Tetranitrogen - Tetranitrogen

Tetranitrogen
Jména
Název IUPAC
tetranitrogen
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChemSpider
Vlastnosti
N4
Molární hmotnost56.0268
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Reference Infoboxu

Tetranitrogen je neutrálně účtováno polynitrogen allotrope z chemický vzorec N
4 a skládá se ze čtyř dusík atomy. The tetranitrogenový kation je kladně nabitý iont, N+
4, který je stabilnější než neutrální tetranitrogen a je tedy více studován. Struktura, stabilita a vlastnosti těchto molekul byly v posledních deseti letech velkým zájmem výzkumných vědců.[když? ]

Dějiny

Polynitrogenové sloučeniny jsou dobře známy a charakterizovány chemici po mnoho let. Molekulární dusík (N
2) byl poprvé izolován Daniel Rutherford v roce 1772[1] a azid ion (N−
3) byl objeven uživatelem Theodor Curtius v roce 1890.[2] Objevy dalších souvisejících dusíkatých alotypů během dvacáté století patří aromatický molekula pentazol a radikální molekula N•
3. Žádný z těchto komplexů však nemohl být izolován nebo syntetizován na a makroskopické měřítko jako N
2 a azid; teprve v roce 1999 byla vyvinuta syntéza ve velkém měřítku pro třetí allotrope dusíku, pentazenium (N+
5) kation.[3] To zvýšilo zájem o polynitrogenové sloučeniny v koncem dvacátého století byl kvůli záloze výpočetní chemie který předpovídal, že tyto typy molekul by mohly být použity jako potenciál záleží na vysoké hustotě energie (HEDM) zdroje.[4]

The N+
4 kation byl poprvé objeven v roce 1958 na základě analýzy anomálních vrcholů pozadí molekulární váha 56+ a 42+ v hmotnostní spektra molekulárního dusíku, což odpovídá tvorbě N+
4 a N+
3, resp.[5] Výslovná syntéza N+
4 byla poprvé provedena v roce 2001 podobným mechanismem elektronového bombardování N
2.[6] Teoretická chemie předpověděl několik možných mechanismů syntézy pro N
4 včetně reakce neutrálního atomu N s a N•
3 radikální, vazba dvou N
2 molekuly v excitovaném stavu a vytlačování z polycyklické sloučeniny, nic z toho nebylo možné experimentálně dosáhnout. V roce 2002 však byla z deionizace kyseliny tetranitrogenové vyvinuta metoda její syntézy N+
4 prostřednictvím neutralizace-reionizace hmotnostní spektrometrie (NRMS).[7] Při syntéze N+
4 (který byl poprvé vytvořen v ionizační komoře hmotnostního spektrometru) prošel dvěma vysokoenergetickými kolizními událostmi. Během první srážky N+
4 kontaktoval cílový plyn, CH
4, čímž se získá malé procento neutrální N
4 molekuly.[7]

N+
4 + CH
4 → N
4 + CH+
4

Vychylování elektroda byl použit k odstranění všech nereagujících N+
4 ionty i cíl plyn, CH
4a jakékoli další nezamýšlené reakční produkty, opouštějící proud N
4 molekuly. Za účelem potvrzení syntézy a izolace N
4, tento proud poté podstoupil druhou kolizní událost a kontaktoval druhý cílový plyn, Ó
2, reformovat N+
4 kation.[7]

N
4 + Ó
2 → N+
4 + Ó−
2

Zmizení a znovuobjevení tohoto „vrcholu zotavení“ potvrzuje dokončení obou reakcí a poskytuje dostatek důkazů pro syntézu N
4 touto metodou. Protože „doba letu“ mezi dvěma reakcemi, prováděná v samostatných komorách hmotnostního spektrometru, byla řádově 1μs, N
4 molekula má a život alespoň tak dlouho.[7]

Vlastnosti

Od svého objevu N
4 nebyl dobře studován. Je to plyn při pokojové teplotě (298 K, 25 ° C, 77 ° F). Má také životnost přesahující 1 μs, i když se předpokládá, že bude charakterizována jako metastabilní.[7] Vzhledem ke své nestabilitě se N4 molekula snadno disociuje na dva stabilnější N2 molekuly. Tento proces je velmi exotermické, uvolňující kolem 800 kJ mol−1 energie.[7]

Struktura N+
4 byla předpovězena teoretickými experimenty a potvrzena experimentálními technikami zahrnujícími kolizně aktivovanou disociační hmotnostní spektrometrii (CADMS). Tato technika bombarduje N+
4-produkční fragmenty, které pak mohou být analyzovány tandemová hmotnostní spektrometrie. Na základě pozorovaných fragmentů byla stanovena struktura zahrnující dvě sady atomů dusíku, které jsou navzájem trojitě vázány (dva N
2 jednotky) a navzájem spojeny s delší, slabší vazbou. Očekává se, že to bude podobná konfigurace pro N
4, vyvracení navrhovaného čtyřboká (T.d) model, ve kterém jsou všechny atomy dusíku ekvivalentní.

Aplikace

Předpokládá se, že tetranitrogen a další podobné polynitrogenové sloučeniny budou dobrými kandidáty pro použití jako záleží na vysoké hustotě energie (HEDM), vysoce energetické zdroje paliva s malou hmotností ve srovnání s tradičními kapalnými a benzínovými motory palivový článek -založené zdroje energie.[8][9] N≡N trojná vazba z N
2 je mnohem silnější (energie formace z 229kcal /mol ) než buď ekvivalentní jeden a půl N = N dvojné vazby (100 kcal / mol, tj. Celkem 150 kcal / mol) nebo ekvivalentní tři N-N jednoduché vazby (38,4 kcal / mol, tj. Celkem 115 kcal / mol). Z tohoto důvodu se očekává, že se molekuly polynitrogenu snadno rozpadnou na neškodné N
2 plyn, při procesu uvolňování velkého množství chemické energie. To je v rozporu s uhlík obsahující sloučeniny, které mají nižší energie tvorby pro ekvivalentní počet jednoduchých nebo dvojných vazeb než pro C≡C trojnou vazbu, což umožňuje termodynamicky příznivou tvorbu polymery.[8] Z tohoto důvodu je v přírodě jedinou alotropickou formou dusíku molekulární dusík (N
2) a proč jsou tak vysoce žádané nové strategie syntetizace polynitrogenových alotropů nákladově efektivním způsobem.

Viz také

Reference

  1. ^ Rutherford, Daniel (1772). De aere fixo dicto, aut mephitico [Ve vzduchu se říká, že je fixní nebo mefitický]. University of Edinburgh: Balfour & Smellie.
  2. ^ Curtius, Theodor (1890). „Ueber Stickstoffwasserstoffsäure (Azoimid) N3H [Kyselina hydrazoová (azoimid) N3H]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (v němčině). 23 (2): 3023–3033. doi:10,1002 / cber.189002302232.
  3. ^ Christe, Karl O .; Wilson, William W .; Sheehy, Jeffrey A .; Boatz, Jerry A. (12. července 1999). "N+
    5    : Nový homoleptický polynitrogenový iont jako materiál s vysokou hustotou energie “. 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.
  4. ^ Glukhovtsev, Michail N .; Jiao, Haijun; Schleyer, Paul von Ragué (leden 1996). „Kromě N2„Jaká je nejstabilnější molekula složená pouze z atomů dusíku?“. Anorganická chemie. 35 (24): 7124–7133. doi:10.1021 / ic9606237. PMID  11666896.
  5. ^ Nevyžádaná pošta, Gregor (1. června 1958). "Přítomnost někoho N+
    3     a N+
    4     v hmotnostním spektru molekulárního dusíku “. Journal of the American Chemical Society. 80 (11): 2908–2909. doi:10.1021 / ja01544a085.
  6. ^ Tosi, P .; Lu, W. Y .; Bassi, D .; Tarroni, R. (1. února 2001). „Reakce N+
    2     + N
    2     → N+
    3     + N od teploty do 25 eV ". Journal of Chemical Physics. 114 (5): 2149–2153. doi:10.1063/1.1336808.
  7. ^ A b C d E F Cacace, F .; de Petris, G .; Troiani, A. (18. ledna 2002). "Experimentální detekce tetranitrogenu". Věda. 295 (5554): 480–481. doi:10.1126 / science.1067681. PMID  11799238. S2CID  35745247.
  8. ^ A b Zarko, V. E. (2010). "Hledání způsobů, jak vytvořit energetické materiály na bázi polynitrogenových sloučenin (recenze)". Spalovací, explozní a rázové vlny. 46 (22): 121–131. doi:10.1007 / s10573-010-0020-x. S2CID  95184003.
  9. ^ Nguyen, Minh Tho (září 2003). „Polynitrogenové sloučeniny: 1. Struktura a stabilita N4 a N5 systémy ". Recenze koordinační chemie. 244 (1–2): 93–113. doi:10.1016 / S0010-8545 (03) 00101-2.