运用手持技术测定室内空气与人体呼出气体的成分

摘要：采用手持技术较为准确地测定室内空气和不同呼吸方式中人体呼出的气体的成分，并通过对数据的分析与比较，试图对各气体含量的变化进行解释。

关键词：手持技术；空气；人体呼出气体；气体成分测定

文章编号：1005–6629（2013）8–0045–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

探究空气成分以及人体吸入的空气和呼出的气体有什么不同，是初中九年级学生在化学学习中利用实验来学习科学探究方法的较复杂的探究活动[1]。但一般的传统实验方法只能对其成分做出定性分析或者粗略的定量分析。那么，室内空气和人体呼出气体中的几种气体的含量究竟是多少呢？它们到底有多大的不同呢？笔者采用手持技术对它们做了较为准确的测定并做出比较。

1 实验环境及操作方法

1.1 测量硬件和软件

本实验采用Vernier公司Labquest采集器和二氧化碳传感器、湿度传感器、氧气传感器。采集软件为Vernier公司的Logger Pro 3.8.4。

1.2 测量方法

先把塑料保鲜膜袋内的空气尽量排尽，然后将二氧化碳传感器、湿度传感器和氧气传感器一起放入其中。开始采集数据，大约30 s后，向保鲜膜袋中吹入气体，直到袋子鼓起，扎紧袋口。此时袋内大约有2.5 L气体。继续采集数据到曲线基本平行为止。重复以上实验2～3次。下文中实验数据均为平均值。

2 正常呼出的气体

开启仪器采集数据。按正常呼吸的速度吸入空气，并向保鲜膜袋内吹入气体，直到袋子鼓起，扎紧袋口。

2.1 水蒸气

由于没有直接测量水蒸气体积分数的传感器，本实验中采取测量相对湿度的方法来确定水蒸气的含量。室内空气的相对湿度随季节、天气和环境不同变化很大。一般来说，秋冬季或低温、晴朗天气相对湿度较小，而春夏季或高温、阴雨天气空气相对湿度较大。

实验当天为阴天，空气湿度较大，实测相对湿度为75.91%。此时室内温度为22℃。向保鲜膜袋内吹入气体后，相对湿度很快上升到100%，然后又缓慢降低到95.84%（见图1）。估计相对湿度降低的原因可能是刚吹入的气体温度较高，且含有较多的水蒸气，然后有一部分水蒸气在袋壁冷凝为小水珠，从而导致相对湿度下降。

已知22℃时水的饱和蒸气压为2.64 kPa[2]，假设当时大气压为1个标准大气压，即101.325 kPa，则：

空气中水蒸气的体积分数为：

2.64 kPa×75.91%÷101.325 kPa=1.98%

呼出气体中水蒸气的体积分数为：

2.64 kPa×95.84%÷101.325 kPa=2.50%

即前后相差0.52%。

由此我们能够看出，室温和常压条件下，由于混合气体中的水蒸气即使处于饱和状态下，所占的体积分数也很小，所以水蒸气的含量在呼出气体中与在空气中相差不大。但如果在干燥的环境中进行实验，这一差值将会有所增加。值得说明的是，水蒸气在空气中的含量随季节、天气、温度、地域等不同变化很大，其体积分数一般在0～4%之间变动[3]。因此各版本初中化学教材中列出的空气中各气体的体积分数，如“氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质0.03%[4]”，实际都是指在除去水蒸气后的“干空气”中的含量[5]。所以，认为空气中的水蒸气包含在“其他气体和杂质0.03%”中的看法是不正确的。

2.2 氧气

在该次测量中，室内空气中氧气的体积分数为20.77%。用保鲜膜塑料袋收集正常呼出的气体，氧气的体积分数为17.17%。两者相差3.60%，这说明氧气的含量在正常呼出的气体中有了较为明显的减小。

2.3 二氧化碳

二氧化碳传感器是利用二氧化碳对红外线的吸收来进行测量的，对二氧化碳浓度变化的响应较为缓慢。因此，在停止吹入气体后，二氧化碳的曲线变化相对氧气的曲线来说，要延迟一段时间才保持基本不变。二氧化碳传感器采集的数据单位为ppm，转化为百分数后，室内空气中二氧化碳的体积分数为0.056%。用保鲜膜塑料袋收集正常呼出的气体，二氧化碳的体积分数为3.67%（见图3）。两者相差3.61%，即二氧化碳在正常呼出的气体中的含量与空气相比有了非常显著的增加。

通过表1可以看出，正常呼吸方式呼出的气体与室内空气相比较，氧气和二氧化碳的含量变化较大且变化值基本相同，而水蒸气的含量变化较小。那么是什么原因导致氧气和二氧化碳的含量变化值基本相同呢？从元素守恒角度考虑，在相同条件下，氧气在人体内发生化学反应被消耗后，最终将会生成相同体积的二氧化碳。这就导致了正常呼吸过程中氧气体积分数的减小值接近二氧化碳体积分数的增加值。

由于缺少氮气和稀有气体传感器，因此没有对它们的含量进行测定。氮气和稀有气体不参与人体内的反应，且都难溶于水，因此可以推知这些气体的质量在呼吸前后没有发生变化，但其体积分数可能会受其他气体体积分数变化的影响而发生微小的变化。

3 快速呼出的气体和连续呼吸袋内的气体

如果收集快速呼出的气体，测得氧气含量为18.12%，而二氧化碳气体的含量为2.61%。即氧气的含量比正常呼出的气体高，二氧化碳的含量比正常呼出的气体低。原因是快速呼出气体时，空气在人体内停留时间较短，来不及与肺泡内的气体进行较为完全的交换。

若连续只呼、吸塑料袋内气体，发现氧气含量会持续降低，而二氧化碳含量会不断升高。当氧气体积分数降到11.18%时，二氧化碳体积分数变为7.02%。此时实验人员感觉胸闷，呼吸急促，立即停止实验。在此过程中，水蒸气的含量则一直接近饱和。该数据表明，当吸入气体中氧气的体积分数小于11.18%时，会造成呼吸严重困难。

从表2可以看出，采取不同的呼吸方式，呼出的气体中氧气和二氧化碳的含量存在较大的差别，尤其在连续呼吸袋内气体时差值更为明显。而三种呼吸方式呼出的气体中水蒸气的含量则很接近。

4 结束语

本实验采用手持技术非常简便且较为准确地测定了室内空气和不同呼吸方式中人体呼出的气体成分，解决了长期以来中学化学教学中只能定性地研究呼出气体成分的问题（比较呼出气体和吸入气体中氧气、二氧化碳和水蒸气的多少）。实验中，手持技术在传统实验所测定项目的基础上大大减少了操作的步骤，操作简单，使用方便；精确度高；自动合成数据，节约了时间。

参考文献：

[1][4]王晶等.义务教育教科书·化学[M].北京：人民教育出版社，2012：14～16，26～27.

[2][3]常用化学手册[M].北京：地质出版社，1997：300.

[5]魏菊英.无机化学丛书第十八卷地球化学[M].北京：科学出版社，1986：211～212.