一氧化二氮

一氧化二氮（nitrous oxide），化學式N₂O。又稱笑氣，無色有甜味氣體，是一種氧化劑，在一定條件下能支持燃燒（同氧氣，因為笑氣在高溫下能分解成氮氣和氧氣），但在室溫下穩定，有輕微麻醉作用，並能致人發笑。其麻醉作用於1799年由英國化學家漢弗萊·戴維發現。有關理論認為N₂O與CO₂分子具有相似的結構（包括電子式），則其空間構型是直線型，N₂O為極性分子。

現在主要用於表演，也可以用來做賽車加速器中的助燃劑。

基本介紹

• 中文名：一氧化二氮
• 英文名：nitrous oxide
• 別稱：笑氣
• 化學式：N2O
• CAS登錄號：10028-97-2
• 熔點：-90.8℃
• 沸點：-88.46℃
• 水溶性：能溶於水
• 外觀：無色有甜味氣體
• 套用：賽車推進劑，表演，麻醉劑
• 安全性描述：有毒
• 危險性描述：有毒

歷史

一氧化二氮是約瑟夫·普利斯特里在1772年發現的，漢弗萊·戴維自己和他的朋友，包括詩人柯爾律治和羅伯特·騷塞在18世紀90年代試驗了這種氣體。他們發現一氧化二氮能使病人喪失痛覺，而且吸入後仍然可以保持意識，不會神志不清。不久後笑氣就被當作麻醉劑使用，尤其在牙醫師領域。因為通常牙醫師無專職的麻醉師，而診療過程中常需要病患保持清醒，並能依命令做出口腔反應，故在此氣體給牙醫師帶來極大的方便。

結構

一氧化二氮的分子是直線型結構。其中一個氮原子與另一個氮原子相連，而第二個氮原子又與氧原子相連。它可以被認為是 和 的共振雜化體。 注意不要將一氧化二氮和其他的氮氧化物混淆，比如二氧化氮NO₂和一氧化氮NO。 將一氧化二氮與沸騰汽化的鹼金屬反應可以生成一系列的亞硝酸鹽，在高溫下，一氧化二氮也可以氧化有機物。

物理性質

熔點-90.8℃

沸點-88.49℃

臨界溫度36.5℃

臨界壓力7.263×10⁶ Pa

相對密度1.977

折光率1.0005-7265 bar

化學性質

加熱硝酸銨可以生成一氧化二氮和水： ，工業上對硝酸銨熱分解可製得純度95%的一氧化二氮，一個笑氣分子與六個水分子結合在一起。當水中溶解大量笑氣時，再把水冷卻，就會有笑氣晶體出現。把晶體加熱，笑氣會逸出，人們利用笑氣這種性質，制高純笑氣。

毒理學

急性毒性：一氧化二氮作為吸入麻醉劑在醫藥上套用已久，現在已經很少用它了。吸入一氧化二氮和空氣的混合物，當其中氧濃度很低時可致窒息；吸入80%一氧化二氮和氧氣的混合物引致深麻醉，甦醒後一般無後遺作用。

俗稱“笑氣”的一氧化二氮是一種麻醉性氣體，曾經廣泛被套用於醫學手術中。但“笑氣”進入血液後會導致人體缺氧，長期吸食可能引起高血壓、暈厥，甚至心臟病發作。此外，長期接觸此類氣體還可引起貧血及中樞神經系統損害等。

套用

助燃劑

使用氮氧加速系統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。氧氣有助燃作用，加快燃料燃燒。

火箭氧化劑

一氧化二氮可以用作火箭氧化劑。這比其他氧化劑優勢化處是因為它是無毒的，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呼吸的空氣。

醫學

【別名】 笑氣，氧化亞氮，連二次硝酸酐【分子結構】一氧化二氮分子為直線形分子，極性分子。N₂O的分子是直線形的（N-N-O），中心N原子採取sp雜化，生成兩個σ鍵，兩個三中心四電子π鍵，N的氧化數為+1。

鍵長

【英文名稱】Nitrous Oxide 西班牙名稱： Oxido Nitroso

【醫學適應症】 因全麻效果差，常與氟烷、甲氧氟烷、乙醚或靜脈全麻藥合用。現已少用。N₂O用於麻醉,對呼吸道無刺激，對心、肺、肝、腎等重要臟器功能無損害。在體內不經任何生物轉化或降解，絕大部分仍以原藥隨呼氣排出體外，僅小量由皮膚蒸發，無蓄積作用。吸入體內只需要30s～40s 即產生鎮痛作用，鎮痛作用強而麻醉作用弱，受術者處於清醒狀態(而不是麻醉狀態),避免了全身麻醉併發症，手術後恢復快。

【醫學上用量用法】 吸入：用量視手術需要和病人情況而定。

【醫學上注意事項】 1.大手術需配合硫噴妥鈉及肌肉鬆弛劑等；吸入氣體中氧氣濃度不應低於20%；麻醉終止後，應吸入純氧10分鐘，以防止缺氧。2.當病人有低血容量、休克或明顯的心臟病時，可引起嚴重的低血壓。氧化亞氮對有肺血管栓塞症的病人可能也是有害的。

【禁忌症】（1）氣囊腫（2）腸梗阻、腸脹氣（3）氣胸（4）氣腦（5）高頭位開顱手術

【醫學藥品規格】 氣體：用耐壓鐵筒裝。

【貯藏】 置耐壓鋼瓶內，在涼暗處保存。

【作用與用途】吸入純粹該品氣體能迅速引起麻醉狀態和窒息，因此，必須與氧混合使用。誘導時間短。若不補充維持劑量，可迅速甦醒。該品可用於馬、反芻動物、犬和貓的維持麻醉。

【用法與用量】該品用耐高壓鋼瓶盛裝。用於小動物麻醉：75%氧化亞氮同25%氧混合，通過面罩給予2-3分鐘，然後再加入氟烷，使其在N₂O和氧混合氣體中達3%濃度，直至出現下頜鬆弛等麻醉徵象為止。

食品加工助劑

在食品界中用於發泡劑和密封劑等。

應急處理

吸入：迅速脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給予輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸。就醫。

呼吸系統防護：一般不需特殊防護。高濃度接觸時可佩戴自吸過濾式防毒面具(半面罩)。

眼睛防護：一般不需特殊防護。

身體防護：穿一般作業工作服。

手防護：戴防化學品手套。

其他防護：避免高濃度吸入。進入罐、限制性空間或其他高濃度區作業，須有人監護。

泄漏應急處理：迅速撤離泄漏污染區人員至上風處，並進行隔離，嚴格限制出入。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿一般作業工作服。儘可能切斷泄漏源。合理通風，加速擴散。漏氣容器要妥善處理，修復、檢驗後再用。

有害燃燒產物：氧化氮。

滅火方法：該品不燃。消防人員須佩戴防毒面具，穿全身消防服，在上風向滅火。用霧狀水保持火場中容器冷卻。迅速切斷氣源，用水噴淋保護切斷氣源的人員，然後根據著火原因選擇適當滅火劑滅火。

管理信息

操作的管理：密閉操作，提供良好的自然通風條件。操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規程。遠離火種、熱源，工作場所嚴禁吸菸。遠離易燃、可燃物。防止氣體泄漏到工作場所空氣中。避免與還原劑接觸。搬運時輕裝輕卸，防止鋼瓶及附屬檔案破損。配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。

儲存的管理：儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30 ℃。應與易（可）燃物、還原劑分開存放，切忌混儲。儲區應備有泄漏應急處理設備。

運輸的管理：採用鋼瓶運輸時必須戴好鋼瓶上的安全帽。鋼瓶一般平放，並應將瓶口朝同一方向，不可交叉；高度不得超過車輛的防護欄板，並用三角木墊卡牢，防止滾動。嚴禁與易燃物或可燃物、還原劑等混裝、混運。夏季應早晚運輸，防止日光曝曬。鐵路運輸時要禁止溜放。

廢棄的管理：處置前應參閱國家和地方有關法規。廢氣直接排入大氣。

環境效應

在環境科學研究中，特別是在全球氣候變化領域（Global Climate Change），N₂O通常被稱為氧化亞氮，是一種溫室氣體（Greenhouse Gas），具有溫室效應（Greenhouse Effect），加劇全球變暖（Global Warming），是《京都議定書》規定的6種溫室氣體之一。N₂O在大氣中的存留時間長，並可輸送到平流層，導致臭氧層破壞，引起臭氧空洞，使人類和其它生物暴露在太陽紫外線的輻射下，對人體皮膚、眼睛、免疫系統造成損害。

與二氧化碳相比，雖然N₂O在大氣中的含量很低，屬於痕量氣體（trace gas）但其單分子增溫潛勢卻是二氧化碳的298倍（IPCC，2007）；對全球氣候的增溫效應在未來將越來越顯著，N₂O濃度的增加，已引起科學家的極大關注。對這一問題的研究，正在深入進行。

大氣N₂O的重要來源之一是農田生態系統，在土壤中，N₂O是由硝化、反硝化微生物產生，人們向農田中施入過量氮肥，促進微生物活動，通過硝化、反硝化過程（nitrification and denitrification）使氮素轉化為N₂O。污水生物脫氮硝化和反硝化過程也會引起氧化亞氮的排放，溶解氧的限制、亞硝酸鹽的積累和羥胺的氧化都是導致氧化亞氮產生的原因。

監測方法

現場應急監測

攜帶型氣相色譜法。

實驗室監測

監測方法	類別	來源
鹽酸萘乙二胺分光光度法	空氣	徐伯洪，閆慧芳主編：《工作場所有害物質監測方法》
氣相色譜法	?	參照《分析化學手冊》（第四分冊，色譜分析）（化學工業出版社）

尾氣處理

尾氣中一氧化二氮的脫除

脫除尾氣中N₂O的方法主要有高溫分解法、 選擇性催化還原法和催化分解消除法。

高溫分解法是令N₂O和燃料氣在高溫(1200～1500℃) 下反應分解，這種技術工藝簡單，不需要催化劑，但是操作費用較高，需要大量消耗燃料氣，且高溫反應設備的維護難度較大。因此利用高溫分解 方法脫除化工尾氣中N₂O組分在實際套用中會受 到一定限制。目前，日本Asahi公司和著名化工公司DuPont已將此方法用於己二酸工廠中。

選擇性催化還原法通常選用氨或天然氣為還原劑，加入負載型貴金屬催化劑，根據還原劑和催 化劑的不同調節適宜的反應溫度( 通常在 200 ～ 600℃ ) ，從而實現N₂O的脫除。以Pd /FeAlPO-5 為催化劑，研究了 在不同活性組分含量以及溫度等條件下CH₄還原N₂O的效果。研究指出，以PdAlPO-5 為催化劑，373℃時，N₂O轉化率可以達到90% 。

在沸石催化劑條件下CH₄對N₂O的還原效果，指出相比直接分解，還原劑的引入使N₂O在同樣催化劑和溫度條件下的分解率大幅提高。在130℃ 時H₂對N₂O的消除率達到 90% 在 360℃ 時，CO 對N₂O的分解率可以達到100% 。

催化還原法脫除N₂O的技術在俄羅斯和美國 的硝酸工廠已有套用案例。這種方法的脫除率較高，但隨脫除反應的進行會引入新的雜質 (CO、CO₂) 造成二次污染。其中還原劑的使用也會提高脫除過程的成本，因此該方法在商業套用推廣過程中同樣會受到一定限制。特別的，如果天然氣作為汽車燃料的 技術被推廣使用，那么利用甲烷作還原劑處理汽車 尾氣中N₂O的工藝可能會有較好的套用前景。

催化裂解消除法是指在催化劑的作用下使N₂O直接分解為O₂和N_2。由於 這種方法不需要引入其他參與脫除反應的物質，成 本較低且不會引起二次污染，因此引起研究者廣泛關注。N₂O分解過程所需的活化能較高( 250kJ/mol) ，在沒有催化劑參與的條件下很難進行，因此研 究的焦點主要集中在新型低溫高活性裂解催化劑的 研發。

自20世紀70年代開始，研究者研發了大量的可用於催化分解N₂O的催化劑，較多研究已經在實驗室中取得了理想的效果，目前已研發的催化劑依據活性組分的不同可以分為金屬氧化物催化劑、負載型貴金屬催化劑和金屬離子交換的分子篩三大類。金屬氧化物催化劑的催化活性較高，主要有過渡金屬氧化物(Co₃O₄、CoO、NiO) 、鹼土金屬氧化物 (CaO、MgO) 和稀土金屬氧化物及其複合金屬氧化物等。

負載型貴金屬催化劑是較早用於分解N₂O研 究的催化劑，並藉助載體的大比表面積和活性組分的高分散性，得以適用於實際的工業過程。此類催化劑的活性受到活性組分和載體種類的共同影響。 目前常用的載體有 Al₂O₃、MgO、SiO₂、TiO₂ 和 ZrO₂等，常用的金屬有 Rh、Ru、Pd、Pt、Au 和In等。 分子篩催化劑多是以過渡金屬( Fe、Co、Ni、Cu、 Ru、Rh、Pd 等) 離子交換 ZSM-5、ZSM-11 以及X型 等分子篩而得到。 其中混合金屬氧化物催化劑活性較高且有較好 的熱穩定性，已經在工業過程中獲得實際套用。

貴 金屬催化劑具有較高催化活性和良好的抗水抗硫性 能，但由於活性溫度視窗較窄限制了實際套用。金屬離子交換的分子篩催化劑由於其更高的催化活性 而備受關注，但由於分子篩水熱穩定性差，限制了其在實際工業過程的套用。 目前利用直接催化分解的套用案例較多，但長期以來，該方法涉及的催化劑技術只掌握在少數發 達國家的幾家企業，如BASF、Invista、Radici等，且屬 於專利技術。

直至 2015 年，普恩科技公司與北京化 工大學合作開發的N₂O分解催化劑試運行成功，才標誌著N₂O分解催化劑實現國產化。 由於國內N₂O催化分解技術的研究起步較晚， 因此目前國內硝酸、己二酸生產企業處理尾氣中N₂O的工藝多為購買國外催化劑相關產品。如中石 油江陽石化分公司採用BASF公司開發的金屬氧化 物催化劑。河南神馬尼龍化工有限責任公司采 用Invista公司的催化劑產品。安徽淮化股份有 限公司和黑化集團CDM項目均採用 Johnson Matthey 公司的催化劑產品及相關技術。

尾氣中一氧化二氮的回收利用

製備N₂O的主要方法有硝酸銨熱分解法和氨 的接觸氧化法。據報導，目前國內生產N₂O基本都 是採用硝酸銨乾法分解的生產工藝，該工藝也是目 前國際通用化流程，但是設備成本較高。

直接制 備得到的產品純度通常較低，經純化後純度達到 99% 的產品能夠滿足醫藥等領域的套用，但對於微 電子領域而言，這樣的純度遠不能夠達到指標要求。 在N₂O產品純化方面，已有相關研究報導了以 低純度N₂O為原料，利用純化工藝製備高純N₂O的 方法，並對低純度原料氣中的各種雜質脫除進行了 相關的實驗研究。 多數化工企業為了達到環保要求，會在尾氣排 放前進行N₂O脫除處理。然而，考慮到N₂O作為產 品的廣泛套用前景以及直接製備該產品的成本問題，當尾氣中N₂O含量較高時，如硝酸和己二酸生 產過程所產生的尾氣，選用直接脫除的處理方法雖 然可以滿足環保要求，卻也是一種對潛在資源的浪費。因此，回收純化製備不同級別的N₂O產品技術 已經引起較多的關注，在滿足環保要求的同時，利用 副產品實現收益。目前，山東金博環保科技有限公 司以及金宏氣體同河南平頂山神馬集團公司合作正 在籌劃建設產能可觀的尾氣回收純化N₂O的工程項目。

回收純化尾氣中的N₂O組分的過程與以低純 度產品為原料製備高純產品的情況有所不同，針對 不同工藝過程尾氣中N₂O含量以及雜質組分的不 同，往往不能通過單一的純化單元純化得到滿足指 標要求的高純N₂O產品。

依化工過程不同，尾氣中所含雜質組分也會相 應不同，通常情況下會含有 CO₂、CO、烴類、H₂O、 NO、NO₂、H₂、N₂ 中的多種。吸附法是已有純化研究 中選用的主要方法，這對於純化少量低純度產 品的過程而言是可行的。但從操作和經濟性的角度 考慮，並不適用於處理大量雜質含量較高的化工尾 氣，此時依據所含雜質具體情況通常需要聯合吸附、 精餾等多種處理單元以完成純化過程。

有專利技術利用化學淨化、吸附以及精餾的集成工藝脫除尾氣中雜質後得到高純N₂O產品。其中化學淨化過程利用鹼液脫除尾氣中的酸性氣體( CO₂、NO₂ ) ，吸附單元利用分子篩物理吸附脫除C₂H₂、NO、CO、H₂O等雜質，最後利用精餾單元脫除其他相對揮發度大的組分後在塔底得到產品，產品純度可以達到 6N。也有專利技術首先利用乾燥、吸附單元脫除尾氣中水分和重組分雜質，然後利用精餾的方法分離脫除其他雜質，在塔底得到產品，產品純度最高可達到 6N。

空氣產品公司的專利技術報導了適用於處理雜質組分較簡單的含N₂O尾氣的回收技術。還有專利報導了利用兩級精餾過程完成尾氣 中N₂O的回收純化，通過脫輕、脫重兩級精餾工藝，在脫輕塔底得到純度達到5N的N₂O產品，這種工藝對設計及操作條件的要求相對嚴格，並且其中相 近沸點雜質組分的存在會對最終產品純度有所影響。