Оксид азота: свойства, применение, реакции

Оксид азота — это неорганическое соединение, которое нашло применение в промышленности, медицине, пищевой индустрии. Газ используют в медицинских целях для создания глубокого наркоза. Вещество проявляет слабое наркотическое и опьяняющее действие. Зарегистрировано под кодом Е942, играет роль пропеллента, упаковочного газа. Регулярный ингаляционный приём приводит к развитию негативной симптоматики, ухудшению здоровья, возможно привыкание и летальный исход.

Что такое оксид азота, формула

Оксид азота представляет собой газ, состоящий из двух атомов азота, соединенных между собой, с кислородом двойными ковалентными связями. Из-за высокой прочности связей газ малоактивен и не образует солей, в отличие от других представителей класса оксиды. Химическая формула азота оксида – N2O. Молекула существует в нескольких формах:

азот связывается с кислородом и друг и с другом двойными связями (N=N=O); азот-азотное объединение – тройное, азот-кислородное – одинарное (формула азота закисного N ≡ N – O); N-N – двойная, N-O – простая (N=N-O).

Впервые закись азота была открыта в 1772 году британским естествоиспытателем Джозефом Пристли посредством нагревания опилок, смоченных азотной кислотой. Пристли придерживался популярной в те времена концепции флогистона – сверхтонкой материи, наполняющей все горячие вещества, ответственной за их воспламенение. Он назвал газ дефлогистированным (т.е. лишённым флогистона, воспламеняющего начала) закисным воздухом. Впоследствии исследованиями новооткрытого оксида занялся химик Гэмфри Дэви.

Физические свойства, внешний вид

При нормальных условиях оксид азота – это бесцветный газ, тяжелее воздуха. Характеризуется слабым приятным сладковатым запахом и вкусом. Плотность высокая, хорошо растворяется в воде и полярных растворителях, смешивается с серной кислотой, эфиром, спиртами. При атмосферном давлении, достигающем 20 атмосфер и нулевой температуре переходит в жидкое агрегатное состояние. Схожего эффекта добиваются при повышении давления до 40 атмосфер и температуре +20-22 °С. 500 литров газа даёт 1 кг жидкости.

Точки кипения и плавления лежат в отрицательном диапазоне температур: -90°С и -88°С соответственно. Термолиз наступает при нагревании. Отдельно не пожароопасен, однако при хранении с маслами, циклопропаном поддерживает их горение.

Химические свойства, реакции

Закись азота химически инертна, проявляет слабую активность. Реакции азота оксонитрида малочисленны, проявляются в окислительной способности при подогревании. Не реагирует с водой, гидроксидами, кислотами. Характерна для оксида азота реакция восстановления водородом, приводящая к выделению его молекулярной формы:

N2O + H2 → N2↑ + H2O

По сходному механизму протекает реакция азота оксида с углеродом:

N2O + С → 2N2↑ + CO2↑

Угарный газ вытесняет азот при повышении температурного режима:

N2O + СO → N2↑ + CO2↑

Реакция азота оксонитридного с мощным восстановителем аммиаком описывается уравнением:

3N2O + 2NH3 → 4N2↑ + 3H2O

Фосфор окисляет его до ангидрида (пятиокись):

5N2O + 2Р → P2O5 + N2↑

Более сложные продукты реакции азота оксида образуются в результате взаимодействия с перманганатом калия. При этом формируется бурый газ, сульфаты калия и марганца:

5N2O + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 10NO↑ + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O

Некоторые металлы щелочноземельного ряда способны вытеснять азот из структуры, занимая его место. Замещение приводит к выделению газа и оксида:

N2O + Zn → ZnO + N2↑

Термическое разложение протекает до составляющих частей:

2N2O → 2N2↑ + O2↑

Формула азота оксида показывает, что при термолизе распад идёт в соотношении 2:1.

Получение, уравнение оксида азота

В лаборатории веселящий газ получают несколькими путями. Прежде всего, разогреванием аммонийной селитры:

NH4NO3 → N2O↑ + 2H2O

Этот способ небезопасен, поскольку существует вероятность взрывного разложения. Другая методика основана на подогревании аминосульфоновой кислоты с концентрированной азотной кислотой (концентрация – 73%):

NH2SO3H + HNO3 → N2O↑ + H2SO4 + H2O

Еще более безопасный и не менее эффективный метод заключается в смешивании хлорида гидроксиламиния с азотнокислым натрием:

NH2OH ∙ HCl + NaNO3 → N2O↑ + NaCl + 2H2O

Для синтеза оксида азота в промышленных условиях часто используют распад аммиачной селитры, при этом подбирается такое технологическое оборудование, которое значительно понижает взрывоопасность. Процесс включает ряд этапов:

Подготавливается сырье: высококонцентрированный раствор нитрат аммония (80-91%), другие реактивы. Жидкость подаётся в специально оборудованный реактор, содержащий цилиндрический корпус, гидравлический затвор, подогреватель, перфорированную трубу для подачи. Электрический нагреватель задаёт температуру порядка 260-275 °С. Происходит естественное перемешивания за счет наличия определённого угла введения сырьевых материалов, дополнительных устройств (мешалки) не требуется. После упаривания лишняя жидкость отводиться, а газ выходит через вернее отверстие, после чего собирается.

В зависимости от степени чистоты выделяют пищевую закись, которая практически не содержит примесей. Она пригодна для изготовления добавок, улучшающих продукты питания. Этот оксид азота медицинский, используется для введения людей в наркоз, он полностью безопасен. Техническая разновидность уже не направлена на контакт с человеком, востребована в других областях, содержит опасные для здоровья загрязнители.

Воздействие на организм

В составе Е942, препаратов для наркоза оксид азота не наносит вреда организму. Он не способен связаться с гемоглобином (белок, переносящий кислород, содержится в красных клетках крови – эритроцитах) и отрицательно повлиять на динамику жизненных показателей. Однако намеренное вдыхание газа либо превышение допустимых дозировок по халатности медицинского персонала приводит к серьёзным нарушениям: анемии, потери чувствительности, нарушении координации движений.

Опасность веселящего газа, возможен ли летальный исход, возможна ли зависимость

Оксид азота вырабатывается в организме человека и других животных, а также в микроорганизмах: бактериях и грибках. Синтез идёт с участием ферментов либо при восстановлении нитрозил-радикалов. Его точная биологическая роль неизвестна. При попадании извне, закись оказывает негативные воздействия:

подавляет нормальное функционирование и жизнедеятельность нервных клеток, проявляет нейротоксичность: необратимо связывается с рецепторами глутамата на поверхности нейронов, выводя из работы; понижает концентрацию витамина В12 в плазме крови; повреждает ДНК, стимулируя мутационный процесс, что влечет за собой развитие онкологии, возникновение злокачественных новообразований, вызванных дестабилизацией генетического аппарата; вызывает гипоксию – кислородное голодание; снижает артериальное давление, провоцирует головокружение и обмороки; проявляет тератогенное действие – негативно влияет на эмбрион при употреблении веселящего газа беременной женщиной, возможны задержки развития, уродства плода.

Веселящий газ не только веселит, вызывая чувство эйфории и смех, но и вредит. Медицинский азот закисный стоит довольно дорого, чаще всего в качестве наркотика используют технический, который еще более опасен. Приём слишком большой дозы приводит к смерти.

Физиологическая зависимость, как правило, не формируется, однако учёные спорят об этом, поскольку оксид обнаружен внутри гемосодержащих белков. При постоянном вдыхании газа формируется психологическая зависимость – наиболее сильная привязанность к веществу, которая требует лечения. Ей сопутствует абстинентным синдромом (синдром отмены или «ломка»): головная боль, спутанность сознания, обморочные состояния. При этом излечиться самостоятельно практически невозможно, при возникновении пагубной привязанности необходимо обратиться к специалисту.

Закись азота детям

Седация ребёнка закисью азота

В медицинских целях оксид азота применяется в стоматологии. Особенно это актуально в детском возрасте, когда лечение сопровождается активным сопротивлением. С помощью закиси осуществляется введение детей в состояние седации, при котором боль уходит, но сохраняются защитные рефлексы, самостоятельное дыхание, контакт с окружающей средой.

Для достижения необходимого эффекта подбирается специальная кислородно-азотная смесь. Вдыхание газов производится через специальную маску, в неё по трубке, подключённой к ротаметру. Выдыхаемые газы попадают в специальный насос и удаляются. Использование седации (ЗАКС) необходимо в следующих случаях:

Пациент старше 3 лет, способен общаться с врачом и идёт с ним на контакт, но очень боится процедур. При первом посещении дантиста для формирования благоприятного впечатления: ребёнок не почувствует боли и не будет бояться ходить к врачу. Длительное и сложное лечение, связанное с сильными болевыми ощущениями. Повышенный рвотный рефлекс. Травматические вмешательства: удаление зуба, чиста каналов, очищение кариозных полостей.

ЗАКС не рекомендуется назначать тем детям, которые испытывают сильный страх перед стоматологом и не хотят сотрудничать с ним, слишком маленьким. Противопоказан он и малышам с отклонениями интеллекта и психики, мешающими с ним всё обсудить. Для работы устройства необходимо свободное носовое дыхание, детям с заложенностью носа, ОРВИ, аденоидами, запрещено пользоваться маской. Нужно помнить, что последний приём пищи должен быть не ранее, чем за два часа перед процедурой, поскольку переполненный желудок может спровоцировать тошноту и рвоту.

Применение

Закись азота активно используется во многих сферах деятельности. В медицине это обезболивающее средство для безопасного наркоза. Применение азота оксида в пищевой индустрии основано на свойстве газа вытеснять продукцию из баллонов либо поддерживать герметичность упаковки. В промышленности газ входит в состав так называемых систем закисей азота, необходимых для функционирования двигателей внутреннего сгорания. Он может применяться как окислитель топлива с ацетиленом, этаном.

Пищевая закись азота

Пищевая добавка Е942 – это пропеллент, вносящийся в аэрозольный баллон. С помощью него внутри создаётся избыточное давление и вытесняется основной продукт, диспергируется (распыляется). Другое применение азота оксида – упаковывание чувствительных к атмосфере продуктов. Поскольку пищевая закись азота инертна, она не вступает во взаимодействие с пищей, сохраняя её целостность, товарный вид, привлекательные внешние характеристики. Продлевается её срок годности, обеспечивается сохранность исходных вкусовых качеств. Пищевая закись азота встречается в следующих продуктах:

взбитые сливки; пористый шоколад; оливковое масло в баллончиках; вспененный плавленый сыр; соусы; куриные белки; топпинги для кофесодержащих напитков.

Сегодня от повсеместного использования пищевой добавки Е942 стараются отказаться, т.к. это – парниковый газ, разрушающий защитный озоновый слой планеты. Он долгое время не разлагается, накапливается, приводя к глобальному потеплению.

Закись азота в автомобилях

Применение оксида азота в автотехнике обусловлено физическими особенностями. Поскольку двигатель работает, сжигая топливо, которое нагревает воздух, создающий при расширении избыточное давление для толкания поршней, возникает необходимость в увлечении количества топливной жидкости либо усилении притока кислорода. Последнюю роль берет на себя оксид азота. Когда он попадает внутрь, то разрушается с выделением большого количества кислорода. Это приводит к ряду последствий:

происходит охлаждение всасываемого в двигатель воздуха; увеличивается скорость сгорания топлива в цилиндре; возрастает концентрация кислорода.

Создано несколько систем закиси, отличающихся по способу впрыска:

«Сухая» предполагает подачу топлива через топливные инжекторы, которые оставляют впускной коллектор не тронутым. «Мокрая» обеспечивает одновременную подачу топливной смеси и оксида азота в одном и том же месте. Прямой впрыск закиси азота производится через отдельное для него отверстие, для этого имеется распределительный блок и соленоиды, передающие газ к форсункам. При этом появляется возможность непосредственно контролировать подачу, улучшая функционирование автомобиля, несмотря на сложности в установке. Медицинская закись азота

Пищевая закись азота в лечении болезней, требующих оперативного вмешательства, играют роль анестетика. Хирургический наркоз достигается смешиванием медицинского азота окисного в определённых пропорциях с кислородом.  Удобство газа заключается в том, что его сочетают с другими препаратами: анальгетиками, миорелаксантами, фенталином, дитилином. Он абсолютно безвреден, поскольку имеет высокую степень частоты, не раздражает дыхательные пути. Операции проходят под контролем доктора, поэтому тщательно фиксируется соотношение газов, а после прекращения введения наркоза производится подача кислорода в течение нескольких минут для избегания кислородной недостаточности.

Применение азота оксида в лечении оправдано в таких клинических ситуациях:

снятие швов в гинекологии, прижигание эрозий; профилактика травматического шока; обезболивание тяжёлых родов; стоматологические манипуляции; уменьшение боли при инфаркте миокарда, острых приступов панкреатита, холецистита.

Перед применением азота закиси нужно проверить уровень цианокобаламина в крови. Это важное кобальтсодержащее соединение, витамин группы В. При пограничных концентрациях В12 и одновременном вдыхании веселящего газа происходит критическое снижение витаминного вещества, что вызывает полинейропатию.

Популярность веселящего газа, продажа его в России

До 2021 в Российской Федерации закись азота считалась легальной. Продажа производилась в барах, ночных клубах, различных развлекательных заведениях как «аромата Ибицы» либо безобидный «веселящий газ». Баллончик можно было заказать в Интернете, не попадая ни под одну статью. Однако с 1 января прошлого года был принят закон, ограничивающих производство, оборот и продажу веселящего газа не в медицинских и пищевых целях. Запрет коснулся и пропаганды употребления оксида. Предусмотрена уголовная и административная ответственность.

Где купить и сколько стоит

Оксид азота продаётся заводами-производителями по оптовым ценам. Стоимость от 40000 рублей за баллов 5 литров. Технической очистки закись азота продаётся от 6000 рублей.

Заключение

Оксид азота – это плотный газ, обладающий сладким вкусом и запахом. Он популярен в качестве средства, вводящего в наркоз, распространено применение оксида азота в стоматологии, хирургии, при родах. В автомобильной промышленности оксид азота улучшает работу двигателей, обогащая их кислородом. Е942 входит в состав аэрозольной продукции, товаров, упакованных с использованием специализированной газовой среды.