スウェーデンの化学者カール シェーレとスコットランドの植物学者ダニエル ラザフォードは 1772 年に別々に窒素を発見しました。カヴェンディッシュ牧師とラヴォアジエ牧師もほぼ同時に独立して窒素を入手しました。窒素を元素として初めて認識したのはラヴォアジエで、窒素を「無生物」を意味する「アゾ」と名付けました。チャプタルは1790年にこの元素を窒素と命名しました。その名前はギリシャ語の「ニトレ」（硝酸塩に窒素を含む硝酸塩）に由来しています。
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窒素源
窒素は地球上で 30 番目に豊富な元素です。窒素が大気体積の 4/5、つまり 78% 以上を占めることを考えると、私たちはほぼ無制限の量の窒素を利用できることになります。窒素は、チリ硝石 (硝酸ナトリウム)、硝石または硝石 (硝酸カリウム)、アンモニウム塩を含む鉱物など、さまざまな鉱物の硝酸塩の形でも存在します。窒素は、すべての生物に存在するタンパク質やアミノ酸など、多くの複雑な有機分子に存在します。
物理的性質
窒素 N2 は室温で無色、無味、無臭の気体で、通常は無毒です。標準条件でのガス密度は1.25g/Lです。窒素は全大気の 78.12% (体積分率) を占め、空気の主成分です。大気中には約 400 兆トンのガスが存在します。
標準大気圧下で-195.8℃まで冷却すると無色の液体になります。液体窒素を-209.86℃まで冷却すると雪のような固体になります。
窒素は不燃性であり、窒息性ガスとみなされます（つまり、純粋な窒素を吸入すると人体から酸素が奪われます）。窒素は水への溶解度が非常に低いです。 283K では、1 体積の水に約 0.02 体積の N2 が溶解します。
化学的性質
窒素は非常に安定した化学的性質を持っています。室温では他の物質と反応しにくいですが、高温・高エネルギー条件下では特定の物質と化学変化を起こし、人間にとって有用な新たな物質を生み出すことができます。
窒素分子の分子軌道式は KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2 です。 3 対の電子が結合に寄与し、2 つの π 結合と 1 つの σ 結合が形成されます。結合には寄与せず、結合エネルギーと反結合エネルギーはほぼ相殺されており、孤立電子対に相当します。 N2 分子には三重結合 N≡N があるため安定性が高く、原子に分解するには 941.69 kJ/mol のエネルギーが必要です。 N2 分子は既知の二原子分子の中で最も安定しており、窒素の相対分子量は 28 です。さらに、窒素は燃えにくく、燃焼をサポートしません。
試験方法
燃えている Mg 棒を窒素で満たされたガス収集ボトルに入れると、Mg 棒は燃え続けます。残った灰（わずかに黄色の粉末Mg3N2）を抽出し、少量の水を加えるとガス（アンモニア）が発生し、湿った赤いリトマス試験紙が青くなります。反応式: 3Mg + N2 = 発火 = Mg3N2 (窒化マグネシウム); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑
窒素の結合特性と原子価結合構造
単一物質である N2 は通常の条件下では非常に安定しているため、人々は窒素が化学的に不活性な元素であると誤解することがよくあります。実際には、逆に、窒素元素は高い化学活性を持っています。 N の電気陰性度 (3.04) は F と O に次いで 2 番目であり、他の元素と強い結合を形成できることを示しています。また、単体の N2 分子の安定性はまさに N 原子の活性を示しています。問題は、室温および常圧で N2 分子を活性化するための最適な条件がまだ見つかっていないことです。しかし、自然界では、植物の根粒上の一部の細菌は、常温常圧の低エネルギー条件下で空気中のN2を窒素化合物に変換し、作物の成長のための肥料として使用することができます。
したがって、窒素固定の研究は常に重要な科学研究課題となっています。したがって、窒素の結合特性や原子価結合構造を詳しく理解する必要があります。
結合タイプ
N 原子の価電子層構造は 2s2p3 です。つまり、3 つの単一電子と 1 対の孤立電子対が存在します。これに基づいて、化合物を形成する際に、次の 3 つの結合タイプが生成されます。
1. イオン結合の形成 2. 共有結合の形成 3. 配位結合の形成
1. イオン結合の形成
N 原子は高い電気陰性度 (3.04) を持っています。 Li (電気陰性度 0.98)、Ca (電気陰性度 1.00)、Mg (電気陰性度 1.31) などの電気陰性度の低い金属と二元窒化物を形成すると、3 つの電子を獲得して N3- イオンを形成できます。 N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- イオンは、より高い負電荷とより大きな半径 (171pm) を持ちます。これらは水分子に遭遇すると強く加水分解されます。したがって、イオン性化合物は乾燥状態でのみ存在でき、N3- の水和イオンは存在しません。
2. 共有結合の形成
N 原子が電気陰性度の高い非金属と化合物を形成すると、次の共有結合が形成されます。
⑴N 原子は sp3 混成状態をとり、3 つの共有結合を形成し、孤立電子対を保持し、分子構造は NH3、NF3、NCl3 などの三角錐形になります。共有結合単結合が 4 つ形成される場合、分子構造は次のようになります。 NH4+ イオンなどの正四面体。
⑵N 原子は sp2 混成状態をとり、2 つの共有結合と 1 つの結合を形成し、孤立電子対を保持しており、Cl-N=O のように分子構造が角張っています。 (N 原子は Cl 原子と σ 結合と π 結合を形成し、N 原子上の孤立電子対により分子は三角形になります。) 孤立電子対が存在しない場合、HNO3 分子や HNO3 分子のように分子構造は三角形になります。 NO3-イオン。硝酸分子では、N 原子は 3 つの O 原子とそれぞれ 3 つの σ 結合を形成し、その π 軌道上の電子対と 2 つの O 原子の 1 つの π 電子で 3 中心 4 電子の非局在化 π 結合を形成します。硝酸イオンでは、3 つの O 原子と中心の N 原子の間に、4 中心 6 電子の非局在化された大きな π 結合が形成されます。この構造により、硝酸中の N 原子の見かけの酸化数は +5 になります。大きなπ結合が存在するため、硝酸塩は通常の条件下では十分に安定です。 ⑶N 原子は sp ハイブリダイゼーションを採用して共有結合三重結合を形成し、孤立電子対を保持します。 N2 分子内の N 原子と CN- の構造のように、分子構造は直線的です。
3. 配位結合の形成
窒素原子が単体または化合物を形成する場合、それらは孤立電子対を保持していることが多いため、そのような単体または化合物は電子対供与体として作用して金属イオンに配位することができます。たとえば、[Cu(NH3)4]2+ や [Tu(NH2)5]7 などです。
酸化状態-ギブズ自由エネルギー図
また、窒素の酸化状態-ギブス自由エネルギー図から、NH4 イオンを除いて、酸化数 0 の N2 分子が図の曲線の最下点にあることがわかります。これは、N2 が熱力学的に他の酸化数を持つ窒素化合物と比べて安定しています。
酸化数が 0 ～ +5 のさまざまな窒素化合物の値は、すべて HNO3 と N2 の 2 点を結ぶ線 (図の点線) よりも上にあるため、これらの化合物は熱力学的に不安定で、不均化反応を起こしやすいです。図内で N2 分子よりも低い値を持つ唯一のイオンは、NH4+ イオンです。 [1] 窒素の酸化状態-ギブス自由エネルギー図と N2 分子の構造から、元素状の N2 は不活性であることがわかります。高温、高圧、および触媒の存在下でのみ、窒素は水素と反応してアンモニアを生成できます。 放電条件下では、窒素は酸素と結合して一酸化窒素を生成できます。 N2+O2=放電=2NO 一酸化窒素はすぐに酸素と結合して、二酸化窒素を形成する 2NO+O2=2NO2 二酸化窒素は水に溶けて硝酸、一酸化窒素を形成します 3NO2+H2O=2HNO3+NO 水力発電が発達している国では、この反応は硝酸の製造に使用されています。 N2 は水素と反応してアンモニアを生成します: N2+3H2=== (可逆符号) 2NH3 N2 はイオン化ポテンシャルが低く、窒化物の格子エネルギーが高い金属と反応してイオン性窒化物を形成します。例: N2 は室温で金属リチウムと直接反応します: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 は白熱温度でアルカリ土類金属 Mg、Ca、Sr、Ba と反応します: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 はできます白熱温度ではホウ素およびアルミニウムとのみ反応します: 2 B + N2=== 2 BN (高分子化合物) N2 は通常、1473K より高い温度でシリコンおよび他の族元素と反応します。
窒素分子は 3 対の電子を結合に寄与し、2 つの π 結合と 1 つの σ 結合を形成します。結合には寄与せず、結合エネルギーと反結合エネルギーはほぼ相殺されており、孤立電子対に相当します。 N2 分子には三重結合 N≡N があるため安定性が高く、原子に分解するには 941.69kJ/mol のエネルギーが必要です。 N2 分子は既知の二原子分子の中で最も安定しており、窒素の相対分子量は 28 です。さらに、窒素は燃えにくく、燃焼をサポートしません。
投稿日時: 2024 年 7 月 23 日
