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Nitrogen and sulfur · ⁨窒素と硫黄⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 12 · ⁨トピック 12⁩

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7:40

窒素と硫黄

息を吸い込んでみてください。今肺に入ったものの約五分之四は窒素でした。しかしそれはそのまま不变のまま体外へ排出されました。窒素とは…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

12.1

Why nitrogen is unreactive · ⁨ニトロンが不活性である理由⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
  2. describe and explain: (a) the basicity of ammonia, using the Brønsted–Lowry theory (b) the structure of the ammonium ion and its formation by an acid–base reaction (c) the displacement of ammonia from ammonium salts by an acid–base reaction
  3. state and explain the natural and man-made occurrences of oxides of nitrogen and their catalytic removal from the exhaust gases of internal combustion engines
  4. understand that atmospheric oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$) can react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate, PAN, which is a component of photochemical smog
  5. describe the role of $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ in the formation of acid rain both directly and in their catalytic role in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide
日本語
  1. 三重結合の強さと非極性の欠如に言及して、ニトロンの反応性の欠如を説明する
  2. 記述・説明する:(a) Brønsted–Lowry理論を用いたアンモニアの塩基性(b) アンモニウムイオンの構造および酸塩基反応による形成(c) 酸塩基反応によるアンモニウム塩からのアンモニア置換
  3. 窒素酸化物の自然および人為的な発生を述べ、内燃機関排ガス中での触媒除去について説明する
  4. 大気中の窒素酸化物($\text{NO}$および$\text{NO}_2$)が燃焼不完全炭化水素と反応してペルシアシル硝酸、PANを形成すること、これが光化学スモッグの構成要素であることを理解する
  5. $\text{NO}$および$\text{NO}_2$が大気中二酸化硫黄の酸化における触媒作用を含め、酸雨形成において直接的および触媒的役割を果たすことを記述する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Nitrogen gas, $\text{N}_2$, makes up most of the air but reacts with very little. There are two reasons:

  • the two nitrogen atoms are joined by a triple bond 三键, which has a very high bond energy 键能. A lot of energy is needed to break it.
  • the molecule has no polarity 极性 — it is perfectly symmetrical, so nothing pulls other molecules towards it.
日本語

窒素ガス$\text{N}_2$は空気の大部分を占めていますが、ほとんど反応しません。その理由は2つあります:

  • 2つの窒素原子は三重結合で結びついており、非常に高い結合エネルギーを持っています。これを切断するには多くのエネルギーが必要です。
  • この分子は分極を持っていません — 完全に対称的であるため、他の分子を引き寄せる力は働かない。
三重結合で結ばれた2つの窒素原子、それぞれに非共有電子対を持ち、強い結合および対称的で非極性分子としてラベル付けされている
窒素が不活性である理由は2つ:極めて強い三重結合、および対称的で非極性の分子
Explore · ⁨探索⁩

The shape of ammonia · ⁨アンモニアの形状⁩

Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°). · ⁨アンモニアには結合電子対が3つ、非共有電子対が1つある——非共有電子対が結合を下へ押し下げ、三角錐形(約107°)を形成する。⁩

12.1

Ammonia and the ammonium ion · ⁨アンモニアとアンモニウムイオン⁩

English

Basicity of ammonia

The basicity 碱性 of ammonia (its ability to act as a base) comes from the lone pair 孤对电子 of electrons on the nitrogen atom. Using the Brønsted–Lowry theory, ammonia is a base because this lone pair can accept a proton 质子 ($\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$

The ammonium ion

When the lone pair forms a bond to $\text{H}^+$, it makes the ammonium ion 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Because both shared electrons came from the nitrogen, this new bond is a coordinate bond 配位键. The ion has four identical N–H bonds and a tetrahedral shape.

Displacement of ammonia from its salts

If you warm an ammonium salt with a base (such as sodium hydroxide), you push out ammonia gas. This is an acid–base displacement 置换:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

The sharp smell of ammonia, and damp red litmus turning blue, is a test for an ammonium salt.

日本語
大規模な工業用化学プラント
アンモニアは工業施設で大規模に窒素肥料へ変換されます。

アンモニアの塩基性

アンモニアの塩基性(塩基としての機能)は、窒素原子上の非共有電子対に由来します。ブレンステッド-ローリー説によると、この非共有電子対がプロトン($\text{H}^+$)を受け取れるため、アンモニアは塩基です:

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
窒素に非共有電子対を持つアンモニアが水素イオンを受け取り、四面体構造のアンモニウムイオンを形成する
アンモニアは塩基として振る舞い、窒素上の非共有電子対がプロトンを受け取ることでアンモニウムイオンを生成する

アンモニウムイオン

非共有電子対が$\text{H}^+$に結合すると、アンモニウムイオン$\text{NH}_4^+$が形成されます。この新結合の両方の共有電子対は窒素由来であるため、これは配位結合です。このイオンには4つの等しいN–H結合があり、四面体構造をとります。

塩からのアンモニアの遊離

アンモニウム塩を塩基(例:水酸化ナトリウム)と温めると、アンモニアガスが遊離します。これは酸塩基置換反応です:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

アンモニア特有の刺激臭と、湿った赤リトマス紙の青色転化は、アンモニウム塩のテスト法です。

12.1

Oxides of nitrogen and air pollution · ⁨窒素酸化物と大気汚染⁩

English

Where they come from

Oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$, together called $\text{NO}_x$) come from two sources:

  • natural: lightning gives enough energy for nitrogen and oxygen in the air to combine.
  • man-made: the high temperature inside an internal combustion engine 内燃机 makes nitrogen and oxygen react:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

Removing them from car exhaust

A catalytic converter 催化转化器 cleans the exhaust gases 尾气. It lets the harmful gases react together to form harmless ones:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$

Photochemical smog

In sunlight, $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate (PAN). PAN is a harmful part of photochemical smog 光化学烟雾, the brown haze seen over busy cities.

Acid rain

The oxides of nitrogen also help make acid rain 酸雨 in two ways:

  • directly: $\text{NO}_2$ dissolves in rain to form nitric acid.
  • as a catalyst: $\text{NO}_2$ speeds up the oxidation of atmospheric sulfur dioxide 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) into $\text{SO}_3$, which then forms sulfuric acid in the rain.

Worked example. A white solid is warmed with aqueous $\text{NaOH}$, and a gas is released that turns damp red litmus blue. Identify the gas and the ion in the solid, and explain the reaction. The only common gas that turns damp red litmus blue is ammonia, $\text{NH}_3$, so the solid contains the ammonium ion, $\text{NH}_4^{+}$. The hydroxide ion is the stronger base, so it takes the proton back from the ammonium ion:

$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

This is the standard test for $\text{NH}_4^{+}$. Always say the litmus is damp: the ammonia must dissolve in the water before it can show its basicity, so dry litmus would give no colour change at all.

日本語

発生源

窒素酸化物($\text{NO}$と$\text{NO}_2$、统称$\text{NO}_x$)は2つの起源から生じます:

  • 自然由来: 雷により、空気中の窒素と酸素が結合する十分なエネルギーが与えられます。
  • 人為由来: 内燃機関内部の高温により、窒素と酸素が反応します:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

排ガスからの除去

触媒コンバーターは排気ガスを浄化します。有害ガスを無害なものに変えるために互いに反応させます:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
有害ガスNOとCOが触媒ブロックを通過し、無害な窒素と二酸化炭素として排出される様子
触媒コンバーター内では、有害ガスNOとCOが触媒上で反応し、無害なN$_2$とCO$_2$を生成する

光化学スモッグ

日光下で、$\text{NO}$と$\text{NO}_2$が未燃焼の炭化水素と反応し、過アセチル硝酸(PAN)を生成します。PANは都会の上空に見られる茶色の霞である光化学スモッグの有害な成分です。

青空の下、建物の上に茶灰色の霾層が宿る大都市の航空写真
大都市の上空の光化学スモッグ。茶色の層は交通排気ガスの位置に近い低層に閉じ込められており、日光によって窒素酸化物と未燃焼炭化水素が視覚的に確認できる霾へと変換される

酸性雨

窒素酸化物は次の2つの方法で酸性雨の形成に関与します:

  • 直接:$\text{NO}_2$が雨水に溶解して硝酸を生成する。
  • 触媒として:$\text{NO}_2$が大気中の二酸化硫黄($\text{SO}_2$)の酸化を促進し、$\text{SO}_3$を生成することで、これが雨水の中で硫酸となる。
フロー図:NO2が硝酸を生成し、SO2が硫酸を生成する。NO2は硫黄経路も触媒化し、両者が酸性雨につながる
窒素と硫黄の酸化物が酸性雨を形成する:NO$_2$は直接硝酸を生成し、SO$_2$の酸化を触媒化して硫酸を生成する

** worked example.** 白色固体を $\text{NaOH}$ とともに温めると、湿った赤リトマス紙を青色に変える気体が発生した。この気体と固体中のイオンを特定し、反応式を説明せよ。湿った赤リトマス紙を青色に変える一般的な気体はアンモニアのみであり、 $\text{NH}_3$ therefore 固体にはアンモニウムイオン $\text{NH}_4^{+}$ が含まれている。水酸化物イオンの方が塩基性が強いため、プロトンをアンモニウムイオンから取り戻す:

$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

これは $\text{NH}_4^{+}$ の標準的な検出法である。必ずリトマス紙が湿っていることを述べるべきである。アンモニアは水に溶解して初めて塩基性を示すため、乾燥したリトマス紙では色変化は全く生じない。

Explore · ⁨探索⁩

NOx pollution route · ⁨NOx汚染ルート⁩

Trace nitrogen oxides from hot engines to environmental harm. · ⁨高温エンジンからの微量窒素酸化物から環境への害まで。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/ 三重結合
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 結合エネルギー
polarity/pəʊˈlærɪti/ 極性
basicity/beɪˈsɪsɪti/ 塩基性
lone pair/ləʊn peə/ 非共有電子対
proton/ˈprəʊtɒn/ 陽子
ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/ アンモニウムイオン
coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ 配位結合
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 変位
internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/ 内燃機関
catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/ 触媒変換装置
exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/ 排気ガス
photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/ 光化学スモッグ
acid rain/ˈæsɪd reɪn/ 酸性雨
sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/ 二酸化硫黄
12.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • $\text{N}_2$ is unreactive because of its strong triple bond (very high bond energy) — state this exactly.
  • Ammonia is a base and a ligand because of its lone pair; the ammonium ion forms by a dative bond.
  • Explain how oxides of nitrogen form (high temperature in engines) and their link to acid rain and photochemical smog.
  • Give balanced equations and correct observations for reactions of ammonia and the ammonium ion.
日本語
  • $\text{N}_2$ は強い三重結合(非常に高い結合エネルギー)のため不活性である — この点を正確に述べよ。
  • アンモニアは非共有電子対を持つため塩基および配位子であり、アンモニウムイオンは配位結合によって形成される。
  • 窒素酸化物の生成過程(エンジン内の高温条件下)と、酸性雨および光化学スモッグとの関連を説明せよ。
  • アンモニアおよびアンモニウムイオンの反応について、平衡方程式および正しい観察結果を記せ。

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