一氧化二氮 ,又稱氧化亞氮 (英語:Nitrous oxide ),俗称笑气 ,化学式為N2 O,是一種无色有甜味气体,在一定条件下能支持燃烧,但在室温下稳定,有轻微麻醉 作用,其麻醉 作用于1799年由英国 化学家 汉弗莱·戴维 发现[ 1] 。该气体早期被用于牙科 手术的麻醉,現用在外科 手術和牙科。“笑氣”的名稱是由於吸入它會感到欣快,并能致人发笑 。一氧化二氮能溶于水 、乙醇 、乙醚 及浓硫酸 ,但不与水 反应。它可以用來作為火箭 和賽車 的氧化劑 ,以及增加發動機 的輸出功率。在食品行业中,氧化亚氮可作为添加剂,用于打发奶泡与制作咖啡。一氧化二氮是强温室气体 。现笑气被用在很多娱乐场所[ 2] 。
历史
一氧化二氮最早是在1772年由英国化学家约瑟夫·普利斯特里 合成,他将之称为“燃素 的亚硝酸气”[ 3] 。普利斯特里将这一发现写进了他的书《不同类型气体的实验与观察》(1775年),在书中他描述了通过加热铁屑和硝酸的混合物来制备这种气体[ 4] 。
18世纪90年代,汉弗莱·戴维 和他的朋友,包括诗人柯爾律治 和罗伯特·骚塞 试验了这种气体。他们發現一氧化二氮能使病人丧失痛觉 ,而且吸入后仍然可以保持意識,不会神智不清(现代研究表明吸入过量一氧化二氮後会使人神智不清)。
1844年12月11日,一氧化二氮首次被当作麻醉剂在医学治疗中使用,牙医霍勒斯·威尔士 在拔牙过程中使用一氧化二氮减轻病人疼痛[ 5] 。
制备
工业生产
一氧化二氮的生产。
工业上在约250°C的温度下小心加热硝酸铵 可以生成一氧化二氮和水蒸汽。[ 6] [ 7]
N
H
4
N
O
3
=
=
=
=
Δ
N
2
O
↑
+
2
H
2
O
{\displaystyle {\rm {NH_{4}NO_{3}{\stackrel {\Delta }{=\!=\!=\!=}}N_{2}O\uparrow +2H_{2}O}}}
添加各种磷酸盐 有利于在稍低的温度下形成更纯的气体。该反应可能难以控制,从而导致爆炸 。[ 8]
实验室制备
硝酸铵的分解也是制备气体的常用实验室方法。同样也可以通过加热硝酸钠 和硫酸铵 的混合物制得:[ 9]
2
N
a
N
O
3
+
(
N
H
4
)
2
S
O
4
=
=
=
=
Δ
N
a
2
S
O
4
+
2
N
2
O
↑
+
4
H
2
O
{\displaystyle {\rm {2NaNO_{3}+(NH_{4})_{2}SO_{4}{\stackrel {\Delta }{=\!=\!=\!=}}Na_{2}SO_{4}+2N_{2}O\uparrow +4H_{2}O}}}
另一种方法涉及尿素、硝酸和硫酸的反应:[ 10]
2
(
N
H
2
)
2
C
O
+
2
H
N
O
3
+
H
2
S
O
4
=
=
=
=
Δ
2
N
2
O
↑
+
2
C
O
2
↑
+
(
N
H
4
)
2
S
O
4
+
2
H
2
O
{\displaystyle {\rm {2(NH_{2})_{2}CO+2HNO_{3}+H_{2}SO_{4}{\stackrel {\Delta }{=\!=\!=\!=}}2N_{2}O\uparrow +2CO_{2}\uparrow +(NH_{4})_{2}SO_{4}+2H_{2}O}}}
据报道,可用二氧化锰 -三氧化二铋 催化剂直接氧化氨:[ 11] 参考奥斯特瓦尔德法 。
2
N
H
3
+
2
O
2
=
=
=
=
N
2
O
+
H
2
O
{\displaystyle {\rm {2NH_{3}+2O_{2}{=\!=\!=\!=}N_{2}O+H_{2}O}}}
盐酸羟胺 与亚硝酸钠 反应生成一氧化二氮。如果将亚硝酸盐添加到羟胺溶液中,则唯一剩余的副产物是盐水。但是,如果将羟胺溶液添加到亚硝酸盐溶液中(亚硝酸盐过量),则会形成有毒的高级氮氧化物:
N
H
3
O
H
C
l
+
N
a
N
O
2
=
=
=
=
N
2
O
↑
+
N
a
C
l
+
2
H
2
O
{\displaystyle {\rm {NH_{3}OHCl+NaNO_{2}{=\!=\!=\!=}N_{2}O\uparrow +NaCl+2H_{2}O}}}
也可用氯化亚锡 和盐酸 处理硝酸 :
2
H
N
O
3
+
8
H
C
l
+
4
S
n
C
l
2
=
=
=
=
N
2
O
↑
+
4
S
n
C
l
4
+
5
H
2
O
{\displaystyle {\rm {2HNO_{3}+8HCl+4SnCl_{2}{=\!=\!=\!=}N_{2}O\uparrow +4SnCl_{4}+5H_{2}O}}}
连二次硝酸 会分解为一氧化二氮和水,在25°C,pH值1–3时的半衰期 为16天。[ 12]
H
2
N
2
O
2
=
=
=
=
N
2
O
↑
+
H
2
O
{\displaystyle {\rm {H_{2}N_{2}O_{2}{=\!=\!=\!=}N_{2}O\uparrow +H_{2}O}}}
結構与性质
一氧化二氮的分子 是直线型结构。其中一个氮 原子与另一个氮 原子相连,而第二个氮 原子又与氧 原子相连。它可以被认为是
N
≡
N
+
−
O
−
{\displaystyle {\mbox{N}}\equiv {\mbox{N}}^{+}-{\mbox{O}}^{-}}
和
N
−
=
N
+
=
O
{\displaystyle {\mbox{N}}^{-}={\mbox{N}}^{+}={\mbox{O}}\;}
的共振杂化体 。
一氧化二氮可以被氧化为更高价的氮氧化物,如一氧化氮 NO和二氧化氮 NO2 。
将一氧化二氮与沸腾汽化的碱金属 反应可以生成一系列的亚硝酸盐 ,在高温下,一氧化二氮也可以氧化 有机物 。
應用
一氧化二氮是一種助燃劑,最初用在幫助二戰 時德軍 飛機迅速逃離戰場,現今用於改裝汽車上,用於直線加速 。
增加車輛速度
使用氮氧加速系统 的改裝車輛將一氧化二氮送入引擎,遇熱分解成氮氣 和氧氣 ,提高引擎燃燒率,增加速度。氧气有助燃作用,加快燃料燃烧。
火箭氧化劑
一氧化二氮可以用作火箭 氧化劑 。比其他氧化劑 更好的地方是因為它是無毒的,在室溫下穩定,易於儲存和相對安全地進行飛行。第二個好處是可以很容易分解成幫助呼吸的空氣 。
用作麻醉劑
醫生會讓病人吸入一氧化二氮和氧氣,以降低對疼痛的感覺,同時讓病人在清醒狀態。
食品加工
因不易与奶油中的成分发生反应,多用做奶油 发泡剂。
娱乐性用药
Aquatint ,十九世纪由Thomas Rowlandson 绘制的笑气派对的蚀刻版画
标示禁止在格罗宁根 Poelestraat附近使用一氧化二氮的街头标志
2017年在荷兰,学校附近作为娱乐性药物使用后遗留的Whippit (小钢制气罐)
娱乐性吸入一氧化二氮 以引发欣快感 和轻微的幻觉 ,始于1799年英国上层社会,在被称为“笑气派对”的聚会中首次流行。[ 13]
自19世纪以来,随着一氧化二氮在医疗和烹饪领域的广泛应用,该气体的娱乐性使用也迅速在全球范围内扩展。截至2014年,英国估计有近50万年轻人在夜店、节庆和派对中使用一氧化二氮。[ 14]
英国在2017年广泛的娱乐性使用一氧化二氮被记录在Vice 的纪录片Inside The Laughing Gas Black Market 中,记者Matt Shea 与从医院偷取气体的贩卖者进行了接触。[ 15]
伦敦媒体报道中指出的一个主要问题是一氧化二氮罐的乱扔现象,该行为不仅十分显眼,也引发了社区大量投诉。[ 16]
在2023年11月8日之前,英国依据2016年《精神活性物质法案》禁止生产、供应、进口或出口用于娱乐性目的的一氧化二氮。修订后的法律进一步禁止了其持有行为,并依据1971年《药物滥用法案》将其列为C类药物。[ 17]
虽然大多数使用者认为一氧化二氮能带来“安全的兴奋感”,但许多人并不知道过量使用可能导致神经系统损伤,若不治疗可能会造成永久性神经损伤。[ 18] 在澳大利亚,随着神经毒性报告数量的增加和急诊科 收治病例的上升,娱乐性使用已成为公共健康问题。南澳州于2020年通过立法限制气罐销售。[ 19]
2024年,一氧化二氮以街头名称“银河气体(Galaxy Gas)”在年轻人中迅速流行,用于娱乐性吸入。这种流行很大程度上是通过TikTok 平台推动的。[ 20]
安全性
人可能因為在吸入笑氣时氧氣過少而引起突然的窒息。暴露於笑氣中會短時間導致智力,視聽能力,手的靈活度降低。N2O能不可逆地氧化钴胺素 的钴核并使甲基钴胺素失活,间接诱发维生素B12缺乏,造成神经损伤,如亚急性联合变性 [ 21] 。
一氧化二氮的主要安全隐患在于,它是一种有分解性的麻醉剂,而且通常以加压液化的形式储存。在正常儲存時,它是很稳定的,使用起来也很安全。但是如果错误地使用,它会很容易分解而且很有可能爆炸。液态的一氧化二氮是有机物 的良好溶剂 ,不过用它制成溶液 有可能会生成一些对外界刺激敏感的爆炸性物质。一部分火箭事故由于一氧化二氮被燃料污染而发生,少量的一氧化二氮和燃料的混合物发生爆炸,随即引起剩余一氧化二氮的爆炸性分解。
監管
在中華人民共和國,笑气被列入《危险化学品目录(2015版)》,其仍可被用作食品添加剂以及医用麻醉剂。[ 22]
与环境的關聯
氮氧化物 ,当然也包括一氧化二氮,是一类温室气体。因此,氮氧化物 是控制温室气体排放时(比如京都议定书 )的主要对象。一氧化二氮本身是排在二氧化碳 、甲烷 之后的第三大温室气体。它所能造成的温室效应 的效果大约是二氧化碳 的200倍[ 23] [ 24] 。在自然条件下,一氧化二氮主要从土壤和海洋中排出。人类耕作、生产、使用氮肥、生产尼龙 还有燃烧化石燃料和其他有机物的过程增加了一氧化二氮的排放量。
參考文獻
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外部連結
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1-甲基-5-甲氧基二异丙基色胺
2,N,N-三甲基色胺
4,5-DHP-AMT
4,5-DHP-DMT
4-AcO-DALT
4-AcO-DET
4-AcO-DiPT
4-AcO-DMT
4-Acetoxy-DPT
4-AcO-MiPT
4-HO-5-MeO-DMT
4-羟基-N,N-二丁基色胺
4-羟基-N,N-二丙基色胺
4-羟基-N-甲基-N-乙基色胺
4-HO-MPMI
4-羟基-N-甲基-N-丙基色胺
4,N,N-三甲基色胺
4-PrO-DMT
5,6-diBr-DMT
5-AcO-DMT
5-溴-N,N-二甲基色胺
5-Me-MIPT
5-MeO-2,N ,N -TMT
5-MeO-4,N ,N -TMT
5-MeO-α,N,N-TMT
5-MeO-α-ET
5-MeO-α-MT
5-MeO-DALT
5-MeO-DET
5-甲氧基二异丙基色胺
5-甲氧基二甲基色胺
5-MeO-DPT
5-MeO-EiPT
5-MeO-MET
5-MeO-MiPT
5-MeO-MPMI
5,N,N-TMT
7,N,N-三甲基色胺
α-ET
α-MT
α,N,N-三甲基色胺
Aeruginascin
Baeocystin
蟾毒色胺
DALT
DBT
DCPT
DET
DIPT
DMT
DPT
EiPT
4-羟二乙基色胺
4-磷酸二乙基色胺
4-羟二异丙基色胺
MET
Miprocin
MiPT
Norbaeocystin
PiPT
脱磷酸裸盖菇素
裸盖菇素
其它藥物
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