はじめに

このページでは窒素の単体と化合物について、その性質や製法などを一通り確認していく。いずれも入試でよく出るものばかりなのでこの機会にマスターしておこう!


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窒素の単体

①空気中に多く含まれる(80%)
②無色無臭の中性気体
③工業的製法:液体空気の分留
④実験室的製法:亜硝酸アンモニウムの熱分解
Point!

窒素の単体について知っておかなければいけないことは次の4つ。

①空気中に多く含まれる

気体 割合
窒素 78%
酸素 20%
アルゴン 1%
その他 1%

空気を構成する気体の約80%は窒素である。次に多いのが酸素O2、その次がアルゴンAr、残りの1%程度は様々な気体が混ざったもので構成されている。

空気の組成について詳しくは空気(乾燥空気)の組成を確認しよう。

②無色無臭の中性気体

窒素は無色無臭の中性気体である。

気体の色や臭いなどについて詳しくは気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)を確認しよう。

③工業的製法:液体空気の分留

窒素の気体を工業的に作る際は液体空気を分留する。

④実験室的製法:亜硝酸アンモニウムの熱分解

窒素の単体を実験室内で作る際は、亜硝酸アンモニウムNH4NO2を熱分解する。

\[
NH_{4}NO_{2} → N_{2} + 2H_{2}O
\]

高校化学でよく出る気体の製法に関しては気体の製法(反応式・原理・注意事項など)にまとめてあるので必ず確認しておこう。

窒素の水酸化物(アンモニア)

①無色無臭で刺激臭をもつ塩基性気体
②工業的製法:ハーバー・ボッシュ法
③実験室的製法:塩化アンモニウムに水酸化カルシウムを加えて加熱する
④水に非常によく溶け、1価の弱塩基として働く
⑤HClと接触すると白煙を生じる
⑥Ag+・Cu2+・Zn2+と錯イオンを形成する
Point!

アンモニアNH3について知っておいてほしいのはこの6つ。

①無色無臭で刺激臭をもつ塩基性気体

アンモニアは、色がついておらず刺激臭をもつ塩基性気体である。

気体の色や臭いなどについて詳しくは気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)を確認しよう。

②工業的製法:ハーバー・ボッシュ法

アンモニアを工業的に作る際はハーバー法(ハーバーボッシュ法)という方法を用いる。

\[
N_{2}+3H_{2} \overset{触媒(Fe_{3}O_{4})}{→} 2NH_{3}
\]

ハーバー法について詳しくはハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)の原理・反応式・高温高圧下の理由などを確認しよう。

③実験室的製法:塩化アンモニウムに水酸化カルシウムを加えて加熱する

アンモニアを実験室内で作る際には、塩化アンモニウムNH4Clに水酸化カルシウムCa(OH)2を加えて加熱する。

\[
2NH_{4}Cl + Ca(OH)_{2} → CaCl_{2} + 2NH_{3} + 2H_{2}O
\]

NH4Clは弱塩基を含む塩、Ca(OH)2は強塩基なので、この反応は弱塩基遊離反応の一種だね。
弱塩基遊離反応について詳しいことは【原理】弱酸・弱塩基遊離反応の仕組みや公式、反応式の作り方を解説!を、気体の発生法に関しては気体の製法(反応式・原理・注意事項など)を確認しよう。

④水に非常によく溶け、1価の弱塩基として働く

アンモニアは、水に非常に良く溶けて弱塩基性を示す。

\[
NH_{3}+H_{2}O⇄NH_{4}^{+}+\underbrace{ OH^{-} }_{ OH^{-}が発生→塩基! }
\]

⑤HClと接触すると白煙を生じる

アンモニアは、塩化水素HCと接触すると白煙(NH4Clの微粒子)を発生する。

\[
NH_{3} + HCl → NH_{4}Cl
\]

この反応は、NH3やHClの検出反応として用いられる。(気体の検出反応については気体の検出反応まとめを参照)

⑥Ag+・Cu2+・Zn2+と錯イオンを形成する

配位子 金属イオン 錯イオン
NH3 Ag+ ジアンミン銀(Ⅰ)イオン[Ag(NH3)2+
Cu2+ テトラアンミン銅(Ⅱ)イオン[Cu(NH3)42+
Zn2+ テトラアンミン亜鉛イオン[Zn(NH3)42+

アンモニアは、金属元素の陽イオン(Ag+・Cu2+・Zn2+)と反応し、錯イオンを形成する。

錯イオンについて詳しくは【錯イオン】色・配位数・形・価数・命名法を総まとめを確認しよう。

窒素の酸化物(一酸化窒素/二酸化窒素)

一酸化窒素 NO
二酸化窒素 NO2
Point!

窒素の酸化物は一酸化窒素NOと二酸化窒素NO2の2種類。2つの工業的・実験室的製法についてまとめた後、両者の性質を比較していこう。

工業的製法

一酸化窒素NO

\[
4NH_{3} + 5O_{2} → 4NO + 6H_{2}O
\]

※オストワルト法の第1段階:白金Ptを触媒とし、900℃くらいの高温で行う

二酸化窒素NO2

\[
2NO + O_{2} → 2NO_{2}
\]

※オストワルト法の第2段階

実験室的製法

一酸化窒素NO

\[
3Cu + 8HNO_{3} → 3Cu(NO_{3})_{2} + 2NO +4H_{2}O
\]

※銅Cuに希硝酸HNO3を加える

二酸化窒素NO2

\[
2NO + O_{2} → 2NO_{2}
\]

【一酸化窒素/二酸化窒素の実験室的製法の反応式の作り方】

実験室的製法の所に書いた反応式がどのようにして作られたのかきちんと理解したいという人は以下を参考にしてほしい。両方とも2つの半反応式を組み合わせることによって作られている。

NO

NO2

性質

NO NO2
無色 赤褐色
におい なし 刺激臭
溶解性 不溶
(中性)
可溶
(酸性)
二量体形成 なし あり

無色のNOは空気に触れるとすぐに赤褐色のNO2に変化する。(気体の検出反応まとめを参照)

\[
\underbrace{ 2NO }_{ 無色 }+O_{2}→\underbrace{ 2NO_{2} }_{ 赤褐色 }
\]

生じたNO2は150℃以下では無色のN2O4と平衡状態にある。(二量体形成

\[
\underbrace{ 2NO_{2} }_{ 赤褐色 } ⇄ \underbrace{ N_{2}O_{4} }_{ 無色 }
\]

オキソ酸(硝酸)

①濃硝酸と希硝酸
②工業的製法:オストワルト法
③実験室的製法:硝酸ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱する
④1価の強酸として働く
⑤強い酸化力をもつ
⑥不動態形成に関わる
⑦光が当たると分解する→褐色ビンで保存
Point!

窒素原子を含むオキソ酸である硝酸HNO3について押さえておきたいのは上の7ポイント。

①濃硝酸と希硝酸

硝酸水溶液のうち、濃度が高い(約60%以上)のものを濃硝酸、濃度が低いものを希硝酸という。

②工業的製法:オストワルト法

Point!

硝酸を工業的に作るためには「オストワルト法」という方法を用いる。

オストワルト法について詳しいことは硝酸の工業的製法「オストワルト法」の仕組みや反応式について完全解説!!を確認しよう。

③実験室的製法:硝酸ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱する

HNO3を実験室内で作るには、硝酸ナトリウムNaNO3に濃硫酸H2SO4を加えて加熱する。

\[
2NaNO_{3}+H_{2}SO_{4}→2HNO_{3}+Na_{2}SO_{4}
\]

この反応は揮発性酸遊離反応の一種である。揮発性酸遊離反応について詳しくは揮発性酸遊離反応とは?原理や疑問点を具体例を使って解説!を確認しよう。

④1価の強酸として働く

硝酸は電離度が高い一価の強酸である。

\[
HNO_{3} → H^{+} + NO_{3}^{-}
\]

⑤強い酸化力をもつ

硝酸は酸化力も非常に高く、酸化剤として働くこともある。

\[
Cu + 4HNO_{3} → Cu(NO_{3})_{2} + 2NO_{2} + 2H_{2}O
\]

この反応では、銅Cuを酸化させて硝酸銅Cu(NO3)2にしている。(半反応式・酸化還元反応式の作り方に関しては高校化学「半反応式・酸化還元反応式の作り方」完全マスター講座!!を参照)

⑥不動態形成に関わる

硝酸は酸化力を持つため、不動態形成に関わる。

不動態について詳しくは【暗記法】不動態とは?定義から一覧、覚え方まで大公開!を確認しよう。

⑦光が当たると分解する→褐色ビンで保存

硝酸は光や熱を受けると簡単に分解してしまうため、褐色ビンに入れて保存する。

硝酸以外にも、化合物の中には保存法に気をつけなければ行けないものがある。高校化学で出てくる「化合物の保存・取り扱い方法」完全まとめ!!に一覧にして載せてあるので確認しておこう。

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