스웨덴의 화학자 Carl Scheele와 스코틀랜드의 식물학자 Daniel Rutherford는 1772년에 각각 질소를 발견했습니다. Cavendish 목사와 Lavoisier도 거의 동시에 독립적으로 질소를 얻었습니다. 질소는 Lavoisier에 의해 처음으로 원소로 인식되었으며, 그는 이를 "무생물"을 의미하는 "azo"라고 명명했습니다. Chaptal은 1790년에 원소에 질소라는 이름을 붙였습니다. 이 이름은 그리스어 "nitre"(질산염에 질소를 함유한 질산염)에서 유래되었습니다.
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질소 공급원
질소는 지구상에서 30번째로 풍부한 원소입니다. 질소가 대기 부피의 4/5, 즉 78% 이상을 차지한다는 점을 고려하면 우리가 이용할 수 있는 질소의 양은 거의 무제한입니다. 질소는 또한 칠레 초석(질산나트륨), 질산염 또는 질산칼륨(질산칼륨), 암모늄염을 함유한 광물과 같은 다양한 광물에 질산염 형태로 존재합니다. 질소는 모든 살아있는 유기체에 존재하는 단백질과 아미노산을 포함하여 많은 복잡한 유기 분자에 존재합니다.
물리적 특성
질소 N2는 실온에서 무색, 무미, 무취의 가스이며 일반적으로 무독성입니다. 표준 조건에서의 가스 밀도는 1.25g/L입니다. 질소는 전체 대기(부피 비율)의 78.12%를 차지하며 공기의 주요 구성 요소입니다. 대기에는 약 400조 톤의 가스가 존재합니다.
표준대기압하에서 -195.8℃까지 냉각하면 무색의 액체가 된다. -209.86℃로 냉각되면 액체질소는 눈 같은 고체가 됩니다.
질소는 불연성이며 질식성 가스로 간주됩니다(즉, 순수한 질소를 흡입하면 인체에서 산소가 박탈됩니다). 질소는 물에 대한 용해도가 매우 낮습니다. 283K에서 물 1부피는 약 0.02부피의 N2를 용해시킬 수 있습니다.
화학적 성질
질소는 매우 안정적인 화학적 특성을 가지고 있습니다. 상온에서는 다른 물질과 반응하기 어렵지만, 고온, 고에너지 조건에서는 특정 물질과 화학적 변화를 겪을 수 있으며, 인간에게 유용한 새로운 물질을 생산하는 데 사용될 수 있다.
질소 분자의 분자 궤도 공식은 KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2입니다. 세 쌍의 전자가 결합에 기여합니다. 즉, 두 개의 π 결합과 한 개의 σ 결합이 형성됩니다. 결합에 대한 기여는 없으며 결합 에너지와 결합 방지 에너지는 대략적으로 상쇄되며 고독한 전자쌍과 동일합니다. N2 분자에는 삼중 결합 N=N이 있기 때문에 N2 분자는 안정성이 뛰어나고 원자로 분해되는 데 941.69 kJ/mol의 에너지가 필요합니다. N2 분자는 알려진 이원자 분자 중 가장 안정적이며 질소의 상대 분자 질량은 28입니다. 또한 질소는 쉽게 연소되지 않으며 연소를 지원하지 않습니다.
시험방법
타는 Mg 막대를 질소가 채워진 가스 수집 병에 넣으면 Mg 막대가 계속 연소됩니다. 남은 재(약간 노란색 분말 Mg3N2)를 추출하고 소량의 물을 첨가하면 젖은 붉은 리트머스 종이를 파란색으로 바꾸는 가스(암모니아)가 생성됩니다. 반응식: 3Mg + N2 = 점화 = Mg3N2(질화마그네슘); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑
질소의 결합특성과 원자가결합 구조
단일 물질 N2는 정상적인 조건에서 매우 안정적이기 때문에 사람들은 종종 질소가 화학적으로 비활성 원소라고 잘못 생각합니다. 실제로, 원소 질소는 화학적 활성이 높습니다. N의 전기음성도(3.04)는 F와 O에 이어 두 번째로 다른 원소와 강한 결합을 형성할 수 있음을 나타냅니다. 또한 단일 물질 N2 분자의 안정성은 N 원자의 활성을 나타냅니다. 문제는 사람들이 아직 실온과 압력에서 N2 분자를 활성화하기 위한 최적의 조건을 찾지 못했다는 것입니다. 그러나 자연적으로 식물 결절에 있는 일부 박테리아는 정상 온도와 압력의 낮은 에너지 조건에서 공기 중의 N2를 질소 화합물로 전환하여 작물 성장을 위한 비료로 사용할 수 있습니다.
따라서 질소고정에 관한 연구는 언제나 중요한 과학 연구 주제였습니다. 그러므로 질소의 결합특성과 원자가결합 구조를 자세히 이해하는 것이 필요하다.
채권 유형
N 원자의 원자가 전자층 구조는 2s2p3입니다. 즉, 3개의 단일 전자와 한 쌍의 고립 전자쌍이 있습니다. 이를 바탕으로 화합물을 형성할 때 다음과 같은 세 가지 결합 유형이 생성될 수 있습니다.
1. 이온 결합 형성 2. 공유 결합 형성 3. 배위 결합 형성
1. 이온 결합 형성
N 원자는 전기음성도가 높습니다(3.04). Li(전기음성도 0.98), Ca(전기음성도 1.00), Mg(전기음성도 1.31) 등 전기음성도가 낮은 금속과 이원 질화물을 형성하면 전자 3개를 얻어 N3- 이온을 형성할 수 있습니다. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- 이온은 더 높은 음전하와 더 큰 반경(171pm)을 갖습니다. 그들은 물 분자를 만날 때 강하게 가수분해될 것입니다. 따라서 이온성 화합물은 건조 상태로만 존재할 수 있으며 N3-의 수화된 이온은 존재하지 않습니다.
2. 공유결합의 형성
N 원자가 전기 음성도가 더 높은 비금속과 화합물을 형성할 때 다음과 같은 공유 결합이 형성됩니다.
⑴N 원자는 sp3 혼성화 상태를 취하고, 3개의 공유결합을 형성하고, 한 쌍의 고독 전자쌍을 유지하며, 분자 배열은 NH3, NF3, NCl3 등과 같은 삼각뿔형이다. 4개의 공유결합 단일결합이 형성되면 분자 배열은 다음과 같다. NH4+ 이온과 같은 정사면체.
⑵N 원자는 sp2 혼성화 상태를 취하고 두 개의 공유 결합과 하나의 결합을 형성하며 한 쌍의 고립 전자쌍을 유지하며 분자 구성은 Cl-N=O와 같이 각진 형태입니다. (N 원자는 Cl 원자와 σ 결합, π 결합을 형성하며, N 원자에 고독 전자쌍 한 쌍이 분자를 삼각형으로 만든다.) 고독 전자쌍이 없으면 분자 구성은 HNO3 분자나 NO3- 이온. 질산 분자에서 N 원자는 각각 3개의 O 원자와 3개의 σ 결합을 형성하고, π 궤도의 전자쌍과 두 O 원자의 단일 π 전자는 3중심 4전자 비편재화된 π 결합을 형성합니다. 질산염 이온에서는 4개의 중심에 6개의 전자가 있는 비편재화된 큰 π 결합이 3개의 O 원자와 중심 N 원자 사이에 형성됩니다. 이 구조는 질산의 N 원자의 겉보기 산화수를 +5로 만듭니다. 큰 π 결합이 존재하기 때문에 질산염은 정상적인 조건에서 충분히 안정적입니다. ⑶N 원자는 sp 혼성화를 채택하여 공유 삼중 결합을 형성하고 한 쌍의 고립 전자쌍을 유지합니다. 분자 구성은 N2 분자 및 CN-의 N 원자 구조와 같이 선형입니다.
3. 조정 유대 형성
질소 원자가 단순 물질이나 화합물을 형성할 때 종종 고독한 전자쌍을 유지하므로 이러한 단순 물질이나 화합물은 금속 이온과 배위결합하는 전자쌍 공여체 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, [Cu(NH3)4]2+ 또는 [Tu(NH2)5]7 등.
산화 상태-깁스 자유 에너지 다이어그램
또한 질소의 산화 상태-깁스 자유 에너지 다이어그램에서 NH4 이온을 제외하고 산화수가 0인 N2 분자가 다이어그램 곡선의 가장 낮은 지점에 있음을 알 수 있습니다. 이는 N2가 열역학적으로 다른 산화수를 갖는 질소 화합물에 비해 안정적입니다.
0에서 +5 사이의 산화수를 갖는 다양한 질소 화합물의 값은 모두 HNO3와 N2 두 점을 연결하는 선(다이어그램의 점선) 위에 있으므로 이러한 화합물은 열역학적으로 불안정하고 불균형 반응이 일어나기 쉽습니다. 다이어그램에서 N2 분자보다 값이 낮은 유일한 것은 NH4+ 이온입니다. [1] 질소의 산화 상태-깁스 자유 에너지 다이어그램과 N2 분자의 구조를 통해 N2 원소가 비활성 상태임을 알 수 있습니다. 고온, 고압 및 촉매 존재 하에서만 질소가 수소와 반응하여 암모니아를 형성할 수 있습니다. 방전 조건에서 질소는 산소와 결합하여 산화질소를 형성할 수 있습니다. N2+O2=방전=2NO 산화질소는 산소와 빠르게 결합하여 이산화질소 형성 2NO+O2=2NO2 이산화질소는 물에 용해되어 질산, 산화질소 3NO2+H2O=2HNO3+NO를 형성합니다. 수력 발전이 발달한 국가에서는 이 반응을 사용하여 질산을 생성해 왔습니다. N2는 수소와 반응하여 암모니아를 생성합니다. N2+3H2=== (가역 기호) 2NH3 N2는 이온화 전위가 낮고 질화물의 격자 에너지가 높은 금속과 반응하여 이온성 질화물을 형성합니다. 예: N2는 실온에서 금속 리튬과 직접 반응할 수 있습니다. 6 Li + N2=== 2 Li3N N2는 백열등 온도에서 알칼리 토금속 Mg, Ca, Sr, Ba와 반응합니다. 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2는 백열등 온도에서는 붕소 및 알루미늄과만 반응합니다. 2 B + N2=== 2 BN(고분자 화합물) N2는 일반적으로 1473K보다 높은 온도에서 실리콘 및 기타 족 원소와 반응합니다.
질소 분자는 결합에 세 쌍의 전자를 제공합니다. 즉, 두 개의 π 결합과 한 개의 σ 결합을 형성합니다. 결합에 기여하지 않으며 결합 및 결합 방지 에너지는 대략 상쇄되며 고독한 전자쌍과 동일합니다. N2 분자에는 삼중 결합 N=N이 있기 때문에 N2 분자는 안정성이 뛰어나고 원자로 분해되는 데 941.69kJ/mol의 에너지가 필요합니다. N2 분자는 알려진 이원자 분자 중 가장 안정적이며 질소의 상대 분자 질량은 28입니다. 또한 질소는 쉽게 연소되지 않으며 연소를 지원하지 않습니다.
게시 시간: 2024년 7월 23일
