Оксид азота(I)

Впервые был получен в 1772 году Джозефом Пристли, который назвал его «дефлогистированным нитрозным воздухом»^[6]. В 1799 году его исследовал английский химик Гемфри Дэви.

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.

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.

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:

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

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

При взаимодействии с сильными окислителями N₂O 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 N₂O 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:

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

Закись азота образуется как при ферментативном, так и при неферментативном восстановлении из окиси азота (II)^[7]. 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^[8]. Также закись азота ингибирует биосинтез метионина, угнетая активность метионин-синтетазы и скорость превращения гомоцистеина в метионин и повышая концентрацию гомоцистеина в культурах лимфоцитов^[9] и в биоптатах человеческой печени^[10]. 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^[11]. Способность закиси азота нековалентно, обратимо изменять структуру и функции гемосодержащих белков была показана исследованием сдвига инфракрасных спектров тиоловых групп цистеинов гемоглобина^[12] и тем, что закись азота способна частично и обратимо ингибировать функцию цитохромоксидазы C^[13]. Точные механизмы этого нековалентного взаимодействия закиси азота с гемосодержащими белками и биологическое значение этого явления заслуживают дальнейших исследований. Обладает нейротоксическими свойствами.

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.

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^[14]. Темпы роста, составляющие около 1 части на миллиард в год, в последние десятилетия также ускорились^[15].

Содержание закиси азота в атмосфере выросло более чем на 20 % по сравнению с базовым уровнем около 270 частей на миллиард в 1750 году^[16].

Важные атмосферные свойства N₂O представлены в следующей таблице:

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»^[20].

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^[21][22].

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 %)^[23][24].

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^[25][26][27].

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^[28].

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^[29]. 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^[30].

Повышение концентрации закиси азота в атмосфере могло стать одной из причин чрезвычайно сильного глобального потепления во время граничного между сеноманом и туром события^[31].

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^[32].