nitrogen

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工業的製法} \textbf{\textcolor{cyan}{液体空気の分留}}で得る. \\[1zh]   \textbf{実験的製法} \textbf{\textcolor{cyan}{亜硝酸アンモニウム水溶液}}を\textbf{\textcolor{orange}{加熱}}する. \\[.2zh]           $\textbf{\ce{NH4NO2 加熱}]} \textcolor{red}{\ce{N2 ^}} + \ce{2H2O}}$ (\textcolor[named]{ForestGreen}{自己酸化還元反応}) \\\\   \textbf{性質} \maru1\ \ 空気中に\textbf{体積で約78\%}存在する.\ \textbf{常温で安定な気体}だが,\ 高温では反応する. \\[.2zh]      \maru2\ \ \textbf{\textcolor{red}{液体窒素は冷却剤}}として利用される. \ce{NH4NO2}\,の\ce{NH4^+}の\ce{N}\,(酸化数-\,3)から\ce{NO2^-}の\ce{N}\,(酸化数+\,3)に\ce{e-}\,が3個移動する. \\[.2zh] これにより,\ 酸化数0の\ce{N2}\ が生じる. \\[1zh] \ce{N2}\,は\ce{N#N}の結合エネルギーが大きいために安定しており,\ 希ガスに次いで反応性が乏しい. \\ {アンモニア\ \ \ce{NH_3}}}\ \ (\ce{N}の酸化数 $-\,3$) \\[.5zh]   \textbf{工業的製法} \textbf{\textcolor{red}{ハーバー・ボッシュ法}} 窒素}と\textcolor{cyan}{水素}に\textcolor{purple}{四酸化三鉄を触媒}}として加える. \\[.2zh]          {\boldmath $\ce{N2 + 3H2} {Fe3O4}}] 2} \textcolor{red}{\ce{NH3}}$} \\\\   \textbf{実験室製法} \textbf{\textcolor{cyan}{塩化アンモニウム}}と\textbf{\textcolor{magenta}{水酸化カルシウム}}を\textbf{\textcolor{orange}{加熱}}する. \\[.2zh]          {\boldmath $\ce{2NH4Cl + Ca(OH){加熱}] CaCl2 + 2H2O + 2}\textcolor{red}{\ce{NH3 ^}}$}\ \ (\textcolor[named]{ForestGreen}{弱塩基の遊離})塩基性}乾燥剤:\textcolor{cyan}{ソーダ石灰}}}} \Put{(-3.5,2.5)}[c]{\textbf{\textcolor{blue}{アンモニアの実験的製法の図}}} \Put{(-3,0.7)}[n]{{\small \textbf{\textcolor{magenta}{試験管の底部はやや高く}}}} \Put{(-3,0.7)}[s]{{\small \textbf{水の逆流を防ぐ}}} \Put{(1.5,1)}[c]{{\small \textbf{\textcolor{red}{上方}置換}}} \Put{(-2,-1.5)}[n]{{\small \textbf{\ce{Ca(OH)2}}}} \Put{(-2,-1.5)}[s]{{\small \textbf{\ce{NH4Cl}}}}   \textbf{性質} \maru1\ \ 分子量の割に沸点が異常に高い}}(分子間に水素結合}が生じるから). \\[.8zh]      \maru2\ \ \textbf{無色\textcolor{cyan}{刺激臭}の気体で, \textcolor{red}{水によく溶け, 水溶液は弱塩基性}}を示す. \\[.2zh]         {\boldmath $\ce{NH3 + H2O <=> NH4+}+\textcolor{red}{\ce{OH-}}$} \\[.8zh]      \maru3\ \ 検出$\begin{cases} \bm{\textcolor{magenta}{塩化水素に触れると白煙}}を生じる.  \ce{NH3 + HCl -} \ce{NH4Cl}\ (\textcolor{magenta}{白煙}) \\[.2zh] 湿った\bm{\textcolor{red}{赤色リトマス紙}}を\bm{\textcolor{blue}{青変}}する. \\[.2zh] 水溶液は,\ネスラー試薬}}で\赤褐色の沈殿}}を生じる. \end{cases}$ \\\\[.5zh]      \maru4\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{アンモニア}}と\textbf{\textcolor{magenta}{二酸化炭素}}を高温・高圧で反応させると\textbf{\textcolor{red}{尿素}}が得られる. \\[.2zh]          $\bm{\ce{2NH3 + CO} \textcolor{red}{\ce{(NH2)2CO}} + \ce{H2O}}$ \\\\\\ 一酸化窒素 \ce{NO}}}\ \ (\ce{N}の酸化数 $+\,2$) \\[.5zh]   \textbf{製法} \textbf{\textcolor{cyan}{銅}}に\textbf{\textcolor{magenta}{希硝酸}}を加える. \\[.2zh]        $\bm{\ce{3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2}\textcolor{red}{\ce{NO ^}}}$ (\textcolor[named]{ForestGreen}{酸化還元反応}) \\[1zh]   \textbf{性質} \maru1\ \ \textbf{無色.}   \maru2\ \ \textbf{\textcolor{magenta}{水に不溶}}. \\[.2zh]      \maru3\ \ \textbf{\textcolor{red}{空気中でただちに\ce{NO2}}}に変化する.  \textbf{\ce{2NO + O2 – 2NO2}} \\\\  \textbf{\textcolor{blue}{二酸化窒素 \ce{NO_2}}}\ \ (\ce{N}の酸化数 $+\,4$) \\[.5zh]   \textbf{製法} \textbf{\textcolor{cyan}{銅}}に\textbf{\textcolor{magenta}{\.{濃}硝酸}}を加える. \\[.2zh]        $\bm{\ce{Cu + 4HNO3 Cu(NO3)2 + 2H2O + 2}\textcolor{red}{\ce{NO2 ^}}}$ (\textcolor[named]{ForestGreen}{酸化還元反応}) \\[1zh]   \textbf{性質} \maru1\ \赤褐色.}} 水に溶け}},\ \textbf{\textcolor{red}{\ce{HNO3}}}を生成する.  \textbf{\ce{3NO2 + H2O } \ce{2}\textcolor{red}{\ce{HNO3}} + \ce{NO}} \\[.2zh]      \maru3\ \ 常温では\textbf{\textcolor{cyan}{無色の四酸化二窒素と平衡状態}}にある.  \textbf{\ce{2NO2 <=> N2O4}} \\\\[1zh] \ce{NO}の製法 (酸化剤)\ \ \ce{HNO3 + 3H+ + 3e- 2H2O + NO}  (還元剤)\ \ \ce{Cu Cu^2+ + 2e-} \\[.2zh] (酸化剤)\times2+(還元剤)\times3\ より \ce{3Cu + 2HNO3 +6H+ 3Cu^2+ + 4H2O + 2NO} \\[.2zh] \ce{H+}の由来は\ce{HNO3}\,と考えられるから,\ 両辺に\ce{NO3^-}を6個加えると完成である. \\[1zh] \ce{NO2}\,の製法 (酸化剤)\ \ \ce{HNO3 + H+ + e- H2O + NO2}  (還元剤)\ \ \ce{Cu Cu^2+ + 2e-} \\[.2zh] 後は\ce{NO}と同様にして作成できる. \\[1zh] 硝酸が生成する\ \ce{3NO2 + H2O + NO}\ は\bm{温水における反応式}である. \\[.2zh] 特に断りがなければこの反応式を書けばよいが,\ 冷水という条件があれば,\ 次の反応式を書く. \\[.2zh] \bm{冷水 \ce{2NO2 + H2O HNO3 + HNO2}} (硝酸と亜硝酸が生成) \\[1zh] 通常,\ 酸性酸化物(非金属の酸化物)に水を加えると,\ 対応する(酸化数が同じ)オキソ酸が生成する. \\[.2zh] 例えば,\ \ce{CO2}\,(\ce{C}の酸化数+\,4)に水を加えると,\ \ce{H2CO3}\,(\ce{C}の酸化数+\,4)が生成する. \\[.2zh] しかし,\ \ce{NO2}\,(\ce{N}の酸化数+\,4)に対応するオキソ酸は存在しない. \\[.2zh] そこで,\ \ce{HNO3}\,(+\,5)が生じるとき,\ 同時に\ce{NO}\,(+\,2)や\ce{HNO2}\,(+\,3)が生じる(自己酸化還元反応). 硝酸 \ce{HNO_3}}}\ \ (\ce{N}の酸化数 $+\,5$) \\[.5zh]   \textbf{工業的製法} \textbf{\textcolor{red}{オストワルト法}(\textcolor{purple}{触媒:白金}\textcolor{magenta}{合体式} \maru1 アンモニアを白金を触媒として酸化すると,\ 一酸化窒素と水が生じる(暗記). \\[.2zh] \maru2 一酸化窒素は容易に酸化されて二酸化窒素になる. \\[.2zh] \maru3 二酸化窒素と水を反応させると,\ 硝酸が生じる(温水).\ 同時に生じる\ce{NO}は\maru2で再利用する. \\[1zh] 合体反応式は,\ 次のように中間生成物の\ce{NO2}\,と\ce{NO}を消去して導かれる. \\[.2zh] \text{[1]}\ \ \maru2\times3+\maru3\times2\ より,\ \ce{NO2}を消去する. \ce{4NO + 3O2 + 2H2O 4HNO3} \cdots\cdots\maru4 \\[.2zh] \text{[2]}\ \ \maru1+\maru4\ より,\ \ce{NO}を消去する.    \ \ \,\,\ce{4NH3 + 8O2 4HNO3 + 4H2O} (4で割る) \\[.2zh] 微妙に予想しにくいので,\ \maru1,\ \maru3,\ 合体式は暗記を推奨したい. \\[.2zh] \bm{合体式が1\text{\textbf{mol}}の\ce{NH3}から1\text{\textbf{mol}}の\ce{HNO3}\,が生じることを意味している}ことは非常に重要である.   \textbf{実験的製法} \textbf{\textcolor{cyan}{硝酸ナトリウム}}に\textbf{\textcolor{magenta}{濃硫酸}}を加えて\textbf{\textcolor{orange}{加熱}}する. \\[.2zh]           $\bm{\ce{NaNO3 + H2SO4加熱}] NaHSO4} + \textcolor{red}{\ce{HNO3 ^}}}$ (\textcolor[named]{ForestGreen}{揮発性酸の遊離})強酸}}であり, かつ\textbf{\textcolor{red}{強い酸化作用}}も備える. \\[.2zh]       \ \ よって, \textbf{イオン化傾向の小さい\textcolor{magenta}{\ce{Cu}, \ce{Ag}, \ce{Hg}を加熱なしで溶かす.}} \\[.5zh]    濃}硝酸は\ce{Al}, \ce{Fe}, \ce{Ni}を不動態}}にする. \\[.2zh]   濃}硝酸は光や熱で分解する}}ので, \textbf{\textcolor{red}{褐色瓶に入れ, 冷暗所で保存}}する. \\\\[1zh] %{\small \ce{NH3}, \ce{HNO3}の工業的製法は, どこにでもある\textbf{\textcolor{magenta}{「空気と水」を窒素肥料\ce{(NH4)2SO4}(\rubytiny{硫安}{りゅうあん}), \ce{NH4NO3}(\rubytiny{硝安}{しょうあん})に変えた}}ことが意義深い.} \\ 不動態 強い酸化作用により,\ 表面に緻密な酸化皮膜ができて反応性が失われた状態.} \\ \ce{Fe}(徹)\ce{Co}(子)\ce{Ni}(に)\ce{Al}(ある)\ce{Cr}(苦労)  不導体(電気を通さない物体)ではないので注意. \\[1zh] %\ce{NH4Cl}(塩安) \\ 光による分解時の反応式 \ce{4HNO3 4NO2 + 2H2O + O2} オストワルト法でアンモニア6.8\,kgを完全に硝酸にしたとすると,\ 60\%硝酸は何kg \\[.2zh] \hspace{.5zw}得られるか. \\ NH3 + 2O2 HNO3 + H2O}}\ より,\ \textcolor{red}{1molの\ce{NH3}\,から1molの\ce{HNO3}\,が生成する.} \\[.5zh]   $\ce{NH3}は,\ \bunsuu{6800\ \text{[g]}}{17\ \text{[g/mol]}}=400$ [mol]\ ある. \\[.4zh]   よって,\ 得られる\ce{HNO3}は400 [mol] である.\ その質量は,\ \ $63\times400=25200$\ [g] \\[.4zh] \centerline{$\therefore 得られる60\%硝酸は \textcolor{red}{25200\times\bunsuu{100}{60}}=42000\,\text{[g]}=\bm{42\, 原子量を\ \ce{H}=1,\ \ce{N}=14,\ \ce{O}=16\ とすると,\ \ce{NH3}=17,\ \ \ce{HNO3}=63 \\[.2zh] 本問で注意すべきは,\ \bm{次のように接触法と同様に考えると間違える}ことである. \\[.2zh] \ce{4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O}より,\,1\text{mol}の\ce{NH3}\,から1\text{mol}の\ce{NO}\,が得られる.\,(\ce{NH3}:\ce{NO}=4:4)\\[.2zh] \ce{2NO + O2 2NO2}\ より,\ 1\text{mol}の\ce{NO}\,から1\text{mol}の\ce{NO2}\,が得られる.\ (\ce{NO}:\ce{NO2}=2:2) \\[.2zh] \ce{3NO2 + H2O 2HNO3 + NO}\ より,\ 3\text{mol}の\ce{NO2}\,から2\text{mol}の\ce{HNO3}\,が得られる. \\[.2zh] 総合すると,\ 1\text{mol}の\ce{NH3}\,からは最大\,\bunsuu23\,\text{mol}の\ce{HNO3}\,が得られる??? \\[.2zh] これが誤りなのは,\ \bm{\ce{N}原子に着目}するとわかる. \\[.2zh] \ce{3NO2 + H2O 2HNO3 + NO}\ において,\ \ce{N}原子は\ce{HNO3}\,の他に\ce{NO}にも分配されている. \\[.2zh] よって,\ これではアンモニア\ce{NH3}\,が完全に\ce{HNO3}\,になったとはいえない. \\[.2zh] 結局,\ \bm{合体反応式で考えなければならない}のである. \\[1zh] \bm{硝酸は,\ \ce{HNO3}\,分子と\ce{H2O}分子の混合物}である. \\[.2zh] 題意は,\ \bm{「\ce{HNO3}\,と\ce{H2O}の混合物(\ce{HNO3}\,が60\%,\ \ce{H2O}が40\%)が何\,\text{kg}得られるか」}である. \\[.2zh] \ce{NH3}\,の物質量(\text{mol})から\ce{HNO3}\,の質量25200\,\text{g}が求まる. \\[.2zh] これは,\ \bm{\ce{HNO3}\,分子(60\%分)だけで25200\,\text{g}ある}ことを意味している. \\[.2zh] 硝酸の質量は,\ これに残り40\%を占める\ce{H2O}分子の質量を加えて100\%にしたものである. \\[.2zh] よって,\ 60\,[\%]:25200\,[\text{g}]=100\,[\%]:x\,[\text{g}]\ を求めることになる. \\[.2zh] \bm{決して,\ 25200\text{g}の60\%を求めるわけではない}ことに注意してほしい.