Тетраназот
| |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
тетраазот
| |
| Идентификаторы | |
| |
3D model ( JSmol )
|
|
| ХимическийПаук |
|
ПабХим CID
|
|
| Характеристики | |
| № 4 | |
| Молярная масса | 56.0268 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Тетранитрог представляет собой нейтрально заряженный полиазота аллотроп химической формулы N.
4 и состоит из четырех азота атомов . Катион тетраазота представляет собой положительно заряженный ион N +
4 , который более стабилен, чем нейтральная молекула тетраазота, и поэтому более изучен.
История
[ редактировать ]Полиазотистые соединения хорошо известны и охарактеризованы химиками уже многие годы. Обычный молекулярный ( двуатомный ) азот ( N
2 ) был впервые выделен Дэниелом Резерфордом в 1772 году. [ 1 ] и азид -ион ( N −
3 ) был открыт Теодором Курциусом в 1890 году. [ 2 ] Открытия других родственных азотистых аллотипов в двадцатом веке включают ароматическую молекулу пентазола и радикальную молекулу N. •
3 . Однако ни один из этих комплексов не удалось выделить или синтезировать в макроскопическом масштабе, как N
2 и азид; только в 1999 году был разработан крупномасштабный синтез третьего аллотропа азота, пентазения ( N +
5 ) катион . [ 3 ] Этот возросший интерес к полиазотным соединениям в конце двадцатого века был связан с развитием компьютерной химии , которая предсказала, что эти типы молекул могут быть использованы в качестве потенциальных источников материи с высокой плотностью энергии (HEDM). [ 4 ]
Затем +
Катион 4 был впервые обнаружен в 1958 г. при анализе аномальных фоновых пиков молекулярной массы 56+ и 42+ в масс-спектрах молекулярного азота, соответствующих образованию N +
4 и Н +
3 соответственно. [ 5 ] Явный синтез N +
4 впервые был осуществлен в 1984 г. по аналогичному механизму электронной бомбардировки N
2 . [ 6 ] Теоретическая химия предсказала несколько возможных механизмов синтеза N
4, включающий реакцию нейтрального атома N с N •
3 радикал, связывание двух N
2 молекулы в возбужденном состоянии и экструзия из полициклических соединений , ни одно из которых не удалось осуществить экспериментально. Однако в 2002 году был разработан метод синтеза тетраазота путем деионизации N. +
4 посредством масс-спектрометрии нейтрализации-реионизации (NRMS). [ 7 ] При синтезе N +
4 (который впервые образовался в ионизационной камере масс-спектрометра) претерпел два события столкновения при высоких энергиях. Во время первого столкновения Н. +
4 связался с целевым газом CH
4 , чтобы получить небольшой процент нейтрального N
4 молекулы. [ 7 ]
- Н +
4 + СН
4 → Н
4 + СН +
4
Отклоняющий электрод использовался для удаления непрореагировавшего N. +
4 а также целевой газ иона , CH
4 и любые дополнительные нежелательные продукты реакции, оставляя поток N
4 молекулы. Чтобы подтвердить синтез и выделение N
4 , этот поток затем претерпел второе столкновение, контактируя со вторым целевым газом, O
2 , реформирование N +
4 катион. [ 7 ]
- Н
4 + О
2 → Н +
4 + О −
2
Исчезновение и повторное появление этого «пика восстановления» подтверждает завершение обеих реакций, предоставляя достаточные доказательства синтеза N.
4 этим методом. Поскольку «время полета» между двумя реакциями, проводимыми в отдельных камерах масс-спектрометра, составляло порядка 1 мкс , N
4 Молекула имеет время жизни как минимум столько же. [ 7 ]
Характеристики
[ редактировать ]С момента своего открытия Н.
4 недостаточно изучен. Это газ при комнатной температуре (298 К, 25 °С, 77 °F). Он также имеет время жизни более 1 мкс, хотя прогнозируется, что он будет охарактеризован как метастабильный . [ 7 ] из-за своей нестабильности Молекула N 4 легко диссоциирует на две более стабильные молекулы N 2 . Этот процесс очень экзотермичен , выделяя около 800 кДж моль. −1 энергии. [ 7 ]
Расчеты ab initio в нейтральной молекуле показывают, что ранее предложенные прямоугольные или тетраэдрические структуры, аналогичные циклобутадиену и тетраэдрану соответственно, вряд ли будут наиболее термодинамически стабильными . Вместо этого ожидается, что основное состояние будет представлять собой изогнутую или зигзагообразную линейную цепочку из четырех атомов азота, содержащую два электрона на одном из концевых атомов азота — по сути азидонитрен , неспаренных . [ 8 ]
Структура Н +
4 было предсказано теоретическими экспериментами и подтверждено экспериментальными методами, включающими масс-спектрометрию столкновительно-активируемой диссоциации (CADMS). Эта техника бомбардирует N +
Фрагменты, образующие 4 , которые затем можно проанализировать с помощью тандемной масс-спектрометрии . По обнаруженным фрагментам определена структура, включающая две пары атомов азота с тройной связью (два N
2 единицы), которые связаны друг с другом более длинной и слабой связью.
Приложения
[ редактировать ]Прогнозируется, что тетранит и другие подобные полиазотистые соединения станут хорошими кандидатами для использования в качестве вещества с высокой плотностью энергии (HEDM), источников высокоэнергетического топлива с небольшим весом по сравнению с традиционными источниками энергии на основе жидких и топливных элементов . [ 9 ] [ 8 ] N≡N Тройная N связь
2 намного прочнее ( энергия образования 229 ккал / моль ), чем либо эквивалентные полторы двойные связи N=N (100 ккал/моль, т.е. всего 150 ккал/моль), либо эквивалентные три одинарные связи N-N ( 38,4 ккал/моль, т.е. всего 115 ккал/моль). Из-за этого ожидается, что молекулы полиазота легко распадаются на безвредный N.
2 газа, при этом выделяется большое количество химической энергии. В этом отличие от углеродсодержащих соединений, которые имеют более низкую энергию образования эквивалентного числа одинарных или двойных связей, чем тройной связи C≡C, что обеспечивает термодинамически благоприятное образование полимеров . [ 9 ] Именно по этой причине единственной встречающейся в природе аллотропной формой азота является молекулярный азот ( N
2 ) и почему так высоко востребованы новые стратегии экономически эффективного синтеза аллотропов полиазота.
См. также
[ редактировать ]- Гексазин (аллотроп азота с формулой N 6 )
- Октаазакубан (аллотроп азота с формулой N 8 )
- Тетрафосфор , он же белый фосфор.
- Тетрамышьяк (он же «желтый мышьяк»)
- Тетракислород
- Тетраэдр , тетраэдрический углеводород
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Резерфорд, Дэниел (1772). О воздухе говорят, что он фиксированный менфитический или . Эдинбургский университет: Бальфур и Смелли.
- ^ Курций, Теодор (1890). «О H » гидразойной кислоте (азоимиде) N 3 . Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 23 (2): 3023–3033. дои : 10.1002/cber.189002302232 .
- ^ Кристе, Карл О.; Уилсон, Уильям В.; Шихи, Джеффри А.; Боатц, Джерри А. (12 июля 1999 г.). " Н +
5 : Новый гомолептический ион полиазота как материал с высокой плотностью энергии» . Angewandte Chemie International Edition . 38 (13–14): 2004–2009. doi : 10.1002/(SICI)1521-3773(19990712)38:13/14< 2004::AID-ANIE2004>3.0.CO; 2-7 PMID 34182671 . - ^ Глуховцев Михаил Н.; Цзяо, Хайцзюнь; Шлейер, Пауль фон Раге (январь 1996 г.). «Помимо N 2 , какая наиболее стабильная молекула состоит только из атомов азота?». Неорганическая химия . 35 (24): 7124–7133. дои : 10.1021/ic9606237 . PMID 11666896 .
- ^ Джанк, Грегор (1 июня 1958 г.). «Присутствие Н. +
3 и Н +
4 в масс-спектрах молекулярного азота». Журнал Американского химического общества . 80 (11): 2908–2909. doi : 10.1021/ja01544a085 . - ^ Стефан, К.; Марк, Т.Д.; Фатрелл, Дж. Х.; Хелм, Х. (1 апреля 1984 г.). «Электронная ударная ионизация (N 2 ) 2 : Энергия появления N +
3 и Н +
3 ". Журнал химической физики (80). Американский институт физики (опубликовано 31 августа 1998 г.): 3185. doi : 10.1063/1.447144 . , как указано в Тоси, П.; Лу, Вайоминг; Басси, Д.; Таррони, Р. (1 февраля 2001 г.). «Реакция Н. +
2 + Н
2 → Н +
3 + N от термического до 25 эВ». Journal of Chemical Physics . 114 (5): 2149–2153. doi : 10.1063/1.1336808 . - ^ Jump up to: а б с д и ж Какаче, Ф.; де Петрис, Г.; Трояни, А. (18 января 2002 г.). «Экспериментальное обнаружение тетранитрогена». Наука . 295 (5554): 480–481. Бибкод : 2002Sci...295..480C . дои : 10.1126/science.1067681 . ПМИД 11799238 . S2CID 35745247 .
- ^ Jump up to: а б Нгуен, Минь Тхо (сентябрь 2003 г.). «Полиазотистые соединения: 1. Строение и устойчивость систем N 4 и N 5 ». Обзоры координационной химии . 244 (1–2): 93–113. дои : 10.1016/S0010-8545(03)00101-2 .
- ^ Jump up to: а б Зарко, В.Е. (2010). «Поиски путей создания энергетических материалов на основе полиазотистых соединений (обзор)». Горение, взрыв и ударные волны . 46 (22): 121–131. дои : 10.1007/s10573-010-0020-x . S2CID 95184003 .