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, главным образом для производства удобрений .

Диоксид азота ядовит и может быть смертельным при вдыхании в больших количествах. [8] При приготовлении пищи на газовой плите образуется диоксид азота, что ухудшает качество воздуха в помещении . Сгорание газа может привести к увеличению концентрации диоксида азота в домашней среде, что связано с респираторными проблемами и заболеваниями . [9] [10] По оценкам, LC 50 ( средняя смертельная доза ) для человека составляет 174 ppm при 1-часовом воздействии. [11] 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 , поскольку азот имеет один неспаренный электрон, [12] 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

В промышленности диоксид азота производится и транспортируется в виде его криогенного жидкого димера — тетроксида динитрогена . Его производят в промышленных масштабах путем окисления аммиака, процесса Оствальда . Эта реакция является первым шагом в производстве азотной кислоты: [13]

4 NH 3 + 7 O 2 → 4 NO 2 + 6 H 2 O

Его также можно получить окислением нитрозилхлорида :

2 NOCl + O 2 → 2NO 2 + Cl 2

Вместо этого большинство лабораторных синтезов стабилизируют, а затем нагревают азотную кислоту, чтобы ускорить разложение. Например, при термическом разложении нитратов некоторых металлов образуется NO 2 : [14]

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

Альтернативно, дегидратация азотной кислоты дает нитрат нитрония ...

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 

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

Избранные реакции

Азотная кислота медленно разлагается до диоксида азота по общей реакции:

4 HNO 3 → 4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2

Образовавшийся таким образом диоксид азота придает характерный желтый цвет, часто присущий этой кислоте. Однако реакция слишком медленная, чтобы служить практическим источником NO 2 .

Тепловые свойства

При низких температурах NO 2 обратимо превращается в бесцветный газ четырехокись азота ( N 2 O 4 ):

2 НЕТ 2 ⇌ Н 2 О 4

Экзотермическое равновесие имеет изменение энтальпии Δ H = -57,23 кДж/моль . [15]

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

2 НО 2 →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 . [16]

Гидролиз

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

2 NO 2 + H 2 O → HNO 3 + HNO 2

Эта реакция является одной из стадий процесса Оствальда промышленного производства азотной кислоты из аммиака. [13] 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. [17]

Превращение в нитраты

NO 2 используется для получения безводных нитратов металлов из оксидов: [15]

МО + 3 НО 2 → М(НО 3 ) 2 + НО

Алкилы и иодиды металлов дают соответствующие нитраты: [12]

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

С органическими соединениями

Реакционная способность диоксида азота по отношению к органическим соединениям известна давно. [18] Например, он реагирует с амидами с образованием N-нитрозопроизводных. [19] Используется для нитрования в безводных условиях. [20]

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 [21] : 223  и как агент для стерилизации при комнатной температуре . . [22] 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. [23]

Экологическое присутствие

Плотность столба тропосферы диоксида азота в 2011 году.

Диоксид азота обычно образуется в результате окисления оксида азота кислородом воздуха (например, в результате коронного разряда ): [15]

2 НО + О 2 → 2 НО 2

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 . [24]

Антропогенные источники

Диффузионная трубка диоксида азота для мониторинга качества воздуха в лондонском Сити .

Диоксид азота также образуется в большинстве процессов горения . При повышенных температурах азот соединяется с кислородом с образованием диоксида азота:

Н 2 + 2 О 2 → 2 НО 2

Для широкой публики 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. [25] В помещении источником воздействия является сигаретный дым, [26] а также бутановые и керосиновые обогреватели и печи. [27] Уровни воздействия NO 2 внутри помещений в среднем как минимум в три раза выше в домах с газовыми плитами по сравнению с электрическими плитами. [28] [29]

«Лисий хвост» над Нижнетагильским металлургическим комбинатом

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 ». [30] [31]

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. [32]

Острое воздействие

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. [33] [34]

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 . [35] [36]

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 к отчетности со стороны предприятий, которые производят, хранят или использовать его в значительных количествах. [37]

Долгосрочный

Возможные пути, связанные с долгосрочным воздействием диоксида азота. Пунктирные линии обозначают результаты, подтвержденные только исследованиями на животных , тогда как сплошные линии обозначают результаты контролируемых исследований воздействия на человека . Пунктирные линии указывают на предполагаемую связь с обострением астмы и инфекциями дыхательных путей. ELF = эпителиальная выстилающая жидкость . [32] : 4–62 

Воздействие низких уровней NO 2 с течением времени может вызвать изменения в функции легких. [38] Приготовление пищи на газовой плите связано с ухудшением качества воздуха в помещении . Сгорание газа может привести к увеличению концентрации диоксида азота в домашней среде, что связано с респираторными проблемами и заболеваниями . [9] [10] Дети, подвергшиеся воздействию NO 2, чаще попадают в больницу с астмой . [39]

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. [40] Повышенный уровень NO
2также может нанести вред растительности, замедлить рост и снизить урожайность сельскохозяйственных культур. [41]

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 охраны труда и здоровья (NIOSH).
  7. ^ ab «Диоксид азота». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (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. ^ ab «Очистка воздуха: приготовление пищи на газе и загрязнение в европейских домах». ЗАСТЕЖКА . 8 ноября 2023 г. Проверено 5 мая 2024 г.
  10. ^ ab Seals, Брэди; Краснер, Энди. «Газовые плиты: влияние и решения на здоровье и качество воздуха». РМИ . Проверено 5 мая 2024 г.
  11. ^ «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.
  12. ^ аб Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 455-7. ISBN 978-0-08-037941-8.
  13. ^ аб 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.
  14. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 456. ИСБН 978-0-08-037941-8.
  15. ^ abc Холлеман, AF; Виберг, Э. (2001) Неорганическая химия . Академическая пресса: Сан-Диего. ISBN 0-12-352651-5 . 
  16. ^ физическая химия
  17. ^ 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.
  18. ^ Рибсомер, JL (1945). «Реакции четырехокиси азота с органическими соединениями». Химические обзоры . 36 (2): 157–233. дои : 10.1021/cr60114a002.
  19. ^ Эмиль Уайт (1967). «Дезаминирование аминов. 2-фенилэтилбензоат путем разложения нитрозоамида». Органические синтезы . 47 : 44. дои : 10.15227/orgsyn.047.0044.
  20. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, стр. 687, ISBN 978-0-471-72091-1
  21. ^ 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. National Academy Press, 2007. ISBN 978-0-309-09225-8 . 
  22. ^ «Обзор механизма, июнь 2012 г.» (PDF) . noxilizer.com . Noxilizer, Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 12 апреля 2016 года . Проверено 2 июля 2013 г.
  23. ↑ Коттон, Саймон (21 марта 2013 г.) Диоксид азота. РСК Мир химии .
  24. ^ Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха – второе издание. Глава 7.1 Диоксид азота.
  25. ^ «Рекомендации по качеству воздуха – глобальное обновление, 2005 г.» . ВОЗ . Архивировано из оригинала 9 марта 2014 года . Проверено 19 октября 2016 г.
  26. ^ Министерство здравоохранения и социальных служб США, Служба общественного здравоохранения, Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний, Отдел токсикологии. Апрель 2002 г. ATSDR Закиси азота.
  27. ^ «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.
  28. ^ 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.
  29. ^ 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.
  30. ^ Чан-Юнг, М.; Эшли, MJ; Гжибовский, С. (1978). «Зерновая пыль и легкие». Журнал Канадской медицинской ассоциации . 118 (10): 1271–4. ПМК 1818652 . ПМИД  348288. 
  31. ^ 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.
  32. ^ 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 EPA.
  33. ↑ Toxnet Диоксид азота: страница воздействия на здоровье человека, по состоянию на 28 марта 2016 г.
  34. ^ Международные карты химической безопасности CDC NIOSH (ICSC): Диоксид азота. Последняя проверка страницы: 22 июля 2015 г.; Последнее обновление страницы: 1 июля 2014 г.
  35. ^ Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний через «Руководство CDC по медицинскому контролю оксидов азота». Последняя проверка страницы: 21 октября 2014 г.; Последнее обновление страницы: 21 октября 2014 г.
  36. ↑ 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.
  37. ^ «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.
  38. ^ Инт Панис, Л (2017). «Кратковременное воздействие загрязнения воздуха ухудшает функцию легких: исследование с повторными измерениями на здоровых взрослых». Состояние окружающей среды . 16 (1): 60. Бибкод : 2017EnvHe..16...60I. дои : 10.1186/s12940-017-0271-z . ПМЦ 5471732 . ПМИД  28615020. 
  39. ^ Ван, Вэйи; Гулливер, Джон; Биверс, Шон; Френи Стеррантино, Анна; Дэвис, Бетан; Аткинсон, Ричард В.; Фехт, Даниэла (2024). «Кратковременное воздействие диоксида азота и госпитализация неотложной помощи по поводу астмы у детей: перекрестный анализ случаев в Англии». Журнал астмы и аллергии . 17 : 349–359. дои : 10.2147/JAA.S448600 . ISSN  1178-6965. ПМК 11016460 . ПМИД  38623450. 
  40. ^ 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.
  41. ^ «Окислы азота». Правительство Квинсленда . Проверено 3 июля 2020 г.

Цитированные источники

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме диоксида азота .