XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электронные сигареты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наши дни курение широко распространено не только среди взрослого населения, но и среди подростков. При этом помимо употребления обычных сигарет модным стало курение электронных сигарет, которые якобы не вредны. Поэтому нам стало интересно, настолько ли безвредны электронные сигареты столь распространенные среди подростков и молодежи.
Цель: определение состава электронных сигарет и их воздействие на организм
Задачи:
1. Провести анализ литературных данных по курению и электронным сигаретам;
2. Провести социологический опрос
3. Определить состав электронных сигарет с помощью качественных реакций
Актуальность: Курение - широко распространённая вредная привычка, поэтому важно со школьного возраста показать вред курения, в частности, от употребления электронных сигарет.
Анализ литературных данных
Для начала дадим определение самому термину “Курение” - вдыхание дыма препаратов, преимущественно растительного происхождения, входящих в поток вдыхаемого воздух, с целью насыщения организма содержащимися в них активными веществами путём их возгонки и последующего всасывания в лёгких и дыхательных путях. Как правило, применяется для употребления курительных смесей, обладающих наркотическими свойствами благодаря быстрому поступлению насыщенной психоактивными веществами крови в головной мозг.
1.1 Статистика
Курение - широко распространённая вредная привычка. По статистическим данным количество курильщиков растет в целом на глобальном уровне и в 2019 году оно достигло 1,1 миллиарда человек. При этом курение стало причиной 7,7 миллиона смертей в мире, в том числе — каждой пятой смерти среди мужчин.
Россия входит в топ 10 стран курящего населения.
З а последние 10 лет в нашей стране прошло уменьшение числа курящих людей. Так, в 2010 году от данной вредной привычки страдало 40% населения, а в 2021 - 30%. Курение более распространено среди мужчин. При анализе статистических данных по молодёжи в возрасте от 15-19 лет курящих чуть меньше 40%, а от 20-26 лет - более 60% (рис. 1)
Рисунок 1. Статистика курения в России
1.2 История создания электронных сигарет
Электронные сигареты — электронное устройство, генерирующее высокодисперсный аэрозоль, который вдыхает пользователь. Основные части устройства составляют мундштук, батарея и атомайзер, включающий нагревательный элемент, картридж или резервуар со специальной жидкостью-наполнителем. Жидкость может содержать ароматические добавки и (не всегда, но часто) никотин, в отдельных случаях — тетрагидроканнабинол. Процесс курения электронных сигарет и других подобных устройств называется вейпингом.
Во второй половине XX века возросшее число исследований о вреде табакокурения продемонстрировало производителям необходимость инвестировать в разработку потенциально менее вредной системы доставки никотина. Первые разработки в этой области относятся к началу 1960-х годов, когда British American Tobacco запустил проект Ariel. Хотя конструкция была запатентована, продукт не вышел на рынок. Также изобретение первого прототипа электронной сигареты приписывают Герберту А. Гилберту, который в 1965-м запатентовал устройство, напоминающее современные электронные сигареты. Четырнадцать лет спустя изобретатель Фил Рэй вместе с личным врачом Норманом Якобсоном создал первую коммерческую вариацию электронной сигареты. Именно в этот период глагол «vape» (от англ. vapor — испарение, пар, туман) стали использовать для описания процесса потребления никотина с помощью девайса, но разработка не была коммерчески успешной. В течение 1980—1990-х годов ряд компаний и исследователей предлагали вариации электронных сигарет. Например, в 1985-м компания Philip Morris получила патент на сходный продукт под названием Premier, который также не был выпущен на рынок.
И зобретателем современных вейпов считают китайского фармацевта Хон Линка, который предложил использовать ультразвук для испарения жидкости, содержащей никотин. Вскоре после патентирования наработок компанией Ruyan Technology в 2004 году они стали доступны во всём мире, выйдя на европейский и американский рынки в 2006 и 2007 годах, соответственно. К 2014 году Ruyan Technology зарегистрировала патенты в 40 странах. В течение этого периода конструкция электронных сигарет продолжала развиваться. Большинство табачных компаний использовало нагревательный элемент с батарейным питанием вместо ультразвуковой технологии. Так, британские предприниматели Умер и Тарик Шейх предложили картомайзер, который объединяет нагревательную спираль и жидкостную камеру. В дальнейшем конструкция получила широкое распространение (рис. 2).
На начало 2014 года насчитывалось 466 брендов электронных сигарет и более 7,5 тысяч уникальных вкусов. Более половины населения мира проживало в странах, где доступны электронные сигареты. Но некоторые государства, например Бразилия и Уругвай, ввели полный запрет на подобную продукцию, другие — ввели ограничения к составу жидкости и продвижению ЭС.
Рисунок 2. Первый в мире запатентованный вейп
По состоянию на 2019 год 95 % электронных сигарет производилось в Китае, где существуют минимальные ограничения. Наиболее крупными компаниями на рынке электронных сигарет являлись: British American Tobacco (Vype, Vuse), Imperial Tobacco (Blu, Jai), Japan Tobacco International (Logic), Altria и Philip Morris International (англ. JUUL Labs), Nu Mark (дочерняя компания Altria, производящая MarkTen). Считается, что электронные сигареты, якобы более безопасны чем сигареты. Вейп схож с ингалятором, где в процессе закипании жидкости производится пар, который вдыхает курильщик.
1.3 Устройство вейпа
К основные частям вейпа относят мундштук, батарейку, атомайзер и сам картридж, в который заливается жидкость (рис. 3). Принцип работы заключается в том, что ток от аккумулятора поступает в нагревательный элемент испарителя, где преобразует заправленную жидкость в пар, который пригоден для вдыхания и с виду похож на густой табачный дым.
Рисунок 3. Устройство вейпа
1.4 Состав вейпов
В состав вейпов могут входить разные на вкус и запах жидкости, которые в быту называют “жижа”. Данная жидкость нагревается и испаряется производя при этом пар. Основными составными частями являются многоатомные спирты пропиленгликоль и глицерин, а также дополнительные компоненты: никотин и ароматизаторы. Жидкость в основном состоит из пропиленгликоля и глицерина.
Н икотин - производное гетероциклических соединений (пиридина и пирролидина). Название произошло от латинского Nicotiána, что переводится как “табак”. Никотин относится к алкалоидам - группе азотсодержащих органических соединений преимущественно растительного происхождения, которые часто обладают ярко выраженной физиологической активностью. Никотин содержится в растениях семейства паслёновых. Он вызывает зависимость при регулярном употреблении.
В состав ароматизаторов входят ацетилпропионил, диацетил и ацетоин:
Ацетилпропионил Диацетил Ацетоин
1.5 Влияние курения на здоровье человека
Ряд исследователей сходится во мнении, что электронные сигареты менее вредны, чем обычные. Производители продвигают свой товар именно как якобы безопасную альтернативу курению. Тем не менее вейпинг оказывает ряд неблагоприятных эффектов на здоровье органов и клеток организма.
Обнаруженные в аэрозоле ультрамелкие частицы могут способствовать системному воспалению. Акролеин раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, вызывает слезотечение, а также проявляет мутагенные свойства. Формальдегид оказывает воздействие на центральную нервную систему. Например, вейпинг способствует изменению функции мозга, что может привести к ухудшению памяти и способности к обучению, влиять на настроение, а также может вызвать лекарственную зависимость и у людей, и у животных. Отмечен негативный эффект на иммунитет: при испытаниях на мышах под воздействием аэрозоля электронных сигарет была зафиксирована повышенная восприимчивость грызунов к инфекции гриппа A и пневмококковым бактериям.
Многие рецензируемые исследования показывают, что существует связь между вейпингом и заболеваниями полости рта — от кариеса до рака. Постоянное употребление электронных сигарет также приводит к заболеваниям дёсен и высокому кровяному давлению, что может привести к инсультам.
Батареи электронных сигарет могут перегреться и взорваться, что влечёт риск несчастного случая или пожара. Основные причины — низкое качество батареи, короткое замыкание или использование несовместимых зарядных устройств, неправильное хранение устройства или его модификация.
Никотин является вредным веществом, способным привести к смерти человека при его попадании в кровь в дозе 0,5 – 1 мг на 1 кг веса тела человека. То есть смертельная доза никотина для человека массой 70 кг составляет 35 – 70 мг. В меньших дозировках никотин может вызывать отравление, проявляющееся плохим самочувствием, головной болью, спазмом периферических сосудов, а также тошнотой, сухостью во рту и некоторыми другими симптомами. Однако с таким отравлением организм человека способен справиться, поэтому оно безусловно вредное, но не смертельное. А получить смертельную дозу никотина при употреблении электронных сигарет невозможно, поскольку его концентрация в жидкости слишком низкая. Таким образом, никотин электронной сигареты наносит организму такой же вред, как и никотин из обычной сигареты или сигары, и не способен привести к смертельному отравлению.
Входящие в состав элеткронных сигарет многоатомные спирта в виде пара оседают в легких и вызывают заболевания дыхательной системы.
Жидкость для электронных сигарет, помимо основных компонентов, содержит ароматизаторы, которые и являются основными источниками вредного воздействия на организм. Причиной такого положения вещей является то, что применение ароматизаторов не стандартизировано и не регулируется, в силу чего в растворе для электронной сигареты могут оказаться какие угодно ароматические вещества, в том числе очень вредные и канцерогенные. Хотя для растворов для электронных сигарет и применяются в основном пищевые ароматизаторы, тем не менее, влияние большинства из них на организм человека при вдыхании в составе аэрозоля неизвестно и не изучено.
Довольно часто в состав ароматизаторов входят ацетилпропионил, диацетил и ацетоин, которые весьма токсичны и в больших дозировках способны вызывать бронхиолит, который крайне трудно поддается терапии. Диацетил, ацетилпропионил и ацетоин придают сливочный, сладковатый вкус, поэтому во избежание возможного отрицательного воздействия рекомендуется избегать ароматизаторов с подобными вкусами.
В окрашенных жидкостях для электронных сигарет часто содержится диоксид титана, который также является канцерогенным отравляющим веществом. Поэтому рекомендуется отказаться от использования любых окрашенных растворов для электронных сигарет.
Материалы и методы
2.1. Социологический опрос
Соц опрос проводился среди учащихся АНОО “Ломоносовская школа - Зелёный мыс”, а также в социальных сетях Инстаграм и ВК с использованием google-формы. Анкета полностью анонимна и составлена на 2х языках (русский и английский).
2.2 Определение состава электронных сигарет
2.2.1 Определение многоатомных спиртов
В пробирку наливают 1 мл гидроксида натрия и добавляют 1 мл сульфата меди (II). Затем добавляют 1 мл жидкости для вейпа.
2.2.2 Определение альдегидов
В пробирку наливают 1 мл реактива Фелинга и добавляют 1мл жидкости для вейпа. Пробирку нагревают.
2.2.3 Влияние веществ электронных сигарет на белок
К 1мл раствора куриного белка добавляют 1 мл жидкости для вейпа.
2.2.4 Определение среды
Аккуратно нагревают пробирку с жидкостью для вейпа (под тягой) и подносят смоченную индикаторную бумагу к краю пробирки.
2.2.5.Определение фенолов
В пробирку наливают 1 мл раствора хлорида железа (III) и добавляют 1 мл жидкости для вейпа.
Результаты
3.1. Результаты социологического опроса
В декабре 2021 год был проведен социологический опрос среди учащихся Ломоносовской школы “Зелёный мыс”, а также ученики других школ из разных стран мира. Опрос был составлен с помощью Google forms и размещен в социальных сетях “Вконтакте” и “Instagram”.
На вопросы англоязычного варианта анкеты ответили 29 человек из 11 стран мира. Они отмечены на карте (рис. 4). Большинство опрошенных было из России, на вотором месте - Австралия, затем Египет и Индия. По одному человеку было из Японии, Киргизии, Малайзии, Румынии, Словении, Швеции и Кении.
Рисунок 4. Карта стран, в которых живут участники опроса
Для Российской федерации был только русскоязычный вариант анкеты, на его вопросы ответили 10 человек. Суммарно было опрошено 39 человек.
Подробнее разберём каждый вопрос.
Возраст участников
Была предложена градация
Младше 13 лет
13-15 лет
16-18 лет
Старше 18 лет
В русскоязычном варианте 90% опрошенных были в возрасте от 16 до 18 лет и 10 % старше 18.
В янглоязычном варианте большинство опрошенных также было в возрасте от 16 до 18 лет (65,5%), на втором месте были участники возрастом от 13 до 15 лет (20,7%). Остальные возрастные категории в меньшинстве.
Суммарно на вопросы данной анкеты отвечали 16-18-летние. Это объясняется тем, что в данной возрастной категории находится круг общения автора работы.
Считаете ли вы вейпы вредными?
Большинство ответивших на русскоязычный вариант анкеты, считают вейпы вредными (90%) и только 10% считают их безвредными.
В англоязычном варианте анкеты также преобладает ответ, что вейпы вредны (69%), 20% считают их безвредными, а 10,3% затруднились ответить.
Большинство опрошенных проинформировано о вреде вейпов.
Парите ли вы?
В русскоязычном варианте анкеты 50% опрошенных ответили, что они курят вейп. Соответственно вторая половина не курят.
А в англоязычном варианте курящих вейп оказалось больше (69%), а не курящих - 31%.
В целом среди опрошенных больше половины курят вейп.
Если вы парите, то как часто?
В русскоязычном варианте почти половина (44.4%) курят только на вечеринках, чуть меньше (33.3%) имеют свой вейп и используют его на постоянной основе. Оставшиеся респонденты пробовали один раз или вообще не курят.
В англоязычном варианте чуть меньше половины (41.2%) используют свой вейп постоянно, почти одна треть курит только на вечеринках, а вторая треть опрошенных пробовали пару раз в жизни.
По данному вопросу, в русско- и англоязычной анкетах ответы сильно различаются. В первой большинство опрошенных курят только на вечеринках, а во второй - используют постоянно.
Курят ли ваши родственники?
В русскоязычном варианте больше половины ответили, что их родственники не курят (60%), а у оставшихся - курят.
В англоязычном варианте также у большинства (75.9%) родственники не курят, а у остальных - курят (24.1%).
Для обоих вариантов анкеты превалирующим вариантом ответа на вопрос о курении родственника был отрицательный.
3.2 Химический анализ состава электронных сигарет
3.2.1 Определение многоатомных спиртов
Для определения многоатомных спиртов использовали качественную реакцию с гидроксидом меди (II). В качестве контроля реакцию провели с глицерином.
Рисунок 5. Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди (II)
В результате получили интенсивно синее (васильковое) окрашивание из-за образования хелатного комплекса (рис. 5) глицерата меди (II). При повторе реакции с жидкостью для вейпа получили аналогичное окрашивание (рис. 6). Это доказывает, что в ее состав входят многоатомные спирты (пропиленгликоль и глицерин).
Гидроксид меди (II) Глицерат меди (II) Рисунок 6. Глицерат меди (II) и продукт взаимодействия
жидкости для вейпа с гидроксидом меди (II)
3.2.2 Определение альдегидов
Для определения альдегидов в качестве контроля провели реакцию формальдегида с реактивом Фелинга при нагревании (рис. 7). Получили жёлтый, переходящий в красный осадок (гидроксид и оксид меди (I)).
Рисунок 7. Взаимодействие формальдегида с гидроксидом меди (II)
П ри нагревании жидкости для вейпа с реактивом Фелинга также получено аналогичное окрашивание (рис. 8), что доказывает наличие альдегидов в жидкости для вейпа.
Рисунок 8. Реактив Фелинга и окрашенные продукты его взаимодействия при нагревании с формальдегидом и жидкостью для вейпа.
3.2.3 Влияние веществ электронных сигарет на белок
Предварительно готовят раствор куриного белка. Для этого разбивают яйцо и выливают белок в стакан, добавляют дистиллированную воду и перемешивают (рис. 9).
Рисунок 9. Приготовление раствора куриного белка.
К 1 мл раствора куриного белка добавляют 1 мл жидкости для вейпа. При этом наблюдают появление белого осадка, так как белок сворачивается, происходит его денатурация (рис. 11).
Рисунок 10. Схема денатурации белка
Денатурация - нарушение первичной структуры белка под действием различных факторов, в том числе кислот или щелочей (рис. 10).
Рисунок 11. Денатурация куриного белка под действием веществ электронной сигареты.
3.2.4 Определение среды
А ккуратно нагревают пробирку с жидкостью для вейпа (под тягой) и подносят смоченную индикаторную бумагу к краю пробирки (рис. 12). Индикаторная бумажка окрашивается в синий цвет, что соответствует щелочной среде паров.
Рисунок 12. Определение среды паров электронной сигареты.
3.2.5.Определение фенолов
В пробирку наливают 1 мл раствора хлорида железа (III) и добавляют 1 мл раствора фенола. Наблюдают появление фиолетовой окраски вследствие образования хелатного комплекса (рис. 13) фенолята железа (III) (рис. 14).
Рисунок 13. Образование хелатного комплекса фенолята железа (III)
Рисунок 14. Качественная реакция Рисунок 15. Взаимодействие жидкости
фенола с хлоридом железа (III) для вейпов с хлоридом железа (III)
Опыт повторяют и к 1 мл раствора хлорида железа (III) добавляют жидкость для вейпа. Появления фиолетовой окраски не происходит, что доказывает отсутствие фенолов в жидкости для вейпов (рис. 15, 16).
Рисунок 16. Сравнение продуктов взаимодействия фенола и жидкости для вейпов с хлоридом железа (III)
Выводы
Мы проанализировали литературные данные и выяснили, что в состав жидкости электронных сигарет входят никотин, многоатомные спирты (глицерин, пропиленгликоль), а также ароматизаторы.
Проведенный среди молодежи социологический опрос показал, что больше половины курят электронные сигареты, чаще всего на вечеринках (в русскоязычном варианте анкеты). При этом большинство знает, что вейпы вредны. Стоит отметить, что родственники участников опроса в большинстве случаев некурящие.
Проведенный эксперимент подтвердил наличие в жидкости для вейпа многоатомных спиртов, а также выявил наличие альдегидов и щелочную реакцию в парах. На раствор белка жидкость для электронных сигарет вызывает денатурацию. Фенолы обнаружены не были.
Заключение
Курение - повсеместно распространённая вредная привычка. Проведенный нами среди молодежи опрос показал, что многие курят электронные сигареты, они являются модными. Несмотря на то, что некоторые считают электронные сигареты безвредными, это не так. Помимо никотина, который вызывает привыкание, они содержат многоатомные спирты, пары которых оседают в легких и вызывают легочные заболевания. Но самыми вредными являются ароматизаторы и красители. Именно они дают щелочную среду паров и качественную реакцию на альдегиды с гидроксидом меди (II). Ароматизаторы и красители обладают отравляющим и канцерогенным воздействием.
Поэтому перед тем, как курить электронные сигареты нужно тщательно изучить возможное воздействие. Особенно важно уберечь детей от их употребления.
Список использованной литературы
Саломатина Е. В. Перспективы роста рынка электронных сигарет. Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий (2019).
Электронные системы доставки никотина, включая электронные сигареты / Конференция Сторон Рамочной конвенции ВОЗ по борьбе против табак. — Сеул: WHO, 2012. — 14 с.
E-Cigarette Use Among Youth and Young Adults: A Report of the Surgeon General / T. R. Frieden. — Роквилл: National Library of Medicine Cataloging-in-Publication Data, 2016. — 298 с.
Electronic cigarettes. A report commissioned by Public Health England / Britton J., Bogdanovica I. — PHE publications, 2014. — 30 с.
https://ecigarettereviewed.com/history-vaping/
https://patents.google.com/patent/US20090126745
https://www.tiensmed.ru/news/electronnaia-sigareta-ab1.html
Приложение