窒素についての基本知識

質問

近々、窒素を扱う機会がありまして、ふと浮かんだ疑問が解けずに参ってます。
それは3点ありまして、

(1)なぜ酸素や炭素と原子番号が一つしか変わらないのに化学的な特性や状態が大きく変わるのか
(2)同族元素は似たような物性を示す、というが例えばリンなどとはどんな点が似ているのか
(3)不活性ガスとしてよく扱われるが、他のヘリウムやアルゴンといったものより利用頻度が高いのはなぜか

といったところです。
ぜひ御教授ください。よろしくお願いします。

回答No.6

noname#160321

>>・空気より軽いため容器の底に溜まって呉れない
>>・分子量（原子量）が空気より大きいので容器の中をきれいに置換できます
>>上記2点がよくわからなかったのですが、なぜそうなるのかを教えてもらえますか？
ヘリウムは原子量がほとんど４（質量数３のものが1ppm）、単原子分子なので分子量も４。アルゴンも99.6%がアルゴン４０で同じく単原子分子で分子量４０。一方空気の平均分子量はおよそ２９。
ガスは一旦混ざってしまうとエントロピーの関連で低温分溜しないと分けられません。しかし空気で満たされた容器にアルゴンガスを静かに注いでやると底に溜まります。またヘリウムを注ごうとしても浮かんで行ってしまいます。これは混ざっていないためです。簡単に同じ事を再現するには二酸化炭素、分子量４４を作ってロウソクの燃えているトールビーカー(丈の高いビーカー)の上から注ぎます。するとフラスコは二酸化炭素で満たされ、当然ロウソクは消えます。
同じ事は水でもできます。熱いお湯の入ったガラス容器に冷たい水をホースでそこの方に静かに入れてやると、なんと界面に屈折率の違いで光を反射する面ができてしまいます。
温められた水や空気は上に昇ります。膨張して密度が下がるから、つまり１気圧下での体積が大きい分体積あたりの質量≡密度が下がったからです。
ヘリウムやアルゴンの場合は空気での場合に比べその密度の差は明確。
分からないところがあれば再度ご質問下さい。
<(_ _)>

お礼

御丁寧にありがとうございます。
大変ためになりました。
自分で調べることが重要なのでしょうが、分かっている方に聞くと＋αの知識がつくのでありがたいです。

回答No.5

helium

(1) 酸素と窒素の化学特性に違う理由についてお答えします。
　酸素と窒素は実在する場合はO2分子とN2分子で空気中に存在しますから、電子数1の違いよりもむしろ分子で考えましょう。分子の場合は電子数は2個違ってきます。しかし、基本的には酸素分子も窒素分子も内殻の1sや2s軌道に関してはどちらも同じです。ところが外側の2p軌道で、酸素と窒素で劇的な違いが生まれます。窒素分子には2p軌道に6個の電子が存在して、2個がエネルギーが安定で結合の強いシグマ結合、4個が弱いパイ結合を作り、6個で軌道を満たして安定に存在しています。また、それぞれスピンの反対の電子が2個ずつペアで埋まっているため反応に対してもとても安定です。つまり窒素は、分子になると最外殻が完全に満たされるので、電子を他から欲しがることをせず、また逆に放出しようともしなくなります。
　ところが酸素分子の場合は、窒素分子より2個余分です。この余った電子はよりエネルギー準位の高いパイ反結合に押し上げられてしまいます。さらにこの電子は悪いことにスピンの向きも同じです。そのため、この余計な電子を他に与えて自分自身が窒素分子と同じような安定な構造に落ち着こうとします。このように、酸素分子が他の分子に電子を与えること『酸化』と呼びます。これによって、酸素は物を酸化しやすく燃焼の原因となり、逆に窒素は不活性な気体になっています。

お礼

ありがとうございます。
なんか目からうろこって感じです。
今まで高校、大学となにしてきたんだろう・・・。

回答No.4

mogula

(3)だけ

　窒素が安価な理由は既に回答があるとおり、若干の不純物などが混在しても問題ない場合は液体窒素からのリークでも十分賄えますしね。ただし、窒素の3重結合は凡そ2000度程度まで加熱すると切れて反応に関与するので、高温の焼結を行う無機反応などには使えない。
　ヘリウムは、放射性の鉱石から精製していて、その手法が確かアメリカの会社が特許を持っているため、そこから輸入しなければならないので高価になっていたはず。

　正直なところ、有機合成をやっていて絶対にヘリウムが必要という場面はガスクロのキャリアガス程度で、そのほかは寧ろ空気より重いアルゴンガスのほうが使いやすかったりします。

お礼

ありがとうございます。
具体的な内容で非常に勉強になりました。
窒素が完全な不活性ガスではないんですね。

回答No.3

Ichitsubo

(1)典型元素においては、原子番号1つの違いは劇的な性質の変化をもたらします。それは#1 1fan9さんの答えのように、最外殻の電子がもたらす化学的性質の大きな違いです。

(2)#1さんの挙げるPH3はホスフィンと呼ばれる物質で、アンモニアと同様の三角錐構造をとります。また、窒素化合物やリン化合物ではＮまたはＰの酸化数が+5になるものが知られます。

(3)大気組成を考えれば明らかです。空気中の8割近くを窒素が占めるのですから、非常に安く手に入ります。アルゴンは空気中に約1％、ヘリウムに至っては資源として利用できるものが少ないため高価です。
不活性ガスとして利用したいときは、ほとんどが嫌気下つまり酸素のない条件が欲しいときなので、窒素で十分なのです。ただしものによっては窒素とも反応してしまうので、これらの場合にアルゴンなどを使うことがあります。

お礼

ありがとうございます。
つまりは電子の働き次第で全然違う性質を示すってことなんですね。

回答No.2

noname#160321

（１）水素との化合物、メタン、アンモニア、水で示しましょう。
１．電気陰性度（Paulingによる「最初期の値」)の差：炭素は2.5、窒素は3.0、酸素が3.5、対して水素は2.1。
２．炭素は四価、窒素は三価、酸素は二価。
メタンでは結合の極性の偏りが小さく、さらに分子が正四面体なので、全く極性がない。アンモニアは非結合電子対が一つありこれが配位し易い、またN-H間に多少の偏りがあり分子として多少の電子双極子がある。一方水はO-H間の電子的偏りが大きいため電子双極子の大きさが非常に大きく、これはHFを除くと単純な物質では最大であり、このため水素結合など水の奇妙な性質が現れる。
ただし、どの水素化物もsp3軌道が四つ満たされている点で兄弟だとも言えます。
（２）これも水素化物で比較しましょう。窒素はNH3：アンモニア、リンはPH3：ホスフィン、ヒ素はAsH3：アルシン。
どれも非共有電子対の電子供与能が高く、Lewis塩基であり金属イオンへの配位子として非常に高い能力を示します。
（３）「窒素は安い！」液体窒素はタンクローリーで供給されるもので純度99.9997％以上、この値段が「○○のおいしい水」とほとんど同じ(?)と聞いたことがあります。ヘリウムは色々な代え難い性質を持っていますが、輸入品、それに空気より軽いため容器の底に溜まって呉れない。アルゴンは液化空気から窒素と酸素を分溜して除くと得られますが、純度を上がるのが結構大変、ただし分子量（原子量）が空気より大きいので容器の中をきれいに置換できます。

お礼

ありがとうございます。
大変勉強になりました。
ところで、
・空気より軽いため容器の底に溜まって呉れない
・分子量（原子量）が空気より大きいので容器の中をきれいに置換できます
上記2点がよくわからなかったのですが、なぜそうなるのかを教えてもらえますか？

回答No.1

1fan9

(1)最外殻の電子の数の違いで共有結合の数が違うから。

(2)似たような構造の物質を作る。
　　例としてＰＨ3とＮＨ3

(3)大気中に多く、得られやすいから。コストがかからない。

あまり自信はないですけど…

お礼

ありがとうございます。
なるほど、共有結合を忘れてました・・・。