一氧化二氮

一氧化二氮（dinitrogen monoxide），又稱氧化亞氮（nitrous oxide），俗稱笑氣，化學式為N2O，是一種無色，略有甜味的氣體，在一定條件下能支持燃燒，但在室溫下穩定，有輕微麻醉作用，其麻醉作用於1799年由英國化學家漢弗萊·戴維發現。該氣體早期被用於牙科手術的麻醉，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，並能致人發笑。一氧化二氮能溶於水、乙醇、乙醚及濃硫酸，但不與水反應。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。在食品行業中，一氧化二氮可作為添加劑，用於打發奶泡與製作咖啡。一氧化二氮是強溫室氣體。現笑氣在很多場所被用於娛樂性用途。

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，也已列入世界衛生組織基本藥物標準清單上。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。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。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。大約40%的人為一氧化二氮排放來自農業活動，因為氮肥會被土壤微生物分解成一氧化二氮。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。因此減少其排放已成為氣候變化政治中的一個重要目標。

## 歷史

一氧化二氮最早是在1772年由英國化學家約瑟夫·普利斯特里合成，他將之稱為"燃素的亞硝酸氣"。普利斯特里將這一發現寫進他的著作《不同類型氣體的實驗與觀察》（1775年），他在書中描述通過加熱鐵屑和硝酸的混合物來製備這種氣體。

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18世紀90年代，漢弗萊·戴維和他的朋友，包括詩人柯爾律治和羅伯特·騷塞試驗這種氣體。他們發現一氧化二氮能使病人喪失痛覺，而且吸入後仍然可保持意識，不會神智不清（現代研究顯示吸入過量一氧化二氮後會使人神智不清）。

1844年12月11日，一氧化二氮首次被當作麻醉劑在醫學治療中使用，牙醫霍勒斯·威爾士在拔牙過程中使用一氧化二氮以減輕病人疼痛。

## 結構與性質

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

$\mbox{N} \equiv \mbox{N}^+ - \mbox{O}^-$ 和 $\mbox{N}^-= \mbox{N}^+= \mbox{O}\;$

共振雜化體。

一氧化二氮可以被氧化為更高價的氮氧化物，如一氧化氮NO和二氧化氮NO2。

將一氧化二氮與沸騰汽化的鹼金屬反應可生成一系列的亞硝酸鹽，在高溫下，一氧化二氮也可將有機物氧化。

## 作用機制

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次單元的nACh通道，同時微弱地抑制AMPA受體、kainate受體、GABAC受體和5-HT3受體，並輕微地增強GABAA受體和甘氨酸受體。此外，它也被證實能活化雙孔域鉀通道。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。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。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。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：

- 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。

## 製備

### 工業生產

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工業上在約250°C的溫度下小心加熱硝酸銨可以生成一氧化二氮和水蒸汽。

$$\rm NH_4NO_3 \stackrel{\Delta}{=\!=\!=\!=} N_2O \uparrow + 2H_2O$$

添加各種磷酸鹽有利於在稍低的溫度下形成更純的氣體。該反應可能難以控制，而導致爆炸。

### 實驗室製備

硝酸銨的分解也是常用的實驗室製備氣體方法。同樣也可通過加熱硝酸鈉和硫酸銨的混合物製得：

$$\rm 2NaNO_3 + (NH_4)_2SO_4 \stackrel{\Delta}{=\!=\!=\!=} Na_2SO_4 + 2N_2O \uparrow + 4H_2O$$

另一種方法涉及尿素、硝酸和硫酸的反應：

$$\rm 2(NH_2)_2CO + 2HNO_3 + H_2SO_4 \stackrel{\Delta}{=\!=\!=\!=} 2N_2O \uparrow + 2CO_2\uparrow + (NH_4)_2SO_4 + 2H_2O$$

據報導，可用二氧化錳-三氧化二鉍催化劑直接氧化氨：參考奧斯特瓦爾德法。

$$\rm 2NH_3 + 2O_2{=\!=\!=\!=} N_2O + H_2O$$

鹽酸羥胺與亞硝酸鈉反應生成一氧化二氮。如果將亞硝酸鹽添加到羥胺溶液中，則唯一剩餘的副產物是鹽水。但是，如果將羥胺溶液添加到亞硝酸鹽溶液中（亞硝酸鹽過量），則會形成有毒的高級氮氧化物：

$$\rm NH_3OHCl + NaNO_2{=\!=\!=\!=} N_2O \uparrow + NaCl + 2H_2O$$

也可用氯化亞錫和鹽酸處理硝酸：

$$\rm 2HNO_3 + 8HCl + 4SnCl_2 {=\!=\!=\!=} N_2O \uparrow + 4SnCl_4 + 5H_2O$$

連二次硝酸會分解為一氧化二氮和水，在25°C，pH值1–3時的半衰期為16天。

$$\rm H_2N_2O_2 {=\!=\!=\!=} N_2O \uparrow + H_2O$$

## 大氣中含量

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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。到近幾十年來已經加速到每年增加約1ppb的程度。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%。

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。

### 排放來源

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）。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。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。

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（例如反硝化細菌和真菌）所產生。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%）。此外，濕地也可能是此種氣體的排放源。來自融化永久凍土的排放量可能相當可觀，但，此點尚未確定。

### 生物過程

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（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）。
- 厭氧異營反硝化作用：將NO3-逐步還原為NO2-、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NO3-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NO2-，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。

## 應用

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

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。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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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。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。而在今日的醫院裡，則使用一種相對鎮痛機來給予。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（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。

### 食品加工

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由於一氧化二氮不易與奶油中的成分發生反應，多用作奶油發泡劑。

### 娛樂性用藥

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以引發欣快感和輕微的幻覺，始於1799年英國上層社會，在被稱為"笑氣派對"的聚會中首次流行。

隨著一氧化二氮自19世紀開始在醫療和烹飪領域的廣泛應用，該氣體的娛樂性使用也迅速在全球範圍內擴展。截至2014年，英國估計有近50萬年輕人在夜店、節慶和派對中使用一氧化二氮。

英國在2017年廣泛的娛樂性使用一氧化二氮被記錄在Vice的紀錄片"Inside The Laughing Gas Black Market"中，記者與從醫院偷取氣體的販賣者進行接觸，取得素材。

倫敦媒體報導中指出的一個主要問題是一氧化二氮罐的亂扔現象，該行為不僅十分顯眼，也引發社區大量投訴。

在2023年11月8日之前，英國依據2016年《精神活性物質法案》禁止生產、供應、進口或出口用於娛樂性目的的一氧化二氮。修訂後的法律進一步禁止持有的行為，並依據1971年《藥物濫用法案》將其列為C類藥物。

雖然大多數使用者認為一氧化二氮能帶來"安全的興奮感"，但許多人並不知道過量使用可能導致神經系統損傷，若不治療可能會造成永久性神經損傷。在澳大利亞，隨著神經毒性報告數量的增加和急診科收治病例的上升，娛樂性使用已成為公共健康問題。南澳州於2020年通過立法限制氣罐銷售.

2024年，一氧化二氮以街頭名稱"銀河氣體（Galaxy Gas）"在年輕人中迅速流行，用於娛樂性吸入。這種流行很大程度上是通過TikTok平台推動的。

## 安全性

人可能因為在吸入笑氣時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鈷胺素的鈷核並使甲基鈷胺素失活，間接誘發維生素B12缺乏，造成神經損傷，如亞急性聯合變性。

一氧化二氮的主要安全隱患在於，它是一種有分解性的麻醉劑，而且通常以加壓液化的形式儲存。在正常儲存時，它很穩定，使用起來也很安全。但是如果錯誤地使用，它會很容易分解，而且很有可能爆炸。液態的一氧化二氮是有機物的良好溶劑，不過用它製成溶液有可能會生成一些對外界刺激敏感的爆炸性物質。一部分火箭事故由於一氧化二氮被燃料污染而發生，少量的一氧化二氮和燃料的混合物發生爆炸，隨即引起剩餘一氧化二氮的爆炸性分解。

## 與環境的關聯

氮氧化物中也包含一氧化二氮，是一類溫室氣體。因此，氮氧化物是控制溫室氣體排放時（比如京都議定書）的主要對象。一氧化二氮本身是排在二氧化碳、甲烷之後的第三大溫室氣體。它所能造成的溫室效應的效果大約是二氧化碳的200倍。在自然條件下，一氧化二氮主要從土壤和海洋中排出。人類耕作、生產、使用氮肥、生產尼龍還有燃燒化石燃料和其他有機物的過程均增加一氧化二氮的排放量。

## 監管

在印度，將一氧化二氮從大容量鋼瓶轉移到更小、更便於運輸的E型1590升容量鋼瓶中，用於醫療麻醉屬合法用途。

紐西蘭衛生部規定，一氧化二氮屬處方藥，根據《藥品法》，未經處方銷售或持有一氧化二氮屬於違法行為。

2015年8月，英國倫敦蘭貝斯區議會通過議案，禁止將一氧化二氮用於娛樂用途，違者將被處以最高1000英鎊的現場罰款。2023年9月，英國政府宣布，一氧化二氮將在年底前被列為C類毒品，非法持有者最高可判處兩年監禁或無限額罰款。

根據美國聯邦法律，持有笑氣是合法行為，不受美國緝毒局的管轄。

在中華人民共和國，笑氣被列入《危險化學品目錄(2018版)》，其仍可被用作食品添加劑以及醫用麻醉劑。由於笑氣不屬於毒品，因此與笑氣有關的濫用行為不屬於涉毒違法犯罪。在浙江省，該省於2022年將「笑氣」列入禁毒監控物質清單。2025年1月1日實施的《浙江省未成年人保護條例》明確規定，禁止向未成年人販賣笑氣。2025年11月26日，浙江省十四屆人大常委會第二十次會議審議修改了《浙江省禁毒條例》，將笑氣列入打擊禁毒監控物質清單，有吸食、注射，教唆、誘導、強迫他人吸食、注射，為個人吸食、注射提供場所、工具等行為的個人將被處罰。

## 外部連結

- Occupational Safety and Health Guideline for Nitrous Oxide
- Paul Crutzen Interview Freeview video of Paul Crutzen Nobel Laureate for his work on decomposition of ozone talking to Harry Kroto Nobel Laureate by the Vega Science Trust.
- National Pollutant Inventory – Oxide of nitrogen fact sheet
- National Institute for Occupational Safety and Health – Nitrous Oxide
- CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Nitrous Oxide
- Nitrous Oxide FAQ
- Erowid article on Nitrous Oxide
- Nitrous oxide fingered as monster ozone slayer , Science News
- Dental Fear Central article on the use of nitrous oxide in dentistry
- Altered States Database

## 基本資料

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- SystematicName：Oxidodinitrogen(N—N)
- IUPACName：Nitrous oxide (not recommended)、Dinitrogen oxide (alternative name)
- 其他名稱：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
- UNII：K50XQU1029
- InChI1：1/N2O/c1-2-3
- InChIKey1：GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYAP
- 3D模型（JSmol）：N#N+O-
- 3D模型（JSmol）：N-=N+=O
- StdInChI：1S/N2O/c1-2-3
- StdInChIKey：GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N
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- ChEBI：17045
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- 外貌：無色氣體
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