент химического производства, но особые перспективы она имеет в строительной и дорожной индустрии. Замена битума на серу не только снижает цену на асфальт, но и улучшает его качество. Сероасфальт и серобетон являются влагонепроницаемыми, эрозийно и химически стойкими материалами, что снижает затраты на ремонт.

Учитывая извечную важность дорожной проблемы в России, следует принять во внимание и такой вариант использования черноморского газа. Существует множество способов производства серы, которые можно разделить на химические и термические. Химические способы различны между собой по сложности, затратам и энергоемкости, но благодаря более низким энергетическим затратам химическое выделение серы предпочтительнее термического. Все термические методы основаны на разложении сероводорода. Метод непосредственного термического разложения, который заключается в нагреве сероводорода, обладает высокой энергоемкостью и довольно высоким процентом непереработанного сероводорода.

Альтернативой термическому служит плазменный метод. Он позволяет переработать практически весь сероводород, однако для этого требуется газ с высоким его содержанием. Снизить энергозатраты позволяет плазмохимический метод. Часть получаемого при разложении водорода расходуется на выработку плазмы, благодаря которой и разлагается исходный сероводород. Такая плазма позволяет более эффективно разлагать практически весь сероводород вне зависимости от его концентрации в газе, что делает этот метод менее требовательным и энергозатратным. Плазменная переработка сопровождается выделением водорода, который уже можно использовать для производства электроэнергии.

Черное море является самым большим природным концентрированным резервуаром сероводорода в мире. В связи с непрерывным накоплением сероводорода в Черном море, который необходимо рассматривать как энергоаккумулирующее вещество, становиться целесообразным разрабатывать технологии для его добычи и переработки. Существующие методы и технологии имеют ряд недостатков, которые пока не позволяют их эксплуатировать с экономической и экологической точек зрения. Но зарубку на память по поводу его возможного использования нужно сделать.

Литература:

"Альтернативная сероводородная энергетика Черного моря."Г.Н. Бондаренко, Б.В. Борц, Б.А. Горлицкий, И.М. Неклюдов, В.И. Ткаченко / 2009. - c. 12-19

"СЕРОВОДОРОД ЧЕРНОГО МОРЯ" В.В. Харченко, А.А. Долгий.

"Как поставить сероводород Чёрного моря на службу людям?" Татьяна Максименко.

"Водородная энергетика на основе сероводородных ресурсов Черного моря." И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, О.В. Полевич.

Перевод статьи Жуй Вана. Rui Wang - профессор биологии и вице-президент по научной работе Университета Лэйкхед, президент Канадского физиологического общества, ведущий специалист в области метаболизма и физиологических функций низкомолекулярных газов, играющих роль газообразных медиаторов - в том числе моноксида азота, моноксида углерода и сероводорода.

Ученые показали, что ядовитый в больших количествах газ сероводород (H2S)в малых дозах образуется в организме и выполняет многие важные для нормальной жизнедеятельности функции.

Некоторые из них приведены ниже. Однако H2S может оказывать и патологические эффекты: например, в чрезмерных количествах он снижает выработку инсулина, и есть данные о его противовоспалительном действии.

Представьте, что вы идете по приемному отделению больницы с его сияющими от чистоты, тщательно отмытыми дезинфицирующим раствором стенами - и вдруг до вас доносится характерный зловонный запах тухлых яиц!

Такая ситуация кажется невероятной, однако источник запаха - сероводород (H2S) - может в недалеком будущем стать неотъемлемой принадлежностью любых отделений неотложной помощи.

О токсичности сероводорода (H2S) для человека известно на протяжении столетий. В настоящее время этот газ занимает первое место в списке отравляющих веществ при добыче, перекачке и переработке нефти и газа. Мы начинаем ощущать его запах при концентрации в воздухе, равной 0,0047 миллионных долей.

В концентрации 500 миллионных долей сероводород вызывает нарушения дыхания, а концентрация 800 миллионных долей за пять минут приводит к смерти. В то же время, как ни удивительно, сероводород необходим для жизни.

Для того чтобы понять, как зловонный газ стал важным компонентом физиологических процессов, перенесемся мысленно на 250 млн лет в прошлое.

Тогда, в конце пермского периода, жизнь на Земле держалась на волоске - происходило так называемое великое вымирание, ставшее одной из крупнейших катастроф в истории нашей планеты.

В соответствии с наиболее распространенной гипотезой, его причиной стал выброс углекислого газа при массовых излияниях вулканических пород в Сибири, запустивший цепную реакцию экологических изменений и приведший к критическому снижению уровня кислорода в воде Мирового океана.

Такие сдвиги в составе океана стали губительными для аэробных (потребляющих кислород) морских видов, но способствовали процветанию анаэробных организмов, в частности зеленых серобактерий.

Бурное размножение таких бактерий сделало океан окончательно непригодным для последних аэробных видов, т.к. серобактерии в больших количествах вырабатывали сероводород. В конечном счете, очевидно, этот ядовитый газ стал выделяться в воздух, уничтожая наземные растения и животных. К концу «великого вымирания» погибли 95% видов морских животных и 70% - наземных.

Возможно, роль сероводорода в физиологических процессах у человека является наследием тех давних времен. Пережить «великое вымирание» смогли лишь виды, способные выживать в атмосфере сероводорода, а иногда и потреблять его. Видимо, такая способность в какой-то мере сохранилась и у нас.

Доверяясь нюху

Сероводород (H2S) - не единственный токсичный газ, участвующий в физиологических процессах у человека. В 1980-х гг. стали появляться данные о том, что в организме в небольших количествах вырабатывается моноксид азота NO. Вскоре выяснилось, что он играет роль медиатора - сигнальной молекулы, влияющей на функции клеток.

В работе, удостоенной Нобелевской премии в области физиологии и медицины за 1998 г., было показано, что моноксид азота участвует во многих физиологических процессах, в частности в регуляции иммунных реакций и в передаче сигналов между нейронами, а также вызывает расширение сосудов. В дальнейшем были обнаружены сходные функции моноксида углерода (СО) - смертельно опасного вещества без цвета и запаха, широко известного под названием угарного газа.

Исследование физиологической роли СО и NO

Исследование физиологической роли СО и NO привело меня к убеждению в том, что в организме могут существовать и другие газообразные медиаторы. В результате постоянных раздумий на эту тему летом 1998 г. меня, наконец, посетила мысль о том, что таким медиатором может быть H2S. Вернувшись как-то с работы, я почувствовал в доме неприятный запах.

Выяснилось, что он исходил из стеклянного шкафа, где хранились наши семейные реликвии, а именно от испортившегося пасхального яйца, которое моя старшая дочка раскрасила в качестве школьного домашнего задания.

В тот момент у меня и возник вопрос: если сероводород образуется в тухлых яйцах, то не может ли он вырабатываться в органах и тканях человека?

Поскольку мои исследования СО и NO касались влияния этих газов на сердечно-сосудистую систему, я решил провести аналогичное изучение эффектов H2S. Выбор оказался удачным.

Сероводород содержится в кровеносных сосудах

В первых же опытах, проведенных нашим коллективом, выяснилось, что сероводород содержится в небольших концентрациях в кровеносных сосудах крысы. Поскольку же физиологические особенности грызунов и человека весьма сходны, можно было с уверенностью предположить, что данный газ образуется и в сосудах человека.

Это открытие вселяло оптимизм, однако для выводов о физиологической роли H2S простой констатации факта присутствия его в сосудистой стенке было явно недостаточно.

На следующем этапе надо было исследовать механизмы образования сероводорода.

Фермент цистатионин-гамма-лиаза

Наше внимание привлек фермент цистатионин-гамма-лиаза, участвующий в образовании H2S у бактерий. В предыдущих работах было показано, что он содержится в печени, где играет роль в образовании некоторых серосодержащих аминокислот («кирпичиков», из которых состоят белки).

В то же время не было никаких данных о присутствии цистатионин-гамма-лиазы в сосудистой стенке. Как и ожидалось, мы получили такие данные. Выяснилось, что в сосудах под действием цистатионин-гамма-лиазы из аминокислоты L-цистеина образуются сероводород, аммиак и пировиноградная кислота.

Какую же роль данный газ играет в сосудах.

Итак, источник Н2S в сосудистой стенке был установлен. Теперь важно было выяснить, какую же роль данный газ играет в сосудах. Зная, что NO вызывает расслабление сосудистых мышц, мы предположили, что и Н2S может действовать так же. Эта гипотеза оказалась верной: при погружении в раствор, содержащий сероводород, сосуды крыс расширялись.

В результате всех проведенных работ складывалось впечатление, что H2S, как и NO, участвует в регуляции артериального давления. В то же время молекулярные механизмы действия H2S оставались нераскрытыми. Первые данные о таких механизмах были получены нами в исследованиях на изолированных клетках сосудов и опубликованы в 2001 г.

Эти данные оказались довольно неожиданными: если NO вызывает расслабление сосудов, активируя фермент гладких мышц гуанилатциклазу, то H2S вызывает тот же эффект совершенно другим путем.

Под действием этого вещества повышается проницаемость так называемых АТФ-зависимых калиевых каналов (КАТР)- белковых комплексов, встроенных в мембрану клеток (в частности, гладких мышц сосудов) и пропускающих ионы калия. В результате выход калия из клетки усиливается, ее заряд меняется, что приводит к снижению проницаемости других - кальциевых - каналов. Как следствие, вход кальция в клетку снижается, а это приводит к расслаблению гладких мышц и расширению сосудов.

Настало время перейти от изолированных клеток к интактным животным. Введение крысам раствора сероводорода приводило в наших опытах к снижению артериального давления - видимо, вследствие расширения артерий и снижения сопротивления кровотоку.

Таким образом, все больше данных говорило о том, что H2S участвует в регуляции артериального давления, вызывая расслабление сосудов. Однако необходимо было еще доказать, что эффекты газа при введении извне и при выработке в сосудистой стенке идентичны.

Для того чтобы исследовать естественные эффекты H2S, мы вывели линию мышей с инактивированным («нокаутированным») геном цистатионин-гамма-лиазы. У таких животных H2S в сосудах, разумеется, не образуется. Далее в течение пяти лет мы изучали мышей совместно с коллективами, возглавляемыми Соломоном Снайдером из Университета Джонса Хопкинса и Линюнь У из Саскачеванского университета (Канада). Наши усилия оказались не напрасными.

В 2008 г. мы опубликовали подробную статью, в которой показали, в частности, что у наших грызунов с возрастом сосуды сужаются, а артериальное давление (измеренное с помощью миниатюрных манжет, надеваемых на хвост), значительно возрастает. При введении таким мышам сероводорода давление снижалось.

Данные нашей работы не оставляли сомнений в том, что H2S играет ключевую роль в регуляции кровообращения. Кроме того, они позволили разрешить одну из многолетних загадок физиологии. Дело в том, что на протяжении долгого времени после удостоенных Нобелевской премии работ по исследованию NO было известно, что действием одного лишь этого вещества невозможно полностью объяснить расширение кровеносных сосудов.

Так, у животных с инактивированными генами, отвечающими за образование NO в клетках эндотелия (внутренней оболочки сосудов), периферические сосуды все же сохраняют способность расслабляться. Однако природа сосудорасширяющего фактора оставалась загадочной.

По нашим данным, этот фактор - H2S. В первых работах мы обнаружили отвечающий за образование сероводорода фермент цистатионин-гамма-лиазу в гладкомышечных клетках, но в дальнейшем он был найден и в эндотелиальных клетках мыши, коровы и человека - причем даже в больших количествах, чем в гладких мышцах. Остается пока неясным, каково соотношение между сосудорасширяющей функцией NO и H2S, хотя некоторые данные позволяют предполагать, что NO вызывает преимущественно расслабление крупных сосудов, a H2S - мелких.

Новое суперлекарство?

Обнаружение синтеза сероводорода в сосудах и его роли в регуляции артериального давления привлекло внимание многих исследователей, ищущих новые способы защиты сердца от ишемического повреждения (т.е. повреждения, обусловленного снижением кровоснабжения, следовательно, доставки кислорода).

Типичный пример такого повреждения - инфаркт миокарда, когда питающий сердце сосуд закупоривается тромбом, и наступает гибель снабжаемого этим сосудом участка сердца. В 2006 г. Гэри Бакстер, в настоящее время работающий в Кардиффском университете (Уэльс), с соавторами опубликовали статью, в которой были впервые представлены данные о благотворной роли H2S при ишемическом повреждении сердца.

В работе использовали изолированные сердца крыс, снабжаемые не кровью, а солевым раствором, насыщенным кислородом. Моделью ишемического повреждения служило прекращение притока такого раствора по одной из коронарных артерий (сосудов, снабжающих сердце). Оказалось, что добавление в раствор H2S за несколько минут до перекрывания артерии уменьшало размер поврежденного участка.

Через год Дэвид Лифер из Университета Эмори показал, что генетически модифицированные мыши с повышенной выработкой сероводорода в сердце лучше переносят ишемию миокарда, вызванную перекрыванием коронарной артерии, и более устойчивы к повреждениям, часто возникающим после восстановления кровотока (так называемым реперфузионным повреждениям).

Эти и другие данные позволяют предположить, что H2S можно использовать для предупреждения и лечения артериальной гипертонии, инфаркта миокарда и инсульта. Кроме того, сосудорасширяющее действие сероводорода может найти применение и при других состояниях, связанных с расстройствами функции сосудов, например при нарушениях эрекции (эректильной дисфункции). Известно, что в основе эрекции лежит расширение сосудов полового члена и увеличение притока к нему крови.

Эффект «Виагры» обусловлен именно тем, что она увеличивает продолжительность расширяющего действия NO на сосуды. Есть данные о том, что сходный эффект может оказывать и H2S, хотя роль этого вещества в мужской половой системе человека еще предстоит изучить (известно, например, что в тканях полового члена вырабатывается СО, однако данный газ способствует не эрекции, а эякуляции).

Сероводород вырабатывается не только в сердце и сосудах. Он образуется и в нервной системе, только под действием не цистатионин-гамма-лиазы, а другого фермента - цистатионин-бета-синтазы. Функция H2S в нервной системе неясна. По некоторым данным, он может играть роль нейромодулятора - вещества, повышающего или снижающего возбудимость нейронных контуров. Возможно, H2S участвует в долговременной потенциации - процессе, облегчающем взаимодействие между нейронами и играющем роль в обучении и памяти.

Показано, что под действием сероводорода в нервных клетках повышается уровень антиоксиданта глутатиона, предохраняющего клетки от действия повреждающих факторов. Наконец, H2S может играть роль в болевом восприятии, обеспечивающем реакции на опасные воздействия.

Кроме того, сероводород может влиять на метаболизм, т.е. биохимические процессы, обеспечивающие выработку и использование энергии, и синтез веществ. В удивительных опытах Марка Рота и его коллег из Вашингтонского университета было показано, что ингаляционное введение мышам небольших доз Н2S приводит к замедлению метаболизма и, тем самым, к прогрессированию некоторых заболеваний.

Частота сердечных сокращений у таких мышей сразу после начала вдыхания H2S падала вдвое, и они переходили в состояние анабиоза: обменные процессы настолько снижались, что для существования животным было достаточно вдыхания кислорода и H2S без каких-либо отрицательных последствий.

Создавалось впечатление, что во время такого сероводородного анабиоза метаболизм поддерживается на минимальном для жизненно важных органов уровне до тех пор, пока не восстановится нормальное энергообеспечение.

Через 30 минут после прекращения ингаляции H2S уровень метаболизма восстанавливался.

Если бы сероводородный анабиоз оказался эффективным и безопасным у человека, то он мог бы стать мощнейшим методом экстренной помощи. Назначение ингаляций H2S пострадавшим при автомобильных авариях или больным с инфарктом миокарда могло бы дать выигрыш времени, необходимый для транспортировки в больницу и оказания специализированной помощи.

С помощью сероводорода можно было бы поддерживать в состоянии анабиоза нуждающихся в трансплантации до получения донорского органа - более того, можно было бы продлить жизнеспособность самих донорских органов.

Можно представить себе применение Н2S и в очагах военных конфликтов или природных катаклизмов: ингаляции этого газа могли бы отсрочить экстренность переливаний крови до доставки достаточных количеств последней. Вдыхание сероводорода существенно повышает выживаемость крыс при потере 60% крови: получавшие H2S крысы выживали в 75% случаев, а контрольные - лишь в 25%.

Сдержанный оптимизм

Не следует считать, однако, что сероводород - это идеальное средство от всех болезней. До сих пор идут споры, например, о том, облегчает он или усугубляет течение воспаления. В нашей и других лабораториях было показано, что Н2S играет важную роль в развитии сахарного диабета I - формы этого заболевания, часто возникающей в детстве и приводящей к пожизненной зависимости от инъекций инсулина.

Выяснилось, что H2S образуется в так называемых бета-клетках поджелудочной железы, секретирующих инсулин, и у животных с сахарным диабетом I выработка сероводорода в таких клетках резко повышена. Это приводит, во-первых, к гибели большого числа бета-клеток, во-вторых, к подавлению высвобождения инсулина оставшимися бета-клетками. В результате секреция инсулина падает до уровня, недостаточного для нормального распада глюкозы. Таким образом, H2S может быть одним из виновников сниженного уровня инсулина в крови при сахарном диабете I.

Некоторые из благотворных эффектов H2S у крыс и мышей не воспроизводятся у более крупных животных. Так, в 2007 г. Французскими исследователями было показано, что при ингаляциях H2S овцы, в отличие от грызунов, не впадают в состояние анабиоза.

В другой работе вдыхание H2S у поросят приводило не к снижению, а к повышению скорости обменных процессов.
Даже если можно вызвать сероводородный анабиоз у человека, неизвестно, не приведет ли он к нарушениям деятельности мозга. Правда, у лабораторных животных подобных нарушений не выявлено, но переносить такие данные на психические функции человека сложно. Пока неясно, могут ли сохраняться такие высшие функции, как память и мышление, в условиях сероводородного анабиоза, когда жизнь чуть теплится.

И все же большие терапевтические возможности сероводорода вызывают повышенный интерес фармакологов. Несколько фирм уже разрабатывают препараты, выделяющие в организме этот газ. Так, итальянской фирмой CTG Pharma созданы лекарства, сочетающие свойства нестероидных противовоспалительных средств (НПВС) и носителей H2S .

В опытах на животных показано, что такие препараты могут быть эффективными при лечении воспалительных заболеваний нервной системы и желудочно-кишечного тракта, нарушений эрекции, ишемической болезни сердца и заболеваний кровеносных сосудов. А фирмой Ikaria (Нью-Джерси), один из учредителей которой - Марк Рот, недавно начата II фаза клинических испытаний (исследования клинической эффективности) инъекционной формы Н2S (точнее, Na2S) у больных с ишемической болезнью сердца либо готовящихся к операциям на сердце или легких.

Работы прошедшего десятилетия показали, что сероводород, чей запах вызывает у нас естественное отвращение, чрезвычайно важен для нормальной работы сердца, а может быть, также мозга и других органов. Не исключено, что он обладает и другими, не известными пока эффектами. Все это открывает новые горизонты в понимании молекулярных основ физиологии и здоровья человека. Изучение эффектов Н2S еще только начинается, но уже есть все основания полагать, что когда-нибудь оно позволит предложить новые способы борьбы с неизлечимыми сегодня заболеваниями.

Сероводород (H 2 S ) - очень канцерогенный, токсичный газ. Имеет резкий характерный запах тухлых яиц.

Получение сероводорода.

1. В лаборатории H 2 S получают в ходе реакции между сульфидами и разбавленными кислотами:

FeS + 2 HCl = FeCl 2 + H 2 S ,

2. Взаимодействие Al 2 S 3 с холодной водой (образующийся сероводород более чистый, чем при первом способе получения):

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S.

Химические свойства сероводорода.

Сероводород H 2 S - ковалентное соединение, не образующее водородных связей, как молекула Н 2 О . (Разница в том, что атом серы больший по размеру и более электроотрицательный, чем атом кислорода. Поэтому плотность заряда у серы меньше. И из-за отсутствия водородных связей температура кипения у H 2 S выше, чем у кислорода . Также H 2 S плохо растворим в воде, что также указывает на отсутствие водородных связей).

H 2 S + Br 2 = S + 2HBr,

2. Сероводород H 2 S - очень слабая кислота, в растворе ступенчато диссоциирует:

H 2 S ⇆ H + + HS - ,

HS - ⇆ H + + S 2- ,

3. Взаимодействует с сильными окислителями:

H 2 S + 4Cl 2 + 4H 2 O = H 2 SO 4 + 8HCl,

2 H 2 S + H 2 SO 3 = 3 S + 3 H 2 O ,

2 FeCl 3 + H 2 S = 2 FeCl 2 + S + 2 HCl ,

4. Реагирует с основаниями, основными оксидами и солями, при этом образуя кислые и средние соли (гидросульфиды и сульфиды):

Pb(NO 3) 2 + 2S = PbS↓ + 2HNO 3 .

Эту реакцию используют для обнаружения сероводорода или сульфид-ионов. PbS - осадок черного цвета.

Запах тухлых яиц с детства напоминает всем о том, что такое сероводород. Бесцветный газ с химической формулой Н2 S легко воспламеняется, во время пожаров он горит синим пламенем.

Ядовитый токсин редко становится причиной острого отравления, но без лечения ухудшает здоровье человека даже в малых дозах. Люди попадают под его воздействие в промышленных условиях, где может гореть кристаллическая сера. Получение вещества в лаборатории осуществляется с помощью газогенератора.

Распространение вещества

Соединение и получение серы и водорода связано с гниением органики, горных пород с сульфидными соединениями, потому оно распространено в шахтной, коксовой, газовой и нефтяной промышленности. Сероводородная вода находится в промышленных сточных и канализационных водах. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в составе воздуха - 10 мг/м3, но при присутствии углеводородов - до 3 мг/м3. Отмечается скопление сероводорода в вулканической породе, в местах выхода серных минеральных вод на земную поверхность или хранения органических отходов в глубоких ямах.

Интоксикации подвергаются работники заводов по очистке стоков, рабочие канализаций, насосных станций, тоннелей, колодцев, шахтеры и сотрудники химлабораторий.

Применение сульфидов распространено в металлургии при обработке руд цветных металлов, в легкой промышленности в качестве люминофоров и электронике. Вещество проявляет химические свойства восстановителя, может использоваться для получения серы и серной кислоты.

Токсичность и обнаружение

Токсин имеет третий класс опасности, уступает цианиду по ядовитости примерно в 5-10 раз. Его физические свойства обуславливают тяжесть интоксикаций. Сероводород тяжелее воздуха и конденсируется в бесцветную жидкость, быстро растворяется в воде.

Пахнущий газ не обнаруживается при концентрации ниже 1 промилле, минимальный порог осязания - 0,18 мг/м3. Он разит тухлыми яйцами при дозе около 40 мг/м3, при ПДК от 40 до 150 мг/м3- имеет сладковатый запах. Доза выше 150 мг/м3 вызывает стремительный временный паралич обонятельных нервов, что приводит к невозможности распознать его.

Лечебные воды с серой

Сероводород в воде не всегда опасен. В скважине с питьевой водой допустимая концентрация составляет ниже 0,03 мг/л, а при отстаивании вода станет мутной из-за вытеснения серы кислородом. Польза раствора сероводорода связана с лечебными качествами сульфидных кислот. Отсюда появились минеральные воды, которые образуются естественным путем при контакте воды и неорганических серных пород.

Сероводородная вода с концентрацией 10-40 мг/л уменьшает выработку желудочного сока, устраняет запоры и способствует выведению желчи. Пить ее рекомендовано при поражениях печени и отравлениях тяжелыми металлами, но принимать только по рекомендации врача.

Отравляющее воздействие сероводорода на человека

Существует два пути отравления сероводородом:

• вдыхание;
• контакт с кожей или слизистыми.

На клеточном уровне вещество связывается с железом в молекулах и подавляет цитохромоксидазы в митохондриях, блокирует доставку кислорода.

Кислородное голодание - именно этим опасен газ, который при попадании в кровь образует сульфиды.

Признаки отравления появляются, когда процесс накопления сульфидов превышает возможности организма по их выведению. Вещество легко растворяется в жирах, потому беспрепятственно проникает в любые клетки, особенно – центральной нервной системы и легких.

Спектр проявлений зависит от концентрации и продолжительности воздействия сероводорода на организм человека.

Острое отравление, связанное с высокими дозами токсина, имеет несколько форм:

1. Легкая: проявляется раздражением слизистых и дыхательных путей. Человек ощущает резь в глазах, першение и царапание в горле, становится чувствителен к цвету. Может усиливаться кашель, насморк, наступать бронхоспазм. Внешне проявляется покраснением глаз, спонтанным морганием и закрытием (блефароспазмом).
2. Средняя: проявляется, когда вещество проникает через легкие в кровь. Человек страдает от головной боли, головокружения, слабости, тошноты и рвоты, диареи. Может нарушаться координация движений, возможна склонность к возбуждению и обморокам. Внешне проявляется синюшностью губ. Врач обнаруживает повышение давления, ускорение пульса. Анализ мочи выявляет белок и цилиндрические клетки. Иногда повышается температура, появляются симптомы бронхита и воспаления легких.
3. Тяжелая: сильная рвота, посинение кожи, нарушение работы сердца и удушье. Глубокое коматозное состояние обычно заканчивается смертью. Если человек то впадает в глубокий сон, то просыпается, это говорит о благоприятном исходе. Интоксикация проявляется апатией, астенией, оглушенностью, постепенно развивается поражение центральной нервной системы. Возможно развитие отека легкого.

Под действием доз выше 1000 мг/м3 наблюдается молниеносная или «апоплексическая» форма, которая проявляется судорогами и обмороком. Смерть наступает за 20 минут из-за паралича дыхательного центра (ствола мозга) или на фоне паралича сердца.

Подострая интоксикация действует медленнее, постепенно нарастают головные боли, слабость или утомляемость. Человек испытывает потливость, слизистые оболочки рта краснеют, при глотании появляется боль. Глаза пересыхают, развивается конъюнктивит. Повышается отделение слюны, тошнота, живот болит приступообразно, возникает диарея с характерным стулом черно-зеленого цвета.

Хроническое отравление

Низкий уровень воздействия сероводорода - не редкость. В некоторых странах разработаны стандарты для промышленных выбросов в атмосферу. Воздействие в жилых домах не рассматривается на уровне государства, хотя близлежащие заводы и сельскохозяйственные объекты, разработки нефти и газа, очистные сооружения загрязняют питьевую воду, особенно в сельской местности, где лечение не проводится.

Если человек часто страдает воспалением глаз, ринитами, бронхитами и ларингитами, диареей и тошнотой, жалуется на упадок сил, слабость с потливостью, головные боли, нарушение сна на фоне сниженного артериального давления и замедления сердцебиения, возможно, он испытывает постоянное отравление сероводородом. Контакт с растворами проявляется сыпями. Анализ крови будет обнаруживать гипохромную анемию, изменение размеров и деформацию эритроцитов, повышение количества моноцитов. Человек может не различать запах сероводорода, что указывает на привыкание.

Признаки отравления сероводородом зависят от его скопления в атмосфере. При малоинтенсивном воздействии наблюдается раздражение глаз и слизистых оболочек, но в целом организм не страдает. Осложнения возникают после вдыхания газа в концентрации выше 1000 мг/м3 в атмосферном воздухе:

• острый респираторный дистресс-синдром;
• острый инфаркт миокарда;
• нервно-психические осложнения.

Проявления долгосрочных неврологических осложнений не изучены, поскольку в большинстве случаев воздействие сероводорода приводит к смерти. После острого или подострого отравления появляется склонность к болезням желудочно-кишечного тракта, бронхов и легких, сердечным патологиям и инфаркту, органическим поражениям центральной нервной системы. Иногда из-за влияния на организм сероводорода человек испытывает только головные боли.

Мероприятия первой помощи при отравлении

Химические свойства сероводорода позволяют легко найти противоядие при отравлении - вдыхание кислорода с примесью хлора.

Первая медицинская помощь заключается в немедленном переводе пострадавшего на свежий воздух или в хорошо проветриваемое помещение. Используются респираторы, чтобы избежать длительного вдыхания вещества. Проводится измерение концентрации сероводорода в воздухе, чтобы оценить тяжесть отравления и принять меры для лечения. Иногда первая помощь дополняется интубацией и кислородотерапией на месте отравления.

Лечение и профилактика

Лечение проводится в отделении интенсивной терапии, где назначается вентиляция легких с созданием положительного давления в дыхательных путях при сильном поражении.

Проводится коррекция ацидоза на основании количества лактата в крови. Симптомы отравления сероводородом схожи с цианидом, потому индуцированная метгемоглобинемия будет препятствовать гипоксии. Пострадавшему вводится 10 мл 3%-ного раствора нитрата натрия за 2-4 минуты, и нужный уровень метгемоглобина достигается за 30 минут. Также внутривенно вводится антисептик метиленовый синий. При бледности кожи и гипотонии лечение дополняется подкожными инъекциями норадреналина, кордиамина и кофеина. Противосудорожная терапия включает закись азота.

При отсутствии реакции на внутривенное введение нитратов или при стойких нарушениях в работе ЦНС используется гипербарическая оксигенация.

При локальном раздражении глаз необходимо применение примочек с 3%-ной борной кислотой на глаза, накладывание на веки вазелинового масла, капли новокаина с адреналином в конъюнктивальный мешок.

Профилактика отравлений разрабатывается для опасных производств, где требуется:

• контролировать состав воздуха;
• проводить периодические медосмотры;
• формировать план действий на случай аварий.

Сероводород (H₂S) представляет собой бесцветный газ c запахом тухлых яиц. По плотности он тяжелее водорода. Сероводород смертельно ядовит для человека и животных. Даже незначительное его содержание в воздухе вызывает головокружение и тошноту, но самым страшным является то, что при длительном его вдыхании этот запах уже не ощущается. Однако при отравлении сероводородом существует простое противоядие: следует завернуть в платок кусок хлорной извести, затем смочить, и какое-то время нюхать этот сверток. Сероводород получают путем взаимодействия серы с водородом при температуре 350 °С:

H₂ + S → H₂S

Это окислительно-восстановительная реакция: в ходе нее изменяются степени окисления участвующих в ней элементов.

В лабораторных условиях сероводород получают воздействием на сульфид железа серной или соляной кислоты:

FeS + 2HCl → Fe­Cl₂ + H₂S

Это реакция обмена: в ней взаимодействующие вещества обмениваются своими ионами. Данный процесс обычно проводят с помощью аппарата Киппа.

Свойства сероводорода

При горении сероводорода образуется оксид серы 4 и водяной пар:

2H₂S + 3О₂ → 2Н₂О + 2SO₂

H₂S горит голубоватым пламенем, а если над ним подержать перевернутый химический стакан, то на его стенках появится прозрачный конденсат (вода).

Однако при незначительном понижении температуры данная реакция проходит несколько иначе: на стенках предварительно охлажденного стакана появится уже желтоватый налет свободной серы:

2H₂S + О₂ → 2Н₂О + 2S

На этой реакции основан промышленный способ получения серы.

При поджигании предварительно подготовленной газообразной смеси сероводорода и кислорода происходит взрыв.

Реакция сероводорода и оксида серы(IV) также позволяет получить свободную серу:

2H₂S + SО₂ → 2Н₂О + 3S

Сероводород растворим в воде, причем три объема этого газа могут раствориться в одном объеме воды, образуя слабую и нестойкую сероводородную кислоту (Н₂S). Эту кислоту также называют сероводородной водой. Как видите, формулы газа-сероводорода и сероводородной кислоты записываются одинаково.

Если к сероводородной кислоте прилить раствор соли свинца, выпадет черный осадок сульфида свинца:

H₂S + Pb(NO₃)₂ → PbS + 2H­NO₃

Это качественная реакция для обнаружения сероводорода. Она же демонстрирует способность сероводородной кислоты вступать в реакции обмена с растворами солей. Таким образом, любая растворимая соль свинца является реактивом на сероводород. Некоторые другие сульфиды металлов также имеют характерную окраску, например: сульфид цинка ZnS - белую, сульфид кадмия CdS - желтую, сульфид меди CuS - черную, сульфид сурьмы Sb₂S₃ - красную.

Кстати, сероводород является нестойким газом и при нагревании практически полностью разлагается на водород и свободную серу:

H₂S → Н₂ + S

Сероводород интенсивно взаимодействует с водными растворами галогенов:

H₂S + 4Cl₂ + 4H₂O→ H₂­SO₄ + 8HCl

Сероводород в природе и жизнедеятельности человека

Сероводород входит в состав вулканических газов, природного газа и газов, сопутствующих месторождениям нефти. Много его и в природных минеральных водах, например, в Черном море он залегает на глубине от 150 метров и ниже.

Сероводород применяют :

• в медицине (лечение сероводородными ваннами и минеральными водами);
• в промышленности (получение серы, серной кислоты и сульфидов);
• в аналитической химии (для осаждения сульфидов тяжелых металлов, которые обычно нерастворимы);
• в органическом синтезе (для получения сернистых аналогов органических спиртов (меркаптанов) и тиофена (серосодержащего ароматического углеводорода). Еще одно из недавно появившихся направлений в науке - сероводородная энергетика. Всерьез изучается получение энергии из залежей сероводорода со дна Черного моря.

Природа окислительно-восстановительных реакций серы и водорода

Реакция образования сероводорода является окислительно-восстановительной:

Н₂⁰ + S⁰→ H₂⁺S²⁻

Процесс взаимодействия серы с водородом легко объясняется строением их атомов. Водород занимает первое место в периодической системе, следовательно, заряд его атомного ядра равен (+1), а вокруг ядра атома кружится 1 электрон. Водород с легкостью отдает свой электрон атомам других элементов, превращаясь в положительно заряженный ион водорода - протон:

Н⁰ -1е⁻= Н⁺

Сера находится на шестнадцатой позиции в таблице Менделеева. Значит, заряд ядра ее атома равен (+16), и количество электронов в каждом атоме также 16е⁻. Расположение серы в третьем периоде говорит о том, что ее шестнадцать электронов кружатся вокруг атомного ядра, образуя 3 слоя, на последнем из которых находится 6 валентных электронов. Количество валентных электронов серы соответствует номеру группы VI, в которой она находится в периодической системе.

Итак, сера может отдать все шесть валентных электронов, как в случае образования оксида серы(VI):

2S⁰ + 3O2⁰ → 2S⁺⁶O₃⁻²

Кроме того, в результате окисления серы, 4е⁻могут быть отданы ее атомом другому элементу с образованием оксида серы(IV):

S⁰ + О2⁰ → S⁺4 O2⁻²

Сера может отдать также два электрона c образованием хлорида серы(II) :

S⁰ + Cl2⁰ → S⁺² Cl2⁻

Во всех трех вышеуказанных реакциях сера отдает электроны. Следовательно, она окисляется, но при этом выступает в роли восстановителя для атомов кислорода О и хлора Cl. Однако в случае образования H2S окисление - удел атомов водорода, поскольку именно они теряют электроны, восстанавливая внешний энергетический уровень серы с шести электронов до восьми. В результате этого каждый атом водорода в его молекуле становится протоном:

Н2⁰-2е⁻ → 2Н⁺,

а молекула серы, наоборот, восстанавливаясь, превращается в отрицательно заряженный анион (S⁻²): S⁰ + 2е⁻ → S⁻²

Таким образом, в химической реакции образования сероводорода окислителем выступает именно сера.

С точки зрения проявления серой различных степеней окисления, интересно и еще одно взаимодействие оксида серы(IV) и сероводорода - реакция получения свободной серы:

2H₂⁺S-²+ S⁺⁴О₂-²→ 2H₂⁺O-²+ 3S⁰

Как видно из уравнения реакции, и окислителем, и восстановителем в ней являются ионы серы. Два аниона серы (2-) отдают по два своих электрона атому серы в молекуле оксида серы(II), в результате чего все три атома серы восстанавливаются до свободной серы.

2S-² - 4е⁻→ 2S⁰ - восстановитель, окисляется;

S⁺⁴ + 4е⁻→ S⁰ - окислитель, восстанавливается.