1、2016/1/15 V16036 V 杯赛参赛作品 香烟气中有害物质的 半定量 分析 徐卫瑛 1 赵琦 2 （ 1.杭州市源清中学 ，浙江杭州， 310015； 2.杭州第九中学） 一、研究背景 手持技术是将传感器 运用于 教育 实践，实现 集数据采集与分析 一体化的数字 实验系统 。该技术运用于中学化学教学， 扭转 了传统实验教学 以定性 实验 为主体 的现状，简化了 定量实验 繁琐的操作步骤， 实现了 数据处理 微机化。 应用于研究性学习， 成为 学生获得定量操作的简便途径 ， 为接触工科机电一体技术奠定基础 。 香烟及其烟雾中含有 3800 多种化合物，其中有毒物质达几 百种，至少有
2、43 种是致癌物质 。 在学校和公共场所，应该禁止吸烟。但是部分烟民不能很好的认识公共场所禁烟的重要意义 ，甚至暴力抗拒劝烟。 本 实验 方案综合利用了二氧化碳、二氧化硫、氧气、溶解氧、 温度 、 pH 探头，研究了香烟气的部分成分与含量。 参照正常生理活动的数值标准，揭示香烟气有损人体健康，可作普及烟草危害性之参考。 二、 实验的过程与方法 1、 材料 市售 2 个档次的香烟。 “利群”牌香烟， 14 元 /盒，代表中等收入人群常吸的、价格介于 10 至20 元的烤烟 （下文简 称 A 烟） 。“大前门”牌香烟， 4 元 /盒，代表进城务工人员常吸的， 价格低于10 元的烤烟 （下文简 称
3、B 烟） 。 2、 仪器与试剂 两通管、 集气瓶、 单孔橡皮塞（ 2 个）、鼓气球 、数据采集器、二氧化碳探头、二氧化硫探头、氧气探头、溶解氧探头、高温探头、 pH 探头、电脑 。 0.1mol L 1KMnO4 溶液 ， 饱和石灰水、 30%NaOH 溶液、 1%亚甲基蓝溶液、火柴 3、 方法 如图 1 所示，使用鼓气球从 b 端向两通管鼓气，利用气压差将空气压过燃烧的香烟，形成香烟气，从 a 端的导管排出。然后用相应传感器探头检出。 4、 实验 报告 1） 温度 将高温传感器的探棒从尾部穿过香烟， 至香烟中段，如图 2，点燃香烟 ，不断用故气球向两通管鼓气，至香烟燃尽 。记录以时间为自变量
4、的温度变化曲线。 A 烟的最高温度是345oC（图 3） ， B 烟的最高温度是 435oC（图 4） 。 图 1 图 2 2016/1/15 V16036 2） 二氧化碳含量 点燃香烟，置于两通管 b 短，不断鼓气，将香烟气通入澄清石灰水，至香烟燃尽。 如 图 5 所示 ，右侧通入香烟气的 石灰水 变 混浊，左侧对照液澄清。 重复以上鼓气操作， 将二氧化碳传感器的进气管“标有 IN 标志”置于香烟气出气管口 （图 6） 。记录以时间为自变量的二氧化碳 浓度 变化曲线。 二氧化碳浓度达到传感器探头的 上限 。两种香烟气的二氧化碳含量均 超过 5000ppm（图 7） 。 3） 氧气含量 将氧
5、气探头放入 250mL 集气瓶 ，测定空气中氧气含量的正常值为 21%。再点燃香烟，置于两通管 b 端，不断鼓气 （图 8） 。将吹出的香烟气通入集气瓶中，至香烟燃尽。以时间为横坐标，氧气的百分含量为纵坐标作图， B 烟的曲线 如图 9。氧气的最低百分含量仅 6.8%； A 烟的最低含量是 8.1%。 4） 水溶液中溶解氧 图 3 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8 图 9 2016/1/15 V16036 亚甲基蓝（ C16H18ClN3S 3H2O）作为氧化还原指示剂，滴加到装有 30%氢氧化钠的试管中，溶液呈蓝色，通入香烟气，溶液褪色 （图 10） 。说明溶液中氧化性气体（如氧气）
6、减少，还原性物质增加。 在集气瓶中装入三分之一体积的水，插入溶解氧传感器电极 （图 11） ，得到室温下溶解氧的正常值约为 5mg/L。再点燃香烟，重复鼓气排烟操作至香烟燃尽。以时间为横坐标，水中溶解氧的百分含量为纵坐标作图， A 烟、 B 烟的实验曲线相似， A 烟的溶解氧最低百分含量仅 1.9mg/L， B 烟的溶解氧最低百分含量仅 1.8mg/L。图 12 是 A 烟的溶解氧随时间变化的曲线 。 5） 二氧化硫 将香烟气通入 0.1%酸性高锰酸钾溶液中，溶液褪色 （图 13） ，说明香烟气中含有较强还原性的气体（如二氧化硫）。 将二氧化硫探头放入 250mL 集气瓶，测得实验环境下的二氧
7、化硫含量为 2.5ppm，点烟、鼓气并将吹出的二氧化硫气体通入集气瓶中，至烟燃尽。两种香烟燃烧产生的二氧化硫含量相似，均触及探头的最高检测阈， 达到 20ppm。如图 14。 6） pH 在集气瓶中装入三分之一体积的水，放入 pH传感器探头 （图 15） ，测得水 pH 为 6.9。通入香烟气，不断震荡集气瓶，直至香烟燃尽。水溶液的 pH 上升至 8.5，呈弱碱性 。 pH 对时间变化的曲线如图 16 图 10 图 11 图 12 图 13 图 14 2016/1/15 V16036 7） 焦油 图 17 左侧是新的两通管；右侧是实验后的两通管，管壁附着这大量黄褐色的焦油 ，散发出浓烈的烟味
8、。对照说明燃烧香烟产生大量焦油。 三 、 实验 结果 的 分析 1、 温度 吸烟 是引发火灾的 一个重要原因。据中国消防年鉴统计， 2001 年至 2005 年因吸烟引起的火灾占总起数的 7.7%。一支香烟通常延烧时间在 10 分钟左右，丢弃的烟头根据它的长短延烧时间也在 1 4 分钟左右 1。 本次实验测得两种香烟燃烧时的在 温度 分别是 345和 435 。而大多数可燃物的 着火点 低于这个温度 ： 表 1：常见可燃物的着火点 可燃物 棉花 纸张 橡胶 木材 木炭 砂糖 硫黄 涤纶纤维 着火点 / 210 255 183 350 250 300 320 400 350 190 390 未熄
9、灭的烟头可以引燃以上物质，引发火灾。如果烟头遇到可燃性气体或可燃性液体蒸汽，达到爆炸极限，还能引起爆炸。 2、 二氧化碳 二 氧化碳属于无毒气体，但它们的浓度很高，而氧气含量很少时，人吸入后，肺内血液得不到足够的氧气 ，造成神经系统及呼吸中枢抑制和麻痹就会发生窒息性中毒。 人体与环境进行气体交换，当空气中的二氧化碳浓度达到 0.2%时，人就会感到呼吸困难，超过 0.4%时，人会感到头晕、头痛或发生呕吐，浓度达到 1%时就可能危及生命 2。 （室内空气质量标准 （ GB/T18883 2002） 规定：室内空气中二氧化碳的最大限值为 0.10%， 两类 香烟气中二氧化碳含量高于 5000ppm,
10、即高于 0.5%，人体可有不良反应。 3、 氧气含量 一个人一天需要吸入大约 4.5 公斤的氧。在人体的各个内脏器官中，脑需要氧气比较多，大约消耗吸入体内氧的 20。 向人体提供充足的氧气， 使氧顺利进入肺部，再经由血管运到全身各个器官组织，以供组织细胞功能代谢之需，身体因此健康。 减少氧气分压， 身体吸 收 、 运输的氧气不能满足 身体的需要，身体就会虚弱，甚至有患病。 图 15 图 16 图 17 2016/1/15 V16036 表 2： 不同浓度的氧气对人体的影响 3 氧浓度 (%) 影响及内容 19.5-23.5% 正常氧气浓度 15-19% 工作能力降低、感到费力 18.0% 劳
11、动安全卫生标准最低值 12-14% 呼吸急促、脉搏加快，协调能力和 感知判断力降低 10-12% 呼吸减弱，嘴唇变青 8-10% 超过 8 分钟导致死亡，在 4 5 分钟内可能恢复 4-6% 40 秒后昏迷、抽触、呼吸停止，死亡 本实验测得 香烟气中氧 气含量 仅 6.8%， 长时间吸食可能对身体造成不可逆的损伤。 4、 溶解氧 氧和水都是维持生命的必须物质 。呼吸进入肺部的氧气通过气体交换， 进入血液被血红蛋白运送至全身各部分，或者进入体液、渗入细胞间质中，并与细胞质发生交换。 本实验使用自来水模拟体液，再现吸入香烟气后体液中溶解氧含量减少的过程。实验测得的溶解氧越低，对健康的损害越 大。
12、实验显示 自来水系统终端水的 溶解氧 为 4 5 毫克 /升 ，通入香烟气后溶解氧减少。 说明吸入香烟气会降低体内溶解氧水平，影响健康。 5、 二氧化硫 SO2 被上呼吸道吸收后 ,约有 40%至 90%进入血液并分布于全身 ,在气管、肺、肺门淋巴结和食道中含量最高 ,因此呼吸道和肺是 SO2 作用的主要部位。 SO2 在肺泡吸收或代谢过程中 ,会引起肺 局部的生理和病理改变 ,甚至可以引起靶器官的损伤。有研究表明 ,吸入 SO2 可使小鼠肺组织细胞 SOD 酶活力显著降低 ,随 SO2 浓度增加 ,小鼠肺组织脂质过氧化水平增高 4。 室内空气中二氧化硫的日平均最 高容许浓度值规定为 0.15
13、mg/m3（ GB/T17097-1997） 。 短时接触容许浓度为 10mg/m3。 本研究发现 ,香烟气中含有较高浓度的 SO2,各档香烟气中 SO2 浓度均达 20 mg/m3。且 SO2 含量与香烟档次关系不大。可能与 S 是生命体必 需的元素，自然生长的烟叶中已含有一定量 S 元素有关。 6、 pH 血液中的 pH 正常值为 7.35 至 7.45，只允许有 0,05 的波动。口腔 内 唾液的 pH 值为 6.6 至 7.1,此时 唾液淀粉酶活性最大，在它的催化作用下，部分淀粉被水解成麦芽糖 。 胃液的 pH 值为 0.9 至 1.5 5。 上述人体各部位 pH 中，以血液的 pH
14、值临床意义最大。香烟气的 pH 高于 8.4， ，可能造成 血液中 H2C03 浓度降低，血液 pH 升高， 引发 呼吸性碱中毒。 7、 焦油 焦油不仅使肺上皮细胞分泌过多粘液，导致纤毛失去保护功能，还损害巨噬细胞的吞噬功能，降低人体免疫力。更为严重的是，焦油中含有 16 种致癌物质，可引发多种 癌症 。另有动物研究显示烟焦油可致小鼠肺泡的巨噬细胞分泌过多前列腺素，从而抑制其免疫反应，增加肺癌危险性 6。 六 、研究中的问题解决 1、 制造 香烟气的 研究 实验参与者均为普通中学学生， 不会吸烟。我 们开始用洗耳球吸烟 （图 18） 。然而吸入洗耳球的烟雾气体的量太少，且不能连续操作，于是改用
15、鼓气球吹烟 (图 19)。由于香烟燃烧长生的热气不能逆向进入香烟，2016/1/15 V16036 烟很快熄灭。我们又改变香烟摆放的位置 （图 20） ，使两通管内气压大于外界大气压，将热气压过香烟，得到较好的实验效果 2、 半封闭空间的研究 收集香烟气的集气瓶过大，会稀释烟雾中组分气体的含量，使测量值明显低于吸烟者呼吸道中的烟雾浓度；若集气瓶过小，会放大外界环境对实验数据的影响（如鼓气速度的微小变化），也使放入探头之后的空间显得十分局促， 因此我们使用 250mL 集气瓶收集香烟气。 由于吹出的香烟气温度高于室温，应用向下排空气法收集。然倒置集气瓶不利于摆放探头。试验正放集气瓶，得到的数据
16、与倒置几乎完全一致，故在本研究报告中均采用向上排空气法收集气体。这样收集气体的过程中保证了气体的流动性，与吸烟者呼气的动作相仿，更接近真实的吸烟过程。 3、 文献资料的获取 试验获得的各项数据均需正常指标作为参照。我们查阅了 30 余篇相关文献。参照标准主要是国标，然后是过刊资料和行业标准。引用的数据和毒理均用尾注标与文后。 七 、研究 意义 1、 半定量测量了部分 香烟气组分的含量，同时提供了参照标准或毒理研究资料。是对吸烟危害健康的有力佐证。 2、 使用了先进的手持技术完成研究性学习。 本研究使用了 6 种传感器，亦 对改变中学化学实验教学仅用单一的传感器探头完成实验的现状提供了范例。 试
17、验过程中定性试验与基于手持技术的定量实验互相结合。 体现了从多角度思考单一问题（吸烟有害）的发散思维。 3、 密切联系净化城市，积极开展控烟工作的实际，体现化学教学联系生活的思想。 参考文献： 1 赵凤杰 .怎样处置家庭初起火灾 N东营日报 .20091105 期 2 朱春金 . CO2 与人体 pH 值的调节 J化工之友 .2009(4),42-43 3 王浩水 .受限空间作业安全 P.国家安全生产监督管理总局视频讲座 .2009 年 9 月 4 杨湘山 ,赵淑华等 . 香烟烟雾中 SO2、 NOx 和甲醛浓度的测定及评价 J. 安全与环境学报 ,2005(6),45 5 石海信 .人体与 pH 值 J.化学教学 .1994(6),28 6 逯延敏 ,李强 . 低焦油卷烟的安全性 J. 现代预防医学 ,2009(2),300 301 作者简介 ： 徐卫瑛 1 化学教研 组 组长 ， 中学高级 教师，联系方式： 18606718030 图 18 图 19 图 20
