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每人每天需要多少氧气?——化学家的思维模式 精选

已有 10170 次阅读 2017-5-8 08:19 |个人分类:科学与生活|系统分类:教学心得|关键词:氧气,,化学家,化学方程式,,思维模式,,营养物| 化学家, 氧气, 思维模式, 化学方程式, 营养物

每人每天需要多少氧气?——化学家的思维模式

每人每天需要多少氧气?这肯定只是一个估计值。如何估计?现在一般人都会先在网上查一下,当然,可以看到许许多多个结果,但大致都是相互抄袭的,大多数也不大通顺或不大准确(一般网上查得的大都如此)。为方便计,我也先抄几段:

(1)根据科学测试,人的每次呼吸空气量约500毫升,按每分钟呼吸16次计算,每人每天需吸入的空气量12立方米。每小时呼出二氧化碳约22.6升。正常情况下氧气占空气21%。当空气中氧含量降至12%时,人体可发生呼吸困难;降至10%,可发生智力活动减退;降至7%—8%以下可危及生命。大约每小时每人需要0.5立方米的空气。成年人每天约需要500升氧气。每小时平均21升氧气。

(2)正常状况下,人体呼吸气中各成分的容积百分比(%)

成分

吸入气

呼出气

o2

20.96

16.4

co2

0.04

4.1

因此在静息状态下,按照分钟通气量4l计算,人体每分钟需要的氧气量为:4lx(20.96%-16.4%)=182.4ml,所以,每小时就需要182.4ml×60=10944ml.

(3)一个人一天要消耗大约550升的纯氧(0.5立方米)
普通成人休息时每分钟会呼吸7或8升(大约0.007或0.008立方米)的空气.一天呼吸的空气总量大约为1.1万升(11立方米).-
吸入的空气中大约有20%是氧气,呼出的空气中含有15%的氧气,因此每次呼吸会消耗吸入空气中5%的氧气,这些氧气将转换为二氧化碳.因此,一个人一天要消耗大约550升的纯氧(0.5立方米).
显而易见,锻炼的人要消耗的氧气比这更多.您可以在每次呼吸时向一只已知容量的塑料袋中呼气,然后看需要多久才能充满塑料袋,以确定您的肺通过了多少空气.

上面抄录的三段虽然结果有差异,但方法都是一样的,都是测量每次呼吸的气量,量度呼出空气中的氧气量,据此推测出每次呼吸消耗的氧气,最后计算出一天中的氧气消耗量。这是一种直接测量的方法。题目问所需要的氧气,就直接测量气体的数量

这种方法说起来容易,实际做起来并不那么方便。需要专门的设备,人在休息时、做各种工作时的呼吸强度、呼出气体的多少和成分都会有很大差别的。需要做许多次不同条件下的测量,然后作统计平均。实际生成的误差也会很大。

当朋友与我聊天时说起这个问题时,作为一个化学工作者的职业习惯,我想到的方法就与上面所说的方法完全不同。

我的想法是,我们为什么要吸进氧气?那是因为我们器官的生存和运动需要能量,血液把氧气带到各个器官和组织,在那里把从食品中得到的营养物如葡萄糖氧化,在氧化的过程中放出能量,就像锅炉烧煤放出能量一样。葡萄糖氧化需要氧气,就像锅炉烧煤需要鼓风。烧煤多,需要的氧气就多,烧煤少,需要的氧气也少。

葡萄糖被氧化,最终生成二氧化碳和水,放出热量。不考虑中间过程,其化学方程式是:

C6H12O6 + 6O2= 6CO2 + 6H2O

在这里,我们身体所需要的氧气的数量是与所吃食品成比例的。吃进去食品多,需要的氧气就多,吃进去食品少,需要的氧气就少。所以,只需要知道我们平均每人每天需要吃多少食品,就可以计算出平均每人每天所需要的氧气量。这样,我们并不需要费劲巴拉去测量那些呼出吸进的气体。当然,这样做也只能是考虑大量人群的统计结果,而且是一种理想的状态。实际情况要复杂得多。例如,对个人的某些天而言,消化吸收的营养未必都氧化,有可能积聚在体内,也有食物没有被消化吸收等等。对于这种理想的模型,人们可以用反应方程式来估算氧化营养物所需要的氧气数量。

例如,对淀粉(即糖类食品),化学方程式为

(C6H10O5n +6nO2 = 6nCO2+ 5nH2O

将分子式中代入各个原子的原子量(C,12;H,1;O,16),可以算出反应物中淀粉与氧气的比例是约162:192 (12*6+1*10+16*5 = 162 ,16*2*6 = 192),这样,食用500克淀粉需要消耗氧气为500×192/162= 593克。

同样的方法可以估算出其他营养物的需氧量。

这就是化学家的思维模式。题目中问消耗氧气的数量,却不去测量气体,只是根据食品的数量去计算,因为食品的数量比较容易得到,而且用不着做一天之中各种时间段的统计平均

当然,像上面这样的问题,如今已经并不真的需要我们去测量或计算。这种重要的基础性的问题,前人早就进行了较为精确的估计。我们在这里可以利用前人的结果,只是做一个类似智力游戏的练习题罢了。

我们还可以利用前人已经确定的知识,作一个简单的估计。我们知道碳的燃烧热,C + O2 =CO2 (这个方程式实际上就是前面葡萄糖或淀粉氧化方程式的简化),放出近393千焦/摩尔的热量(热功当量是4.18,上面的393千焦/摩尔,可以近似的算为100千卡/摩尔)。我们每人每天大约需要2000到3500千卡的能量。算一个较低值2000千卡吧。方程式指出,碳与氧气反应,消耗每摩尔的氧气,可以得到100千卡的热量。为了得到2000千卡的热量,就需要20摩尔的氧气,即20×32 = 640克。这就是每人每天消耗的氧气数量。这是假定生成热量的营养物都是淀粉的结果。大家可以看到,这与我们刚才在前面计算的氧化500克淀粉所需要的氧气量差不多(蛋白质氧化放出的热量与淀粉相似)。这也符合我们这些老年人在计划经济时代所经历过的实际情况。如果需要得到较高的能量,算一个中间值每天2800千卡,那就需要消耗28摩尔的氧气,即32×28=896克。这正好就是如今估算的理论值。当然,这里我们并不是进行科学研究的计算,而是利用前人的研究结果做一个练习题,验算一下上面的计算结果罢了。

也有人会问,这个题目有没有实用意义?这不但有基础的科学意义,也有实用意义。例如,我们的航天员上天,就应当知道他们一天要消耗多少氧气,产生多少二氧化碳,这是非常重要的事情。需要用各种方法反复验证,当然,其中也一定需要用实验来验证。

这种利用化学反应方程式间接计算的办法在大多数情况下是非常有用的。因为直接测量在很多情况下是很困难甚至不可能的。

还是刚才说过的最简单的例子,比如,要知道锅炉燃烧消耗的氧气数量,就用不着直接的测量(燃烧生成的高温气体并不像人呼出的气体那样容易测量)。利用间接测量和计算就是必须的了。




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