Окси́д азо́та(I) ( оксид диазота , закись азота , веселящий газ ) — соединение с химической формулой N ₂ O. Иногда называется «веселящим газом» из-за производимого им опьяняющего эффекта с приступами смеха. При нормальных условиях это бесцветный негорючий газ с приятным сладковатым запахом и привкусом .

Закись азота является третьим по значимости долгоживущим парниковым газом , накопление которого в атмосфере Земли — одна из причин глобального потепления , так как N ₂ O является веществом, разрушающим стратосферный озон .

История

Впервые был получен в 1772 году Джозефом Пристли , который назвал его « дефлогистированным нитрозным воздухом» . В 1799 году его исследовал Г. Дэви .

Строение молекулы

Строение молекулы оксида азота(I) описывается следующими резонансными формами:

Наибольший вклад вносит N-оксидная форма оксида азота(I). Порядок связи N-N оценивается как 2,73, порядок связи N-O — как 1,61. Резонансная структура с возможностью противоположного расположения зарядов в молекуле N ₂ O обусловливает низкий дипольный момент молекулы, равный 0,161 Д.

Физические свойства

Бесцветный газ, тяжелее воздуха ( относительная плотность 1,527), с характерным сладковатым запахом . Растворим в воде ( 0,6 объёма N ₂ O в 1 объёме воды при 25 °C , или 0,15 г/100 мл воды при 15 °C ), растворим также в этиловом спирте, эфире, серной кислоте. При 0 °C и давлении 30 атм , а также при комнатной температуре и давлении 40 атм сгущается в бесцветную жидкость . Из 1 кг жидкой закиси азота образуется 500 л газа. Молекула закиси азота имеет дипольный момент 0,161 Д , коэффициент преломления в жидком виде равен 1,330 (для жёлтого света с длиной волны 589 нм ). Давление паров жидкого N ₂ O при 20 °C равно 5150 кПа .

Химические свойства

Относится к несолеобразующим оксидам , с водой, с растворами щелочей и кислот не взаимодействует. Не воспламеняется, но поддерживает горение: тлеющая лучина, опущенная в него, загорается, как в чистом кислороде. Смеси с эфиром , циклопропаном , хлорэтаном в определённых концентрациях взрывоопасны . Оксид азота(I) является озоноразрушающим веществом, а также парниковым газом . В нормальных условиях N ₂ O химически инертен, при нагревании проявляет свойства окислителя:

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}O+H_{2}\rightarrow N_{2}\uparrow +H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2N_{2}O+C\rightarrow 2N_{2}\uparrow +CO_{2}\uparrow }}}$

При взаимодействии с сильными окислителями N ₂ O может проявлять свойства восстановителя:

${\displaystyle {\mathsf {5N_{2}O+8KMnO_{4}+7H_{2}SO_{4}\rightarrow 5Mn(NO_{3})_{2}+3MnSO_{4}+4K_{2}SO_{4}+7H_{2}O}}}$

При нагревании выше +500°C N ₂ O разлагается:

${\displaystyle {\mathsf {2N_{2}O\rightarrow 2N_{2}\uparrow +O_{2}\uparrow }}}$

Оксид азота(I) реагирует с амидами металлов с образованием соответствующих неорганических азидов :

${\displaystyle {\mathsf {2NaNH_{2}+N_{2}O\rightarrow NaN_{3}+NaOH+NH_{3}\uparrow }}}$

При взаимодействии с аммиаком над катализатором образуется азид аммония :

${\displaystyle {\mathsf {2NH_{3}+N_{2}O{\xrightarrow[{}]{Ni-Al_{2}O_{3}}}NH_{4}N_{3}+H_{2}O}}}$

Получение

Оксид азота(I) получают осторожным (опасность взрывного разложения!) нагреванием сухого нитрата аммония :

${\displaystyle {\mathsf {NH_{4}NO_{3}\rightarrow N_{2}O\uparrow +2H_{2}O.}}}$

Более удобным способом является нагревание сульфаминовой кислоты с 73%-й азотной кислотой :

${\displaystyle {\mathsf {NH_{2}SO_{3}H+HNO_{3}(73\%)\rightarrow N_{2}O\uparrow +H_{2}SO_{4}+H_{2}O.}}}$

Также одним из удобных и безопасных способов получать оксид азота (I) является реакция раствора гидрохлорида гидроксиламина с раствором нитрита натрия :

${\displaystyle {\mathsf {NH_{2}OH*HCl+NaNO_{2}\rightarrow N_{2}O\uparrow +NaCl+2H_{2}O.}}}$

В химической промышленности закись азота является побочным продуктом, и для её разрушения используют каталитические конвертеры, так как выделение в виде товарного продукта, как правило, экономически нецелесообразно.

Биологическое значение

Закись азота образуется как при ферментативном , так и при неферментативном восстановлении из окиси азота (II) . В опытах in vitro было обнаружено, что закись азота образуется при реакции между окисью азота (II) и тиолом или тиол-содержащими соединениями . Сообщается, что образование N ₂ O из окиси азота было обнаружено в цитозоле гепатоцитов , что заставляет предполагать возможное образование этого газа в клетках млекопитающих в физиологических условиях . В организме бактерий закись азота образуется в ходе процесса денитрификации , катализируемого нитрооксид-редуктазой. Ранее этот процесс предполагался специфичным для некоторых видов бактерий и отсутствующим у млекопитающих, но новые данные заставляют предполагать, что это не так. Было показано, что физиологически релевантные концентрации закиси азота ингибируют как ионные токи, так и опосредуемые эксайтотоксичностью нейродегенеративные процессы, происходящие при чрезмерном возбуждении NMDA-рецепторов . Также закись азота ингибирует биосинтез метионина , угнетая активность и скорость превращения гомоцистеина в метионин и повышая концентрацию гомоцистеина в культурах лимфоцитов и в биоптатах человеческой печени . Хотя закись азота не является лигандом для гема , и не реагирует с тиоловыми группами, она обнаруживается во внутренних структурах гемосодержащих белков, таких, как гемоглобин , миоглобин , цитохромоксидаза . Способность закиси азота нековалентно, обратимо изменять структуру и функции гемосодержащих белков была показана исследованием сдвига инфракрасных спектров тиоловых групп цистеинов гемоглобина и тем, что закись азота способна частично и обратимо ингибировать функцию цитохромоксидазы C . Точные механизмы этого нековалентного взаимодействия закиси азота с гемосодержащими белками и биологическое значение этого явления заслуживают дальнейших исследований. В настоящее время представляется возможным, что эндогенная закись азота участвует в регуляции активности NMDA и опиоидной системы . Обладает нейротоксическими свойствами .

Применение

Существует два вида закиси азота — пищевая, или медицинская для медицинского применения (высокой степени очистки), и техническая — технический оксид диазота, в котором есть примеси, количество которых указывается в соответствующих техусловиях (ТУ) на данный газ. «Медицинская» закись азота используется в основном как средство для ингаляционного наркоза , находит применение и в пищевой промышленности (например, для изготовления взбитых сливок ) в качестве пропеллента . Как пищевой продукт имеет индекс E942 . Также иногда используется для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания . В промышленности применяется как пропеллент и упаковочный газ. Может использоваться в ракетных двигателях в качестве окислителя, а также как единственное топливо в монокомпонентных ракетных двигателях .

Средство для ингаляционного наркоза

Малые концентрации закиси азота вызывают лёгкое опьянение . При вдыхании чистого газа быстро развиваются состояние опьянения и сонливость. Закись азота обладает слабой наркотической активностью, в связи с чем в медицине её применяют в больших концентрациях. В смеси с кислородом при правильном дозировании (до 80 % закиси азота) вызывает хирургический наркоз . Часто применяют комбинированный наркоз, при котором закись азота сочетают с другими средствами для наркоза, анальгетиками , миорелаксантами и т. п. Например, применяется комбинированный наркоз закисью азота и гексеналом с фентаниловой анальгезией и миорелаксацией дитилином .

Закись азота, предназначенная для медицинских нужд (высокой степени очистки от примесей), не вызывает раздражения дыхательных путей. Будучи в процессе вдыхания растворённой в плазме крови, практически не изменяется и не метаболизируется, с гемоглобином не связывается. После прекращения вдыхания выделяется (в течение 10—15 мин) через дыхательные пути в неизменном виде. Период полувыведения — 5 минут.

Закись азота используется для ингаляционного наркоза в хирургии , она удобна для кратковременного наркоза (и ) в хирургической стоматологии , а также для обезболивания родов (поскольку слабо влияет на родовую деятельность и нетоксична для плода ).

Смесь закиси азота с кислородом получают и непосредственно применяют при помощи специальных аппаратов для наркоза. Обычно начинают со смеси, содержащей 70—80 % закиси азота и 30—20 % кислорода, затем количество кислорода увеличивают до 40—50 % ^{[ источник не указан 3839 дней ]} . Если не удается получить необходимую глубину наркоза, при концентрации закиси азота 70—75 % добавляют более мощные наркотические средства: фторотан , диэтиловый эфир , барбитураты .

Для более полного расслабления мускулатуры применяют миорелаксанты , при этом не только усиливается расслабление мышц, но также улучшается течение наркоза.

После прекращения подачи закиси азота следует во избежание гипоксии продолжать давать кислород в течение 4—5 мин.

Применять закись азота, как и любое средство для наркоза, необходимо с осторожностью, особенно при выраженных явлениях гипоксии и нарушении диффузии газов в лёгких.

Для обезболивания родов пользуются методом прерывистой аутоанальгезии с подачей при помощи специальных наркозных аппаратов смеси закиси азота (75 %) и кислорода. Роженица начинает вдыхать смесь при появлении предвестников схватки и заканчивает вдыхание на высоте схватки или по её окончании.

Для уменьшения эмоционального возбуждения, предупреждения тошноты и рвоты и потенцирования действия закиси азота возможна премедикация внутримышечным введением 0,5%-го раствора диазепама ( седуксена , сибазона ) в количестве 1—2 мл (5—10 мг).

Форма выпуска: в металлических баллонах вместимостью 10 л под давлением 50 атм в сжиженном состоянии. Баллоны окрашены в серый цвет и имеют надпись «Для медицинского применения».

При использовании закиси азота для анестезии и пограничных уровнях витамина B12 развивается полинейропатия , вызванная дефицитом B ₁₂ . Необходима терапия фолатами и B ₁₂ .

Федеральный закон об ограничении оборота закиси азота

Запрет на продажу и ограничение по применению закиси азота для физических лиц ввели с 1 января 2021 года Федеральным законом от 29 декабря 2020 г. № 472-ФЗ «Об ограничении оборота закиси азота в Российской Федерации». Корреспондирующие изменения внесены в Кодекс об административных правонарушениях , введена статья 6.13.1 Пропаганда закиси азота, по которой грозит штраф от 1 тысячи рублей до 150 тысяч. Кроме того, вводится уголовная ответственность по статье 238 УК РФ «Производство, хранение, перевозка либо сбыт товаров и продукции, выполнение работ или оказание услуг, не отвечающих требованиям безопасности» и статье 151 УК РФ « Вовлечение несовершеннолетнего в совершение антиобщественных действий» . Газ входит в число одурманивающих веществ, утверждённых Правительством Российской Федерации 4 августа 2021 года .

В двигателях внутреннего сгорания

Закись азота иногда используется для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания . В случае автомобильных применений вещество, содержащее закись азота, и горючее впрыскиваются во впускной (всасывающий) коллектор двигателя, что приводит к следующим результатам:

• снижает температуру всасываемого в двигатель воздуха, обеспечивая плотный поступающий заряд смеси.
• увеличивает содержание кислорода в поступающем заряде (воздух содержит лишь ~23,15 масс. % кислорода).
• повышает скорость (интенсивность) сгорания в цилиндрах двигателя.

В реактивных двигателях

Иногда используется в качестве окислителя в однокомпонентном топливе с этаном , этиленом или ацетиленом в качестве топлива.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности соединение зарегистрировано в качестве пищевой добавки E942 , как пропеллент и упаковочный газ (предотвращают порчу продукта). Закись азота используется в основном для распыления пищевых продуктов.

Примечания

Литература

• Леонтьев А. В., Фомичева О. А., Проскурнина М. В., Зефиров Н. С. Современная химия оксида азота(I) (рус.) // Успехи химии . — Российская академия наук , 2001. — Т. 70 , № 2 . — С. 107—122 .
• Машковский, М. Д. Закись азота // Лекарственные средства. — 15-е изд. — М. : Новая Волна, 2005. — 1200 с. — ISBN 5-7864-0203-7 .

п • • р Оксиды
H 2 O
Li 2 O LiCoO 2 Li 3 PaO 4 Li 5 PuO 6 Ba 2 LiNpO 6 LiAlO 2 Li 3 NpO 4 Li 2 NpO 4 Li 5 NpO 6 LiNbO 3	BeO											B 2 O 3	С 3 О 2 C 12 O 9 CO C 12 O 12 C 4 O 6 CO 2	NO N 2 O 3 N 4 O 6 NO 2 N 2 O 4 N 2 O 5	O	F
Na 2 O NaPaO 3 NaAlO 2 Na 2 PtO 3	MgO											AlO Al 2 O 3 NaAlO 2 LiAlO 2 AlO(OH)	SiO SiO 2	P 4 O P 4 O 2 P 2 O 3 P 4 O 8 P 2 O 5	S 2 O SO SO 2 SO 3	Cl 2 O ClO 2 Cl 2 O 6 Cl 2 O 7
K 2 O K 2 PtO 3 KPaO 3	CaO Ca 3 OSiO 4 CaTiO 3	Sc 2 O 3	TiO Ti 2 O 3 TiO 2 TiOSO 4 CaTiO 3 BaTiO 3	VO V 2 O 3 V 3 O 5 VO 2 V 2 O 5	FeCr 2 O 4 CrO Cr 2 O 3 CrO 2 CrO 3 MgCr 2 O 4	MnO Mn 3 O 4 Mn 2 O 3 MnO(OH) Mn 5 O 8 MnO 2 MnO 3 Mn 2 O 7	FeCr 2 O 4 FeO Fe 3 O 4 Fe 2 O 3	CoFe 2 O 4 CoO Co 3 O 4 CoO(OH) Co 2 O 3 CoO 2	NiO NiFe 2 O 4 Ni 3 O 4 NiO(OH) Ni 2 O 3	Cu 2 O CuO CuFe 2 O 4 Cu 2 O 3 CuO 2	ZnO	Ga 2 O Ga 2 O 3	GeO GeO 2	As 2 O 3 As 2 O 4 As 2 O 5	SeOCl 2 SeOBr 2 SeO 2 Se 2 O 5 SeO 3	Br 2 O Br 2 O 3 BrO 2
Rb 2 O RbPaO 3 Rb 4 O 6	SrO	Y 2 O 3 YOF YOCl	ZrO(OH) 2 ZrO 2 ZrOS Zr 2 О 3 Сl 2	NbO Nb 2 O 3 NbO 2 Nb 2 O 5 Nb 2 O 3 (SO 4 ) 2 LiNbO 3	Mo 2 O 3 Mo 4 O 11 MoO 2 Mo 2 O 5 MoO 3	TcO 2 Tc 2 O 7	Ru 2 O 3 RuO 2 Ru 2 O 5 RuO 4	RhO Rh 2 O 3 RhO 2	PdO Pd 2 O 3 PdO 2	Ag 2 O Ag 2 O 2	Cd 2 O CdO	In 2 O InO In 2 O 3	SnO SnO 2	Sb 2 O 3 Sb 2 O 4 Hg 2 Sb 2 O 7 Sb 2 O 5	TeO 2 TeO 3	I 2 O 4 I 4 O 9 I 2 O 5
Cs 2 O Cs 2 ReCl 5 O	BaO BaPaO 3 BaTiO 3 BaPtO 3		HfO(OH) 2 HfO 2	Ta 2 O TaO TaO 2 Ta 2 O 5	WO 2 Br 2 WO 2 WO 2 Cl 2 WOBr 4 WOF 4 WOCl 4 WO 3	Re 2 O ReO Re 2 O 3 ReO 2 Re 2 O 5 ReO 3 Re 2 O 7	OsO Os 2 O 3 OsO 2 OsO 4	Ir 2 O 3 IrO 2	PtO Pt 3 O 4 Pt 2 O 3 PtO 2 K 2 PtO 3 Na 2 PtO 3 PtO 3	Au 2 O AuO Au 2 O 3	Hg 2 O HgO (Hg 3 O 2 )SO 4 Hg 2 O(CN) 2 Hg 2 Sb 2 O 7 Hg 3 O 2 Cl 2 Hg 5 O 4 Cl 2	Tl 2 O Tl 2 O 3	Pb 2 O PbO Pb 3 O 4 Pb 2 O 3 PbO 2	BiO Bi 2 O 3 Bi 2 O 4 Bi 2 O 5	PoO PoO 2 PoO 3	At
Fr	Ra		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts
		↓
		La 2 O 2 S La 2 O 3	Ce 2 O 3 CeO 2	PrO Pr 2 O 2 S Pr 2 O 3 Pr 6 O 11 PrO 2	NdO Nd 2 O 2 S Nd 2 O 3 NdHO	Pm 2 O 3	SmO Sm 2 O 3	EuO Eu 3 O 4 Eu 2 O 3 EuO(OH) Eu 2 O 2 S	Gd 2 O 3	Tb	Dy 2 O 3	Ho 2 O 3 Ho 2 O 2 S	Er 2 O 3	Tm 2 O 3	YbO Yb 2 O 3	Lu 2 O 2 S Lu 2 O 3 LuO(OH)
		Ac 2 O 3	UO 2 UO 3 U 3 O 8	PaO PaO 2 Pa 2 O 5 PaOS	ThO 2	NpO NpO 2 Np 2 O 5 Np 3 O 8 NpO 3	PuO Pu 2 O 3 PuO 2 PuO 3 PuO 2 F 2	AmO 2	Cm 2 O 3 CmO 2	Bk 2 O 3	Cf 2 O 3	Es	Fm	Md	No	Lr