- Формула — N₂O. Молекула линейная: N–N–O, кислород на краю, а не посередине.
- Бесцветный негорючий газ, примерно в полтора раза тяжелее воздуха. При комнатной температуре в баллоне он жидкий.
- Главные применения: пищевая добавка E942, окислитель в технике, лабораторные методы.
Формула и строение молекулы
Химическая формула закиси азота — N₂O. В молекуле три атома, и они стоят в одну линию: азот, азот, кислород. Частая ошибка — рисовать кислород посередине, как в воде. У N₂O он находится с краю, а два атома азота связаны между собой.
Строение описывают двумя предельными структурами: N≡N⁺–O⁻ и ⁻N=N⁺=O. Настоящая молекула — нечто среднее между ними. Средняя степень окисления азота здесь +1, отсюда систематическое название «оксид азота(I)».
Молярную массу легко посчитать по формуле: два атома азота по 14,007 и один атом кислорода 15,999 дают 44,013 г/моль. На азот приходится около 63,6 % массы молекулы, на кислород — около 36,4 %. Любопытное совпадение: у углекислого газа CO₂ почти та же молярная масса, и его молекула тоже линейная из трёх атомов. Поэтому по многим физическим свойствам эти газы похожи.
Как ещё называют N₂O
«Закись азота» — старое название, оставшееся в технике и торговле. Когда-то низшие оксиды называли «закисями», а более богатые кислородом — «окисями». Поэтому NO раньше звался окисью азота, а N₂O — закисью.
Сейчас в химии используют названия «оксид азота(I)», «оксид диазота» или «монооксид диазота». Тривиальное название — веселящий газ. В справочниках вещество обозначено номером CAS 10024-97-2, при перевозке — номером ООН UN 1070.
Из-за похожих названий N₂O путают с другими оксидами азота. А это разные вещества с разными свойствами:
| Формула | Название | Степень окисления азота и вид |
|---|---|---|
| N₂O | Закись азота, оксид азота(I) | +1, бесцветный газ |
| NO | Оксид азота(II), в старых книгах окись азота | +2, бесцветный газ |
| NO₂ | Диоксид азота | +4, бурый ядовитый газ |
Когда в тексте встречается просто «оксид азота», без цифры, лучше уточнить, какой именно имеется в виду.
Физические свойства
При обычных условиях закись азота — бесцветный газ со слабым сладковатым запахом. Основные цифры собраны в таблице.
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Молярная масса | ≈ 44,013 г/моль |
| Температура плавления | ≈ −90,9 °C |
| Температура кипения | ≈ −88,5 °C при 1,013 бар |
| Критическая температура | ≈ 36,4 °C |
| Давление насыщенного пара | ≈ 50,8 bar(a) при 20 °C |
| Плотность газа | ≈ 1,98 г/л при нормальных условиях — примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха |
| Растворимость | Умеренно растворяется в воде, хорошо — в жирах |
Самая практичная строка здесь — критическая температура. Она выше комнатной, поэтому под давлением закись азота сжижается и в баллоне хранится жидкой. Над жидкостью всегда есть пар, и давление в баллоне зависит от температуры, а не от того, сколько газа осталось. Как это влияет на выбор и проверку остатка, написано в статье о выборе баллона.
Вторая важная строка — растворимость в жирах. Именно из-за неё закись азота взбивает сливки, а азот N₂ нет. Подробнее о разнице между двумя газами — в статье «Пищевой азот и закись азота».
Химические свойства
При комнатной температуре N₂O довольно инертна: с водой, кислотами и щелочами не реагирует и солей не образует. В химии её относят к несолеобразующим оксидам.
При сильном нагреве картина меняется. Выше примерно 500 °C закись азота разлагается на азот и кислород:
2N₂O → 2N₂ + O₂
В получившейся смеси кислорода около трети — больше, чем в воздухе. Поэтому сама закись азота не горит, но горение поддерживает и усиливает: тлеющая лучина в ней вспыхивает, как в кислороде. Это свойство окислителя, и из-за него баллоны с N₂O держат подальше от масел и открытого огня. По правилам перевозки опасных грузов закись азота относится к классу 2.2 с дополнительной опасностью 5.1 — окисляющее вещество.
Впервые закись азота получил английский химик Джозеф Пристли в 1772 году. В промышленности её получают разложением нитрата аммония при нагревании:
NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O
Если нужно записать уравнение для учебной задачи, обычно достаточно этих двух реакций: получения из нитрата аммония и разложения на азот и кислород при нагреве.
Где применяют закись азота
Пищевая промышленность. Как пищевая добавка закись азота носит код E942. Её используют как пропеллент — газ, который выталкивает продукт из баллончика, — и как упаковочный газ. На кухнях и в кондитерских ею заряжают сифоны для взбитых сливок, муссов и эспум. О пищевом продукте и форматах — на странице пищевой закиси азота E942, о закупке для цеха — в разделе для пищевого производства.
Техника. Благодаря свойствам окислителя N₂O применяют в гибридных ракетных двигателях и в автоспорте, где она помогает двигателю сжечь больше топлива и выдать больше мощности.
Лаборатории и электроника. В атомно-абсорбционной спектрометрии используют пламя ацетилена с закисью азота — оно горячее обычного ацетилено-воздушного. В производстве полупроводников N₂O служит источником кислорода при осаждении оксидных плёнок. Технические задачи требуют своей марки газа и своих документов, об этом — в разделе для технических и лабораторных задач.
Пищевая и техническая закись азота
Формула у них одна и та же — N₂O. Разница в требованиях к примесям и в документах. Для пищевой добавки E942 технический регламент ТР ТС 029/2012 задаёт критерий чистоты 99 %, а фактическое содержание основного вещества указывают в паспорте качества конкретной партии.
Техническую закись азота выбирают по спецификации процесса: что допустимо для лабораторного прибора или производственной линии, решает их документация. Поэтому одно и то же вещество может продаваться под разными марками, и подменять одну другой без проверки нельзя. Когда закупаете газ, называйте не только формулу, но и назначение: пищевое или техническое.
Закись азота и климат
У N₂O есть и менее заметная сторона. Это третий по значимости долгоживущий парниковый газ после углекислого газа и метана. В атмосфере он держится больше ста лет, а за столетие нагревает планету примерно в 270 раз сильнее, чем такая же масса CO₂. Кроме того, закись азота разрушает озоновый слой. Так что лишний раз стравливать газ из баллона в воздух не стоит — и ради экономии, и ради экологии.