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一氧化二氮

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（重定向自笑气）
一氧化二氮
首选IUPAC名
Nitrous oxide[1] (not recommended)
Dinitrogen oxide[2] (alternative name)
系统IUPAC名
Oxidodinitrogen(N—N)
别名
  • 笑氣
  • 銀河氣體（galaxy gas）
  • 甜空氣（sweet air）
  • nitrous
  • nos
  • nang
  • nitrus
  • protoxide of nitrogen
  • hyponitrous oxide
  • dinitrogen oxide
  • dinitrogen monoxide
  • nitro
识别
CAS号 10024-97-2  checkY
PubChem 948
ChemSpider 923
SMILES
 
  • N#[N+][O-]
InChI
 
  • 1/N2O/c1-2-3
Beilstein 8137358
Gmelin 2153410
UN编号 1070 (壓縮氣體)
2201 (液體)
ChEBI 17045
RTECS QX1350000
DrugBank DB06690
KEGG D00102
性质
化学式 N
2O
摩尔质量 44.013 g/mol g·mol⁻¹
外观 无色气体
密度 1.977 g/L (氣態，標準狀態)
熔点 −90.86 °C（182 K）
沸点 −88.48 °C（185 K）
溶解性（水） 1.5 g/L (15°C)
溶解性 易溶於乙醇，醚，硫酸
log P 0.35
蒸氣壓 5150 kPa (20°C)
磁化率 −18.9·10−6 cm3/mol
折光度n
D 		1.000516 (0 °C, 101.325 kPa)
黏度 14.90 μPa·s[3]
结构
分子构型 linear, CTemplate:Ssub
偶极矩 0.166 D
热力学
ΔfHm⦵298K +82.05 kJ/mol
S⦵298K 219.96 J/(K·mol)
药理学
ATC代码 N01AX13（N01）
给药途径 吸入
药代动力学：
0.004%
5分鐘
呼吸系統
危险性
GHS危险性符号
《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中氧化性物质的标签图案
GHS提示词 危險性
H-术语 H270
P-术语 P220, P244, P282, P336, P317, P370+376, P403, P410+403
NFPA 704
0
2
0
 
闪点 不易燃
相关物质
相关化合物 一氧化氮
二氧化氮
三氧化二氮
四氧化二氮
五氧化二氮
相关化学品 硝酸銨
疊氮化合物
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

一氧化二氮，又稱氧化亞氮（英語：nitrous oxide），俗称有笑气等[4]，化学式為N2O，是一種无色，略有甜味的气体.[4]，在一定条件下能支持燃烧，但在室温下稳定，有轻微麻醉作用，其麻醉作用于1799年由英国化学家汉弗莱·戴维发现[5]。该气体早期被用于牙科手术的麻醉，現用在外科手術和牙科。"笑氣"的名稱是由於吸入它會感到欣快，并能致人发笑。一氧化二氮能溶于水、乙醇、乙醚及浓硫酸，但不与水反应。它可以用來作為火箭和賽車的氧化劑，以及增加發動機的輸出功率。在食品行业中，一氧化二氮可作为添加剂，用于打发奶泡与制作咖啡。一氧化二氮是强温室气体。现笑气在很多场所被用于娛樂性用途[6]。

一氧化二氮具有重要的醫療用途，因其具有麻醉和止痛效果，特別是在外科手術和牙科中[7]，也已列入世界衛生組織基本藥物標準清單上[8]。個體於吸入後能產生欣快感，導致它被當作一種娛樂性用藥[7][9]。若長期濫用，可能因維生素B12失活而導致神經損傷。

一氧化二氮也會造成空氣污染，在2020年，它於地球大氣的濃度為333ppb（十億分之一），且每年以1ppb的速度增加[10][11]。它主要會消耗平流層中的臭氧層，其影響程度與氟氯碳化物相當[12]。大約40%的人為一氧化二氮排放來自農業活動[13][14]，因為氮肥會被土壤微生物分解成一氧化二氮[15]。此種氣體是全球第三重要的溫室氣體，它在氣候變化中發揮有實質性的作用[16][17]。因此減少其排放已成為氣候變化政治中的一個重要目標[18]。

历史

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一氧化二氮最早是在1772年由英国化学家约瑟夫·普利斯特里合成，他将之称为"燃素的亚硝酸气"[19]。普利斯特里将这一发现写进他的著作《不同类型气体的实验与观察》（1775年），他在书中描述通过加热铁屑和硝酸的混合物来制备这种气体[20]。

"輕鬆生活"：於1830年刊出的一幅諷刺版畫，描繪漢弗萊·戴維正給一位女士一劑笑氣。

18世纪90年代，汉弗莱·戴维和他的朋友，包括诗人柯爾律治和罗伯特·骚塞试验这种气体。他们發現一氧化二氮能使病人丧失痛觉，而且吸入后仍然可保持意識，不会神智不清（现代研究顯示吸入过量一氧化二氮後会使人神智不清）。

1844年12月11日，一氧化二氮首次被当作麻醉剂在医学治疗中使用，牙医霍勒斯·威尔士在拔牙过程中使用一氧化二氮以减轻病人疼痛[21]。



結構与性质

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一氧化二氮的分子是直线型结构。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。它可以被认为是

   和   

的共振杂化体。

一氧化二氮可以被氧化为更高价的氮氧化物，如一氧化氮NO和二氧化氮NO2。

将一氧化二氮与沸腾汽化的碱金属反应可生成一系列的亚硝酸盐，在高温下，一氧化二氮也可將有机物氧化。

作用機制

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吸入式一氧化二氮的藥理作用機制尚未被充分解瞭。然而它已被證明能直接調節多種配體門控離子通道，而能發揮主要作用。它能適度地阻斷NMDA受體和含有β2次單元（英语：CHRNB2）的nACh通道，同時微弱地抑制AMPA受體（英语：AMPA receptor）、kainate受體（英语：Kainate receptor）、GABAC受體和5-HT3受體，並輕微地增強GABAA受體和甘氨酸受體[22][23]。此外，它也被證實能活化雙孔域鉀通道（英语：Two-pore-domain potassium channel）[24]。雖然一氧化二氮會影響多個離子通道，但其麻醉、致幻和產生欣快感的效果，很可能主要是透過抑制NMDA受體介導的電流所引起[22][25]。一氧化二氮除對離子通道產生影響外，其在中樞神經系統中的作用可能與一氧化氮 (NO) 相似[25]。一氧化二氮的溶解度比氮氣高30至40倍。

吸入未達麻醉劑量的一氧化二氮所產生的效果，可能因環境和個體差異而有難以預測的變化[26][27]。然而研究者Mike Jay (2008年) 指出它會穩定地引發以下狀態與感覺[28]：

  • 醉態
  • 欣快感／不快感
  • 空間迷失
  • 時間迷失
  • 疼痛敏感度降低

少數使用者也會出現無法控制的發聲和肌肉痙攣。這些效果通常在移除一氧化二氮來源後幾分鐘內消失[28]。

制备

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工业生产

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生產一氧化二氮的流程示意圖。

工业上在约250°C的温度下小心加热硝酸铵可以生成一氧化二氮和水蒸汽。[29][30]

添加各种磷酸盐有利于在稍低的温度下形成更纯的气体。该反应可能难以控制，而导致爆炸[31]。

实验室制备

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硝酸铵的分解也是常用的实验室制备气体方法。同样也可通过加热硝酸钠和硫酸铵的混合物制得：[32]

另一种方法涉及尿素、硝酸和硫酸的反应：[33]

据报道，可用二氧化锰-三氧化二铋催化剂直接氧化氨：[34]参考奥斯特瓦尔德法。

盐酸羟胺与亚硝酸钠反应生成一氧化二氮。如果将亚硝酸盐添加到羟胺溶液中，则唯一剩余的副产物是盐水。但是，如果将羟胺溶液添加到亚硝酸盐溶液中（亚硝酸盐过量），则会形成有毒的高级氮氧化物：

也可用氯化亚锡和盐酸处理硝酸：

连二次硝酸会分解为一氧化二氮和水，在25°C，pH值1–3时的半衰期为16天[35]。

大氣中含量

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由全球大氣氣體高級實驗（AGAGE，一個國際大氣觀測站網絡，自1978年起就持續測量全球大氣的成分）在世界各地的觀測站測得的低層大氣（對流層）中一氧化二氮的數據。這些數據的豐度以無污染的月平均莫耳分率呈現，單位為十億分之一（ppb）。
從1978年開始的大氣中一氧化二氮濃度變化趨勢。
從2000年開始，大氣中一氧化二氮的年增長率。
根據全球碳計劃組織發表，全球於2000年的一氧化二氮來源與匯的數據[36]。

一氧化二氮是地球大氣的一個次要組成部分，並在地球氮循環中扮演活躍角色。對世界各地採集的空氣樣本進行分析，其在2017年的濃度已超過330ppb[10]。到近幾十年來已經加速到每年增加約1ppb的程度[11]。把1750年的約270ppb作為基礎水準，表示目前一氧化二氮的大氣豐度已增加超過20%[37]。 聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2022年發表的報告中指出："由於使用合成肥料和糞肥，以及陸地農業和化石燃料燃燒所導致的氮沉降，人類對自然氮循環的干擾是1980年至2019年間，大氣中一氧化二氮濃度增加31.0 ± 0.5 ppb（10%）的最大驅動因素[38]。

排放來源

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全球在2007年至2016年間每年平均排放的一氧化二氮中，總氮含量為1,700萬公噸（介於1,220萬至2,350萬公噸間）[38]。其中約40%的一氧化二氮排放來自人類活動，其餘則來自自然氮循環[39]。人類每年排放的一氧化二氮所造成的溫室效應約相當於30億公噸的二氧化碳。相較之下，人類在2019年實際排放370億公噸的二氧化碳，以及相當於90億公噸二氧化碳的甲烷[40]。

大多數排放到大氣中的一氧化二氮，無論是自然產生還是人為的，都是由土壤和海洋中的微生物（例如反硝化細菌（英语：Denitrifying bacteria）和真菌）所產生。[41]天然植被下的土壤是一氧化二氮的一個重要來源，佔所有自然產生排放量的60%。其他自然來源有海洋（佔35%）和大氣化學反應（佔5%）[42]。此外，濕地也可能是此種氣體的排放源[43][44]。來自融化永久凍土的排放量可能相當可觀，但截至2022年，此點尚未確定[38]。

生物過程

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產生一氧化二氮的微生物過程可分為硝化作用和反硝化作用。具體來說這些過程包括有：

  • 好氧自營硝化作用：將氨（NH3）逐步氧化為亞硝酸鹽（NO−2）和硝酸鹽（NO−3）。
  • 厭氧異營反硝化作用：將NO−3逐步還原為NO−2、一氧化氮（NO）、一氧化二氮，並最終生成分子氮（N2）。在氧氣（O2）不足的條件下，兼性厭氧細菌會利用NO−3作為有機物質呼吸作用中的電子受體。
  • 硝化菌反硝化作用：由自營性氨氧化細菌執行，其途徑是將NH3氧化為NO−2，接著將還原為一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N2O）和分子氮（N2）。
  • 異營硝化作用。
  • 相同異營硝化菌的好氧反硝化作用。
  • 真菌反硝化作用。
  • 非生物化學反硝化作用。

這些過程受到多種土壤化學和物理性質的影響，例如存在礦物氮與有機物質、酸鹼度和土壤類型。同時，土壤溫度和水分含量等氣候相關因素也會造成影響。 排放進入大氣的數量受到其在細胞內部的消耗的極大限制，這個消耗過程是由一種名為"一氧化二氮還原酶"*的酵素所催化[45]。

應用

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一氧化二氮是一種助燃劑，最初用在幫助二戰時德軍飛機迅速逃離戰場，現今用於改裝汽車上，用於直線加速。

增加車輛速度

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使用氮氧加速系统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。氧气有助燃作用，加快燃料燃烧。

火箭氧化劑

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一氧化二氮可以用作火箭氧化劑。比其他氧化劑更好的地方是因為它無毒，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幫助呼吸的空氣。

醫療用途

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主条目：安桃樂
用於牙科的醫療級一氧化二氮鋼瓶容器。

一氧化二氮自1844年起就被用於牙科和外科手術，作為麻醉藥和止痛劑[46]。這種氣體在早期是透過由橡膠布製成的呼吸袋等簡單型吸入器來供患者使用[47]。而在今日的醫院裡，則使用一種相對鎮痛機（英语：relative analgesia machine）來給予。這種機器配備麻醉劑蒸發器和醫用呼吸機，能以2:1的比例，精確地將一氧化二氮與氧氣混合，並提供由患者呼吸啟動的精準流量。

一氧化二氮是一種弱效的全身麻醉劑，通常不會在進行全身麻醉時單獨使用，而是作為載氣（與氧氣混合），用來傳遞更強效的全身麻醉藥物，例如七氟烷或地氟烷。它的最小肺泡濃度（英语：Minimum alveolar concentration）（MAC）為105%，而血液／氣體分配係數為0.46。在麻醉中使用一氧化二氮可能會增加術後噁心和嘔吐的風險[48][49][50]。

食品加工

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用於將鮮奶油發泡的食品級一氧化二氮鋼瓶。

由於一氧化二氮不易与奶油中的成分发生反应，多用作奶油发泡剂。

娱乐性用药

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十九世纪由英格蘭漫畫家托马斯·罗兰森以凹銅版腐蝕製版法（英语：Aquatint）描繪的笑气派对。
在荷蘭北部格罗宁根普勒斯特街附近，掛著禁止使用一氧化二氮的标志。
学校附近用一氧化二氮作娱乐性药物使用后遗留的小钢制气罐（英语：Whipped-cream charger）（2017年攝於荷蘭）

娱乐性吸入一氧化二氮（英语：recreational use of nitrous oxide）以引发欣快感和轻微的幻觉，始于1799年英国上层社会，在被称为"笑气派對"的聚会中首次流行[51]。

随着一氧化二氮自19世纪開始在医疗和烹饪领域的广泛应用，该气体的娱乐性使用也迅速在全球范围内扩展。截至2014年，英国估计有近50万年轻人在夜店、节庆和派对中使用一氧化二氮[52]。

英国在2017年广泛的娱乐性使用一氧化二氮被记录在Vice的纪录片"Inside The Laughing Gas Black Market"中，记者Matt Shea（英语：Matt Shea (documentary filmmaker)）与从医院偷取气体的贩卖者进行接触，取得素材[53]。

伦敦媒体报道中指出的一个主要问题是一氧化二氮罐的乱扔现象，该行为不仅十分显眼，也引发社区大量投诉[54]。

在2023年11月8日之前，英国依据2016年《精神活性物质法案》禁止生产、供应、进口或出口用于娱乐性目的的一氧化二氮。修订后的法律进一步禁止持有的行为，并依据1971年《药物滥用法案》将其列为C类药物[55]。

虽然大多数使用者认为一氧化二氮能带来"安全的兴奋感"，但许多人并不知道过量使用可能导致神经系统损伤，若不治疗可能会造成永久性神经损伤[56]。在澳大利亚，随着神经毒性报告数量的增加和急诊科收治病例的上升，娱乐性使用已成为公共健康问题。南澳州于2020年通过立法限制气罐销售[57].

2024年，一氧化二氮以街头名称"银河气体（Galaxy Gas）"在年轻人中迅速流行，用于娱乐性吸入。这种流行很大程度上是通过TikTok平台推动的。[58]

安全性

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人可能因為在吸入笑氣时氧氣過少而引起突然的窒息。暴露於笑氣中會短時間導致智力，視聽能力，手的靈活度降低。一氧化二氮能不可逆地氧化钴胺素的钴核并使甲基钴胺素失活，间接诱发维生素B12缺乏，造成神经损伤，如亚急性联合变性[59]。

一氧化二氮的主要安全隐患在于，它是一种有分解性的麻醉剂，而且通常以加压液化的形式储存。在正常儲存時，它很稳定，使用起来也很安全。但是如果错误地使用，它会很容易分解，而且很有可能爆炸。液态的一氧化二氮是有机物的良好溶剂，不过用它制成溶液有可能会生成一些对外界刺激敏感的爆炸性物质。一部分火箭事故由于一氧化二氮被燃料污染而发生，少量的一氧化二氮和燃料的混合物发生爆炸，随即引起剩余一氧化二氮的爆炸性分解。

与环境的關聯

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氮氧化物中也包含一氧化二氮，是一类温室气体。因此，氮氧化物是控制温室气体排放时（比如京都议定书）的主要对象。一氧化二氮本身是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大温室气体。它所能造成的温室效应的效果大约是二氧化碳的200倍[60][61]。在自然条件下，一氧化二氮主要从土壤和海洋中排出。人类耕作、生产、使用氮肥、生产尼龙还有燃烧化石燃料和其他有机物的过程均增加一氧化二氮的排放量。

監管

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在中華人民共和國，笑气被列入《危险化学品目录(2015版)》，其仍可被用作食品添加剂以及医用麻醉剂[62]。

參考文獻

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延伸閱讀

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外部連結

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