Оксид азота(I)

Запрос «Веселящий газ» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Оксид азота​(I)​
Общие
Систематическое наименование	Закись азота
Хим. формула	N2O
Физические свойства
Состояние	бесцветный газ
Молярная масса	44,0128 г/моль
Плотность	1,98 г/л (при н. у.)
Термические свойства
Температура
• плавления	-90,86 °C
• кипения	-88,48 °C
• разложения	выше +500 °C
Классификация
Рег. номер CAS	10024-97-2
SMILES	N#[N+][O-]
Безопасность
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 2 0 OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Окси́д азо́та (I) (гемиокси́д, «веселя́щий га́з», окси́д диазо́та, за́кись азо́та) — неорганическое вещество, соединение азота с кислородом, имеющее химическую формулу N₂O, представляет собой несолеобразующий оксид. Оно обладает окислительными свойствами и плохо растворимо в воде, не вступая с ней в реакцию. При нормальных условиях ― инертный газ

В малых концентрациях этот газ вызывает лёгкое опьянение («веселящий газ»). При вдыхании чистого газа быстро наступает состояние опьянения и сонливости. Закись азота обладает слабой наркотической активностью, что позволяет использовать её в медицине в высоких концентрациях. В смеси с кислородом, при правильном дозировании (до 80% закиси азота), она вызывает хирургический наркоз.

Оборот закиси азота ограничен Федеральным законом Российской Федерации от 29 декабря 2020 года № 472-ФЗ «Об ограничении оборота закиси азота в Российской Федерации».

История открытия

Джозеф Пристли в исполнении Озиаса Хамфри

История открытия закиси азота, также известной как оксид азота или «веселящий газ», берёт своё начало с экспериментов Джозефа Пристли, проведённых в 1772 году. Этот известный натурфилософ и химик синтезировал газ и описал свои открытия в книге «Эксперименты и наблюдения за разными видами воздуха», изданной в 1775 году.

Хемфри Деви

Почти через 25 лет, в 1799 году, британский химик, физик и изобретатель Хемфри Деви продолжил исследования закиси азота. Он обнаружил уникальные свойства этого газа, в частности, его воздействие на человеческий организм. Деви заметил, что вдыхание N₂O вызывает эйфорию и снижает чувствительность к боли. Эти открытия привели к использованию закиси азота в медицине в качестве анестезирующего средства.

Бродячие артисты были первыми, кто начал использовать закись азота. Им была нужна весёлая публика, а газ мог это обеспечить. Смеющиеся люди привлекали к представлению других любопытных зрителей, и вокруг артистов собиралась внушительная толпа. Поскольку газ выпускали незаметно и он распространялся повсюду, им дышали не только зрители, но и сами артисты.

В книге Джеймса Уатта и Томаса Беддоу «Соображения о медицинском использовании и производстве искусственных воздухов», изданной в 1794 году, были представлены два значимых аспекта. Во-первых, Уатт предложил конструкцию «машины» для производства закиси азота (N₂O), а также устройство для ингаляции газов в медицинских целях. Во-вторых, Беддоу выдвинул новую теорию о том, что туберкулёз и другие заболевания лёгких могут быть излечены с помощью ингаляций «искусственных воздухов». Хотя эта теория не подтвердилась, она способствовала развитию методов ингаляционной терапии.

Наркотические свойства веселящего газа были известны ещё в XVIII веке. С 1799 года и вплоть до 1863 года в Великобритании проводились «вечеринки веселящего газа», на которых представители высшего общества собирались, чтобы надышаться закисью азота. Эти мероприятия стали своеобразным развлечением для аристократии и интеллигенции того времени.

В 1844 году американский стоматолог Горацио Уэллс впервые в истории провёл удаление зуба с использованием закиси азота в качестве анестетика. Горацио Уэллс, известный американский стоматолог, предпринял несколько попыток убедить окружающих в эффективности закиси азота (N₂O) в качестве анестетика. Во время первой демонстрации лечения зуба дантист дал пациенту небольшую дозу газа, в результате чего тот находился в бессознательном состоянии меньшее время, чем предполагалось. Газ также оказал воздействие на свидетелей процедуры. В результате пациент проснулся и испытывал сильную боль, а окружающие безудержно смеялись.

Первая публичная демонстрация «веселящего газа» не увенчалась успехом. Вторая попытка также оказалась неудачной. На этот раз Гораций дал пациенту слишком большую дозу наркотического вещества, из-за чего пациент едва не умер.

После этих неудачных попыток Уэллс прекратил эксперименты и отказался от идеи использовать закись азота для анестезии. Однако его дело продолжил другой врач, коллега Уэллса Уильям Мортон. Мортон успешно использовал газ и стал известен как первооткрыватель анестезии. Эти действия бывшего напарника привели Уэллса в уныние. Он потребовал публично признать его первенство в идее использования закиси азота в качестве анестетика, но Мортон не отреагировал на его требования.

Свойства вещества

Структурная формула закиси азота

Химическое строение

Молекула закиси азота имеет линейную структуру. Её дипольный момент равен 0,166 D. Конфигурация молекулы оксида азота(I) может быть представлена в виде резонансных структур.

Физические свойства

Закись азота представляет собой бесцветный газ, обладающий плотностью 1,977 г/л. Температура плавления этого вещества составляет -90,86°C, что соответствует -131,55°F и 182,29 K. Температура кипения равна -88,48°C, что эквивалентно -127,26°F и 184,67 K. Закись азота (N₂O), охлажденная до жидкого состояния, выглядит как бесцветная жидкость. Её плотность составляет 1,22 г/см³. При кипении жидкая закись азота превращается в бесцветный газ со сладким запахом и умеренной токсичностью.

Растворимость закиси азота в воде при температуре 15°C составляет 1,5 г/л, а также она способна растворяться в спирте, эфире и серной кислоте.

Давление пара закиси азота при температуре 20°C составляет 5150 кПа, Магнитная восприимчивость равна -18,9×10⁻⁶ см³/моль. Показатель преломления (nD) равен 1,000516 при 0°C и 101,325 кПа. Вязкость составляет 14,90 мкПа·с.

В термохимических характеристиках стандартная молярная энтропия (S⁰₂₉₈) равна 219,96 Дж/(К·моль) Стандартная энтальпия образования (ΔH⁰₂₉₈) составляет +82,05 кДж/моль.

Химические свойства

Несолеобразующий оксид, поэтому кислотные свойства не характерны.

Окислительные свойства

Оксид азота (I) в обычных условиях проявляет инертные свойства. Однако при нагревании он начинает проявлять окислительные свойства, окисляя такие вещества, как водород, аммиак, металлы и сернистый газ. В результате этих реакций азот восстанавливается до простого вещества.

• ${\ce {2N2O + S ->[t] 2N2 + SO2}}$

Оксид азота (I) + сера → азот + оксид серы (IV)

• ${\ce {5N2O + p ->[t] 5N2 + P2O5}}$
• ${\ce {2N2O + 2NH3 ->[t] 4N2 + 3H2O}}$
• ${\ce {2N2O + SO2 + H2O ->[t] N2 + H2SO4}}$

Восстановительные свойства

Оксид азота (I) также может проявлять восстановительные свойства при взаимодействии с сильными окислителями. Например, он окисляется раствором перманганата калия в серной кислоте (редокс-реакция):

${\ce {5N2O + 3H2SO4 + 2KMnO4 ->[t] 10NO + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}}$

Оксид азота (I) + серная кислота (концентрированная) + перманганат калия → оксид азота (II) + сульфат марганца + сульфат калия + вода

Внутримолекулярная реакция окисления и восстановления

При нагревании закись азота разлагается на азот и кислород. Тлеющая лучинка вспыхивает в атмосфере закиси азота.

${\ce {2N2O ->[t] 2N2 + O2}}$

Способы получения

Промышленный метод

Разложение нитрата аммония: один из наиболее распространённых промышленных методов получения закиси азота включает осторожное нагревание нитрата аммония (NH₄NO₃) до примерно 250°C. При этом нитрат аммония разлагается на закись азота и водяной пар.

${\ce {NH4NO3 -> N2O + 2H2O}}$

Добавление различных фосфатных солей способствует образованию более чистого газа при несколько более низких температурах. Однако эту реакцию может быть трудно контролировать, что приводит к детонации.

Лабораторные методы

Разложение нитрата аммония

Разложение нитрата аммония также является распространённым лабораторным методом получения закиси азота.

${\ce {NH4NO3 -> N2O + 2H2O}}$

Реакция нитрата натрия с сульфатом аммония

Закись азота можно получить нагреванием смеси нитрата натрия (NaNO₃) и сульфата аммония (NH₄)₂SO₄.

${\ce {2NaNO3 + (NH4)2SO4 -> Na2SO4 + 2N2O + 4H2O}}$

Реакция мочевины, азотной и серной кислот

Метод включает реакцию мочевины ((NH₂)₂CO), азотной кислоты (HNO₃) и серной кислоты (H₂SO₄).

${\ce {2(NH2)2CO + 2HNO3 + H2SO4-> 2N2O + 2CO2 + (NH4)2SO4 + 2H2O}}$

Прямое окислении аммиака (NH₃) с помощью катализатора

Окисление аммиака кислородом с применением катализаторов на основе диоксида марганца (MnO₂) и оксида висмута (Bi₂O₃), аналогично Оствальдскому процессу.

${\ce {2NH3 + 2O2-> N2O + 3H2O}}$

Реакция хлорида гидроксиламмония с нитритом натрия

Хлорид гидроксиламмония (NH₃OHCl) реагирует с нитритом натрия (NaNO₂) с образованием закиси азота.

${\ce {NH3OHCl + NaNO2 -> N2O + NaCl + 2H2O}}$

Реакция сульфаминовой кислоты с азотной кислотой

Наиболее удобным способом получения закиси азота (N₂O) является процесс нагревания сульфаминовой кислоты (NH₂SO₃H) с азотной кислотой (HNO₃), концентрация которой составляет 73%. В результате этой реакции образуются закись азота, серная кислота (H₂SO₄) и вода (H₂O). Данный метод является эффективным и относительно несложным в исполнении, что делает его привлекательным для использования в лабораторных условиях для получения закиси азота.

${\ce {NH2SO3H + HNO3-> N2O + H2SO4 + H2O}}$

Применение

В промышленности

Инертный оксид азота, известный также как закись азота (N₂O), представляет собой вещество, находящее широкое применение в различных областях промышленности благодаря своим уникальным свойствам. В газосварочных работах закись азота используется для поддержания необходимой температуры и стабильности пламени, что критически важно для обеспечения качественной сварки и предотвращения окисления металлов. В метрологии и аналитике закись азота применяется для калибровки высокоточных приборов благодаря своей стабильности физических и химических свойств. В химической промышленности закись азота служит исходным материалом для производства азотной и серной кислот, а также может выступать в качестве промежуточного продукта в синтезе различных химических соединений. В оборонной промышленности закись азота применяется в производстве взрывчатых веществ благодаря своим окислительным свойствам.

В медицине

Баллоны с закисью азота медицинского назначения, используемые в стоматологии.

Веселящий газ часто используется в стоматологии, особенно в детской, для уменьшения боли и тревожности. Он также применяется при проведении лазерных процедур, диагностических исследований (например, колоноскопии), в отделениях неотложной помощи и в акушерской практике. Действие анестетика начинается через 10-15 секунд после поступления в организм. Длится 10-15 минут после окончания вдыхания. Закись азота удаляется с выдыхаемым воздухом.

Некоторые исследования показывают, что закись азота может облегчать состояние людей с депрессией, устойчивой к другим методам терапии, но это не является официально признанным методом лечения.

Оксид азота (N₂O) обладает как наркотическим, так и обезболивающим действием, и эти эффекты реализуются посредством двух различных механизмов. Первый механизм связан с активацией эндогенной опиоидной системы и её взаимодействием с нисходящей норадренергической системой. Это взаимодействие приводит к снижению болевой чувствительности и созданию ощущения комфорта. Второй механизм заключается в воздействии N₂O на мезолимбический путь, что приводит к избыточному выделению дофамина в области награды. Это выделение дофамина вызывает эйфорические ощущения и является основой наркотического эффекта закиси азота.

В агротехнике

Закись азота находит своё применение в различных сферах, включая агрономические исследования. В сельском хозяйстве этот газ используется для изучения воздействия нитрата азота на рост и развитие растений. Благодаря закиси азота учёные могут оценить эффективность удобрений и оптимизировать их использование, что, в свою очередь, способствует повышению урожайности и улучшению качества сельскохозяйственных культур.

Транспорт

В сфере автомобилестроения закись азота активно применяется с целью повышения эффективности работы двигателей. В процессе впрыска N₂O в двигатель происходит его распад на азот и кислород, что приводит к увеличению количества доступного для горения топлива кислорода. В результате двигатель получает возможность сжигать большее количество топлива за единицу времени, что, в свою очередь, приводит к увеличению его мощности. Этот процесс, известный как «нитроускорение», широко используется в автоспорте и при тюнинге автомобилей.

Гибридные ракетные двигатели представляют собой инновационное решение в области космической инженерии. В качестве окислителя в таких двигателях используется жидкий оксид азота (N₂O (I)), а в качестве горючего водород. Это позволяет достичь высокой эффективности и надёжности при эксплуатации.

Закись азота (N₂O) представляет собой вещество, обладающее рядом преимуществ, которые делают его привлекательным для использования в ракетных двигателях. Во-первых, закись азота менее опасной по сравнению с другими окислителями, такими как жидкий кислород или азотная кислота. Это делает её более безопасной в обращении и хранении. Во-вторых, закись азота стабильна при комнатной температуре, что упрощает её хранение и транспортировку. Кроме того, закись азота может разлагаться с образованием кислорода, который может использоваться для дыхания. Это является дополнительным преимуществом в космических миссиях. Высокая плотность закиси азота и её способность храниться при низком давлении делают её конкурентоспособной по сравнению с системами хранения газа под высоким давлением. Исторически, Роберт Годдард, американский пионер ракетостроения, уже в 1914 году предложил использовать закись азота и бензин в качестве топлива для ракет на жидком топливе.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности закись азота находит применение в качестве пропеллента в баллонах для взбитых сливок. При выходе из баллона газ быстро расширяется, взбивая сливки в пену. Это позволяет легко и быстро получить взбитые сливки без использования электрических миксеров или других приспособлений. Как пищевой компонент имеет индекс E942. В Российской Федерации и Европейском союзе она включена в список разрешённых к использованию в пищевой промышленности.

Закись азота при нормальных условиях инертный газ, который создает условия, препятствующие окислению и размножению бактерий. Это, в свою очередь, способствует увеличению сроков хранения продуктов во время упаковки и транспортировки. Закись азота также предотвращает окисление жирных продуктов и защищает их от гниения. Она находит применение в обработке кофе, вина, пива, мясных и рыбных изделий, продлевая их срок годности. Вещество широко используется в пищевой промышленности для упаковки разнообразных продуктов, включая мясные и рыбные изделия, фруктовые соки и вино. Она не вступает в реакцию с продуктами и напитками, сохраняя их первоначальные органолептические свойства: вкус, запах и текстуру. С 1980-х годов закись азота активно используется в виноделии для устранения нежелательного окисления и подавления размножения бактерий.

Несмотря на наличие более доступных пропеллентов таких, как двуокись углерода (CO2), закись азота демонстрирует особенно насыщенный вкус в пористых продуктах, таких как шоколад. Это связано с тем, что она образует более крупные пузырьки газа, что обеспечивает лучшее вкусовое восприятие.

Уровень опасности и меры предосторожности

Токсичность

При правильном медицинском использовании веселящий газ считается безопасным. Как и любой анестетик, он может вызывать побочные эффекты, такие как тошнота и головная боль. Частое применение может привести к нарушению обмена витамина B12, что важно для нормальной работы нервной системы и синтеза ДНК. Обезболивание закисью азота может быть противопоказана детям младше двух лет, людям с некоторыми пульмонологическими болезнями, заложенностью носа, дефицитом витамина B12 и тяжелыми психическими расстройствами.

Злоупотребление закисью азота или неправильное её использование может иметь серьёзные последствия, вплоть до летального исхода. Среди побочных эффектов и рисков самостоятельного применения закиси азота можно выделить следующие:

1. Гипоксия — вдыхание чистой закиси азота без достаточного количества кислорода может привести к гипоксии, то есть к недостатку кислорода в организме, что, в свою очередь, может вызвать повреждение мозга и других органов.
2. Снижение артериального давления — закись азота может вызвать снижение артериального давления, что особенно опасно для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
3. Потеря сознания — из-за гипоксии или других факторов человек может потерять сознание, что может привести к травмам или другим осложнениям.
4. Смерть от удушья — вдыхание большого количества закиси азота без достаточного количества кислорода может привести к удушью и, как следствие, к смерти.
5. Другие риски — длительное или частое использование закиси азота может привести к дефициту витамина B12, что, в свою очередь, может вызвать неврологические проблемы и другие осложнения.
6. Наркоз с содержанием закиси азота противопоказан людям с тяжёлыми заболеваниями центральной нервной системы, при алкогольном опьянении и страдающим хроническим алкоголизмом. Применение закиси азота в таких случаях может вызвать приступ возбуждения, галлюцинации и другие нежелательные эффекты.

Меры предосторожности

Оборот закиси азота ограничен Федеральным законом Российской Федерации от 29 декабря 2020 года № 472-ФЗ «Об ограничении оборота закиси азота в Российской Федерации».

Закись азота, предназначенная для медицинских целей, должна использоваться исключительно под контролем специалистов, прошедших соответствующее обучение. Это обеспечивает безопасность и эффективность применения данного газа. Важным аспектом является обязательное разбавление закиси азота кислородом. В медицинской практике применяется смесь, содержащая не менее 20% кислорода. В случае использования смеси с меньшим содержанием кислорода возможны серьёзные последствия, вплоть до остановки дыхания и летального исхода.

Экологическое воздействие

Круговорот закиси азота

Закись азота (N₂O) представляет собой важный компонент атмосферы, и в 2020 году её концентрация достигла 535 частей на миллиард, увеличиваясь примерно на одну часть на миллиард в год. Этот газ является основным поглотителем стратосферного озона, и его воздействие на озоновый слой сравнимо с воздействием хлорфторуглеродов (ХФУ). Анализ данных за десятилетие, закончившееся в 2016 году, показывает, что около 40% выбросов закиси азота в атмосферу, составляющих 17 тераграммов азота в год, связаны с деятельностью человека. Рост выбросов обусловлен расширением сельского хозяйства и развитием промышленности в странах с развивающейся экономикой.

Процесс, при котором происходит разложение органических соединений азота с образованием аммиака (NH₃) и аммония (NH₄⁺), является ключевым этапом в круговороте азота в природе. Этот процесс осуществляется в почве и служит основным источником атмосферного аммиака. Окисление аммиака: аммиак, попадая в атмосферу, подвергается окислению до различных оксидов азота: закись азота, диоксид азота (NO₂) и монооксид азота (NO). Эти оксиды азота играют значимую роль в химических процессах, происходящих в атмосфере.

Закись азота является третьим по значимости долгоживущим парниковым газом после углекислого газа (CO₂) и метана (CH₄) и вносит значительный вклад в глобальное потепление. Её долговечность в атмосфере и высокий потенциал глобального потепления делают её объектом пристального внимания и мониторинга выбросов.

Закись азота выполняет двойную функцию в атмосфере: она не только разрушает стратосферный озон, но и способствует глобальному потеплению. Это делает контроль и регулирование выбросов закиси азота критически важными для устойчивого развития и защиты окружающей среды.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!