Tetranitrogen является нейтрально заряженного полиазотистым аллотропом из химической формулы N
4и состоит из четырех атомов азота . Катион tetranitrogen является положительно заряженный ион, N+
4, который более стабилен, чем нейтральный тетраназот, и поэтому более изучен. Структура, стабильность и свойства этих молекул вызвали большой интерес ученых-исследователей в последние десять лет. [ когда? ]
Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК тетраназот | |
Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) |
|
ChemSpider |
|
PubChem CID | |
| |
| |
Характеристики | |
№ 4 | |
Молярная масса | 56,0268 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
Ссылки на инфобоксы | |
История
Соединения многоазотного азота хорошо известны и охарактеризованы химиками в течение многих лет. Молекулярный азот ( N
2) был впервые выделен Дэниелом Резерфордом в 1772 г. [1], а азид- ион ( N-
3) был открыт Теодором Курциусом в 1890 году. [2] Открытия других родственных азотистых аллотипов в течение двадцатого века включают ароматическую молекулу пентазола и радикальную молекулу N•
3. Однако ни один из этих комплексов не может быть выделен или синтезирован в макроскопическом масштабе, как N
2и азид; только в 1999 г. был разработан крупномасштабный синтез третьего аллотропа азота, пентазения ( N+
5) катион . [3] Этот повышенный интерес к соединениям полинитрогена в конце двадцатого века был связан с развитием вычислительной химии, которая предсказывала, что эти типы молекул могут быть использованы в качестве потенциальных источников вещества с высокой плотностью энергии (HEDM). [4]
N+
4катион был впервые обнаружен в 1958 г. при анализе аномальных фоновых пиков с молекулярной массой 56+ и 42+ в масс-спектрах молекулярного азота, соответствующих образованию N+
4и N+
3, соответственно. [5] Явный синтез N+
4была впервые проведена в 2001 году по аналогичному механизму электронной бомбардировки N
2. [6] Теоретическая химия предсказала несколько возможных механизмов синтеза N
4включая реакцию нейтрального атома N с N•
3радикал, связывание двух N
2молекулы в возбужденном состоянии и экструзия из полициклических соединений , ни одно из которых не могло быть выполнено экспериментально. Однако в 2002 году был разработан метод синтеза тетраназота путем деионизации азота.+
4с помощью масс-спектрометрии нейтрализации-реионизации (NRMS). [7] В синтезе N+
4(который впервые был сформирован в ионизационной камере масс-спектрометра) претерпел два столкновения с высокой энергией. Во время первого столкновения N+
4контактировал с целевым газом, CH
4, чтобы получить небольшой процент нейтрального N
4молекулы. [7]
- N+
4+ CH
4→ N
4+ CH+
4
Отклоняющий электрод использовался для удаления непрореагировавшего азота.+
4ионы, а также целевой газ , CH
4, и любые дополнительные непредусмотренные продукты реакции, оставляя поток N
4молекулы. Чтобы подтвердить синтез и выделение N
4, этот поток затем претерпел второе событие столкновения, соприкоснувшись со вторым целевым газом O
2, реформируя N+
4катион. [7]
- N
4+ O
2→ N+
4+ O- 2
Исчезновение и повторное появление этого «пика восстановления» подтверждает завершение обеих реакций, обеспечивая достаточное доказательство синтеза N
4этим методом. Поскольку "время полета" между двумя реакциями, проводимыми в отдельных камерах масс-спектрометра, было порядка 1 мкс , N
4молекула имеет время жизни, по крайней мере, столько же. [7]
Характеристики
С момента открытия N
4не был хорошо изучен. Это газ при комнатной температуре (298 K, 25 ° C, 77 ° F). Он также имеет время жизни более 1 мкс, хотя прогнозируется, что он будет метастабильным . [7] Из-за своей нестабильности молекула N 4 легко диссоциирует на две более стабильные молекулы N 2 . Этот процесс очень экзотермической , выпуская около 800 кДж моль -1 энергии. [7]
Структура N+
4был предсказан теоретическими экспериментами и подтвержден экспериментальными методами, включающими масс-спектрометрию с активируемой столкновениями диссоциации (CADMS). Эта техника бомбардирует N+
4-продуцирование фрагментов, которые затем могут быть проанализированы тандемной масс-спектрометрией . На основе наблюдаемых фрагментов была определена структура, состоящая из двух наборов атомов азота, тройно связанных друг с другом (два N2единиц) и связаны друг с другом более длинной и слабой связью. Ожидается, что это будет аналогичная конфигурация для N
4, опровергая предложенную тетраэдрическую (T d ) модель, в которой все атомы азота эквивалентны.
Приложения
Предполагается, что тетраназот и другие аналогичные полиназотные соединения будут хорошими кандидатами для использования в качестве вещества с высокой плотностью энергии (HEDM), высокоэнергетических источников топлива с малым весом по сравнению с традиционными жидкими источниками энергии и источниками энергии на основе топливных элементов . [8] [9] Тройная связь N≡N в N
2намного сильнее ( энергия образования 229 ккал / моль ), чем эквивалентные полторы эквивалентных двойных связей N = N (100 ккал / моль, т. е. всего 150 ккал / моль) или эквивалентные три одинарные связи N-N (38,4 ккал / моль, т.е. всего 115 ккал / моль). Из-за этого ожидается, что молекулы полинитрогена легко распадутся на безвредный азот.
2газ, при этом выделяется большое количество химической энергии. Это контрастирует с углеродсодержащими соединениями, которые имеют более низкую энергию образования для эквивалентного числа одинарных или двойных связей, чем для тройной связи C≡C, что обеспечивает термодинамически благоприятное образование полимеров . [8] Именно по этой причине единственная аллотропная форма азота, встречающаяся в природе, - это молекулярный азот ( N
2) и почему так востребованы новые стратегии синтеза аллотропов полинитрогена рентабельным способом.
Смотрите также
- Гексазин (аллотроп азота с формулой N 6 )
- Октаазакубан (аллотроп азота с формулой N 8 )
- Тетрафосфор
- Тетраарьяк (также известный как «желтый мышьяк»)
- Тетраурьма (также известная как «желтая сурьма»)
- Тетраоксиген
Рекомендации
- ^ Резерфорд, Дэниел (1772). De aere fixo dicto, aut mephitico [в эфире считается фиксированным или ядовитым ]. Эдинбургский университет: Бальфур и Смелли. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Курций, Теодор (1890). «Ueber Stickstoffwasserstoffsäure (Азоимид) N 3 H» [О гидразойной кислоте (азоимиде) N 3 H]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 23 (2): 3023–3033. DOI : 10.1002 / cber.189002302232 .
- ^ Christe, Karl O .; Уилсон, Уильям В .; Sheehy, Jeffrey A .; Боатц, Джерри А. (12 июля 1999 г.). " N+ 5: Новый гомолептический ион полинитрогена 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 .
- ^ Глуховцев Михаил Н .; Цзяо, Хайцзюнь; Шлейер, Поль фон Раге (январь 1996 г.). «Помимо N 2 , какая самая стабильная молекула состоит только из атомов азота?». Неорганическая химия . 35 (24): 7124–7133. DOI : 10.1021 / ic9606237 . PMID 11666896 .
- ^ Джанк, Грегор (1 июня 1958). "Наличие N+
3и N+
4в масс-спектрах молекулярного азота ». Журнал Американского химического общества . 80 (11): 2908–2909. doi : 10.1021 / ja01544a085 . - ^ Пить маленькими глотками.; Лу, Вайоминг; Bassi, D .; Таррони, Р. (1 февраля 2001 г.). "Реакция N+
2+ N
2→ N+
3+ N от теплового до 25 эВ ». Журнал химической физики . 114 (5): 2149–2153. Doi : 10.1063 / 1.1336808 . - ^ а б в г д е Cacace, F .; de Petris, G .; Трояни, А. (18 января 2002 г.). «Экспериментальное обнаружение тетраназота». Наука . 295 (5554): 480–481. Bibcode : 2002Sci ... 295..480C . DOI : 10.1126 / science.1067681 . PMID 11799238 . S2CID 35745247 .
- ^ а б Зарко, В.Е. (2010). «Поиск способов создания энергетических материалов на основе полиназотных соединений (обзор)». Горение, взрыв и ударные волны . 46 (22): 121–131. DOI : 10.1007 / s10573-010-0020-х . S2CID 95184003 .
- ^ Нгуен, Минь Тхо (сентябрь 2003 г.). «Полиазотные соединения: 1. Структура и стабильность систем N 4 и N 5 ». Обзоры координационной химии . 244 (1–2): 93–113. DOI : 10.1016 / S0010-8545 (03) 00101-2 .