כניסה 
עקבו אחרינו בפייסבוק פחמן חד-חמצני - CO
| מדריך בדיקות מעבדה | |
| פחמן חד-חמצני | |
|---|---|
| CO | |
| 250 פיקסלים | |
| מעבדה | כימיה בדם |
| תחום | רעלנות |
 | |
| יוצר הערך | פרופ' בן-עמי סלע |
פיזיולוגיה של CO
הגז פחמן חד חמצוני (CO) הוא גז דליק חסר ריח או צבע ומעט פחות צמיג מאוויר. הוא מורכב מאטום אחד של פחמן, ומאטום אחד של חמצן המחוברים ביניהם בקשר משולש (Bierhals ב-Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry משנת 2001). הליגנד CO קרוי קרבוניל, והוא מרכיב מפתח בתהליכים רבים בכימיה תעשייתית. המקור השכיח ביותר של CO הוא תסיסה של תרכובות המכילות פחמן. מספר מקורות סביבתיים וביולוגיים יוצרים CO. בתעשייה, CO חשוב ביצירה של תרכובות רבות, כולל תרופות, דלק ובשמים (Myers ב-approach to understanding the effect of Carbon Monoxide on mortality משנת 2022). מציאות בחלל סגור של CO היא אחד המזהמים הטוקסיים החמורים ביותר, המשפיעים על איכות האוויר. CO יכול להיות מופרש מעשן סיגריות, או מתנורים שורפי דלק (עץ, קרוסן, גז טבעי ופרופן) הפגומים בפעילותם, וכן מארובות חסומות המחוברות לתנורים אלה. הרעלה על ידי CO היא הסוג השכיח ביותר של הרעלות קטלניות בארצות רבות (Dent וחב' ב-Ann Rev Med משנת 2024). ל-CO תפקידים ביולוגיים חשובים בממלכות פילוגנטיות. הוא מיוצר על ידי אורגניזמים רבים, כולל האדם. בפיזיולוגיה של יונקים, CO מהווה דוגמה קלאסית ל-hormesis בו ריכוזים נמוכים משמשים כנוירוטרנסמיטורים אנדוגניים (gasotransmitters) וריכוזים גבוהים טוקסיים, הגורמים לטוקסיות. זהו תרחיש איזו-אלקטרוני עם אניון ציאניד ונתרן N2 מולקולרי. CO הוא האוקסו-קרבון הפשוט ביותר והוא איזו-אלקטרוני עם תרכובות דיאטוניות הקשורות בקשר משולש, ומכילות 10 אלקטרונים ולנטיים, כולל אניון הציאניד, קטיון הניטרוזוניום, בורון מונו-פלואוריד וחנקן מולקולרי.
תכונות פיזיקליות וכימיות
ל-CO יש מסה מולרית של 28.0 ובהתאם לחוק הגז האידיאלי, CO פחות סמיך מהאוויר, שלו מסה מולית ממוצעת של 28.8. הפחמן והחמצן קשורים על ידי קשר משולש, המורכב משני קשרי pi וקשר סיגמה אחד. אורך הקשר בין אטום הפחמן ואטום החמצן הוא 112.8pm. אורך קשר זה מתאים לקשר משולש שהוא בעל אורך דומה (109.76pm) ומסה מולקולרית זהה. קשרים כפולים של פחמן-חמצן משמעותית ארוכים יותר, 120.8pm בפוראלדהיד לדוגמה. נקודת הרתיחה (82K) ונקודת ההתכה (68K) מאוד דומים לאלה של N2 (לל77K ו-63K, בהתאמה). האנרגיה של פירוק הקשר היא של kJ/mol1072. העוצמה של הקשר C≡O בפחמן חד-חמצני באה לביטוי בתדירות הגבוהה של הויברציה שלו שהיא 2143 cm−1. לשם השוואה, קרבונילים אורגניים כגון קטונים ואסטרים אחרים נספחים בערך ב-1700 cm−1. לפחמן וחמצן יש ביחד סך של 10 אלקטרונים בקליפת הוולנטיות. מתוך התחשבות בחוק ה-octet עבור פחמן וחמצן, שני האטומים יוצרים קשר משולש, עם שישה אלקטרונים משותפים בשלושה קשרים מולקולריים אורביטליים, במקום הקשר הכפול המצוי בתרכובות אורגניות קרבוניליות. כיוון שארבעה מתוך האלקטרונים המשותפים מגיעים מאטום החמצן ורק שניים מתוכם מגיעים מהפחמן, ארובת הקישור תפוסה על ידי שני אלקטרונים של חמצן, ליצירת קשר דו-קוטבי. זה יוצר קיטוב מסוג C←O של המולקולה, עם מטען חשמלי שלילי קטן על הפחמן, ומטען חשמלי חיובי קטן על החמצן. שתי ארובות הקישור האחרות, שכל אחת מהן תפוסה על ידי אלקטרון אחד מהפחמן ואלקטרון אחד מהחמצן, יוצרות קשרים דו-ולנטיים קוטביים עם קיטוב C→O מהופך. כיוון שהחמצן הוא יותר אלקטרו-שלילי מאשר הפחמן. במולקולת ה-CO החופשית, מטען שלילי δ−, נותר בקצה הפחמן, והמולקולה מכילה dipole moment קטן של D 0.122 ({Scuseria וחב' ב־J Chem Phys משנת 1991). המולקולה היא אם כן א-סימטרית: חמצן יותר סמיך באלקטרונים מאשר הפחמן, והוא טעון חיובית במידה קלה בהשוואה לפחמן הנותר שלילי.
צורת הרזוננס החשובה ביותר של CO היא +C≡O-. תורם רזוננס בעל חשיבות מינורית הוא המבנה הקרבני שאינו אוקטט C=O.לפחמן חד-חמצני יש סדר קשרי מחושב של 2.6, המצביע על כך שהקשר "השלישי" חיוני אך במידה מסוימת פחות מקשר מלא (Haynes ב-Handbook of Chemistry and Physics משנת 2010). לפיכך, במושגים של ולנטיות של הקשר, −C≡O+ הוא מבנה חשוב, בה בשעה C=O הוא non-octet, אך בעל מטען חשמלי נויטרלי על כל אטום ומייצג את התורם של רזוננס, שחשיבותו שנייה במעלה. פחמן חד-אוקסידי לעיתים נחשב כ-carbene יציב במיוחד. איזוציאנידים הן תרכובות בהן החמצן מותמר על ידי NR (בו R הוא אלקיל או אריל) ויש להן צורת קישור דומה. מחקרים תאורטיים וניסויים מראים שהאלקטרו-נגטיביות של החמצן, המומנט הדיפולי נע בין הפחמן היותר שלילי לחמצן היותר חיובי (Martinie וחב' ב-J Chem Educ משנת 2011, ו-Lupinetti וחב' ב-J Chem Educ משנת 1997). שלושת הקשרים הם קו-ולנטיים קוטביים באופיים המקוטבים בחוזקה. הקיטוב המחושב כלפי אטום החמצן הוא 71% עבור σ-bond ו-77% עבור שני קשרי TT (ללBlanco וחב' ב-J Phys Chem משנת 2009).
נוכחות: פחמן חד-חמצני מופיע בסביבות שונות בדרך כלל בריכוזים זעירים. פירוק פוטוכימי של חומר צמחי, לדוגמה, מייצר על פי הערכה כ-60 מיליון טון בשנה (Khalil וחב' ב-Chemosphere - Global Change Science משנת 1999). ריכוזי פחמן חד-חמצני ב־parts per million (ppmv) הם כדלהלן: רמת CO הטבעית באטמוספירה היא 0.1; רמת CO הממוצעת בבתים היא 0.5-5; רמת CO ליד תנורי גז בבתים עם סידור מודרני של הרחקתו היא 5-15; פליטת CO ממכוניות בעיר מקסיקו סיטי בשנת 1975 היא 100-200; רמת CO בגז הנפלט ממכוניות דרך catalytic converter היא מתחת 1,000; פליטת CO מאח עצים ביתי היא 5,000 (Gosink ב-Alaska Science Forum משנת 1983, Weinstock ו-Niki c-S ב-Science משנת 1972).
פחמן חד-חמצני נמצא בכמויות קטנות (בערך 80ppb) באטמוספירת הארץ. בסך הכול במהלך שנה נוצרים 1012 ק"ג מדי שנה (Drummond ב-Atmospheric Chemistry and Physics משנת 2018). מקורות טבעיים נוספים של CO כוללים לבה של הרי געש, שריפת יערות ועצים. כמויות קטנות נפלטות מהאוקיינוס, ומפעילות גאולוגית. הגז CO נמצא בבתי זכוכית וחממות בריכוזים נוספים ל-methane ולאוזון טרופוספרי. דרך תהליכים טבעיים באטמוספירה, CO מחומצן לדו-תחמוצת הפחמן ולאוזון. CO הוא קצר חיים באטמוספירה עם תקופת מחצית חיים ממוצעת של 1–2 חודשים. CO יכול להגיב עם מים ליצירת פחמן דו-חמצני ומימן: CO + H2O → H2 + CO2. אם הלחץ החלקי של מימן גבוה דיו, תיווצר גם חומצה פורמית: CO + H2O → HCOOH.
זיהום בחללים סגורים: פחמן חד-חמצני הוא אחד המזהמים הטוקסיים ביותר בחללים סגורים. במדינות מפותחות המקור העיקרי של פליטה של פחמן חד-חמצני בחללים סגורים, מגיע מבישול וחימום או שריפה של פריטים כגון דלק מאובנים המותקנים ברשלנות, או נשמרים באופן לקוי. במדינות עניות או בעלות הכנסה ממוצעת המקורות העיקריים של חפחמן חד-חמצני בבתים הם עישון סיגריות ושריפת דלק של בִּיוֹמָסָה (הכמות הכוללת של אורגניזמים חיים בשטח נתון).
השפעות של הרעלה על ידי פחמן חד-חמצני הן הסיבה העיקרית לתמותה משאיפת אוויר בארצות רבות. חשיפה ממושכת כזו עלולה לגרום להשפעות נוירולוגיות כגון שינויים קוגניטיביים או התנהגותיים, וטוקסיות חריפה עלולה לגרום לאיבוד הכרה, תרדמת ומוות. חשיפה כרונית לריכוזים קטנים של פחמן חד-חמצני עלול לגרום לכאבי ראש, בחילה, רדמת ותסמינים דמויי-שפעת, נוירופסיכולוגיים וקרדיו-וסקולריים.
רוב המתכות יוצרות קומפלקסים של קואורדינציה המכילים CO קשור קו-ולנטית. נגזרות אלו, הקרויות קרבונילים מתכתיים אמורות להיות חזקות יותר כאשר המתכת היא בפאזה חמצונית נמוכה יותר. לדוגמה, ניקל קרבוניל הוא קומפלקס הנוצר על ידי קומבינציה ישירה של CO עם המתכת: Ni + 4 CO → Ni(CO)4. קומפלקסים נדיפים אלה הם לרוב מאוד טוקסיים. כליגנד, CO נקשר דרך הפחמן ליצירת קשר משולש. בנוכחות חומצות חזקות, alkenes מגיבים עם חומצות קרבוקסיליות. תערובת של גז מימן ו-CO מגיבה עם alkenes ליצירת אלדהידים. כלורינציה של CO היא המסלול התעשייתי ליצירת התרכובת החשובה phosgene.
הכנה מעבדתית: פחמן חד-חמצני מיוצר במעבדה קונבנציונלית על ידי דה-הידרציה של חומצה פורמית או חומצה אוקסלית. עם חומצה גפריתנית מרוכזת. שיטה אחרת היא בחימום של אבץ מתכתי בשילוב עם סידן קרבוני מה שמשחרר CO ומותיר מאחור את אוקסיד האבץ ואוקסיד הסידן: Zn + CaCO3 → ZnO + CaO + CO. גם ניטרט הכסף ו-iodoform מייצרים בשילוב פחמן חד-חמצני: CHI3 + 3 AgNO3 + H2O → 3 HNO3 + CO + 3 AgI. לבסוף, מלחים של אוקסלט מתכתי משחררים CO במהלך חימון, תוך שהם משאירים קרבונאט כתוצר ביניים: Na2C2O4 → Na2CO3 + CO. הגז CO יכול להיווצר על ידי אלקטרוליזה בטמפרטורה גבוהה של דו-תחמוצת הפחמן, כאשר שיטה אחת עושה שימוש בקטליסט cerium oxide בריאקציה: CO2 → 2 CO + O2.
אלקטרוכימיה: פחמן חד-חמצני משמש באלקטרוכימיה ללמוד את המבנה של אלקטרודות הודות לזיקה החזקה שלו למספר מתכות המשמשים באלקטרו-קטליזה, דרך טכניקה הידועה כ-CO stripping.
רפואה: מחקרים הכורכים פחמן חד-חמצני בוצעו במעבדות רבות ברחבי העולם בגין תכונותיו נוגדות הדלקת ויכולותיו להגן על תאים.
מיקרוביולוגיה: מיקרוביוטה יכולה גם כן לנצל את הפחמן החד-חמצני כגסטרו-טרנסמיטור. החיישנות של ידי חלבונים כגון המיקרוביום האנושי מייצר, עושה שימוש ומגיב לפחמן חד-חמצני. לדוגמה, בחיידקים מסוימים CO מיוצר דרך החיזור שלו על ידי האנזים carbon monoxide dehydrogenase על מנת לסייע בתפקוד התאי. בדוגמה נוספת, פחמן חד-חמצני מהווה תוצר מזין לקשר מתנוגני המחזר אותו ל-methane תוך שימוש במימן. לפחמן חד-חמצני יש תכונות אנטי-מיקרוביאליות שנלמדו על מנת לטפל במחלות זיהומיות.
כלי מלחמה: חניבעל הוציא להורג אסירים רומיים על ידי חשיפתם לאדים של פחם במלחמה הפונית השנייה. פחמן חד-חמצני שימש להשמדת-עם בתקופת השואה במספר מחנות ריכוז בעיקר בחלמנו במסגרת ה-Action T4 euthanasia.
היסטוריה
Joseph Priestley נחשב כמי שסנתז לראשונה CO בשנת 1772. בדומה, Carl Wilhelm Scheele בודד CO מפחם בשנת 1773 וסבר שחומר זה גורם לאדים טוקסיים. Torbern Bergman בודד CO מחומצה אוקסלית בשנת 1775. מאוחר יותר, בשנת 1776, הכימאי הצרפתי de Lassone ייצר CO מחימום של אבץ אוקסיד עם קוקאין, אך סבר בטעות שתוצר הגז הוא מימן, כיוון שהוא נשרף בלהבה כחולה. בנוכחות חמצן, גם בריכוזים אטמוספיריים, CO נשרף בלהבה כחולה תוך יצירת דו-תחמוצת הפחמן. הגז CO זוהה כתרכובת המכילה פחמן וחמצן על ידי William Cruickshank בשנת 1800. המנגנון של הטוקסיות של CO מיוחס לפיזיולוג הצרפתי Claude Bernard שזכרונותיו פורסמו בשנת 1857 ובהן הוא מציין ש-"CO מונע מדם עורקי להפוך לדם ורידי". Felix Hoppe-Seyller פרסם שנה מאוחר יותר מסקנות דומות.
אפידמיולוגיה
חשיפה לא מכוונת לפחמן חד-חמצני אחראית למעלה 100,000 אשפוזים ביחידות טיפול נמרץ, 14,000 אשפוזים, ו-400 פטירות מדי שנה בארצות הברית. ברחבי העולם גורם CO ל-28,000 פטירות מדי שנה. בערך 10% מאלה המגיעים ליחידות טיפול נמרץ חווים התאוששות חלקית, ו-23-47% מתוכם סובלים מתוצאים נוירולוגיים. גלובלית, גברים חווים שיעורי אשפוז גבוהים יותר מאשר נשים, וגם אחוזי הפטירה בקרב גברים גבוהים יותר. ילדים בגיל 0–9 שנה חווים את השיעורים של הרעלת CO, בשעה שבני 80 שנה ומעלה הם הזקוקים ביותר לאשפוז. בערך 30-40% מקורבנות הרעלת CO מתים טרם הגיעם לבתי חולים. הרעלה על ידי CO שכיחה יותר בחודשי החורף, בגלל הסקה ביתית ואמצעי הסקה בלתי תקינים. ניסיונות התאבדות בסיוע של CO, שכיחים אף הם. אנליזה אוקסימטרית של הגז בדם חיונית לקביעה של ריוויון של COHb. רמות COHb הגבוהות מ-3-4% באלה שאינם מעשנים, וגבוהות מ-10% באלה המעשנים, נחשבות אנומליות באנשים נורמליים. רמות COHb הגבוהות מ-20% במבוגרים וגבוהות מ-15% בילדים, מעידות על הרעלה משמעותית.
פתו-פיזיולוגיה: פחמן חד-חמצני נקשר להמוגלובין ליצירת v בזיקה הגבוהה פי-200–250 מזו של קישור חמצן על ידי המוגלובין. יצירת COHb מפחיתה את יכולת נשיאת החמצן על ידי המוגלובין וגורמת להיפוקסיה תאית, ולהפחתת נשיאת חמצן לרקמות. בה בשעה שריכוז המוגלובין ומדידת PO2 בדם עשויה להיראות נורמלית במבחני מעבדה, תכולת החמצן בדם מופחתת משמעותית. פחמן חד-חמצני יכול להיקשר לשייר ה-heme של cytochrome c oxidase בטרנספורט של אלקטרונים, תוך עיכוב הנשימה המיטוכונדריאלית. הבנייה של מיני חמצן פעיל תורמת לנזק תאי או למוות (Wang ו-Zhang ב-Chem Biol Interact משנת 2024). פחמן חד-חמצני נכנס לגוף דרך הריאות ועלול לפגוע בפרנכימה של הריאות דרך אינטראקציות ביוכימיות מקומיות. גז זה חולף דרך ה-alveoli ונקשר להמוגלובין בזרם הדם, תוך יצירת COHb ומתפשט ברחבי הגוף. פחמן דו-חמצני גורם לדליפה קפילרית של מאקרו-מולקולות מהריאות וממערכת הדם הסיסטמית, וכאשר רמות COHb גדלות, כלי דם מוחיים מתרחבים, ושפיעת הדם הכלילית וסמיכות הדם הקפילרי גדלה. חשיפה מתמשכת עלול לגרום לדיכוי המערכת הריאתית המרכזית כתוצאה מהיפוקסיה מוחית. כן עלולות להתפתח הפרעות קצב חדריות לבביות ולגרום למוות במקרים של טוקסיות של CO. פגיעה בשריר הלב נצפתה כאשר ריכוזי COHb היו נמוכים עד כדי 20% (Gozubuyuk וחב' ב-North Clin Istanb משנת 2017). בחלל החדר בלחץ אטמוספירי נמוך מ-1 (השווה לריכוז חמצן של 21%), תקופת מחצית החיים של פחמן חד-חמצני היא 320 דקות. בלחץ אטמוספירי של 1 עם 100% חמצן, תקופת מחצית החיים פוחתת למטה מ-90 דקות. בחמצן היפרברי בלחץ של 3 אטמוספירות, תקופת מחצית החיים יורדת לבערך 23 דקות. תרפיה היפרברית עם חמצן מפחיתה את הטוקסיות הפוטנציאלית על ידי החשה של פינוי פחמן חד-חמצני מהגוף.
מדידת ריכוז של CO
מדידת CO כרוכה בגילוי נוכחותו וחישוב ריכוזו באוויר, בעיקר על ידי שימוש בחיישנים ספציפיים המסתמכים על עקרונות ספיגת אינפרה-אדום אלקטרוכימיים, ועל ידי סמי-קונדוקטור של אוקסיד מתכתי.
הבנת הסיכון של CO: CO מהווה איום מתגנב כיוון שהוא בלתי נראה, חסר צבע, וחסר טעם. "רוצח שקט" זה, הוא תוצר ביניים של שריפה בלתי מושלמת של דלק כמו גז טבעי, פרופן, וגזולין. כאשר הוא נשאף, CO פוגע ביכולת הגוף לשאת חמצן, מה שגורם לתסמינים החל מכאבי ראש, תחושת טשטוש, איבוד הכרה ומוות.
שיטות לזיהוי CO: א) Metal Oxide Semiconductor (MOS) Sensors. ב) Electrochemical Sensors: אלה הדטקטורים השכיחים ביותר של CO, והם פועלים על ידי מדידת זרם הנוצר כאשר CO עובר ריאקציה כימית על פני אלקטרודה. זרם זה פרופורציונלי באופן ישיר עם ריכוז CO. היתרון של חיישנים אלה שהם לא יקרים, גודלם קטן, אורך חייהם ארוך, ורגישותם גבוהה. החיסרון של חיישנים אלה בכך שהם מושפעים מגזים אחרים, ודורשים מדי פעם קליברציה. חיישני MOS מגלים שינויים במוליכות החשמלית של חומר של אוקסיד מתכתי (בעיקר של אוקסיד בדיל), בהיחשפו ל-CO. האחרון מגיב עם חמצן הספוח על פני האוקסיד המתכתי, ומפחית את התנגדותו. יתרונות שיטה זו במחירה הנמוך ובפשטות השימוש בה. חסרונות השיטה בהיותה פחות רגישה מאשר החיישנים האלקטרוכימיים, ונתונת לאזהרה שגויה בגין לחות וגזים אחרים.
Infrared (IR) Absorption Sensors: חיישנים אלה מודדים את הספיחה של אור אינפרה-אדום על ידי מולקולות CO. הספיחה נעשית באורכי גל שונים, וכמות הספיחה פרופורציונלית לריכוז CO. ישנם שני סוגים עיקריים של חיישני אינפרה-אדום: nondispersive infrared (NDIR) ו-photoacoustic infrared (PAIR). יתרון שיטה זו בהיותה מאוד מדויקת וסלקטיבית, ואינה מושפעת מגזים אחרים, ויציבה לזמן ארוך. חסרונות השיטה בהיותה יקרה יותר מאשר החיישנים האלקטרוכימיים, וחיישני MOS, ודורשת עוצמה חשמלית גדולה יותר.
Colorimetric tubes: אלה שיטות חד-פעמיות פשוטות המכילות ריאגנט כימי המשנה את צבעו בהיחשפו ל-CO. משך השינוי בצבע פרופורציונלי לריכוז CO ולזמן החשיפה ל-CO.
ראו גם
המידע שבדף זה נכתב על ידי פרופ' בן-עמי סלע, המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-שומר;
החוג לגנטיקה מולקולארית וביוכימיה, פקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב (יוצר הערך)