Диазот (N₂O₂) — химическое соединение¶
Диазот (N₂O₂) — неорганическое химическое соединение азота и кислорода, одна из форм оксида азота(II). Представляет собой димер молекулы монооксида азота NO и существует в двух изомерных формах — симметричной (N–O–O–N) и асимметричной (N–N–O–O). В нормальных условиях диазот нестабилен и присутствует лишь в следовых количествах в газообразной фазе, однако при пониженных температурах образует кристаллические структуры, изучаемые методами кристаллографии и спектроскопии.
¶Строение и изомерия
Молекула N₂O₂ может существовать в виде двух основных изомеров:
- Симметричный (цис- или транс-изомер, O–N–N–O) — азотные атомы связаны между собой, кислородные — по краям. Транс-изомер обнаружен в газовой фазе при низких давлениях.
- Асимметричный (N–N–O–O) — содержит связь N–N и группу O–O (пероксидная).
В газовой фазе при комнатной температуре диазот присутствует в концентрации около 0,1 % от общего количества NO, причём преобладает транс-форма. При охлаждении до температур ниже −160 °C мономер NO полимеризуется, и N₂O₂ становится основной формой конденсированной фазы. Кристаллический диазот, полученный конденсацией NO при 12 K, имеет структуру с асимметричными молекулами N–N–O–O.
¶Физические свойства
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Молярная масса | 60,02 г/моль |
| Агрегатное состояние | бесцветный газ (следы), кристаллы при низких T |
| Температура диссоциации | −160 °C и выше (обратимая димеризация) |
| Длина связи N–N (транс-изомер) | ≈1,75 Å |
| Длина связи N–O | ≈1,18 Å |
Энтальпия димеризации NO с образованием N₂O₂ оценивается в −57 кДж/моль, что объясняет обратимость процесса: при нагревании или понижении давления димер распадается на мономеры.
¶Получение
Диазот не выделяют в чистом виде в количествах, достаточных для макроскопических применений. Его получают в ходе:
- Конденсации монооксида азота при температурах ниже −160 °C — основной лабораторный метод.
- Фотолиза соединений, содержащих группу N–O (например, нитритов), с последующей реассоциацией радикалов NO.
- Электрического разряда в атмосфере азота с кислородом, где N₂O₂ образуется как промежуточный продукт.
¶Роль в химии и атмосфере
Диазот играет роль промежуточного продукта в ряде процессов:
- Обратимая димеризация NO. Реакция 2NO ⇌ N₂O₂ имеет важное значение для кинетики окисления монооксида азота в атмосфере. Димер является активной формой, участвующей в дальнейшем превращении в N₂O₃ и N₂O₄.
- Атмосферная химия. В тропосфере и стратосфере N₂O₂ участвует в циклах, связанных с оксидами азота, которые катализируют разрушение озонового слоя. Концентрация N₂O₂ в атмосфере мала, но его вклад в общий баланс оксидов азота учитывается при моделировании.
- Плазмохимия. В разрядах с участием азота и кислорода диазот выступает одним из промежуточных соединений, определяющих выход конечных продуктов (NO, N₂O).
¶Методы исследования
Основные методы изучения N₂O₂:
- ИК-спектроскопия — позволяет различить симметричный и асимметричный изомеры по характерным полосам поглощения (полоса N–O стретч около 1800 см⁻¹).
- Ультрафиолетовая спектроскопия — используется для определения равновесия NO ⇌ ½N₂O₂.
- Рентгеноструктурный анализ — применяется к кристаллическому диазоту, полученному при криогенных температурах.
- Квантово-химические расчёты — методы MP2 и CCSD(T) позволяют рассчитать энергии изомеров и барьеры их interconversion.
¶Значение
Диазот не имеет самостоятельного практического применения, однако его изучение важно для понимания механизма реакций монооксида азота — соединения, участвующего в атмосферных процессах, биохимии (сигнальная молекула NO в организмах) и промышленном синтезе азотной кислоты (процесс Оствальда). Представление о равновесии 2NO ⇌ N₂O₂ лежит в основе моделей кинетики окисления азота в газовой фазе.
¶Источники
- Химическая энциклопедия, т. 2 — статья «Оксиды азота»
- Некрасов Б. В. «Основы общей химии»
- Greenwood N. N., Earnshaw A. «Chemistry of the Elements»
- Зефиров Н. С. (ред.) «Большая российская энциклопедия», статья «Азота оксиды»