一氧化二氮

一氧化二氮 （Dinitrogen Oxide），又名 氧化亚氮 ，一种重要的氮氧化物，能致人发笑， 俗称“笑气”，属于危险化学品， 化学式 为N 2 O。在室温下为无色不可燃气体，具有微甜的气味，高温下为类似于 氧气 的 强氧化剂 。

N 2 O是大气污染物，除了湿地等自然来源外，还来自农业生产、工业生产及燃料的燃烧。它是平流层 臭氧 的主要清除剂，其影响与 氯氟碳化合物 相当，并会导致臭氧层的破坏和温室效应增加 。

N 2 O能溶于水、乙醇、乙醚及 浓硫酸 ，可以在化工合成方面做催化剂；其还有麻醉作用，故可以用于医疗领域缓解病人的痛苦；还可以在军工等领域中使用，如作为航天器的推进剂 。但过度或长时间使用N 2 O，对人体神经系统、血液系统、精神系统的危害会逐渐明显，如嗜睡、抑郁或精神错乱等，甚至造成窒息死亡 。

发现历史

在1772年，英国自然哲学家和化学家约瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）在实验中首次合成了一氧化二氮气体（N 2 O），并将其称为“可燃性含氮空气”；托马斯-贝多斯（Thomas Beddoes）和 詹姆斯·瓦特 （James Watt）合作出版了《关于医疗用途和制造虚构空气的考虑》（1794年）一书，这本书之所以重要，有两个原因，首先，詹姆斯-瓦特发明了一种生产“虚构空气”（包括一氧化二氮）的新型器件和一种可吸入气体的新型“呼吸器”，托马斯-贝多斯的新医学理论，即肺结核和其他肺部疾病可以通过吸入“虚构空气”来治疗，而这本书奠定了一氧化二氮应用的基础。1798年，贝多斯通过吸入该气体治疗 肺结核 和其他肺部疾病。1799年，另一位英国化学家 汉弗里·戴维 （ H.Davy）发现吸入 N 2 O 后能产生快感，并导致头晕，于是将该气体命名为“ 笑气” 。

1800年，汉弗莱·戴维(Humphry Davy)出版了一本关于N 2 O的书籍，书中有这样一段话：“由于一氧化二氮能够消除身体上的疼痛，故可以在人体手术中得到应用” 。

亨利·希尔·希克曼在1800年出生，硕士毕业于英国皇家医学院，在 什罗普郡 的德洛当医生时，他看到自己患者所遭受痛苦，就想减轻患者痛苦，就尝试用CO 2 、N 2 O等用于动物做手术时，发现能有效缓解动物的疼痛。他想将这个方法用于人体，但 英国 专业人士嘲笑这项工作，并谴责它是危险和无用的，他将该发现交给了 巴黎 的皇家医学院，未得到回复。之后，他失望的回到英国，在29岁时去世 。

直到1844年，才清楚且明确的使用N 2 O作为全身麻醉剂，威尔士首选使用N 2 O 作为牙齿拔除时的麻醉剂 。1881年，在 波兰 首次作为分娩镇痛药；1993年，开发了一种混合 氮气 和氨气的双罐装备，使得N 2 O的使用更加方便 。

药理特性

N 2 O

N 2 O对人体有镇痛、麻醉、抗焦虑等有利作用，但也有成瘾性，过多的吸食会导致缺氧，甚至 心脏骤停 等症状 。

毒性机理

N 2 O具有成瘾性，吸食过后对人体的危害大 。主要是它比 氧气 更易溶于水，一旦被吸入，它会比氧气更快穿过 肺泡 的基底膜扩散，然后迅速进入血液，导致肺泡中的氧气体积稀释。肺泡内氧 张力 的降低会导致氧气输送到大脑的减少，健康人在通风良好空间可以忍受这种类型的缺氧，但患有癫痫、心脏病或其他合并症的人，可能会起引起 癫痫发作 、 心律失常 甚至呼吸或 心脏骤停 。

药理作用

N 2 O的镇痛作用机理不是很明确，其中一种观点认为，它会增加人体自身的 内啡肽 、 多巴胺 ，促进了大脑和 脊髓 中其他 阿片类物质 的释放 ，而阿片类物质通过 - 氨基丁酸 （ GABA ）使 中间神经元 等机制去除对下行 性抑制 通路的紧张性抑制，在脊髓水平抑制伤害性感觉的 信号处理 及上传，从而实现N 2 O的镇痛作用。在 临床应用 N 2 O镇痛时，一般溶度在50%左右 。

N 2 O是一种非特异性的N- 甲基 天门冬氨酸 （NMDA）受体 拮抗剂 ，能抑制NMDA 谷氨酸 受体并消除其在 神经系统 中的 兴奋性 ，从而实现麻醉作用 。并且N 2 O的血/气分配系数较低（0.47），因此它在血液中的 溶解度 很低，麻醉诱导以及麻醉结束后病人苏醒更快 。N 2 O还有抗焦虑作用，其作用机理与苯二氮卓类药物相似 。

健康危害

人在吸食N 2 O时，主要是直接从压缩气罐中吸入该气体，容易导致严重的肺部损伤甚至死亡 。人在没有 氧气 的情况下，吸入纯N 2 O会导致人出现缺氧，造成头晕、晕厥、 低血压 甚至心脏病发作，主要原因是大量或反复吸食N 2 O会导致人体内缺乏维生素B 12 ，长期和大量吸食也会引起贫血及中枢神经系统损害，造成脑功能损害、瘫痪，甚至死亡 。

人体长期处于含有N 2 O的环境中，会造成DNA损坏，这是由于DNA合成中断所致，DNA损坏程度与环境空气中N 2 O水平呈正相关，同时会对 生殖系统 产生不利影响，表现为生育能力下降、自然流产和出生缺陷 。此外，大量使用N 2 O会引起精神症状，常见的精神症状有 妄想型精神分裂症 、 认知障碍 、焦虑、 抑郁症 等 。

应用领域

医学领域

N 2 O具有显著的镇痛、抗焦虑和麻醉的作用，在医疗领域主要用作吸入式麻醉剂。医生经常使用N 2 O缓解患者因分娩、创伤、口腔科手术以及急性冠状动脉综合征（包括心脏病发作）引起的疼痛，但它并不是一种足够强的麻醉剂，不能用于医院的大手术。其缓解疼痛也是源于它能刺激内源性阿片类物质的释放，从而阻断疼痛信号的传递 。其次，N 2 O 由于其相对无害的性质，可作为治疗毒瘾的药物 。

食物领域

在食品工业上，N 2 O可以用于 食品冷却 、冷冻和储存，也作为食品 防腐剂 、 食品添加剂 、 推进剂 和包装气体 。作为食品防腐剂时，N 2 O可以抑制果实 催熟激素 的产生，减少一些跃变和非跃变型果实腐烂发生，为此，可以作为水果的保鲜效果，也可以用作喷雾喷射剂 ；作为食品推进剂，主要用于餐饮行业，如搅拌、发泡和 乳脂奶油 制备的推进剂 。

军工领域

N 2 O在一定温度时能迅速生成 氮气 等气体，能提高燃烧效率，其可以在相对较高的密度下贮存，并像液体那样长时间地贮存在航天器上，为此，其可以做为航天器的 推进剂 。

合成化学领域

在有机合成化学和无机合成化学中，N 2 O 可用作 氧化剂 或 氮 供体。主要是N 2 O是一种很强的氧化剂，但是其 化学 惰性较高，使其化学反应活性受限。N 2 O可以用于过渡金属 催化 氧化反应、可以作为氮原子供体，用来合成更加复杂的分子 。

汽车领域

N 2 O可在赛车比赛中应用于内燃机，改变内燃机的性能特征，液态N 2 O在进气歧管中蒸发和膨胀，会降低发动机进气的温度，使更多空气/燃油混合物进入气缸，增加氧含量，进而促使发动机燃烧更多燃料，氧含量的提升还能增加燃料喷射量，让发动机产生更大的动力，最重要的会增加发动机内燃缸燃料燃烧 速率 。

理化性质

物理性质

在正常情况下，N 2 O是一种无色气体，具有微弱的怡人气味和甜味，是空气的恒定组成成分。它在液体状态时，需要储存在一定压力的钢瓶中，液态N 2 O在-40℃~25℃温度范围内的比体积 电阻 为2.5×10 14 ~3.5×10 14 欧姆 ，它也是一种 电介质 。N 2 O的分子量为44.01，在0℃和0.1MPa时的分子体积为22.251。N 2 O是线性不对称结构：N≡N=O，N 2 O的 电离 电势 为12.6eV，N≡N键的幂 常数 为18.2，N=O键的幂常数为12.0 。

在一定压力下，N 2 O可以溶解于有机 溶剂 中，如 丙酸 、 乙醇 等溶剂中，也溶于一些 无机盐 溶液中，如 氯化物 、 硫化物 、 亚硝酸盐 溶液 。

化学性质

在环境条件下，N 2 O是惰性化合物，在-50℃至50℃温度范围内，它是稳定的。N 2 O不与水、酸和碱的溶液反应，但在一定压力下，可以溶解与水中，在5℃时，水中 溶解度 为1.048；在20℃时，水中溶解度为0.629。它在水中溶解相对应的形式是不稳定的 次硝酸 H 2 N 2 O，它们容易分解成水和N 2 O 。

2H 2 N 2 O = 2N 2 O + H 2 O

N 2 O不被KM n O 4 、Cl 2 O等 强氧化剂 氧化，在正常条件下不与O 2 反应，但在O 2 中加热超过500℃时，N 2 O被点燃并氧化 。

2N 2 O + 3O 2 = 4NO 2 + 26.6KJ/ mol

N 2 O也能与碱性金属和 碱土金属 以及一些过渡金属（Fe、Co 、Cr等）发生发应 。

N 2 O + Fe = FeO + N 2 +345.6 KJ/mol

N 2 O与 氢气 、氨气、氧化碳和 碳氢化合物 反应，能释放更多的热量 。

N 2 O + 2NH 3 = 4N 2 + 3H 2 O +879.2KJ/mol

来源

2011年至2020年，平均全球N 2 O总排放量为17.2TgN/年，包括12.0TgN/年来自陆地、5.2TgK/年来自海洋 。截止2021年，全球大气中N 2 O浓度达334.5±0.1ppb ，大气中N 2 O溶度增加主要来源为自然来源（海洋、森林和 热带 稀树草原），其次是人为来源（发电厂、 废水 处理厂、 内燃机 和 硝酸 生产） 。

自然来源

N 2 O的自然来源主要来自土壤中微生物分解，NO是复杂 有机化合物 在微生物分解过程中发生硝化和反硝化作用的结果 。

形成的N 2 O进入大气，会增强 温室效应 ；它也会被微生物进一步利用，转化成分子氮，对 大气影响 较低。在变化的气候条件下，如冬季的土壤融化，夏季的土壤湿润，N 2 O释放最多，因为夏季干旱期间，由于不完全反硝化，降雨后N 2 O的释放可能在数小时到数天时间急剧增加 。在农业生产中，施加在土壤中的 氮肥 被微生物硝化、反硝化作用分解产生N 2 O，土壤中N 2 O排放也受到土壤性质和耕作方式影响 。

人为来源

人为来源首先包括化石燃料（如煤、石油、天然气等）的燃烧，在高温下， 氮气 和 氧气 反应生成N 2 O。此外，燃烧燃料中含氮物质会产生 氮氧化物 ，也造成空气的污染。而各种内燃机燃料（如汽油、 柴油 等）的燃烧，也会产生N 2 O 。人为来源还包括工业生产，工业生产的N 2 O主要来源是生产 硝酸 和已 二酸 ， 废水 处理也会产生N 2 O 。

减少来源措施

生产制备

传统的N 2 O制备工艺主要有 氨氧化法 、 硝酸盐- 浓硫酸 处理尿素法、NO还原法以及 硝酸铵 热分解法 。

氨氧化法

氨氧化法以氨气为原料，该方法利用不同温度遵照不同的反应途径，分别产生不同氧化程度的含氮产物，按升序依次为N 2 、N 2 O和NO，在较高的温度下，才会开始出现N 2 O。氨氧化产物通过与 液氨 的 热交换 冷却，分离出N 2 、N 2 O和NO等不可冷凝气体和 氨水 ，用碱性 水溶液 和含有 高锰酸钾 的水溶液除去 氮氧化物 ，用水洗涤产物吸收N 2 O，去除N 2 和O 2 ，最后从含有N 2 O的高压水汇总释放压力以分离高溶度的N 2 O气体 。

2NH 3 + 2O 2 →N 2 O+3H 2 O

硝酸铵热分解法

在工业上，硝酸 热分解法是最常见和最经典的制备N 2 O方法之一 ，一般在250℃下加热硝酸铵来制取，并会在硝酸铵中加入一定量的 磷酸盐 ，有利于在稍低温度下获取较纯的N 2 O。当在实验室制备时，由于硝酸铵在高温易爆炸，故主要通过加入硝酸铵和 硝酸钠 的 混合物 来制备N 2 O 。

NH 4 NO 3 →N 2 O + 2H 2 O + 36.8KJ/ 摩尔

NO还原法

工业上也经常采用NO还原法来制备N 2 O，该反应在 气相 中进行，控制进料气的溶度比，NO的还原反应温度一般控制在200℃至450℃。首先由氨氧化产生含N 2 O和其他 氮氧化物 的气体混合物，随后通入还原性气体将其中的NO或NO 2 还原成N 2 O 。

2NO + H 2 →2N 2 O+H 2 O

2NO + CO→2N 2 O + CO 2

硝酸盐—浓硫酸处理尿素法

主要将 尿素 溶解在浓硫酸中，向所得溶液中缓慢加入 硝酸 ，溶液保持在40℃至100℃的反应温度区间，可以得到N 2 O等混合气体，再用碱性溶液洗涤，除去酸性杂质，达到分离N 2 O 。

分子结构

N 2 O在室温下比较稳定，N 2 O是一种线性分子，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，N 2 O的N=N和N=O键长分别为1.24埃（Å）和1.21埃（Å） ，N 2 O分子的路易斯结构式可视为A、B两种结构的共振杂化体 。

N 2 O分子的偶极矩较低，为0.161D，主要原因是A和B共振形式中电荷分布相反，它的N-N键长为1.128Å，比标准N=N键（1.24Å）短的多，相比于N≡N键（1.10Å）长的不显著。N-O键长为1.184Å，与标准N=O双键（1.21Å）非常相似，因此，N 2 O中的N-N和N-O键序分别为2.73和1.61 。

检验方法

直接检测

使用 传感器 和分析仪直接检测N 2 O浓度。在传感器监测上， 电化学 、 安培 或 电子 传感器通常用于直接检测N 2 O浓度，但传感器检测范围存在上限，其灵敏度不适合在大气溶度下测量。便携式气体分析仪也可以直接检测N 2 O浓度，常用于现场连续测量 。

采样检测

当无法直接检测N 2 O浓度时，采用被动和主动方法收集样本在实验室或移动设备中 抽样 进行后续分析，以测量N 2 O浓度，采样的检测方法有：光谱法，色谱法 。

安全事宜

环境

N 2 O是《 京都议定书 》中规定的6种 温室气体 之一，其全球变暖潜能值约为CO 2 的300倍，过去十年间，大气中N 2 O含量不断增加，而其又是一种典型的消耗 臭氧层 物质，造成臭氧层的破坏，引起直接辐射，导致全球气候的变暖。N 2 O的排放一半以上来自农业生产，主要是施加在土壤中的 氮肥 被微生物硝化、反硝化作用分解所致；工业生产中也会导致大量的N 2 O排放；燃料的燃烧以及 废水 处理都会产生N 2 O 。

急救措施

吸入：将患者快速移到新鲜空气处，保持 呼吸道 通畅。如果 呼吸困难 ，给输氧。如呼吸、心跳停止，立即进行心肺复苏，就医 。

消防措施

N 2 O与强 还原剂 、易燃或 可燃物 等接触，会有发生火灾和爆炸的危险。在灭火时，切断气源；若不能切断气源，则不允许熄灭泄漏处的火焰。消防人员必须佩戴空气呼吸器、穿全身防火 防毒服 ，在上风向灭火。尽可能将容器从火场移至空旷处。喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束 。

法律法规

中国

中国 与国际上许多国家一样，未将N 2 O列入麻醉药品或者精神药品的管制目录，只是作为普通的化学品列入《危险化学品目录》（2015版），由安监等部门监管生产、运输、储存等环节安全 。

在N 2 O的经营方面，中国国务院《 危险化学安全管理条例 》第77条第三款有规定，在娱乐场所出现“笑气”是《危险化学品目录》中的N 2 O，且卖方没有经营许可证，可结合《 中华人民共和国刑法 》第二百二十五条 非法经营罪 、《 中华人民共和国治安管理处罚法 》第三十条进行判罚 。

2019年11月12日， 上海市 对一起大型 非法经营 “笑气”案进行了宣判。两名被告人违反国家规定，在未取得危险化学品经营许可证情况下，非法经营N 2 O，犯非法经营罪并追究其 刑事责任 。分别判处有期徒刑九年和五年六个月，并处罚金250万 元和 40万元，继续追缴二人违法所得 。

欧洲

2021年6月起，法律禁止将N 2 O当做精神活性物质出售，违者罚款3750欧元 。2023年3月27日， 女王陛下政府 实施“反政府行为行动计划”，同时宣布禁止向公众出售N 2 O 。