Waterstofcyanide

Waterstofcyanide
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van waterstofcyanide
Molecuulmodel van waterstofcyanide
Algemeen
Molecuulformule      (uitleg)	HCN
IUPAC-naam	waterstofcyanide
Andere namen	cyaanwaterstof, formonitril, methaannitril
Molmassa	27,04 g/mol
SMILES	C#N
InChI	InChI=1/CHN/c1-2/h1H
CAS-nummer	74-90-8
EG-nummer	200-821-6
PubChem	768
Beschrijving	Kleurloos gas, kleurloze tot lichtblauwe vloeistof, zwak zuur
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
H-zinnen	R12-R26-R50/53
P-zinnen	S1/2-S7/9-S16-S36/37-S38-S45-S60-S61
EG-Index-nummer	006-006-00-X
MAC-waarde	11 mg/m³
LD50 (muizen)	1 mg/kg
Fysische eigenschappen
Kleur	Kleurloos tot zeer lichtblauw
Dichtheid	0,6876 g/cm³
Smeltpunt	-13,24 °C
Kookpunt	26 °C
Vlampunt	-18 °C
Zelfontbrandings- temperatuur	538 °C
Dampdruk	82600 Pa
Evenwichtsconstanten	pKa = 9,36
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar)
Portaal    Scheikunde

Waterstofcyanide of blauwzuurgas is een stof die op industriële schaal geproduceerd wordt, omdat het met metalen eenvoudig complexen vormt. De chemische formule is HCN. Het is een zeer giftig cyanide. De toxische werking berust op het verstoren van de ATP-productie in de mitochondriën. Blauwzuur ruikt naar amandelen, hoewel een genetisch defect bij sommigen het waarnemen ervan belemmert.

Geschiedenis

In 1752 ontdekte de Franse scheikundige Pierre Macquer de samenstelling van de kleurstof Pruisisch blauw. Deze kleurstof bestaat uit een complexe samenstelling van gehydrateerd ijzer(III)cyanide dat kan worden omgezet in ijzeroxide en gasvormig waterstofcyanide. Vervolgens werd in 1783 waterstofcyanide in pure vorm verkregen door de Zweedse Carl Wilhelm Scheele en de stof kreeg de Duitse naam Blausaüre (letterlijk: blauwzuur). Deze naam werd afgeleid van de herkomst uit Pruisisch blauw en van het zure karakter van de stof. In 1787 toonde de Franse scheikundige Claude Louis Berthollet aan dat waterstofcyanide geen zuurstof bevat. Dit was een belangrijke correctie op de theorie dat elk zuur een zuurstofatoom moest bevatten. In 1815 werd door Joseph Louis Gay-Lussac de chemische structuur van waterstofcyanide opgehelderd. In het begin van de 20ste eeuw werd waterstofcyanide herkend als een potentieel pesticide. Het werd pas enkele decennia later toegepast als pesticide. Dit kwam omdat eerst enkele nadelen van de toepassingsmethode moesten worden opgelost. Ten eerste moest waterstofcyanide niet meer ter plekke worden gesynthetiseerd, maar in een fabriek. Een tweede verbetering werd door Dr. Walter Heerdt toegepast. Hij paste de Zyklon-methode toe, er werd vloeibare waterstofcyanide toegevoegd aan een stof die als drager dient. Het gas kan hierdoor beter vervoerd en gebruikt worden zonder dat de gebruiker gevaar loopt. Tevens kan het lang bewaard worden bij zowel hoge als lage temperaturen.

In het begin van 1942 werd Zyklon B (B: blauwzuur) toegepast door het Naziregime in de concentratie- en vernietigingskampen Auschwitz-Birkenau en Majdanek als dodelijk gif. Waterstofcyanide eiste tijdens de Holocaust het leven van 1,2 miljoen mensen.

Voorkomende vormen

Puur watervrij waterstofcyanide is een onstabiele, gevaarlijke stof die geneigd is om spontane veranderingen te ondergaan. Verschillende planten, behorend tot het geslacht Prunus, waaronder Cerasus en Amygdalus scheiden na behandeling met water een vluchtige olie met daarin waterstofcyanide uit. Waterstofcyanide ontstaat uit een reactie van water met amygdaline, een glycoside uit de plant. Door het enzym emulsine, worden water en amygdaline omgezet in waterstofcyanide en een vluchtige olie. Dit is bijvoorbeeld het geval in pitten van sommige vruchten zoals (bittere) amandelen.

Het is ook aangetoond dat isotopen van waterstofcyanide voorkomen in de ruimte. Het gaat dan om H₁₂C₁₄N en H₁₃C₁₄N. Waterstofcyanide kan worden geobserveerd met telescopen.

Synthese

Blauwzuur wordt geproduceerd door zuurstofrijke lucht en een mengsel van methaan en ammoniak over een platina-katalysator te laten reageren tot blauwzuur en waterstofgas. Dit wordt het Andrussow-proces genoemd:

CH₄ + NH₃ → HCN + 3H₂

De productie van blauwzuur op industriële schaal vindt plaats via deze methode.

Een alternatieve synthese is het behandelen van een anorganisch cyanide met een zuur. Hierbij komt cyanide vrij. Omdat waterstofcyanide een zwak zuur is, wordt het gevormde cyanide meteen geprotoneerd bij de aanwezigheid van een sterker zuur. Na protoneren is er HCN gevormd.

Er is ook een andere experimentele synthese voor blauwzuur. Hierbij reageert koolstof met ammoniak onder invloed van straling tussen de 0,01 en 3 GHz. De stralingsbron heeft een vermogen van 3000 watt. De totale straling die gebruikt wordt is 2 kWh/kg. Hiervoor is ook een metaal als katalysator nodig. Enkele metalen die je kunt gebruiken zijn rhodium, platina, nikkel, kobalt, lood, zilver, koper, ruthenium, en wolfraam. Dit is een zeer experimentele methode.

C + NH₃ → HCN

Structuur en reactiviteit

Waterstofcyanide is een klein, lineair molecuul met drievoudige binding tussen koolstof en stikstof. Het molecuul vertoont zwakke Vanderwaalskrachten, hierdoor ligt het kookpunt relatief laag (26° C). Bij kamertemperatuur is blauwzuur een gas. Bij verwarming kan blauwzuur explosief polymeriseren; om dit te vermijden mag het enkel gestabiliseerd worden opgeslagen. Als stabilisatoren kunnen mierenzuur of zwaveldioxide worden gebruikt. Blauwzuur is een zwak zuur met een pKa van 9.36. In oplossing zal het zuur partieel dissociëren in één proton en in cyanide.

Toxicokinetica

Adsorptie

Waterstofcyanide is een klein, in vet oplosbaar molecuul. Hierdoor diffundeert het snel door de membranen van longblaasjes. Hierna vindt distributie door het hele lichaam plaats. Opname door de maag is ook snel. Het zure milieu bevoordeelt de niet-geïoniseerde vorm die door passieve diffusie sneller door de maagwand kan. Cyanide dat door het maag-darmstelsel wordt opgenomen, wordt in de lever gemetaboliseerd. Wanneer cyanidezouten worden opgenomen, wordt het cyanideion in de maag geprotoneerd, waarna het dezelfde route als waterstofcyanide aflegt.

Waterstofcyanide is lipofiel, wanneer de huid in contact komt met vloeibaar waterstofcyanide wordt dit ook opgenomen.

Metabolisme

Het cyanide ion wordt in de lever omgezet naar het oplosbare thiocyanaat. Ongeveer 80% van het cyanide wordt op deze manier gedetoxificeerd. De omzetting vindt plaats in de mitochondriën door het enzym rhodanese. De omzetting naar thiocyanaat is onomkeerbaar en het thiocyanaat kan door de urine worden uitgescheiden. Het is daardoor onwaarschijnlijk dat thiocyanaat zich in het menselijk lichaam ophoopt. Kleine hoeveelheden van vrij cyanide kunnen ook door de longen, zweet, speeksel en urine worden uitgescheiden.

Cyanide kan een complex vormen met het cobalt ion in hydroxocobalamine, waarna cyanocobalamine, een veelgebruikte vorm van vitamine B12, ontstaat.

Toxicodynamica

Cyanide bindt reversibel aan het cytochroom A3 complex (ook bekend als cytochroom oxidase of complex IV) in de mitochondriën van cellen. Dit is het laatste complex van het elektronen transport keten. Het complex transporteert electronen naar zuurstof, wat dan gereduceerd wordt tot water. Het cyanide bindt aan het Fe³⁺ dat in het cytochroom A3 zit. Na binding van cyanide wordt het elektronen transport geïnhibeerd en dit heeft snel effect op het cel metabolisme. Het elektronen transport is gekoppeld aan ATP synthese. Deze synthese wordt mogelijk gemaakt door de verplaatsing van protonen naar de tussen membraan ruimte. Het blokkeren van het electronentransport door cytochroom A3 zorgt ervoor dat er ook geen protonen verplaatst worden. Hierdoor vindt er geen ATP synthese meer plaats en er wordt overgegaan op anaeroob metabolisme. Het zenuwstelsel en de hersenen kunnen niet goed functioneren bij de lage ATP hoeveelheden, daarnaast stijgt de hoeveelheid melkzuur, wat leidt zuurstofgebrek en Acidose. Dit kan een hartstilstand tot gevolg hebben. De toxische werking van cyanide kan ongedaan worden gemaakt door snel een tegengif toe te dien. Echter, dit moet wel binnen 2-4 uur gebeuren.

Symptomen

Acute blootstelling

Acute blootstelling kan leiden tot algemene zwakte, hoofdpijn, verwarring, duizeligheid, moeheid, paniek, kortademigheid, misselijkheid en braken. Door de kortademigheid kun je in een coma raken. Uiteindelijk kan dit tot de dood leiden. Bij grote doses blauwzuur raak je meteen buiten bewustzijn.

Chronische blootstelling

Chronische blootstelling kan leiden tot dezelfde soort symptomen. Vooral zwakte, misselijkheid, hoofdpijn en duizeligheid komen voor. Het kan ook leiden tot irritatie van de huid en neus. Er kunnen ook schildklierveranderingen optreden. Bij blootstelling aan een hogere dosis treedt binnen seconden tot minuten de dood door verstikking in.

Blootstelling

Inhalatie

De effecten van blauwzuur zijn sterk afhankelijk van de concentratie. Lage concentraties zorgen voor klassieke cyanidevergiftigingsymptomen, maar zijn niet letaal. Hogere concentraties cyanide in het lichaam zijn dodelijk.

Tabel 1: tijd tot dood door inhalatie van een dosis waterstofcyanide

Mg m-3	ppm	tijd tot dood
150	135	30 min.
200	180	10 min.
300	270	meteen

Oraal

Na inname kan cyanide snel leiden tot niet-specifieke effecten op het centrale zenuwstelsel, het hart en de ademhaling. Ernstige vergiftiging leidt tot benauwdheid, stuiptrekkingen en de dood.

De TDLO is minder dan 1 mg kg-1.

Huidopname

Opname door de onbeschadigde huid kan leiden tot toxiciteiten, deze zijn heviger wanneer opname door beschadigde huid plaatsvindt. De LD50 voor opname door de huid is releatief hoog, deze bedraagt 100 mg kg^-1.

Blootstelling aan dieren

Ook in dieren is waterstofcyanide een sterk en potent gif. Zuurstofopname in organen wordt verlaagd. Het brein en het hart zijn hiervoor extra gevoelig.

Tabel 2: letale concentraties bij ratten

LC50(ppm)	tijd tot dood
160	30 min.
275	15 min.
323	5 min.

Dieren die zijn blootgesteld aan waterstofcyanide vertoonden tevens schade aan de oogzenuwen (nervi optici) en aan het netvlies. Herhaaldelijke blootstelling zorgde voor afbraak van de myelineschede rond de zenuwuiteinden in ratten en apen.

Behandeling

Een complicerende factor bij het behandelen van een blauwzuurvergiftiging is de snelheid waarmee deze intreedt. Hoewel de precieze behandelingsprotocollen per instelling of situatie kunnen verschillen, bestaat de detoxificatie van een blauwzuurvergiftiging over het algemeen uit twee fasen. De eerste stap is het losmaken van het cyanide uit het cytochroom c-oxidase. Dit gebeurt veelal door inductie van methemoglobine met behulp van 4-DMAP; tegenwoordig heeft het echter de voorkeur om hydroxocobalamine te geven, met als voordeel dat hierbij geen methemoglobine wordt gevormd. Zowel methemoglobine als cobalamine hebben een hogere affiniteit voor cyanide dan het cytochroom c-oxidase. In uitzonderlijke gevallen wordt wel nitriet (amylnitriet, via inhalatie, en/of natriumnitriet, intraveneus) gegeven. Nitriet veroorzaakt echter een sterke daling van de bloeddruk. Overmatige methemoglobinevorming kan worden bestreden met een dosis methyleenblauw. De tweede stap bestaat uit het toedienen van thiosulfaat, dat met cyanide reageert tot het relatief onschadelijke thiocyanaat. Dit kan gemakkelijk door de nieren worden uitgescheiden. Het thiosulfaat wordt meestal intraveneus gegeven in ampullen van 50 mL; deze bevatten 12,5 gram thiosulfaat, wat meestal toereikend is. Als de symptomen blijven bestaan kunnen halve doses thiosulfaat worden herhaald.

Literatuur

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties:

Zie ook

• Lijst van toxische gassen

Externe links

•  International Chemical Safety Card van Waterstofcyanide

Chemische wapens

Zuurstofverdringende gassen: Cyanogeenchloride (CK) · Blauwzuur (AC) · Koolstofmonoxide Blaartrekkende gassen: Lewisiet (L) · Zwavel-mosterdgas (HD, H, HT, HL, HQ) · Stikstof-mosterdgas (HN1, HN2, HN3) Zenuwgassen: G-Agents: Tabun (GA) · Sarin (GB) · Soman (GD) · Cyclosarin (GF) · V-Agents: VE · VG · VM · VX Verstikkende gassen: Chloorgas · Chloorpicrine (PS) · Fosgeen (CG) · Difosgeen (DP) Irritantia: Agent 15 (BZ) · KOLOKOL-1 Traangassen: Pepperspray (OC) · CS-gas · CN-gas · CR-gas