czteroazot
|
|
| Nazwy | |
|---|---|
|
nazwa IUPAC
tetraazot
|
|
| Identyfikatory | |
|
|
|
Model 3D ( JSmol )
|
|
| ChemSpider |
|
|
Identyfikator klienta PubChem
|
|
|
|
|
|
| Nieruchomości | |
| N 4 | |
| Masa cząsteczkowa | 56.0268 |
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
|
|
Tetranitrogen jest neutralnie naładowanym alotropem poliazotu o wzorze chemicznym N
4 i składa się z czterech atomów azotu . Kation tetraazotu to dodatnio naładowany jon N
+ 4 , który jest bardziej stabilny niż obojętna cząsteczka tetraazotu i dlatego jest lepiej zbadany.
Historia
Związki poliazotowe są dobrze znane i charakteryzowane przez chemików od wielu lat. Zwykły cząsteczkowy ( dwuatomowy ) azot ( N
2 ) został po raz pierwszy wyizolowany przez Daniela Rutherforda w 1772 r., a jon azydkowy ( N
- 3 ) został odkryty przez Theodora Curtiusa w 1890 r. Odkrycia innych pokrewnych allotypów azotu w XX wieku obejmują cząsteczkę aromatyczną pentazol i rodnikowa cząsteczka N
• 3 . Jednak żadnego z tych kompleksów nie można wyizolować ani zsyntetyzować w skali makroskopowej, i
jak N2 azydek; Dopiero w 1999 r. opracowano syntezę na dużą skalę trzeciego alotropu azotu, kationu pentazenu ( N
+ 5 ) . To zwiększone zainteresowanie związkami poliazotowymi pod koniec XX wieku było spowodowane postępem chemii obliczeniowej który przewidywał, że tego typu cząsteczki mogą być wykorzystywane jako potencjalne źródła materii o wysokiej gęstości energii (HEDM).
Kation N
+ 4 został po raz pierwszy odkryty w 1958 r. po analizie anomalnych pików tła o masie cząsteczkowej 56+ i 42+ w widmach masowych azotu cząsteczkowego, które odpowiadały powstawaniu odpowiednio N
+ 4 i N
+ 3 . Jawna synteza N
+ 4 została po raz pierwszy przeprowadzona w 1984 r. przez podobny mechanizm bombardowania elektronami N
2 . Chemia teoretyczna przewidział kilka możliwych mechanizmów syntezy N
4 , w tym reakcję neutralnego atomu N z rodnikiem N
• 3 , wiązanie dwóch cząsteczek N
2 w stanie wzbudzonym oraz wytłaczanie ze związków policyklicznych , z których żadnego nie można było przeprowadzić eksperymentalnie. Jednak w 2002 roku opracowano metodę syntezy tetraazotu z dejonizacji N
+ 4 poprzez spektrometrię mas zobojętniania-rejonizacji (NRMS). W syntezie N +
4 (który po raz pierwszy powstał w komorze jonizacyjnej spektrometru mas) przeszedł dwa zderzenia o wysokiej energii. Podczas pierwszego zderzenia N
+ 4 kontaktował się z gazem docelowym, CH
4 , dając niewielki procent neutralnych cząsteczek N
4 .
-
N
+ 4 + CH
4 → N
4 + CH
+ 4
Elektrodę odchylającą zastosowano do usunięcia wszelkich nieprzereagowanych jonów N
+ 4 , jak również gazu N4
docelowego , CH4 i wszelkich dodatkowych niepożądanych produktów
reakcji , pozostawiając strumień cząsteczek . Aby potwierdzić syntezę i wyodrębnienie O2
N4 , strumień ten
przeszedł następnie drugą kolizję, stykając się z drugim gazem docelowym, , tworząc ponownie kation N
+ 4 .
-
N
4 + O
2 → N
+ 4 + O
- 2
N4
się tego „szczytu regeneracji” potwierdza zakończenie obu reakcji, dostarczając wystarczających dowodów na syntezę tą metodą. Ponieważ „czas przelotu” między dwiema reakcjami prowadzonymi w oddzielnych komorach spektrometru mas był rzędu 1 μs , cząsteczka N
4 ma czas życia przynajmniej tyle.
Charakterystyka
Od czasu odkrycia N
4 nie był dobrze zbadany. Jest to gaz w temperaturze pokojowej (298 K, 25 ° C, 77 ° F). Ma również czas życia przekraczający 1 μs, chociaż przewiduje się, że będzie scharakteryzowany jako metastabilny . Ze względu na swoją niestabilność, cząsteczka N4 łatwo dysocjuje na dwie bardziej stabilne cząsteczki N2 . Proces ten jest bardzo egzotermiczny , uwalniając około 800 kJ mol -1 energii.
ab initio w neutralnej cząsteczce sugerują, że wcześniej proponowane struktury prostokątne lub czworościenne , analogiczne odpowiednio do cyklobutadienu i tetraedranu , prawdopodobnie nie będą najbardziej stabilne termodynamicznie . Zamiast tego stan podstawowy będzie wygiętym lub zygzakowatym liniowym łańcuchem czterech atomów azotu zawierającym dwa niesparowane elektrony na jednym z końcowych atomów azotu - zasadniczo azydo - nitrenu .
Strukturę N
+ 4 przewidziano na podstawie eksperymentów teoretycznych i potwierdzono technikami eksperymentalnymi obejmującymi spektrometrię mas z dysocjacją aktywowaną kolizyjnie (CADMS). Technika ta polega na bombardowaniu N
+ 4 , które można następnie analizować za pomocą tandemowej spektrometrii mas . Na podstawie zaobserwowanych fragmentów określono strukturę zawierającą dwie pary potrójnie związanych atomów azotu (dwie N
2 ), które są połączone ze sobą dłuższym, słabszym wiązaniem.
Aplikacje
Przewiduje się, że tetraazot i inne podobne związki poliazotowe będą dobrymi kandydatami do wykorzystania jako źródła energii o wysokiej gęstości energii (HEDM), wysokoenergetyczne paliwa o niewielkiej masie w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii opartymi na płynach i ogniwach paliwowych . Potrójne wiązanie N≡N w N
2 jest znacznie silniejsze ( energia tworzenia 229 kcal / mol ) niż równoważne półtora wiązania podwójnego N=N (100 kcal/mol, czyli łącznie 150 kcal/mol) lub równoważne trzem NN-N wiązaniom pojedynczym (38,4 kcal/mol, czyli łącznie 115 kcal/mol). Z tego powodu oczekuje się, że cząsteczki poliazotu łatwo rozpadają się na nieszkodliwy N2 , uwalniając
w tym procesie duże ilości energii chemicznej. Kontrastuje to ze węgiel , które mają niższe energie tworzenia dla równoważnej liczby pojedynczych lub podwójnych wiązań niż dla potrójnego wiązania C≡C, co pozwala na termodynamicznie korzystne tworzenie polimerów . Z tego powodu jedyną alotropową formą azotu występującą w przyrodzie jest azot cząsteczkowy ( N
2 ) i dlaczego nowe strategie syntezy alotropów poliazotowych w opłacalny sposób są tak bardzo poszukiwane.
Zobacz też
- Heksazyna (alotrop azotu o wzorze N 6 )
- Octaazacubane (alotrop azotu o wzorze N 8 )
- Tetrafosfor , czyli biały fosfor
- Tetraarsenic (znany również jako „żółty arszenik”)
- czterotlen
- Tetraedran , czworościenny węglowodór