一氧化二氮

一氧化二氮（Diazo   oxide），又名一氧化二氮，一種重要的氮氧化物，俗稱“笑氣”，能讓人感到快樂，讓人發(fā)笑。其化學(xué)式為N2O，常溫下為無色氣體，有微甜氣味。

N2O是一種空氣污染物，在一定條件下可以支持燃燒。除了濕地等自然來源，還來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和燃料燃燒將導(dǎo)致臭氧層的破壞、溫室效應(yīng)增加。

N2O能溶于水、乙醇、乙醚和濃硫酸可用作化學(xué)合成的催化劑；它還具有麻醉作用，因此可用于醫(yī)療領(lǐng)域，以減輕患者的痛苦；它還可以用于軍事工業(yè)和其他領(lǐng)域，如作為航天器的推進劑。但過量或長期使用N2O對人體神經(jīng)系統(tǒng)有害、血液系統(tǒng)、精神系統(tǒng)的危害會逐漸明顯，甚至引起窒息死亡。

1772年，英國化學(xué)家約瑟夫·普利斯特利（Joseph   priestley）實驗中首次發(fā)現(xiàn)了N2O；1798年，貝多通過吸入這種氣體來治療肺結(jié)核和其他肺部疾病。1799年，另一位英國化學(xué)家漢弗萊·戴維（ H.Davy）發(fā)現(xiàn)吸入 N2O 可引起快感和眩暈，故該氣體得名“ 笑氣”

1800年，漢弗萊·戴維(Humphrey   David)出版了一本關(guān)于N2O的書，書中有一段話：氧化亞氮可以用于人體手術(shù)，因為它可以消除身體疼痛”

亨利·希爾·希克曼出生于1800年，畢業(yè)于皇家醫(yī)學(xué)院，獲得碩士學(xué)位s學(xué)位當(dāng)他在什羅普郡的德洛當(dāng)醫(yī)生時，他看到了病人的痛苦，想減輕病人的痛苦，于是他嘗試使用CO2、在動物手術(shù)中使用N2O時，發(fā)現(xiàn)它能有效地減輕動物的痛苦。他想將這種方法應(yīng)用于人體，但英國專業(yè)人士嘲笑這項工作，并譴責(zé)它是危險和無用的他把這一發(fā)現(xiàn)交給了巴黎的皇家醫(yī)學(xué)院，卻沒有得到任何回復(fù)。后來他失望地回到英國，29歲就去世了。

直到1844年，N2O才被明確而肯定地用作全身麻醉劑，N2O 成為威爾士拔牙的首選藥物。1881年，它在波蘭首次被用作分娩止痛劑；1993年研制出混合氮氣和氨氣的雙罐設(shè)備，使得N2O的使用更加方便。

N2O

N2O對人體有鎮(zhèn)痛作用、麻醉、抗焦慮等有益作用，但也會上癮，過量吸煙會導(dǎo)致缺氧，甚至心臟驟停等癥狀。

毒性機理

 N2O有成癮性，吸食后對人體有害。主要是因為它比氧氣更易溶于水，一旦吸入，會比氧氣更快地通過肺泡基底膜擴散，然后迅速進入血液，造成肺泡內(nèi)氧氣量的稀釋。肺泡內(nèi)氧張力的降低會導(dǎo)致向大腦輸送的氧氣減少健康的人可以在通風(fēng)良好的空間中忍受這種類型的缺氧，但他們會患癲癇、患有心臟病或其他并發(fā)癥的人可能會癲癇發(fā)作、心律不齊甚至呼吸或心跳停止。

藥理作用

N2O的鎮(zhèn)痛機制尚不清楚一種觀點認為，N2O會增加人體內(nèi)的內(nèi)啡肽、多巴胺促進大腦和脊髓中其他阿片類物質(zhì)的釋放，阿片類物質(zhì)通過-氨基丁酸（GABA）中間神經(jīng)元等機制可以解除下行抑制通路上的緊張抑制，抑制脊髓水平傷害感受的信號處理和上傳，從而實現(xiàn)N2O的鎮(zhèn)痛作用。在N2O鎮(zhèn)痛的臨床應(yīng)用中，一般溶解度為50%左右。

N2O是一種非特異性氮-甲基天門冬氨酸（NMDA）受體阻滯劑可以抑制NMDA谷氨酸受體，消除其在神經(jīng)系統(tǒng)中的興奮性，從而達到麻醉作用。并且N2O的血/氣分配系數(shù)較低（47）因此其在血液中的溶解度很低，麻醉誘導(dǎo)和麻醉后患者蘇醒較快。N2O也有抗焦慮作用，其機制類似于苯二氮卓類藥物。

健康危害

當(dāng)人們吸入N2O時，主要是從壓縮空氣罐中直接吸入，容易導(dǎo)致嚴重的肺損傷，甚至死亡。在缺氧的情況下，大量或反復(fù)吸入N2O會導(dǎo)致嚴重缺氧和頭暈、暈厥、低血壓甚至心臟病發(fā)作，主要是由于大量或反復(fù)攝入N2O導(dǎo)致人體缺乏維生素B12長期大量攝入還會引起貧血和中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，導(dǎo)致腦功能損害、癱瘓，甚至死亡。

長期接觸N2O會造成DNA損傷DNA損傷的程度與環(huán)境空氣中N2O的水平呈正相關(guān)，還會對生殖系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，表現(xiàn)為生育能力下降、自然流產(chǎn)和出生缺陷。另外，過量使用N2O會引起精神癥狀，常見的精神癥狀是偏執(zhí)、認知障礙、焦慮、抑郁癥等。

從2011年到2020年，全球平均N2O排放總量為17.2TgN/年，包括12.0TgN/年來自陸地、5.2TgK/年來自海洋。到2021年，全球大氣N2O濃度將達到334.5±0.1ppb，大氣中N2O溶解度增加的主要來源是自然源（海洋、森林和稀樹草原），其次是人力資源（發(fā)電廠、廢水處理廠、內(nèi)燃機與硝酸生產(chǎn)）

自然來源

N2O的天然來源主要來自土壤中的微生物分解，NO是微生物分解過程中復(fù)雜有機物硝化反硝化的結(jié)果。

形成的N2O進入大氣，會增強溫室效應(yīng)；還會被微生物進一步利用，轉(zhuǎn)化為分子氮，對大氣影響小。在變化的氣候條件下，如冬季土壤融化，夏季土壤潮濕，N2O釋放最多，因為夏季干旱時，由于反硝化作用不完全，降雨幾小時到幾天后，N2O釋放可能急劇增加。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施入土壤的氮肥被微生物硝化、反硝化作用分解產(chǎn)生N2O，土壤中N2O的排放還受土壤性質(zhì)和耕作方式的影響。

人為來源

人為來源首先包括化石燃料（如煤、石油、天然氣等）在高溫下，氮氣和氧氣反應(yīng)生成N2O。此外，燃料中燃燒含氮物質(zhì)會產(chǎn)生氮氧化物，也會造成空氣污染。和各種內(nèi)燃機燃料（如汽油、柴油等）燃燒也會產(chǎn)生N2O。人為來源還包括工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中N2O的主要來源是硝酸和己二酸的生產(chǎn)，廢水處理也會產(chǎn)生N2O。

生產(chǎn)制備

傳統(tǒng)的N2O制備工藝主要包括氨氧化、硝酸鹽-用濃硫酸處理尿素、NO還原法和硝酸銨熱分解法。

氨氧化法

氨氧化法是以氨為原料這種方法利用不同的溫度，遵循不同的反應(yīng)路徑，生成不同氧化程度的含氮產(chǎn)物，從高到低依次為N2、N2O和NO，N2O會在更高的溫度下開始出現(xiàn)。氨氧化產(chǎn)物通過與液氨熱交換而冷卻，并分離出N2、用堿性水溶液和含高錳酸鉀的水溶液除去不凝性氣體N2ONO和氨水氮氧化物，用水洗滌產(chǎn)物吸收N2O，除去N2和O2，最后從含N2O的高壓水中釋放壓力，分離出高溶解度的N2O氣體。

2NH3   2O2→N2O 3H2O

硝酸銨熱分解法

在工業(yè)上，硝酸銨的熱分解是制備N2O的最常見和最經(jīng)典的方法之一硝酸銨一般在250℃加熱制備，硝酸銨中加入一定量的磷酸鹽，有利于在稍低的溫度下獲得純凈的N2O。在實驗室制備N2O時，由于硝酸銨在高溫下容易爆炸，所以主要通過加入硝酸銨和硝酸鈉的混合物來制備。

nh4no 3→N2O    2 H2O    36.8KJ/mol

NO還原法

工業(yè)上常采用NO還原法制備N2O反應(yīng)在氣相中進行，通過控制原料氣的溶解比，NO還原反應(yīng)的溫度一般控制在200 ~ 450℃。首先，氨氧化產(chǎn)生含有N2O和其他氮氧化物的氣體混合物，然后引入還原氣體以將其中的NO或NO2還原成N2O。

2NO   H2→2N2O H2O

2no     co→2n2o     CO2

硝酸鹽—用濃硫酸處理尿素

尿素主要溶解在濃硫酸中，向所得溶液中緩慢加入硝酸，保持溶液在40℃~ 100℃的反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，得到N2O等混合氣體，再用堿性溶液洗滌除去酸性雜質(zhì)，從而分離N2O。

N2O在室溫下相對穩(wěn)定N2O是一種線性分子，其中一個氧原子與一個氮原子相連，第二個氮原子與氧原子相連對于N=N和N=O，N2O的鍵長分別為1.24埃（?）和1.21埃（?）N2O分子的結(jié)構(gòu)可用A和b的共振形式來描述。N2O分子的偶極矩較低，為0.161D，主要原因是A和B共振形式中的電荷分布是相反的，其N-N鍵長為1.128比標準N=N鍵（1.24?）比N≡N鍵短很多（1.10?）長的不顯著。N-O鍵長為1.184雙鍵與標準n=O（1.21?）非常相似，因此，N2O中的N-N和N-O鍵序分別為2.73和1.61。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

N2O有顯著的鎮(zhèn)痛作用、抗焦慮和麻醉作用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要用作吸入麻醉劑。醫(yī)生經(jīng)常用氧化亞氮來解除病人的分娩痛苦、創(chuàng)傷、口腔手術(shù)等引起的疼痛。它還可以緩解疼痛，因為它可以刺激內(nèi)源性阿片類藥物的釋放，從而阻斷疼痛信號的傳遞。其次，N2O 由于其相對無害的特性，可以作為治療毒癮的藥物。

食物領(lǐng)域

在食品工業(yè)中，N2O可用于食品冷卻、冷凍和儲存，也用作食品防腐劑、食品添加劑、推進劑和包裝氣體。N2O作為一種食品防腐劑，可以抑制果實中乙烯的產(chǎn)生，減少一些躍變型和非躍變型果實腐爛病的發(fā)生因此，N2O可以用作水果的保鮮作用和噴施劑；作為食品推進劑，主要用于餐飲行業(yè)，比如攪拌、發(fā)泡和鮮奶油制備的推進劑。

軍工領(lǐng)域

N2O在一定溫度下能快速生成氮氣等氣體，可以提高燃燒效率它可以以相對較高的密度儲存，像液體一樣長期儲存在航天器上因此，它可以用作航天器的推進劑。

合成化學(xué)領(lǐng)域

N2O 在有機和無機合成化學(xué)中可用作氧化劑或氮原子供體。N2O是強氧化劑，但化學(xué)惰性高，限制了其化學(xué)反應(yīng)活性。N2O可用于過渡金屬的催化氧化、可用作氮原子供體，合成更復(fù)雜的分子。

汽車領(lǐng)域

N2O可以應(yīng)用于機動車，改變內(nèi)燃機的性能特征當(dāng)含N2O的物質(zhì)和燃料噴入發(fā)動機時，會降低發(fā)動機空氣的溫度，增加氧含量，最重要的是增加燃料在發(fā)動機內(nèi)燃缸中的燃燒率。

物理性質(zhì)

正常情況下，N2O是一種無色氣體，有淡淡的宜人氣味和甜味，是空氣中的常量成分。液態(tài)時，需要儲存在有一定壓力的鋼瓶里，液態(tài)N2O在里面-在40℃~25℃的溫度范圍內(nèi)，比容電阻為2.5×1014~3.5×1014歐姆，也是電介質(zhì)。N2O的分子量是44.01，在0℃和0.1MPa下的分子體積為22.251。N2O是線性不對稱結(jié)構(gòu)：N≡N=O，N2O的電離勢為12.6eV，N≡N鍵的功率常數(shù)為18.2，N=O鍵的功率常數(shù)為12.

在一定壓力下，N2O可以溶解在有機溶劑中，如丙酸、乙醇等溶劑，但也溶解在一些無機鹽溶液中，如氯化物、硫化物、亞硝酸鹽溶液。

化學(xué)性質(zhì)

N2O在環(huán)境條件下是一種惰性化合物-它在50℃至50℃的溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。N2O不與水、酸和堿的溶液發(fā)生反應(yīng)，但在一定壓力下可以溶于水5℃時，在水中的溶解度為1.048；20℃時，在水中的溶解度為0.629。它以相應(yīng)的不穩(wěn)定亞硝酸H2N2O的形式溶于水，很容易分解為水和N2O。

2 H2 N2 o  = 2 N2 o     H2O

Nitrous oxide is not affected by potassium permanganate、Cl2O等強氧化劑在正常情況下不與O2反應(yīng)，但N2O在O2中加熱超過500℃時被點燃氧化。

2n2o    3 o 2 = 4 no 2   26.6KJ/mol

N2O也能與堿和堿土金屬以及一些過渡金屬反應(yīng)（Fe、Co 、Cr等）發(fā)生發(fā)應(yīng)。

N2O     Fe  =  FeO     N2.6 KJ/mol

N2O與氫氣、氨氣、碳氧化物與碳氫化合物反應(yīng)釋放出更多的熱量。