運用手持技術測定室內空氣與人體呼出氣體的成分

任峰 夏建華

摘要：采用手持技術較為準確地測定室內空氣和不同呼吸方式中人體呼出的氣體的成分，并通過對數據的分析與比較，試圖對各氣體含量的變化進行解釋。

關鍵詞：手持技術；空氣；人體呼出氣體；氣體成分測定

文章編號：1005–6629（2013）8–0045–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

探究空氣成分以及人體吸入的空氣和呼出的氣體有什么不同，是初中九年級學生在化學學習中利用實驗來學習科學探究方法的較復雜的探究活動[1]。但一般的傳統實驗方法只能對其成分做出定性分析或者粗略的定量分析。那么，室內空氣和人體呼出氣體中的幾種氣體的含量究竟是多少呢？它們到底有多大的不同呢？筆者采用手持技術對它們做了較為準確的測定并做出比較。

1 實驗環境及操作方法

1.1 測量硬件和軟件

本實驗采用Vernier公司Labquest采集器和二氧化碳傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器。采集軟件為Vernier公司的Logger Pro 3.8.4。

1.2 測量方法

先把塑料保鮮膜袋內的空氣盡量排盡，然后將二氧化碳傳感器、濕度傳感器和氧氣傳感器一起放入其中。開始采集數據，大約30 s后，向保鮮膜袋中吹入氣體，直到袋子鼓起，扎緊袋口。此時袋內大約有2.5 L氣體。繼續采集數據到曲線基本平行為止。重復以上實驗2～3次。下文中實驗數據均為平均值。

2 正常呼出的氣體

開啟儀器采集數據。按正常呼吸的速度吸入空氣，并向保鮮膜袋內吹入氣體，直到袋子鼓起，扎緊袋口。

2.1 水蒸氣

由于沒有直接測量水蒸氣體積分數的傳感器，本實驗中采取測量相對濕度的方法來確定水蒸氣的含量。室內空氣的相對濕度隨季節、天氣和環境不同變化很大。一般來說，秋冬季或低溫、晴朗天氣相對濕度較小，而春夏季或高溫、陰雨天氣空氣相對濕度較大。

實驗當天為陰天，空氣濕度較大，實測相對濕度為75.91%。此時室內溫度為22℃。向保鮮膜袋內吹入氣體后，相對濕度很快上升到100%，然后又緩慢降低到95.84%（見圖1）。估計相對濕度降低的原因可能是剛吹入的氣體溫度較高，且含有較多的水蒸氣，然后有一部分水蒸氣在袋壁冷凝為小水珠，從而導致相對濕度下降。

已知22℃時水的飽和蒸氣壓為2.64 kPa[2]，假設當時大氣壓為1個標準大氣壓，即101.325 kPa，則：

空氣中水蒸氣的體積分數為：

2.64 kPa×75.91%÷101.325 kPa=1.98%

呼出氣體中水蒸氣的體積分數為：

2.64 kPa×95.84%÷101.325 kPa=2.50%

即前后相差0.52%。

由此我們能夠看出，室溫和常壓條件下，由于混合氣體中的水蒸氣即使處于飽和狀態下，所占的體積分數也很小，所以水蒸氣的含量在呼出氣體中與在空氣中相差不大。但如果在干燥的環境中進行實驗，這一差值將會有所增加。值得說明的是，水蒸氣在空氣中的含量隨季節、天氣、溫度、地域等不同變化很大，其體積分數一般在0～4%之間變動[3]。因此各版本初中化學教材中列出的空氣中各氣體的體積分數，如“氮氣78%、氧氣21%、稀有氣體0.94%、二氧化碳0.03%、其他氣體和雜質0.03%[4]”，實際都是指在除去水蒸氣后的“干空氣”中的含量[5]。所以，認為空氣中的水蒸氣包含在“其他氣體和雜質0.03%”中的看法是不正確的。

2.2 氧氣

在該次測量中，室內空氣中氧氣的體積分數為20.77%。用保鮮膜塑料袋收集正常呼出的氣體，氧氣的體積分數為17.17%。兩者相差3.60%，這說明氧氣的含量在正常呼出的氣體中有了較為明顯的減小。

2.3 二氧化碳

二氧化碳傳感器是利用二氧化碳對紅外線的吸收來進行測量的，對二氧化碳濃度變化的響應較為緩慢。因此，在停止吹入氣體后，二氧化碳的曲線變化相對氧氣的曲線來說，要延遲一段時間才保持基本不變。二氧化碳傳感器采集的數據單位為ppm，轉化為百分數后，室內空氣中二氧化碳的體積分數為0.056%。用保鮮膜塑料袋收集正常呼出的氣體，二氧化碳的體積分數為3.67%（見圖3）。兩者相差3.61%，即二氧化碳在正常呼出的氣體中的含量與空氣相比有了非常顯著的增加。

通過表1可以看出，正常呼吸方式呼出的氣體與室內空氣相比較，氧氣和二氧化碳的含量變化較大且變化值基本相同，而水蒸氣的含量變化較小。那么是什么原因導致氧氣和二氧化碳的含量變化值基本相同呢？從元素守恒角度考慮，在相同條件下，氧氣在人體內發生化學反應被消耗后，最終將會生成相同體積的二氧化碳。這就導致了正常呼吸過程中氧氣體積分數的減小值接近二氧化碳體積分數的增加值。

由于缺少氮氣和稀有氣體傳感器，因此沒有對它們的含量進行測定。氮氣和稀有氣體不參與人體內的反應，且都難溶于水，因此可以推知這些氣體的質量在呼吸前后沒有發生變化，但其體積分數可能會受其他氣體體積分數變化的影響而發生微小的變化。

3 快速呼出的氣體和連續呼吸袋內的氣體

如果收集快速呼出的氣體，測得氧氣含量為18.12%，而二氧化碳氣體的含量為2.61%。即氧氣的含量比正常呼出的氣體高，二氧化碳的含量比正常呼出的氣體低。原因是快速呼出氣體時，空氣在人體內停留時間較短，來不及與肺泡內的氣體進行較為完全的交換。

若連續只呼、吸塑料袋內氣體，發現氧氣含量會持續降低，而二氧化碳含量會不斷升高。當氧氣體積分數降到11.18%時，二氧化碳體積分數變為7.02%。此時實驗人員感覺胸悶，呼吸急促，立即停止實驗。在此過程中，水蒸氣的含量則一直接近飽和。該數據表明，當吸入氣體中氧氣的體積分數小于11.18%時，會造成呼吸嚴重困難。

從表2可以看出，采取不同的呼吸方式，呼出的氣體中氧氣和二氧化碳的含量存在較大的差別，尤其在連續呼吸袋內氣體時差值更為明顯。而三種呼吸方式呼出的氣體中水蒸氣的含量則很接近。

4 結束語

本實驗采用手持技術非常簡便且較為準確地測定了室內空氣和不同呼吸方式中人體呼出的氣體成分，解決了長期以來中學化學教學中只能定性地研究呼出氣體成分的問題（比較呼出氣體和吸入氣體中氧氣、二氧化碳和水蒸氣的多少）。實驗中，手持技術在傳統實驗所測定項目的基礎上大大減少了操作的步驟，操作簡單，使用方便；精確度高；自動合成數據，節約了時間。

參考文獻：

[1][4]王晶等.義務教育教科書·化學[M].北京：人民教育出版社，2012：14～16，26～27.

[2][3]常用化學手冊[M].北京：地質出版社，1997：300.

[5]魏菊英.無機化學叢書第十八卷地球化學[M].北京：科學出版社，1986：211～212.