گاز نیتروس اکساید چیست؟ کاربردها و نکات ایمنی
نیتروژن مونوکسید با فرمول شیمیایی N2O گازی از ترکیبات نیتروژن است که با نام های گاز خنده، نیتروس اکساید و گاز صناعی نیز شناخته می‌شود. این گاز یکی از قدیمی‌ترین و مهم‌ترین گازها در علم پزشکی برای بیهوشی و بی‌حسی محسوب می‌شود. هم‌چنین امروزه از این گاز در صنایع مختلف دیگری نیز استفاده می‌شود. در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی فیزیک قصد داریم تا در آغاز داستان ساخت و تولید نیتروس اکساید را مرور کنیم، سپس به سراغ ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این گاز برویم، حضور این گاز را در اتاق‌های عمل سزارین، یونیت‌های دندانپزشکی، موتور خودروهای مسابقه‌ای و خامه‌های پف کرده رصد کنیم و در پایان پرده از راز خنده‌آور بودن نیتروس اکساید برداریم.
آغاز و تولید گاز نیتروس اکساید
شخصی به نام «جوزف پرستلی» در سال ۱۷۷۴ با پاشیدن نیتریک اسید بر روی براده‌های آهن نیتروس اکساید را ساخت. تقریباً تا مدت‌ها کمتر کسی از کاربردها و ویژگی‌های این گازِ به‌ظاهر بی‌رنگ و نشان خبر داشت و اغلب به‌عنوان ماده‌ی توهم‌زا و سرخوش کننده در میان مردم شناخته و مصرف می‌شد. تا اینکه در سال ۱۸۰۰ «سر همفری دیوی» در کتاب خود به خواص فیزیکی و شیمیایی نیتروس اکساید اشاره کرد؛ و در ۱۸۴۴ «هوراس ولز» بر اساس داده‌های این کتاب، برای اولین بار از گاز نیتروژن مونوکسید به‌عنوان ضد درد در دندانپزشکی استفاده کرد؛ و حدود ۲۰ سال بعد «گاردنر کویینسی کولتون» با افزودن اکسیژن به این گاز، از خطرات احتمالی آن در عمل‌های جراحی به‌عنوان داروی بی‌هوش کننده و ضد درد کاست.
در اواخر قرن ۱۹ نیتروس اکساید در عمل‌های سزارین و زایمان‌های طبیعی به‌عنوان بی‌حس‌کننده و تسکین‌دهنده‌ی درد به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شد. تا اینکه در اوایل قرن ۲۰ به‌عنوان داروی بیهوشی و کنترل‌کننده‌ی درد، در سایر اتاق‌های عمل جراحی نیز به کار گرفته شد و تا امروز دارویی ماندگار در علم بیهوشی باقی‌مانده است.
خاصیت فیزیکی و شیمیایی گاز نیتروس اکساید
نیتروس اکساید گازی متشکل از ۲ اتم نیتروژن و ۱ اتم اکسیژن با وزن مولکولی ۴۴ و بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌طعم است. باوجود خاصیت غیرقابل اشتعال بودن، به دلیل خاصیت اکسندگی در تقویت شعلهٔ آتش مؤثر می‌باشد. در دمای اتاق به شکل گازی بی‌اثر با واکنش‌پذیری بسیار کم، در فشار ۵۰ اتمسفر به‌صورت مایع در سیلندرهای مخصوص نگهداری می‌شود؛ با این وجود با افزایش دما میل به واکنش نیز در این ترکیب زیاد می‌شود. گاز نیتروس اکساید به‌طور طبیعی از گاز تولیدشده‌ی کود وارد اتمسفر می‌شود و به دلیل وجود عنصر نیتروژن در ساختار خود، جزو گازهای گلخانه‌ای است که برای لایهٔ ازون خطرآفرین و از گازهای آلوده‌کنندهٔ هوا محسوب می‌شود.
تهیه‌ی گاز نیتروس اکساید:
گاز نیتروس اکساید یا نیتروژن مونوکسید به ۲ روش در صنعت و آزمایشگاه ساخته می‌شود. روش اول از طریق واکنش دادن نیتریک اسید با براده‌های آهن است؛ و روش دوم از طریق گرما دادن به نیترات آمونیوم تا دمای ۲۷۰ الی ۳۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد انجام می‌شود. درروش ۲ نیتروس اکساید به همراه چند گاز دیگر تولید می‌شوند که از طریق روش‌های جداسازی و خالص‌سازی درنهایت گاز نیتروس اکساید به دست می‌آید.
کاربردهای گاز نیتروس اکساید در صنایع:
۱- پزشکی و دندانپزشکی
همان‌طور که اشاره کردیم اولین بار نیتروژن مونوکسید به‌عنوان بی‌حس‌کننده در دندانپزشکی مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن در مدت‌زمانی کوتاه به‌صورت یک داروی بی‌هوش کننده و بی‌حس‌کننده برای سایر عمل‌های جراحی نیز به‌طور گسترده معرفی و عرضه شد.
بااینکه این گاز بر روی تمام حس‌های شش‌گانه اثر می‌گذارد؛ اما به‌عنوان یک بی‌هوش کنندهٔ ضعیف به‌حساب می‌آید و برای بیهوشی‌های کامل با داروهای دیگر ترکیب می‌شود، اما ازلحاظ مدت‌زمان کوتاه در اثربخشی مورد تأیید است؛ چراکه تنها پس از ۳۰ ثانیه بعد از استنشاق، اثراتش بر روی حواس شروع می‌شود و ظرف ۲ الی ۳ دقیقه به اوج اثربخشی خود می‌رسد؛ و از طرفی در صورت قطع تماس با گاز نیز، آثارش ظرف ۳ الی ۵ دقیقه به‌کلی از بین می‌رود. غلظت‌های متنوع نیتروس اکساید طیفی از اثرات متفاوتی را در بی‌حسی و بیهوشی به‌جا می‌گذارد. برای مثال از غلظت ۲۰ الی ۳۰ درصد که اثرات بی‌دردی دارد تا غلطت ۷۰ درصد که فرد را در آستانهٔ بیهوشی نسبی قرار می‌دهد توسط پزشکان به کار گرفته می‌شود.
بااینکه مکانیسم دقیق و مشخصی تاکنون برای این گاز در بی‌حسی پیدا نشده است، اما شواهدی اثر این گاز را بر مراکز دریافت حس در مغز و نخاع تأیید می‌کند. از مزایای استفاده از نیتروژن مونوکسید به‌عنوان بی‌هوش کننده و بی‌حس‌کننده و ضد درد، عدم متابولیز و تغییر ساختاری این گاز درون بدن است. به‌طوری‌که بدون تغییر ساختاری، مقادیر اضافی‌اش در بدن از طریق ریه‌ها دفع می‌شود. هم‌چنین گزارش‌هایی مبنی بر مرگ یا اثرات مخرب این گازبر روی کلیه‌ها، کبد و سایر اعضای داخلی تاکنون به چشم نخورده است.
نیتروس اکساید در جراحی چشم
مواردی نیز برای منع مصرف یا کنترل غلظت این گاز برای بیماران تحت شرایط خاص وجود دارد. برای مثال گاز نیتروس اکساید برای بیمارانی که جراحی چشم داشته‌اند تجویز نمی‌شود. چراکه در صورت وجود حباب گاز در چشم، به توسعه و تشدید این حباب‌ها کمک می‌کند. هم‌چنین برای کسانی که صدماتی به جمجمه داشته‌اند؛ به دلیل کمک به افزایش فشار داخل جمجمه، یا خطر به دام افتادن هوا در بدن تجویز نمی‌شود. هم‌چنین تجویز زیاد گازنیتروس اکساید برای افراد مستعد، خطر کاهش چشمگیر ویتامین B۱۲ را در پی دارد.
مواردی مانند کاهش فشارخون، تحریک سیستم اعصاب مرکزی و پیامدهایی مانند سرگیجه، سردرد، آپنهٔ تنفسی و عوارض گوارشی مانند تهوع از عوارض پس از مصرف نیتروس اکساید به‌عنوان ضد درد یا داروی بیهوشی است.
در کرایوتراپی هم نیتروس اکساید به‌صورت مایع درون دستگاه کرایو وجود دارد و زمانی که بر روی ضایعهٔ موردنظر اسپری می‌شود به دلیل تولید سرمای شدید و ایجاد دمای پایین در محل ضایعه، سبب فریز شدن و مرگ سلول‌های ناحیه می‌شود.
۲- صنعت خودرو
از نیتروس اکساید به‌عنوان عامل تقویت‌کننده در موتور خودرو برای کمک به افزایش اکسیژن‌رسانی برای سوزاندن سوخت موتور و بهره‌وری بیشتر استفاده می‌شود. گاز نیتروس اکساید از طریق واکنشی گرماگیر دمای محفظهٔ احتراق را به هنگام واکنش سوختن به شکل قابل‌توجهی می‌گیرد؛ این کار سبب می‌شود موتور خودرو زیاد داغ نشود.
هم‌چنین طی این واکنش گاز می‌شکند و اکسیژن و نیتروژن تولید می‌کند که با واکنش اتم‌های اکسیژن باهم و تولید مولکول اکسیژن، سوخت اضافهٔ خودرو نیز وارد واکنش سوختن می‌شود و نیروی موتور بالاتر می‌رود.
البته گاز نیتروس اکساید به‌صورت گاز مایع در داخل محفظه‌هایی تحت شرایط فشاری خاصی در موتورِ خودرو نگهداری می‌شود. نام این محفظه‌ها bottle Heathers یا Bottle Warmers است، این گاز از طریق شلنگ‌هایی وارد سیلندر می‌شود و در حین تزریق به دلیل کاهش فشار از حالت مایع به گاز درمیاید.
نیتروس اکساید در سه حالت وارد محفظه‌ی حریق موتور می‌شود:
- تزریق در حالت خشک: در این حالت گاز به‌صورت گاز وارد محفظه می‌شود و پس از آن سوخت اضافی نیز وارد می‌شود و باهم واکنش می‌دهند.
- تزریق در حالت خیس: در این حالت نیتروس اکساید ابتدا با سوخت اضافی مخلوط می‌شود و سپس وارد محفظه حریق می‌شود.
- تزریق به‌صورت مستقیم: در این حالت که بیشتر در خودروهای مسابقه‌ای و برای تولید نیرو زیاد است، در هر سیلندر یک تزریق کننده نیتروس اکساید وجود دارد که با سوخت اضافه وارد محفظه حریق می‌شود.
۳- صنایع غذایی
از گاز نیتروس اکساید در صنایع غذایی به‌خصوص لبنیات و برای ساختن خامه پف‌کرده استفاده می‌شود. هم‌چنین برای بسته‌بندی مواد غذایی و دارویی به دلیل اینکه در برابر باکتری‌ها خاصیت محافظتی دارد به کار می‌رود.
۴-صنایع علمی و صنعتی
در صنایع پتروشیمی نیتروس اکساید به‌عنوان یک اکسیدکننده قوی برای افزایش دمای شعله به کار گرفته می‌شود. در صنایع الکترونیک و نیمه‌هادی نیز گاز نیتروس اکساید به‌عنوان گاز کالیبر کاربرد دارد.
نیتروس اکساید هم‌چنین در دستگاه‌های شناسایی و آنالیز مواد ازجمله دستگاه جذب اتمی استفاده می‌شود.
۵- مصارف تفریحی
شاید تا به اینجا این سؤال همچنان در ذهنتان باقی‌مانده باشد که چرا به نیتروس اکساید گاز خنده می‌گویند؟ پس از ساختن این گاز تا حدود ۱۰۰ سال بعد که به‌صورت گسترده کاربردهای پزشکی و صنعتی‌اش موردتوجه قرار گرفت، نیتروس اکساید در میان مردم به‌عنوان ماده‌ای توهم‌زا جزو مواد سایکواکتیوها و از گروه منفک کننده‌ها که داروهایی برای تقلیل حس‌های دریافتی و تسکین و آرامش بخشی هستند؛ مورداستفاده قرار می‌گرفت و جنبهٔ مصرف تفریحی داشت.
امروزه نیز در جوامع غربی همچنان این گاز که به‌صورت گاز استنشاق می‌شود جزو مواد شادی‌آوری است که حس سرخوشی به مصرف‌کننده می‌دهد؛ و چون به طریقی حواس را تقلیل می‌دهد؛ به افراد پس از مصرف حالتی رویاگونه دست می‌دهد و در صورت تداوم در مصرف خطر اعتیاد و درگیری با عوارض مصرف زیاد آن گریبان گیر فرد می‌شود. امروزه برای ممانعت از مصرف گاز نیتروس اکساید به‌عنوان ماده‌ی توهم‌زا، آن را با گوگرد دی‌اکسید ترکیب می‌کنند. چراکه ترکیبات گوگرد علاوه بر خطرزا بودن برای ریه‌ها بوی نامطلوبی هم به گاز می‌دهد.
نکات ایمنی:
گاز نیتروس اکساید در ایران یک گاز وارداتی است که به‌صورت مایع در سیلندرهایی ۵۰ لیتری به فروش می‌رسد. هر سیلندر حدود ۲۰ کیلوگرم وزن دارد و رنگ آن در حالت هادی آبیِ سیر یکدست است.
بااینکه گاز نام برده گازی آتش‌زا نیست اما مجاورت آن با گازهای آتش‌زا مانند هیدروژن، متان و هیدروکربن‌ها خطرآفرین است. چراکه گاز نیتروس اکساید خاصیت اکسندگی دارد و به تشدید شعله‌ها در صورت حریق کمک می‌کند.
هم‌چنین بهتر است در هنگام مواجهه با آن از دستکش و عینک ایمنی مخصوص استفاده شود. چون ظرف مدت کوتاهی اثرات بی‌حس‌کنندهٔ خود را بر حس بینایی و شنوایی و عملکرد اندام‌های حرکتی می‌گذارد و در محیط‌های صنعتی و کاری سبب ایجاد ناامنی کارکنان و محیط می‌شود.
نتیجه گیری:
همان‌طور که اشاره کردیم به دلیل عدم واکنش‌پذیری و تجزیه این گاز در بدن ازجمله گازهای به نسبت بی‌خطر برای انسان تلقی می‌شود که با توجه به کاربردهایی که دارد در تاریخ پزشکی و علمی دارد گازی سودمند به‌حساب می آید. هرچند در مواردی به دلیل سوءاستفاده و تولید مواد توهم‌زا و مخدر و هم‌چنین تولید ترکیبات نیتروژن دار که برای سلامت لایه‌ی اوزون آسیب‌زاست می توان نیتروس اکساید را گازی بی‌ضرر دانشت اما می‌توان با نظارت بر عرضه و مصرف و کنترل استفاده از حمل‌ونقل ماشینی، بر جنبه‌های سودمند این گاز بیشتر و بهتر تکیه کرد.
