最終更新日: 2025 年 8 月 29 日

CO と CO₂: 2 つのガス、2 つのリスク、2 つの生物学的メカニズム

2 つの気体、違いは原子 1 つだけ

ザ一酸化炭素(CO) と二酸化炭素(CO₂) は炭素と酸素の 2 つの単純な化合物ですが、それらの生理学的特性は根本的に異なります。 CO は非常に低濃度では非常に有毒なガスですが、CO₂ は私たちの代謝によって常に生成されるガスであり、一定の範囲内で許容されます。ただし、これら 2 つの分子の唯一の構造上の違いは、CO2 に追加の酸素原子が存在することです。

化学結合の物理学

ザCO原子 (炭素と酸素) が 2 つだけ含まれているため、その幾何学形状は直線 (単一の配向軸) です。原子は直線に並んでいます: C–≡–O (2 つの原子が並んでいます)。

ザCO₂一方、も線形ですが対称で非極性であり、2 つの二重結合: O=C=O (直線上の 3 つの原子) を持ちます。

電気陰性度の差が大きいほど、電子雲はより電気陰性度の高い原子に向かって変形し、極性結合が生成されます。
CO と CO₂ の結合の電気陰性度の差は同じ (0.89) ですが、分子の幾何学的形状がすべての違いを生み出します。 CO は極性 (正味双極子モーメント)、CO₂ は非極性 (対称性により双極子モーメントがゼロ) です。
結合が短いほど結合は強くなります。つまり、結合を解除するにはより多くのエネルギーが必要になります。
CO では、C≡O 結合は非常に短く (~112.8 pm)、三重結合の特徴である高い結合エネルギー (~1076 kJ/mol) を持っています。
CO₂ では、C=O 結合は CO よりも長く (約 116 pm)、弱いですが、比較的安定しています (エネルギー約 805 kJ/mol)。

この構造の違いにより、化学反応性、生体分子との相互作用、ひいては生理学的毒性が変化します。

ヘモグロビンに対する親和性に関係する毒性

CO の毒性は、ヘモグロビンに対する非常に強い親和性 (酸素の約 230 ～ 300 倍) に由来します。ヘモグロビンに結合してカルボキシヘモグロビン (HbCO) を形成すると、CO は O2 の結合を妨げ、組織への放出を阻害し、重度の低酸素症を引き起こします。空気中の 0.1% (1000 ppm) CO では、人は数分以内に意識を失う可能性があります。

一方、CO₂ は同じようにヘモグロビンに結合しません。細胞呼吸中にミトコンドリアで生成され、一部は重炭酸塩 \( \text{HCO₃⁻} \) として輸送され、肺から吐き出されます。このガスは血液の pH の調整にも重要な役割を果たします。

CO₂: 生理学的ガス…制御された量で

二酸化炭素は代謝廃棄物ですが、低濃度では本質的に有毒ではありません。しかし、2〜3%を超えると、炭酸 \( \text{CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻}\) を形成して酸塩基バランスが崩れ、呼吸性アシドーシスを引き起こします。深刻な神経学的影響と重大なリスクが観察されるのは、空気中の CO₂ が 5 ～ 8% を超える場合のみです。

閉め切った寝室で何人でも問題なく寝られるのはなぜでしょうか?

CO₂ は、吸入空気中の 2 ～ 3% から人体に有毒となり、5% を超えると重篤で致命的な影響を与える可能性があります。

安静時の成人は 1 分間に約 200 mL の CO₂ を吐き出します。 8 時間の睡眠で、人は一晩に約 90 ～ 100 L の CO₂ を生成します。

表面積15㎡、天井高2.5m、総容積= 37,500Lの部屋を考えてみましょう。人が吐き出す CO₂ は、\(\frac{100\ \text{L}}{37\,500\ \text{L}} = 0{,}0027 = 0{,}27\%\) を表します。換気なしで一晩かけて室内に 0.27% CO₂ を添加。

屋外の空気には約 0.04% の CO₂ が含まれています。密室で 2 人の場合、この割合は 0.2% ～ 0.5% (つまり 2000 ～ 5000 ppm) 上昇する可能性があります。このレベルは依然として病理学的閾値を下回っています（高炭酸ガス血症の最初の症状は約 2 ～ 3% から始まります）。

複数の人がいる場合でも、部屋が非常に狭く、完全に密閉され、空気漏れがない限り (これはまれですが)、通常の夜の CO₂ は有毒閾値をはるかに下回っています。