Protoxyde d'azote

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 sucrés. Il est utilisé en anesthésie, chirurgie, odontologie et comme adjuvant en mélange équimolaire avec de l'oxygène, 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[12]). Présent à l'état de traces dans l'atmosphère (329 ppb), c'est un puissant gaz à effet de serre (298 fois plus puissant que le CO2) et il contribue à la destruction de la couche d'ozone. Ses émissions sont d'origine naturelle et humaine.

Protoxyde d'azote



Structure du protoxyde d'azote.
Identification
Nom UICPA protoxyde d'azote
Synonymes

oxyde nitreux
oxyde de diazote
gaz hilarant
No CAS 10024-97-2
No ECHA 100.030.017
No EC 233-032-0
No RTECS QX1350000
Code ATC N01AX13
PubChem 948
ChEBI 17045
No E E942
FEMA 2779
SMILES
InChI
Apparence gaz comprimé liquéfié incolore, d'odeur caractéristique[1].
Propriétés chimiques
Formule brute N2O  [Isomères]
Masse molaire[2] 44,0128 ± 0,0007 g/mol
N 63,65 %, O 36,35 %,
Moment dipolaire 0,16083 D[3]
Propriétés physiques
T° fusion −90,8 °C[1]
T° ébullition −88,5 °C[1]

Décomposition à 300 °C
Solubilité 1,5 g·l-1 (eau, 15 °C)[1].
Soluble aussi dans l'acide sulfurique, l'éthanol, l'éther, les huiles.
Masse volumique 1,23 g·cm-3 (Liquide, −89 °C)[1]
0,0018 (Gaz)
Pression de vapeur saturante 51,7 bar à 21 °C
Point critique 72,7 bar, 36,55 °C[5]
Vitesse du son 263 m·s-1 (0 °C, 1 atm)[6]
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)[7]
Cp
PCS 82,1 kJ·mol-1 (25 °C, gaz)[8]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 12,886 eV (gaz)[9]
Précautions
SGH[10]

Danger
H270, H280, P370, P376, P403,
SIMDUT[11]

A, C, D2A,
NFPA 704

 
Transport[10]
25
   1070   

225
   2201   
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 dissociatif
Mode de consommation

Inhalatoire
Autres dénominations

Gaz hilarant
Oxyde nitreux
Monoxyde de diazote
Proto
Risque de dépendance Faible
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Propriétés chimiques

Production et synthèse

Le protoxyde d'azote est préparé par décomposition du nitrate d'ammonium fondu entre 250 °C et 260 °C selon l'équation de réaction suivante[13] :

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. À 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 mais contribue à la dégradation de l'ozone stratosphérique (couche d'ozone protectrice de la biosphère contre les UV solaires).

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 de nombreux composés organiques et il dope les combustions grâce à son fort pouvoir oxydant[1].

Historique

Le protoxyde d'azote a été découvert en 1772 par Joseph Priestley[14] qui le décrit dans Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Il a ensuite été étudié en 1798 par Humphry Davy qui découvre entre autres ses propriétés euphorisantes. Le protoxyde d'azote est utilisé dès la fin du XVIIIe 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 connaître 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 premier risque à son utilisation est l'asphyxie par manque de dioxygène. La médecine l'utilise donc en mélange équimolaire avec du dioxygène (MEOPA). Bien qu'il ait été utilisé régulièrement sous cette forme durant le XXe siècle, il n'a obtenu en France son autorisation de mise sur le marché (AMM) qu'en . Auparavant, il était distribué (hors 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 XXe siècle ; sa faible puissance anesthésique restreignant son usage à des actes assez peu douloureux, et au rôle d'adjuvant de médicaments plus puissants dont il permet de réduire les doses en diminuant certains effets indésirables.

Sources

Ses émissions sont d'origine naturelle pour environ 60 % et humaine pour environ 40 %[15].

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 ou les stations d'épuration des eaux usées[16], etc. Sa production dans les sols et dans l'air à partir des sols est fortement augmentée par la fertilisation azotée.

Un tiers du N2O de l'atmosphère provient de l'épandage de lisier et d'engrais azotés[réf. nécessaire].

En France, l’agriculture contribue à hauteur de 86 % aux émissions de N2O provenant essentiellement de la transformation des produits azotés (engrais, fumier, lisier, résidus de récolte) épandus sur les terres agricoles. Une petite partie des émissions provient du trafic routier, en particulier des véhicules équipés de pots catalytiques et de quelques procédés industriels[17],[18].

Contribution à l'effet de serre

Ce gaz est aussi un puissant gaz à effet de serre. Selon le GIEC[19], son potentiel de réchauffement global à cent ans est égal à 298, c'est-à-dire qu'il contribue 298 fois plus au réchauffement climatique qu'une même masse de CO2 émise en même temps pendant les cent ans qui suivent leur émission.

Sa concentration dans l'atmosphère terrestre a atteint 329 ppb en 2016, soit 122 % du niveau préindustriel, contribuant pour 6 % au forçage radiatif induit par les gaz à effet de serre persistants[15].

Destruction de la couche d'ozone

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Le protoxyde d’azote (N2O) en excès contribue à la destruction de la couche d'ozone. Il n'avait pas été inclus dans le Protocole de Montréal mais suite au recul des émissions des gaz soumis à ce protocole, le N2O est devenu le premier ennemi de la couche d'ozone selon un article publié en 2018 dans Science, et il devrait le rester durant tout le XXIème siècle car la part de protéines animales dans alimentation humaine ne cesse de croître, associée à une production de fumier et de soja également croissante source d'oxyde nitreux. Selon un article de la revue Nature Geoscience, le lisier et le fumier perdent dans l'air 2% environ de l'azote qu'ils contenaient et les engrais azotés 2,5% ; ces deux sources introduisent dans l'atmosphère 2,8 millions de tonnes de N2O pour les lisiers et 2,2 millions de t pour les engrais synthétiques (dont la production et le transport et l'épandage produisent aussi par ailleurs du CO2 qui aggrave l'effet de serre. L'industrie rejette bien moins de N2O (0,8 million de t/an environ) et la combustion de la biomasse 0,5 million de t/an. De 1860 à 2005 le taux de N2O dans l'air serait passée de 270 à 319 ppb (parties par milliard).

Utilisations

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 : prélèvement sanguin difficile, myélogramme, ponction lombaire, etc. 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.

Le protoxyde d'azote fait partie de la liste des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé (liste mise à jour en avril 2013)[20].

Usage dans les moteurs à combustion interne

Principe

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[21]. 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). On parle alors de moteur à protoxyde d'azote (en).

Aviation

L'injection de protoxyde d'azote fut utilisée durant la Seconde Guerre mondiale dans certains avions de combat allemands. Un dispositif, nommé dispositif GM-1 (en), 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[22]. 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 moteurs très compliqués des appareils 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.

Compétition automobile

Plus tard, et à l'instar des autres procédés de suralimentation 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 automobile. 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.

Usage 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[14].

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[23].

Dissous dans l'eau, le protoxyde d'azote a un goût sucré[24].

Il a été utilisé pour la conservation de la viande.

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[25]).

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[26].

Effets et conséquences, toxicité

Les effets de court terme sont rapides et fugaces. Ils commencent de quinze à trente secondes après l'absorption et se terminent au bout de deux à trois minutes.

À forte dose, le protoxyde d'azote devient narcotique avec comme effets[réf. souhaitée] :

  • 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 ;
  • spasmes ;
  • hypersalivation[réf. nécessaire].

Effets de doses importantes à court terme

Effets de doses importantes à long terme

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

  • une carence en vitamine B12[28] et une réduction du taux de vitamine B12 circulante[29] par inhibition de la méthionine synthase hépatique[30], 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.

Notes et références

  1. OXYDE NITREUX, fiche(s) de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée(s) le 9 mai 2009.
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., 2736 p. (ISBN 142006679X et 978-1420066791), p. 9-50.
  4. (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, USA, McGraw-Hill, , 7e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5), p. 2-50.
  5. (en) « Properties of Various Gases », sur flexwareinc.com (consulté le 12 avril 2010).
  6. (en) W. M Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, 2010-2011, 91e éd., 2610 p. (ISBN 9781439820773), p. 14-40.
  7. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-4200-9084-0).
  8. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press, , 83e éd., 2664 p. (ISBN 0849304830, présentation en ligne), p. 5-89
  9. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., 2736 p. (ISBN 978-1-4200-6679-1), p. 10-205.
  11. « Oxyde nitreux » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009.
  12. La spectrométrie d'absorption atomique, sur culture.gouv.fr.
  13. (en) Cotton F. A. et Wilkinson G. (1972), Advanced Inorganic Chemistry, a comprehensive text, 3e éd., Interscience Publishers, John Wiley & Sons, p. 355
  14. Denis Richard, Jean-Louis Senon et Marc Valleur, Dictionnaire des drogues et des dépendances, Larousse, (ISBN 2-03-505431-1).
  15. « Montée en flèche des concentrations de gaz à effet de serre: nouveau record », sur OMMM, (consulté le 15 septembre 2018).
  16. Tallec, G., Émissions d’oxyde nitreux lors du traitement de l’azote en station d’épuration, 2005, agglomération parisienne (Doctoral dissertation, Marne-la-Vallée, ENPC).
  17. « Protoxyde d'azote - N2O », sur citepa.org, (consulté le 4 août 2016).
  18. « Le protoxyde d’azote, un gaz à effet de serre qui ne fait rire personne », sur inra.fr, (consulté le 4 août 2016).
  19. (en) Direct Global Warming Potentials p. 212
  20. WHO Model List of Essential Medicines, 18th list, avril 2013.
  21. « Le protoxyde d'azote (Nitrous oxyde) », sur Mecamotors
  22. « Fuels & Fluids Used By Germany : GM-1 », sur Luftwaffe Ressource Center.
  23. Parlement européen et Conseil de l'europe, « La directive 95/2/CE concernant les additifs alimentaires autres que les colorants et les édulcorants », Journal officiel, no L 61,‎ (résumé, lire en ligne)
  24. J Cutayar et J-L Pean, Utilisation du protoxyde d'azote (N2O) ou d'un mélange de gaz comportant du protoxyde d'azote comme agent édulcorant de produits agroalimentaires, World Patent WO/2007/090939
  25. Robert R. Lauwerys, Vincent Haufroid et Perrine Hoet, Toxicologie industrielle et intoxications professionnelles (extrait)
  26. Protoxyde d'azote, brochure éditée et distribuée par l'association Spiritek en partenariat avec les villes de Lille et de Tourcoing, la communauté urbaine Lille-Métropole et le conseil général du département Nord.
  28. (en) Michel Hautefeuille et Dan Véléa, Les drogues de synthèse, Presses Universitaires de France, coll. « Que sais-je ? » (no 3625), , 127 p. (ISBN 978-2-130-52059-7, OCLC 300468465)
  29. (en) Michael A. Miller, Vicky Martinez, Richard McCarthy et Manish M. Patel, « Nitrous oxide whippit abuse presenting as clinical B12 deficiency and ataxia », American Journal of Emergency Medicine, vol. 22, no 2, mars 2004 (lire en ligne).
  30. Deacon R., Lumb M., Perry J. et al., Inactivation of methionine synthase by nitrous oxide, Eur. J. Biochem, 1980, 104:419–423

Voir aussi

Article connexe

  • Société Air liquide

Liens externes

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