stringtranslate.com

Диоксид азота

Диоксид азота — это химическое соединение с формулой NO2 . Один из нескольких оксидов азота , диоксид азота — красновато-коричневый газ. Это парамагнитная изогнутая молекула с точечной группой симметрии C2v . В промышленности NO2 является промежуточным продуктом в синтезе азотной кислоты , миллионы тонн которой производятся каждый год, в основном для производства удобрений .

Диоксид азота ядовит и может быть смертельным при вдыхании в больших количествах. [8] Приготовление пищи на газовой плите приводит к образованию диоксида азота, который ухудшает качество воздуха в помещении . Сжигание газа может привести к повышению концентрации диоксида азота во всей домашней среде, что связано с респираторными проблемами и заболеваниями . [9] [10] LC 50 ( средняя летальная доза ) для человека оценивается в 174 ppm при воздействии в течение 1 часа. [11] Он также включен в семейство загрязнителей атмосферы NO x .

Характеристики

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

Длина связи между атомом азота и атомом кислорода составляет 119,7  пм . Эта длина связи соответствует порядку связи от одного до двух.

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 для 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 на весь видимый (на более коротких длинах волн) и в инфракрасный (на более длинных волнах). Поглощение света на длинах волн короче примерно 400 нм приводит к фотолизу (с образованием NO + O , атомарного кислорода); в атмосфере присоединение таким образом образованного атома кислорода к O 2 приводит к образованию озона.

Подготовка

В промышленности диоксид азота производится и транспортируется в виде его криогенного жидкого димера, тетраоксида диазота . Он производится в промышленности путем окисления аммиака, процесс Оствальда . Эта реакция является первым шагом в производстве азотной кислоты: [13]

4NH3 + 7O2 → 4NO2 + 6H2O​​

Его также можно получить путем окисления нитрозилхлорида :

2NOCl + O2 → 2NO2 + Cl2

Вместо этого большинство лабораторных синтезов стабилизируют и затем нагревают азотную кислоту для ускорения разложения. Например, термическое разложение некоторых нитратов металлов генерирует NO 2 : [14]

Pb( NO3 ) 2 → PbO + 2NO2 + 1 ⁄ 2O2 

Альтернативно, дегидратация азотной кислоты приводит к образованию нитрата нитрония ...

2HNO3 → N2O5 + H2O​​​​
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

Образующийся таким образом диоксид азота придает характерный желтый цвет, часто проявляемый этой кислотой. Однако реакция слишком медленная, чтобы быть практическим источником NO 2 .

Тепловые свойства

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

2 НЕТ 2 ⇌ Н 2 О 4

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

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

2 НЕТ 2 →2 НЕТ +   О 2

В качестве окислителя

Как следует из слабости связи N–O, NO 2 является хорошим окислителем. Следовательно, он будет гореть, иногда взрывообразно, в присутствии углеводородов . [16]

Гидролиз

NO2 реагирует с водой, образуя азотную кислоту и азотистую кислоту :

2 NO 2 + H 2 O → HNO 3 + HNO 2

Эта реакция является одним из этапов процесса Оствальда для промышленного производства азотной кислоты из аммиака. [13] Эта реакция ничтожно медленная при низких концентрациях NO 2 , характерных для окружающей атмосферы, хотя она происходит при поглощении NO 2 поверхностями. Считается, что такая поверхностная реакция производит газообразную HNO 2 (часто записываемую как HONO ) в наружной и внутренней среде. [17]

Конверсия в нитраты

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

МО + 3 НО 2 → М(НО 3 ) 2 + НО

Алкил- и металлиодиды дают соответствующие нитраты: [12]

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

С органическими соединениями

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

Использует

NO 2 используется как промежуточное вещество в производстве азотной кислоты , как нитрующий агент в производстве химических взрывчатых веществ , как ингибитор полимеризации акрилатов , как отбеливатель муки , [21] : 223  и как стерилизующий агент при комнатной температуре. [22] Он также используется как окислитель в ракетном топливе , например, в красной дымящейся азотной кислоте ; он использовался в ракетах Titan , для запуска Project Gemini , в маневровых двигателях Space Shuttle и в беспилотных космических зондах, отправленных на различные планеты. [23]

Присутствие в окружающей среде

Плотность тропосферного столба диоксида азота в 2011 году.

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

2 НЕТ + О2 → 2 НЕТ2

NO 2 попадает в окружающую среду естественным путем, включая проникновение из стратосферы , бактериальное дыхание, вулканы и молнии. Эти источники делают NO 2 следовым газом в атмосфере Земли , где он играет роль в поглощении солнечного света и регулировании химии тропосферы , особенно в определении концентрации озона . [24]

Антропогенные источники

Трубка диффузии диоксида азота для контроля качества воздуха в лондонском Сити .

Диоксид азота также образуется в большинстве процессов горения . При повышенных температурах азот соединяется с кислородом , образуя диоксид азота:

N2 + 2O2 → 2NO2​

Для широкой общественности наиболее важными источниками NO2 являются двигатели внутреннего сгорания , поскольку температуры сгорания достаточно высоки для термического соединения части азота и кислорода в воздухе с образованием NO2 . [ 8 ]

На открытом воздухе NO 2 может быть результатом движения автотранспорта. [25] В помещении воздействие происходит из-за сигаретного дыма, [26] а также бутановых и керосиновых обогревателей и печей. [27] Уровни воздействия NO 2 в помещениях в среднем по крайней мере в три раза выше в домах с газовыми плитами по сравнению с электрическими плитами. [28] [29]

«Лисий хвост» над Нижнетагильским металлургическим комбинатом

Работники отраслей, где используется NO 2, также подвергаются воздействию и риску профессиональных заболеваний легких , и NIOSH установил пределы воздействия и стандарты безопасности. [6] Работники в зонах высокого напряжения, особенно те, где происходит образование искр или плазмы, подвергаются риску. [ необходима ссылка ] Работники сельского хозяйства могут подвергаться воздействию NO 2, образующегося при разложении зерна в силосах; хроническое воздействие может привести к повреждению легких в состоянии, называемом « болезнь наполнителя силоса ». [30] [31]

Токсичность

NO 2 диффундирует в эпителиальную выстилающую жидкость (ELF) респираторного эпителия и растворяется. Там он химически реагирует с антиоксидантными и липидными молекулами в ELF. Влияние NO 2 на здоровье обусловлено продуктами реакции или их метаболитами, которые являются активными формами азота и активными формами кислорода , которые могут вызывать бронхоконстрикцию , воспаление, снижение иммунного ответа и могут оказывать воздействие на сердце. [32]

Острое воздействие

Острый вред от воздействия NO 2 случается редко. 100–200 ppm могут вызвать легкое раздражение носа и горла, 250–500 ppm могут вызвать отек , что приводит к бронхиту или пневмонии , а уровни выше 1000 ppm могут вызвать смерть из-за удушья жидкостью в легких. Часто во время воздействия нет никаких симптомов, кроме преходящего кашля, усталости или тошноты, но в течение нескольких часов воспаление в легких вызывает отек. [33] [34]

При попадании на кожу или в глаза пораженный участок промывают физиологическим раствором. При ингаляции вводят кислород, могут быть назначены бронходилататоры , а при наличии признаков метгемоглобинемии — состояния, которое возникает, когда соединения на основе азота влияют на гемоглобин в эритроцитах — может быть назначен метиленовый синий . [35] [36]

В Соединенных Штатах он классифицируется как чрезвычайно опасное вещество , как определено в разделе 302 Закона США о планировании действий в чрезвычайных ситуациях и праве общества на информацию (42 USC 11002), и на него распространяются строгие требования по отчетности со стороны предприятий, которые производят, хранят или используют его в значительных количествах. [37]

Долгосрочный

Возможные пути, связанные с долгосрочным воздействием диоксида азота. Пунктирные линии указывают на результаты, подтвержденные только исследованиями на животных , в то время как сплошные линии указывают на результаты контролируемых исследований воздействия на человека . Пунктирные линии указывают на предполагаемые связи с обострением астмы и инфекциями дыхательных путей. ELF = жидкость эпителиальной выстилки . [32] : 4–62 

Воздействие низких уровней NO 2 с течением времени может вызвать изменения в работе легких. [38] Приготовление пищи на газовой плите связано с ухудшением качества воздуха в помещении . Сжигание газа может привести к повышению концентрации диоксида азота во всей домашней среде, что связано с респираторными проблемами и заболеваниями . [9] [10] Дети, подвергающиеся воздействию NO 2 , с большей вероятностью 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] Повышенные уровни NO
2также может нанести вред растительности, замедлив ее рост и снизив урожайность. [41]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "диоксид азота (CHEBI:33101)". Химические сущности биологического интереса (ChEBI) . Великобритания: Европейский институт биоинформатики. 13 января 2008 г. Основная. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 4 октября 2011 г.
  2. ^ abcd Хейнс, 4.79.
  3. ^ Mendiara, SN; Sagedahl, A.; Perissinotti, LJ (2001). «Исследование методом электронного парамагнитного резонанса диоксида азота, растворенного в воде, четыреххлористого углерода и некоторых органических соединений». Applied Magnetic Resonance . 20 (1–2): 275–287. doi :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". Концентрации, представляющие непосредственную опасность для жизни или здоровья (IDLH) . Национальный институт охраны труда (NIOSH).
  8. ^ ab Общественное достояние В этой статье использованы материалы, находящиеся в открытом доступе, из статьи «Диоксид азота». Агентство по охране окружающей среды США. 23 февраля 2016 г.
  9. ^ ab "Очищение воздуха: газовое приготовление пищи и загрязнение в европейских домах". CLASP . 8 ноября 2023 г. Получено 2024-05-05 .
  10. ^ ab Seals, Brady; Krasner, Andee. «Газовые плиты: влияние на здоровье и качество воздуха и решения». RMI . Получено 2024-05-05 .
  11. ^ "Концентрации, представляющие непосредственную опасность для жизни или здоровья (IDLH): диоксид азота". Национальный институт охраны труда (NIOSH). Май 1994 г. Получено 20 октября 2023 г.
  12. ^ ab Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 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 . стр. 456. ISBN 978-0-08-037941-8.
  15. ^ abc Холлеман, А. Ф.; Виберг, Э. (2001) Неорганическая химия . Academic Press: Сан-Диего. ISBN 0-12-352651-5 . 
  16. ^ физическая химия
  17. ^ Финлейсон-Питтс, Б. Дж.; Винген, Л. М.; Самнер, А. Л.; Сёмин, Д.; Рамазан, КА (16 декабря 2002 г.). «Гетерогенный гидролиз NO2 в лабораторных системах и в атмосфере на открытом воздухе и в помещениях: интегрированный механизм» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . 5 (2): 223–242. doi :10.1039/B208564J.
  18. ^ Рибсомер, Дж. Л. (1945). «Реакции тетраоксида азота с органическими соединениями». Chemical Reviews . 36 (2): 157–233. doi :10.1021/cr60114a002.
  19. ^ Эмиль Уайт (1967). «Дезаминирование аминов. 2-фенилэтилбензоат посредством разложения нитрозоамида». Органические синтезы . 47 : 44. doi :10.15227/orgsyn.047.0044.
  20. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, стр. 687, ISBN 978-0-471-72091-1
  21. ^ Подкомитет по аварийным и постоянным уровням воздействия для отдельных загрязняющих веществ на подводных лодках; Комитет по токсикологии; Совет по экологическим исследованиям и токсикологии; Отдел исследований Земли и жизни; Национальный исследовательский совет. Глава 12: Диоксид азота в аварийных и постоянных уровнях воздействия для отдельных загрязняющих веществ на подводных лодках. National Academies 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 г. Получено 2 июля 2013 г.
  23. ^ Коттон, Саймон (21 марта 2013 г.) Диоксид азота. RSC Chemistry World .
  24. ^ Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха – Второе издание. Глава 7.1 Диоксид азота.
  25. ^ "Air quality guidelines – global update 2005". ВОЗ . Архивировано из оригинала 9 марта 2014 года . Получено 2016-10-19 .
  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 диоксида азота в помещениях «ТЕСКИХ» домов» (PDF) . ahrinet.org . 2013-03-21. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-08-05 . Получено 2018-09-25 .
  28. ^ Гарретт, Мария Х.; Хупер, Мартин А.; Хупер, Беверли М.; Абрамсон, Майкл Дж. (1998-09-01). «Респираторные симптомы у детей и воздействие диоксида азота и газовых плит в помещениях» (PDF) . Американский журнал респираторной и интенсивной медицины . 158 (3): 891–895. doi :10.1164/ajrccm.158.3.9701084. PMID  9731022.
  29. ^ Общественное достояние  В этой статье использованы материалы из общедоступного источника : Nitrogen Dioxide Basic Information. Агентство по охране окружающей среды США . Получено 23 февраля 2016 г.
  30. ^ Чан-Йенг, М.; Эшли, М.Дж.; Гржибовски, С. (1978). «Зерновая пыль и легкие». Журнал Канадской медицинской ассоциации . 118 (10): 1271–4. PMC 1818652. PMID  348288 . 
  31. ^ Gurney, JW; Unger, JM; Dorby, CA; Mitby, JK; von Essen, SG (1991). «Сельскохозяйственные заболевания легких». Radiographics . 11 (4): 625–34. doi : 10.1148/radiographics.11.4.1887117 . PMID  1887117.
  32. ^ ab US EPA. Комплексная научная оценка оксидов азота — критерии здоровья (окончательный отчет за 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 «Влияние на здоровье человека», доступ 28 марта 2016 г.
  34. ^ Международные карты химической безопасности CDC NIOSH (ICSC): Диоксид азота Страница последний раз просмотрена: 22 июля 2015 г.; Страница последний раз обновлена: 1 июля 2014 г.
  35. ^ Агентство по токсичным веществам и реестру заболеваний через CDC Медицинские рекомендации по оксидам азота Страница последний раз пересмотрена: 21 октября 2014 г.; Страница последний раз обновлена: 21 октября 2014 г.
  36. ^ Больница Университета Канзаса, Центр контроля отравлений Факты о ядах: Средние химикаты: Двуокись азота Архивировано 11 апреля 2016 г. на странице Wayback Machine , доступ открыт 28 марта 2016 г.
  37. ^ "40 CFR: Приложение A к Части 355 — Список чрезвычайно опасных веществ и их пороговые плановые количества" (PDF) (ред. от 1 июля 2008 г.). Правительственная типография . Архивировано из оригинала (PDF) 25 февраля 2012 г. Получено 29 октября 2011 г.
  38. ^ Int Panis, L (2017). «Кратковременное воздействие загрязнения воздуха снижает функцию легких: исследование с повторными измерениями у здоровых взрослых». Environmental Health . 16 (1): 60. Bibcode :2017EnvHe..16...60I. doi : 10.1186/s12940-017-0271-z . PMC 5471732 . PMID  28615020. 
  39. ^ Ван, Вэйи; Гулливер, Джон; Биверс, Шон; Френи Стеррантино, Анна; Дэвис, Бетан; Аткинсон, Ричард У.; Фехт, Даниэла (2024). «Краткосрочное воздействие диоксида азота и экстренная госпитализация при астме у детей: перекрестный анализ случаев в Англии». Журнал астмы и аллергии . 17 : 349–359. doi : 10.2147/JAA.S448600 . ISSN  1178-6965. PMC 11016460. PMID 38623450  . 
  40. ^ US EPA, OAR (2016-07-06). "Основная информация о NO2". US EPA . Получено 2020-07-03 .
  41. ^ "Оксиды азота". Правительство Квинсленда . Получено 2020-07-03 .

Цитируемые источники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Диоксид азота» .