一氧化二氮

一氧化二氮（dinitrogen monoxide），又称氧化亚氮（nitrous oxide），俗称笑气，化学式为N2O，是一种无色，略有甜味的气体，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。该气体早期被用于牙科手术的麻醉，现用在外科手术和牙科。“笑气”的名称是由于吸入它会感到欣快，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。它可以用来作为火箭和赛车的氧化剂，以及增加发动机的输出功率。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娱乐性用途。

一氧化二氮具有重要的医疗用途，因其具有麻醉和止痛效果，特别是在外科手术和牙科中，也已列入世界卫生组织基本药物标准清单上。个体于吸入后能产生欣快感，导致它被当作一种娱乐性用药。若长期滥用，可能因维生素B12失活而导致神经损伤。

一氧化二氮也会造成空气污染，在2020年，它于地球大气的浓度为333ppb（十亿分之一），且每年以1ppb的速度增加。它主要会消耗平流层中的臭氧层，其影响程度与氟氯碳化物相当。大约40%的人为一氧化二氮排放来自农业活动，因为氮肥会被土壤微生物分解成一氧化二氮。此种气体是全球第三重要的温室气体，它在气候变化中发挥有实质性的作用。因此减少其排放已成为气候变化政治中的一个重要目标。

## 历史

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"。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。

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18世纪90年代，汉弗莱·戴维和他的朋友，包括诗人柯尔律治和罗伯特·骚塞试验这种气体。他们发现一氧化二氮能使病人丧失痛觉，而且吸入后仍然可保持意识，不会神智不清（现代研究显示吸入过量一氧化二氮后会使人神智不清）。

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。

## 结构与性质

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

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

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，一氧化二氮也可将有机物氧化。

## 作用机制

吸入式一氧化二氮的药理作用机制尚未被充分解了。然而它已被证明能直接调节多种配体门控离子通道，而能发挥主要作用。它能适度地阻断NMDA受体和含有β2次单元的nACh通道，同时微弱地抑制AMPA受体、kainate受体、GABAC受体和5-HT3受体，并轻微地增强GABAA受体和甘氨酸受体。此外，它也被证实能活化双孔域钾通道。虽然一氧化二氮会影响多个离子通道，但其麻醉、致幻和产生欣快感的效果，很可能主要是透过抑制NMDA受体介导的电流所引起。一氧化二氮除对离子通道产生影响外，其在中枢神经系统中的作用可能与一氧化氮 (NO) 相似。一氧化二氮的溶解度比氮气高30至40倍。

吸入未达麻醉剂量的一氧化二氮所产生的效果，可能因环境和个体差异而有难以预测的变化。然而研究者Mike Jay (2008年) 指出它会稳定地引发以下状态与感觉：

- 醉态
- 欣快感／不快感
- 空间迷失
- 时间迷失
- 疼痛敏感度降低

少数使用者也会出现无法控制的发声和肌肉痉挛。这些效果通常在移除一氧化二氮来源后几分钟内消失。

## 制备

### 工业生产

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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。

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

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。

### 实验室制备

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：

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

另一种方法涉及尿素、硝酸和硫酸的反应：

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

据报道，可用二氧化锰-三氧化二铋催化剂直接氧化氨：参考奥斯特瓦尔德法。

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

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：

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

也可用氯化亚锡和盐酸处理硝酸：

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

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。

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

## 大气中含量

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一氧化二氮是地球大气的一个次要组成部分，并在地球氮循环中扮演活跃角色。对世界各地采集的空气样本进行分析，其在2017年的浓度已超过330ppb。到近几十年来已经加速到每年增加约1ppb的程度。把1750年的约270ppb作为基础水准，表示目前一氧化二氮的大气丰度已增加超过20%。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2022年发表的报告中指出："由于使用合成肥料和粪肥，以及陆地农业和化石燃料燃烧所导致的氮沉降，人类对自然氮循环的干扰是1980年至2019年间，大气中一氧化二氮浓度增加31.0 ± 0.5 ppb（10%）的最大驱动因素。

### 排放来源

全球在2007年至2016年间每年平均排放的一氧化二氮中，总氮含量为1,700万公吨（介于1,220万至2,350万公吨间）。其中约40%的一氧化二氮排放来自人类活动，其余则来自自然氮循环。人类每年排放的一氧化二氮所造成的温室效应约相当于30亿公吨的二氧化碳。相较之下，人类在2019年实际排放370亿公吨的二氧化碳，以及相当于90亿公吨二氧化碳的甲烷。

大多数排放到大气中的一氧化二氮，无论是自然产生还是人为的，都是由土壤和海洋中的微生物（例如反硝化细菌和真菌）所产生。天然植被下的土壤是一氧化二氮的一个重要来源，占所有自然产生排放量的60%。其他自然来源有海洋（占35%）和大气化学反应（占5%）。此外，湿地也可能是此种气体的排放源。来自融化永久冻土的排放量可能相当可观，但，此点尚未确定。

### 生物过程

产生一氧化二氮的微生物过程可分为硝化作用和反硝化作用。具体来说这些过程包括有：

- 好氧自营硝化作用：将氨（NH3）逐步氧化为亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-）。
- 厌氧异营反硝化作用：将NO3-逐步还原为NO2-、一氧化氮（NO）、一氧化二氮，并最终生成分子氮（N2）。在氧气（O2）不足的条件下，兼性厌氧细菌会利用NO3-作为有机物质呼吸作用中的电子受体。
- 硝化菌反硝化作用：由自营性氨氧化细菌执行，其途径是将NH3氧化为NO2-，接着将还原为一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N2O）和分子氮（N2）。
- 异营硝化作用。
- 相同异营硝化菌的好氧反硝化作用。
- 真菌反硝化作用。
- 非生物化学反硝化作用。

这些过程受到多种土壤化学和物理性质的影响，例如存在矿物氮与有机物质、酸碱度和土壤类型。同时，土壤温度和水分含量等气候相关因素也会造成影响。

排放进入大气的数量受到其在细胞内部的消耗的极大限制，这个消耗过程是由一种名为"一氧化二氮还原酶"*的酵素所催化。

## 应用

一氧化二氮是一种助燃剂，最初用在帮助二战时德军飞机迅速逃离战场，现今用于改装汽车上，用于直线加速。

### 增加车辆速度

使用氮氧加速系统的改装车辆将一氧化二氮送入引擎，遇热分解成氮气和氧气，提高引擎燃烧率，增加速度。氧气有助燃作用，加快燃料燃烧。

### 火箭氧化剂

一氧化二氮可以用作火箭氧化剂。比其他氧化剂更好的地方是因为它无毒，在室温下稳定，易于储存和相对安全地进行飞行。第二个好处是可以很容易分解成帮助呼吸的空气。

### 医疗用途

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一氧化二氮自1844年起就被用于牙科和外科手术，作为麻醉药和止痛剂。这种气体在早期是透过由橡胶布制成的呼吸袋等简单型吸入器来供患者使用。而在今日的医院里，则使用一种相对镇痛机来给予。这种机器配备麻醉剂蒸发器和医用呼吸机，能以2:1的比例，精确地将一氧化二氮与氧气混合，并提供由患者呼吸启动的精准流量。

一氧化二氮是一种弱效的全身麻醉剂，通常不会在进行全身麻醉时单独使用，而是作为载气（与氧气混合），用来传递更强效的全身麻醉药物，例如七氟烷或地氟烷。它的最小肺泡浓度（MAC）为105%，而血液／气体分配系数为0.46。在麻醉中使用一氧化二氮可能会增加术后恶心和呕吐的风险。

### 食品加工

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由于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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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"笑气派对"的聚会中首次流行。

随着一氧化二氮自19世纪开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。

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，记者与从医院偷取气体的贩卖者进行接触，取得素材。

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。

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。

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。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.

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。

## 安全性

人可能因为在吸入笑气时氧气过少而引起突然的窒息。暴露于笑气中会短时间导致智力，视听能力，手的灵活度降低。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。

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。在正常储存时，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。

## 与环境的关联

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。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。

## 监管

在印度，将一氧化二氮从大容量钢瓶转移到更小、更便于运输的E型1590升容量钢瓶中，用于医疗麻醉属合法用途。

新西兰卫生部规定，一氧化二氮属处方药，根据《药品法》，未经处方销售或持有一氧化二氮属于违法行为。

2015年8月，英国伦敦兰贝斯区议会通过议案，禁止将一氧化二氮用于娱乐用途，违者将被处以最高1000英镑的现场罚款。2023年9月，英国政府宣布，一氧化二氮将在年底前被列为C类毒品，非法持有者最高可判处两年监禁或无限额罚款。

根据美国联邦法律，持有笑气是合法行为，不受美国缉毒局的管辖。

在中华人民共和国，笑气被列入《危险化学品目录(2018版)》，其仍可被用作食品添加剂以及医用麻醉剂。由于笑气不属于毒品，因此与笑气有关的滥用行为不属于涉毒违法犯罪。在浙江省，该省于2022年将“笑气”列入禁毒监控物质清单。2025年1月1日实施的《浙江省未成年人保护条例》明确规定，禁止向未成年人贩卖笑气。2025年11月26日，浙江省十四届人大常委会第二十次会议审议修改了《浙江省禁毒条例》，将笑气列入打击禁毒监控物质清单，有吸食、注射，教唆、诱导、强迫他人吸食、注射，为个人吸食、注射提供场所、工具等行为的个人将被处罚。

## 外部链接

- 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

## 基本资料

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- IUPACName：Nitrous oxide (not recommended)、Dinitrogen oxide (alternative name)
- 其他名称：笑气、银河气体（galaxy gas）、甜空气（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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- 化学式：N2O
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- 外貌：无色气体
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- AdminRoutes：吸入
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- 排泄途径：呼吸系统
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- OtherFunction_label：氮 氧化物
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