Цианистый водород (ранее известный как синильная кислота ) — это химическое соединение с формулой HCN и структурной формулой H−C≡N . Это высокотоксичная и легковоспламеняющаяся жидкость , которая кипит при температуре немного выше комнатной , при 25,6 °C (78,1 °F). HCN производится в промышленных масштабах и является высокоценным прекурсором многих химических соединений, от полимеров до фармацевтических препаратов. Широкомасштабное применение — производство цианида калия и адипонитрила , используемых в горнодобывающей промышленности и производстве пластмасс соответственно. [10] Он более токсичен, чем твердые цианистые соединения, из-за своей летучести . Раствор цианистого водорода в воде , представленный как HCN, называется синильной кислотой . Соли цианид-аниона известны как цианиды .
Является ли цианистый водород органическим соединением или нет, является темой для споров среди химиков, и мнения различаются от автора к автору. Традиционно, значительное количество авторов считают его неорганическим . Вопреки этой точке зрения, другие авторы считают его органическим, поскольку цианистый водород относится к классу органических соединений, известных как нитрилы , которые имеют формулу R−C≡N , где R обычно представляет собой органильную группу (например, алкил или арил ) или водород . [11] В случае цианистого водорода группа R представляет собой водород H, поэтому другие названия цианистого водорода — метаннитрил и формонитрил. [2]
Цианистый водород — это линейная молекула с тройной связью между углеродом и азотом . Таутомер HCN — HNC, изоцианид водорода . [ требуется цитата ]
HCN имеет слабый запах горького миндаля , который некоторые люди не могут почувствовать из-за рецессивного генетического признака . [12] Летучее соединение использовалось в качестве ингаляционного родентицида и человеческого яда, а также для убийства китов. [13] Ионы цианида мешают работе железосодержащих дыхательных ферментов. [ необходима ссылка ]
Цианистый водород слабокислый с p K a 9,2 . Он частично ионизируется в воде , образуя анион цианида , CN − . HCN образует водородные связи со своим сопряженным основанием, такие виды, как (CN − )(HCN) n . [14]
Цианистый водород реагирует с алкенами, давая нитрилы. Превращение, которое называется гидроцианированием , использует комплексы никеля в качестве катализаторов. [15]
Четыре молекулы HCN тетрамеризуются в диаминомалеонитрил . [16]
Цианиды металлов обычно получают путем солевого обмена из солей цианидов щелочных металлов, но цианид ртути образуется из водного раствора цианида водорода: [17]
Цианистый водород был впервые выделен в 1752 году французским химиком Пьером Маккером , который преобразовал берлинскую лазурь в оксид железа и летучий компонент и обнаружил, что их можно использовать для ее восстановления. [18] Новый компонент был тем, что сейчас известно как цианистый водород. Впоследствии он был получен из берлинской лазури шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле в 1782 году [19] и в конечном итоге получил немецкое название Blausäure ( буквально «синяя кислота») из-за своей кислотной природы в воде и своего происхождения от берлинской лазури. В английском языке он стал широко известен как синильная кислота.
В 1787 году французский химик Клод Луи Бертолле показал, что синильная кислота не содержит кислорода, [20] что стало важным вкладом в теорию кислот, которая до сих пор постулировала, что кислоты должны содержать кислород [21] (отсюда и само название кислорода , которое происходит от греческих элементов, которые означают «образующий кислоту» и также калькируются на немецкий язык как Sauerstoff ). В 1811 году Жозеф Луи Гей-Люссак приготовил чистый, сжиженный цианистый водород. [22] В 1815 году Гей-Люссак вывел химическую формулу синильной кислоты. [23] Радикальный цианид в цианистом водороде получил свое название от cyan , не только английского слова, обозначающего оттенок синего, но и греческого слова, обозначающего синий ( древнегреческий : κύανος ), снова из-за его происхождения от берлинской лазури.
Наиболее важным процессом является окисление Андрусова, изобретенное Леонидом Андрусовым в IG Farben, в котором метан и аммиак реагируют в присутствии кислорода при температуре около 1200 °C (2190 °F) над платиновым катализатором: [24]
В 2006 году в США было произведено от 500 миллионов до 1 миллиарда фунтов (от 230 000 до 450 000 тонн). [25] Цианистый водород производится в больших количествах несколькими способами и является отходами производства акрилонитрила . [10]
Меньшее значение имеет процесс Дегусса ( процесс BMA ), в котором кислород не добавляется, а энергия должна передаваться косвенно через стенку реактора: [26]
Эта реакция похожа на паровой риформинг — реакцию метана и воды с образованием оксида углерода и водорода .
В процессе Шавинигана углеводороды , например, пропан , реагируют с аммиаком.
В лабораторных условиях небольшие количества HCN получают путем добавления кислот к цианистым солям щелочных металлов :
Эта реакция иногда является причиной случайных отравлений, поскольку кислота преобразует нелетучую соль цианида в газообразный HCN.
Цианистый водород можно получить из феррицианида калия и кислоты:
Большой спрос на цианиды для горнодобывающей промышленности в 1890-х годах был удовлетворен Джорджем Томасом Бейлби , который в 1892 году запатентовал метод получения цианида водорода путем пропускания аммиака над раскаленным углем . Этот метод использовался до тех пор, пока в 1894 году Гамильтон Кастнер не разработал синтез из угля, аммиака и натрия, в результате которого получался цианид натрия , который вступает в реакцию с кислотой, образуя газообразный HCN.
HCN является предшественником цианида натрия и цианида калия , которые используются в основном в добыче золота и серебра и для гальванопокрытия этих металлов. Через посредничество циангидринов из HCN получают множество полезных органических соединений, включая мономер метилметакрилат , из ацетона , аминокислоту метионин , через синтез Штрекера , и хелатирующие агенты EDTA и NTA . Через процесс гидроцианирования HCN добавляется к бутадиену , чтобы получить адипонитрил , предшественник нейлона-6,6 . [10]
HCN используется во всем мире в качестве фумиганта против многих видов насекомых-вредителей, которые заражают пищевые производственные предприятия. Как его эффективность, так и способ применения приводят к использованию очень малых количеств фумиганта по сравнению с другими токсичными веществами, используемыми для той же цели. [29] Использование HCN в качестве фумиганта также оказывает меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с некоторыми другими фумигантами, такими как сульфурилфторид , [30] и метилбромид . [31]
HCN можно получить из фруктов , имеющих косточку , таких как вишня , абрикосы , яблоки и орехи, такие как горький миндаль , из которых производят миндальное масло и экстракт. Многие из этих косточек содержат небольшое количество циангидринов, таких как нитрил миндальной кислоты и амигдалин , которые медленно выделяют цианистый водород. [32] [33] Сто граммов измельченных семян яблок могут дать около 70 мг HCN. [34] Корни растений маниоки содержат цианогенные гликозиды , такие как линамарин , которые разлагаются на HCN с выходом до 370 мг на килограмм свежего корня. [35] Некоторые многоножки , такие как Harpaphe haydeniana , Desmoxytes purpurosea и Apheloria , выделяют цианистый водород в качестве защитного механизма, [36] как и некоторые насекомые, такие как огневка и личинки Paropsisterna eucalyptus . [37] Цианистый водород содержится в выхлопных газах транспортных средств и в дыме от сжигания азотсодержащих пластиков .
HCN был измерен в атмосфере Титана четырьмя приборами на космическом зонде Кассини , одним прибором на Вояджере и одним прибором на Земле. [38] Одно из этих измерений было in situ , когда космический аппарат Кассини опустился на высоту от 1000 до 1100 км (от 620 до 680 миль) над поверхностью Титана, чтобы собрать атмосферный газ для масс-спектрометрического анализа. [39] HCN первоначально образуется в атмосфере Титана в результате реакции фотохимически полученных радикалов метана и азота, которые проходят через промежуточное соединение H 2 CN, например, (CH 3 + N → H 2 CN + H → HCN + H 2 ). [40] [41] Ультрафиолетовое излучение расщепляет HCN на CN + H; однако CN эффективно перерабатывается обратно в HCN через реакцию CN + CH 4 → HCN + CH 3 . [40]
Было высказано предположение, что углерод из каскада астероидов (известный как поздняя тяжелая бомбардировка ), образовавшийся в результате взаимодействия Юпитера и Сатурна, взорвал поверхность молодой Земли и прореагировал с азотом в атмосфере Земли, образовав HCN. [42]
Некоторые авторы [ кто? ] показали, что нейроны могут вырабатывать цианистый водород при активации их опиоидных рецепторов эндогенными или экзогенными опиоидами. Они также показали, что нейрональная продукция HCN активирует рецепторы NMDA и играет роль в передаче сигнала между нейронными клетками ( нейротрансмиссия ). Более того, повышенная эндогенная нейрональная продукция HCN под действием опиоидов, по-видимому, необходима для адекватной опиоидной анальгезии , поскольку анальгетическое действие опиоидов ослаблялось поглотителями HCN. Они считали эндогенный HCN нейромодулятором . [ 43]
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. [44]
Лейкоциты генерируют HCN во время фагоцитоза и могут убивать бактерии , грибки и другие патогены, вырабатывая несколько различных токсичных химических веществ, одним из которых является цианистый водород. [43]
Было показано, что вазодилатация, вызванная нитропруссидом натрия, опосредована не только образованием NO, но и эндогенным образованием цианида, что добавляет не только токсичность, но и некоторую дополнительную антигипертензивную эффективность по сравнению с нитроглицерином и другими нецианогенными нитратами , которые не вызывают повышения уровня цианида в крови. [45]
HCN является компонентом табачного дыма . [46]
Цианистый водород рассматривался как предшественник аминокислот и нуклеиновых кислот, и предполагается, что он сыграл роль в происхождении жизни . [47] Хотя связь этих химических реакций с теорией происхождения жизни остается спекулятивной, исследования в этой области привели к открытию новых путей к органическим соединениям, полученным в результате конденсации HCN (например, аденина ). [48]
HCN был обнаружен в межзвездной среде [49] и в атмосферах углеродных звезд . [50] С тех пор обширные исследования исследовали пути образования и разрушения HCN в различных средах и изучили его использование в качестве трассера для различных астрономических видов и процессов. HCN можно наблюдать с наземных телескопов через ряд атмосферных окон. [51] Были обнаружены чисто вращательные переходы J=1→0, J=3→2, J= 4→3 и J=10→9 . [49] [52] [53]
HCN образуется в межзвездных облаках одним из двух основных путей: [54] через нейтрально-нейтральную реакцию (CH 2 + N → HCN + H) и через диссоциативную рекомбинацию (HCNH + + e − → HCN + H). Путь диссоциативной рекомбинации доминирует на 30%; однако HCNH + должен находиться в своей линейной форме. Диссоциативная рекомбинация с его структурным изомером, H 2 NC + , производит исключительно изоцианид водорода (HNC).
HCN разрушается в межзвездных облаках посредством ряда механизмов в зависимости от местоположения в облаке. [54] В фотонно-доминируемых областях (PDR) доминирует фотодиссоциация, производя CN (HCN + ν → CN + H). На больших глубинах доминирует фотодиссоциация космическими лучами, производя CN (HCN + cr → CN + H). В темном ядре два конкурирующих механизма разрушают его, образуя HCN + и HCNH + (HCN + H + → HCN + + H; HCN + HCO + → HCNH + + CO). Реакция с HCO + доминирует примерно в 3,5 раза. HCN использовался для анализа различных видов и процессов в межзвездной среде. Он был предложен в качестве трассера для плотного молекулярного газа [55] [56] и в качестве трассера звездного притока в массивных областях звездообразования. [57] Кроме того, было показано, что отношение HNC/HCN является отличным методом для различения PDR и областей с преобладанием рентгеновского излучения (XDR). [58]
11 августа 2014 года астрономы опубликовали исследования, впервые с использованием Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) , в которых подробно описывалось распределение HCN, HNC , H2CO и пыли внутри комет C/ 2012 F6 ( Леммон) и C/2012 S1 (ISON) . [59] [60]
В феврале 2016 года было объявлено, что следы цианистого водорода были обнаружены в атмосфере горячей Суперземли 55 Cancri e с помощью космического телескопа НАСА «Хаббл» . [61]
14 декабря 2023 года астрономы сообщили о первом обнаружении в шлейфах Энцелада , спутника планеты Сатурн , цианистого водорода, возможного химического вещества, необходимого для жизни [62] , какой мы ее знаем, а также других органических молекул , некоторые из которых еще предстоит лучше идентифицировать и понять. По словам исследователей, «эти [недавно открытые] соединения потенциально могут поддерживать существующие микробные сообщества или управлять сложным органическим синтезом, ведущим к возникновению жизни ». [63] [64]
В Первой мировой войне цианистый водород использовался французами с 1916 года в качестве химического оружия против Центральных держав , а также Соединенными Штатами и Италией в 1918 году. Он оказался недостаточно эффективным из-за погодных условий. [65] [66] Газ легче воздуха и быстро рассеивается в атмосфере. Быстрое разбавление делало его использование в полевых условиях непрактичным. Напротив, более плотные агенты, такие как фосген или хлор, имели тенденцию оставаться на уровне земли и опускались в траншеи полей 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 ppm в вдыхаемом воздухе убьет человека в течение 10–60 минут. [67] Концентрация цианида водорода 2000 ppm (около 2380 мг/м 3 ) убьет человека примерно за одну минуту. [67] Токсический эффект вызван действием иона цианида, который останавливает клеточное дыхание . Он действует как неконкурентный ингибитор фермента в митохондриях, называемого цитохром с оксидазой . Таким образом, цианид водорода обычно причисляют к химическому оружию как кровяной агент . [68]
Конвенция о химическом оружии включает его в Приложение 3 как потенциальное оружие, которое имеет крупномасштабное промышленное применение. Подписавшие страны должны декларировать производственные предприятия, которые производят более 30 метрических тонн в год, и разрешать инспекцию со стороны Организации по запрещению химического оружия .
Возможно, его наиболее печально известное применение — Циклон Б (нем. Cyclone B , где B означает Blausäure — синильная кислота; также, чтобы отличить его от более раннего продукта, позже известного как Циклон А), [69] использовавшийся в нацистских немецких лагерях смерти во время Второй мировой войны для массового убийства евреев и других преследуемых меньшинств в рамках их программы геноцида «Окончательное решение» . Цианистый водород также использовался в лагерях для дезинфекции одежды в попытках искоренить болезни, переносимые вшами и другими паразитами. Один из первоначальных чешских производителей продолжал производить Циклон Б под торговой маркой «Ураган Д2» [70] примерно до 2015 года. [71]
Во время Второй мировой войны США рассматривали возможность использования его вместе с хлорцианом в рамках операции «Даунфолл» — запланированного вторжения в Японию, но президент Гарри Трумэн отказался от этого, вместо этого применив атомные бомбы, разработанные в рамках секретного Манхэттенского проекта . [72]
Цианистый водород также использовался в качестве средства для казни в некоторых штатах США , где он производился во время казни путем воздействия серной кислоты на цианистый натрий или цианистый калий . [73]
Под названием синильная кислота HCN использовался в качестве смертоносного вещества в китобойных гарпунах, хотя он оказался довольно опасным для команды, применявшей его, и от него быстро отказались. [13] С середины XVIII века его использовали в ряде отравлений, убийств и самоубийств. [74]
Цианистый водород в воздухе взрывоопасен при концентрации выше 5,6%. [75]