Оксид азота(I)

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

Оксид азота​(I)​
Общие
Систематическое наименование	Оксонитрид азота​(I)​
Хим. формула	N2O
Физические свойства
Состояние	бесцветный газ
Молярная масса	44,0128 г/моль
Плотность	1,98 г/л (при н. у.)
Энергия ионизации	12,89 ± 0,01
Термические свойства
Температура
• плавления	-90,86 °C
• кипения	-88,48 °C
• разложения	выше +500 °C
Давление пара	51,3 ± 0,1
Классификация
Рег. номер CAS	10024-97-2
3D model (JSmol)	Интерактивная схема
PubChem	948
UNII	K50XQU1029
CompTox Dashboard EPA	DTXSID8021066
Рег. номер EINECS	233-032-0
SMILES	N#[N+][O-]
InChI	InChI=1S/N2O/c1-2-3 GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E942
RTECS	QX1350000
ChEBI	17045
ChemSpider	923
ECHA InfoCard	100.030.017
Безопасность
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 2 0 OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на РУВИКИ.Медиа

Окси́д азо́та(I) (окси́д диазо́та, за́кись азо́та, веселя́щий газ) — химическое соединение. Бесцветный негорючий газ.

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

С 1 января 2021 года в Российской Федерации действует Федеральный закон от 29.12.2020 г. № 472-ФЗ «Об ограничении оборота закиси азота». Запрещаются нелегальное производство, закупка, поставка, хранение, перевозка, пропаганда использования не в целях производства пищевой продукции, продовольственных товаров, продуктов питания, медицинского, промышленного применения.

История

Впервые был получен в 1772 году Джозефом Пристли, который назвал его «дефлогистированным нитрозным воздухом». В 1799 году его исследовал английский химик Гемфри 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 N₂O 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 N₂O 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 N₂O при 20 °C равно 5 150 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 N₂O химически инертен, при нагревании проявляет свойства окислителя:

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

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

При взаимодействии с сильными окислителями N₂O может проявлять свойства восстановителя:

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

При нагревании выше +500 °C N₂O разлагается:

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

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

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

При взаимодействии с аммиаком над катализатором образуется азид аммония:

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

Биологическое значение

Закись азота образуется как при ферментативном, так и при неферментативном восстановлении из окиси азота (II). 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 метионин-синтетазы 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. Обладает нейротоксическими свойствами.

Применение

Основная статья: Системы закиси азота

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. Также иногда используется для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания. Может использоваться в ракетных двигателях в качестве окислителя, а также как единственное топливо в монокомпонентных ракетных двигателях.

В атмосфере

Закись азота является незначительным компонентом земной атмосферы и активно участвует в планетарном круговороте азота. Согласно анализу проб воздуха, взятых в разных точках мира, его концентрация в 2017 году превысила 330 частей на миллиард. Темпы роста, составляющие около 1 части на миллиард в год, в последние десятилетия также ускорились.

Содержание закиси азота в атмосфере выросло более чем на 20 % по сравнению с базовым уровнем около 270 частей на миллиард в 1750 году.

• 

  Оксид азота (N₂O), измеренный в ходе эксперимента Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) в нижних слоях атмосферы (тропосфере) на станциях по всему миру. Содержание указано как среднемесячная молярная доля в частях на миллиард без учёта загрязнения

• 

  Концентрация закиси азота в атмосфере с 1978 года

• 

  Ежегодный прирост содержания закиси азота в атмосфере с 2000 года

• 

  Бюджет закиси азота на Земле по данным Глобального углеродного проекта (2020)

Важные атмосферные свойства N₂O представлены в следующей таблице:

Собственность	Значение
Потенциал разрушения озонового слоя (ПРОС)	0.017 (CCl3F = 1)
Потенциал глобального потепления (ПГП: 100-летний период)	273 (CO2 = 1)
Срок службы в атмосфере	116 ± 9 лет

В 2022 году МГЭИК сообщила, что: «Антропогенное нарушение естественного цикла азота в результате использования синтетических удобрений и навоза, а также осаждение азота в результате наземного земледелия и сжигания ископаемого топлива стало крупнейшей причиной увеличения содержания N₂O в атмосфере на 31,0 ± 0,5 ppb (10 %) в период с 1980 по 2019 год».

Источники выбросов

В 2007—2016 годах в среднем на планете за год выбрасывалось 17,0 (от 12,2 до 23,5) млн тонн в N₂O. Около 40 % выбросов приходится на долю человека, а остальные является частью естественного круговорота азота.

Основными компонентами антропогенных выбросов являются удобренные сельскохозяйственные почвы и навоз домашнего скота (42 %), стоки и выщелачивание удобрений (25 %), сжигание биомассы (10 %), сжигание ископаемого топлива и промышленные процессы (10 %), биологическая деградация других азотсодержащих атмосферных выбросов (9 %) и сточные воды человека (5 %).

Среди промышленных выбросов крупнейшим источником выбросов закиси азота является производство азотной кислоты и адипиновой кислоты. Выбросы адипиновой кислоты происходят в результате разложения нитроловой кислоты, образующейся при нитровании циклогексанона.

Воздействие на окружающую среду

Глобальный учёт источников и поглотителей N₂O за десятилетие, закончившееся в 2016 году, показывает, что около 40 % из среднегодовых 17 ТгN/год (тераграммов, или миллионов метрических тонн, азота в год) выбросов были вызваны деятельностью человека, и что рост выбросов в основном связан с развитием сельского хозяйства.

Тенденции изменения концентрации долгоживущих парниковых газов в атмосфере

Закись азота обладает значительным потенциалом глобального потепления как парниковый газ. Если рассматривать каждую молекулу в отдельности за 100-летний период, то окажется, что закись азота в 265 раз сильнее удерживает тепло в атмосфере, чем углекислый газ (CO₂). Однако из-за его низкой концентрации (менее 1/1000 от концентрации CO₂) его вклад в парниковый эффект составляет менее трети от вклада углекислого газа, а также меньше, чем у метана. С другой стороны, поскольку около 40 % N₂O, попадающего в атмосферу, является результатом деятельности человека, контроль над выбросами закиси азота является частью усилий по сдерживанию выбросов парниковых газов.

Повышение концентрации закиси азота в атмосфере могло стать одной из причин чрезвычайно сильного глобального потепления во время граничного между сеноманом и туром события.

Закись азота также причастна к истончению озонового слоя. Исследование, проведённое в 2009 году, показало, что выбросы N₂O являются самым важным фактором, разрушающим озоновый слой, и ожидается, что они останутся самыми значительными в XXI веке.

Примечания

Литература

• Леонтьев А. В., Фомичёва 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.