Оксид азота - Nitrous oxide

Канонические формы закиси азота
Шаровидная модель с длиной скрепления
Модель закиси азота, заполняющая пространство
Имена
Название ИЮПАК
Оксид азота
Другие имена
Веселящий газ, сладкий воздух, закись азота, перекись азота, окись азота, окись азота
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
8137358
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.030.017 Отредактируйте это в Викиданных
Номер E E942 (глазурь, ...)
2153410
КЕГГ
Номер RTECS
UNII
Номер ООН 1070 (сжатый)
2201 (жидкий)
  • InChI = 1S / N2O / c1-2-3 проверитьY
    Ключ: GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N проверитьY
  • InChI = 1 / N2O / c1-2-3
  • InChI = 1 / N2O / c1-2-3
    Ключ: GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYAP
  • N # [N +] [O-]
  • [N -] = [N +] = O
Характеристики
N
2
О
Молярная масса 44,013 г / моль
Появление бесцветный газ
Плотность 1,977 г / л (газ)
Температура плавления -90,86 ° С (-131,55 ° F, 182,29 К)
Точка кипения -88,48 ° С (-127,26 ° F, 184,67 К)
1,5 г / л (15 ° С)
Растворимость растворим в спирте , эфире , серной кислоте
журнал P 0,35
Давление газа 5150 кПа (20 ° C)
−18,9 · 10 −6 см 3 / моль
1.000516 (0 ° C, 101,325 кПа)
Вязкость 14,90 мкПа · с
Состав
линейный, C ∞v
0,166 Д
Термохимия
219,96 Дж / (К · моль)
+82,05 кДж / моль
Фармакология
N01AX13 ( ВОЗ )
Вдыхание
Фармакокинетика :
0,004%
5 минут
Респираторный
Опасности
Паспорт безопасности Ilo.org , ICSC 0067
Пиктограммы GHS GHS04: Сжатый газ GHS03: Окисляющий GHS07: Вредно
NFPA 704 (огненный алмаз)
2
0
0
точка возгорания Не воспламеняется
Родственные соединения
Связанные оксиды азота
Оксид азота
Трехокись
азота
Двуокись азота Четырехокись азота Пятиокись азота
Родственные соединения
Азид аммиачной селитры
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Закись азота , широко известная как веселящий газ , закись азота или н.у. , представляет собой химическое соединение , оксид азота с формулой N
2
O
. При комнатной температуре это бесцветный негорючий газ с легким металлическим запахом и вкусом. При повышенных температурах закись азота является мощным окислителем, подобным молекулярному кислороду.

Закись азота широко используется в медицине , особенно в хирургии и стоматологии , благодаря своим обезболивающим и обезболивающим эффектам. Его разговорное название «веселящий газ», придуманное Хамфри Дэви , связано с эйфорическим эффектом при его вдыхании, что привело к его использованию в рекреационных целях в качестве диссоциативного анестетика. Он включен в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения - самые безопасные и эффективные лекарства, необходимые в системе здравоохранения . Он также используется в качестве окислителя в ракетном топливе и в автоспорте для увеличения выходной мощности двигателей .

Концентрация закиси азота в атмосфере достигла 333  частей на миллиард (ppb) в 2020 году, ежегодно увеличиваясь примерно на 1 ppb. Он является основным поглотителем стратосферного озона , его воздействие сопоставимо с воздействием ХФУ . Глобальный учет N
2
Источники и поглотители O за десятилетие, заканчивающееся 2016 г., указывает на то, что около 40% из средних 17 ТгN / год ( тераграммов азота в год) связаны с деятельностью человека, и показывает, что рост выбросов в основном связан с расширением источников сельского хозяйства и промышленности в странах с формирующимся рынком. экономики. Закись азота, являясь третьим по значимости долгоживущим парниковым газом , также вносит существенный вклад в глобальное потепление .

Использует

Ракетные двигатели

Закись азота может использоваться в качестве окислителя в ракетном двигателе. Он имеет преимущества перед другими окислителями в том, что он намного менее токсичен, а из-за его стабильности при комнатной температуре его также легче хранить и относительно безопасно выполнять в полете. В качестве вторичного преимущества он может легко разлагаться с образованием воздуха для дыхания. Его высокая плотность и низкое давление хранения (при поддержании низкой температуры) позволяют ему быть очень конкурентоспособными с системами хранения газа высокого давления.

В патенте 1914 года американский пионер ракет Роберт Годдард предложил закись азота и бензин в качестве возможных пропеллентов для жидкостных ракет. Закись азота является предпочтительным окислителем в нескольких конструкциях гибридных ракет (использующих твердое топливо с жидким или газообразным окислителем). Комбинация закиси азота с полибутадиеновым топливом с концевыми гидроксильными группами использовалась SpaceShipOne и другими. Он также широко используется в любительской ракетной технике и ракетной технике большой мощности с различными пластиками в качестве топлива.

Закись азота также может использоваться в монотопливной ракете . В присутствии нагретого катализатора , N
2
O
будет экзотермически разлагаться на азот и кислород при температуре приблизительно 1070 ° F (577 ° C). Из-за большого тепловыделения каталитическое действие быстро становится вторичным, поскольку термическое саморазложение становится преобладающим. В вакуумном двигателе это может обеспечить удельный импульс монотоплива ( I sp ) до 180 с. Несмотря на то, что он заметно меньше I sp, доступного от гидразиновых двигателей (монотопливо или двухкомпонентное топливо с тетроксидом диазота ), пониженная токсичность делает закись азота вариантом, заслуживающим изучения.

Считается, что закись азота сгорает при температуре около 600 ° C (1112 ° F) и давлении 309 фунтов на квадратный дюйм (21 атмосфера). Например, при 600  фунтах на квадратный дюйм необходимая энергия зажигания составляет всего 6 джоулей, тогда как N
2
O
при 130 фунтах на квадратный дюйм подводимой энергии зажигания в 2500 джоулей недостаточно.

Двигатель внутреннего сгорания

В автомобильных гонках закись азота (часто называемая просто « закись азота ») позволяет двигателю сжигать больше топлива, обеспечивая больше кислорода во время сгорания. Увеличение количества кислорода позволяет увеличить впрыск топлива, позволяя двигателю производить больше мощности . Газ негорючий при низком давлении / температуре, но он доставляет больше кислорода, чем атмосферный воздух, разлагаясь при повышенных температурах, около 570 градусов F (~ 300 ° C). Поэтому его часто смешивают с другим топливом, которое легче сгорит. Закись азота - сильный окислитель, примерно эквивалентен перекиси водорода и намного более сильный, чем газообразный кислород.

Закись азота хранится в виде сжатой жидкости; испарение и разложение жидкой закиси азота в впускном коллекторе вызывает большое падение температуры всасываемого заряда, что приводят к более плотному заряду, дополнительно позволяя больше воздуха / топливной смеси , чтобы войти в цилиндр. Иногда закись азота впрыскивается во впускной коллектор (или перед ним), тогда как в других системах впрыск осуществляется непосредственно перед цилиндром (прямой впрыск) для увеличения мощности.

Этот метод был использован во время Второй мировой войны на люфтваффе самолетов с GM-1 системы для повышения выходной мощности авиационных двигателей . Первоначально предназначенный для обеспечения превосходных высотных характеристик стандартным самолетам Люфтваффе, технологические соображения ограничили его использование исключительно большими высотами. Соответственно, он использовался только специализированными самолетами, такими как высотные разведывательные самолеты , высокоскоростные бомбардировщики и высотные самолеты - перехватчики . Иногда его можно было найти на самолетах Люфтваффе, также оснащенных другой системой наддува двигателя, MW 50 , формой впрыска воды для авиационных двигателей, которые использовали метанол для своих возможностей наддува.

Одна из основных проблем использования закиси азота в поршневом двигателе заключается в том, что она может производить достаточно мощности, чтобы повредить или разрушить двигатель. Возможны очень большие увеличения мощности, и если механическая конструкция двигателя не усилена должным образом, двигатель может быть серьезно поврежден или разрушен во время такого рода работы. При добавлении закиси азота в бензиновых двигателях очень важно поддерживать надлежащие рабочие температуры и уровни топлива, чтобы предотвратить «преждевременное зажигание» или «детонацию» (иногда называемую «детонацией»). Большинство проблем, связанных с закисью азота, возникают не из-за механического отказа из-за увеличения мощности. Поскольку закись азота пропускает в цилиндр гораздо более плотный заряд, это резко увеличивает давление в цилиндре. Повышенное давление и температура могут вызвать такие проблемы, как плавление поршня или клапанов. Это также может треснуть или деформировать поршень или головку и вызвать преждевременное воспламенение из-за неравномерного нагрева.

Жидкая закись азота автомобильного качества немного отличается от закиси азота медицинского назначения. Небольшое количество диоксида серы ( SO
2
) добавляется для предотвращения злоупотребления психоактивными веществами. Многократные промывки основанием (например, гидроксидом натрия ) могут удалить это, уменьшая коррозионные свойства, наблюдаемые при использовании SO
2
далее окисляется при сгорании до серной кислоты , что делает выбросы более чистыми.

Аэрозольный пропеллент

Газ одобрен для использования в качестве пищевой добавки ( номер E : E942), в частности, в качестве пропеллента для аэрозольных баллончиков . Его наиболее распространенное использование в этом контексте - это аэрозольные баллончики со взбитыми сливками и кулинарные спреи .

Газ очень хорошо растворяется в жирных соединениях. В аэрозольных взбитых сливках он растворяется в жирных сливках до тех пор, пока не выйдет из банки, когда он станет газообразным и, таким образом, образует пену. При таком использовании получается взбитые сливки, которые в четыре раза больше жидкости, тогда как взбивание сливок воздухом дает только вдвое больший объем. Если бы в качестве пропеллента использовался воздух, кислород ускорил бы прогорклость молочного жира, но закись азота препятствует такому разложению. Углекислый газ нельзя использовать для взбитых сливок, потому что он кислый в воде, из-за чего сливки свернутся и придадут им ощущение «игристости», напоминающее зельтер.

Однако взбитые сливки, полученные с использованием закиси азота, нестабильны и вернутся в более жидкое состояние в течение получаса-одного часа. Таким образом, метод не подходит для украшения блюд, которые не будут поданы сразу.

В декабре 2016 года некоторые производители сообщили о нехватке аэрозольных взбитых кремов в Соединенных Штатах из-за взрыва на заводе по производству закиси азота Air Liquide во Флориде в конце августа. В связи с отключением крупного предприятия из-за сбоя возникла нехватка, в результате чего компания перенаправила поставки закиси азота медицинским клиентам, а не производству продуктов питания. Дефицит возник в период Рождества и праздников, когда потребление консервированных взбитых сливок обычно достигает максимума.

Точно так же кулинарный спрей, который сделан из различных типов масел в сочетании с лецитином ( эмульгатором ), может использовать закись азота в качестве пропеллента . Другие пропелленты, используемые в кулинарных спреях, включают пищевой спирт и пропан .

Медицина

Медицинский класс N
2
O
баки, используемые в стоматологии

Закись азота использовалась в стоматологии и хирургии в качестве обезболивающего и обезболивающего с 1844 года. Раньше газ вводили через простые ингаляторы, состоящие из дыхательного мешка из резиновой ткани. Сегодня газ вводится в больницах с помощью автоматического аппарата для относительной анальгезии с испарителем анестетика и аппаратом искусственной вентиляции легких , который обеспечивает точно дозированный поток закиси азота, смешанный с кислородом в соотношении 2: 1, и управляемый дыханием .

Закись азота является слабым общим анестетиком , поэтому обычно не используется отдельно в общей анестезии, но используется в качестве газа-носителя (в смеси с кислородом) для более сильных общих анестетиков, таких как севофлуран или десфлуран . Он имеет минимальную альвеолярную концентрацию 105% и коэффициент распределения кровь / газ 0,46. Однако использование закиси азота для анестезии может увеличить риск послеоперационной тошноты и рвоты.

Стоматологи используют более простой аппарат, который выдает только N
2
O
/ O
2
смесь для вдоха пациентом в сознании. Пациент находится в сознании на протяжении всей процедуры и сохраняет адекватные умственные способности, чтобы отвечать на вопросы и инструкции стоматолога.

Вдыхание закиси азота часто используется для облегчения боли, связанной с родами , травмами , хирургическим вмешательством в полости рта и острым коронарным синдромом (включая сердечные приступы). Доказано, что его использование во время родов является безопасным и эффективным средством помощи при родах. Его польза от острого коронарного синдрома неизвестна.

В Великобритании и Канаде , Entonox и Nitronox используются обычно от бригад скорой помощи ( в том числе незарегистрированных практиков) , как быстрый и высокоэффективные обезболивающий газ.

Пятидесятипроцентная закись азота может быть рассмотрена для использования обученными непрофессиональными специалистами по оказанию первой помощи на догоспитальном этапе, учитывая относительную легкость и безопасность введения 50% закиси азота в качестве обезболивающего. Быстрая обратимость его эффекта также помешала бы исключить диагностику.

Рекреационное использование

Aquatint изображение смеющегося газа партии в девятнадцатом веке, Роулендсон
Остатки Уиппита (маленькие стальные канистры) рекреационных наркотиков, Нидерланды, 2017 г.

Рекреационное вдыхание закиси азота с целью вызвать эйфорию и / или легкие галлюцинации , началось как явление для британского высшего класса в 1799 году, известное как «вечеринки веселящего газа».

Начиная с девятнадцатого века, широкая доступность газа для медицинских и кулинарных целей позволила использовать его в рекреационных целях во всем мире. В Соединенном Королевстве по состоянию на 2014 год закись азота использовалась почти полмиллионом молодых людей в ночных клубах, на фестивалях и вечеринках. Правомерность этого использования значительно варьируется от страны к стране, и даже из города в город в некоторых странах.

Широко распространенное рекреационное использование наркотика по всей Великобритании было показано в документальном фильме Vice 2017 года Inside The Laughing Gas Black Market , в котором журналист Мэтт Ши встретился с торговцами наркотиком, которые украли его из больниц, хотя канистры с закисью азота были легко доступны в Интернете. ожидается, что случаи кражи из больницы будут крайне редкими.

В лондонской прессе упоминается серьезная проблема, связанная с засорением баллонов с закисью азота, которая очень заметна и вызывает серьезные жалобы со стороны местного населения.

Безопасность

Основная опасность закиси азота связана с тем, что она представляет собой сжатый сжиженный газ, создает опасность удушья и является диссоциативным анестетиком.

Несмотря на то, что закись азота относительно нетоксична, она оказывает ряд известных вредных воздействий на здоровье человека, будь то вдыхание или контакт жидкости с кожей или глазами.

Закись азота представляет собой серьезную производственную опасность для хирургов, стоматологов и медсестер. Поскольку закись азота метаболизируется у людей минимально (0,004%), она сохраняет свою эффективность при выдохе пациентом в комнату и может представлять опасность для персонала клиники при длительном отравлении, если комната плохо вентилируется. При введении закиси азота следует использовать систему непрерывной вентиляции свежим воздухом или N
2
Система очистки O используется для предотвращения скопления отработанного газа.

Национальный институт по безопасности и гигиене труда рекомендует воздействие рабочих на закиси азота следует контролировать во время введения анестезирующего газа в медицинских, стоматологических и ветеринарных операторов. Он устанавливает рекомендуемый предел воздействия (REL) 25 частей на миллион (46 мг / м 3 ) для выхода анестетика.

Умственные и ручные нарушения

Воздействие закиси азота вызывает кратковременное снижение умственной работоспособности, аудиовизуальных способностей и ловкости рук. Эти эффекты в сочетании с индуцированной пространственной и временной дезориентацией могут привести к физическому ущербу для пользователя из-за опасностей окружающей среды.

Нейротоксичность и нейрозащита

Как и другие антагонисты рецепторов NMDA , было высказано предположение, что N
2
О
вызывает нейротоксичность в виде поражений Олни у грызунов при длительном (несколько часов) воздействии. Новое исследование показало, что поражения Олни не возникают у людей, и аналогичные препараты, такие как кетамин , теперь считаются не очень нейротоксичными. Утверждалось, что, поскольку N
2
O
быстро выводится из организма при нормальных обстоятельствах, он менее вероятно будет нейротоксичным, чем другие антагонисты NMDAR. Действительно, у грызунов кратковременное воздействие приводит только к легким травмам, которые быстро обратимы, а гибель нейронов наступает только после постоянного и продолжительного воздействия. Закись азота также может вызывать нейротоксичность после длительного воздействия из-за гипоксии . Это особенно верно в отношении немедицинских составов, таких как зарядные устройства для взбитых сливок (также известные как «взбитые сливки»), которые никогда не содержат кислорода, поскольку кислород делает сливки прогорклыми.

Кроме того, закись азота снижает уровень витамина B 12 . Это может вызвать серьезную нейротоксичность, если у пользователя уже имеется дефицит витамина B 12 .

Закись азота в количестве 75% по объему снижает вызванную ишемией гибель нейронов, вызванную окклюзией средней мозговой артерии у грызунов, и снижает индуцированный NMDA приток Ca 2+ в культуры нейрональных клеток, что является критическим событием, связанным с эксайтотоксичностью .

Повреждение ДНК

Воздействие закиси азота на рабочем месте связано с повреждением ДНК из-за прерывания синтеза ДНК. Эта корреляция зависит от дозы и, по-видимому, не распространяется на случайное использование в рекреационных целях; однако необходимы дальнейшие исследования для подтверждения продолжительности и количества воздействия, необходимого для нанесения ущерба.

Кислородное голодание

Если вдыхать чистый закись азота без подмешивания кислорода, это может в конечном итоге привести к кислородной недостаточности, что приведет к потере артериального давления, обморокам и даже сердечным приступам. Это может произойти, если пользователь постоянно вдыхает большие количества, как в случае с надетой маской, подсоединенной к баллону с газом. Это также может произойти, если пользователь чрезмерно задерживает дыхание или использует любую другую систему ингаляции, которая перекрывает подачу свежего воздуха. Еще один риск заключается в том, что симптомы обморожения могут возникнуть на губах, гортани и бронхах, если газ вдыхается непосредственно из газового баллона. Поэтому закись азота часто вдыхают через презервативы или воздушные шары.

Витамин B 12 дефицит

Длительное воздействие закиси азота может привести к витамину В 12 дефиците . Он инактивирует кобаламинную форму витамина B 12 путем окисления. Симптомы дефицита витамина B 12 , включая сенсорную невропатию , миелопатию и энцефалопатию , могут возникать в течение нескольких дней или недель после воздействия анестезии закисью азота у людей с субклиническим дефицитом витамина B 12 .

Симптомы лечат высокими дозами витамина B 12 , но выздоровление может быть медленным и неполным.

Люди с нормальным уровнем витамина B 12 имеют запасы, позволяющие свести к минимуму эффекты закиси азота, если только воздействие не повторяется и не является продолжительным (злоупотребление закисью азота). Перед применением анестезии закисью азота у людей с факторами риска дефицита витамина B 12 следует проверять уровень витамина B 12 .

Пренатальное развитие

Несколько экспериментальных исследований на крысах показывают, что хроническое воздействие закиси азота на беременных самок может иметь неблагоприятные последствия для развивающегося плода.

Химические / физические риски

При комнатной температуре (20 ° C [68 ° F]) давление насыщенного пара составляет 50,525 бар, повышаясь до 72,45 бар при 36,4 ° C (97,5 ° F) - критической температуре . Таким образом, кривая давления необычно чувствительна к температуре.

Как и во многих сильных окислителей, загрязнение частей с топливом были вовлечены в РКТ несчастных случаев, где небольшие количества закиси смесей / топлива взрываются из - за « гидравлического удара » -подобных эффектов (иногда называемый „-отопление“ дизельный эффект за счет адиабатического сжатия газов может достигать температуры разложения). Некоторые распространенные строительные материалы, такие как нержавеющая сталь и алюминий, могут действовать как топливо с сильными окислителями, такими как закись азота, а также загрязняющие вещества, которые могут воспламениться из-за адиабатического сжатия.

Также были инциденты, когда разложение закиси азота в водопроводе приводило к взрыву больших резервуаров.

Механизм действия

Фармакологическая механизм действия из N
2
О
в медицине до конца не известно. Однако было показано, что он напрямую модулирует широкий спектр лиганд-зависимых ионных каналов , и это, вероятно, играет важную роль во многих его эффектах. Она умеренно блокирует NMDA - и β 2 субъединица отработанный NACH каналы , слабо ингибирует АМФК , каината , ГАМК C и 5-НТ 3 рецепторов , и слегка потенцирует ГАМК А и глицина рецепторы . Также было показано, что активирует двухпоровый домен K+
каналы
. Пока N
2
О
воздействует на довольно много ионных каналов, его анестезирующие, галлюциногенные и эйфориантные эффекты, вероятно, вызваны преимущественно или полностью через ингибирование токов, опосредованных рецептором NMDA. Помимо воздействия на ионные каналы, N
2
О
может имитировать оксид азота (NO) в центральной нервной системе, и это может быть связано с его обезболивающими и анксиолитическими свойствами. Закись азота растворяется в 30-40 раз больше, чем азот.

Эффекты от вдыхания субанестетических доз закиси азота, как известно, различаются в зависимости от нескольких факторов, включая настройки и индивидуальные различия; однако из своего обсуждения Джей (2008) предполагает, что достоверно известно, что он вызывает следующие состояния и ощущения:

  • Интоксикация
  • Эйфория / дисфория
  • Пространственная дезориентация
  • Временная дезориентация
  • Пониженная болевая чувствительность

Меньшая часть пользователей также будет иметь неконтролируемые вокализации и мышечные спазмы. Эти эффекты обычно исчезают через несколько минут после удаления источника закиси азота.

Эйфорический эффект

У крыс N
2
O
стимулирует мезолимбический путь вознаграждения , вызывая высвобождение дофамина и активируя дофаминергические нейроны в вентральной тегментальной области и прилежащем ядре , предположительно за счет антагонизации рецепторов NMDA, локализованных в системе. Это действие было связано с его эйфорическими эффектами и, в частности, по-видимому, усиливает его обезболивающие.

Однако примечательно, что у мышей N
2
O
блокирует вызванное амфетамином опосредованное носителем высвобождение дофамина в прилежащем ядре и поведенческую сенсибилизацию , отменяет условное предпочтение места (CPP) кокаина и морфина и не вызывает собственных усиливающих (или отталкивающих) эффектов. Эффекты CPP N
2
О
у крыс смешанные, состоящие из подкрепления, отвращения и без изменений. Напротив, он является положительным подкреплением для беличьих обезьян и хорошо известен как средство злоупотребления у людей. Эти расхождения в ответ на N
2
O
может отражать видовые вариации или методологические различия. В клинических исследованиях на людях N
2
Было обнаружено, что O вызывает смешанные ответы, как и у крыс, что отражает высокую субъективную индивидуальную изменчивость.

Анксиолитический эффект

В поведенческих тестах на тревожность низкая доза N
2
О
является эффективным анксиолитиком, и этот успокаивающий эффект связан с повышенной активностью рецепторов ГАМК А , поскольку он частично нейтрализуется антагонистами бензодиазепиновых рецепторов . Отражая это, животные, у которых развилась толерантность к анксиолитическим эффектам бензодиазепинов , частично толерантны к N
2
O
. Действительно, у людей при введении 30% N
2
Антагонисты
O , бензодиазепиновых рецепторов уменьшили количество субъективных сообщений о чувстве «кайфа», но не повлияли на психомоторные характеристики в клинических исследованиях на людях.

Обезболивающий эффект

Обезболивающие эффекты N
2
O
связаны с взаимодействием между эндогенной опиоидной системой и норадренергической системой. Когда животным постоянно дают морфин, у них развивается толерантность к его обезболивающему, и это также делает животных толерантными к анальгетическому действию азота.
2
O
. Введение антител, которые связывают и блокируют активность некоторых эндогенных опиоидов (не β-эндорфина ), также блокируют антиноцицептивные эффекты N
2
O
. Препараты, ингибирующие расщепление эндогенных опиоидов, также усиливают антиноцицептивные эффекты N
2
O
. Несколько экспериментов показали, что антагонисты опиоидных рецепторов, наносимые непосредственно на мозг, блокируют антиноцицептивные эффекты N
2
О
, но эти препараты не действуют при введении в спинной мозг .

Помимо косвенного действия, закись азота, как и морфин, также напрямую взаимодействует с эндогенной опиоидной системой, связываясь на сайтах связывания опиоидных рецепторов.


Напротив, антагонисты α 2 -адренорецепторов блокируют обезболивающие эффекты N
2
O
при непосредственном воздействии на спинной мозг, но не при непосредственном воздействии на мозг. Действительно, мыши с нокаутом α 2B -адренорецептора или животные, обедненные норадреналином , почти полностью устойчивы к антиноцицептивным эффектам N
2
O
. По-видимому N
2
О-
индуцированное высвобождение эндогенных опиоидов вызывает растормаживание норадренергических нейронов ствола мозга , которые высвобождают норэпинефрин в спинной мозг и подавляют передачу сигналов о боли. Как именно N
2
О
вызывает высвобождение эндогенных опиоидных пептидов, остается неясным.

Свойства и реакции

Закись азота - это бесцветный нетоксичный газ со слабым сладким запахом.

Закись азота поддерживает горение, высвобождая диполярный связанный кислородный радикал, и, таким образом, может повторно зажечь светящуюся шину .

N
2
O
инертен при комнатной температуре и мало реагирует. При повышенных температурах его реакционная способность увеличивается. Например, закись азота реагирует с NaNH.
2
при 460 К (187 ° C) с образованием NaN
3
:

2 NaNH
2
+ N
2
O
NaN
3
+ NaOH + NH
3

Вышеупомянутая реакция - это путь, принятый коммерческой химической промышленностью для получения азидных солей, которые используются в качестве детонаторов.

История

Впервые газ был синтезирован в 1772 году английским естествоиспытателем и химиком Джозефом Пристли, который назвал его флогистированным азотистым воздухом (см. Теорию флогистона ) или легковоспламеняющимся азотистым воздухом . Пристли опубликовал свое открытие в книге « Эксперименты и наблюдения на различных видах воздуха» (1775 г.) , где он описал, как получить препарат «с пониженным содержанием азота» путем нагревания железных опилок, смоченных азотной кислотой .

Раннее использование

«ЖИЗНЬ - ЛЕГКО»
Сатирическая гравюра 1830 года, на которой Хамфри Дэви применяет дозу веселящего газа женщине.

Первое важное использование закиси азота стало возможным благодаря Томасу Беддоусу и Джеймсу Уатту , которые вместе опубликовали книгу « Соображения по медицинскому применению и производству вымышленных ареалов» (1794) . Эта книга была важна по двум причинам. Во-первых, Джеймс Ватт изобрел новую машину для производства « искусственного воздуха » (включая закись азота) и новый «дыхательный аппарат» для вдыхания газа. Во-вторых, в книге также представлены новые медицинские теории Томаса Беддоуса о том, что туберкулез и другие заболевания легких можно лечить путем вдыхания «выдуманного воздуха».

Сэр Хэмфри Дэви «s Исследование химического и философский: главным образом в отношении закиси азота (1800), стр 556 и 557 (справа), излагающей потенциальных свойства анестезирующих закиси азота в облегчении боли во время операции

Машина для производства «Factitious Airs» состояла из трех частей: печи для сжигания необходимого материала, емкости с водой, где добываемый газ проходил через спиральную трубу (для «смывания» примесей), и, наконец, газовый баллон. с помощью газометра, где производимый газ, «воздух», можно было вводить в переносные воздушные мешки (сделанные из герметичного маслянистого шелка). Дыхательный аппарат состоял из одной из переносных подушек безопасности, соединенных трубкой с мундштуком. Когда это новое оборудование было спроектировано и произведено к 1794 году, была подготовлена ​​почва для клинических испытаний , которые начались в 1798 году, когда Томас Беддоус основал « Пневматический институт для облегчения болезней медицинским воздухом » в Хотуэллсе ( Бристоль ). В подвале здания огромная машина производила газы под наблюдением молодого Хамфри Дэви, которого поощряли экспериментировать с новыми газами, которые пациенты могли вдыхать. Первой важной работой Дэви было исследование закиси азота и публикация его результатов в книге « Исследования, химические и философские исследования» (1800 г.) . В этой публикации Дэви отмечает обезболивающий эффект закиси азота на странице 465 и ее потенциал для использования при хирургических операциях на странице 556. Дэви придумал название «веселящий газ» для закиси азота.

Несмотря на открытие Дэви, что вдыхание закиси азота может избавить человека от боли, прошло еще 44 года, прежде чем врачи попытались использовать ее для анестезии . Использование закиси азота в качестве рекреационного наркотика на "вечеринках веселящего газа", в первую очередь устраиваемых для высшего класса Великобритании , сразу же стало успешным, начиная с 1799 года. В то время как действие газа обычно заставляет потребителя казаться ошеломленным, сонным и снотворным, некоторые люди также «хихикают» в состоянии эйфории и часто разражаются смехом.

Одним из первых коммерческих производителей в США был Джордж По , двоюродный брат поэта Эдгара Аллана По , который также первым стал сжижать газ.

Анестезиологическое использование

Впервые закись азота была использована в качестве обезболивающего при лечении пациента, когда дантист Гораций Уэллс с помощью Гарднера Куинси Колтона и Джона Манки Риггса продемонстрировал нечувствительность к боли после удаления зуба 11 декабря 1844 года. недель Уэллс лечил первых 12-15 пациентов закисью азота в Хартфорде, штат Коннектикут , и, согласно его собственным записям, потерпел неудачу только в двух случаях. Несмотря на то, что Уэллс сообщил об этих убедительных результатах медицинскому обществу в Бостоне в декабре 1844 года, этот новый метод не сразу был принят другими стоматологами. Причина этого, скорее всего, заключалась в том, что Уэллс в январе 1845 года на своей первой публичной демонстрации перед медицинским факультетом в Бостоне был частично неудачным, что оставило его коллегам сомнения относительно его эффективности и безопасности. Этот метод не получил широкого распространения до 1863 года, когда Гарднер Куинси Колтон успешно начал использовать его во всех своих клиниках «Стоматологической ассоциации Колтона», которые он только что основал в Нью-Хейвене и Нью-Йорке . В течение следующих трех лет Колтон и его сотрудники успешно вводили закись азота более чем 25 000 пациентов. Сегодня закись азота используется в стоматологии как анксиолитическое средство, как дополнение к местному анестетику .

Однако закись азота не оказалась достаточно сильным анестетиком для использования в крупных хирургических вмешательствах в больницах. Вместо этого диэтиловый эфир , являющийся более сильным и сильнодействующим анестетиком, был продемонстрирован и принят к использованию в октябре 1846 года вместе с хлороформом в 1847 году. Однако, когда Джозеф Томас Кловер изобрел «газоэфирный ингалятор» в 1876 году, он стал обычным явлением. Практикуйтесь в больницах, чтобы начинать все анестезиологические процедуры с легкого потока закиси азота, а затем постепенно усиливать анестезию более сильным эфиром или хлороформом. Газоэфирный ингалятор Clover был разработан для одновременного снабжения пациента закисью азота и эфиром, причем точная смесь контролировалась оператором устройства. Он использовался во многих больницах до 1930-х годов. Хотя сегодня в больницах используются более совершенные наркозные аппараты , эти аппараты по-прежнему используют тот же принцип, что и газоэфирный ингалятор Clover, для инициирования анестезии закисью азота перед введением более мощного анестетика.

Как патентованное лекарство

Популяризация закиси азота Колтоном привела к ее принятию рядом не очень уважаемых шарлатанов , которые рекламировали ее как лекарство от чахотки , золотухи , катара и других болезней крови, горла и легких. Лечение закисью азота проводилось и лицензировалось в качестве патентованного лекарства такими, как CL Blood и Джером Харрис в Бостоне и Чарльз Э. Барни из Чикаго.

Производство

Публикуется обзор различных методов получения закиси азота.

Промышленные методы

Производство закиси азота

Закись азота получают в промышленных масштабах путем осторожного нагревания нитрата аммония примерно до 250 ° C, который разлагается на закись азота и водяной пар.

NH
4
НЕТ
3
→ 2 H
2
O
+ N
2
О

Добавление различных фосфатных солей способствует образованию более чистого газа при несколько более низких температурах. Эту реакцию трудно контролировать, что приводит к взрыву .

Лабораторные методы

Разложение нитрата аммония также является распространенным лабораторным методом подготовки газа. Эквивалентно его можно получить, нагревая смесь нитрата натрия и сульфата аммония :

2 NaNO
3
+ ( NH
4
) 2 SO
4
Na
2
ТАК
4
+ 2 N
2
O
+ 4 H
2
О

Другой метод предполагает реакцию мочевины, азотной кислоты и серной кислоты:

2 (NH 2 ) 2 CO + 2 HNO
3
+ H
2
ТАК
4
→ 2 с.ш.
2
O
+ 2 CO
2
+ (NH 4 ) 2 SO 4 + 2 Н
2
О

Сообщалось о прямом окислении аммиака с катализатором диоксид марганца - оксид висмута : ср. Оствальдовский процесс .

2 NH
3
+ 2 O
2
N
2
O
+ 3 H
2
О

Хлорид гидроксиламмония реагирует с нитритом натрия с образованием закиси азота. Если нитрит добавляется к раствору гидроксиламина, единственным оставшимся побочным продуктом является соленая вода. Однако если к раствору нитрита добавить раствор гидроксиламина (нитрит в избытке), то также образуются токсичные высшие оксиды азота:

NH
3
ОН
Cl + NaNO
2
N
2
О
+ NaCl + 2 Н
2
О

Лечение HNO
3
с SnCl
2
и HCl также были продемонстрированы:

2 HNO
3
+ 8 HCl + 4 SnCl
2
→ 5 H
2
O
+ 4 SnCl
4
+ N
2
О

Неназотистая кислота разлагается до N 2 O и воды с периодом полураспада 16 дней при 25 ° C и pH 1–3.

H 2 N 2 O 2 → H 2 O + N 2 O

Атмосферное явление

Закись азота (N 2 O), измеренная в рамках Расширенного глобального эксперимента по атмосферным газам ( AGAGE ) в нижних слоях атмосферы ( тропосфере ) на станциях по всему миру. Численность дана в виде среднемесячных без загрязнения мольных долей в миллиардных долях .
Концентрация закиси азота в атмосфере с 1978 года.
Годовой темп роста закиси азота в атмосфере с 2000 г.

Закись азота - второстепенный компонент атмосферы Земли и активная часть планетарного азотного цикла . Согласно анализу проб воздуха, собранных на объектах по всему миру, его концентрация превысила 330  частей на миллиард в 2017 году. Темпы роста примерно на 1 часть на миллиард в год также ускорились в течение последних десятилетий. Содержание закиси азота в атмосфере выросло более чем на 20% по сравнению с базовым уровнем около 270 частей на миллиард в 1750 году.


Важные атмосферные свойства N
2
O
приведены в следующей таблице:

Имущество Ценить
Озоноразрушающая способность (ODP) 0,17 ( CCl 3 F = 1)
Потенциал глобального потепления (ПГП: 100 лет) 265 ( CO 2 = 1)
Время жизни в атмосфере 121 год


В октябре 2020 года ученые опубликовали исчерпывающую количественную оценку глобального N
2
O
источники и стоки. Они сообщают, что антропогенные выбросы увеличились на 30% за последние четыре десятилетия и являются основной причиной увеличения концентрации в атмосфере. Недавний рост превысил некоторые из самых высоких прогнозируемых сценариев выбросов.

Бюджет закиси азота Земли от Global Carbon Project (2020).

Выбросы по источникам

По состоянию на 2010 г. было подсчитано , что около 29500000 тонн из N
2
O
(содержащий 18,8 миллионов тонн азота) ежегодно поступал в атмосферу; из них 64% были естественными, а 36% - результатом деятельности человека.

Большая часть N
2
O,
выбрасываемый в атмосферу из естественных и антропогенных источников, производится микроорганизмами, такими как денитрифицирующие бактерии и грибы в почвах и океанах. Почвы под естественной растительностью являются важным источником закиси азота, на которую приходится 60% всех естественных выбросов. Другие природные источники включают океаны (35%) и химические реакции в атмосфере (5%).

Исследование 2019 года показало, что выбросы от тающей вечной мерзлоты в 12 раз выше, чем предполагалось ранее.

Основными компонентами антропогенных выбросов являются удобренные сельскохозяйственные почвы и навоз домашнего скота (42%), сток и вымывание удобрений (25%), сжигание биомассы (10%), сжигание ископаемого топлива и промышленные процессы (10%), биологическая деградация других азотсодержащие выбросы в атмосферу (9%) и бытовые сточные воды (5%). Сельское хозяйство увеличивает производство закиси азота за счет обработки почвы, использования азотных удобрений и обработки отходов животноводства. Эти действия стимулируют естественные бактерии производить больше закиси азота. Выбросы закиси азота из почвы может быть сложно измерить, поскольку они заметно меняются во времени и пространстве, и большая часть годовых выбросов может происходить, когда условия благоприятны в «горячие моменты» и / или в благоприятных местах, известных как «горячие точки».

Среди промышленных выбросов производство азотной кислоты и адипиновой кислоты является крупнейшими источниками выбросов закиси азота. Выбросы адипиновой кислоты, в частности, возникают в результате разложения промежуточного соединения нитроловой кислоты, полученного при нитровании циклогексанона.

Биологические процессы

Естественные процессы, приводящие к образованию закиси азота, можно разделить на нитрификацию и денитрификацию . В частности, они включают:

  • аэробная автотрофная нитрификация, ступенчатое окисление аммиака ( NH
    3
    ) в нитрит ( NO-
    2
    ) и нитратов ( NO-
    3
    )
  • анаэробная гетеротрофная денитрификация, ступенчатое восстановление NO-
    3
    к НЕТ-
    2
    , оксид азота (NO), N
    2
    O
    и в конечном итоге N
    2
    , где факультативные анаэробные бактерии используют NO-
    3
    как акцептор электронов при дыхании органического материала в условиях недостатка кислорода ( O
    2
    )
  • денитрификация нитрификатора, которая осуществляется автотрофным NH
    3
    -окисляющие бактерии и путь, по которому аммиак ( NH
    3
    ) окисляется до нитрита ( NO-
    2
    ) с последующим восстановлением NO-
    2
    до оксида азота (NO), N
    2
    O
    и молекулярный азот ( N
    2
    )
  • гетеротрофная нитрификация
  • аэробная денитрификация теми же гетеротрофными нитрификаторами
  • грибковая денитрификация
  • небиологическая хемоденитрификация

На эти процессы влияют химические и физические свойства почвы, такие как наличие минерального азота и органических веществ , кислотность и тип почвы, а также связанные с климатом факторы, такие как температура почвы и содержание воды.

Выброс газа в атмосферу сильно ограничивается его потреблением внутри клеток в процессе, катализируемом ферментом редуктазой закиси азота .

Воздействие на окружающую среду

Парниковый эффект

Тенденции изменения содержания в атмосфере долгоживущих парниковых газов

Закись азота обладает значительным потенциалом глобального потепления как парниковый газ . В расчете на одну молекулу за 100-летний период закись азота имеет в 265 раз большую способность удерживать тепло в атмосфере, чем углекислый газ ( CO
2
). Однако из-за его низкой концентрации (менее 1/1000 концентрации CO
2
), его вклад в парниковый эффект составляет менее одной трети от углекислого газа, а также меньше, чем от водяного пара и метана . С другой стороны, поскольку 38% и более N
2
O
попадание в атмосферу является результатом деятельности человека, контроль закиси азота считается частью усилий по сокращению выбросов парниковых газов.

Исследование, проведенное в 2008 году лауреатом Нобелевской премии Полом Крутценом, предполагает, что количество выбросов закиси азота, связанное с сельскохозяйственными нитратными удобрениями , было серьезно недооценено, большая часть которых, предположительно, будет связана с выбросами в почву и океан по данным Агентства по охране окружающей среды .

Закись азота выбрасывается в атмосферу в результате сельского хозяйства, когда фермеры добавляют азотные удобрения на поля, в результате разложения навоза животных. Примерно 79 процентов всей закиси азота, выпущенной в Соединенных Штатах, было получено в результате азотных удобрений. Закись азота также выделяется как побочный продукт при сжигании ископаемого топлива, хотя количество выделяемого топлива зависит от того, какое топливо использовалось. Он также выделяется при производстве азотной кислоты , которая используется в синтезе азотных удобрений. При производстве адипиновой кислоты, предшественника нейлона и других синтетических волокон одежды, также выделяется закись азота. Общее количество выброшенной закиси азота человеческого происхождения составляет около 40 процентов.

Истощение озонового слоя

Закись азота также причастна к истончению озонового слоя . Исследование 2009 г. показало, что N
2
Выбросы O были самым значительным выбросом озоноразрушающего вещества, и ожидалось, что они останутся крупнейшими в 21 веке.

Законность

В Соединенных Штатах владение закисью азота является законным в соответствии с федеральным законодательством и не подпадает под действие DEA . Однако это регулируется Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в соответствии с Законом о пищевых продуктах и ​​косметике; судебное преследование возможно в соответствии с его положениями о «неправильном брендинге», запрещающими продажу или распространение закиси азота для употребления в пищу . Во многих штатах есть законы, регулирующие владение, продажу и распространение закиси азота. Такие законы обычно запрещают распространение среди несовершеннолетних или ограничивают количество закиси азота, которое может продаваться без специальной лицензии. Например, в штате Калифорния хранение в развлекательных целях запрещено и квалифицируется как проступок.

В августе 2015 года Совет по Ламбет ( Великобритания ) запретили использование препарата для рекреационных целей, что делает преступников к ответственности к штрафу на рабочем месте до 1000 фунтов стерлингов.

В Новой Зеландии , то Министерство здравоохранения предупреждает , что закись азот является рецептурным препаратом, и его продажа или хранение без рецепта является преступлением в соответствии с Законом о лекарственных препаратах. Это заявление, по-видимому, запрещает любое немедицинское использование закиси азота, хотя подразумевается, что только рекреационное использование будет преследоваться по закону.

В Индии перенос закиси азота из баллонов большого объема в меньшие, более транспортируемые емкости Е-типа емкостью 1590 литров является законным, когда газ предполагается использовать для медицинской анестезии.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки