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Articulo de referencia

Óxido nitroso

{{Cite web|url=https://www.degruyter.com/database/IUPAC/entry/iupac.compound.948/html|title=[Nitrous oxide]|website=Degruyter.com|access-date=24 July 2022}} ''(not recommended)'...

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El óxido nitroso (óxido de dinitrógeno o monóxido de dinitrógeno), comúnmente conocido como gas de la risa o nitroso, entre otros, [ 4 ] es un compuesto químico , un óxido de nitrógeno con la fórmula N₂O . A temperatura ambiente , es un gas incoloro no inflamable y tiene un aroma y sabor ligeramente dulces. [ 4 ] A temperaturas elevadas, el óxido nitroso es un potente oxidante similar al oxígeno molecular. [ 4 ]

El óxido nitroso tiene importantes usos médicos , especialmente en cirugía y odontología , por sus efectos anestésicos y analgésicos , [ 5 ] y está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [ 6 ] Su nombre coloquial, "gas de la risa", acuñado por Humphry Davy , describe los efectos eufóricos al inhalarlo, lo que hace que se use como droga recreativa que induce un breve " subidón ". [ 5 ] [ 7 ] Es conocido por sus efectos disociativos . Cuando se abusa crónicamente , puede causar daño neurológico a través de la inactivación de la vitamina B 12. [ 8 ] También se usa como oxidante en propelentes de cohetes y combustibles para carreras de motor , y como gas espumante para crema batida .

El óxido nitroso también es un contaminante atmosférico , con una concentración de 333 partes por mil millones (ppb) en 2020, aumentando a 1 ppb anualmente. [ 9 ] [ 10 ] Es un importante eliminador de ozono estratosférico , con un impacto comparable al de los CFC . [ 11 ] Alrededor del 40% de las emisiones causadas por el ser humano provienen de la agricultura , [ 12 ] [ 13 ] ya que los fertilizantes nitrogenados son digeridos en óxido nitroso por microorganismos del suelo . [ 14 ] Como el tercer gas de efecto invernadero más importante , el óxido nitroso contribuye sustancialmente al calentamiento global . [ 15 ] [ 16 ] La reducción de emisiones es un objetivo importante en la política del cambio climático . [ 17 ]

Descubrimiento y uso temprano

El gas fue sintetizado por primera vez en 1772 por el filósofo natural y químico inglés Joseph Priestley, quien lo denominó aire nitroso desflogistizado (véase teoría del flogisto ) [ 18 ] o aire nitroso inflamable . [ 19 ] Priestley publicó su descubrimiento en el libro Experimentos y observaciones sobre diferentes tipos de aire (1775) , donde describió cómo producir la preparación de "aire nitroso disminuido", calentando limaduras de hierro humedecidas con ácido nítrico . [ 20 ]

"Vivir es fácil": Un grabado satírico de 1830 que representa a Humphry Davy administrando una dosis de gas de la risa a una mujer.

El primer uso importante del óxido nitroso fue posible gracias a Thomas Beddoes y James Watt , quienes colaboraron en la publicación del libro Consideraciones sobre el uso médico y la producción de aires artificiales (1794) . Este libro fue importante por dos razones. Primero, James Watt había inventado una novedosa máquina para producir " aires artificiales " (incluido el óxido nitroso) y un novedoso "aparato respiratorio" para inhalar el gas. Segundo, el libro también presentaba las nuevas teorías médicas de Thomas Beddoes, según las cuales la tuberculosis y otras enfermedades pulmonares podían tratarse mediante la inhalación de "aires artificiales". [ 21 ]

Investigaciones químicas y filosóficas de Sir Humphry Davy : principalmente sobre el óxido nitroso (1800), páginas 556 y 557 (derecha), que describen las posibles propiedades anestésicas del óxido nitroso para aliviar el dolor durante la cirugía.

La máquina para producir "aires artificiales" constaba de tres partes: un horno para quemar el material necesario, un recipiente con agua por donde pasaba el gas producido a través de un tubo en espiral (para "lavar" las impurezas) y, finalmente, el cilindro de gas con un gasómetro donde el gas producido, "aire", podía introducirse en bolsas de aire portátiles (hechas de seda aceitosa hermética). El aparato respiratorio consistía en una de las bolsas de aire portátiles conectada mediante un tubo a una boquilla. Con este nuevo equipo diseñado y producido en 1794, se allanó el camino para los ensayos clínicos , que comenzaron en 1798 cuando Thomas Beddoes fundó la " Institución Neumática para el Alivio de Enfermedades mediante Aire Medicinal" en Hotwells ( Bristol ). En el sótano del edificio, una máquina a gran escala producía los gases bajo la supervisión de un joven Humphry Davy, a quien se animaba a experimentar con nuevos gases para que los pacientes los inhalaran. [ 21 ] El primer trabajo importante de Davy fue el estudio del óxido nitroso y la publicación de sus resultados en el libro: Investigaciones químicas y filosóficas (1800) . En esa publicación, Davy señala el efecto analgésico del óxido nitroso en la página 465 y su potencial para ser utilizado en operaciones quirúrgicas en la página 556. [ 22 ] Davy acuñó el nombre de "gas de la risa" para el óxido nitroso. [ 23 ]

A pesar del descubrimiento de Davy de que la inhalación de óxido nitroso podía aliviar el dolor en una persona consciente, transcurrieron otros 44 años antes de que los médicos intentaran usarlo como anestesia . El uso de óxido nitroso como droga recreativa en las "fiestas de gas de la risa", organizadas principalmente para la clase alta británica , se convirtió en un éxito inmediato a partir de 1799. Si bien los efectos del gas generalmente hacen que el usuario parezca estuporoso, soñador y sedado, algunas personas también experimentan "risas nerviosas" en un estado de euforia y con frecuencia estallan en carcajadas. [ 24 ]

Uno de los primeros productores comerciales en los EE. UU. fue George Poe , primo del poeta Edgar Allan Poe , quien también fue el primero en licuar el gas. [ 25 ]

La primera vez que se utilizó óxido nitroso como anestésico en el tratamiento de un paciente fue cuando el dentista Horace Wells , con la ayuda de Gardner Quincy Colton y John Mankey Riggs , demostró la insensibilidad al dolor tras una extracción dental el 11 de diciembre de 1844. [ 26 ] En las semanas siguientes, Wells trató a los primeros 12 a 15 pacientes con óxido nitroso en Hartford, Connecticut , y, según su propio registro, solo fracasó en dos casos. [ 27 ] A pesar de que Wells informó de estos convincentes resultados a la sociedad médica de Boston en diciembre de 1844, este nuevo método no fue adoptado de inmediato por otros dentistas. La razón de esto probablemente fue que Wells, en enero de 1845, en su primera demostración pública ante la facultad de medicina de Boston, había fracasado parcialmente, lo que dejó a sus colegas con dudas sobre su eficacia y seguridad. [ 28 ] El método no se generalizó hasta 1863, cuando Gardner Quincy Colton comenzó a usarlo con éxito en todas sus clínicas de la "Asociación Dental Colton", que acababa de establecer en New Haven y la ciudad de Nueva York . [ 21 ] Durante los tres años siguientes, Colton y sus asociados administraron con éxito óxido nitroso a más de 25 000 pacientes. [ 29 ] Hoy en día, el óxido nitroso se utiliza en odontología como ansiolítico , como complemento de la anestesia local .

El óxido nitroso no resultó ser un anestésico lo suficientemente fuerte para su uso en cirugías mayores en entornos hospitalarios. En su lugar, el éter dietílico , un anestésico más fuerte y potente, fue probado y aceptado para su uso en octubre de 1846, junto con el cloroformo en 1847. [ 21 ] Cuando Joseph Thomas Clover inventó el "inhalador de gas-éter" en 1876, se convirtió en práctica común en los hospitales iniciar todos los tratamientos anestésicos con un flujo suave de óxido nitroso y luego aumentar gradualmente la anestesia con el éter o el cloroformo, más fuertes. El inhalador de gas-éter de Clover fue diseñado para suministrar al paciente óxido nitroso y éter al mismo tiempo, controlando la mezcla exacta el operador del dispositivo. Se mantuvo en uso en muchos hospitales hasta la década de 1930. [ 29 ] Aunque hoy en día los hospitales utilizan una máquina de anestesia más avanzada , estas máquinas siguen utilizando el mismo principio que se inició con el inhalador de gas-éter de Clover, para iniciar la anestesia con óxido nitroso, antes de la administración de un anestésico más potente.

La popularización del óxido nitroso por parte de Colton llevó a su adopción por parte de varios curanderos poco fiables , quienes lo promocionaban como cura para la tuberculosis , la escrófula , el catarro y otras enfermedades de la sangre, la garganta y los pulmones. El tratamiento con óxido nitroso fue administrado y autorizado como medicamento patentado por personas como C.L. Blood y Jerome Harris en Boston, y Charles E. Barney de Chicago. [ 30 ] [ 31 ]

Propiedades químicas y reacciones

El óxido nitroso es un gas incoloro con un ligero olor dulce.

El óxido nitroso favorece la combustión al liberar el radical de oxígeno unido dipolarmente , y por lo tanto puede volver a encender una astilla incandescente .

El N₂O es inerte a temperatura ambiente y tiene pocas reacciones. A temperaturas elevadas, su reactividad aumenta. Por ejemplo , el óxido nitroso reacciona con NaNH₂ a 187 °C (369 ° F) para dar NaN₃ :  

2 NaNH 2 + N 2 O → NaN 3 + NaOH + NH 3

Esta reacción es la ruta adoptada por la industria química comercial para producir sales de azida , que se utilizan como detonadores. [ 32 ]

Mecanismo de acción

El mecanismo de acción farmacológico del N₂O inhalado no se conoce completamente. Sin embargo , se ha demostrado que modula directamente una amplia gama de canales iónicos regulados por ligando , lo que probablemente desempeña un papel importante. Bloquea moderadamente los canales NMDAR y nACh que contienen la subunidad β₂ , inhibe débilmente los receptores AMPA , kainato , GABA A-ρ y 5-HT₃ , y potencia ligeramente los receptores GABA A y de glicina . [ 33 ] [ 34 ] También se ha demostrado que activa los canales de K⁺ de dos dominios de poro . [ 35 ] Si bien el N₂O afecta a varios canales iónicos, sus efectos anestésicos, alucinógenos y euforizantes probablemente se deban principalmente a través de la inhibición de las corrientes mediadas por el receptor NMDA. [ 33 ] [ 36 ] Además de sus efectos sobre los canales iónicos, el N 2 O puede actuar de manera similar al óxido nítrico (NO) en el sistema nervioso central. [ 36 ] El óxido nitroso es de 30 a 40 veces más soluble que el nitrógeno.

Los efectos de inhalar dosis subanestésicas de óxido nitroso pueden variar de forma impredecible según las condiciones y las diferencias individuales; [ 37 ] [ 38 ] sin embargo, Jay (2008) [ 39 ] sugiere que induce de forma fiable los siguientes estados y sensaciones:

  • Intoxicación
  • Euforia/disforia
  • Desorientación espacial
  • Desorientación temporal
  • Disminución de la sensibilidad al dolor

Una minoría de usuarios también experimenta vocalizaciones incontroladas y espasmos musculares. Estos efectos generalmente desaparecen minutos después de retirar la fuente de óxido nitroso. [ 39 ]

Efecto ansiolítico

En pruebas conductuales de ansiedad , una dosis baja de N₂O es un ansiolítico eficaz . Este efecto ansiolítico se asocia con una mayor actividad de los receptores GABA A , ya que se revierte parcialmente con antagonistas de los receptores de benzodiazepinas . De forma similar, los animales que han desarrollado tolerancia a los efectos ansiolíticos de las benzodiazepinas son parcialmente tolerantes al N₂O . [ 40 ] En humanos a los que se les administró un 30 % de N₂O , los antagonistas de los receptores de benzodiazepinas redujeron los informes subjetivos de sentirse "eufóricos", pero no alteraron el rendimiento psicomotor . [ 41 ] [ 42 ]

Efecto analgésico

Los efectos analgésicos del N₂O están vinculados a la interacción entre el sistema opioide endógeno y el sistema noradrenérgico descendente. Cuando a los animales se les administra morfina crónicamente, desarrollan tolerancia a sus efectos analgésicos, y esto también hace que los animales sean tolerantes a los efectos analgésicos del N₂O . [ 43 ] La administración de anticuerpos que se unen y bloquean la actividad de algunos opioides endógenos (no la β -endorfina ) también bloquea los efectos antinociceptivos del N₂O . [ 44 ] Los fármacos que inhiben la degradación de los opioides endógenos también potencian los efectos antinociceptivos del N₂O . [ 44 ] Varios experimentos han demostrado que los antagonistas de los receptores opioides aplicados directamente al cerebro bloquean los efectos antinociceptivos del N₂O , pero estos fármacos no tienen efecto cuando se inyectan en la médula espinal .

Además de una acción indirecta, el óxido nitroso, al igual que la morfina [ 45 ], también interactúa directamente con el sistema opioide endógeno al unirse a los sitios de unión de los receptores opioides. [ 46 ] [ 47 ]

Por el contrario, los antagonistas de los receptores α2 - adrenérgicos bloquean los efectos analgésicos del N2O cuando se administran directamente a la médula espinal, pero no cuando se aplican directamente al cerebro. [ 48 ] Los ratones knockout de receptores α2B - adrenérgicos o los animales con deficiencia de norepinefrina son casi completamente resistentes a los efectos antinociceptivos del N2O . [ 49 ] Aparentemente, la liberación de opioides endógenos inducida por el N2O causa la desinhibición de las neuronas noradrenérgicas del tronco encefálico , que liberan norepinefrina en la médula espinal e inhiben la señalización del dolor. [ 50 ] Aún se desconoce con exactitud cómo el N2O causa la liberación de péptidos opioides endógenos.

Producción

Se utilizan diversos métodos para producir óxido nitroso. [ 51 ]

métodos industriales

Producción de óxido nitroso

El óxido nitroso se prepara a escala industrial calentando cuidadosamente nitrato de amonio [ 51 ] a unos 250  °C, que se descompone en óxido nitroso y vapor de agua. [ 52 ]

NH₄NO₃ → 2 H₂O + N₂O​​​

La adición de diversas sales de fosfato favorece la formación de un gas más puro a temperaturas ligeramente más bajas. Esta reacción puede ser difícil de controlar, lo que puede provocar una detonación . [ 53 ]

Métodos de laboratorio

La descomposición del nitrato de amonio es también un método de laboratorio común para preparar el gas. De forma equivalente, se puede obtener calentando una mezcla de nitrato de sodio y sulfato de amonio : [ 54 ]

2 NaNO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2 N 2 O + 4 H 2 O

Otro método implica la reacción de urea, ácido nítrico y ácido sulfúrico: [ 55 ]

2 (NH 2 ) 2 CO + 2 HNO 3 + H 2 SO 4 → 2 N 2 O + 2 CO 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 + 2 H 2 O

Se ha informado sobre la oxidación directa del amoníaco con un catalizador de dióxido de manganeso y óxido de bismuto : [ 56 ] cf. proceso de Ostwald .

2 NH 3 + 2 O 2 → N 2 O + 3 H 2 O

El cloruro de hidroxilamonio reacciona con el nitrito de sodio para producir óxido nitroso. Si se añade el nitrito a la solución de hidroxilamina, el único subproducto restante es agua salada. Sin embargo, si se añade la solución de hidroxilamina a la solución de nitrito (con exceso de nitrito), también se forman óxidos de nitrógeno superiores tóxicos.

NH₃OHCl + NaNO₂ → N₂O + NaCl + 2 H₂O

También se ha demostrado que el tratamiento de HNO 3 con SnCl 2 y HCl es eficaz:

2 HNO 3 + 8 HCl + 4 SnCl 2 → 5 H 2 O + 4 SnCl 4 + N 2 O

El ácido hiponitroso se descompone en N₂O y agua con una vida media de 16 días a 25 ° C y pH 1–3. [ 57 ]  

H₂N₂O₂ → H₂O + N₂O​​​​​​

Ocurrencia atmosférica

Óxido nitroso ( N₂O ) medido por el Experimento Avanzado de Gases Atmosféricos Globales ( AGAGE ) en la atmósfera inferior ( troposfera ) en estaciones de todo el mundo. Las abundancias se dan como fracciones molares medias mensuales libres de contaminación en partes por mil millones .
Concentración atmosférica de óxido nitroso desde 1978
Tasa de crecimiento anual del óxido nitroso atmosférico desde el año 2000.
Presupuesto de óxido nitroso de la Tierra según el Proyecto Global del Carbono (2024) [ 58 ]

El óxido nitroso es un componente menor de la atmósfera terrestre y forma parte activa del ciclo planetario del nitrógeno . Según el análisis de muestras de aire recolectadas en sitios de todo el mundo, su concentración superó los 330 ppb en 2017 [ 9 ] y los 339 ppb en 2025. [ 59 ] La tasa de crecimiento de aproximadamente 1 ppb por año también se ha acelerado durante las últimas décadas. [ 10 ] La abundancia atmosférica de óxido nitroso ha aumentado más del 20% desde un nivel base de aproximadamente 270 ppb en 1750. [ 60 ] Las propiedades atmosféricas importantes del N₂O se resumen en la siguiente tabla:   

En 2022, el IPCC informó que: "La perturbación humana del ciclo natural del nitrógeno mediante el uso de fertilizantes sintéticos y estiércol, así como la deposición de nitrógeno resultante de la agricultura terrestre y la quema de combustibles fósiles, ha sido el principal impulsor del aumento de N₂O atmosférico de 31,0 ± 0,5 ppb (10 %) entre 1980 y 2019". [ 62 ]

Emisiones por fuente

Se emitieron 17,0 (12,2 a 23,5) millones de toneladas de nitrógeno total anual promedio en N₂O en 2007–2016 . [ 62 ] El N₂O es el tercer gas de efecto invernadero más importante para el calentamiento global y una de las sustancias que más agotan la capa de ozono en el último siglo. [ 63 ] Alrededor del 40% de las emisiones de N₂O provienen de los humanos y el resto forma parte del ciclo natural del nitrógeno. [ 64 ] El N₂O emitido cada año por los humanos tiene un efecto invernadero equivalente a unos 3 mil millones de toneladas de dióxido de carbono: en comparación , los humanos emitieron 37 mil millones de toneladas de dióxido de carbono real en 2019, y metano equivalente a 9 mil millones de toneladas de dióxido de carbono. [ 65 ]

La mayor parte del N₂O emitido a la atmósfera, tanto de fuentes naturales como antropogénicas, es producido por microorganismos como bacterias desnitrificantes y hongos en suelos y océanos. [ 66 ] Los suelos bajo vegetación natural son una fuente importante de óxido nitroso, representando el 60% de todas las emisiones producidas naturalmente. Otras fuentes naturales incluyen los océanos (35%) y las reacciones químicas atmosféricas (5%). [ 67 ] Los humedales también pueden ser emisores de óxido nitroso . [ 68 ] [ 69 ] Las emisiones por deshielo del permafrost pueden ser significativas, pero a partir de 2022 esto no es seguro. [ 62 ]

Los principales componentes de las emisiones antropogénicas son los suelos agrícolas fertilizados y el estiércol del ganado (42%), la escorrentía y lixiviación de fertilizantes (25%), la quema de biomasa (10%), la combustión de combustibles fósiles y los procesos industriales (10%), la degradación biológica de otras emisiones atmosféricas que contienen nitrógeno (9%) y las aguas residuales humanas (5%). [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] La agricultura aumenta la producción de óxido nitroso a través del cultivo del suelo, el uso de fertilizantes nitrogenados y el manejo de desechos animales. [ 75 ] Estas actividades estimulan a las bacterias presentes de forma natural a producir más óxido nitroso. Las emisiones de óxido nitroso del suelo pueden ser difíciles de medir, ya que varían marcadamente en el tiempo y el espacio, [ 76 ] y la mayor parte de las emisiones de un año pueden ocurrir cuando las condiciones son favorables durante "momentos críticos" [ 77 ] [ 78 ] y/o en lugares favorables conocidos como "puntos críticos". [ 79 ]

Entre las emisiones industriales, la producción de ácido nítrico y ácido adípico son las principales fuentes de emisiones de óxido nitroso. Las emisiones de ácido adípico provienen específicamente de la degradación del intermediario ácido nítrico derivado de la nitración de la ciclohexanona . [ 70 ] [ 80 ] [ 81 ]

Emisiones de óxido nitroso
Agricultura con óxido nitroso

Procesos biológicos

Los procesos microbianos que generan óxido nitroso pueden clasificarse como nitrificación y desnitrificación . Específicamente, incluyen:

  • nitrificación autotrófica aeróbica , la oxidación gradual del amoníaco ( NH₃ ) a nitrito ( NO₂⁻ ) y a nitrato ( NO₃⁻ ) .
  • desnitrificación heterotrófica anaeróbica, la reducción gradual de NO − 3 a NO − 2 , óxido nítrico (NO), N 2 O y finalmente N 2 , donde las bacterias anaerobias facultativas usan NO − 3 como aceptor de electrones en la respiración de materia orgánica en condiciones de oxígeno insuficiente ( O 2 ).
  • desnitrificación de nitrificadores, que es llevada a cabo por bacterias autotróficas oxidantes de NH 3 y la vía por la cual el amoníaco ( NH 3 ) se oxida a nitrito ( NO − 2 ), seguido de la reducción de NO − 2 a óxido nítrico (NO), N 2 O y nitrógeno molecular ( N ​​2 ).
  • nitrificación heterotrófica
  • desnitrificación aeróbica por los mismos nitrificadores heterótrofos
  • desnitrificación fúngica
  • quimiodesnitrificación no biológica

Estos procesos se ven afectados por las propiedades químicas y físicas del suelo, como la disponibilidad de nitrógeno mineral y materia orgánica , la acidez y el tipo de suelo, así como por factores relacionados con el clima, como la temperatura del suelo y el contenido de agua.

La emisión del gas a la atmósfera está muy limitada por su consumo dentro de las células, mediante un proceso catalizado por la enzima óxido nitroso reductasa . [ 82 ]

Usos

motores de cohete

El óxido nitroso puede utilizarse como oxidante en un motor de cohete . En comparación con otros oxidantes, es mucho menos tóxico y más estable a temperatura ambiente, lo que facilita su almacenamiento y hace más seguro su transporte en vuelo. Su alta densidad y baja presión de almacenamiento (cuando se mantiene a bajas temperaturas) lo hacen altamente competitivo con los sistemas de gas almacenado a alta presión. [ 83 ]

En una patente de 1914, el pionero estadounidense de la cohetería, Robert Goddard, sugirió el óxido nitroso y la gasolina como posibles propelentes para un cohete de combustible líquido. [ 84 ] El óxido nitroso ha sido el oxidante preferido en varios diseños de cohetes híbridos (que utilizan combustible sólido con un oxidante líquido o gaseoso). La combinación de óxido nitroso con combustible de polibutadieno con terminación hidroxilo ha sido utilizada por SpaceShipOne y otros. También se utiliza notablemente en cohetería amateur y de alta potencia con diversos plásticos como combustible.

El óxido nitroso también puede utilizarse como monopropelente . En presencia de un catalizador calentado a una temperatura de 577 °C (1071 °F) , el N₂O se descompone exotérmicamente en nitrógeno y oxígeno. [ 85 ] Debido a la gran liberación de calor, la acción catalítica pasa rápidamente a un segundo plano, ya que la autodescomposición térmica se vuelve dominante. En un propulsor de vacío, esto puede proporcionar un impulso específico monopropelente ( Isp ) de hasta 180 s. Si bien es notablemente menor que el Isp disponible en los propulsores de hidrazina (monopropelente o bipropelente con tetróxido de dinitrógeno ), la menor toxicidad hace que el óxido nitroso sea una opción valiosa.  

La ignición del óxido nitroso depende críticamente de la presión. Se deflagra a aproximadamente 600 °C (1112 °F) a una presión de 309 psi (21 atmósferas). [ 86 ] A 600 psi , la energía de ignición requerida es de solo 6 julios, mientras que a 130 psi una energía de ignición de 2500 julios es insuficiente. [ 87 ] [ 88 ]       

motor de combustión interna

En las carreras de vehículos , el óxido nitroso (a menudo llamado " nitroso " en este contexto) aumenta la potencia del motor al proporcionar más oxígeno durante la combustión, lo que permite que el motor queme más combustible. Es un agente oxidante aproximadamente equivalente al peróxido de hidrógeno y mucho más potente que el oxígeno molecular. El óxido nitroso no es inflamable a baja presión/temperatura, pero a unos 300 °C (572 °F) , su descomposición libera más oxígeno que el aire atmosférico. A menudo se mezcla con otro combustible que es más fácil de deflagrar.  

El óxido nitroso se almacena como un líquido comprimido. En el colector de admisión del motor , la evaporación y expansión del líquido provoca una gran disminución de la temperatura de la carga de admisión, lo que resulta en una carga más densa y permite que entre más mezcla aire/combustible en el cilindro. En ocasiones, el óxido nitroso se inyecta en el colector de admisión (o antes de él), mientras que otros sistemas lo inyectan directamente justo antes del cilindro (inyección directa en el puerto).

Esta técnica fue utilizada durante la Segunda Guerra Mundial por los aviones de la Luftwaffe equipados con el sistema GM-1 para aumentar la potencia de sus motores . Originalmente concebida para proporcionar a los aviones estándar de la Luftwaffe un rendimiento superior a gran altitud, consideraciones tecnológicas limitaron su uso a altitudes extremadamente elevadas. Por consiguiente, solo se empleó en aviones especializados, como aviones de reconocimiento de gran altitud , bombarderos de alta velocidad e interceptores de gran altitud . En ocasiones, también se podía encontrar en aviones de la Luftwaffe equipados con otro sistema de sobrealimentación, el MW 50 , un sistema de inyección de agua para motores de aviación que utilizaba metanol para su capacidad de sobrealimentación.

Uno de los principales problemas del óxido nitroso como oxidante en un motor alternativo es la potencia excesiva: si la estructura mecánica del motor no está debidamente reforzada, puede sufrir daños graves o incluso destruirse. Al utilizar óxido nitroso en motores de gasolina, es importante mantener temperaturas de funcionamiento y niveles de combustible adecuados y uniformes para evitar la preignición (también llamada detonación o golpeteo de chispa). [ 89 ] Sin embargo, la mayoría de los problemas asociados con el óxido nitroso no provienen de la potencia excesiva, sino de la presión excesiva, ya que el gas genera una carga mucho más densa en el cilindro. El aumento de presión y temperatura puede fundir, agrietar o deformar el pistón, la válvula y la culata.

El óxido nitroso líquido de grado automotriz difiere ligeramente del de grado médico. Se le agrega una pequeña cantidad de dióxido de azufre ( SO₂ ) para prevenir el abuso de sustancias. [ 90 ]

Propelente de aerosol para alimentos

Cartuchos de N₂O aptos para uso alimentario para nata montada

Este gas está homologado para su uso como aditivo alimentario ( número E  : E942), concretamente como propelente para aerosoles . Se utiliza habitualmente en botes de nata montada en aerosol y en aerosoles para cocinar .

El gas es extremadamente soluble en compuestos grasos. En la nata montada en aerosol presurizada, se disuelve en la nata grasa hasta que sale del envase, momento en el que se convierte en gas y crea espuma. Esto produce una nata montada con un volumen cuatro veces mayor que el del líquido, mientras que batir aire en la nata solo produce el doble de volumen. A diferencia del aire, el óxido nitroso inhibe la rancidez de la grasa de la mantequilla. El dióxido de carbono no se puede usar para la nata montada porque es ácido en el agua, lo que cortaría la nata y le daría un brillo similar al de una bebida gaseosa.

La crema batida extra espumosa producida con óxido nitroso es inestable y volverá a su estado líquido en un plazo de media hora a una hora. [ 91 ] Por lo tanto, no es adecuada para decorar alimentos que no se vayan a servir inmediatamente.

Asimismo, los aerosoles para cocinar, elaborados a partir de diversos aceites con lecitina como emulsionante , pueden utilizar óxido nitroso como propelente o, alternativamente, alcohol o propano aptos para uso alimentario .

Médico

Tanques de N₂O de grado médico utilizados en odontología.

El óxido nitroso se ha utilizado en odontología y cirugía, como anestésico y analgésico, desde 1844. [ 21 ] En sus inicios, el gas se administraba mediante inhaladores sencillos que consistían en una bolsa de respiración hecha de tela de goma. [ 29 ] Hoy en día, el gas se administra en hospitales mediante una máquina de analgesia relativa automatizada , con un vaporizador de anestésico y un ventilador médico , que suministra un flujo de óxido nitroso mezclado con oxígeno en una proporción de 2:1, dosificado con precisión y activado por la respiración .

El óxido nitroso es un anestésico general débil , por lo que generalmente no se usa solo en anestesia general, sino como gas portador (mezclado con oxígeno) para fármacos anestésicos generales más potentes como el sevoflurano o el desflurano . Tiene una concentración alveolar mínima del 105 % y un coeficiente de partición sangre/gas de 0,46. El uso de óxido nitroso en anestesia puede aumentar el riesgo de náuseas y vómitos postoperatorios. [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]

Los dentistas utilizan una máquina más sencilla que solo suministra una mezcla de N₂O y O₂ para que el paciente la inhale mientras está consciente, pero debe ser un caudalímetro analgésico relativo específico, reconocido y diseñado para tal fin , con un mínimo del 30 % de oxígeno en todo momento y un límite superior máximo del 70 % de óxido nitroso. El paciente permanece consciente durante todo el procedimiento y conserva las facultades mentales suficientes para responder a las preguntas e instrucciones del dentista. [ 95 ]

La inhalación de óxido nitroso se utiliza con frecuencia para aliviar el dolor asociado al parto , traumatismos , cirugía oral y síndrome coronario agudo (incluidos los infartos). Se ha demostrado que su uso durante el parto es una ayuda segura y eficaz para las mujeres parturientas. [ 96 ] Se desconoce el beneficio de su uso para el síndrome coronario agudo. [ 97 ]

En Canadá y el Reino Unido, Entonox y Nitronox son utilizados habitualmente por los equipos de ambulancias (incluidos profesionales no titulados) como gases analgésicos rápidos y altamente eficaces.

El óxido nitroso al 50% puede considerarse para su uso por personal de primeros auxilios no profesional capacitado en entornos prehospitalarios, dada la relativa facilidad y seguridad de su administración como analgésico. La rápida reversibilidad de su efecto también evitaría que impidiera el diagnóstico. [ 98 ]

Recreativo

Dibujo a la aguatinta de una fiesta con óxido nitroso en el siglo XIX, obra de Thomas Rowlandson.
Señal de tráfico que indica la prohibición del uso de óxido nitroso cerca de la calle Poelestraat en Groningen.
Restos de cartuchos de óxido nitroso (los pequeños recipientes de acero) procedentes del consumo recreativo de drogas, Países Bajos, 2017.

La inhalación recreativa de óxido nitroso , para inducir euforia y leves alucinaciones , comenzó con la clase alta británica en 1799 en reuniones conocidas como "fiestas de gas de la risa". [ 99 ]

Desde el siglo XIX, la amplia disponibilidad del gas para fines médicos y culinarios permitió que su uso recreativo se expandiera enormemente a nivel mundial. En el Reino Unido, en 2014, se estimaba que casi medio millón de jóvenes utilizaban óxido nitroso en locales nocturnos, festivales y fiestas. [ 100 ]

El uso recreativo generalizado de la droga en todo el Reino Unido fue presentado en el documental de Vice de 2017 , Inside The Laughing Gas Black Market , en el que el periodista Matt Shea se reunió con traficantes de la droga que la robaban de hospitales. [ 101 ]

Un problema importante mencionado en la prensa londinense es el efecto de la basura de bombonas de óxido nitroso, que es muy visible y provoca numerosas quejas de las comunidades. [ 102 ]

Antes del 8 de noviembre de 2023 en el Reino Unido, el óxido nitroso estaba sujeto a la Ley de Sustancias Psicoactivas de 2016, lo que ilegalizaba su producción, suministro, importación o exportación para uso recreativo. La ley actualizada prohibió la posesión de óxido nitroso, clasificándolo como droga de Clase C según la Ley sobre el Uso Indebido de Drogas de 1971. [ 103 ]

Si bien la mayoría de los usuarios recreativos entienden que el óxido nitroso produce un "subidón seguro", muchos desconocen que su consumo excesivo puede causar daño neurológico que, si no se trata, puede provocar daños neurológicos permanentes. [ 104 ] En Australia, el uso recreativo se convirtió en un problema de salud pública tras un aumento en los informes de neurotoxicidad y admisiones a urgencias . En el estado de Australia Meridional, se aprobó una ley en 2020 para restringir la venta de cartuchos. [ 105 ]

En 2024, bajo el nombre callejero de " Gas Galaxia ", el óxido nitroso experimentó un auge de popularidad entre los jóvenes para uso recreativo, impulsado en parte por las tendencias de TikTok . [ 106 ] [ 107 ]

Seguridad

El óxido nitroso es un riesgo laboral significativo para cirujanos, dentistas y enfermeros. Debido a que el gas se metaboliza mínimamente en humanos (con una tasa del 0,004 %), conserva su potencia al ser exhalado por el paciente en la habitación y puede intoxicar al personal clínico si la habitación está mal ventilada, con la consiguiente exposición crónica. Puede ser necesario un sistema de ventilación de aire fresco de flujo continuo o un sistema de extracción de N₂O para evitar la acumulación de gases residuales. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional recomienda que se controle la exposición de los trabajadores al óxido nitroso durante la administración de gases anestésicos en procedimientos médicos, dentales y veterinarios. [ 108 ] Estableció un límite de exposición recomendado (REL) de 25 ppm (46 mg/m³ ) para el anestésico que se escapa. [ 109 ] 

La exposición al óxido nitroso provoca un deterioro a corto plazo de la cognición, la agudeza audiovisual y la destreza manual, así como desorientación espacial y temporal, [ 110 ] poniendo al usuario en riesgo de sufrir lesiones accidentales. [ 39 ]

El óxido nitroso es neurotóxico , y el consumo habitual a medio o largo plazo de cantidades significativas puede causar daño neurológico con potencial de daño permanente si no se trata. [ 105 ] [ 104 ] Se cree que, al igual que otros antagonistas del receptor NMDA , el N 2 O produce lesiones de Olney en roedores tras una exposición prolongada (varias horas). [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] Sin embargo, debido a que normalmente se expulsa del cuerpo rápidamente, es menos probable que sea neurotóxico que otros antagonistas del NMDAR. [ 115 ] En roedores, la exposición a corto plazo produce solo una lesión leve que es rápidamente reversible, y la muerte neuronal ocurre solo después de una exposición constante y sostenida. [ 111 ] El óxido nitroso también puede causar neurotoxicidad después de una exposición prolongada debido a la hipoxia . Esto es especialmente cierto en el caso de formulaciones no médicas como los cartuchos de crema batida ("whippits" o "nangs"), [ 116 ] que no contienen gas oxígeno. [ 117 ]

En los informes a los centros de control de intoxicaciones, los grandes consumidores (≥400 g o ≥200 L de gas N₂O en una sola sesión) o los consumidores frecuentes (regulares, es decir, diarios o semanales) han desarrollado signos de neuropatía periférica : ataxia (alteraciones de la marcha) o parestesia (percepción de sensaciones como hormigueo, entumecimiento o pinchazos, principalmente en las extremidades). Estos signos tempranos de daño neurológico indican toxicidad crónica . [ 118 ]

El óxido nitroso podría tener un uso terapéutico en el tratamiento del accidente cerebrovascular . En un modelo de roedor, el óxido nitroso al 75% en volumen redujo la muerte neuronal inducida por isquemia mediante la oclusión de la arteria cerebral media y disminuyó la entrada de Ca2 + inducida por NMDA en cultivos de células neuronales, una causa de excitotoxicidad . [ 115 ]

La exposición ocupacional al óxido nitroso ambiental se ha asociado con daño al ADN, debido a interrupciones en la síntesis de ADN. [ 119 ] Esta correlación depende de la dosis [ 120 ] [ 121 ] y no parece extenderse al uso recreativo ocasional; sin embargo, se necesita más investigación para confirmar el nivel de exposición necesario para causar daño.

La inhalación de óxido nitroso puro provoca privación de oxígeno, lo que resulta en hipotensión, desmayos e incluso ataques cardíacos. Esto puede ocurrir si el usuario inhala grandes cantidades de forma continua, como con una máscara de sujeción conectada a un tanque de gas u otro sistema de inhalación, o si contiene la respiración durante un tiempo prolongado. [ 122 ]

La exposición prolongada al óxido nitroso puede causar deficiencia de vitamina B12 . Esto puede provocar neurotoxicidad grave si el usuario tiene una deficiencia preexistente de vitamina B12. [ 123 ] Inactiva la forma cobalamina de la vitamina B12 por oxidación. Los síntomas de la deficiencia de vitamina B12 , incluyendo neuropatía sensorial , mielopatía y encefalopatía , pueden aparecer días o semanas después de la exposición a la anestesia con óxido nitroso en personas con deficiencia subclínica de vitamina B12 . Los síntomas se tratan con altas dosis de vitamina B12 , pero la recuperación puede ser lenta e incompleta. [ 124 ] Las personas con niveles normales de vitamina B12 tienen reservas que hacen que los efectos del óxido nitroso sean insignificantes, a menos que la exposición sea repetida y prolongada (abuso de óxido nitroso). Se deben controlar los niveles de vitamina B12 en personas con factores de riesgo de deficiencia de vitamina B12 antes de usar anestesia con óxido nitroso. [ 125 ]

Varios estudios experimentales en ratas indican que la exposición crónica de hembras preñadas al óxido nitroso puede tener efectos adversos en el feto en desarrollo. [ 126 ] [ 127 ] [ 128 ]

A temperatura ambiente ( 20 °C [68 °F] ), la presión de vapor saturado es de 50,525 bar, aumentando hasta 72,45 bar a 36,4 °C (97,5 °F) , la temperatura crítica . La curva de presión es, por lo tanto, inusualmente sensible a la temperatura. [ 129 ] Al igual que con muchos oxidantes fuertes, la contaminación de piezas con combustibles ha estado implicada en accidentes de cohetes, donde pequeñas cantidades de mezclas de nitroso/combustible explotan debido a efectos similares al " golpe de ariete " (a veces llamado "dieseling": el calentamiento debido a la compresión adiabática de gases puede alcanzar temperaturas de descomposición). [ 130 ] Algunos materiales de construcción comunes, como el acero inoxidable y el aluminio, pueden actuar como combustibles con oxidantes fuertes como el óxido nitroso, al igual que los contaminantes que pueden encenderse debido a la compresión adiabática. [ 131 ] También se han producido incidentes en los que la descomposición del óxido nitroso en las tuberías ha provocado la explosión de grandes tanques. [ 86 ]     

Impacto ambiental

El registro global de fuentes y sumideros de N₂O durante la década que finalizó en 2016 indica que alrededor del 40% del promedio de 17 Tg N /año ( teragramos , o millones de toneladas métricas, de nitrógeno por año) de emisiones se originaron por la actividad humana, y muestra que el crecimiento de las emisiones provino principalmente de la expansión de la agricultura . [ 12 ] [ 13 ]  

Tendencias en la abundancia atmosférica de gases de efecto invernadero de larga duración

El óxido nitroso tiene un potencial significativo de calentamiento global como gas de efecto invernadero . En términos de moléculas individuales, considerando un período de 100 años, el óxido nitroso tiene 265 veces la capacidad de retención de calor atmosférico del dióxido de carbono ( CO₂ ) . [ 61 ] Sin embargo, debido a su baja concentración (menos de una milésima parte de la del CO₂ ) , su contribución al efecto invernadero es menos de un tercio de la del dióxido de carbono, y también menor que la del metano . [ 132 ] Por otro lado, dado que aproximadamente el 40% del N₂O que ingresa a la atmósfera es resultado de la actividad humana, [ 70 ] el control del óxido nitroso forma parte de los esfuerzos para frenar las emisiones de gases de efecto invernadero . [ 133 ]

La mayor parte del óxido nitroso liberado a la atmósfera por causas antropogénicas proviene de las emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura , cuando los agricultores añaden fertilizantes nitrogenados a los campos y mediante la descomposición del estiércol animal. La reducción de las emisiones puede ser un tema candente en la política del cambio climático . [ 134 ]

El óxido nitroso también se libera como subproducto de la combustión de combustibles fósiles, aunque la cantidad liberada depende del combustible utilizado. Asimismo, se emite durante la fabricación de ácido nítrico , empleado en la síntesis de fertilizantes nitrogenados. La producción de ácido adípico, precursor del nailon y otras fibras sintéticas para ropa, también libera óxido nitroso. [ 135 ]

Se ha sugerido que un aumento en las concentraciones atmosféricas de óxido nitroso podría contribuir al calentamiento global extremadamente intenso ocurrido durante el evento del límite Cenomaniense-Turoniense . [ 136 ]

El óxido nitroso también se ha relacionado con el adelgazamiento de la capa de ozono . [ 137 ] Un estudio de 2009 sugirió que la emisión de N₂O era la emisión más importante que agotaba la capa de ozono y se esperaba que siguiera siendo la mayor a lo largo del siglo XXI. [ 11 ] [ 138 ]

Legalidad

En India, la transferencia de óxido nitroso de cilindros a granel a tanques tipo E más pequeños y transportables, con una capacidad de 1.590 litros [ 139 ], es legal cuando está destinada a la anestesia médica.

El Ministerio de Salud de Nueva Zelanda ha advertido que el óxido nitroso es un medicamento de venta con receta, cuya venta o posesión sin receta constituye un delito según la Ley de Medicamentos. [ 140 ] Esto aparentemente prohibiría todos los usos no medicinales del óxido nitroso, aunque se da a entender que solo se abordará el uso recreativo.

En agosto de 2015, el Ayuntamiento del distrito londinense de Lambeth ( Reino Unido ) prohibió el uso de la droga con fines recreativos, imponiendo a los infractores una multa inmediata de hasta 1000 libras esterlinas. [ 141 ] En septiembre de 2023, el Gobierno del Reino Unido anunció que el óxido nitroso sería declarado ilegal a finales de año como droga de clase C, y que su posesión podría conllevar una pena de prisión de hasta dos años o una multa ilimitada. [ 142 ]

La posesión de óxido nitroso es legal según la ley federal de los Estados Unidos y no está sujeta a la jurisdicción de la DEA . [ 143 ] Sin embargo, está regulada por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA ) bajo la Ley de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos; es posible el enjuiciamiento bajo sus cláusulas de "etiquetado engañoso", que prohíben la venta o distribución de óxido nitroso para consumo humano sin una licencia médica adecuada. Muchos estados tienen leyes que regulan la posesión, venta y distribución de óxido nitroso. Dichas leyes generalmente prohíben la distribución a menores o limitan la cantidad que se puede vender sin una licencia especial. Por ejemplo, en California, la posesión para uso recreativo está prohibida y se considera un delito menor. [ 144 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ "Óxido nitroso" no es un nombre recomendable porque el sufijo -oso significa "lleno de". La palabra "nitroso" significa efectivamente "lleno de nitrógeno", pero no especifica una cantidad específica de átomos de nitrógeno, por lo que "óxido nitroso" podría referirse a N₂O , N₃O , N₄O , etc. Además, no hay ningún prefijo numérico delante de "óxido", lo que podría significar que el término "óxido nitroso" podría referirse a cualquier compuesto con al menos 2 átomos de nitrógeno y 1 átomo de oxígeno, pero esto no plantea tanta preocupación en química como "nitroso".

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