Òxid de dinitrogen

De Viquipèdia
(S'ha redirigit des de: Òxid nitrós)
Salta a: navegació, cerca
Infotaula químicaÒxid de dinitrogen
Nitrous oxide's canonical forms
Model de boles i pals amb la longitud dels enllaços
Model de rebliment d'espai d'òxid de dinitrogen
Noms
Nom IUPACs
òxid de dinitrogen
òxid de nitrogen(I)
Altres noms
das del riure, aire dolç,protòxid de nitrogen, òxid hiponitrós
Identificadors
10024-97-2 Symbol OK.svg1
Codi ATC N01AX13
ChEBI CHEBI:17045 Symbol OK.svg1
ChEMBL ChEMBL1234579 N
ChemSpider 923 Symbol OK.svg1
DrugBank DB06690 N
Imatges Jmol-3D Imatge
KEGG D00102 Symbol OK.svg1
PubChem 948
Número RTECS QX1350000
UNII K50XQU1029 Symbol OK.svg1
Número ONU 1070 (compressed)
2201 (liquid)
Propietats
Massa molar 44,013 g/mol[1]
Aparença gas incolor
Densitat 1,977 g/L (gas)[1]
Punt de fusió −90,86[1] °C (−131,55 °F; 182,29 K)
Punt d'ebullició −88,48[1] °C (−127,26 °F; 184,67 K)
Punt crític 36,42[2] °C (97,56 °F; 309,57 K)
1,5 g/L (15 °C)
Solubilitat Soluble en alcohol, èter, àcid sulfúric
log P 0,35
Pressió de vapor 5150 kPa (20 °C)
1,330
Estructura
lineal, C∞v
0,166 D
Termoquímica
219,96 J K−1 mol−1
+82,05 kJ mol−1
Farmacologia
  • EUA: C (Risc no descartat)
Inhalació
Farmacocinètica:
0.004%
5 minuts
Respiratòria
Perills
Fitxa de dades de seguretat Ilo.org, ICSC 0067
Pictogrames del GHS El pictograma de la flama amb un cercle en el Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS)El pictograma de la bombona de gas en el Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS)El pictograma de la marca d'exclamació en el Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS)El pictograma de perill per la salut en el Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS)
H270, H280, H336, H360, H372
P201, P202, P220, P244, P260, P261, P264, P270, P271, P281, P304+340, P308+313, P312, P314
Punt d'inflamabilitat Ininflamable
Compostos relacionats
Relacionats: òxids de nitrogen
Òxid nítric
Triòxid de dinitrogen
Diòxid de nitrogen
Tetraòxid de dinitrogen
Pentòxid de dinitrogen
Compostos relacionats
Nitrat d'amoni
Azida
Excepte quan s'indiqui el contrari, les dades es refereixen a materials sota condicions estàndard (a 25 °C [298,15 K], 100 kPa).
 N verify (què ésSymbol OK.svg1/N?)
Infotaula de referències

L'òxid de dinitrogen (també conegut com el gas del riure i antigament anomenant òxid nitrós)[3] és un compost químic binari de nitrogen i oxigen de fórmula química . A temperatura ambient és un gas no inflamable, de punt d’ebullició -88,5 °C i punt de fusió -90,9 °C, incolor i totalment inert, amb una olor agradable, que té uns efectes totalment innocus per a l'organisme i un gust lleugerament dolç.

A la indústria s'utilitza com a oxidant per a augmentar la potència dels motors, on se'l coneix com a nitrós. Com a medicament s'utilitza en cirurgia i odontologia pels seu efectes anestèsics i analgèsics. Com a droga, és comunament conegut com el "gas del riure" a causa dels efectes eufòrics que produeix inhalar-lo.

Estructura i propietats[modifica]

La molècula d'òxid de dinitrogen és una molècula triatòmica que presenta un total de 16 electrons, fet que la converteix una molècula isoelectrònica amb el diòxid de carboni, . Donat que en cap de les seves formes ressonants (presenta un total de tres) té electrons desaparellats, no és una molècula radicalària. Aquest fet justifica la posterior reactivitat en l'àmbit de la química estratosfèrica, sent la principal font dels en aquesta.

Història[modifica]

El diòxid de nitrogen fou descobert el 1772 pel científic anglès Joseph Priestley (1733-1804) quan estudiava la reacció del monòxid de nitrogen amb ferro. Ho publicà al llibre Experiments and Observations on Different Kinds of Air (1775). La reacció que dugué a terme fou:

Cinc any després també l'obtingué fent reaccionar àcid nítric, , amb estany i amb zinc. El químic francès Claude-Louis Berthollet (1748-1822) el preparà el 1785 per descomposició del nitrat d'amoni, , i el químic anglès Humprhy Davy (1778-1829) fou qui analitzà les seves propietats el 1799.[4]

Obtenció[modifica]

L'òxid de dinitrogen es prepara habitualment, tant al laboratori com industrialment, per escalfament a 170 °C - 260 °C, de nitrat d'amoni, que es descompon en òxid de dinitrogen i vapor d'aigua, mètode descobert per Berthellot.[5] L'addició de diversos fosfats afavoreix la formació d'un gas pur a temperatures lleugerament inferiors. Un dels primers productors comercials va ser George Poe a Trenton, Nova Jersey.[6]

A aquestes temperatures el nitrat d'amoni és un explosiu moderadament sensible i un oxidant molt potent. Per damunt de 240 °C, la reacció exotèrmica es pot accelerar fins al punt de detonació, per la qual cosa la barreja ha de ser refrigerada per a evitar aquest accident. El vapor s'utilitza per arribar a la temperatura de reacció en algunes plantes de producció comercials.[7]

L'òxid de dinitrogen també es pot obtenir a través de vies no pirolítiques, a partir de l'oxidació directa d'amoníac per part de l'oxigen en presència d'un catalitzador de diòxid de manganès-òxid de bismut.[8]

En cas de realitzar la combustió de l'amoníac en absència de catalitzador es formen principalment i .

Una altra via important d'obtenció d'òxid de dinitrogen són les reaccions derivades del monòxid de nitrogen, . Aquest òxid, malgrat no captar àtoms d'hidrogen amb facilitat degut a la seva baixa capacitat oxidant, en presència d'hidroxilamina, , genera com a productes finals òxid de dinitrogen, nitrogen i aigua.

La primera etapa d'aquesta reacció complexa sembla implicar la captació de l'àtom d'hidrogen enllaçat al nitrogen de la molècula d'hidroxilamina per part de la molècula d', generant l'intermedi de reacció (nitroxil).[9] Dues molècules de nitroxil reaccionin entre si, en primer terme per generar el diazèdiol, , que finalment es deshidrata generant òxid de dinitrogen i aigua.[9]

En condicions anaeròbiques, l' també pot reaccionar amb tiols, , generant unes espècies intermèdies que descomponen finalment per donar òxid de dinitrogen, aigua, i el corresponent disulfur del tiol de partida.

Des del punt de vista mediambiental, les reaccions que generen òxid de dinitrogen com a producte d'una reacció de combustió presenten una elevada importància. En el cas que es produeixi un procés de combustió a elevada pressió i baixa temperatura de combustió, s'obté òxid de dinitrogen a través d'una reacció trimolecular (reacció que involucra tres molècules).[10]

Una de les principals fonts naturals de N2O deriva d'un dels processos microbiològics més importants del cicle del nitrogen: la desnitrificació. La desnitrificació és un procés de degradació anaeròbica de l'anió nitrat mediada per bacteris heterotròpics com el Pseudomonas i el Achromobacter. Tot i que aquest procés genera majoritàriament nitrogen gas, en presència de petites quantitats d'oxigen genera òxid de dinitrogen.[11]

Reactivitat[modifica]

Com a oxidant[modifica]

Les propietats oxidants que presenta l'òxid de dinitrogen fan que aquest sigui emprat habitualment com a agent comburent. Una de les reaccions d'oxidació per antonomàsia és la que dóna amb hidrogen, generant nitrogen i aigua en un procés explosiu.[12]

L'òxid de dinitrogen també oxida metalls generant l'òxid corresponent, com és el cas del magnesi.[12]

En presència d'acetilè, , l'òxid de dinitrogen actua també com a agent oxidant, generant una mescla altament inflamada emprada per a la realització de soldadures.[12]

Descomposició[modifica]

L'òxid de dinitrogen també és susceptible de descompondre en altres productes, tot i ser un procés altament endotèrmic (presenta una energia d'activació de 62,5 kcal·mol−1). A elevades temperatures, l'òxid de dinitrogen descompon, mitjançant una procés exotèrmic, per donar nitrogen i oxigen:

Si aquesta reacció té lloc en un motor de combustió interna, la generació neta d'un mol d'espècie gasosa condueix a una propulsió més efectiva del pistó del motor. A més a més, l'oxigen generat per la reacció augmenta l'eficiència de la combustió. És per aquesta raó que molts vehicles de motor incorporen injectors d'òxid de dinitrogen per tal d'augmentar l'eficiència de la combustió, traduïda en un augment significatiu de la potència del motor.

Usos[modifica]

Dibuix satíric que il·lustra la inhalació d'òxid de dinitrogen per motius lúdics

Anestèsic[modifica]

Gardner Colton i Horace Wells són els que primer utilitzaren l'òxid de dinitrogen com anestèsic en persones el 1884.[13] L'òxid de dinitrogen va perdre popularitat degut a la seva baixa potència però el seu ús va revifar utilitzant-lo a baixes concentracions conjuntament amb altres anestèsics.

L'òxid de dinitrogen, conegut com a gas del riure, és una droga amb uns efectes perniciosos per a la salut, que afecta sobretot la medul·la espinal. El preu mitjà d'una dosi, coneguda com a globus, a Eivissa el 2010, és d'uns quatre o cinc euros. Els annexos de la Convenció de Ginebra inclouen l'òxid de dinitrogen com a medicament i no com a droga i, per tant, la seva possessió i el seu consum no són punibles ni penalment ni administrativament. En canvi, sí que se'n pot perseguir, i es fa, el tràfic, ja que constitueix un delicte contra la salut pública.[3]

Motors de coets[modifica]

L'òxid de dinitrogen pot ser utilitzat com oxidant en els motors de coets. Aquest té l'avantatge sobre altres oxidants que no és tòxic i, degut a la seva estabilitat a temperatura ambient, fàcil d'emmagatzemar i relativament segur de transportar en vol. Com a benefici secundari hi ha que pot ser fàcilment descompost per formar aire respirable. La seva alta densitat i baixa pressió d'emmagatzematge fa que pugui ser altament competitiva amb els sistemes acumulació de gas d'alta pressió. Una patent el 1914, del pioner de coets estatunidenc Robert Goddard va proposar l'òxid de dinitrogen i la gasolina com a possibles propulsors per a un coet de combustible líquid. L'òxid de dinitrogen ha estat l'oxidant d'elecció en diversos dissenys de coets híbrids (amb combustible sòlid més un oxidant líquid o gasós). També és utilitzat per aficionats als coets amb diversos materials plàstics.

Gastronomia[modifica]

Cigala amb espuma de te del restaurant El Bulli

El 1994 el cuiner català Ferran Adrià (1962) introduí, al seu restaurant El Bulli, l'òxid de dinitrogen a la gastronomia. Mitjançant un sifó que dissenyà per a tal fi, i que es carrega amb a pressió, aconseguí crear espumes molt aèries i lleugeres d'aliments que no es podien aconseguir amb els mètodes tradicionals, tant en fred com en calent. Actualment és un estri de cuina present a molts de restaurants arreu del món i a les cuines particulars.[14]

Medi ambient[modifica]

Concentració atmosfèrica del l'òxid de dinitrogen entre l'any 1 i el 2016

A diferència dels altres òxids de nitrogen, l'òxid de dinitrogen és un dels principals gasos hivernacle, sent considerat el quart principal contribuent a l'escalfament global, darrere de l'aigua, el diòxid de carboni i el metà. De fet, té un potencial d'escalfament global de 296 en relació amb al a una escala temporal de 100 anys. Això es tradueix en què la contribució de tan sols 1 kg d' és equivalent a l'efecte de 296 kg de en termes d'absorció de radiació. Malgrat que l'absorció de radiació per part del solapi amb una regió de l'infraroig majoritàriament absorbida per l'aigua, l'elevat temps de residència que aquest presenta (114±10 anys, dades de l’any 2007) justifica que la seva contribució a l'escalfament global sigui molt significativa. S'estima que l'abundància de l' en l'era preindustrial corresponia a uns 280 ppb, mentre que en l'actualitat la concentració ascendeix a 318 ppb. Aquest ascens significatiu en l'abundància atmosfèrica, unit a un ritme d'increment anual del 0,3 % de la seva abundància fan que la comunitat internacional controli severament les emissions d'aquest gas, mitjançant el Protocol de Kyoto. La principal contribució a l'emissió d' antropogènic és l'originat pels cicles de desnitrificació produïts a sòls, llacs i oceans, corresponent a un 60 % de l'emissió d' global. La desnitrificació consisteix bàsicament en processos de reducció microbiana d'anions nitrat, en condicions anaeròbiques, que s'han vist intensificats per l'addició de fertilitzants químics i residus amb elevada demanda d'oxigen al medi. S'ha estimat que l'emissió antropogènica d' és aproximadament 6,9 Tg N·any−1,[15] on més de la meitat correspon a emissions originades per fertilitzants. Pel que fa a Europa, la UNFCCC estima que l'emissió d'origen antropogènic corresponia a 0,85 Tg N l'any 2005, on les contribucions més importants corresponien a sòls agrícoles, fabricació de nylon i producció d'àcid nítric.[15]

La presència de l’òxid de dinitrogen a l’atmosfera és coneguda des del 1939, però no va ser fins a principis dels anys 70 quan els científics atmosfèrics van constatar que l' alliberat a l’atmosfera per processos de desnitrificació de nitrats als sòls podia incorporar-se al cicle de destrucció de l’ozó, , estratosfèric. Donat que no és una espècie radicalària i que no és molt soluble en aigua, l’òxid de dinitrogen és una espècie que presenta un elevat temps de residència troposfèrica. En migrar a l’estratosfera, però, pot ésser destruït a partir d’una reacció fotoquímica:

Tot i això, una proporció petita però significativa de l’òxid de dinitrogen estratosfèric també pot reaccionar amb un àtom d’oxigen en un estat excitat altament reactiu per produir monòxid de nitrogen. Aquest àtom d'oxigen s'ha originat a partir de la fotodissociació de l'ozó estratosfèric.

D’aquesta manera s’obté un altre mitjà de generació d' a altituds superiors a 30 km. En aquestes altituds, aquesta espècie es pot incorporar al procés catalític de destrucció d’ozó, actuant com a catalitzador:[11]

Obtenint la reacció neta:

Referències[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Òxid de dinitrogen Modifica l'enllaç a Wikidata
  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 The Institution of Chemical Engineers The Institution of Mechanical Engineers; Thermophysical properties of nitrous oxide; ESDU; 2004
  2. Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances; Journal of Physical and Chemical Reference Data
  3. 3,0 3,1 Augmenta de manera preocupant el consum del gas del riure a les discoteques d'Eivissa, El Periódico, Palma de Mallorca, 20 de juliol de 2010
  4. «Nitrous Oxide, N2O» (en en). [Consulta: 29 juliol 2017].
  5. Holleman, A. F.; Wiberg, E.. Inorganic Chemistry. San Diego: Academic Press, 2001. ISBN 0-12-352651-5. 
  6. «George Poe is Dead». Washington Post, 03-02-1914 [Consulta: 29 desembre 2007].
  7. «Nitrous oxide plant». Sanghi Organization.
  8. Gopalan, R. Inorganic Chemistry for undergraduates. India: Universities Press, 2009. 
  9. 9,0 9,1 Ignarro, J. L.. Nitric oxide: Biology and Pathology. Orlando: Academic Press, 2000. 
  10. Gardiner, W. C.. Gas-Phase Combustion Chemistry. Nova York: Springer-Verlag, 2000. 
  11. 11,0 11,1 vanLoon, G. W.. Environmental Chemistry: a global perspective. Nova York: Oxford University Press, 2011. 
  12. 12,0 12,1 12,2 House, J. E.. Inorganic Chemistry. Oxford: Academic Press, 2013. 
  13. Franco Grande, Avelino; Álvarez Escudero, Julián; Cortés Laíño, Joaquín. Historia de la anestesia en España, 1847-1940 (en castellà). Arán Ediciones, 2005, p.275. ISBN 8495913569. 
  14. Torre, Iosu de la «La revolución del sifón aplicado a la creatividad gastronómica cumple» (en es). elperiodico, 28-04-2017.
  15. 15,0 15,1 Dolman, A.J.. The Continental-Scale Greenhouse Gas Balance of Europe. Nova York: Springer, 2009. 

vanLoon, G. W.; Duffy, Stephen J.; Environmental chemistry: a global perspective, 3a edició, Oxford University Press, 2011