一氧化碳為什麼
最可怕的地方在於「無法察覺」？
沒有顏色。沒有氣味。也沒有味道。不會冒煙。所以如果沒有警報器,人類的感官完全無法察覺它的存在。更糟的是,這種氣體會先奪走你「該逃跑了」的判斷力。不是你沒注意到,而是它讓你無法注意到。
寒冷的夜晚。開著石油爐的房間裡,你正在看電視。外面風很大,窗戶緊閉著。排風扇也沒有開。幾個小時過去了。
不知怎麼地開始頭痛。有點倦怠。你想:「是不是太累了」「是不是快感冒了」。事實上,這些症狀和感冒非常相似。沒有人會覺得異常。
於是你開始打瞌睡。嗜睡也是症狀之一,但判斷這件事的能力,此時也已經下降了。
在這整段時間裡,房間裡充滿著一氧化碳。眼睛看不到,鼻子也聞不到,什麼都感覺不到。
無色、無臭、無味。都市瓦斯和液化石油氣都特意添加了臭味,但一氧化碳沒有。人類沒有偵測它的手段,只能依靠警報器。
最先出現的是頭痛、倦怠、嗜睡。也就是說「不對勁、該逃跑了」這種思考能力,會最先變得遲鈍。在倒下之前,就已經無法判斷了。
這兩點重疊在一起,所以一氧化碳中毒常常以「察覺到時已經動不了」的形式發生。讓我們依序來看。
原因一:它劫持了人體「氧氣的搬運工」
我們能夠呼吸,是因為血液中的紅血球會把氧氣運送到全身。負責搬運的是紅血球裡一種叫血紅素的蛋白質。
血紅素上有讓氧氣附著的位置。在肺部裝載氧氣,在需要的地方輕輕卸下。這種「鬆散結合、容易放手」的特性,對搬運工來說是決定性的重要條件。
然而,一氧化碳卻會以遠比氧氣更強的力量,緊緊黏在同一個位置上。根據常被引用的數值,這個強度大約是氧氣的200倍以上。
結果就是這樣:只要空氣中有一點點一氧化碳,位置就會一個接一個被佔走。而且一旦附著,就很難脫離。肺部正常運作,呼吸也不會感到困難,但氧氣卻完全無法送達體內。
我們感覺「喘不過氣」,主要是因為血液中二氧化碳增加的時候。在一氧化碳中毒的情況下,二氧化碳仍會正常排出。
也就是說,身體明明缺氧,卻不會響起「難受」的警報。不會出現潛水時那種「想換氣」的強烈感覺。於是,人就這樣睡著了。
原因二:不管待在房間哪個位置,吸到的量都一樣
上一篇文章提到的氯氣,因為比空氣重,會沉積在地面。一氧化碳恰恰相反,它的重量幾乎和空氣相同。
也就是說,它不會偏向上方或下方,而是均勻地混入整個房間。「站著就沒事」「往高處逃」之類的避難方式都不管用。它甚至會從門縫流到隔壁房間。
完全沒有任何線索。
一氧化碳在哪裡會產生
一氧化碳是物質燃燒時氧氣不足所產生的。這稱為不完全燃燒。換句話說,只要在密閉房間裡用火,無論用什麼燃料都可能發生。
- 密閉房間裡的石油爐、瓦斯爐。尤其是睡覺時無法逃離
- 帳篷或車內過夜時使用炭火、瓦斯爐、噴燈。狹小空間最為危險。「稍微開一點就沒事」是不成立的
- 排氣管被雪埋住的車子。排放的氣體會逆流進車內。受困動彈不得時,請先清除排氣管周圍的積雪
- 在室內、車庫或屋簷下使用發電機。停電時的事故一再發生。發電機務必在室外開放空間使用
- 熱水器、瓦斯爐的不完全燃燒。排氣口堵塞或供氣不足時會發生
- 不開排風扇使用炭火烹調、七輪(日式小烤爐)
少數可以察覺的線索:火焰的顏色。當瓦斯火焰不是藍色,而是搖晃著橘色或偏紅色時,或冒出黑煙時,或玻璃、牆壁變黑時,請懷疑是不完全燃燒。
該怎麼做
- 感到頭痛、噁心、倦怠時,先到外面去就是在你覺得「是不是感冒了」的時候。如果同一房間裡的人同時覺得不舒服,寵物也沒精神,就要強烈懷疑了。比起先查原因,先呼吸外面的空氣才是重點。
- 打開窗戶和門通風,並關掉火源但自己先逃出去才是第一優先。不要直接衝進有人倒下的房間。先憋住呼吸打開窗戶,然後立刻到外面去。曾發生救援者接連倒下的事故。
- 打119,即使症狀輕微也要就醫就算「出去之後覺得舒服多了」,也要就醫。據說有時會在暫時恢復之後,過了幾天到幾週才出現記憶障礙或運動障礙。送醫時,請告知燃燒了什麼、燃燒了多少。
既然人類的感官無法偵測,就只能依靠機器了。一氧化碳警報器(CO警報器)只要幾千日圓就能買到。
- 在日本,住宅用火災警報器的裝設是強制性的,但CO警報器並非強制規定。煙霧偵測器偵測不到一氧化碳,所以需要另外準備
- 裝設位置建議在有燃燒器具的房間和臥室。因為一氧化碳的重量和空氣幾乎相同,所以高度不太需要在意(請依照產品說明安裝)
- 請確認電池和使用壽命(多數為5到10年)。過期的警報器等於沒有
- 露營、車內過夜、停電時使用發電機,也可以帶著可攜式的小型警報器,非常實用
在廚房就能確認的事(不會有危險)
- 點燃瓦斯爐,觀察火焰的顏色。正常的話應該是清澈的藍色
- 確認鍋底是否沾有黑煙。如果變黑了,就是不完全燃燒的徵兆
- 也要確認爐頭是否堵塞,以及進氣口是否積塵
藍色火焰代表燃料與氧氣充分混合、完全燃燒的標誌。橘色火焰則是氧氣不足的訊號,意味著容易產生一氧化碳的狀態。蠟燭或營火的橘色也是同樣的原因(未燒盡的碳粒在發光),這也意味著在室內使用時需要通風。
總結
一氧化碳可怕的地方,不只是因為毒性特別強。而是在於它具備①感官無法偵測、②不會感到呼吸困難、③不管待在房間哪裡吸到的量都一樣、④逃跑的判斷力最先被奪走這種完全不會響起警報的結構。
人類的感官無法察覺它。
所以,請在家裡裝一台警報器。
想了解更多的人 ― 用語、化學式,以及和教科書的連結從國中理科到研究中的話題,都會明確標示屬於哪個等級
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學基礎」「生物基礎」課程範圍
- 高中＋高中「化學」「生物」,或教科書中發展、專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(毒理學、生物化學)的內容
- 研究中連大學也還不會當作「定論」教授、研究人員目前仍在調查中的話題
國中用語,以及它為何會產生
- 完全燃燒:氧氣充足時。碳會變成二氧化碳(CO2)。C + O₂ → CO₂
- 不完全燃燒:氧氣不足時。碳只氧化到一半,就產生了一氧化碳(CO)。2C + O₂ → 2CO
- 一氧化碳(CO):無色、無臭、無味的氣體。分子量28,與空氣的平均值(約29)幾乎相同,所以會均勻擴散到整個房間。
- 血紅素:存在於紅血球中,負責搬運氧氣的蛋白質。中心含有鐵,氧氣就是和這個鐵結合。
- 一氧化碳血紅素(CO-Hb):與一氧化碳結合的血紅素。它在血液中所占的比例(%),被用來作為中毒嚴重程度的指標。
另外,都市瓦斯和液化石油氣為了讓人能察覺洩漏,都特意添加了臭味(加臭劑)。而一氧化碳是燃燒結果當場產生的氣體,無法事先添加臭味。這個差異,正好就是兩者危險程度的差異。
高中用算式驗證:為什麼只要0.02%就足以致命
一氧化碳的可怕之處在於,即使濃度非常低也會產生作用。到底能有多低,可以用計算求出來。
位置的爭奪 ＝ 數量比 ÷ 容易結合程度比
| 數量比 | 空氣中,哪一種氣體有多少 |
| 容易結合程度比 | 一氧化碳約是氧氣的200〜250倍 |
| 位置 | 血液中血紅素上可以結合的位置 |
氧氣和一氧化碳,會爭奪血紅素上同一個位置。數量多的一方有利,但容易結合的一方也有利。正因為是這兩者的拔河,所以用除法來計算。
這裡發揮作用的就是「250倍」這個數字。它的意思是,即使數量只有250分之1,也能打成平手。
| 空氣中的氧氣 | 約21% ＝ 210000 ppm |
| 一氧化碳 | 假設為200 ppm(0.02%) |
| 數量比(氧氣多出幾倍) | 210000 ÷ 200 ＝ 1050倍 |
| 再除以容易結合程度 | 1050 ÷ 250 ＝ 4.2 |
| 位置比(氧氣 對 一氧化碳) | 4.2 對 1 |
| 總計為 | 4.2 ＋ 1 ＝ 5.2 |
| 被一氧化碳佔走的位置比例 | 1 ÷ 5.2 ≒ 0.19(約19%) |
只佔空氣中0.02%的物質,就能奪走血液搬運能力的約兩成。而且只需要萬分之二的濃度。
※ 這是在充分時間後達到穩定狀態的大致數值。實際情況會因吸入時間、呼吸深度、個人差異而有很大變化,容易結合程度的比值也有一定範圍。
搬運能力減少兩成,可以想成和被抽走兩成血液的狀態很類似,這樣比較容易理解。靜止不動或許還能應付,但一動起來就會不夠用。
而這件事故最危險的特性,正好疊加在這裡。
- 沒有顏色、沒有氣味、沒有味道。唯一能察覺的線索只有身體狀況的變化
- 最初的症狀是頭痛、倦怠、嗜睡。人會想「累了,休息一下吧」
- 為了休息而躺下,因為不動,就會持續吸入
- 判斷力本身會率先下降。想到要逃跑的能力也隨之喪失
計算顯示的是「減少兩成」,但實際發生的是「在毫無察覺的情況下減少兩成」。正因為人類的感官完全無法偵測這個對手,才需要警報器。
一氧化碳是在氧氣不足的情況下燃燒時產生的。需要多少氧氣,也可以計算出來。
| 燃燒都市瓦斯主要成分時 | 燃料1需要氧氣2 |
| 空氣中氧氣的比例 | 約21% ＝ 0.21 |
| 所需的空氣量 | 2 ÷ 0.21 ≒ 9.5倍 |
需要燃料量大約10倍的空氣。燃燒,就是在消耗這麼多的空氣。
密閉的房間、被雪堵住的排氣口、帳篷、車庫。一旦空氣的流通不足,燃燒就不會中途停止,而是會以不完全的狀態持續下去。這時就會產生一氧化碳。
如果火焰熄滅就會停止,但沒有熄滅、持續「不完全燃燒」才是最危險的狀態。室內溫暖、燈也亮著,看起來什麼異狀都沒有,而②的計算卻在持續進行中。
| 數十ppm | 長時間暴露可能出現頭痛等症狀 |
| 約200ppm | 數小時內出現頭痛、噁心 |
| 數百〜1,000ppm | 短時間內可能出現意識障礙 |
| 數千ppm以上 | 短時間內可能危及生命 |
※ 影響程度取決於濃度與時間的組合,個人差異也很大。據稱孕婦、心臟或肺部有疾病的人、嬰幼兒會在較低濃度就受到影響。
高中高中＋另一個鮮為人知的危害
一氧化碳的危害不只是「佔據位置」。血紅素有4個結合位置,在釋放氧氣時具有彼此互相協助的特性(因此氧氣解離曲線呈S形)。
當一氧化碳佔據其中一部分位置時,附著在剩餘位置上的氧氣,在需要的地方也會變得不容易脫離。用生物學的說法,就是氧氣解離曲線向左偏移。也就是說,能運送的量減少了,而且送到目的地後也無法交出去。這是雙重的阻礙。
所以只測量「血液中的氧氣量」,有時反而會忽略危險。用手指測量的脈動式血氧儀,在一氧化碳中毒時有時會顯示接近正常的數值,原因就與此有關。
大學連細胞層次也在被妨礙
已知一氧化碳不只會結合血紅素,還會結合細胞內線粒體呼吸鏈中的酵素(細胞色素c氧化酶)。也就是說,即使氧氣送達,連使用氧氣這一端的功能也會受到妨礙。
此外,它也會結合肌肉中儲存氧氣的肌紅素。這被認為是心肌受到影響的原因之一。
治療方式是讓患者吸入高濃度氧氣,把一氧化碳驅趕出去。更積極的方法是高壓氧治療,在加壓的環境下吸入純氧,可以大幅縮短驅趕所需的時間。
研究中尚未有結論的事
- 高壓氧治療是否真的能減少後遺症,目前尚無結論。已進行過多項隨機對照試驗,但結果並不一致。有的試驗顯示有效,有的則顯示沒有差異,由於受試者的選取方式和治療時機不同,無法單純比較。目前對於應該給哪些患者、在什麼時機進行治療,討論仍在持續中。
- 延遲性神經障礙會發生在誰身上,目前無法預測。有時會在看似恢復之後,過了幾天到幾週出現記憶障礙、無力感、帕金森氏症狀等。但目前沒有確立的方法,能事先區分出哪些人會發病、哪些人不會。已知血液中一氧化碳血紅素的數值,和後遺症的嚴重程度並不一定對應。
- 其實,人體內部也會產生一氧化碳。透過分解血紅素的酵素(血紅素氧化酶)的作用,體內會不斷產生極微量的一氧化碳,而且逐漸發現它作為一種放鬆血管、抑制炎症的訊息傳遞物質在發揮作用。這種以毒性聞名的氣體,在體內其實扮演著有用的角色。利用這一點開發的藥物(在特定部位微量釋放一氧化碳的化合物)研究也在進行中,但尚未實用化。
- 長期暴露於低濃度一氧化碳的影響,也還不清楚。不完全燃燒持續發生的居住環境,或交通量大的地區,慢性暴露對心血管和神經系統會造成多大程度的影響,目前研究仍在持續中。
它看似「單純的毒物」,但實際上還有許多未知之處。正因如此,比起期待治療,不讓它產生、以及早期察覺才是決定性的重點。
與教科書的連結(依等級)
| 等級 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・燃燒與氧氣／氣體的性質／人體的呼吸 | 不完全燃燒、火焰顏色、紅血球的功能 |
| 高中 | 化學基礎・化學反應式／物質量 | 完全燃燒與不完全燃燒的反應式、分子量28與空氣的比較 |
| 高中 | 生物基礎・血液與血紅素 | 氧氣的搬運、結合容易程度的比較 |
| 高中＋ | 生物・氧氣解離曲線／化學・化學平衡 | 曲線向左偏移、結合強度與平衡 |
| 大學 | 生物化學・毒理學・急診醫學 | 對線粒體呼吸鏈的作用、高壓氧治療 |
| 研究中 | 急診醫學・分子生物學(未解決) | 高壓氧治療的效果、延遲性神經障礙的預測、體內產生的一氧化碳 |
| ― | 防災・安全教育 | 到外面去→通風→打119、CO警報器、防止救援者二次受害 |
- 日本總務省消防廳(総務省消防庁)及各地消防本部針對一氧化碳中毒的警示(包含暖氣器具、發電機、車輛受困時的應對方式)。
- 公益財團法人日本中毒情報中心(日本中毒情報センター)關於一氧化碳的中毒資訊。
- U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC), Carbon Monoxide Poisoning(症狀、濃度標準、警報器建議)。
- Weaver, L. K. et al., Hyperbaric oxygen for acute carbon monoxide poisoning, New England Journal of Medicine 347, 2002 等多項關於高壓氧治療的臨床試驗(結果並不一致)。
- Motterlini, R. & Otterbein, L. E., The therapeutic potential of carbon monoxide, Nature Reviews Drug Discovery 9, 728–743, 2010(體內產生的一氧化碳及其生理作用)。
- 獨立行政法人製品評價技術基盤機構(NITE/製品評価技術基盤機構)關於燃燒器具事故案例的警示。
※ 結合容易程度的比值,以及濃度與症狀的對應關係,會因測量條件而有一定範圍。本文所列為一般常被引用的參考標準。
※本文是為了防止事故而撰寫的一般性說明。若身體出現異狀,請不要自行判斷,先離開現場後撥打119或聯絡醫療機構,並遵從消防與醫療機構的指示。燃燒器具的檢查與安裝,請務必依照使用說明書以及經銷商、施工業者的指引進行。文中所列數值僅為理解原理之用的參考標準。