Открыт инновационный способ получения кислорода из углекислого газа в струе на золотой фольге | ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Основа исследования

Человеку для жизни нужно всего три вещи: еда, вода и воздух, в котором будет достаточно кислорода. Это наши с вами первичные нужды (да, интернета нет в этом списке). Но кислород просто так на дороге не валяется, особенно за пределами нашей любимой планеты.

Следовательно, если мы хотим отправиться куда-то, нам необходимо брать его с собой и использовать различные устройства для очистки воздуха и повторного его использования. Вся эта радость занимает уйму места, и рано или поздно кислород исчерпается. А пополнить запасы в космосе или на Марсе будет, мягко говоря, проблематично.

https://www.youtube.com/watch?v=8qadAH9g2rE

Однако относительно недавно ученые обнаружили достаточно большое количество кислорода в комете 67P/CG6, что побудило их задать вполне очевидный вопрос — откуда он там взялся? Кислород в таких телах как кометы является результатом возникающей в экстремальных условиях абиотической реакции, в процессе которой из H2O, CO2, CO и т.д.

выделяется O2 (кислород). Ученые утверждают, что такими реакциями можно объяснить наличие кислорода в кометах, верхних слоях атмосферы Марса и в ранней атмосфере Земли. Человек же может применить такую химическую реакцию для выработки О2 из СО2, что позволит сделать Марс пригодным для жизни.

Если очень утрировано и кратко, то упомянутая выше реакция это разложение СО2 на компоненты: C O2. Другими словами, диссоциация.

Диссоциация CO2 может проходить по нескольким сценариям в зависимости от доступной для реакции энергии. Меньше всего энергии требует частичная диссоциация CO2 → CO O (5,43 или 7,56 эВ). Также есть полная диссоциация CO2 → C O O, требующая 16,46 эВ.

И, самая любопытная, экзотическая диссоциация, когда CO2 распадается на C и O2. Расчеты показывают, что подобная реакция протекает на поверхности потенциальной энергии основного состояния, сначала образуя циклическое промежуточное CO2 соединение [c-CO2(1A1)], которое затем перестраивается в коллинеарное промежуточное соединение COO (1Σ ) на пути к диссоциации в С О2.

Такая реакция возможна, если «согнуть» молекулу таким образом, чтобы два атома О стали максимально близки друг к другу. На это требуется 6 эВ внутренней энергии. И, согласитесь, сколько бы силачи ни гнули металлические прутья, согнуть молекулу будет куда сложнее.

Согнуть молекулу могут помочь переходы в электронно-возбужденные и анионные состояния СО2. Ученые напоминают, что недавние опыты их коллег показали, что применение VUV (вакуумный ультрафиолет) фотовозбуждения и присоединения электронов позволяет достичь диссоциации CO2 на C(3P)

O2(X3Σg-). Однако никто ранее не изучал этот экзотический процесс на достаточно детальном уровне. А все потому, что в результате таких опытов не было обнаружено ионизированных продуктов O2. Но, как мы знаем, не найти что-то еще не значит, что его нет вовсе.

Посему в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые применили методы рассеяния ионного пучка наряду с математическим моделированием, чтобы продемонстрировать новый способ активации прямого восстановления CO2 до O2 с обнаружением ионизированных продуктов O2.

Данный процесс содержит ранее неизвестный внутримолекулярный путь реакции, который протекает при активных столкновениях ионов и поверхности CO2. Самое удивительное это отсутствие зависимости данной реакции от природы и температуры поверхности.

Что первично для организма: o2 или co2?

Помните известный парадокс: что было раньше – курица или яйцо? Он не разрешим, если не привлекать во внимание процесс эволюции и образование новых видов. Но если привлечь, то у яйца оказывается некоторый приоритет, он древнее. Так, еще динозавры откладывали яйца, а птицы произошли от одной из ветвей динозавров. Получается, что яйцо древнее птицы и в этом, эволюционном, смысле первично…

В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме.

Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму.

Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты.

Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).

Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).

В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.

Что делать? Движение, гимнастика, спорт на воздухе или в хорошо проветриваемом помещении — все это увеличивает содержание CO2. Капилляры расширяются и даже образуются новые сети капилляров, кровоток усиливается, кислород лучше отделяется от гемоглобина и поступает в клетки…

Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.

Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.

В рот пострадавшего через марлю или носовой платок спасатель должен выдыхать воздух с частотой 12–15 раз в минуту. Казалось бы, это бессмысленно. Ведь в начале статьи мы много раз повторяли, каков должен быть состав вдыхаемого воздуха (21% кислорода и 0,4% углекислого газа).

А тут выходит, что пострадавший вынужден принудительно получать воздух «на выдохе» (16% O2 и 4% CO2). Тем не менее, оказывается, что и в выдыхаемом воздухе еще есть остатки кислорода в концентрации, превышающей минимально допустимую (16% > 13–14%).

В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель — сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца.

Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.

Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.

Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека.

Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.

В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть!

И действительно, в этом что-то есть. Площадь кожи человека, покрытая 5 миллионами волосков, составляет 1,5–2 м2. А суммарная площадь 600 миллионов альвеол в легких — около 100 м2. Грубо получается, что на уровне 1–2% кожа может выполнять дыхательную функцию.

Взгляд снаружи

Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе ( p_{text{O}_2}), при котором возможна жизнедеятельность человека в течение длительного времени, ограничен значениями

90–100 мм рт. ст. < ( p_{text{O}_2}) < 400–450 мм рт. ст.

Нижняя граница соответствует началу кислородного голодания, верхняя — началу кислородного отравления. В процентном отношении наступление кислородного голодания у здорового человека наступает уже при содержании O2 в воздухе ( p_{text{O}_2}) / pатм менее 14% (при pатм = 760 мм рт. ст.).

Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).

Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня 100 мм рт. ст. замедляются обменные процессы в организме, дыхание и сердцебиение учащаются, ухудшаются зрение и работа мозга…

Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.

В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается.

Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, составляет 1,9 м3. В этом объеме содержится 1,9 × 0,21 м3 = 0,4 м3 = 400 л кислорода. Признаки кислородной недостаточности развиваются, когда полезный объем кислорода уменьшится до 1,9 × 0,14 м3 = 0,27 м3 = 270 л.

Комната. Свободный объем около 30 м3. Начальный объем кислорода 6,3 м3. Минимально допустимый объем кислорода 4,2 м3. Потребление кислорода 0,5 л/мин. Время ( Δt_{text{O}_2}) = 2100 / 0,5 мин = 4200 мин, т.е. почти трое суток (!).

Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Начальный объем кислорода 50 м3. Минимально допустимый объем кислорода 34 м3. Потребление кислорода около 25 л/мин . Время ( Δt_{text{O}_2}) = 16000/25 мин = 640 мин, т.е. около 10 часов.

Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота.

По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.

Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет

( 0 < C_{text{CO}_2} = frac{p_{text{CO}_2}}{p_{атм}} < text{0,1%}. )

Отметим, что обычное содержание углекислого газа в воздухе ( C_{text{CO}_2} ) = 0,04%.

Величину принятого ограничения сверху на содержание углекислого газа (( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 0,1%) обсудим чуть позже, а сначала проведем оценки для замкнутых объемов лифта, комнаты, вагона метро и школьного класса применительно ко времени накопления концентрации углекислого газа до верхней границы. Примем, что взрослый человек обычно выдыхает углекислого газа в атмосферу ( q_{text{CO}_2}) = 0,25 л/мин.

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет

( Δt_{text{CO}_2} = frac{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2}):·:V}{q_{text{CO}_2}} = frac{(1:·:10^{-3}:-:4:·:10^{-4}):·:text{1,9}:·:10^3 }{text{0,25}}:text{мин} = 5:text{мин}. )

Комната. Свободный объем около 30 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 30 · 103 / (2 · 0,25) мин = 36 мин.

Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 240 · 103 / (100 · 0,3) мин ≈ 6 мин.

Школьный класс. Приведем также оценки для школьного класса объемом около 200 м3, в котором находится 25 учеников. При уровне выдоха CO2 одним школьником 0,12 л/м (половина от взрослого) получим ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 200 · 103 / (25 · 0,12) мин ≈ 40 мин.

Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.

Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?

В литературе отмечается два типа воздействия: кратковременное (часы) и длительное (регулярно, более нескольких часов в день). Симптомы при кратковременном воздействии при уровне вдыхаемого углекислого газа выше 0,1% — это усталость, головная боль, ухудшение концентрации внимания, плохой сон…

При длительном воздействии при уровне CO2 выше 0,1% появляются проблемы с дыхательной системой (сухой кашель, риниты…), снижение иммунитета, ухудшение работы сердечно-сосудистой системы… При уровне выше 0,2% еще больше ухудшается концентрация внимания, растет количество совершаемых ошибок и т.д. по нарастающей.

Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.

Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.

Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.

Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.

В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.

Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2

Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.

Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:

( q_{text{вент}} = frac{q_{text{CO}_2}}{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2})}. )

Так, если ( q_{text{CO}_2} ) = 0,25 литра в минуту (в этом случае человек выдыхает 15 литров CO2 в час), то при ( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 1 · 10−3 и ( C_{text{CO}_{2}} ) = 4 · 10−4 получим требуемую мощность вентиляции в 420 литров воздуха в минуту или 25 м3 в час.

Если же выдыхается 20 литров CO2 в час, то мощность вентиляции увеличивается до 33 м3 воздуха в час. А если принять для максимально допустимого значения концентрации CO2 в воздухе несколько меньшее значение 0,8 · 10−3, то мощность вырастет уже до 38 м3 воздуха в час (при 15 л CO2 в час) и 50 м3 воздуха в час (при 20 л CO2 в час).

Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час.

Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2022 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру.

Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться.

В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода.

Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.

Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.

Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны.

Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа).

Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Классификация углеводов

Углеводами называют соединения, в составе которых находятся углерод, водород и кислород. Чаще всего они имеют природное происхождение, хотя некоторые создаются промышленным путем. Их роль в жизнедеятельности живых организмов огромна.

Основными их функциями называют следующие:

1. Энергетическая. Эти соединения – главный источник энергии. Большая часть органов может полноценно работать за счет энергии, полученной при окислении глюкозы.
2. Структурная. Углеводы необходимы для формирования почти всех клеток организма. Клетчатка играет роль опорного материала, а в костях и хрящевой ткани находятся углеводы сложного типа. Одним из компонентов клеточных мембран является гиалуроновая кислота. Также углеводистые соединения требуются в процессе выработки ферментов.
3. Защитная. При функционировании организма осуществляется работа желез, выделяющих секреторные жидкости, нужные для защиты внутренних органов от патогенного воздействия. Значительная часть этих жидкостей представлена углеводами.
4. Регуляторная. Эта функция проявляется во влиянии на человеческий организм глюкозы (поддерживает гомеостаз, контролирует осмотическое давление) и клетчатки (воздействует на желудочно-кишечную перистальтику).
5. Особые функции. Они свойственны отдельным видам углеводов. К таким особым функциям относятся: участие в процессе передачи нервных импульсов, формирование разных групп крови и пр.

Исходя из того, что функции углеводов достаточно разнообразны, можно предположить, что эти соединения должны различаться по своему строению и особенностям.

Это действительно так, и основная классификация их включает в себя такие разновидности, как:

1. Моносахариды. Они считаются наиболее простыми. Остальные типы углеводов вступают в процесс гидролиза и распадаются на более мелкие составляющие. У моносахаридов такой способности нет, они являются конечным продуктом.
2. Дисахариды. В некоторых классификациях их относят к олигосахаридам. В их составе находится две молекулы моносахарида. Именно на них делится дисахарид при гидролизе.
3. Олигосахариды. В составе этого соединения находится от 2 до 10 молекул моносахаридов.
4. Полисахариды. Эти соединения являются самой крупной разновидностью. В их состав входит больше 10 молекул моносахаридов.

У каждого вида углеводов есть свои особенности. Нужно рассмотреть их, чтобы понять, как каждый из них влияет на человеческий организм и в чем его польза.

Полисахариды

Полисахариды являются наиболее распространенной группой углеводов. Среди них выделяют гомополисахариды, повторяющейся единицей которых является какойлибо моносахарид, и гетерополисахариды, основой для повторения в которых служит дисахарид. Важнейшими гомополисахаридами для человека являются крахмал, гликоген и целлюлоза.

Крахмал поступает в организм человека с пищей растительного происхождения. Он подвергается расщеплению ферментами желудочнокишечного тракта и служит важнейшим источником глюкозы.

Гликоген является аналогом крахмала в животных тканях. Человек получает гликоген с пищей животного происхождения. Кроме того, часть гликогена синтезируется вновь и, откладываясь в печени и мышцах, служит резервным источником глюкозы.

Целлюлоза не синтезируется и не расщепляется в человеческом организме. Ее источником служит растительная пища. В кишечнике целлюлоза усиливает моторику кишечника, адсорбирует некоторые токсичные вещества и участвует в формировании каловых масс.

Гетерополисахариды входят в состав протеогликанов и составляют основу межуточного вещества соединительной ткани человека.

Полисахаридные группы протеогликанов содержат глюкозамин или галактозамин, поэтому эту группу веществ называют также гликозаминогликанье Гликозаминогликаны в водных растворах сильно гидратированы и образуют гели, что отражается в их прежнем названии мукополисахариды.

Различают несколько основных классов гликозаминогликанов гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, дерматансульфат, кера тансульфаты и гепарин. Большинство гликозаминогликанов синтезируется фибробластами соединительной ткани, лишь гепарин синтезируется тучными клетками.

Гиалуроиовая кислота линейный полимер, состоящий из глюкуроновой кислоты и ацетилглюкозамина. Входит в состав клеточных стенок, синовиальной жидкости, стекловидного тела, обволакивает внутренние органы, является желеобразной бактерицидной смазкой.

Хондроитинсулъфаты разветвленные полимеры, состоящие из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Они служат основными структурными компонентами хрящевой ткани, сухожилий, роговицы глаза; содержатся также в костях и коже.

Гепарин является одним из основных физиологических антикоагулянтов в организме человека.

Функции углеводов в организме
• Энергетическая — до 67% суточного энергопотребления в организме обеспечивается за счет окисления углеводов, причем 2/3 этого количества расходуются на энергообеспечение головного мозга
• Структурная углеводы являются обязательным компонентом мембран клеток и клеточных органелл
• Пластическая промежуточные продукты распада углеводов используются для синтеза полисахаридов, аминокислот и липидов. Пентозы (рибоза, дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот
• Опорная гликозаминогликаны участвуют в построении межклеточного вещества соединительной ткани, в том числе опорнодвигательного аппарата (хрящей, костей и тому подобных)
• Резервная гликоген является источником энергетического и пластического материала
• Поддержание жидкого состояния крови гетерополисахарид гепарин является физиологическим антикоагулянтом
• Обезвреживающая образование глюкуронидов в печени необходимо для обезвреживания токсичных веществ, например превращения непрямого билирубина в прямой или образования индикана из индола

Суточная потребность в углеводах для взрослого человека составляет 400-500 г.

Реакции на карбонильную группу — ch=o

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

• Реакция «серебряного зеркала»

• Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании. При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди (II) выпадает красно-кирпичный осадок оксида меди (I):

• Окисление бромной водой. При окислении глюкозы бромной водой образуется глюконовая кислота:

• Также глюкозу можно окислить хлором, бертолетовой солью, азотной кислотой.

• Каталитическое гидрирование. При взаимодействии глюкозы с водородом происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила, образуется шестиатомный спирт – сорбит:

• Брожение глюкозы. Брожение — это биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:

C6H12O6 → 2C2H5OH 2CO2

          Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:

          Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):

• Образование эфиров глюкозы (характерно для циклической формы глюкозы).

Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.

Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.

Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.

При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):

В более жестких условиях  (например, с CH3-I)  возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.

Результаты исследования

Первым делом ученые демонстрируют образование О2 в гипертермических столкновениях CO2 /Au путем построения графиков распределения кинетической энергии трех рассеянный молекулярных ионных продуктов (CO2 , O2  и O2−) для различных энергий падающего CO2  (E0).

Изображение №1

Пик энергии выходящего CO2  пропорционален E0, то есть имеет место баллистический или импульсный отскок от поверхности, что исключает физическое распыление. Ученые считают, что наблюдение за «динамическим» сигналом CO2  крайне важно, ибо является доказательством того, что некоторое количество CO2 выживает при поверхностном столкновении.

Кроме этого можно определить последовательность столкновения составляющих атомов. Кроме CO2  также наблюдались сигналы рассеянных ионов O2 (1b, 1c / график в центре и справа). При этом энергии выходящих O2  и O2−представляют большую долю энергии падающих частиц (57%) и равномерно возрастают параллельно E0 в более широком диапазоне, чем рассеянный CO2 . Максимальный сигнал ионов O2 наблюдался при E0 ~ 100 эВ.

Исследователи называют обнаружение ионных продуктов О2 удивительным, так как ни распыление поверхностных O2, ни реакции абстракции атома O не могут объяснить образование этих ионов. А все потому, что оба эти механизма производили бы O2 при гораздо более низких энергиях на выходе, чем наблюдалось. Логично предположить, что здесь замешана та самая диссоциация CO2.

И частичная, и полная диссоциация СО2 хорошо согласуется с другими обнаруженными ионными продуктами (СО , СО−, О , О− и С ). А энергия выходящего CO , CO− и O− изменяется параллельно с энергией падающих частиц, что согласуется с динамическим образованием при поверхностном столкновении.

Но пики O  и C  показывают крайне малую зависимость от E0, что указывает на различное происхождение, то есть на распыление. Подтверждением полной диссоциации являются рассеянные продукты C , проявляющиеся при E0> 80 эВ.

Далее ученые применили кинематику для описания механизма рассеяния.

Бинарная теория соударений (БТС) позволяет рассчитать кинематический фактор, определяемый как доля энергии падающих частиц, удерживаемая рассеянным продуктом, выходящим из поверхности. В случае простейшей модели CO2  рассеивается как целая молекула, т.е. как твердая сфера с атомной массой 44 Да.

Изображение №2

Следом ученые применили модель, в которой атом О сначала сталкивается с поверхностным атомом Au, а затем происходит второе столкновение фрагмента CO без быстрой диссоциации молекулы CO2. Применение БТС к данной модели последовательных столкновений дает кинематический коэффициент 0,7870, который отлично согласуется с данными по энергии выходящего CO2  (черная линия на 2a). На графике 2а также показаны энергии других выходящих рассеянных ионных продуктов.

Основным потенциальным источником таких продуктов можно назвать частичную или полную диссоциацию CO2 и поверхностное распыление адсорбированных фрагментов CO2. Несмотря на то, что некоторое распыление действительно наблюдается при высоких значениях E0 (> 140 эВ), кинематический анализ данных по энергии выходящих частиц дает убедительные доказательства наличия именно импульсной диссоциации молекулы CO2.

Далее ученые провели анализ скорости наблюдаемых рассеянных частиц.

На изображении 2b показано сравнение пиков распределения ионов при E0 = 56,4 эВ. Как мы видим, скорости выхода рассеянного CO , O2 , O2− и более медленной части распределения O− перекрывают друг друга, что указывает на общее происхождение.

Однако распределение O− заметно шире, распространяясь на более высокие скорости на выходе, что может говорить об альтернативном происхождении. Ионные продукты O2 выходят со скоростями ниже, чем CO2  ввиду неупругости, возникающей из-за разрыва химических связей и нерезонансной поверхностной ионизации.

Вышеописанный кинематический анализ, как говорят ученые, дал исчерпывающие доказательства того, что некоторые молекулы CO2 рассеиваются неповрежденными после двухступенчатого последовательного столкновения фрагментов O и CO. Однако все равно остаются вопросы, касающиеся различных аспектов механизма образования O2.

После проведения экспериментов остается ряд вопросов. Во-первых, осталось неясно, образуется ли O2 с помощью электронного адиабатического или неадиабатического механизма. Во-вторых, неизвестны пути столкновений, которые лежат в основе распределения скоростей на выходе ионных фрагментов. В-третьих, неизвестно, сколько образуется нейтрального O2.

Прояснить ситуацию в таком случае может моделирование, а именно метод классической молекулярной динамики (метод МД).

В моделировании траектории рассеяния CO2 на Au(111) была применена геометрия рассеяния, наблюдаемая в эксперименте. При этом предполагается, что CO2 выделяется на поверхности потенциальной энергии синглетного электрона в случае нейтрализации поступающих ионов CO2 перед жестким столкновением.

Быстрая нейтрализация происходит посредством резонансного туннелирования электронов от поверхности металла к молекулярному катиону, поскольку молекулярный уровень CO2 (-13,8 эВ) находится в пределах занятой зоны Au (от -5,3 до -15,3 эВ). В моделировании также учитывались и переносы электронов с/на поверхность, чтобы учесть ионизацию нейтральных продуктов соударений.

На изображении 2с показаны рассчитанные значения энергии выходящих частиц.

Было обнаружено, что незначительное число СО2 сохраняет целостность при E0 > 80 эВ, что согласуется с отсутствием сигнала при этих энергиях во время практических опытов. Данные, полученные посредством моделирования, отлично согласуются с экспериментальными, что легко увидеть сравнив графики 2а (эксперимент) и 2с (моделирование).

Помимо этого согласования экспериментов и моделирования проявляется и в сравнении скорости выходных ионов при E0 = 56,4 эВ (2d). И модель, и эксперимент показывают расширение распределения скоростей CO  и O–.

Также было подтверждено, что распределения O2  и O2–аналогичны катиону, выходящему медленнее, чем анион. Кроме того в обоих случаях было установлено, что CO2  выходит с большей скоростью, чем ионизированные продукты O2.

Следовательно, использование данной методики моделирования может дать достаточно точные данные касательно механизма реакции прямого преобразования CO2 в O2.

Во время основного этапа моделирования было воссоздано по 20000 траекторий столкновения CO2-на-Au при разных значениях энергии выходящих частиц. В результате было получено несколько вариантов продуктов диссоциации, в том числе и O2 (3а).

Изображение №3

На изображении 3b показана репрезентативная траектория, результатом которой является образование O2. В результате импульсной передачи энергии во время столкновения внутри отскакивающего СО2 происходит существенная внутримолекулярная перегруппировка.

Расстояние O – O уменьшается, а расстояние C – O увеличивается, достигая пика, когда CO2 приобретает треугольную конфигурацию с почти равными длинами связей. Такой сильно изогнутый промежуточный CO2 продукт обладает значительным количеством внутренней энергии и быстро диссоциирует, в результате чего образуется свободный атом C и колебательно горячая молекула O2.

Процесс разделения CO₂ на свободный атом C и колебательно горячую молекулу O₂.

Стоит отметить, что описанный выше механизм разделения полностью согласуется с выводами кинематической модели, использованной ранее.

Расчеты показали, что примерно 5% от всех траекторий приводят к сильно изогнутому промежуточному состоянию СО2, что является одной из стадий выделения О2. Данное состояние фрагментируется в основном посредством частичной диссоциации (51%), после чего снова следует полная диссоциация, но уже с более высоким результатом (33%).

Изображение №4

Ученые отмечают, что из всех изогнутых молекул СО2 лишь 13 процентов производят кислород. То есть общий результат диссоциации CO2 → C O2 составляет 0,6% при E0 = 56,4 эВ. Если же увеличить энергию падающих частиц, то можно получить О2 до 0,8 ± 0,2% при E0 ~ 70 ± 15 эВ (синяя линия на изображении №4).

Кроме того, доля O2-образующих траекторий существенно возрастает, когда достигается сильно изогнутое промежуточное состояние CO2 (зеленая линия), достигая максимума в 13% при E0 ~ 55 ± 10 эВ. Меньший суммарный выход нейтрального O2 обусловлен тем, что лишь небольшая доля линейных молекул CO2 достигает сильно изогнутого состояния (красная линия).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Углекислый газ, химические свойства, получение