一氧化二氮（Dinitrogen Oxide），又名氧化亞氮，一種重要的氮氧化物，能致人發笑，俗稱“笑氣”，屬于危險化學品，化學式為N2O。在室溫下為無色不可燃氣體，具有微甜的氣味，高溫下為類似于氧氣的強氧化劑。
N2O是大氣污染物，除了濕地等自然來源外，還來自農業生產、工業生產及燃料的燃燒。它是平流層臭氧的主要清除劑，其影響與氯氟碳化合物相當，并會導致臭氧層的破壞和溫室效應增加。
N2O能溶于水、乙醇、乙醚及濃硫酸，可以在化工合成方面做催化劑；其還有麻醉作用，故可以用于醫療領域緩解病人的痛苦；還可以在軍工等領域中使用，如作為航天器的推進劑。但過度或長時間使用N2O，對人體神經系統、血液系統、精神系統的危害會逐漸明顯，如嗜睡、抑郁或精神錯亂等，甚至造成窒息死亡。
發現歷史
在1772年，英國自然哲學家和化學家約瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）在實驗中首次合成了一氧化二氮氣體（N2O），并將其稱為“可燃性含氮空氣”；托馬斯-貝多斯（Thomas Beddoes）和詹姆斯·瓦特（James Watt）合作出版了《關于醫療用途和制造虛構空氣的考慮》（1794年）一書，詹姆斯-瓦特發明了一種生產“虛構空氣”（包括一氧化二氮）的新型器件和一種可吸入氣體的新型“呼吸器”，托馬斯-貝多斯的新醫學理論，即肺結核和其他肺部疾病可以通過吸入“虛構空氣”來治療，而這本書奠定了一氧化二氮應用的基礎。1798年，貝多斯通過吸入該氣體治療肺結核和其他肺部疾病。1799年，另一位英國化學家漢弗里·戴維（ H.Davy）發現吸入 N2O 后能產生快感，并導致頭暈，于是將該氣體命名為“ 笑氣”。
1800年，漢弗萊·戴維(Humphry Davy)出版了一本關于N2O的書籍，書中有這樣一段話：“由于一氧化二氮能夠消除身體上的疼痛，故可以在人體手術中得到應用”。
亨利·希爾·希克曼在1800年出生，碩士畢業于英國皇家醫學院，在什羅普郡的德洛當醫生時，他看到自己患者所遭受痛苦，就想減輕患者痛苦，就嘗試用CO2、N2O等用于動物做手術時，發現能有效緩解動物的疼痛。他想將這個方法用于人體，但英國專業人士嘲笑這項工作，并譴責它是危險和無用的，他將該發現交給了巴黎的皇家醫學院，未得到回復。之后，他失望的回到英國，在29歲時去世。
直到1844年，才清楚且明確的使用N2O作為全身麻醉劑，威爾士首選使用N2O 作為牙齒拔除時的麻醉劑 。1881年，在波蘭首次作為分娩鎮痛藥；1993年，開發了一種混合氮氣和氨氣的雙罐裝備，使得N2O的使用更加方便。
藥理特性
N2O
N2O對人體有鎮痛、麻醉、抗焦慮等有利作用，但也有成癮性，過多的吸食會導致缺氧，甚至心臟驟停等癥狀。
毒性機理
N2O具有成癮性，吸食過后對人體的危害大。主要是它比氧氣更易溶于水，一旦被吸入，它會比氧氣更快穿過肺泡的基底膜擴散，然后迅速進入血液，導致肺泡中的氧氣體積稀釋。肺泡內氧張力的降低會導致氧氣輸送到大腦的減少，健康人在通風良好空間可以忍受這種類型的缺氧，但患有癲癇、心臟病或其他合并癥的人，可能會起引起癲癇發作、心律失常甚至呼吸或心臟驟停。
藥理作用
N2O的鎮痛作用機理不是很明確，其中一種觀點認為，它會增加人體自身的內啡肽、多巴胺，促進了大腦和脊髓中其他阿片類物質的釋放，而阿片類物質通過-氨基丁酸（GABA）使中間神經元等機制去除對下行性抑制通路的緊張性抑制，在脊髓水平抑制傷害性感覺的信號處理及上傳，從而實現N2O的鎮痛作用。在臨床應用N2O鎮痛時，一般溶度在50%左右。
N2O是一種非特異性的N-甲基天門冬氨酸（NMDA）受體拮抗劑，能抑制NMDA谷氨酸受體并消除其在神經系統中的興奮性，從而實現麻醉作用。并且N2O的血/氣分配系數較低（0.47），因此它在血液中的溶解度很低，麻醉誘導以及麻醉結束后病人蘇醒更快。N2O還有抗焦慮作用，其作用機理與苯二氮卓類藥物相似。
健康危害
人在吸食N2O時，主要是直接從壓縮氣罐中吸入該氣體，容易導致嚴重的肺部損傷甚至死亡。人在沒有氧氣的情況下，吸入純N2O會導致人出現缺氧，造成頭暈、暈厥、低血壓甚至心臟病發作，主要原因是大量或反復吸食N2O會導致人體內缺乏維生素B12，長期和大量吸食也會引起貧血及中樞神經系統損害，造成腦功能損害、癱瘓，甚至死亡。
人體長期處于含有N2O的環境中，會造成DNA損壞，這是由于DNA合成中斷所致，DNA損壞程度與環境空氣中N2O水平呈正相關，同時會對生殖系統產生不利影響，表現為生育能力下降、自然流產和出生缺陷。此外，大量使用N2O會引起精神癥狀，常見的精神癥狀有妄想型精神分裂癥、認知障礙、焦慮、抑郁癥等。
應用領域
醫學領域
N2O具有顯著的鎮痛、抗焦慮和麻醉的作用，在醫療領域主要用作吸入式麻醉劑。醫生經常使用N2O緩解患者因分娩、創傷、口腔科手術等引起的疼痛。其緩解疼痛也是源于它能刺激內源性阿片類物質的釋放，從而阻斷疼痛信號的傳遞。其次，N2O 由于其相對無害的性質，可作為治療毒癮的藥物。
食物領域
在食品工業上，N2O可以用于食品冷卻、冷凍和儲存，也作為食品防腐劑、食品添加劑、推進劑和包裝氣體。作為食品防腐劑時，N2O可以抑制果實催熟激素的產生，減少一些躍變和非躍變型果實腐爛發生，為此，可以作為水果的保鮮效果，也可以用作噴霧噴射劑；作為食品推進劑，主要用于餐飲行業，如攪拌、發泡和乳脂奶油制備的推進劑。
軍工領域
N2O在一定溫度時能迅速生成氮氣等氣體，能提高燃燒效率，其可以在相對較高的密度下貯存，并像液體那樣長時間地貯存在航天器上，為此，其可以做為航天器的推進劑。
合成化學領域
在有機合成化學和無機合成化學中，N2O 可用作氧化劑或氮供體。主要是N2O是一種很強的氧化劑，但是其化學惰性較高，使其化學反應活性受限。N2O可以用于過渡金屬催化氧化反應、可以作為氮原子供體，用來合成更加復雜的分子。
汽車領域
N2O可在賽車比賽中應用于內燃機，改變內燃機的性能特征，含有N2O的物質和燃料被注入發動機，它會降低發動機空氣的溫度，增加氧含量，進而促使發動機燃燒更多燃料，氧含量的提升還能增加燃料噴射量，讓發動機產生更大的動力，最重要的會增加發動機內燃缸燃料燃燒速率。
理化性質
物理性質
在正常情況下，N2O是一種無色氣體，具有微弱的怡人氣味和甜味，是空氣的恒定組成成分。它在液體狀態時，需要儲存在一定壓力的鋼瓶中，液態N2O在-40℃~25℃溫度范圍內的比體積電阻為2.5×1014~3.5×1014歐姆，它也是一種電介質。N2O的分子量為44.01，在0℃和0.1MPa時的分子體積為22.251。N2O是線性不對稱結構：N≡N=O，N2O的電離電勢為12.6eV，N≡N鍵的冪常數為18.2，N=O鍵的冪常數為12.0。
在一定壓力下，N2O可以溶解于有機溶劑中，如丙酸、乙醇等溶劑中，也溶于一些無機鹽溶液中，如氯化物、硫化物、亞硝酸鹽溶液。
化學性質
在環境條件下，N2O是惰性化合物，在-50℃至50℃溫度范圍內，它是穩定的。N2O不與水、酸和堿的溶液反應，但在一定壓力下，可以溶解與水中，在5℃時，水中溶解度為1.048；在20℃時，水中溶解度為0.629。它在水中溶解相對應的形式是不穩定的次硝酸H2N2O，它們容易分解成水和N2O。
2H2N2O = 2N2O + H2O
N2O不被KMnO4、Cl2O等強氧化劑氧化，在正常條件下不與O2反應，但在O2中加熱超過500℃時，N2O被點燃并氧化。
2N2O + 3O2 = 4NO2 + 26.6KJ/mol
N2O也能與堿性金屬和堿土金屬以及一些過渡金屬（Fe、Co 、Cr等）發生發應。
N2O + Fe = FeO + N2 +345.6 KJ/mol
N2O與氫氣、氨氣、氧化碳和碳氫化合物反應，能釋放更多的熱量。
N2O + 2NH3 = 4N2 + 3H2O +879.2KJ/mol
來源
2011年至2020年，平均全球N2O總排放量為17.2TgN/年，包括12.0TgN/年來自陸地、5.2TgK/年來自海洋。截止2021年，全球大氣中N2O濃度達334.5±0.1ppb，大氣中N2O溶度增加主要來源為自然來源（海洋、森林和熱帶稀樹草原），其次是人為來源（發電廠、廢水處理廠、內燃機和硝酸生產）。
自然來源
N2O的自然來源主要來自土壤中微生物分解，NO是復雜有機化合物在微生物分解過程中發生硝化和反硝化作用的結果。
形成的N2O進入大氣，會增強溫室效應；它也會被微生物進一步利用，轉化成分子氮，對大氣影響較低。在變化的氣候條件下，如冬季的土壤融化，夏季的土壤濕潤，N2O釋放最多，因為夏季干旱期間，由于不完全反硝化，降雨后N2O的釋放可能在數小時到數天時間急劇增加。在農業生產中，施加在土壤中的氮肥被微生物硝化、反硝化作用分解產生N2O，土壤中N2O排放也受到土壤性質和耕作方式影響。
人為來源
人為來源首先包括化石燃料（如煤、石油、天然氣等）的燃燒，在高溫下，氮氣和氧氣反應生成N2O。此外，燃燒燃料中含氮物質會產生氮氧化物，也造成空氣的污染。而各種內燃機燃料（如汽油、柴油等）的燃燒，也會產生N2O。人為來源還包括工業生產，工業生產的N2O主要來源是生產硝酸和已二酸，廢水處理也會產生N2O。
減少來源措施
生產制備
傳統的N2O制備工藝主要有氨氧化法、硝酸鹽-濃硫酸處理尿素法、NO還原法以及硝酸銨熱分解法。
氨氧化法
氨氧化法以氨氣為原料，該方法利用不同溫度遵照不同的反應途徑，分別產生不同氧化程度的含氮產物，按升序依次為N2、N2O和NO，在較高的溫度下，才會開始出現N2O。氨氧化產物通過與液氨的熱交換冷卻，分離出N2、N2O和NO等不可冷凝氣體和氨水，用堿性水溶液和含有高錳酸鉀的水溶液除去氮氧化物，用水洗滌產物吸收N2O，去除N2和O2，最后從含有N2O的高壓水匯總釋放壓力以分離高溶度的N2O氣體。
2NH3 + 2O2→N2O+3H2O
硝酸銨熱分解法
在工業上，硝酸熱分解法是最常見和最經典的制備N2O方法之一，一般在250℃下加熱硝酸銨來制取，并會在硝酸銨中加入一定量的磷酸鹽，有利于在稍低溫度下獲取較純的N2O。當在實驗室制備時，由于硝酸銨在高溫易爆炸，故主要通過加入硝酸銨和硝酸鈉的混合物來制備N2O。
NH4NO3→N2O + 2H2O + 36.8KJ/摩爾
NO還原法
工業上也經常采用NO還原法來制備N2O，該反應在氣相中進行，控制進料氣的溶度比，NO的還原反應溫度一般控制在200℃至450℃。首先由氨氧化產生含N2O和其他氮氧化物的氣體混合物，隨后通入還原性氣體將其中的NO或NO2還原成N2O。
2NO + H2→2N2O+H2O
2NO + CO→2N2O + CO2
硝酸鹽—濃硫酸處理尿素法
主要將尿素溶解在濃硫酸中，向所得溶液中緩慢加入硝酸，溶液保持在40℃至100℃的反應溫度區間，可以得到N2O等混合氣體，再用堿性溶液洗滌，除去酸性雜質，達到分離N2O。
分子結構
N2O在室溫下比較穩定，N2O是一種線性分子，其中一個氧原子與一個氮相連，而第二個氮原子又與氧原子相連，N2O的N=N和N=O鍵長分別為1.24埃（?）和1.21埃（?），N2O分子的路易斯結構式可視為A、B兩種結構的共振雜化體。
N2O分子的偶極矩較低，為0.161D，主要原因是A和B共振形式中電荷分布相反，它的N-N鍵長為1.128?，比標準N=N鍵（1.24?）短的多，相比于N≡N鍵（1.10?）長的不顯著。N-O鍵長為1.184?，與標準N=O雙鍵（1.21?）非常相似，因此，N2O中的N-N和N-O鍵序分別為2.73和1.61。
檢驗方法
直接檢測
使用傳感器和分析儀直接檢測N2O濃度。在傳感器監測上，電化學、安培或電子傳感器通常用于直接檢測N2O濃度，但傳感器檢測范圍存在上限，其靈敏度不適合在大氣溶度下測量。便攜式氣體分析儀也可以直接檢測N2O濃度，常用于現場連續測量。
采樣檢測
當無法直接檢測N2O濃度時，采用被動和主動方法收集樣本在實驗室或移動設備中抽樣進行后續分析，以測量N2O濃度，采樣的檢測方法有：光譜法，色譜法。
安全事宜
環境
N2O是《京都議定書》中規定的6種溫室氣體之一，其全球變暖潛能值約為CO2的300倍，過去十年間，大氣中N2O含量不斷增加，而其又是一種典型的消耗臭氧層物質，造成臭氧層的破壞，引起直接輻射，導致全球氣候的變暖。N2O的排放一半以上來自農業生產，主要是施加在土壤中的氮肥被微生物硝化、反硝化作用分解所致；工業生產中也會導致大量的N2O排放；燃料的燃燒以及廢水處理都會產生N2O。
急救措施
吸入：將患者快速移到新鮮空氣處，保持呼吸道通暢。如果呼吸困難，給輸氧。如呼吸、心跳停止，立即進行心肺復蘇，就醫。
消防措施
N2O與強還原劑、易燃或可燃物等接觸，會有發生火災和爆炸的危險。在滅火時，切斷氣源；若不能切斷氣源，則不允許熄滅泄漏處的火焰。消防人員必須佩戴空氣呼吸器、穿全身防火防毒服，在上風向滅火。盡可能將容器從火場移至空曠處。噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。
法律法規
中國
中國與國際上許多國家一樣，未將N2O列入麻醉藥品或者精神藥品的管制目錄，只是作為普通的化學品列入《危險化學品目錄》（2015版），由安監等部門監管生產、運輸、儲存等環節安全。
在N2O的經營方面，中國國務院《危險化學安全管理條例》第77條第三款有規定，在娛樂場所出現“笑氣”是《危險化學品目錄》中的N2O，且賣方沒有經營許可證，可結合《中華人民共和國刑法》第二百二十五條非法經營罪、《中華人民共和國治安管理處罰法》第三十條進行判罰。
2019年11月12日，上海市對一起大型非法經營“笑氣”案進行了宣判。兩名被告人違反國家規定，在未取得危險化學品經營許可證情況下，非法經營N2O，犯非法經營罪并追究其刑事責任。分別判處有期徒刑九年和五年六個月，并處罰金250萬元和40萬元，繼續追繳二人違法所得。
歐洲
2021年6月起，法律禁止將N2O當做精神活性物質出售，違者罰款3750歐元。2023年3月27日，女王陛下政府實施“反政府行為行動計劃”，同時宣布禁止向公眾出售N2O。
參考資料 >
一起大型非法經營“笑氣”案在滬宣判.中國政府網.2023-04-07
中國氣象局發布《2021年中國溫室氣體公報》.央廣網.2023-05-24
全國首例“笑氣”入刑案在浙江云和移送起訴.平安浙江網.2023-05-24
大巴黎查獲大量一氧化二氮.歐洲時報.2023-05-24
“受夠了”，英國這類行為者或將穿連體衣受罰.新京報.2023-05-24