숨을 들이마십니다. 방금 폐로 들어간 물질의 nearly four fifths가 질소였으며 — 그것은 완전히 변하지 않고 그대로 다시 빠져나왔습니다. 질소는…
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12.1
Why nitrogen is unreactive · 질소가 비활성인 이유
Syllabus
English
explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
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
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
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
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
한국어
삼중 결합의 강도와 극성의 부재에 근거하여 질소의 비활성 이유 설명
서술 및 설명: (a) 브론스테드-로우리 이론을 이용한 암모니아의 염기성 (b) 암모늄 이온의 구조 및 산-염기 반응에 의한 형성 (c) 암모늄 염의 암모니아 치환 - 산-염기 반응에 의해
질소 산화물의 자연 및 인공 발생을 서술하고 내부연소 엔진 배기가스에서 촉매 제거 방법 설명
대기 중 질소 산化物($\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$)가 연소되지 않은 탄화수소와 반응하여 퍼옥시아세틸 니트로, PAN를 형성하며 이는 광화학 스모그의 구성 요소임을 이해
$\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$가 산성비 형성에서 직접적 역할 및 대기 중 황산염의 산화를 위한 촉매 역할을 서술
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
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.
한국어
질소 기체 $\text{N}_2$은 공기의 대부분을 차지하지만 거의 반응하지 않습니다. 그 이유는 두 가지입니다:
두 질소 원자는 매우 높은 결합 에너지 bond energy를 가진 삼중 결합 triple bond으로 연결되어 있습니다. 이를 끊는 데 많은 에너지가 필요합니다.
분자는 극성 polarity가 없습니다 — 완벽하게 대칭적이므로 다른 분자를 끌어당기는 힘이 없습니다.
질소는 두 가지 이유로 비활성입니다: 매우 강력한 삼중 결합과 대칭적인 극성 분자
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The shape of ammonia · 암모니아의 형태
Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°). · 암모니아는 세 개의 결합 쌍과 하나의 비결정 전자쌍을 가집니다 — 비결정 전자쌍은 결합을 아래로 밀어 삼각뿔형 구조(약 107°)를 만듭니다.
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 ($\text{H}^+$):
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:
암모니아는 질소의 비공유 전자쌍이 양성자를 받아들여 암모늄 이온을 만들기 때문에 염기 역할을 합니다
암모늄 이온
비공유 전자쌍이 $\text{H}^+$과 결합할 때 암모늄 이온 ammonium ion, $\text{NH}_4^+$을 만듭니다. 공유된 두 전자가 모두 질소에서 유래했으므로, 이 새로운 결합은 배위 결합 coordinate bond입니다. 이 이온은 네 개의 동일한 N–H 결합과 사면체 형태를 가집니다.
염 from salts from its salts of ammonia displacement
암모늄 염을 염기(수산화나트륨 등)와 함께 가열하면 암모니아 기체가 방출됩니다. 이는 산-염기 치환 displacement입니다:
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:
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.
한국어
발생 원인
질소 산化物($\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$, 합쳐서 $\text{NO}_x$이라 함)는 두 가지 출처에서 발생합니다:
자연적: 번개는 공기 중 질소와 산소가 결합할 수 있는 충분한 에너지를 제공합니다.
인위적: 내연 기관 internal combustion engine 내부의 고온이 질소와 산소 간의 반응을 유발합니다:
촉매 변환기에서 유해 가스 NO와 CO가 촉매 위에서 반응하여 무해한 N$_2$과 CO$_2$를 만듭니다
광화학 스모그 photochemical smog
태양광 아래에서 $\text{NO}$과 $\text{NO}_2$이 연소되지 않은 탄화수소 hydrocarbons와 반응하여 과아세틸 니트레이트(PAN)를 생성합니다. PAN은 번잡한 도시 상공에 보이는 갈색 안개인 광화학 스모그 photochemical smog의 유해 성분입니다.
대도시 위의 광화학 스모그. 갈색 안개층은 교통 배기가스가 있는 낮은 곳에 갇혀 있습니다 — 태양광이 이러한 질소 산化物와 연소되지 않은 탄화수소를 당신이 보는 안개로 전환시킵니다
산성비 acid rain
질소 산化物는 다음 두 가지 방식으로 산성비 acid rain 형성에 기여합니다:
직접적으로: $\text{NO}_2$이 빗물에 용해되어 질산을 형성합니다.
촉매로서: $\text{NO}_2$이 대기 중 황 산化物 sulfur dioxide($\text{SO}_2$)를 $\text{SO}_3$로 산화시키는 속도를 빠르게 하여, 이것이 빗물에 용해되어 황산을 형성합니다.
질소 산化物와 황 산化物는 산성 강우를 만듭니다: NO$_2$은 질산으로 직접 형성되고 또한 SO$_2$의 산화를 촉매하여 황산으로 만듭니다
해설 예제. 흰색 고체에 $\text{NaOH}$ 수용액을 가하고 가열하면, 습한 붉은 리무스 종이를 파란색으로 변하게 하는 기체가 발생한다. 이 기체와 고체에 존재하는 이온을 식별하고, 반응 원리를 설명하시오. 습한 붉은 리무스 종이를 파란색으로 변하게 하는 일반적인 기체는 암모니아뿐이므로, $\text{NH}_3$ 고체에는 암모늄 이온이 포함되어 있다. $\text{NH}_4^{+}$ 수산화 이온이 암모늄 이온보다 더 강력한 염기이므로, 암모늄 이온으로부터 양성자를夺(奪)한다:
