Введение

Бесцветный негорючий газ

Окись азота (окись диазота или моноокись диазота), широко известная как закись азота, нитро, или газ смеха, — это химическое соединение, оксид азота с формулой N2O. При комнатной температуре это бесцветный негорючий газ с лёгким сладковатым запахом и вкусом. При повышенных температурах окись азота является сильным окислителем, подобным молекулярному кислороду. Окись азота имеет важное медицинское применение, особенно в хирургии и стоматологии, благодаря своим анестезирующим и обезболивающим свойствам. Его разговорное название «газ смеха», введенное Хамфри Дэви, обусловлено вызываемым им эйфорическим эффектом при вдыхании, что привело к его рекреационному использованию в качестве диссоциативного анестетика. Он также используется в качестве окислителя в ракетном топливе и в автоспорте для повышения мощности двигателей. Концентрация окиси азота в атмосфере достигла 333 частей на миллиард (ppb) в 2020 году, увеличиваясь примерно на 1 ppb в год. Азот поступает в почву с мочой и навозом животных, а также с синтетическими удобрениями: микроорганизмы затем высвобождают его в виде закиси азота. Являясь третьим по значимости парниковым газом, окись азота вносит существенный вклад в глобальное потепление. Сокращение выбросов является важной темой в политике по изменению климата. Окись азота используется в качестве пропеллента и имеет широкий спектр применения, от ракетостроения до производства взбитых сливок. Его используют в качестве рекреационного наркотика из-за его способности вызывать кратковременный «кайф». Большинство людей, употребляющих его в рекреационных целях, не знают о его нейротоксическом воздействии при злоупотреблении. При хроническом употреблении окись азота может привести к повреждению нервной системы из-за инактивации витамина B12.

Ракетные двигатели

Окись азота может использоваться в качестве окислителя в ракетном двигателе. Она имеет преимущества перед другими окислителями, такие как значительно меньшая токсичность, а также простота хранения и относительная безопасность при транспортировке благодаря своей стабильности при комнатной температуре. Дополнительным преимуществом является возможность её лёгкого разложения с образованием дыхательного воздуха. Высокая плотность и низкое давление хранения (при поддержании низких температур) делают её конкурентоспособной по сравнению с системами хранения газов под высоким давлением. В патенте 1914 года американский пионер ракетной техники Роберт Годдард предложил использовать оксид азота и бензин в качестве возможных компонентов ракетного топлива для жидкостных ракетных двигателей. Окись азота была окислителем по выбору в нескольких конструкциях гибридных ракет (использующих твердое топливо с жидким или газообразным окислителем). Комбинация оксида азота и гидроксил-терминированного полибутадиена использовалась в SpaceShipOne и других проектах. Она также широко применяется в любительском и высокомощном ракетостроении с различными видами пластика в качестве топлива. Окись азота также может использоваться в однокомпонентном ракетном двигателе. В присутствии нагретого катализатора N2O экзотермически разлагается на азот и кислород при температуре около [значение опущено в оригинале]. Из-за значительного выделения тепла каталитическое действие быстро становится второстепенным, уступая место термическому саморазложению. В вакуумном двигателе это может обеспечить удельный импульс (I) однокомпонентного топлива до 180 с. Хотя это заметно меньше, чем удельный импульс, доступный для двигателей на гидразине (однокомпонентных или двухкомпонентных с тетраоксидом азота), сниженная токсичность делает оксид азота перспективным вариантом для изучения. Считается, что оксид азота дефлагрирует при приблизительно [значение опущено в оригинале] при давлении 309 psi (21 атмосфера). Например, при 600 psi (фунтов на квадратный дюйм) требуемая энергия зажигания составляет всего 6 джоулей, в то время как для N2O при 130 psi энергии зажигания в 2500 джоулей недостаточно.

Двигатель внутреннего сгорания

В гонках на автомобилях оксид азота (часто называемый "азотом") позволяет двигателю сжигать больше топлива, обеспечивая больше кислорода во время сгорания. Увеличение количества кислорода позволяет увеличить впрыск топлива, что дает двигателю возможность производить больше мощности. Газ не воспламеняется при низком давлении/температуре, но выделяет больше кислорода, чем атмосферный воздух, разлагаясь при повышенных температурах, около 570 градусов по Фаренгейту (~300°C). Поэтому его часто смешивают с другим топливом, которое легче детонирует. Оксид азота является сильным окислителем, примерно эквивалентным перекиси водорода и значительно превосходящим кислород по своим свойствам. Оксид азота хранится в виде сжатой жидкости; испарение и расширение жидкого оксида азота во впускном коллекторе вызывает резкое падение температуры впускного заряда, что приводит к увеличению его плотности и, следовательно, позволяет большему объему воздушно-топливной смеси поступать в цилиндр. Иногда оксид азота впрыскивается в (или перед) впускной коллектор, в то время как другие системы осуществляют непосредственный впрыск непосредственно перед цилиндром (прямой впрыск в порт) для повышения мощности. Эта технология использовалась во время Второй мировой войны самолетами Люфтваффе с системой GM 1 для увеличения мощности авиационных двигателей. Изначально разработанная для обеспечения стандартных самолетов Люфтваффе превосходными высотными характеристиками, технология была ограничена в применении из-за технологических соображений и использовалась только на очень больших высотах. Соответственно, она применялась только на специализированных самолетах, таких как высотные разведывательные самолеты, высокоскоростные бомбардировщики и высотные перехватчики. Иногда ее можно было встретить на самолетах Люфтваффе, также оснащенных другой системой повышения мощности двигателя – MW 50, представляющей собой систему водяного впрыска для авиационных двигателей, использующую метанол для увеличения тяги. Одной из основных проблем при использовании оксида азота в двигателях внутреннего сгорания является то, что он может создавать достаточную мощность, чтобы повредить или разрушить двигатель. Возможны значительные увеличения мощности, и если механическая конструкция двигателя недостаточно усилена, он может быть серьезно поврежден или уничтожен при такой эксплуатации. При использовании оксида азота в бензиновых двигателях важно поддерживать правильную рабочую температуру и уровень топлива, чтобы предотвратить "преждевременное зажигание" или "детонацию" (иногда называемую "стуком"). Большинство проблем, связанных с оксидом азота, не вызваны механическими поломками из-за увеличения мощности. Поскольку оксид азота обеспечивает поступление в цилиндр гораздо более плотного заряда, он значительно увеличивает давление в цилиндре. Повышенное давление и температура могут привести к таким проблемам, как плавление поршней или клапанов. Он также может вызвать трещины или деформацию поршня или головки блока цилиндров и спровоцировать преждевременное зажигание из-за неравномерного нагрева. Жидкий оксид азота автомобильного качества незначительно отличается от медицинского. Небольшое количество диоксида серы добавляется для предотвращения злоупотреблений.

Аэрозольные двигатели

Газ одобрен для использования в качестве пищевой добавки (E-номер: E942), в частности, в качестве аэрозольного пропеллента. Наиболее распространенное применение – в аэрозольных баллончиках со взбитыми сливками и кулинарных спреях. Газ чрезвычайно растворим в жиросодержащих соединениях. Во взбитых сливках он растворяется в жирных сливках до момента выхода из баллончика, когда становится газообразным и образует пену. При таком использовании получается взбитый продукт, объем которого в четыре раза превышает объем жидкости, в то время как взбивание сливок с воздухом увеличивает объем лишь в два раза. Использование воздуха в качестве пропеллента привело бы к ускорению прогоркания молочного жира из-за содержания кислорода, тогда как оксид азота препятствует этому процессу. Углекислый газ нельзя использовать для взбитых сливок, поскольку он образует кислоту в воде, что приводит к створаживанию сливок и ощущению «газировки». Взбитые сливки, приготовленные с использованием оксида азота, нестабильны и возвращаются к более жидкому состоянию в течение получаса – часа. Поэтому этот метод не подходит для украшения блюд, которые не будут поданы немедленно. В декабре 2016 года некоторые производители сообщили о дефиците аэрозольных взбитых сливок в США из-за взрыва на предприятии Air Liquide по производству оксида азота во Флориде в конце августа. Вывод из эксплуатации крупного предприятия привел к перебоям в поставках, в результате чего компания перенаправила поставки оксида азота медицинским учреждениям вместо пищевой промышленности. Дефицит возник в период Рождества и новогодних праздников, когда спрос на взбитые сливки в баллончиках обычно достигает пика. Аналогично, в кулинарных спреях, которые изготавливаются из различных видов масел в сочетании с лецитином (эмульгатором), также может использоваться оксид азота в качестве пропеллента. Другие пропелленты, используемые в кулинарных спреях, включают пищевой спирт и пропан.

Медицина

Окись азота используется в стоматологии и хирургии в качестве анестетика и анальгетика с 1844 года. В первые годы газ вводили через простые ингаляторы, состоящие из дыхательного мешка из резиновой ткани. Сегодня в больницах газ вводят с помощью автоматического аппарата относительной анальгезии, оснащенного испарителем анестетика и медицинским вентилятором, который обеспечивает точно дозированную подачу смеси оксида азота и кислорода в соотношении 2:1, активируемую вдохом пациента. Окись азота является слабым общим анестетиком и поэтому обычно не используется самостоятельно для общей анестезии, а применяется в качестве газа-носителя (в смеси с кислородом) для более мощных общих анестетиков, таких как севофлуран или десфлуран. Минимальная альвеолярная концентрация составляет 105%, а коэффициент распределения газ/кровь – 0,46. Использование оксида азота в анестезии может повысить риск послеоперационной тошноты и рвоты. Стоматологи используют более простое устройство, которое подает смесь N2O/ для ингаляции пациентом, находящимся в сознании, однако оно должно быть сертифицированным, специально разработанным расходомером для относительной анальгезии с минимальным содержанием кислорода 30% и максимальным содержанием оксида азота 70%. Пациент остается в сознании на протяжении всей процедуры и сохраняет достаточные когнитивные функции для ответа на вопросы и выполнения инструкций стоматолога. Ингаляция оксида азота часто применяется для облегчения боли, связанной с родами, травмами, хирургией полости рта и острым коронарным синдромом (включая инфаркт миокарда). Его применение во время родов доказало свою безопасность и эффективность для рожениц. Эффективность его применения при остром коронарном синдроме не установлена. В Канаде и Великобритании бригады скорой помощи (включая фельдшеров без лицензии) часто используют Entonox и Nitronox в качестве быстродействующего и высокоэффективного анальгезирующего газа. 50%-ная смесь оксида азота может быть рассмотрена для использования обученными немедицинскими работниками скорой помощи в предгоспитальной среде, учитывая относительную простоту и безопасность введения 50% оксида азота в качестве анальгетика. Быстрая обратимость его действия также не помешает постановке диагноза.

Рекреационное использование

Развлекательное вдыхание оксида азота с целью вызвать эйфорию и/или легкие галлюцинации началось как явление для британского высшего класса в 1799 году, известное как "вечеринки с газом смеха". Начиная с XIX века, широкая доступность газа в медицинских и кулинарных целях позволила значительно расширить рекреационное использование во всем мире. В Великобритании по состоянию на 2014 год оксид азота использовался почти полумиллионом молодых людей в ночных клубах, на фестивалях и вечеринках. Широкое рекреационное использование наркотика в Великобритании было показано в документальном фильме Vice 2017 года "Inside The Laughing Gas Black Market", в котором журналист Мэтт Ши встретился с дилерами, похищавшими газ из больниц. Значительной проблемой, освещаемой в лондонской прессе, является загрязнение территории пустыми баллончиками с закисью азота, которое хорошо заметно и вызывает многочисленные жалобы от населения. До 8 ноября 2023 года оксид азота подпадал под действие Закона о психоактивных веществах 2016 года в Великобритании. Производство, поставка, импорт или экспорт оксида азота для рекреационного использования уже были незаконными. Однако правительство Великобритании обновило закон 8 ноября 2023 года, включив в него хранение оксида азота, классифицировав его как наркотик класса C в соответствии с Законом о наркотических средствах 1971 года. Хотя большинство рекреационных пользователей считают случайное употребление оксида азота относительно безопасным способом "кайфа", многие не знают, что чрезмерное потребление может привести к неврологическим повреждениям, которые при отсутствии лечения могут стать необратимыми. В Австралии рекреационное использование стало проблемой общественного здравоохранения после роста числа зарегистрированных случаев нейротоксичности и увеличения количества обращений в отделения неотложной помощи, а в штате Южная Австралия в 2020 году был принят закон, ограничивающий продажу баллончиков. В нем был установлен рекомендуемый предел воздействия (REL) в 25 ppm (46 мг/м3) для утечек анестезирующего газа.

Психические и ручные нарушения

Воздействие оксида азота вызывает кратковременное снижение умственных способностей, аудиовизуального восприятия и ловкости рук. Эти эффекты, в сочетании с вызванной пространственной и временной дезориентацией, могут привести к физическим травмам пользователя из-за опасностей окружающей среды. Утверждается, что поскольку N2O быстро выводится из организма в нормальных условиях, он менее вероятно обладает нейротоксичностью, чем другие антагонисты NMDAR. Действительно, у грызунов кратковременное воздействие вызывает лишь незначительные повреждения, которые быстро обратимы, а гибель нейронов происходит только при постоянном и продолжительном воздействии. У лиц, злоупотребляющих оксидом азота в больших количествах (≥400 г или ≥200 л газа за один сеанс) или часто (регулярно, то есть ежедневно или еженедельно) и обращающихся в центры контроля отравлений, отмечаются признаки периферической нейропатии: наличие атаксии (нарушения походки) или парестезии (ощущение аномальных ощущений, например, покалывания, онемения, покалывания, преимущественно в конечностях). Это считается ранним признаком неврологического повреждения и свидетельствует о хронической токсичности. Оксид азота в концентрации 75% снижает гибель нейронов, вызванную ишемией при окклюзии средней мозговой артерии у грызунов, и уменьшает приток Ca2+, индуцированный NMDA, в нейронных клеточных культурах – критическое событие, связанное с экзитотоксичностью. Эта корреляция зависит от дозы и, по-видимому, не распространяется на эпизодическое рекреационное использование; однако необходимы дальнейшие исследования для подтверждения продолжительности и количества воздействия, необходимых для причинения вреда.

Лишение кислорода

Если вдыхать чистый закись азота без кислорода, может наступить кислородное голодание, что приводит к снижению кровяного давления, потере сознания и даже сердечному приступу. Это может произойти, если пользователь вдыхает большие количества газа непрерывно, например, используя маску с ремнем, подключенную к газовому баллону. Также это может случиться, если пользователь чрезмерно задерживает дыхание или использует любую другую систему для ингаляций, которая перекрывает доступ свежего воздуха.

Дефицит витамина В

Долгосрочное воздействие закиси азота может привести к дефициту витамина B. Это может вызвать серьезную нейротоксичность, особенно если у пациента уже имеется дефицит витамина B. Закись азота инактивирует кобаламиновую форму витамина B путем окисления. Симптомы дефицита витамина B, такие как сенсорная нейропатия, миелопатия и энцефалопатия, могут проявиться в течение нескольких дней или недель после анестезии закисью азота у людей с субклиническим дефицитом витамина B. Лечение симптомов проводится высокими дозами витамина B, однако восстановление может быть медленным и неполным. У людей с нормальным уровнем витамина B имеются запасы, которые позволяют свести к минимуму воздействие закиси азота, если только воздействие не является повторным и продолжительным (злоупотребление закисью азота). Перед применением анестезии закисью азота необходимо проверить уровень витамина B у пациентов с факторами риска дефицита витамина B.

Пренатальное развитие

Несколько экспериментальных исследований на крысах указывают на то, что хроническое воздействие закиси азота на беременных самок может оказывать негативное влияние на развивающийся плод.

Аналгетическое действие

Аналгетические эффекты N2O связаны с взаимодействием между эндогенной опиоидной системой и нисходящей норадренергической системой. При хроническом введении морфина животным развивается толерантность к его обезболивающему действию, что также приводит к толерантности к обезболивающему эффекту N2O. Введение антител, связывающих и блокирующих активность некоторых эндогенных опиоидов (но не β-эндорфина), также блокирует антиноцицептивное действие N2O. Препараты, ингибирующие распад эндогенных опиоидов, усиливают антиноцицептивные эффекты N2O. N2O также взаимодействует непосредственно с эндогенной опиоидной системой, связываясь с опиоидными рецепторами. В то же время, α-адренорецепторные антагонисты блокируют обезболивающее действие N2O при непосредственном введении в спинной мозг, но не при непосредственном введении в мозг. Действительно, мыши с нокаутом α-адренорецепторов или животные с истощенными запасами норэпинефрина практически полностью устойчивы к антиноцицептивным эффектам N2O. Очевидно, высвобождение эндогенных опиоидов, индуцированное N2O, вызывает дезингибирование норадренергических нейронов ствола мозга, которые высвобождают норэпинефрин в спинной мозг и ингибируют передачу болевых сигналов. Механизм, посредством которого N2O вызывает высвобождение эндогенных опиоидных пептидов, остается неясным.

История

Газ был впервые синтезирован в 1772 году английским естествоиспытателем и химиком Джозефом Пристли, который назвал его дефлогистизированным азотистым газом (см. теорию флогистона) или горючим азотистым газом. Пристли опубликовал свое открытие в книге «Эксперименты и наблюдения над различными видами воздуха» (1775 год), где описал способ получения «уменьшенного азотистого газа» путем нагревания железных опилок, смоченных азотной кислотой.

Раннее использование

Первое важное применение оксида азота стало возможным благодаря Томасу Беддоузу и Джеймсу Уатту, которые совместно опубликовали книгу «Рассуждения о медицинском применении и производстве искусственных газов» (1794). Эта книга имела два важных значения. Во-первых, Джеймс Уатт изобрел новый аппарат для получения «искусственных газов» (включая оксид азота) и новый «аппарат для дыхания» для вдыхания газа. Во-вторых, в книге были представлены новые медицинские теории Томаса Беддоуза о том, что туберкулез и другие заболевания легких можно лечить ингаляциями «искусственными газами». Дэви дал оксиду азота название «веселящий газ». Несмотря на открытие Дэви, что вдыхание оксида азота может облегчать боль у сознательного человека, еще 44 года прошло, прежде чем врачи попытались использовать его в качестве анестетика. Использование оксида азота в качестве рекреационного наркотика на «вечеринках с веселящим газом», которые в основном устраивались для британской знати, сразу же стало популярным, начиная с 1799 года. Хотя воздействие газа обычно делает человека кажущимся ошеломленным, мечтательным и заторможенным, некоторые люди также начинают безудержно смеяться в состоянии эйфории. Одним из первых коммерческих производителей в США был Джордж По, двоюродный брат поэта Эдгара Аллана По, который также первым осуществил сжижение газа.

Применение в анестезии

Впервые оксид азота был использован в качестве анестезирующего средства при лечении пациента, когда стоматолог Гораций Уэллс, при содействии Гарднера Куинси Колтона и Джона Мэнки Риггса, продемонстрировал отсутствие чувствительности к боли во время удаления зуба 11 декабря 1844 года. В последующие недели Уэллс лечил первых 12-15 пациентов закисью азота в Хартфорде, штат Коннектикут, и, согласно его записям, лишь в двух случаях лечение оказалось безуспешным. Несмотря на то, что Уэллс представил эти убедительные результаты Бостонскому медицинскому обществу в декабре 1844 года, этот новый метод не был сразу принят другими стоматологами. Вероятнее всего, это произошло из-за того, что Уэллс на своей первой публичной демонстрации перед медицинским факультетом в Бостоне в январе 1845 года добился лишь частичного успеха, что вызвало сомнения у его коллег относительно эффективности и безопасности метода. Широкое применение метод получил лишь в 1863 году, когда Гарднер Куинси Колтон успешно начал использовать его во всех клиниках "Colton Dental Association", которые он недавно открыл в Нью-Хейвене и Нью-Йорке.

Производство

Опубликован обзор различных методов получения закиси азота.

Выбросы по источникам

В 2007–2016 годах было выброшено 17,0 (12,2–23,5) миллионов тонн азота в виде N2O в год в среднем. N2O, выбрасываемый ежегодно в результате деятельности человека, оказывает парниковый эффект, эквивалентный примерно 3 миллиардам тонн углекислого газа: для сравнения, в 2019 году люди выбросили 37 миллиардов тонн фактического углекислого газа и метан, эквивалентный 9 миллиардам тонн углекислого газа. Большая часть N2O, поступающего в атмосферу из природных и антропогенных источников, образуется микроорганизмами, такими как денитрифицирующие бактерии и грибы в почвах и океанах. Почвы под естественной растительностью являются важным источником оксида азота, обеспечивая 60% всех естественных выбросов. Другие природные источники включают океаны (35%) и атмосферные химические реакции (5%). Болота также могут быть источниками оксида азота. Выбросы от оттаивающей вечной мерзлоты могут быть значительными, однако по состоянию на 2022 год это еще не установлено. Сельское хозяйство усиливает производство оксида азота за счет обработки почвы, использования азотных удобрений и переработки отходов животноводства. Эти виды деятельности стимулируют естественные бактерии к выработке большего количества оксида азота. Измерение выбросов оксида азота из почвы может быть затруднено, поскольку они значительно меняются во времени и пространстве, и основная часть годовых выбросов может происходить в благоприятных условиях в периоды "горячих моментов" и/или в определенных местах, известных как "горячие точки". Среди промышленных выбросов наибольшими источниками выбросов оксида азота являются производство азотной и адипиновой кислот. Выбросы адипиновой кислоты возникают в результате разложения промежуточного продукта – нитролевой кислоты, полученной при нитровании циклогексанона.

Влияние на окружающую среду

Глобальный учет источников и поглотителей N2O за десятилетие, закончившееся в 2016 году, показывает, что около 40% средних 17 ТгН/год (тераграмм, или миллион метрических тонн азота в год) выбросов происходило из-за деятельности человека, и демонстрирует, что основной прирост выбросов связан с расширением сельского хозяйства. С другой стороны, поскольку около 40% N2O, поступающего в атмосферу, является результатом деятельности человека,

большая часть оксида азота, выбрасываемого в атмосферу в результате деятельности человека, представляет собой выбросы парниковых газов из сельского хозяйства – при внесении азотных удобрений на поля и в процессе разложения животноводческих отходов. Сокращение выбросов может быть предметом острых дискуссий в политике по изменению климата. Окись азота также выделяется как побочный продукт сжигания ископаемого топлива, при этом объем выбросов зависит от типа используемого топлива. Она также образуется при производстве азотной кислоты, которая используется для синтеза азотных удобрений. Производство адипиновой кислоты, являющейся предшественником нейлона и других синтетических волокон для одежды, также сопровождается выбросами оксида азота. Рост концентрации оксида азота в атмосфере рассматривается как возможный фактор, способствовавший экстремальному глобальному потеплению в период границы между ценманским и туронским ярусами.

Снижение озонового слоя

Окись азота также связана с истончением озонового слоя. Исследование 2009 года показало, что выбросы N2O являются основным фактором, разрушающим озон, и, как ожидается, останутся таковым на протяжении всего XXI века.

Индия

Передача закиси азота из больших баллонов в более компактные, легко транспортируемые баллоны типа E объемом 1590 литров разрешена, если газ предназначен для использования в медицинской анестезии.

Новая Зеландия

Министерство здравоохранения предупредило, что закись азота является лекарственным средством, отпускаемым по рецепту, и ее продажа или хранение без рецепта является правонарушением в соответствии с законом о лекарственных средствах. Данное заявление, по всей видимости, запрещает любое немедицинское использование закиси азота, хотя подразумевается, что юридически преследоваться будет только ее рекреационное использование.

Великобритания

В августе 2015 года Совет лондонского боро Ламбет (Великобритания) запретил использование вещества в развлекательных целях, предусматривая для нарушителей штраф на месте до 1000 фунтов стерлингов. В сентябре 2023 года правительство объявило о запрете оксида азота к концу года, при этом за его хранение может быть назначено наказание в виде лишения свободы на срок до двух лет или неограниченного штрафа.

США

Владение оксидом азота законно на федеральном уровне и не подпадает под юрисдикцию Управления по борьбе с наркотиками (DEA). Тем не менее, он регулируется Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в соответствии с Законом о пищевых продуктах, лекарствах и косметике; уголовное преследование возможно на основании положений о "неправильной маркировке", запрещающих продажу или распространение оксида азота для употребления в пищу. Во многих штатах существуют законы, регулирующие владение, продажу и распространение оксида азота. Эти законы обычно запрещают распространение среди несовершеннолетних или ограничивают количество оксида азота, которое может быть продано без специальной лицензии. Например, в штате Калифорния запрещено владение оксидом азота для рекреационного использования, что квалифицируется как мелкое правонарушение.