Protoxyde d'azote

Protoxyde d'azote
Structure du protoxyde d'azote.
Identification
Nom IUPAC	Protoxyde d'azote
Synonymes	Oxyde nitreux Oxyde de diazote Gaz hilarant
No CAS	10024-97-2
No EINECS	233-032-0
Code ATC	N01AX13
PubChem	948
No E	E942
FEMA	2779
SMILES	[N+](=[N-])=O PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/N2O/c1-2-3
Apparence	gaz comprimé liquéfié incolore, d'odeur caractéristique.
Propriétés chimiques
Formule brute	N2O  [Isomères]
Masse molaire	44,0128 ± 0,0007 g/mol N 63,65 %, O 36,35 %,
Moment dipolaire	0,16083 D
Propriétés physiques
T° fusion	-90,8 °C
T° ébullition	-88,5 °C Décomposition à 300 °C
Solubilité	14 g·l-1 1,12 g·kg-1 d'eau. Soluble dans H2SO4, alcool, éther, huiles.
Masse volumique	1,23 g·cm-3 (Liquide, -89 °C) 0,0018 (Gaz) équation : $\rho=2.781/0.27244^{(1+(1-T/309.57 )^{ 0.2882 })}$ Masse volumique du liquide en kmol·m-3 et température en kelvins, de 182,30 à 309,57 K. Valeurs calculées : 0,7425 g·cm-3 à 25 °C. T (K) T (°C) ρ (kmol·m-3) ρ (g·cm-3) 182,30 -90,85 27,928 1,2292 190,78 -82,37 27,37975 1,20506 195,03 -78,12 27,09953 1,19273 199,27 -73,88 26,8148 1,1802 203,51 -69,64 26,52529 1,16746 207,75 -65,4 26,23068 1,15449 212 -61,15 25,93061 1,14128 216,24 -56,91 25,62471 1,12782 220,48 -52,67 25,31252 1,11408 224,72 -48,43 24,99358 1,10004 228,97 -44,18 24,66731 1,08568 233,21 -39,94 24,33308 1,07097 237,45 -35,7 23,99016 1,05588 241,69 -31,46 23,63772 1,04037 245,94 -27,22 23,27477 1,02439 T (K) T (°C) ρ (kmol·m-3) ρ (g·cm-3) 250,18 -22,97 22,90014 1,0079 254,42 -18,73 22,51246 0,99084 258,66 -14,49 22,11006 0,97313 262,9 -10,25 21,69088 0,95468 267,15 -6 21,2524 0,93538 271,39 -1,76 20,79135 0,91509 275,63 2,48 20,30352 0,89362 279,87 6,72 19,78321 0,87072 284,12 10,97 19,22249 0,84604 288,36 15,21 18,60968 0,81907 292,6 19,45 17,92645 0,789 296,84 23,69 17,14097 0,75443 301,09 27,94 16,1886 0,71251 305,33 32,18 14,89167 0,65543 309,57 36,42 10,208 0,44928
Pression de vapeur saturante	51,7 bar à 21 °C équation : $P_{vs}=exp(96.512+\frac{-4045}{T}+(-12.277) \times ln (T) + (2.8860E-5) \times T^{2})$ Pression en pascals et température en kelvins, de 182,3 à 309,57 K. Valeurs calculées : 5 729 121,83 Pa à 25 °C. T (K) T (°C) P (Pa) 182,3 -90,85 8,6908E4 190,78 -82,37 146 128,78 195,03 -78,12 185 474,39 199,27 -73,88 232 422,66 203,51 -69,64 287 836,77 207,75 -65,4 352 596,03 212 -61,15 427 591,22 216,24 -56,91 513 721,14 220,48 -52,67 611 890,41 224,72 -48,43 723 008,64 228,97 -44,18 847 990,83 233,21 -39,94 987 759,13 237,45 -35,7 1 143 245,79 241,69 -31,46 1 315 397,29 245,94 -27,22 1 505 179,51 T (K) T (°C) P (Pa) 250,18 -22,97 1 713 583,96 254,42 -18,73 1 941 634,84 258,66 -14,49 2 190 397,02 262,9 -10,25 2 460 984,75 267,15 -6 2 754 571,13 271,39 -1,76 3 072 398,35 275,63 2,48 3 415 788,54 279,87 6,72 3 786 155,43 284,12 10,97 4 185 016,7 288,36 15,21 4 614 007,15 292,6 19,45 5 074 892,68 296,84 23,69 5 569 585,31 301,09 27,94 6 100 159,1 305,33 32,18 6 668 867,31 309,57 36,42 7,2782E6
Point critique	72,7 bar, 36,55 °C
Vitesse du son	263 m·s-1 (0 °C,1 atm)
Thermochimie
S0gaz, 1 bar	219,96 J⋅mol-1⋅K-1
ΔfH0gaz	82,05  kJ⋅mol-1
ΔvapH°	16,53 kJ·mol-1 (1 atm, -88,48 °C)
Cp	équation : $C_{P} = (6.7556E4) + (54.373) \times T$ Capacité thermique du liquide en J·kmol-1·K-1 et température en kelvins, de 182,3 à 200 K. Valeurs calculées : T (K) T (°C) Cp $( \tfrac { J } { kmol \times K } )$ Cp $( \tfrac { J } { kg \times K } )$ 182,3 -90,85 77 470 1 760 183 -90,15 77 506 1 761 184 -89,15 77 561 1 762 184 -89,15 77 561 1 762 185 -88,15 77 615 1 763 185 -88,15 77 615 1 763 186 -87,15 77 669 1 765 187 -86,15 77 724 1 766 187 -86,15 77 724 1 766 188 -85,15 77 778 1 767 188 -85,15 77 778 1 767 189 -84,15 77 832 1 768 189 -84,15 77 832 1 768 190 -83,15 77 887 1 770 191 -82,15 77 941 1 771 T (K) T (°C) Cp $( \tfrac { J } { kmol \times K } )$ Cp $( \tfrac { J } { kg \times K } )$ 191 -82,15 77 941 1 771 192 -81,15 77 996 1 772 192 -81,15 77 996 1 772 193 -80,15 78 050 1 773 194 -79,15 78 104 1 775 194 -79,15 78 104 1 775 195 -78,15 78 159 1 776 195 -78,15 78 159 1 776 196 -77,15 78 213 1 777 197 -76,15 78 267 1 778 197 -76,15 78 267 1 778 198 -75,15 78 322 1 780 198 -75,15 78 322 1 780 199 -74,15 78 376 1 781 200 -73,15 78 430 1 782
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation	12,886 eV (gaz)
Précautions
Directive 67/548/EEC
O Symboles : O : Comburant Phrases R : R8 : Favorise l’inflammation des matières combustibles. Phrases S : S9 : Conserver le récipient dans un endroit bien ventilé. S17 : Tenir à l’écart des matières combustibles. Phrases R : 8, Phrases S : 9, 17,
Transport
25    1070    Code Kemler : 25 : gaz comburant (favorise l'incendie) Numéro ONU : 1070 : PROTOXYDE D’AZOTE Classe : 2.2 Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 5.1 : Matières comburantes 225    2201    Code Kemler : 225 : gaz liquéfié réfrigéré, comburant (favorise l'incendie) Numéro ONU : 2201 : PROTOXYDE D’AZOTE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.2 Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 5.1 : Matières comburantes
NFPA 704
0 2 0
SIMDUT
A, C, D2A, A : Gaz comprimé température critique = 36,4 °C C : Matière comburante cause ou favorise la combustion d'une autre matière en dégageant de l'oxygène D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques tératogénicité chez l'animal; embryotoxicité chez l'animal Divulgation à 0,1 % selon la liste de divulgation des ingrédients
SGH
Danger H270, H280, P370, P376, P403, H270 : Peut provoquer ou aggraver un incendie; comburant H280 : Contient un gaz sous pression; peut exploser sous l'effet de la chaleur P370 : En cas d’incendie : P376 : Obturer la fuite si cela peut se faire sans danger. P403 : Stocker dans un endroit bien ventilé.
Inhalation	Asphyxiant si inhalé pur
Peau	Toxique si cryogénique ou compressé
Yeux	Toxique si cryogénique ou compressé
Données pharmacocinétiques
CAM	105 % vol.
Métabolisme	Nul
Considérations thérapeutiques
Classe thérapeutique	Anesthésique général, analgésique
Voie d’administration	Inhalatoire
Caractère psychotrope
Catégorie	Hallucinogène
Mode de consommation	Inhalatoire
Autres dénominations	Gaz hilarant Oxyde nitreux Monoxyde de diazote Protox, Proto
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le protoxyde d'azote, également appelé oxyde nitreux, hémioxyde d'azote ou encore gaz hilarant, est un composé chimique de formule N₂O. C'est un gaz incolore à l'odeur et au goût légèrement sucré. Il est utilisé en chirurgie et en odontologie pour ses propriétés anesthésiques et analgésiques. On l'appelle « gaz hilarant » en raison de son effet euphorisant à l'inhalation, d'où son usage récréatif comme hallucinogène. Il est également utilisé comme comburant pour accroître la puissance des moteurs en compétition automobile, ainsi qu'avec l'acétylène H-C≡C-H pour certains appareils d'analyse (spectrométrie d'absorption atomique).

Il est classifié comme polluant par le protocole de Kyoto. C'est le quatrième plus important gaz à effet de serre à contribuer au réchauffement de la planète après la vapeur d'eau H₂O, le dioxyde de carbone CO₂ et le méthane CH₄. Son potentiel de réchauffement global à 100 ans correspond à 298 fois celui du CO₂.

Historique

Il a été découvert en 1772 par Joseph Priestley, puis étudié en 1798 par Humphry Davy qui découvre entre autres ses propriétés euphorisantes. Le protoxyde d'azote est utilisé dès la fin du XVIII^e siècle comme « gaz hilarant » dans les foires. Ses effets anesthésiants ont été découverts en 1844 par le dentiste Horace Wells qui l'expérimenta sur lui-même. Malheureusement, impatient de faire connaitre sa découverte, Wells se lança, sans expérimentation approfondie préalable, dans des démonstrations devant un public médical à Hartford (Connecticut) et à Harvard qui furent des échecs retentissants. Dépité, Wells abandonna définitivement la dentisterie. Il faudra attendre les recherches et démonstrations réussies de William Thomas Green Morton avec l'éther (octobre et novembre 1846 à Boston) pour que l'anesthésie soit utilisée par les chirurgiens, ce qui a permis à la chirurgie de faire un bond en avant (la douleur était l'une des deux grandes limites de la chirurgie, avec l'infection). Le Protoxyde d'azote ne fut remis à l'honneur que par un dénommé Colton, montreur de spectacles au gaz hilarant, qui, associé au dentiste J.H. Smith montèrent une clinique à New York puis exportèrent leur procédure en Europe. Le protoxyde d'azote, dont l'utilisation fut grandement améliorée par l'association avec de l’oxygène, remplaça progressivement dans les années 1880 l'utilisation de l’éther et du chloroforme en obstétrique.

Le principal risque, l'asphyxie par manque de dioxygène, a mené à l'élaboration du mélange équimolaire avec du dioxygène (MEOPA). Bien qu'il ait été utilisé régulièrement sous cette forme durant le XX^e siècle, il n'a obtenu en France son autorisation de mise sur le marché (AMM) qu'en novembre 2001. Auparavant il a été distribué (en dehors de la classification médicament comme les autres gaz médicaux) dans la majorité des blocs opératoires et a constitué l'un des agents de l'anesthésie générale durant le XX^e siècle ; sa faible puissance anesthésique le reléguant au rôle d'adjuvant de médicaments plus puissants, dont il permet de réduire les doses et par là les effets indésirables.

Source

Le sol et les océans sont les principales sources naturelles de ce gaz mais il est également produit par la combustion de matières organiques et de combustibles fossiles, l’industrie... Sa production dans les sols est fortement augmentée par la fertilisation azotée.

En France, l’agriculture contribuerait à hauteur de 76 % aux émissions de N₂O provenant essentiellement de la transformation des produits azotés (engrais, fumier, lisier, résidus de récolte) sur les terres agricoles.

Utilisation

Il est utilisé dans le cadre d'anesthésies locales, généralement lors d'opérations hors hôpitaux (cas d'urgence) ou en cas de contre indications. Ce gaz est également très prisé lors de soirées "stupéfiantes", où les effets de ce gaz sont détournés pour provoquer chez l'inhaleur des sensations de fous rires incontrôlés.

Usage médical

Le protoxyde d'azote exerce un effet antalgique (apaise la douleur) et potentialise (augmente) l'effet des médicaments anesthésiques administrés en même temps. On l'utilise donc :

• en anesthésie, comme composante courante de l'anesthésie générale combinée, en association avec des anesthésiques injectables (hypnotiques, morphiniques, curares) ou inhalés.
• en médecine d'urgence (réductions de fractures ou luxations), pédiatrie ou en salle d'accouchement, sous forme de mélange équimoléculaire avec du dioxygène (MEOPA).
• pour la pratique de gestes douloureux (MEOPA), en particulier chez l'enfant : veinotomie difficile (prise de sang), myélogramme, ponction lombaire,... Il a ici l'avantage d'induire souvent une amnésie du geste, utile quand celui-ci doit être répété. Pour une efficacité accrue, le protoxyde d'azote est ici associé à la prise préventive d'antalgiques, de type morphinique le plus souvent.

Usage dans les moteurs à combustion interne

Du fait de sa teneur en oxygène plus élevée que l'air, le protoxyde d'azote est parfois utilisé comme appoint ou en substitution à ce dernier dans les moteurs à combustion interne. Il permet d'augmenter la charge comburant/carburant dans le cylindre, de favoriser la combustion, et ainsi d'augmenter fortement la puissance du moteur (de 30 % à 100 % environ).

L'injection de protoxyde d'azote fut utilisée durant la Seconde Guerre mondiale dans certains avions de combat allemands (dispositif "GM-1"). À cette époque, ce système visait à compenser la diminution du dioxygène de l'air en altitude (gaz prélevé dans l'air, utilisé comme comburant par les moteurs à pistons), ce qui avait comme conséquence de réduire le niveau de comburant dans le moteur par rapport au carburant, et entraînait, ainsi, une baisse de la puissance délivrée par le moteur ainsi qu'une augmentation de la consommation. L'injection de protoxyde d'azote visait donc à pallier le manque de comburant dans le moteur de manière à permettre à celui-ci de fonctionner à haute altitude avec un rendement identique à un fonctionnement à basse ou moyenne altitude. Le pilote disposait ainsi d'une réserve de puissance qu'il pouvait utiliser jusqu'à l'épuisement de la bonbonne contenant le protoxyde d'azote sous forme liquide, soit une dizaine de minutes.
À l'époque, ces systèmes étaient mal maîtrisés et requéraient une grande précaution d'emploi, surtout sur les très compliqués moteurs allemands. Un pilote souhaitant utiliser le GM-1 devait le faire à une altitude où l'air était déjà raréfié (à partir d'environ 6 000 m d'altitude) et devait réduire les gaz avant de relancer ceux-ci une fois le dispositif mis en route, sous peine de casser le moteur ou, pire, de faire exploser l'avion.

Plus tard, et à l'instar des autres procédés de sur-alimentation tels que le compresseur et le turbo, le principe de l'injection de protoxyde d'azote fut repris en compétition automobile, puis par le particulier puisque l'on trouve sur le marché des kits NOS (Nitrous Oxide Systems) que l'on peut adapter sur à peu près n'importe quelle voiture. Bien que ces kits soient très prisés des amateurs de tuning automobile, leur installation sur des véhicules de série reste illégale dans de nombreux pays. L'utilisation en France reste autorisée du moment que la vanne de sécurité(obligatoire) de la bonbonne est verrouillée et qu'il n'en soit pas fait usage lorsque le véhicule équipé circule sur une voie publique; cependant les assurances sont en droit de refuser de prendre en charge de tels véhicules.

Autres usages

Le protoxyde d'azote est utilisé comme gaz propulseur, notamment dans les bonbonnes de crème chantilly ou d'air sec pour les ordinateurs. Son code européen est le E942.

Dissous dans l'eau, le protoxyde d'azote a un goût sucré.

Il a été utilisé pour la conservation de la viande.

Usage détourné et récréatif

Le protoxyde d'azote peut être détourné à titre récréatif du fait de ses propriétés psychodysleptiques, il est alors le plus souvent inhalé via des ballons afin d'éviter des gelures, des embolies pulmonaires ou cérébrales lors de la détente du gaz (provenant d'une bombe de gaz dépoussiérant ou d'un siphon à chantilly).

Le détournement du protoxyde d'azote est avéré aux États-Unis et au Royaume-Uni depuis le début des années 1980 et en France depuis 1998.

Effets et conséquences, toxicité

Les effets de court terme sont rapides et fugaces. Ils commencent de 15 à 30 secondes après l'absorption et se terminent au bout de 2 à 3 minutes.

À forte dose, il devient narcotique avec comme effets :

• euphorie, sensation de bien-être et fous rires ;
• désinhibition ;
• effet de flottement ;
• distorsions visuelles et auditives ;
• sensation d'alourdissement des membres ;
• modification de la voix, qui devient très grave (exactement l'inverse de l'hélium) ;
• pertes de mémoire.

Effets de doses importantes à court terme

• Nausées, vomissements ;
• hypoxie ;
• vertiges ;
• risques de brûlures irréversibles causées par le froid ;
• hallucination.

Effets de doses importantes à long terme

Un usage intense et régulier du protoxyde d'azote peut provoquer :

• une carence en vitamine B12, et une réduction du taux de B12 circulante entraînant des troubles neurologiques tels que des tremblements ou des problèmes de coordination des mouvements ;
• une anémie ;
• des atteintes de la moelle osseuse et de la moelle épinière ;
• une dépendance psychologique.

Toxicologie

Les effets d'une exposition chronique à de faibles doses sont mal connus, mais ont été étudiés pour certains métiers exposés (anesthésistes en salles de chirurgie par exemple)

À forte dose, il provoque des effets neurologiques (polynévrite avec spasticité) et une anémie macrocytaire, avec réduction du taux de vitamine B12 circulante. Smith, dans une revue des risques sanitaires chez le personnel hospitalier, rappelle qu'il s'agit d'un poison mitotique, qui a été rendu responsable de tumeurs du système lymphoïde et du système réticulo-endothélial chez le personnel intervenant en salle d'opération (avec échanges entre chromatides sœurs selon Saras et al. 1992, Eroglu et al.) chez lequel on a décrit diverses atteintes cytogénétiques (problèmes également posés par l'exposition à d'autres anesthésiques)

Le protoxyde d'azote à haute concentration a déjà provoqué des morts par asphyxie dues à un manque d'oxygène. Cependant, il faut rappeler que les mélanges gazeux employés en anesthésie contiennent toujours au moins 21 % d'oxygène (jusqu'à 50 % dans le cas du MEOPA), ce qui est la proportion d'oxygène dans l'air ambiant. Ces morts sont donc dues à un usage inapproprié et mal contrôlé.

L'usage détourné et prolongé de protoxyde d'azote présente des risques de complications médicales pour le nouveau-né en cas d'usage durant une grossesse.

Production et synthèse

Le protoxyde d'azote est préparé par décomposition du nitrate d'ammonium fondu entre 250 °C et 260 °C.

NH₄NO₃ → N₂O + 2 H₂O.

Il se forme toujours 1 à 2 % de diazote N₂ et du monoxyde d'azote NO. Ce dernier est supprimé par passage sur du sulfate de fer(II). Le nitrate d'ammonium utilisé doit être exempt d'ions chlorure Cl^- qui catalysent la formation de N₂. Cependant, le chauffage de solutions de nitrate d'ammonium dans l'acide nitrique ou dans l'acide sulfurique conduit à du protoxyde d'azote pur même en présence de petites quantités d'ions chlorure.

Réactivité

Le protoxyde d'azote est un gaz peu réactif. A température ambiante, il ne réagit pas avec les dihalogènes (Cl₂, Br₂ ou I₂), ni avec les métaux alcalins (Li, Na, K). Il n'est également pas modifié par l'ozone O₃.

Il peut se fixer sur certains cations métalliques en tant que ligand et forme des complexes comme [Ru(NH₃)₅(N₂O)]²⁺. Il peut aussi oxyder des métaux de transition à basse valence dans les complexes.

À haute température, il se décompose en diazote et dioxygène :

2 N₂O → 2 N₂ + O₂.

Il réagit avec les métaux alcalins, avec de nombreux composés organiques, et il favorise les combustions.

Voir aussi

Article connexe

• Société Air liquide

Liens externes

• (fr) Fiche renseignement Air liquide
• (fr) [PDF] Fiche internationale de sécurité du protoxyde d'azote sur le site de l'INRS
• (fr) Fiche protoxyde d'azote sur le site de l'ADEME
• (fr) Fiche protoxyde d'azote sur le site de l'INRA
• (en) [PDF] NITROUS OXIDE sur NIOSH Resources