Закись азота: свойства и применение¶

Закись азота (оксид азота(I), химическая формула N₂O) — бинарное неорганическое соединение азота и кислорода, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ со слабым сладковатым запахом и слегка сладковатым вкусом. Относится к классу оксидов азота, в котором азот проявляет степень окисления +1. Широко известна под тривиальными названиями «веселящий газ» и «весёлый газ» благодаря вызываемому при вдыхании эйфорическому эффекту. Применяется в медицине как средство для ингаляционной анестезии и анальгезии, в пищевой промышленности как пропеллент и упаковочный газ, в технике как окислитель и рабочее тело, а также нелегально используется в рекреационных целях.

¶Физические и химические свойства

При комнатной температуре закись азота — газ без цвета, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза (плотность около 1,98 кг/м³ при нормальных условиях). Молекула N₂O линейна и изоэлектронна молекуле CO₂, однако обладает слабым дипольным моментом. Температура кипения составляет около −88,5 °C, температура плавления — около −90,8 °C. Газ хорошо растворим в воде и органических растворителях, что важно для его физиологического действия.

Химически закись азота относительно инертна при обычных условиях, не горит, но поддерживает горение, поскольку при нагревании разлагается с выделением кислорода. При температурах выше 500–600 °C разлагается на азот и кислород, а в присутствии катализаторов реакция ускоряется. Не взаимодействует с галогенами и щелочами при нормальных условиях, но при высокой температуре может реагировать с некоторыми металлами и органическими соединениями. Является сильным окислителем в реакциях сгорания, что используется в ракетной технике.

¶История открытия

Закись азота была открыта в 1772 году английским химиком Джозефом Пристли, который получил её при взаимодействии оксида азота с железными опилками. В 1793 году другой английский химик, Хамфри Дэви, детально изучил свойства газа и обнаружил его способность вызывать эйфорию и притуплять боль. Дэви экспериментировал на себе и предположил возможность применения вещества в хирургии, однако его идея не получила немедленного признания.

В первой половине XIX века закись азота стала популярным развлечением на публичных демонстрациях в Европе и США, где желающие могли вдохнуть газ и испытать «веселящий» эффект. Лишь в 1844 году американский стоматолог Хорас Уэллс впервые применил её для обезболивания при удалении зуба, а в 1846 году Уильям Мортон и Чарльз Джексон продемонстрировали её использование в хирургии. С этого момента началось систематическое внедрение закиси азота в медицинскую практику как первого эффективного ингаляционного анестетика.

¶Получение

В промышленности закись азота получают главным образом термическим разложением нитрата аммония при температуре около 250–260 °C:

NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O

Процесс требует тщательного контроля температуры, поскольку при перегреве возможен переход реакции в взрывное разложение с образованием других оксидов азота. Также вещество образуется при каталитическом окислении аммиака в присутствии оксидов марганца или висмута, а в лабораторных условиях — при взаимодействии сульфаминовой кислоты с азотной кислотой или при нагревании смеси нитрата натрия и сульфата аммония.

¶Применение в медицине

В медицине закись азота применяется в виде смесей с кислородом (обычно 30–70 % N₂O). Она обеспечивает анальгезию и умеренную седацию, но не даёт глубокого наркоза, поэтому используется в комбинации с другими анестетиками. Препарат отличается быстрым наступлением эффекта и столь же быстрым выведением из организма — газ практически не метаболизируется и выводится через лёгкие в неизменённом виде.

Основные области медицинского применения:

• акушерство — обезболивание родов;
• стоматология — седация при болезненных процедурах;
• неотложная помощь — купирование болевого синдрома при травмах и инфаркте миокарда;
• педиатрия — кратковременная анальгезия при манипуляциях.

Длительное вдыхание закиси азота может вызывать угнетение костномозгового кроветворения и неврологические нарушения, связанные с инактивацией витамина B₁₂, поэтому применение требует контроля со стороны медицинского персонала.

¶Промышленное и техническое использование

В пищевой промышленности закись азота зарегистрирована как пищевая добавка E942 и применяется в качестве пропеллента для взбитых сливок, а также как упаковочный газ для продуктов, чувствительных к кислороду. В технике вещество используется как окислитель в ракетных двигателях и в системах форсирования автомобильных двигателей, как рабочее тело в лазерах и как компонент газовых смесей для сварки и резки металлов.

В аналитической химии закись азота применяется в атомно-абсорбционной спектрометрии для создания восстановительной атмосферы в пламени. В электронной промышленности используется при осаждении тонких плёнок оксидов кремния.

¶Воздействие на организм и риски

При вдыхании закись азота вызывает кратковременную эйфорию, головокружение, лёгкую дезориентацию и притупление болевой чувствительности. Эти свойства стали причиной распространения рекреационного употребления газа, особенно в форме шариков, наполненных N₂O. Неконтролируемое вдыхание без достаточного притока кислорода может привести к гипоксии, потере сознания, а в тяжёлых случаях — к необратимым повреждениям головного мозга и смерти.

Регулярное употребление закиси азота вызывает дефицит витамина B₁₂, что ведёт к периферической нейропатии, нарушению походки и чувствительности конечностей. В ряде стран оборот вещества для немедицинских целей ограничен законодательно. В Российской Федерации закись азота включена в перечень веществ, оборот которых подлежит контролю, а её пропаганда и продажа для вдыхания запрещены.

¶Экологические аспекты

Закись азота является парниковым газом с потенциалом глобального потепления почти в 300 раз выше, чем у углекислого газа, и участвует в разрушении озонового слоя стратосферы. Основные антропогенные источники выбросов — сельское хозяйство (применение азотных удобрений), промышленное производство и сжигание топлива. Согласно оценкам, на N₂O приходится около 6–7 % общего вклада в парниковый эффект.

¶Меры предосторожности

При работе с закисью азота в промышленных условиях требуется вентиляция помещений и контроль концентрации газа в воздухе рабочей зоны. Баллоны с веществом должны храниться вдали от источников тепла и окислителей. Медицинское применение допускается только квалифицированным персоналом с использованием специальной аппаратуры, обеспечивающей точное дозирование и подачу кислорода.