Óxido nitroso
# Óxido nitroso

O óxido nitroso, protóxido de nitrogênio ou protóxido de azoto , também conhecido como gás hilariante, é apresentado na forma de um gás incolor, composto de duas partes de nitrogênio e uma de oxigênio, cuja fórmula química é N$_2$O. É um composto químico que age como agente anestésico fraco em forma de gás respiratório inorgânico e inodoro que tem efeitos analgésicos significativos e baixa solubilidade no sangue. O N$_2$O causa modestos aumentos da frequência respiratória e quando administrado isoladamente pode aumentar de forma expressiva o fluxo sanguíneo cerebral e a pressão intracraniana. Sendo o terceiro gás de efeito estufa de longa duração mais importante, o óxido nitroso contribui substancialmente para o aquecimento global e é uma substância que esgota substancialmente o ozônio estratosférico.
Foi descoberto em 1772 pelo clérigo inglês Joseph Priestley e utilizado, juntamente com outros gases inalatórios, na tentativa de cura de doenças que variam desde a tuberculose até moléstias gástricas. Entretanto, só em 1777 que Priestley se deu conta de estar trabalhando com um novo tipo de gás, o qual chamou de "ar nitroso desflogisticado".

## Ciclo do azoto/nitrogênio

A maior parte do ar atmosférico é constituída por moléculas de nitrogênio, muito estáveis. O processo de decomposição destas moléculas e síntese de moléculas que permitem aproveitar o nitrogênio como nutriente é altamente endoenergético e não é realizado por animais e plantas, o que explica casos de desnutrição por falta de nitrogênio. Só algumas poucas bactérias especializadas do solo e aquáticas são capazes de retirar o nitrogênio do ar. Todas as plantas retiram seu nitrogênio dessas espécies de bactérias simbióticas; todos os animais, inclusive o homem, retiram seu nitrogênio das plantas. Outras espécies de bactérias, as da deterioração, eventualmente devolvem o nitrogênio ao ar. Estes processos constituem o chamado ciclo do azoto ou ciclo do nitrogênio.
Nos tempos recentes, ações antrópicas têm provocado mudanças no ciclo do nitrogênio, que envolvem o óxido nitroso, mediante ajustes globais tão drásticos quanto no ciclo do carbono. Em 1950, no mundo, produziam-se e aplicavam-se anualmente cerca de 3 milhões de toneladas de fertilizantes artificiais de nitrogênio. Hoje, esse total passa de 50 milhões de toneladas. Este e outros progressos da agricultura estão alterando o ciclo do nitrogênio de formas que a ciência ainda não compreende plenamente. Por outro lado, a queima de combustíveis fósseis não produz apenas monóxido de carbono e dióxido de carbono, mas também compostos de nitrogênio e oxigênio. O óxido nítrico (NO) tem um átomo de nitrogênio e um de oxigênio; o oxido nitroso (N$_2$O) tem dois átomos de nitrogênio e um de oxigênio, sendo que este segundo provoca efeito estufa. Uma molécula deste gás equivale ao potencial de efeito estufa de cerca de 250 moléculas de dióxido de carbono e também permanece mais tempo no ar, em média 125 anos. A concentração de N$_2$O na atmosfera tem aumentado na taxa de 0,25 % ao ano, sendo os solos tropicais considerados os maiores responsáveis pela emissão de N$_2$O em ecossistemas terrestres naturais. As florestas tropicais têm maior abundância relativa de nitrogênio em comparação a outros biomas.

### Processos de formação de N$_2$O

A desnitrificação e nitrificação são processos biogênicos que produzem N$_2$O e NO. Estes gases são importantes para a química da atmosfera. O N$_2$O contribui para o aquecimento global e para destruição do ozônio na estratosfera. O NO afeta regionalmente a química do ozônio na troposfera. A desnitrificação é um processo heterotrófico pelo qual muitos gêneros de bactérias (principalmente Pseudomonas) utilizam o carbono orgânico como fonte redutora e, na ausência do O$_2$, utilizam os óxidos de nitrogênio como aceptores de elétrons – resultando na produção de N$_2$O,NO e N$_2$(Davidson,1991). A nitrificação é um processo de oxidação biológica das formas redutíveis de nitrogênio (NH$_4$$^+$) resultando em NO$_2$$^-$ e NO$_3$$^-$. As bactérias nitrificantes podem obter energia desta oxidação (família Nitribacteriaceae) ou utilizá-la como produto secundário de nitrificação heterotrófica.
A Quimiodesnitrificação é um processo abiogênico de autodecomposição do HNO$_2$, e da reação deste com grupos fenólicos da matéria orgânica do solo, resultando na produção de NO e N$_2$O. A ocorrência de quimiodesnitrificação é significativamente maior quando o pH do solo é menor que 5. O controle da produção de N$_2$O por microrganismos desnitrificadores no solo é determinado pelo suprimento de nitrato, CO de fácil assimilação e status de O$_2$ no solo. Os microrganismos desnitrificadores utilizam o N na forma de nitrato como aceptor final de elétrons sob condições anaeróbias. A conversão de florestas em pastagens aumenta a disponibilidade imediata de N no solo graças à rápida mineralização provocada pelo fogo, por ocasião da queima da biomassa vegetal derrubada, embora parte do N seja perdido sob formas gasosas durante a queima. Aparentemente, pastagens novas liberam quantidades significativas de N$_2$O, dependendo do referido aumento na disponibilidade de N para os microrganismos desnitrificadores. Com o passar dos anos de exploração dessas pastagens, há redução acentuada na disponibilidade de N no solo, conforme as perdas excessivas por lixiviação, que ocorrem graças à quantidade de N disponível no solo superar a demanda das plantas forrageiras. Como conseqüência, os fluxos de N$_2$O também decrescem com o tempo de exploração da pastagem.

## Aplicações

Sendo um agente inalatório, o Óxido Nitroso tem sua maior aplicação na área médica e na odontologia. Administrado juntamente com o Oxigênio, possui efeito analgésico e sedativo. Em anestesia geral, a adição de Óxido Nitroso ao Oxigênio permite uma redução da quantidade do agente anestésico mais caro, obtendo-se o mesmo efeito. Para fins industriais é utilizado principalmente na fabricação de chantilly e em automóveis.

### Uso automobilístico

O óxido nitroso (ou Nitro) pode ser utilizado em motores de combustão interna com o objetivo de se obter um aumento de potência. É popularmente conhecido no meio automobilístico como nitro. Da mesma forma que turboalimentação, a injeção de óxido nitroso nas câmaras de combustão tem como objetivo elevar a massa de oxigênio injetada. Neste caso, o óxido nitroso diminui o aquecimento da câmara de combustão, fazendo com que uma quantidade maior de mistura ar-combustível seja injetada na mesma. Isto permite queimar maior quantidade de combustível numa mesma câmara de combustão.
Existem três mecanismos físicos/químicos através dos quais a injeção de óxido nitroso permite elevar a potência de motores. O principal efeito ocorre em conseqüência do aumento da massa de comburente para a queima, permitindo maior injeção de combustível, já que a potência do motor está relacionada com a quantidade de calor gerada na reação de combustão. Paralelamente, a injeção deste gás a baixas temperaturas reduz a densidade total da mistura, também ocasionado maior fluxo de massa de ar. Por fim, esta baixa temperatura auxilia a refrigeração da máquina, que pode operar a maior potência sem elevação de temperatura. O resfriamento do óxido nitroso se explica pela teoria geral dos gases. No instante em que o óxido nitroso sai do cilindro, expelido pelo fogger, passando de um meio de alta pressão (cilindro) para um de baixa pressão (em geral próxima à atmosférica), o gás sofre uma rápida expansão. Isto faz com que a substância se resfrie significativamente. Como o gás é expelido, em geral, no sistema de admissão do veículo, tal sistema torna-se extremamente frio. Isto por si, como explicado acima, faz com que o ar em admissão se adense. Numa segunda etapa, a mistura de ar + nitrox + combustível entra nos cilindros do motor. Como os cilindros trabalham em alta temperatura e pressão (em geral acima de 400°C e acima de 100 bar), a molécula de N$_2$O, num processo químico, se dissocia em moléculas de N$_2$ (nitrogênio) e O$_2$ (oxigênio). O oxigênio dissociado do óxido nitroso soma-se ao oxigênio admitido no ar, formando a massa total de comburente que será utilizada para a queima. Combustível adicional já está presente nos cilindros, uma vez que o fogger já tem a função de injetar mais combustível, juntamente com o óxido nitroso, na proporção correta do acréscimo de comburente+combustível. Esta é a forma principal de ganho de potência proporcionada pelo nitro, que gera cerca de 70 a 80% do acréscimo de potência gerado.
O nitrogênio resultante da dissociação do óxido nitroso permanece inerte no cilindro durante a queima, porém reduzindo muito significativamente a temperatura interna dos cilindros, o que permite ao mesmo tempo maior segurança e melhores possibilidades para o acréscimo de potência. Isto porque ocorre grande aumento de massa admitida e da queima, gerando maiores pressão e temperatura interna dos cilindros, o que exigiria maiores alterações na estrutura do motor e do acerto, no sentido de conter o aumento de temperatura e a compressão interna do motor - e o nitrogênio compensa isso ao resfriar os cilindros. O nitrogênio, resfriando os cilindros, atua como um agente regulador, complementando acréscimo de potência. Existem outros sistemas de injeção de gases diversos na admissão de veículos. Mas as vantagens do N$_2$O sobre outros sistemas de injeção de gases são enormes. Por exemplo, nos sistemas de injeção de CO$_2$, ocorrem apenas os ganhos proporcionados pela primeira e pela terceira etapas. Em relação à injeção de O$_2$, oxigênio puro, existem 2 problemas principais deste sistema: o primeiro, porque o oxigênio puro aquece enormemente as câmaras de combustão, já que não existe agente regulador de temperatura (nitrogênio) e, o segundo, porque é extremamente perigoso transportar oxigênio puro. O óxido nitroso, apesar de fornecer comburente (oxigênio), não é um comburente por si, e só o faz uma vez dentro das câmaras de combustão. Portanto, ele é inerte em condições de temperatura e pressão ambientes. Em caso de vazamento ou acidente com o cilindro, mangueiras, ou mesmo falha do fogger, os sistemas de injeção de óxido nitroso não oferecem qualquer risco. O aumento de potência pode mais do que dobrar a potência original, dependendo do motor e da regulagem do nitro. Como medida de segurança para carros originais, aconselha-se a utilizar apenas 40% a mais de potência (em relação a potência original do carro), o que ajuda a preservar a durabilidade e a vida útil do motor, câmbio, embreagem e demais partes mecânicas.

## Ocorrência

O óxido nitroso é emitido por bactérias no solo e oceanos, e é, portanto, uma parte da atmosfera da Terra. A agricultura é a principal fonte de óxido nitroso produzido pelo homem: cultivar o solo, o uso de fertilizantes nitrogenados, e tratamento de resíduos animais podem estimular naturalmente bactérias a produzirem mais óxido nitroso. O setor pecuário (principalmente vacas, galinhas e porcos) produzem 65% de óxido nitroso humano relacionado. Fontes industriais representam apenas cerca de 20% de todas as fontes antropogênicas, e incluem a produção de náilon, e a queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna. Acredita-se que a atividade humana dê conta de 30%; solos tropicais e oceânicos contam uma liberação de cerca de 70%.
O óxido nitroso reage com o ozônio na estratosfera. O óxido nitroso é o principal regulador natural do ozônio estratosférico. O óxido nitroso é um dos principais gases do efeito estufa. Considerando durante um período de 100 anos, tem 298 vezes mais impacto por unidade de peso do que o dióxido de carbono. Assim, apesar de sua baixa concentração, o óxido nitroso é o quarto maior contribuinte para estes gases do efeito estufa. Ele fica atrás de vapor de água, dióxido de carbono e metano. Controle do óxido nitroso é parte dos esforços para reduzir as emissões de gases de efeito estufa.