窒素(15族)とその化合物(アンモニア、一酸化窒素、二酸化窒素、硝酸)

nitrogen
工業的製法} 液体空気の分留で得る.   実験的製法} 亜硝酸アンモニウム水溶液を加熱する.           ${NH₄NO₂ 加熱}]} {N₂ ^ + {2H₂O$ (自己酸化還元反応})   性質} 空気中に体積で約78\%}存在する.\ 常温で安定な気体}だが,\ 高温では反応する.      液体窒素は冷却剤として利用される. {NH₄NO₂}の{NH₄^+}の{N}(酸化数-3)から{NO₂^-}の{N}(酸化数+3)に{e-}が3個移動する. これにより,\ 酸化数0の{N₂}\ が生じる. {N₂}は{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{NH₃}({N}の酸化数 $-3$)   工業的製法} ハーバー・ボッシュ法 窒素}と水素}に四酸化三鉄を触媒として加える.          { ${N₂ + 3H₂} {Fe3O4] 2} NH₃}$}   実験室製法} 塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを加熱する.          { ${2NH₄Cl + Ca(OH){加熱}] CaCl₂ + 2H₂O + 2}{NH₃ ^$}(弱塩基の遊離})塩基性}乾燥剤:ソーダ石灰 {(-3.5,2.5)}[c]{アンモニアの実験的製法の図} {(-3,0.7)}[n]{ 試験管の底部はやや高く {(-3,0.7)}[s]{ 水の逆流を防ぐ} {(1.5,1)}[c]{ 上方}置換} {(-2,-1.5)}[n]{ {Ca(OH)₂ {(-2,-1.5)}[s]{ {NH₄Cl   性質} 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).      無色刺激臭}の気体で, 水によく溶け, 水溶液は弱塩基性を示す.         { ${NH₃ + H₂O <=> NH₄+}+{OH-$}      検出$ {塩化水素に触れると白煙を生じる.  {NH₃ + HCl -} {NH₄Cl}\ (白煙}) 湿った{赤色リトマス紙を{青変する. 水溶液は,\ネスラー試薬で\赤褐色の沈殿を生じる. $      アンモニアと二酸化炭素を高温・高圧で反応させると尿素が得られる.          $2NH₃ + CO} {(NH₂)2CO + H₂O}$ 一酸化窒素 {NO}({N}の酸化数 $+2$)   製法} 銅に希硝酸を加える.        $3Cu + 8HNO₃ 3Cu(NO₃)2 + 4H₂O + 2}{NO ^}$ (酸化還元反応})   性質} 無色.}   水に不溶.      空気中でただちに{NO₂}に変化する.  {2NO + O₂ – 2NO₂  二酸化窒素 {NO₂}({N}の酸化数 $+4$)   製法} 銅に{濃}硝酸を加える.        $Cu + 4HNO₃ Cu(NO₃)2 + 2H₂O + 2}{NO₂ ^}$ (酸化還元反応})   性質} \ \赤褐色. 水に溶け,\ {HNO₃}を生成する.  {3NO₂ + H₂O } {2}{HNO₃ + {NO      常温では無色の四酸化二窒素と平衡状態にある.  {2NO₂ <=> N₂O4 {NO}の製法 (酸化剤){HNO₃ + 3H+ + 3e- 2H₂O + NO}  (還元剤){Cu Cu²+ + 2e-} (酸化剤)2+(還元剤)3\ より {3Cu + 2HNO₃ +6H+ 3Cu²+ + 4H₂O + 2NO} {H+}の由来は{HNO₃}と考えられるから,\ 両辺に{NO₃^-}を6個加えると完成である. {NO₂}の製法 (酸化剤){HNO₃ + H+ + e- H₂O + NO₂}  (還元剤){Cu Cu²+ + 2e-} 後は{NO}と同様にして作成できる. 硝酸が生成する\ {3NO₂ + H₂O + NO}\ は{温水における反応式}である. 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. {冷水 {2NO₂ + H₂O HNO₃ + HNO₂ (硝酸と亜硝酸が生成) 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. 例えば,\ CO₂({C}の酸化数+4)に水を加えると,\ {H₂CO₃}({C}の酸化数+4)が生成する. しかし,\ {NO₂}({N}の酸化数+4)に対応するオキソ酸は存在しない. そこで,\ {HNO₃}(+5)が生じるとき,\ 同時に{NO}(+2)や{HNO₂}(+3)が生じる(自己酸化還元反応). 硝酸 {HNO₃}({N}の酸化数 $+5$)   工業的製法} オストワルト法}(触媒:白金}合体式}  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).  一酸化窒素は容易に酸化されて二酸化窒素になる.  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{NO}はで再利用する. 合体反応式は,\ 次のように中間生成物の{NO₂}と{NO}を消去して導かれる. }3+2\ より,\ {NO₂}を消去する. {4NO + 3O₂ + 2H₂O 4HNO₃}  }+\ より,\ {NO}を消去する.    {4NH₃ + 8O₂ 4HNO₃ + 4H₂O} (4で割る) 微妙に予想しにくいので,\ ,\ ,\ 合体式は暗記を推奨したい. {合体式が1molのNH₃から1molの{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.   実験的製法} 硝酸ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱する.           $NaNO₃ + H₂SO₄加熱}] NaHSO₄} + {HNO₃ ^}$ (揮発性酸の遊離})強酸であり, かつ強い酸化作用も備える.       よって, イオン化傾向の小さい{Cu}, {Ag}, {Hg}を加熱なしで溶かす.    濃}硝酸は{Al}, {Fe}, {Ni}を不動態にする.   濃}硝酸は光や熱で分解するので, 褐色瓶に入れ, 冷暗所で保存する. % NH₃, {HNO₃}の工業的製法は, どこにでもある「空気と水」を窒素肥料{(NH₄)2SO₄}(tiny{硫安}{りゅうあん}), {NH₄NO₃}(tiny{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.} {Fe}(徹){Co}(子){Ni}(に){Al}(ある){Cr}(苦労)  不導体(電気を通さない物体)ではないので注意. %{NH₄Cl}(塩安) 光による分解時の反応式 {4HNO₃ 4NO₂ + 2H₂O + O₂} オストワルト法でアンモニア6.8kgを完全に硝酸にしたとすると,\ 60\%硝酸は何kg 得られるか. NH₃ + 2O₂ HNO₃ + H₂O\ より,\ 1molのNH₃から1molの{HNO₃}が生成する.}   $NH₃は,\ {6800\ [g]{17\ [g/mol]=400$ [mol]\ ある.   よって,\ 得られる{HNO₃}は400 [mol] である.\ その質量は,$63400=25200$\ [g] $ 得られる60\%硝酸は 25200{100}{60=42000[g]}={42 原子量を\ {H}=1,\ {N}=14,\ {O}=16\ とすると,\ NH₃=17,{HNO₃}=63 本問で注意すべきは,\ {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. {4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O}より,1mol}のNH₃から1mol}の{NO}が得られる.(NH₃:{NO}=4:4) {2NO + O₂ 2NO₂}\ より,\ 1mol}の{NO}から1mol}の{NO₂}が得られる.\ ({NO}:{NO₂}=2:2) {3NO₂ + H₂O 2HNO₃ + NO}\ より,\ 3mol}の{NO₂}から2mol}の{HNO₃}が得られる. 総合すると,\ 1mol}のNH₃からは最大23mol}の{HNO₃}が得られる??? これが誤りなのは,\ N}原子に着目}するとわかる. {3NO₂ + H₂O 2HNO₃ + NO}\ において,\ {N}原子は{HNO₃}の他に{NO}にも分配されている. よって,\ これではアンモニアNH₃が完全に{HNO₃}になったとはいえない. 結局,\ {合体反応式で考えなければならない}のである. {硝酸は,\ {HNO₃}分子とH₂O分子の混合物}である. 題意は,\ {「{HNO₃}とH₂Oの混合物({HNO₃}が60\%,\ H₂Oが40\%)が何kg}得られるか」}である. NH₃の物質量(mol})から{HNO₃}の質量25200g}が求まる. これは,\ HNO₃}分子(60\%分)だけで25200g}ある}ことを意味している. 硝酸の質量は,\ これに残り40\%を占めるH₂O分子の質量を加えて100\%にしたものである. よって,\ 60[\%]:25200[g}]=100[\%]:x[g}]\ を求めることになる. {決して,\ 25200g}の60\%を求めるわけではない}ことに注意してほしい.
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