N2 o2 какие свойства
Запрос «Веселящий газ» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
| Оксид азота(I) | |
|---|---|
| Систематическое наименование | Оксонитрид азота(I) |
| Хим. формула | N2O |
| Состояние | бесцветный газ |
| Молярная масса | 44,0128 г/моль |
| Плотность | 1,98 г/л (при н. у.) |
| Энергия ионизации | 12,89 ± 0,01 эВ[1] |
| Температура | |
| • плавления | -90,86 °C |
| • кипения | -88,48 °C |
| Давление пара | 51,3 ± 0,1 атм[1] |
| Рег. номер CAS | 10024-97-2 |
| PubChem | 948 |
| Рег. номер EINECS | 233-032-0 |
| SMILES | N#[N+][O-] |
| InChI | 1S/N2O/c1-2-3 GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N |
| Кодекс Алиментариус | E942 |
| RTECS | QX1350000 |
| ChEBI | 17045 |
| ChemSpider | 923 |
| NFPA 704 | 2 OX |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
| Медиафайлы на Викискладе | |
Окси́д азо́та(I) (оксид диазота, закись азота, веселящий газ) — соединение с химической формулой N2O. Иногда называется «веселящим газом» из-за производимого им опьяняющего эффекта, приступов смеха. При нормальной температуре это бесцветный негорючий газ с приятным сладковатым запахом и привкусом. Закись азота является третьим по значимости долгоживущим парниковым газом, накопление которого в атмосфере Земли и есть одна из основных причин глобального потепления, т.к. N2O является веществом, которое разрушает стратосферный озон.[2]
История[править | править код]
Впервые был получен в 1772 году Джозефом Пристли, который назвал его «дефлогистированным нитрозным воздухом»[3]. В 1799 г. его исследовал Г. Дэви.
Строение молекулы[править | править код]
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[править | править код]
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 5150 кПа.
Химические свойства[править | править код]
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:
При взаимодействии с сильными окислителями N2O может проявлять свойства восстановителя:
При нагревании N2O разлагается:
Оксид азота(I) реагирует с амидами металлов с образованием соответствующих неорганических азидов:
При взаимодействии аммиака над катализатором образуется азид аммония:
Получение[править | править код]
Оксид азота(I) получают осторожным (опасность взрывного разложения!) нагреванием сухого нитрата аммония:
Более удобным способом является нагревание сульфаминовой кислоты с 73%-й азотной кислотой:
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[править | править код]
Закись азота образуется как при ферментативном, так и при неферментативном восстановлении из окиси азота (II)[4]. В опытах in vitro было обнаружено, что закись азота образуется при реакции между окисью азота (II) и тиолом или тиол-содержащими соединениями[5]. Сообщается, что образование N2O из окиси азота было обнаружено в цитозоле гепатоцитов, что заставляет предполагать возможное образование этого газа в клетках млекопитающих в физиологических условиях[6]. В организме бактерий закись азота образуется в ходе процесса, называемого денитрификацией, и 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[7]. Также закись азота ингибирует биосинтез метионина, угнетая активность метионин-синтетазы и скорость превращения гомоцистеина в метионин и повышая концентрацию гомоцистеина в культурах лимфоцитов[8] и в биоптатах человеческой печени[9]. 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[10]. Способность закиси азота нековалентно, обратимо изменять структуру и функции гемосодержащих белков была показана исследованием сдвига инфракрасных спектров тиоловых групп цистеинов гемоглобина[11] и тем, что закись азота способна частично и обратимо ингибировать функцию цитохромоксидазы C[12]. 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[7] и опиоидной системы[13][14]. Обладает нейротоксическими свойствами.
Применение[править | править код]
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[править | править код]
Малые концентрации закиси азота вызывают лёгкое опьянение (отсюда название — «веселящий газ»). 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 миорелаксацию дитилином.
Закись азота, предназначенная для медицинских нужд (высокой степени очистки от примесей), не вызывает раздражения дыхательных путей. Будучи, в процессе вдыхания, растворенной 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 рауш-наркоза) 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 2509 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 применением, 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 в B12 развивается полинейропатия вызванная дефицитом B12. Эффект описан в работах[15][16] и др. Необходима терапия фолатами и B12.
В двигателях внутреннего сгорания[править | править код]
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[править | править код]
Иногда используется в качестве окислителя в однокомпонентном топливе с этаном, этиленом или ацетиленом в качестве топлива.
В пищевой промышленности[править | править код]
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[править | править код]
- ↑ 1 2 https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0465.html
- ↑ Thompson, R.L., Lassaletta, L., Patra, P.K. et al. Acceleration of global N2O emissions seen from two decades of atmospheric inversion. Nat. Clim. Chang. (2019) doi:10.1038/s41558-019-0613-7
- ↑ Joseph Priestly. Experiments and observations on different kinds of air. — Vol. 1. — 1775.
- ↑ Neil Hogg, Ravinder J. Singh, B. Kalyanaraman. The role of glutathione in the transport and catabolism of nitric oxide. (англ.) // FEBS Letters (англ.)русск. : journal. — 1996. — 18 March (vol. 382, no. 3). — P. 223—228. — doi:10.1016/0014-5793(96)00086-5. — PMID 8605974.
- ↑ DeMaster E. G., Quast B. J., Redfern B., Nagasawa HT. Reaction of nitric oxide with the free sulfhydryl group of human serum albumin yields a sulfenic acid and nitrous oxide. (англ.) // Biochemistry : journal. — 1995. — 12 September (vol. 34, no. 36). — P. 11494—11499. — PMID 7547878.
- ↑ Jinjoo Hyun, Gautam Chaudhuri, Jon M. Fukuto. The Reductive Metabolism of Nitric Oxide in Hepatocytes: Possible Interaction with Thiols (англ.) // Drug Metabolism & Disposition (англ.)русск. : journal. — 1999. — 1 September (vol. 27, no. 9). — P. 1005—1009. — PMID 10460799.
- ↑ 1 2 Jevtović-Todorović V., Todorović S. M., Mennerick S., Powell S., Dikranian K., Benshoff N., Zorumski C. F., Olney JW. Nitrous oxide (laughing gas) is an NMDA antagonist, neuroprotectant and neurotoxin. (англ.) // Nat Med : journal. — 1998. — April (vol. 4, no. 4). — P. 460—463. — PMID 9546794.
- ↑ Christensen B., Refsum H., Garras A., Ueland PM. Homocysteine remethylation during nitrous oxide exposure of cells cultured in media containing various concentrations of folates. (англ.) // J Pharmacol Exp Ther. (англ.)русск. : journal. — 1992. — June (vol. 261, no. 3). — P. 1096—1105. — PMID 1602376.
- ↑ Koblin D. D., Waskell L., Watson J. E., Stokstad E. L., Eger EI 2nd. Nitrous oxide inactivates methionine synthetase in human liver. (англ.) // Anesth Analg (англ.)русск. : journal. — 1982. — February (vol. 61, no. 2). — P. 75—78. — PMID 7198880.
- ↑ Vijaya Sampath, Xiao-Jian Zhao, and Winslow S. Caughey. Anesthetic-like interactions of nitric oxide with albumin and hemeproteins. A mechanism for control of protein function. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 2001. — 27 April (vol. 276, no. 17). — P. 13635—13643. — doi:10.1074/jbc.M006588200. — PMID 11278308.
- ↑ Aichun Dong, Ping Huang, Xiao-Jian Zhao, Vijaya Sampath, and Winslow S. Caughey. Characterization of sites occupied by the anesthetic nitrous oxide within proteins by infrared spectroscopy. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 1994. — 30 September (vol. 269, no. 39). — P. 23911—23917. — PMID 7929038.
- ↑ Olof Einarsdottir, Winslow S. Caughey. Interactions of the anesthetic nitrous oxide with bovine heart cytochrome c oxidase. Effects on protein structure, oxidase activity, and other properties. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 1988. — 5 July (vol. 263, no. 19). — P. 9199—9205. — PMID 2837481.
- ↑ Gillman M. A., Lichtigfeld FJ. Nitrous oxide acts directly at the mu opioid receptor. (англ.) // Anesthesiology (англ.)русск. : journal. — Lippincott Williams & Wilkins (англ.)русск., 1985. — March (vol. 62, no. 3). — P. 375—376. — PMID 2983587.
- ↑ Gillman M. A., Lichtigfeld FJ. A comparison of the effects of morphine sulphate and nitrous oxide analgesia on chronic pain states in man. (англ.) // J Neurol Sci (англ.)русск. : journal. — 1981. — January (vol. 49, no. 1). — P. 41—45. — PMID 7205318.
- ↑ I Chanarin. Cobalamins and nitrous oxide: a review. // Journal of Clinical Pathology. — 1980-10. — Т. 33, вып. 10. — С. 909—916. — ISSN 0021-9746.
- ↑ R. B. Layzer. Myeloneuropathy after prolonged exposure to nitrous oxide // The Lancet. — Elsevier, 1978-12-09. — Т. 2, вып. 8102. — С. 1227—1230. — ISSN 0140-6736.
Литература[править | править код]
- 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.
- Закись азота // Лекарственные средства / М. Д. Машковский. — Справочник Машковского on-line.
Уравнения окислительно-восстановительных реакций оксидов азота…
Азот образует несколько оксидов:
- солеобразующие оксиды:
- N2O3 — оксид азота (III)
- NO2 — оксид азота (IV)
- N2O4 — димер оксида азота (IV)
- N2O5 — оксид азота (V)
- несолеобразующие оксиды:
- N2O — оксид азота (I)
- NO — оксид азота (II)
Все оксиды азота, за исключением N2O, являются ядовитыми веществами.
Оксид азота N2O (I)
Строение молекулы линейное:
— +
N=N=O
N2O (I) — бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом.
- растворяется в воде, но не реагирует с ней;
- разлагается при слабом нагревании:
2N2O → 2N2+O2 - реагирует с водородом со взрывом:
N2O+H2 → N2+H2O - получают разложением нитрата аммония:
NH4NO3 → N2O+2H2O - применяют в смеси с кислородом в качестве «веселящего газа», как средство общего наркоза в медицине, а также для получения азидов:
N2O+NaNH2 → NaN3+H2O
Оксид азота NO(II)
Молекула имеет вид:
·N=O
Оксид азота NO(II) димеризуется (образуется новое вещество путём соединения двух структурных элементов) только при низких температурах.
- Бесцветный газ, без запаха.
- Малорастворим в воде.
- Легко окисляется на воздухе с образованием диоксида азота:
2NO+O2=2NO2. - Взаимодействует с другими окислителями (CrO3,Cl2, KMnO4).
- Реагирует с активными металлами, водородом:
K+NO=KNO
2NO+2H2=N2+2H2O
NO(II) содержится в выхлопных газах автомобилей с двигателями внутреннего сгорания — проходя через каталитический конвертор, состоящий из нагретых до высокой температуры керамических ячеек, оксиды азота восстанавливаются, а СО окисляется:
2NO+2CO → N2+2CO2
В природе NO(II) образуется во время грозы в результате взаимодействия азота с кислородом при высокой температуре:
N2+O2=2NO.
В промышленных целях NO(II) получают каталитическим окислением аммиака (в роли катализатора используется платина):
4N-3H3+5O20 → 4N+2O-2+6H2O
В лабораторных условиях NO(II)получают действием разбавленной азотной кислотой на медь:
3Cu0+8HN+5O3 = 3Cu+2(NO3)2+2N-2O↑+4H2O
Монооксид азота используют для получения азотной кислоты.
Оксид азота N2O3(III)
Строение молекулы:
Связь N+-O- образована по донорно-акцепторному механизму.
Оксид азота N2O3(III) при н.у. является темно-синей жидкостью. При низких температурах (ниже -100°C) кристаллизуется.
Оксид азота N2O3(III) является кислотным оксидом, в значительной степени диссоциирует и реагирует со щелочами:
N2O3 ↔ NO2+NO
N2O3+2NaOH = 2NaNO2+H2O
Оксид азота N2O3(III) взаимодействует с водой с образованием азотистой кислоты:
N2O3+H2O = 2HNO2
Азотистая кислота является слабой кислотой, и существует только в водном растворе.
Соли азотистой кислоты — нитриты NaNO2, KNO2 являются устойчивыми соединениями, проявляя, как кислотные, так и восстановительные свойства, поскольку атом азота в них имеет «среднее» значение степени окисления (+3).
Оксид азота NO2(IV)
Строение молекулы:
Связи N-O располагаются под углом друг к другу, при этом они носят промежуточный «полуторный» характер, при этом имеется еще и один неспаренный электрон, как и у NO (см. выше).
При н.у. оксид азота NO2(IV) является ядовитым газом (хорошо растворимым в воде) бурого цвета, с характерным запахом.
Оксид азота NO2(IV) — смешанный оксид, ему соответствуют две кислоты: азотистая и азотная, поэтому, реакция взаимодействия с водой имеет следующий вид:
2N+4O2+H2O = HN+3O2+HN+5O3
При нагревании до 50°C неустойчивая азотистая кислота не образуется:
3NO2+H2O = 2HNO3+NO
На воздухе NO2 взаимодействует с водой с образованием только азотной кислоты:
4N+4O2+O20+2H2O ↔ 4HN+5O3-2
Оксид азота NO2(IV) взаимодействует с растворами щелочей с образованием воды и двух солей — нитрата и нитрита:
2N+4O2+2NaOH = NaN+3O2+NaN+5O3+H2O
В избытке кислорода образуется только нитрат натрия:
4N+4O2+4NaOH+O20 = 4NaN+5O3-2+2H2O
При температуре ниже 22°C молекулы оксида азота NO2(IV) легко соединяются попарно (димеризуются), в результате чего образуется бесцветная жидкость, превращающаяся в кристаллы при дальнейшем охлаждении до температуры ниже -10,2°C.
В промышленных условиях оксид азота NO2(IV) получают путем окисления NO кислородом:
2NO+O2=2NO2
В лабораторных условиях оксид азота NO2(IV) получают окислением меди азотной кислотой (концентрированной), либо разложением нитрата свинца (меди):
Cu+4HNO3(конц) = Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
2Pb(NO3)2 = 2PbO+4NO2↑+O2↑
Оксид азота NO2(IV) применяют в производстве азотной кислоты.
Оксид азота N2O5(V)
Строение молекулы:
Связи N+-O- образуются по донорно-акцепторному механизму: атом азота отдает электрон, играя роль донора и приобретая положительный заряд, атом кислорода присоединяет электрон, выступая в роли акцептора и приобретая отрицательный заряд. Атомы азота проявляют степень окисления +5 (валентность 4).
Оксид азота N2O5(V) (азотный ангидрид, пентаоксид диазота) является кристаллическим веществом белого цвета, легко разлагающееся при нормальных условиях:
2N2O5 = 4NO2+O2
Оксид азота N2O5(V) является кислотным оксидом, который при растворении в воде образует азотную кислоту:
N2O5+H2O = 2HNO3
Оксиды азота N2O3 и N2O5 практического применения не имеют.
Другие соединения азота:
- Аммиак
- Азотная кислота