stringtranslate.com

Диоксид азота

Диоксид азота – химическое соединение формулы NO 2 . Один из нескольких оксидов азота , диоксид азота представляет собой красновато-коричневый газ. Это парамагнитная изогнутая молекула с симметрией точечной группы C2v . В промышленном отношении NO 2 является промежуточным продуктом синтеза азотной кислоты , миллионы тонн которой производятся ежегодно, в первую очередь для производства удобрений .

Диоксид азота ядовит и может быть смертельным при вдыхании в больших количествах. [8] По оценкам , LC 50 ( средняя смертельная доза ) для человека составляет 174 ppm при 1-часовом воздействии. [9] Он также включен в семейство атмосферных загрязнителей NO x .

Характеристики

Диоксид азота представляет собой красновато-коричневый газ с резким едким запахом при температуре выше 21,2 ° C (70,2 ° F; 294,3 К) и становится желтовато-коричневой жидкостью при температуре ниже 21,2 ° C (70,2 ° F; 294,3 К). Он образует равновесие со своим димером , тетраоксидом динитрогена ( N 2 O 4 ), и почти полностью превращается в N 2 O 4 при температуре ниже -11,2 °C (11,8 °F; 261,9 К). [6]

Длина связи между атомом азота и атомом кислорода составляет 119,7  пм . Эта длина связи соответствует порядку связи между одним и двумя.

В отличие от озона ( O 3 ) основное электронное состояние диоксида азота является дублетным состоянием , поскольку азот имеет один неспаренный электрон, [10] что уменьшает альфа-эффект по сравнению с нитритом и создает слабое связывающее взаимодействие с неподеленными парами кислорода. Неподеленный электрон в NO 2 также означает, что это соединение является свободным радикалом , поэтому формулу диоксида азота часто записывают как • NO 2 .

Красновато-коричневый цвет является следствием преимущественного поглощения света в синей области спектра (400–500 нм), хотя поглощение распространяется как на видимый (при более коротких волнах), так и на инфракрасный (при более длинных волнах). Поглощение света с длиной волны короче примерно 400 нм приводит к фотолизу (с образованием NO + O , атомарного кислорода); в атмосфере присоединение образовавшегося таким образом атома кислорода к О 2 приводит к образованию озона.

Подготовка

Диоксид азота обычно образуется в результате окисления оксида азота кислородом воздуха (например, в результате коронного разряда ): [11]

2 НО + О2 → 2 НО2

Диоксид азота образуется в большинстве процессов горения с использованием воздуха в качестве окислителя . При повышенных температурах азот соединяется с кислородом , образуя диоксид азота:

  N2 + 2 О2 → 2 NO2

В лаборатории НЕТ
2может быть получен двухэтапной процедурой, при которой при обезвоживании азотной кислоты образуется пятиокись азота :

2 HNO 3 → N 2 O 5 + H 2 O
6 HNO 3 + 1 ⁄ 2  P 4 O 10 → 3 N 2 O 5 + 2 H 3 PO 4

который впоследствии подвергается термическому разложению:

Н 2 О 5 → 2 НО 2 + 1 ⁄ 2 О 2 

При термическом разложении нитратов некоторых металлов также образуется NO 2 :

Pb(NO 3 ) 2 → PbO + 2 NO 2 + 1 ⁄ 2 O 2 

NO 2 образуется при восстановлении концентрированной азотной кислоты металлом (например, медью):

4 HNO 3 + Cu → Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O

Образование в результате разложения азотной кислоты

Азотная кислота медленно разлагается до диоксида азота по общей реакции:

4 HNO3 → 4 NO2 + 2 H2O +   O 2

Образовавшийся таким образом диоксид азота придает характерный желтый цвет, часто присущий этой кислоте.

Избранные реакции

Тепловые свойства

NO 2 существует в равновесии с бесцветным газом четырехокисью азота ( N 2 O 4 ):

2 НЕТ 2 ⇌ Н 2 О 4

Равновесие характеризуется Δ H = -57,23 кДж/моль , что является экзотермическим. NO 2 предпочтителен при более высоких температурах, тогда как при более низких температурах преобладает N 2 O 4 . N 2 O 4 можно получить в виде белого твердого вещества с температурой плавления -11,2 °С. [11] NO 2 парамагнитен из - за неспаренного электрона, а N 2 O 4 диамагнитен .

При 150 °C (302 °F; 423 К) NO 2 разлагается с выделением кислорода посредством эндотермического процесса ( Δ H = 14 кДж/моль ):

2 НО2 →2 НО +   О 2

В качестве окислителя

Судя по слабости связи N–O, NO 2 является хорошим окислителем. Следовательно, он будет воспламеняться, иногда взрывоопасно, в присутствии углеводородов . Физическая химия

Гидролиз

NO 2 реагирует с водой с образованием азотной кислоты и азотистой кислоты :

3 NO 2 + H 2 O → 2 HNO 3 + NO

Эта реакция является одной из стадий процесса Оствальда промышленного производства азотной кислоты из аммиака. [12] Эта реакция протекает незначительно медленно при низких концентрациях NO 2 , характерных для окружающей атмосферы, хотя она и протекает при поглощении NO 2 поверхностями. Считается, что такая поверхностная реакция приводит к образованию газообразного HNO 2 (часто обозначаемого как HONO ) на открытом воздухе и в помещении. [13]

Превращение в нитраты

NO 2 используется для получения безводных нитратов металлов из оксидов: [11]

МО + 3 НО 2 → М(НО 3 ) 2 + НО

Алкилы и иодиды металлов дают соответствующие нитраты: [10]

TiI 4 + 8 NO 2 → Ti(NO 3 ) 4 + 4 NO + 2 I 2

Экология

NO 2 попадает в окружающую среду по естественным причинам, включая попадание из стратосферы , бактериальное дыхание, вулканы и молнии. Эти источники делают NO 2 микроэлементом в атмосфере Земли , где он играет роль в поглощении солнечного света и регулировании химического состава тропосферы , особенно в определении концентрации озона . [14]

Использование

NO 2 используется как промежуточный продукт при производстве азотной кислоты , как нитрующий агент при производстве химических взрывчатых веществ , как ингибитор полимеризации акрилатов , как отбеливатель муки [15] : 223  и как агент для стерилизации при комнатной температуре. . [16] Он также используется в качестве окислителя в ракетном топливе , например, в красной дымящей азотной кислоте ; он использовался в ракетах «Титан» , для запуска проекта «Близнецы» , в маневрирующих двигателях космического корабля «Шаттл » и в беспилотных космических зондах , отправляемых на различные планеты. [17]

Антропогенные источники и воздействие

«Лисий хвост» над Нижнетагильским металлургическим комбинатом

Для широкой общественности наиболее известными источниками NO 2 являются двигатели внутреннего сгорания , поскольку температуры сгорания достаточно высоки, чтобы термически объединить часть азота и кислорода в воздухе с образованием NO 2 . [8] На открытом воздухе NO 2 может быть результатом движения автотранспорта. [18]

В помещении воздействие происходит от сигаретного дыма [19] , а также от бутановых и керосиновых обогревателей и печей. [20]

Рабочие в отраслях, где используется NO 2 , также подвергаются воздействию и риску профессиональных заболеваний легких , а NIOSH установил пределы воздействия и стандарты безопасности. [6] Риску подвергаются работники, работающие в зонах высокого напряжения, особенно те, где возникает искра или плазма. [ нужна ссылка ] Сельскохозяйственные рабочие могут подвергаться воздействию NO 2 , образующегося в результате разложения зерна в бункерах; хроническое воздействие может привести к повреждению легких в состоянии, называемом « болезнь наполнителя силоса ». [21] [22]

Токсичность

NO 2 диффундирует в эпителиальную выстилочную жидкость (ELF) респираторного эпителия и растворяется. Там он химически реагирует с молекулами антиоксидантов и липидов в ELF. Воздействие NO 2 на здоровье вызвано продуктами реакции или их метаболитами, которые представляют собой активные формы азота и активные формы кислорода , которые могут вызывать бронхоспазм , воспаление, снижение иммунного ответа и могут оказывать воздействие на сердце. [23]

Пути, обозначенные пунктирной линией, — это те пути, доказательства которых ограничены результатами экспериментальных исследований на животных, тогда как данные исследований контролируемого воздействия на человека доступны для путей, обозначенных сплошной линией. Пунктирные линии обозначают предполагаемую связь с исходами обострения астмы и инфекций дыхательных путей. Ключевые события — это субклинические эффекты, конечные точки — это эффекты, которые обычно измеряются в клинике, а результаты — это последствия для здоровья на уровне организма. NO 2  = диоксид азота; ELF = жидкость эпителиальной выстилки. [23] : 4–62 
Диффузионная трубка диоксида азота для контроля качества воздуха. Расположен в лондонском Сити .

Острый вред от воздействия NO 2 встречается редко. 100–200 частей на миллион могут вызвать легкое раздражение носа и горла, 250–500 частей на миллион могут вызвать отек , приводящий к бронхиту или пневмонии , а уровни выше 1000 частей на миллион могут вызвать смерть из-за удушья из-за жидкости в легких. Во время воздействия часто нет никаких симптомов, кроме преходящего кашля, усталости или тошноты, но через несколько часов воспаление в легких вызывает отек. [24] [25]

При попадании на кожу или в глаза пораженный участок промывают физиологическим раствором. Для ингаляций вводят кислород, можно вводить бронходилятаторы , а при наличии признаков метгемоглобинемии - состояния, возникающего при воздействии соединений азота на гемоглобин в эритроцитах, - метиленовый синий . [26] [27]

Он классифицируется как чрезвычайно опасное вещество в Соединенных Штатах, как это определено в разделе 302 Закона США о чрезвычайном планировании и праве общества на информацию (42 USC 11002), и на него распространяются строгие требования отчетности со стороны предприятий, которые производят, хранят или использовать его в значительных количествах. [28]

Последствия воздействия NO 2 на здоровье

Воздействие низких уровней NO 2 с течением времени может вызвать изменения в функции легких. [29] Хроническое воздействие NO 2 может вызывать респираторные эффекты, включая воспаление дыхательных путей у здоровых людей и усиление респираторных симптомов у людей, страдающих астмой.

Влияние токсичности на здоровье изучалось с помощью анкет и личных интервью, чтобы понять взаимосвязь между NO 2 и астмой. Влияние загрязнителей воздуха в помещениях на здоровье важно, поскольку большинство людей в мире проводят более 80% своего времени в помещении. [30] Количество времени, проводимого в помещении, зависит от нескольких факторов, включая географический регион, профессиональную деятельность и пол, а также других переменных. Кроме того, поскольку изоляция дома улучшается, это может привести к большему удержанию загрязнителей воздуха в помещении, таких как NO 2 . [30] В зависимости от географического региона распространенность астмы колеблется от 2 до 20%, при этом нет четкого указания на то, что является причиной этой разницы. [30] Это может быть результатом «гигиенической гипотезы» или «западного образа жизни», который отражает представление о домах с хорошей изоляцией и меньшим количеством жителей. [30] Другое исследование изучало связь между воздействием азота в доме и респираторными симптомами и обнаружило статистически значимое отношение шансов 2,23 (95% ДИ: 1,06, 4,72) среди людей с медицинским диагнозом астмы и воздействия газовой плиты. [31]

Основным источником воздействия NO 2 внутри помещений является использование газовых плит для приготовления пищи или отопления домов. По данным переписи 2000 года, более половины домохозяйств в США используют газовые плиты [32] , а уровень воздействия NO 2 в помещении в среднем как минимум в три раза выше в домах с газовыми плитами по сравнению с электрическими плитами, при этом самые высокие уровни наблюдаются в многоквартирных домах. дома. Воздействие NO 2 особенно вредно для детей, страдающих астмой. Исследования показали, что дети с астмой, живущие в домах с газовыми плитами, имеют больший риск развития респираторных симптомов, таких как свистящее дыхание, кашель и чувство стеснения в груди. [31] [33] Кроме того, использование газовой плиты было связано со снижением функции легких у девочек с астмой, хотя у мальчиков эта связь не была обнаружена. [34] Использование вентиляции при работе газовых плит может снизить риск респираторных симптомов у детей с астмой.

В когортном исследовании с участием афроамериканцев из Балтимора, принадлежащих к меньшинствам в центральной части города, с целью определить, существует ли связь между NO 2 и астмой у детей в возрасте от 2 до 6 лет, с существующим медицинским диагнозом астмы и одним посещением, связанным с астмой, семьи люди с более низким социально-экономическим статусом чаще имели в своих домах газовые плиты. Исследование пришло к выводу, что более высокие уровни NO 2 в доме были связаны с более высоким уровнем респираторных симптомов среди исследуемой популяции. Это еще раз подтверждает, что НЕТ
2токсичность опасна для детей. [35]

Воздействие на окружающую среду

Взаимодействие NO 2 и других NO x с водой, кислородом и другими химическими веществами в атмосфере может привести к образованию кислотных дождей , которые наносят вред чувствительным экосистемам, таким как озера и леса. [36] Повышенный уровень NO
2также может нанести вред растительности, замедлить рост и снизить урожайность сельскохозяйственных культур. [37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Диоксид азота (CHEBI:33101)» . Химические соединения биологического интереса (ХЭБИ) . Великобритания: Европейский институт биоинформатики. 13 января 2008. Главная. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 4 октября 2011 г.
  2. ^ abcd Хейнс, 4,79.
  3. ^ Мендиара, С.Н.; Сагедал, А.; Периссинотти, ЖЖ (2001). «Исследование электронным парамагнитным резонансом диоксида азота, растворенного в воде, четыреххлористого углерода и некоторых органических соединений». Прикладной магнитный резонанс . 20 (1–2): 275–287. дои : 10.1007/BF03162326. S2CID  97875925.
  4. ^ Хейнс, 4.134.
  5. ^ Хейнс, 5.16.
  6. ^ abcde Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «Диоксид азота». Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH).
  7. ^ ab «Диоксид азота». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH).
  8. ^ ab Всеобщее достояние Эта статья включает в себя общедоступные материалы о диоксиде азота. Агентство по охране окружающей среды США. 23 февраля 2016 г.
  9. ^ «Концентрации, непосредственно опасные для жизни и здоровья (IDLH): диоксид азота» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH). Май 1994 года . Проверено 20 октября 2023 г.
  10. ^ аб Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 455-7. ISBN 978-0-08-037941-8.
  11. ^ abc Холлеман, AF; Виберг, Э. (2001) Неорганическая химия . Академическая пресса: Сан-Диего. ISBN 0-12-352651-5 . 
  12. ^ Тиманн, Майкл; Шайблер, Эрих; Виганд, Карл Вильгельм (2005). «Азотная кислота, азотистая кислота и оксиды азота». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a17_293. ISBN 978-3-527-30673-2.
  13. ^ Финлейсон-Питтс, Би Джей; Винген, Л.М.; Самнер, Алабама; Сёмин Д.; Рамазан, Калифорния (16 декабря 2002 г.). «Гетерогенный гидролиз NO2 в лабораторных системах, а также в атмосфере на открытом воздухе и в помещении: интегрированный механизм» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . 5 (2): 223–242. дои : 10.1039/B208564J.
  14. ^ Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха – второе издание. Глава 7.1 Диоксид азота.
  15. ^ Подкомитет по рекомендуемым уровням аварийного и постоянного воздействия некоторых подводных загрязнителей; Комитет по токсикологии; Совет по экологическим исследованиям и токсикологии; Отдел исследований Земли и жизни; Национальный исследовательский совет. Глава 12: Рекомендуемые уровни диоксида азота при аварийном и постоянном воздействии отдельных подводных загрязнителей. Издательство национальных академий, 2007. ISBN 978-0-309-09225-8. 
  16. ^ «Обзор механизма, июнь 2012 г.» (PDF) . noxilizer.com . Noxilizer, Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 12 апреля 2016 года . Проверено 2 июля 2013 г.
  17. ↑ Коттон, Саймон (21 марта 2013 г.) Диоксид азота. РСК Мир химии .
  18. ^ «Рекомендации по качеству воздуха – глобальное обновление, 2005 г.» . ВОЗ . Архивировано из оригинала 9 марта 2014 года . Проверено 19 октября 2016 г.
  19. ^ Министерство здравоохранения и социальных служб США, Служба общественного здравоохранения, Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний, Отдел токсикологии. Апрель 2002 г. ATSDR Закиси азота.
  20. ^ «Влияние невентилируемых газовых отопительных приборов на уровень двуокиси азота внутри «ПЛОТНЫХ» домов» (PDF) . ahrinet.org . 21 марта 2013 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 августа 2020 г. Проверено 25 сентября 2018 г.
  21. ^ Чан-Юнг, М.; Эшли, MJ; Гжибовский, С. (1978). «Зерновая пыль и легкие». Журнал Канадской медицинской ассоциации . 118 (10): 1271–4. ПМК 1818652 . ПМИД  348288. 
  22. ^ Герни, JW; Унгер, Дж. М.; Дорби, Калифорния; Митби, Дж. К.; фон Эссен, С.Г. (1991). «Сельскохозяйственные заболевания легких». Рентгенография . 11 (4): 625–34. doi : 10.1148/radiographics.11.4.1887117 . ПМИД  1887117.
  23. ^ AB Агентство по охране окружающей среды США. Комплексная научная оценка оксидов азота – критерии здоровья (заключительный отчет 2016 г.). Агентство по охране окружающей среды США, Вашингтон, округ Колумбия, EPA/600/R-15/068, 2016 г. Уведомление Федерального реестра от 28 января 2016 г. Бесплатная загрузка доступна на странице отчета на веб-сайте Агентства по охране окружающей среды.
  24. ↑ Toxnet Диоксид азота: страница воздействия на здоровье человека, по состоянию на 28 марта 2016 г.
  25. ^ Международные карты химической безопасности CDC NIOSH (ICSC): Диоксид азота. Последняя проверка страницы: 22 июля 2015 г.; Последнее обновление страницы: 1 июля 2014 г.
  26. ^ Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний через «Руководство CDC по медицинскому управлению оксидами азота». Последняя проверка страницы: 21 октября 2014 г.; Последнее обновление страницы: 21 октября 2014 г.
  27. ↑ Больница Университета Канзаса, Центр контроля отравлений. Факты о яде: средние химические вещества: диоксид азота. Архивировано 11 апреля 2016 г. на странице Wayback Machine , по состоянию на 28 марта 2016 г.
  28. ^ «40 CFR: Приложение A к Части 355 — Список чрезвычайно опасных веществ и их пороговых плановых количеств» (PDF) (изд. от 1 июля 2008 г.). Государственная типография . Архивировано из оригинала (PDF) 25 февраля 2012 года . Проверено 29 октября 2011 г.
  29. ^ Инт Панис, Л (2017). «Кратковременное воздействие загрязнения воздуха ухудшает функцию легких: исследование с повторными измерениями на здоровых взрослых». Состояние окружающей среды . 16 (1): 60. дои : 10.1186/s12940-017-0271-z . ПМЦ 5471732 . ПМИД  28615020. 
  30. ^ abcd Генрих, Иоахим (1 января 2011 г.). «Влияние внутренних факторов жилых помещений на развитие астмы у детей». Международный журнал гигиены и гигиены окружающей среды . 214 (1): 1–25. дои : 10.1016/j.ijheh.2010.08.009. ПМИД  20851050.
  31. ^ Аб Гарретт, Мария Х.; Хупер, Мартин А.; Хупер, Беверли М.; Абрамсон, Майкл Дж. (1 сентября 1998 г.). «Респираторные симптомы у детей и воздействие диоксида азота и газовых плит в помещении» (PDF) . Американский журнал респираторной медицины и медицины интенсивной терапии . 158 (3): 891–895. дои : 10.1164/ajrccm.158.3.9701084. ПМИД  9731022.
  32. ^ "Таблицы исторической переписи жилищного фонда - Топливо для отопления домов" . www.census.gov . Проверено 19 октября 2016 г.
  33. ^ Всеобщее достояние  Эта статья включает в себя общедоступные материалы из базовой информации о диоксиде азота. Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 23 февраля 2016 г.
  34. ^ Чепмен, Роберт С.; Хадден, Уилбур К.; Перлин, Сьюзен А. (15 июля 2003 г.). «Влияние астмы и бытовой среды на функцию легких у детей и подростков: третье национальное обследование здоровья и питания». Американский журнал эпидемиологии . 158 (2): 175–189. дои : 10.1093/aje/kwg129 . ПМИД  12851231.
  35. ^ Гензель, Надя Н.; Брейсс, Патрик Н.; МакКормак, Мередит К.; Мацуи, Элизабет К.; Куртин-Броснан, Жан; Уильямс, Д'Энн Л.; Мур, Дженнифер Л.; Куран, Дженнифер Л.; Дитт, Грегори Б. (19 октября 2016 г.). «Продольное исследование уровней диоксида азота в помещении и респираторных симптомов у городских детей с астмой». Перспективы гигиены окружающей среды . 116 (10): 1428–1432. дои : 10.1289/ehp.11349. ПМК 2569107 . ПМИД  18941590. 
  36. ^ Агентство по охране окружающей среды США, OAR (6 июля 2016 г.). «Основная информация о NO2». Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 3 июля 2020 г.
  37. ^ «Окислы азота». Правительство Квинсленда . Проверено 3 июля 2020 г.

Цитированные источники

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме диоксида азота .