一氧化二氮

结构

路易斯结构式

一氧化二氮分子是直线型结构。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。一氧化二氮的路易斯结构式如图所示，可以视作两种结构的共振杂化体。在左图所示的结构中，中心氮形成四个键（与另一个氮形成三键，与氧成单键）。氮将其孤对电子贡献给了与氧形成的键，因此氮带有正电荷，氧带有负电荷。

N2O的杂化

在计算杂化作用时，应该考虑一氧化二氮最常见的形式。在这种形式中，两个N原子间有一个三键，N和O 之间有一个单键。这涉及具有相似能量的原子轨道的混合，以形成数量的混合轨道或杂化轨道，这些杂化轨道在空间中的取向使它们可以与后续的合适轨道重叠。如果轨道的能量相同，则称为等性杂化；如果混合轨道的能量不同，则称为不等性杂化。其中，末端N和中心N都是sp杂化，末端O是sp3杂化。

N2O 键角

通过杂化，我们知道氧化亚氮的中心 N 原子是 sp 杂化，因此 N-N-O 的键角为 180o。

由于末端的 O 原子是 sp3杂化的，所以围绕末端O原子的分子形状略有倾斜。

需要注意的是，N2O是线性的，而 NO2是弯曲的。因此，NO2的偶极矩高于 N2O，所以 NO2 的极性更大。

历史

英国自然哲学家和化学家约瑟夫-普利斯特里（Joseph Priestley）于 1772 年首次合成了一氧化二氮气体，并将其称为“可燃性含氮空气”。普利斯特里在《不同种类空气的实验和观察》（1775年）一书中发表了他的发现，并描述了如何通过加热用硝酸浸湿的铁屑来制备该气体4。

早期发现与使用

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，奠定了一氧化二氮应用的基础。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”。其次，这本书还介绍了托马斯-贝多斯（Thomas Beddoes）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5。

该机器由三部分组成：一个燃烧所需材料的熔炉，一个装有水的容器，产生的气体通过一个螺旋管（用于去除杂质），最后是一个装有气压计的气瓶，产生的气体可以被装入便携式气袋（用不透气的油性丝绸制成）。呼吸器由一个便携式气袋和一个连接到吹嘴的管子组成。1798年，托马斯-贝多斯（Thomas Beddoes）建立了“医用空气缓解疾病机构”，为临床试验铺平了道路。1800年，《化学和哲学研究》一书发表。在这本书中，戴维提到了一氧化二氮的镇痛作用，并指出了其用于外科手术的潜力6。

尽管戴维发现吸入一氧化二氮可以减轻疼痛，但过了许多年，医生们才尝试将其用于麻醉。从1799年开始，在主要为英国上层阶级安排的“笑气派对”上，一氧化二氮开始被用作娱乐药物。笑气通常会让使用者昏沉、多梦和镇静，但也有些人会在兴奋状态下“咯咯笑”。

麻醉使用

1844年，牙医 Horace Wells在Gardner Quincy Colton 和 John Mankey Riggs的协助下，证明了一氧化二氮使病人对拔牙产生的疼痛不敏感。随后几周，威尔斯用该气体治疗了十几名患者，根据他的记录，只有两例治疗失败。尽管威尔斯于1844年12月向波士顿医学会报告了这些结果，但这种新方法并没有立即被其他牙医采用。直到1863年，加德纳-昆西-科尔顿（Gardner Quincy Colton）在他诊所中成功地使用这种方法。随后三年里，科尔顿和他的同事们成功地为25000多名患者施用了一氧化二氮7。

然而，一氧化二氮并不是一种足够强的麻醉剂，并不能用于医院的大手术。1876 年，约瑟夫-托马斯-克洛弗（Joseph Thomas Clover）发明了 “气体乙醚吸入器”。随后，医院的普遍做法是先用温和的一氧化二氮进行初始麻醉治疗，然后再用较强的乙醚或氯仿逐渐增加麻醉效果。直到20世纪30年代，许多医院仍在使用这种设备。尽管现在的医院使用更先进的麻醉机，但这些麻醉机仍采用与克洛弗的吸入器相同的原理，在使用更强的麻醉剂之前，先用一氧化二氮启动麻醉6。如今，一氧化二氮在牙科中被用作抗焦虑剂，是局部麻醉剂的辅助药物。

生产

工业生产

一氧化二氮的工业制备方法是将硝酸铵在大约250 oC的温度下小心加热，然后分解成一氧化二氮和水蒸气。添加各种磷酸盐有利于在稍低的温度下形成更纯净的气体。但由于硝酸铵对热十分敏感，稍有不慎将发生爆炸事故。

实验室生产

方法一：硝酸铵的分解也是实验室制备这种气体的常用方法。同样，也可以通过加热硝酸钠和硫酸铵的混合物来获得这种气体。

方法二：尿素、硝酸和硫酸的反应。

方法三：使用二氧化锰-氧化铋催化剂直接氧化氨。

方法四: 羟基氯化铵与亚硝酸钠反应生成一氧化二氮。如果将亚硝酸盐加入羟胺溶液中，剩下的唯一副产品就是盐水。但是，如果将羟胺溶液加入亚硝酸盐溶液中（亚硝酸盐过量），则有可能还会形成其他有毒的高价氮氧化物。

方法五：硝酸与氯化锡和盐酸反应。

方法六：连二次硝酸在 25 oC、pH值为1-3的条件下分解为一氧化二氮和水8。

理化性质

密度：1.977 kg/m³（气体）

熔点：-91 ℃

沸点：-88 ℃

折射率：1.469

临界温度：36.5 ℃

分子结构数据

摩尔折射率：8.35

摩尔体积（cm3/mol）：29.9

等张比容（90.2K）：86.9

表面张力（dyne/cm）：70.7

极化率（10-24cm3）：3.31

计算化学数据

疏水参数计算参考值（XlogP）：0.5

氢键供体数量：0

氢键受体数量：2

可旋转化学键数量：0

互变异构体数量：0

拓扑分子极性表面积：19.1Ų

重原子数量：3

表面电荷：0

复杂度：25.8

同位素原子数量：0

确定原子立构中心数量：0

不确定原子立构中心数量：0

确定化学键立构中心数量：0

不确定化学键立构中心数量：0

共价键单元数量：1

应用

火箭发动机

一氧化二氮可用作火箭发动机的氧化剂。与其他氧化剂相比，它的优点是毒性小得多，而且由于在室温下稳定，也更容易储存，在飞行中携带也相对安全。其次，它还容易分解，形成氮气和氧气。一氧化二氮的密度高、储存压力低（在低温条件下），因此与其他高压气体储存系统相比具有较强的竞争力。

在 1914 年的一项专利中，美国火箭先驱罗伯特-戈达德（Robert Goddard）建议将一氧化二氮和汽油作为火箭的液体燃料推进剂。在一些火箭设计中（使用固体燃料+液体或气体氧化剂），一氧化二氮经常是首选的氧化剂。太空船一号和其他一些火箭使用了一氧化二氮与端羟基聚丁二烯的组合燃料10。

一氧化二氮也可用于单推进剂火箭。在加热的催化剂的作用下，一氧化二氮会在大约577 oC的温度下放热分解成氮气和氧气。在真空推进器中，一氧化二氮的作用虽然低于肼推进器（单推进剂或含有四氧化二氮的双推进剂），但其低毒性使其成为一种值得进一步研究的选择。

内燃机

在赛车比赛中，一氧化二氮可以在燃烧过程中提供更多的氧气，从而使发动机燃烧更多的燃料。氧气的增加可以增加燃料的喷射量，使发动机产生更大的动力。这种气体在低压/低温下不易燃，但它在高温（约300摄氏度）下分解，比空气提供更多的氧气。因此，它通常与另一种更容易爆燃的燃料混合。一氧化二氮是一种强氧化剂，其氧化性大致相当于过氧化氢，比氧气强得多。

一氧化二氮以压缩液体的形式储存。液态一氧化二氮在进气歧管中的蒸发和膨胀会导致进气温度大幅下降，使更多的空气/燃油混合物进入气缸。有时，一氧化二氮会被注入进气歧管（或在进气歧管之前），而其他系统则直接在气缸之前注入（直接喷嘴喷射），以提高功率。

在往复式发动机中使用一氧化二氮的一个主要问题是，它能产生的功率足以损坏或毁坏发动机。如果发动机的机械结构没有得到适当的加固，发动机可能会在这种操作过程中受到严重损坏或毁坏。

药物

一氧化二氮作为麻醉剂和镇痛剂，自 1844 年起就被用于牙科和外科手术11。如今，在医院里，人们通过麻醉剂蒸发器和医用呼吸器等来使用这种气体，该设备能精确地输送与氧气混合的一氧化二氮。

一氧化二氮是一种弱的麻醉剂，因此一般不单独用于全身麻醉，而是用作其他强效全身麻醉药物的载气（与氧气混合），常与氟烷、甲氧氟烷、乙醚或静脉全麻药合用。现已少用。N2O用于麻醉，对呼吸道无刺激，对心、肺、肝、肾等重要脏器无损害。在体内不经任何生物转化或降解，绝大部分仍以原药随呼气排出体外，仅小量由皮肤蒸发，无蓄积作用。吸入体内只需要30 -40 s即产生镇痛作用，镇痛作用强而麻醉作用弱，受术者处于清醒状态（而不是麻醉状态），避免了全身麻醉并发症，手术后恢复快。在麻醉中使用一氧化二氮会增加术后恶心和呕吐的风险。

注意事项

1、大手术需配合硫喷妥钠及肌肉松弛剂等；吸入气体中氧气浓度不应低于20%；麻醉终止后，应吸入纯氧10分钟，以防止缺氧。

2、当病人有低血容量、休克或明显的心脏病时，可引起严重的低血压。氧化亚氮对有肺血栓栓塞症的病人可能也是有害的。

禁忌症

（1）气囊肿；（2）肠梗阻、肠胀气；（3）气胸；（4）气脑；（5）高头位开颅手术

作用与用途

吸入高纯一氧化二氮会迅速引起麻醉状态和窒息，因此，必须与氧混合使用。麻醉诱导时间短，若不补充维持剂量，可迅速苏醒。该品可用于马、反刍动物、犬和猫的维持麻醉。

牙医使用的是一种更简单的机器，只提供N2O/O2混合气体，让病人在清醒状态下吸入。病人在整个过程中都可以保持清醒，并有足够的精神能力回答牙医的问题和指示。

吸入一氧化二氮常用于缓解分娩、创伤、口腔手术和急性冠状动脉综合征（包括心脏病发作）引起的疼痛。事实证明，在分娩过程中使用一氧化二氮可以安全有效地帮助分娩妇女。

食品加工助剂

在食品界中用于发泡剂和密封剂等。

药典信息

来源12

本品含N2O不得少于95.0%（mL/mL）。

性状

本品为无色气体，无显著臭味，微甜，比空气重。

本品在20 ℃与气压101.3 kPa（760 mmHg）下，在水或乙醇中易溶，在乙醚中溶解。

鉴别

1. 本品能使炽红的木条燃烧。

2. 取本品，与等容的一氧化氮［取亚硝酸钠5 g与碘化钾2.5 g，置试管中，加水15 mL使溶解，再滴加硫酸溶液，即产生一氧化氮]混合，不发生红色烟雾（与氧的区别）。

检查

1. 酸碱度

取甲基红指示液与溴麝香草酚蓝指示液各0.3 mL，加水400 mL煮沸5分钟，放冷，分取各取100 mL，置甲、乙、丙3支比色管中，乙管中加盐酸滴定液（0.01 mol/L）0.2 mL，丙管中加盐酸滴定液（0.01 mol/L）0.4 mL，再在乙管中通本品2000 mL（速度为每小时4000 mL），乙管显出的颜色不得较丙管的橙红色或甲管的黄绿色更深。

2. 一氧化碳

取本品5000~10000 mL，使依次通过（1）三氧化铬的饱和硫酸溶液，（2）固体氢氧化钾，（3）五氧化二磷等洗涤装置后，再通过贮有已在200 ℃干燥的五氧化二碘的管，保持温度为120℃，析出的碘蒸气导入贮有碘化钾试液的锥形瓶中，通毕本品后，再导入不含一氧化碳的空气（可使空气通过氯化亚铜溶液以除去一氧化碳）5000 mL以驱除仪器中残留的一氧化碳，使通过贮有五氧化二碘的管后，用硫代硫酸钠滴定液（0.002 mol/L）滴定，并将滴定的结果用不含一氧化碳的空气5000 mL做空白试验校正，即得。在25 ℃与101.3 kPa（760 mmHg）气压下，每1mL硫代硫酸钠滴定液（0.002 mol/L）相当于0.112 mL的CO，本品含一氧化碳不得过0.005%（mL/mL）。

3. 二氧化碳

取澄清的氢氧化钡试液50 mL置比色管中，通入本品1000 mL，如发生浑浊，与对照液（取碳酸氢钠0.10 g，加新煮沸过的冷水100 mL溶解后，取出1.0 mL，加澄清的氢氧化钡试液50 mL制成）比较，不得更浓。

4. 卤素

取甲、乙2支比色管，分别加硝酸银试液1 mL与水50 mL，摇匀后，甲管中通入本品2000 mL，甲管应与乙管同样澄清。

5. 易还原物

取甲、乙2支比色管，分别加新制的碘化钾淀粉指示液15 mL后，加冰醋酸1滴使成酸性，甲管中通入本品2000 mL，甲管的颜色应与乙管相同。

6. 易氧化物

取甲、乙2支比色管，分别加水50 mL与高锰酸钾滴定液（0.02 mol/L）0.20 mL，甲管中通入本品2000 mL，甲管的颜色应与乙管相同。

7. 砷化氢与磷化氢

取砷盐检查法项下的装置（通则0822第一法），除去锥形瓶A，并于旋塞D的顶端平面上改放一片二氯化汞试纸，缓缓通入本品2000 mL，二氯化汞试纸上不得生成斑点。

8. 水分

取贮有五氧化二磷的吸收管，通入本品，使空气驱尽，称定重量，再通过一定量的本品，称定重量，本品每1000 mL中含水分不得过2 mg。

含量测定

1. 仪器装置

如图：A为容积约15 ml的圆形玻璃管，下部粗大，上部细长，有刻度线10条，每1小格容积为全管的1%，玻璃管连接上端双孔活塞B处为100%，第一条刻度线为99%，以下为98%至90%，B、C为双孔活塞，D、F为弯形导管，E、G为直形导管。

|| ||

1. 测定法

取干燥的仪器，倒置，开放活塞C，关闭活塞B，另取细橡胶管，自蓄水瓶虹吸出水，橡胶管与导管E连接，仪器上提，使活塞B在蓄水瓶的液面以上，开启活塞B，仪器缓缓下降，使水充满活塞B孔道，立即关闭活塞B，放正仪器，使活塞B在上，旋转活塞B，使导管D与玻璃管A连通。自导管F或G通入本品，经数分钟后，迅速关闭活塞C，再关闭活塞B，保持仪器位置在蓄水瓶的液面以下，微开启活塞B，放入水数滴，关闭活塞B，振摇，再开启活塞B，放入水少许，关闭活塞B，振摇。开启活塞C，将玻璃管A内的水放出大部分，关闭活塞C，切勿将水放完，以免空气进入，再开启活塞B，放入水少许，振摇，放出水，反复操作多次，至本品全部溶尽，玻璃管A内气体体积不再减少。此时活塞B与C均密闭，将蓄水瓶的橡胶管与导管F或G连接，用水排除活塞C孔道中的空气，仪器上提，开启活塞C，待玻璃管内的液面与蓄水瓶的液面相平，使管内压力与大气压相等，关闭活塞C，读出刻度数字，根据未被吸收的气体体积，算出氧化亚氮的体积，即得。

检查或测定时，应先将蓄气筒在23~27 ℃放置6小时以上。

类别

吸入全麻药。

贮藏

置耐压钢瓶内，在凉暗处保存12。

安全性

对于外科医生、牙医和护士来说，一氧化二氮是一种严重的职业危害。由于一氧化二氮在人体内的代谢率极低（仅为 0.004%），因此当病人将其呼入室内时，它仍能保持其效力，如果室内通风不良，则会对诊所工作人员造成中毒和长时间接触的危险。在施用一氧化二氮时，应使用持续流动的新鲜空气通风系统或 N2O清除器系统，以防止废气积聚。

精神和体力损伤

接触一氧化二氮会导致精神状态、视听能力和手部灵活性的短期下降。这些影响加上诱发的空间和时间迷失可能会导致环境危害，对使用者造成身体伤害13。

神经毒性和神经保护

一氧化二氮具有神经毒性，有证据表明，长期习惯性大量摄入一氧化二氮会对神经系统造成伤害，如果不及时治疗，还有可能造成永久性损伤14。

与其他 NMDA受体拮抗剂一样，有人认为一氧化二氮在啮齿动物体内长时间（数小时）接触会产生神经毒性，表现为奥尔尼氏病变15。有人认为，由于 N2O 在正常情况下会迅速排出体外，因此它比其他 NMDAR拮抗剂更不可能产生神经毒性16。事实上，在啮齿类动物中，短期接触一氧化二氮只会造成轻微损伤，而且这种损伤可迅速逆转，只有在持续不断地接触一氧化二氮后，神经元才会死亡[15]。长时间接触氧化亚氮也可能因为缺氧而导致神经中毒。

在向美国毒物控制中心报告的大量（一次使用量≥400 克或≥200 升 N2O 气体）或频繁（经常使用，即每天或每周使用）使用者中，已经发现了周围神经病变的迹象：出现运动失调（步态异常）或麻痹（感觉异常，如刺痛、麻木、刺痛，主要在四肢）。这些症状被认为是神经系统损伤的早期征兆，并预示着慢性中毒17。

75%体积的一氧化二氮可减少啮齿类动物因大脑中动脉闭塞而引起的缺血导致的神经元死亡，并可减少神经元细胞培养物中 NMDA 诱导的 Ca2+流入，这是兴奋性中毒的一个关键因素。

DNA损伤

一氧化二氮与 DNA 损伤有关，这是由于 DNA 合成中断所致18。这种相关性与剂量有关。不过，还需要进一步的研究来确认造成损伤所需的暴露时间和暴露量。

缺氧

如果在没有氧气的情况下吸入纯一氧化二氮，就会出现缺氧，导致低血压、昏厥甚至心脏病发作。如果使用者连续吸入大量的一氧化二氮，如使用连接气罐的带式面罩，就会出现这种情况。如果使用者过度憋气或使用任何其他会切断新鲜空气供应的吸入系统，也会发生这种情况。

维生素B12缺乏

长期接触一氧化二氮可能会导致维生素 B12缺乏症。它会通过氧化作用使维生素B12中的钴胺素失活。亚临床维生素B12缺乏症患者在接触一氧化二氮麻醉后数天或数周内可能会出现维生素B12缺乏症的症状，包括感觉神经病变、脊髓病变和脑病。这些症状可以用大剂量的维生素 B12来治疗，但恢复可能缓慢且不完全。

一氧化二氮对维生素 B12水平正常的人影响很小，除非反复长时间接触一氧化二氮。有维生素 B12缺乏风险因素的人在使用一氧化二氮麻醉前应检查维生素 B12水平。

产前发育

对大鼠进行的实验研究表明，孕妇长期接触一氧化二氮可能会对发育中的胎儿产生不利影响19。

化学/物理风险

一氧化二氮的压力曲线对温度敏感。另外，与许多强氧化剂一样，火箭发射事故也与燃料污染部件相关，在这些事故中，少量的一氧化二氮/燃料混合物会因气体绝热压缩产生的热量达到分解温度而发生爆炸。一氧化二氮在管道中分解导致大型储罐爆炸的事件也时有发生。

药理作用机制

一氧化二氮的药理作用机制尚不完全清楚。不过，它已被证明能直接调节多种配体门控离子通道，这可能是其许多作用的主要来源。

其主要作用机制是抑制中枢兴奋性NMDA受体、GABA受体、脊柱突触后阿片类受体和一些下行通路的蛋白质呈现出镇静镇痛效果。一氧化二氮的部分镇痛效果可能是以伏隔核壳区的类多巴胺D2受体为中介产生的20。它还能激活双孔域 K+ 通道。虽然 N2O 会影响许多离子通道，但其麻醉、致幻和兴奋作用可能主要或完全是通过抑制 NMDA 受体介导的电流产生的。除了对离子通道的影响外，一氧化二氮还可能在中枢神经系统中起到模仿一氧化氮（NO）的作用，这可能与其镇痛和抗焦虑特性有关。一氧化二氮的可溶性是氮的30到40倍。

防护措施与泄露应急处理

防护处理

呼吸系统防护：一般不需特殊防护。高浓度接触时可佩戴自吸过滤式防毒面具（半面罩）。

眼睛防护：一般不需特殊防护。

身体防护：穿一般作业工作服。

手防护：戴防化学品手套。

其他防护：避免高浓度吸入。进入罐、限制性空间或其他高浓度区作业，须有人监护。

泄露应急处理

迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。

环境效应

在环境科学研究中，特别是在全球气候变化领域（Global Climate Change），N2O通常被称为氧化亚氮，是一种温室气体（Greenhouse Gas），具有温室效应（Greenhouse Effect），加剧全球变暖（Global Warming），是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。N2O在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，导致臭氧层破坏，引起臭氧空洞，使人类和其它生物暴露在太阳紫外线的辐射下，对人体皮肤、眼睛、免疫系统造成损害。

与二氧化碳相比，虽然N2O在大气中的含量很低，属于痕量气体（trace gas）但其单分子增温潜势却是二氧化碳的298倍（IPCC，2007）；对全球气候的增温效应在未来将越来越显著，N2O浓度的增加，已引起科学家的极大关注。对这一问题的研究，正在深入进行。

大气N2O的重要来源之一是农田生态系统，在土壤中，N2O是由硝化、反硝化微生物产生，人们向农田中施入过量氮肥，促进微生物活动，通过硝化、反硝化过程（nitrification and denitrification）使氮素转化为N2O。污水生物脱氮硝化和反硝化过程也会引起氧化亚氮的排放，溶解氧的限制、亚硝酸盐的积累和羟胺的氧化都是导致氧化亚氮产生的原因。

管理信息

操作的管理：密闭操作，提供良好的自然通风条件。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与还原剂接触。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。

储存的管理：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。应与易（可）燃物、还原剂分开存放，切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备。

运输的管理：采用钢瓶运输时必须戴好钢瓶上的安全帽。钢瓶一般平放，并应将瓶口朝同一方向，不可交叉；高度不得超过车辆的防护栏板，并用三角木垫卡牢，防止滚动。严禁与易燃物或可燃物、还原剂等混装、混运。夏季应早晚运输，防止日光曝晒。铁路运输时要禁止溜放。

废弃的管理：处置前应参阅国家和地方有关法规。废气直接排入大气。

安全信息

安全术语

S38：In case of insufficient ventilation, wear suitable respiratory equipment.

通风不良时，佩带适当的呼吸器。

风险术语

R8：Contact with combustible material may cause fire.

与可燃物料接触可能引起火