Цианистый водород (также известный как синильная кислота ) представляет собой химическое соединение с формулой HCN и структурной формулой H−C≡N . Это бесцветная, чрезвычайно ядовитая и легковоспламеняющаяся жидкость, температура кипения которой немного выше комнатной , при 25,6 °C (78,1 °F). HCN производится в промышленных масштабах и является ценным предшественником многих химических соединений, от полимеров до фармацевтических препаратов. Крупномасштабное применение - производство цианида калия и адипонитрила , используемых в горнодобывающей промышленности и производстве пластмасс соответственно. [10] Он более токсичен, чем твердые цианидные соединения, из-за своей летучей природы.
Цианистый водород представляет собой линейную молекулу с тройной связью между углеродом и азотом . Таутомер HCN — HNC, изоцианид водорода . [ нужна цитата ]
Цианистый водород слабокислотный с p K a 9,2 . Он частично ионизируется в воде с образованием цианид- аниона CN - . Раствор цианистого водорода в воде , представленный в виде HCN, называется синильной кислотой . Соли цианид-аниона известны как цианиды .
HCN имеет слабый запах , напоминающий горький миндаль , который некоторые люди не могут обнаружить из-за рецессивной генетической особенности . [11] Летучее соединение использовалось в качестве ингаляционного родентицида и человеческого яда, а также для убийства китов. [12] Ионы цианида мешают железосодержащим дыхательным ферментам. [ нужна цитата ]
Цианистый водород будет реагировать с алкенами при катализе комплексов никеля. Эта реакция называется гидроцианированием . [13]
Четыре молекулы HCN тетрамеризуются в диаминомалеонитрил , который можно превратить в различные пурины. [14]
Цианистый водород был впервые выделен из голубого пигмента ( берлинской лазури ), известного с 1706 года, но структура которого была неизвестна. Теперь известно, что это координационный полимер со сложной структурой и брутто-формулой гидратированного ферроцианида железа . В 1752 году французский химик Пьер Маккер сделал важный шаг, показав, что берлинскую лазурь можно превратить в оксид железа плюс летучий компонент и что их можно использовать для его восстановления. [15] Новым компонентом стал то, что сейчас известно как цианид водорода. Следуя примеру Макера, он был впервые получен из берлинской лазури шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле в 1782 году [16] и в конечном итоге получил немецкое название Blausäure ( букв . «Голубая кислота») из-за его кислой природы в воде и его происхождения. из берлинской лазури. На английском языке она стала широко известна как синильная кислота.
В 1787 году французский химик Клод Луи Бертолле показал, что синильная кислота не содержит кислорода, [17] что стало важным вкладом в теорию кислот, которая до сих пор постулировала, что кислоты должны содержать кислород [18] (отсюда и название самого кислорода , который происходит от греческих элементов, которые означают «образующий кислоту» и также переводятся на немецкий язык как Sauerstoff ). В 1811 году Жозеф Луи Гей-Люссак получил чистый сжиженный цианистый водород. [19] В 1815 году Гей-Люссак вывел химическую формулу синильной кислоты. [20] Радикальный цианид в цианистом водороде получил свое название от циана , не только английского слова, обозначающего оттенок синего, но и греческого слова, обозначающего синий ( древнегреческий : κύανος ), опять же из-за его происхождения от берлинской синей.
Цианистый водород образуется, по крайней мере, в ограниченных количествах из многих комбинаций водорода, углерода и аммиака . Цианид водорода производится в больших количествах с помощью нескольких процессов и представляет собой восстановленный отход производства акрилонитрила . [10] В 2006 году в США было произведено от 500 миллионов до 1 миллиарда фунтов (от 230 000 до 450 000 тонн). [21]
Наиболее важным процессом является окисление Андруссова , изобретенное Леонидом Андруссовым из IG Farben , в котором метан и аммиак реагируют в присутствии кислорода при температуре около 1200 ° C (2190 ° F) над платиновым катализатором: [22]
Энергия, необходимая для реакции, обеспечивается частичным окислением метана и аммиака.
Меньшее значение имеет процесс Дегусса ( процесс БМА ), в котором кислород не добавляется и энергия должна передаваться косвенно через стенку реактора: [23]
Эта реакция подобна паровой конверсии , реакции метана и воды с образованием оксида углерода и водорода .
В процессе Шавинигана углеводороды , например пропан , вступают в реакцию с аммиаком.
В лаборатории небольшие количества HCN получают добавлением кислот к цианистым солям щелочных металлов :
Эта реакция иногда является причиной случайных отравлений, поскольку кислота превращает нелетучую цианидную соль в газообразный HCN.
Цианистый водород можно получить из феррицианида калия и кислоты:
Большой спрос на цианиды для горнодобывающих предприятий в 1890-х годах был удовлетворен Джорджем Томасом Бейлби , который в 1892 году запатентовал метод получения цианистого водорода путем пропускания аммиака над раскаленным углем . Этот метод использовался до тех пор, пока Гамильтон Кастнер в 1894 году не разработал синтез, исходя из угля. , аммиак и натрий с образованием цианида натрия , который реагирует с кислотой с образованием газообразного HCN.
HCN является предшественником цианида натрия и цианида калия , которые используются в основном при добыче золота и серебра , а также для гальваники этих металлов. С помощью циангидринов из HCN получают множество полезных органических соединений, включая мономер метилметакрилат , из ацетона , аминокислоту метионин , посредством синтеза Штрекера , а также хелатирующие агенты ЭДТА и NTA . В процессе гидроцианирования HCN добавляется к бутадиену с образованием адипонитрила , предшественника нейлона-6,6 . [10]
HCN используется во всем мире в качестве фумиганта против многих видов насекомых-вредителей, поражающих предприятия по производству пищевых продуктов. Как его эффективность, так и метод применения приводят к использованию очень небольших количеств фумиганта по сравнению с другими токсичными веществами, используемыми с той же целью. [26] Использование HCN в качестве фумиганта также оказывает минимальное воздействие на окружающую среду по сравнению с молекулами фумиганта аналогичной структуры , такими как сульфурилфторид [27] и бромистый метил . [28]
HCN можно получить из фруктов с косточкой , таких как вишня , абрикосы , яблоки и горький миндаль , из которых изготавливают миндальное масло и ароматизаторы. Многие из этих ямок содержат небольшое количество циангидринов , таких как манделонитрил и амигдалин , которые медленно выделяют цианид водорода. [29] [30] В ста граммах измельченных семян яблок можно получить около 70 мг HCN. [31] Так называемые «горькие» корни маниоки могут содержать до 1 грамма HCN на килограмм. [32] [33] Некоторые многоножки , такие как Harpaphe haydeniana , Desmoxytes purpurosea и Apheloria , выделяют цианистый водород в качестве защитного механизма, [34] как и некоторые насекомые, такие как кровохлебка и личинки Paropsisterna eucalyptus . [35] Цианистый водород содержится в выхлопах автомобилей, а также в дыме от сжигания азотсодержащих пластмасс .
HCN был измерен в атмосфере Титана четырьмя приборами на космическом зонде Кассини , одним прибором на Вояджере и одним прибором на Земле. [36] Одно из этих измерений было проведено на месте , когда космический корабль Кассини опустился на высоту от 1000 до 1100 км (620 и 680 миль) над поверхностью Титана, чтобы собрать атмосферный газ для масс-спектрометрического анализа. [37] HCN первоначально образуется в атмосфере Титана в результате реакции фотохимически полученных радикалов метана и азота, которые протекают через промежуточный продукт H 2 CN, например, (CH 3 + N → H 2 CN + H → HCN + H 2 ). [38] [39] Ультрафиолетовое излучение расщепляет HCN на CN + H; однако CN эффективно перерабатывается обратно в HCN посредством реакции CN + CH 4 → HCN + CH 3 . [38]
Было высказано предположение, что углерод из каскада астероидов (известный как Поздняя тяжелая бомбардировка ), возникший в результате взаимодействия Юпитера и Сатурна, взорвал поверхность молодой Земли и вступил в реакцию с азотом в атмосфере Земли с образованием HCN. [40]
Некоторые авторы [ кто? ] показали, что нейроны могут производить цианистый водород при активации их опиоидных рецепторов эндогенными или экзогенными опиоидами. Они также показали, что производство HCN в нейронах активирует рецепторы NMDA и играет роль в передаче сигналов между нейрональными клетками ( нейротрансмиссия ). Более того, увеличение продукции эндогенного нейронального HCN под действием опиоидов, по-видимому, было необходимо для адекватной опиоидной анальгезии , поскольку анальгезирующее действие опиоидов ослаблялось поглотителями HCN. Они считали эндогенный HCN нейромодулятором . [41]
Также было показано, что, хотя стимуляция мускариновых холинергических рецепторов в культивируемых клетках феохромоцитомы увеличивает выработку HCN, в живом организме ( in vivo ) мускариновая холинергическая стимуляция фактически снижает выработку HCN. [42]
Лейкоциты генерируют HCN во время фагоцитоза и могут убивать бактерии , грибы и другие патогены, вырабатывая несколько различных токсичных химических веществ, одним из которых является цианистый водород. [41]
Показано, что вазодилатация , вызванная нитропруссидом натрия , опосредована не только генерацией NO, но и генерацией эндогенных цианидов, что добавляет не только токсичности, но и некоторую дополнительную антигипертензивную эффективность по сравнению с нитроглицерином и другими нецианогенными нитратами, которые не вызывают уровень цианида в крови повышается. [43]
HCN является компонентом табачного дыма . [44]
Цианид водорода обсуждался как предшественник аминокислот и нуклеиновых кислот и, как предполагается, сыграл роль в возникновении жизни . [45] Хотя связь этих химических реакций с теорией происхождения жизни остается спекулятивной, исследования в этой области привели к открытию новых путей получения органических соединений, полученных в результате конденсации HCN (например, аденина ). [46]
HCN был обнаружен в межзвездной среде [47] и в атмосферах углеродных звезд . [48] С тех пор обширные исследования изучали пути образования и разрушения HCN в различных средах и изучали его использование в качестве индикатора для различных астрономических видов и процессов. HCN можно наблюдать в наземные телескопы через ряд атмосферных окон. [49] Все чисто вращательные переходы J=1→0, J=3→2, J= 4→3 и J=10→9 наблюдались. [47] [50] [51]
HCN образуется в межзвездных облаках по одному из двух основных путей: [52] посредством нейтрально-нейтральной реакции (CH 2 + N → HCN + H) и посредством диссоциативной рекомбинации (HCNH + + e − → HCN + H). Путь диссоциативной рекомбинации доминирует на 30%; однако HCNH + должен находиться в линейной форме. Диссоциативная рекомбинация с его структурным изомером H 2 NC + дает исключительно изоцианид водорода (HNC).
HCN разрушается в межзвездных облаках с помощью ряда механизмов в зависимости от местоположения в облаке. [52] В областях с доминированием фотонов (PDR) доминирует фотодиссоциация, образуя CN (HCN + ν → CN + H). На более глубоких глубинах доминирует фотодиссоциация космическими лучами с образованием CN (HCN + cr → CN + H). В темном ядре его разрушают два конкурирующих механизма, образуя HCN + и HCNH + (HCN+H + → HCN ++ H; HCN+HCO + → HCNH ++ CO). Реакция с HCO + доминирует в ~3,5 раза. HCN использовался для анализа множества видов и процессов в межзвездной среде. Он был предложен в качестве индикатора плотного молекулярного газа [53] [54] и как индикатор звездного притока в области звездообразования с большой массой. [55] Кроме того, было показано, что соотношение HNC/HCN является отличным методом различения PDR и областей с преобладанием рентгеновских лучей (XDR). [56]
11 августа 2014 года астрономы впервые опубликовали исследования с использованием Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA) , в которых подробно описано распределение HCN, HNC , H 2 CO и пыли внутри ком комет C /2012 F6 ( Леммон) и C/2012 S1 (ISON) . [57] [58]
В феврале 2016 года с помощью космического телескопа НАСА « Хаббл » было объявлено, что в атмосфере горячей Суперземли 55 Cancri e были обнаружены следы цианистого водорода . [59]
14 декабря 2023 года астрономы сообщили о первом открытии в шлейфах Энцелада , спутника планеты Сатурн , цианистого водорода, возможного химического вещества, необходимого для жизни [60] , как мы его знаем, а также других органических молекул , некоторых из которых еще предстоит лучше идентифицировать и понять. По мнению исследователей, «эти [недавно открытые] соединения потенциально могут поддерживать существующие микробные сообщества или стимулировать сложный органический синтез , ведущий к возникновению жизни ». [61] [62]
Во время Первой мировой войны цианистый водород использовался французами с 1916 года в качестве химического оружия против центральных держав , а также Соединенными Штатами и Италией в 1918 году. Из-за погодных условий он не оказался достаточно эффективным. [63] [64] Газ легче воздуха и быстро рассеивается в атмосфере. Быстрое разбавление сделало его использование в полевых условиях непрактичным. Напротив, более плотные агенты, такие как фосген или хлор, имели тенденцию оставаться на уровне земли и погружаться в траншеи на полях сражений Западного фронта. По сравнению с такими агентами, цианистый водород должен был присутствовать в более высоких концентрациях, чтобы быть смертельным.
Концентрация цианида водорода 100–200 частей на миллион в воздухе для дыхания убивает человека в течение 10–60 минут. [65] Концентрация цианида водорода 2000 частей на миллион (около 2380 мг/м 3 ) убьет человека примерно за одну минуту. [65] Токсический эффект обусловлен действием цианид-иона, который останавливает клеточное дыхание . Он действует как неконкурентный ингибитор фермента в митохондриях, называемого цитохром-с-оксидазой . Таким образом, цианистый водород обычно причисляется к химическому оружию как агент крови . [66]
Конвенция о химическом оружии вносит его в Список 3 как потенциальное оружие, имеющее широкомасштабное промышленное применение. Страны, подписавшие соглашение, должны задекларировать заводы-производители, производящие более 30 метрических тонн в год, и разрешить проверку со стороны Организации по запрещению химического оружия .
Возможно, самым печально известным его применением является Циклон Б (по-немецки Cyclone B , где B означает Blausäure – синильная кислота; также, чтобы отличить его от более раннего продукта, позже известного как Циклон А), [67] использовавшегося в нацистских немецких лагерях смерти во время Вторая мировая война с целью массового убийства евреев и других преследуемых меньшинств в рамках программы геноцида «Окончательное решение» . Цианистый водород также использовался в лагерях для дезинсекции одежды в попытках искоренить болезни, переносимые вшами и другими паразитами. Один из первых чешских производителей продолжал производить Циклон Б под торговой маркой «Ураган Д2» [68] примерно до 2015 года. [69]
Во время Второй мировой войны США рассматривали возможность использования его вместе с хлористым цианом в рамках операции «Падение» , запланированного вторжения в Японию, но президент Гарри Трумэн отказался от этого, используя вместо этого атомные бомбы, разработанные в рамках секретного Манхэттенского проекта . [70]
Цианистый водород также использовался при судебной казни в некоторых штатах США , где он получался во время казни действием серной кислоты на цианид натрия или калия . [71]
Под названием синильная кислота HCN использовался в качестве поражающего агента в китобойных гарпунах, хотя он оказался весьма опасным для экипажа, использовавшего его, и от него быстро отказались. [12] С середины 18 века его использовали при ряде убийств с отравлением и самоубийств. [72]
Цианистый водород в воздухе взрывоопасен при концентрации выше 5,6%. [73]
{{cite journal}}
: CS1 maint: bibcode ( ссылка )