고체 질소
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1. 개요
고체 질소는 질소를 고체 상태로 만든 것으로, 1884년 카롤 올셰프스키에 의해 처음 관찰되었다. 자연에서는 명왕성과 해왕성의 위성인 트리톤에서 발견되며, 낮은 온도에서 휘발성을 띠어 승화하거나 응축될 수 있다. 고체 질소는 압력 및 온도 변화에 따라 다양한 결정 구조를 가지며, 헬륨, 메탄, 일산화탄소, 비활성 기체, 수소, 산소 등 다른 물질과 결합하여 화합물을 형성할 수 있다. 액체 질소보다 더 빠른 냉각을 위해 사용되며, 반응성 화학 종을 저장하고 연구하는 매트릭스로 활용된다.
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| 고체 질소 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 화학식 | N₂ |
| 몰 질량 | 28.0134 g/mol |
| 융점 | 63.15 K (−210.00 °C, −346.00 °F) |
| 삼중점 | 63.14 K (–210.01 °C) |
| 밀도 (고체, 알파형) | 1.0265 g/cm³ |
| 밀도 (고체, 베타형) | 0.87 g/cm³ |
| 특성 | |
| 결정 구조 | 육방정계 (β형) |
| 굴절률 | 1.25 |
| 관련 화합물 | |
| 관련 원소 | 인, 산소, 플루오린 |
2. 생성
카롤 올셰프스키는 1884년 처음으로 고체 질소를 관찰했는데, 이는 먼저 증발하는 액체 수소로 액체 질소를 액화시킨 다음 액체 수소가 질소를 얼리도록 함으로써 이루어졌다.[2] 올셰프스키는 고체 질소에서 증기를 증발시켜 당시 세계 기록인 48K의 극저온을 생성하기도 했다.[3]
고체 질소는 명왕성 표면의 상당 부분을 차지하며, 해왕성의 위성인 트리톤에도 존재한다.[5][6][7] 명왕성에서는 2015년 7월 ''뉴 호라이즌스'' 우주 탐사선에 의해 처음 직접 관측되었으며, 트리톤에서는 1989년 8월 ''보이저 2호'' 우주 탐사선에 의해 직접 관측되었다.[5][6][7]
현대 기술은 대개 이와 유사한 접근 방식을 취한다. 고체 질소는 일반적으로 진공 상태에서 액체 질소를 증발시켜 실험실에서 만들어진다. 생성된 고체는 다공성이다.[4]
3. 자연에서의 존재
고체 질소는 낮은 온도에서도 상당히 휘발성이 있어 승화하여 대기를 형성하거나 다시 질소 서리로 응축될 수 있다. 다른 물질에 비해 고체 질소는 낮은 압력에서 응집력을 잃고, 뭉치면 빙하 형태로 흐른다. 그러나 밀도가 물 얼음보다 높으므로 부력의 힘이 물 얼음 덩어리를 자연스럽게 표면으로 이동시킨다. 실제로 ''뉴 호라이즌스''는 명왕성 표면의 질소 얼음 위에 "떠 있는" 물 얼음을 관찰했다.[5]
트리톤에서 고체 질소는 서리 결정과 "유약"이라고도 불리는 어닐링된 질소 얼음의 투명한 층 형태로 존재한다.[7] ''보이저 2호''는 트리톤 남극 얼음 캡 주변의 아극 지역에서 질소 가스가 분출되는 것을 관찰했다.[8] 이 관찰된 현상에 대한 가능한 설명은 태양이 투명한 질소 얼음 층을 통과하여 아래 층을 가열하는 것이다. 질소가 승화하여 결국 상층의 구멍을 통해 분출되며, 먼지를 함께 운반하여 어두운 줄무늬를 생성한다.
4. 유체 동소체로의 전이
4. 1. 녹는점
표준 대기압에서 질소(N2)의 녹는점은 63.23 K이다.[9] 질소는 주변 압력이 증가함에 따라 녹는점이 높아진다.[10][11] 50 GPa까지는 액체 질소가 중합할 것으로 예측되며, 이 영역 내에서 녹는점은 약 190 K/GPa의 속도로 증가한다.[10] 그러나 50 GPa 이상에서는 녹는점이 떨어진다.[11]
4. 2. 승화
질소는 63.14 K, 0.1255 bar에서 삼중점을 가지며, 이 압력 이하에서는 고체 질소가 기체로 직접 승화한다.[12] 낮은 압력에서 질소는 두 가지 동소체로만 존재하는데, 35 K 이하에서는 α-질소, 35-63 K에서는 β-질소 형태로 나타난다.[12]5. 일반적인 극저온 물질에서의 용해도
고체 질소는 액체 수소에 약간 용해된다. 60~75 K 기체 수소에서의 용해도를 바탕으로, Seidal 등은 15 K의 액체 수소가 1010 cm3당 1~10개의 N2 분자를 용해할 수 있다고 추정했다.[13][14] 수소의 끓는점에서 고체 질소가 과량 존재하는 경우, 용해된 몰 분율은 10−8이다. 수소의 끓는점 바로 아래인 32.5 K 및 15 atm에서 용해된 N2의 최대 몰 농도는 7.0×10−6이다.[15] 질소와 산소는 액체 상태에서는 혼합되지만 고체 상태에서는 분리된다. 따라서 과량의 질소(63 K에서 녹음) 또는 산소(55 K에서 녹음)가 먼저 얼어붙고, 공융 액체 공기는 50 K에서 얼어붙는다.[16]
6. 결정 구조
6. 1. 이질소 결정
상온 및 중간 압력에서 질소는 이질소(N2) 분자를 형성하며, 저온에서는 런던 분산력만으로도 이러한 분자를 고체화할 수 있다.[17]==== α 및 β ====
고체 질소는 상압에서 α-질소와 β-질소의 두 가지 상을 나타낸다.
35.6 K 미만에서 질소는 입방 구조를 가지며, N2 분자는 단위 세포 입방체의 대각선에 위치한다. 저온에서 α상은 3500 atm까지 압축될 수 있으며, 온도가 20 K 이상으로 올라가면 이 압력은 약 4500 atm까지 상승한다. 21 K에서 단위 세포 치수는 5.667 Å이며, 3785 bar에서 5.433 Å로 감소한다.[10][18]
35.6 K 이상에서 질소는 육방 밀집 구조를 가지며, 단위 세포 비율은 c/a ≈ 1.633이다. 질소 분자는 강한 사중극자-사중극자 상호작용으로 인해 55° 각도로 무작위로 기울어져 있다. 45 K에서 단위 세포는 a = 4.050 Å 및 c = 6.604 Å를 가지지만, 4125 atm 및 49 K에서 a = 3.861 Å 및 c = 6.265 Å로 축소된다. 더 높은 압력에서 c/a는 거의 변화를 보이지 않는다.[10][18]
==== γ ====
사방정계 γ 형태는 44.5 K 미만의 저온과 0.3-3 GPa 정도의 압력에서 존재한다. α/β/γ2 삼중점은 0.47 GPa와 44.5 K에서 발생한다. γ-다이질소의 형성은 상당한 동위원소 효과를 나타낸다. 20 K에서 동위원소 15N은 자연 질소보다 400 atm (0.04053 GPa) 낮은 압력에서 γ 형태로 변환된다.[19]
γ 상의 공간군은 ''P''42/''mnm''이다. 20 K와 4000 bar (0.4 GPa)에서 단위 세포는 격자 상수 ''a'' = 3.957 Å 및 ''c'' = 5.109 Å을 갖는다.[20]
질소 분자 자체는 ''P''42/''mnm'' 패턴 ''f''[19]으로 배열되며, 긴 치수가 4.34 Å이고 지름이 3.39 Å인 회전타원체 형태를 취한다.[20] 분자는 ''ab'' 평면에서 최대 10°까지, ''c'' 축 방향으로 최대 15°까지 진동할 수 있다.[10][18]
==== δ, δloc, and ε ====
고압(상온)에서 질소 분자는 공간군 ''pm''3''n''이며 단위 세포당 8개의 분자를 가진 입방 δ 형태를 띈다. 이 상은 격자 상수 6.164 옹스트롬(300 K 및 4.9 GPa에서)을 허용한다.[21] δ-N2는 두 개의 삼중점을 갖는다. (δ-N2, β-N2, 액체) 삼중점은 약 8–10 GPa 및 555–578 K 근처에서 발생한다.[10] (δ-N2, β-N2, γ-N2) 삼중점은 2.3 GPa 및 150 K에서 발생한다.[21]
격자 세포 내에서 분자 자체는 무질서한 방향을 갖지만,[52] 압력이 증가하면 분자 방향이 점진적으로 정렬되는 δloc로 상 전이가 발생하며, 이는 라만 분광법을 통해서만 볼 수 있는 특징이다.[22] 고압(대략 2–13 GPa) 및 저온에서,[23] 질소 분자 방향은 능면체 ε 상으로 완전히 정렬되며, 이는 공간군 R''c''를 따른다.[10][52][24] 셀 크기는 ''a'' = 8.02 Å, ''b'' = 8.02 Å, ''c'' = 11.104 Å, ''α'' = ''β'' = 90°, ''γ'' = 120°, 부피 618.5 Å3, ''Z'' = 24이다.[25]
용해된 He는 ε-N2가 δ-N2로 변환되는 것을 억제하여 더 높은 온도 또는 더 낮은 압력에서 안정화시킬 수 있다.[52]
==== ζ ====
60GPa 이상에서 ε-N₂는 ζ-N₂로 명명된 사방정계 상으로 변환된다. ε-N₂와 ζ-N₂ 사이에는 분자당 부피에 있어서 측정 가능한 불연속성이 없다. ζ-N₂의 구조는 ε-N₂의 구조와 매우 유사하며, 분자의 방향에만 약간의 차이가 있다. ζ-N₂는 단사정계 공간군 ''C''2/''c''를 채택하며, 단위 세포당 16개의 분자를 가지며 격자 상수는 ''a'' = 7.580 Å, ''b'' = 6.635 Å, ''c'' = 5.018 Å 및 ''β'' = 97.64°이다.[26]
==== θ 및 ι ====
추가적인 압축 및 가열을 통해 놀라운 준안정성을 가진 두 가지 질소 결정상이 생성된다.[27]
N2가 95 GPa까지 압축된 다음 600 K 이상으로 가열되면 θ-질소라고 불리는 균일하게 반투명한 구조가 생성된다.[27]
ι상은 ε-N2를 65 GPa에서 750 K로 등압 가열하거나, θ-N2를 850 K에서 69 GPa로 등온 감압하여 얻을 수 있다.[28] ι-N2 결정 구조는 56 GPa 및 실온에서 ''a'' = 9.899(2) Å, ''b'' = 8.863(2) Å, ''c'' = 8.726(2) Å 및 ''β'' = 91.64(3)°의 단위 격자 크기를 갖는 단사정계 격자로 특징지어진다. 공간군은 ''P''21/''c''이며 단위 세포는 층상 구조로 배열된 48개의 N2 분자를 포함한다.[29]
압력을 해제하면 θ-N2는 약 30 GPa까지 ε-N2로 되돌아가지 않으며, ι-N2는 약 23 GPa까지 ε-N2로 변환된다.[27]
==== 흑린 질소 ====
질소를 120-180 GPa 이상의 압력과 4000 °C 이상의 온도에서 압축하면[30][31], 질소는 흑린과 동일한 결정 구조("bp-N") (사방정계, ''Cmce'' 공간군)를 갖게 된다.[32] 흑린처럼 bp-N은 전기 전도체이다.[33] bp-N 구조의 존재는 더 무거운 nictogen의 거동과 일치하며, 고압에서 원소가 저압에서 더 무거운 동족 원소와 동일한 구조를 갖는다는 경향을 재확인시켜준다.[34]
6. 1. 1. α 및 β
고체 질소는 상압에서 α-질소와 β-질소의 두 가지 상을 나타낸다.35.6 K 미만에서 질소는 입방 구조를 가지며, N2 분자는 단위 세포 입방체의 대각선에 위치한다. 저온에서 α상은 3500 atm까지 압축될 수 있으며, 온도가 20 K 이상으로 올라가면 이 압력은 약 4500 atm까지 상승한다. 21 K에서 단위 세포 치수는 5.667 Å이며, 3785 bar에서 5.433 Å로 감소한다.[10][18]
35.6 K 이상에서 질소는 육방 밀집 구조를 가지며, 단위 세포 비율은 c/a ≈ 1.633이다. 질소 분자는 강한 사중극자-사중극자 상호작용으로 인해 55° 각도로 무작위로 기울어져 있다. 45 K에서 단위 세포는 a = 4.050 Å 및 c = 6.604 Å를 가지지만, 4125 atm 및 49 K에서 a = 3.861 Å 및 c = 6.265 Å로 축소된다. 더 높은 압력에서 c/a는 거의 변화를 보이지 않는다.[10][18]
6. 1. 2. γ
사방정계 γ 형태는 44.5 K 미만의 저온과 0.3-3 GPa 정도의 압력에서 존재한다. α/β/γ2 삼중점은 0.47 GPa와 44.5 K에서 발생한다. γ-다이질소의 형성은 상당한 동위원소 효과를 나타낸다. 20 K에서 동위원소 15N은 자연 질소보다 400 atm (0.04053 GPa) 낮은 압력에서 γ 형태로 변환된다.[19]γ 상의 공간군은 ''P''42/''mnm''이다. 20 K와 4000 bar (0.4 GPa)에서 단위 세포는 격자 상수 ''a'' = 3.957 Å 및 ''c'' = 5.109 Å을 갖는다.[20]
질소 분자 자체는 ''P''42/''mnm'' 패턴 ''f''[19]으로 배열되며, 긴 치수가 4.34 Å이고 지름이 3.39 Å인 회전타원체 형태를 취한다.[20] 분자는 ''ab'' 평면에서 최대 10°까지, ''c'' 축 방향으로 최대 15°까지 진동할 수 있다.[10][18]
6. 1. 3. δ, δloc, and ε
고압(상온)에서 질소 분자는 공간군 ''pm''3''n''이며 단위 세포당 8개의 분자를 가진 입방 δ 형태를 띈다. 이 상은 격자 상수 6.164 옹스트롬(300 K 및 4.9 GPa에서)을 허용한다.[21] δ-N2는 두 개의 삼중점을 갖는다. (δ-N2, β-N2, 액체) 삼중점은 약 8–10 GPa 및 555–578 K 근처에서 발생한다.[10] (δ-N2, β-N2, γ-N2) 삼중점은 2.3 GPa 및 150 K에서 발생한다.[21]격자 세포 내에서 분자 자체는 무질서한 방향을 갖지만,[52] 압력이 증가하면 분자 방향이 점진적으로 정렬되는 δloc로 상 전이가 발생하며, 이는 라만 분광법을 통해서만 볼 수 있는 특징이다.[22] 고압(대략 2–13 GPa) 및 저온에서,[23] 질소 분자 방향은 능면체 ε 상으로 완전히 정렬되며, 이는 공간군 R''c''를 따른다.[10][52][24] 셀 크기는 ''a'' = 8.02 Å, ''b'' = 8.02 Å, ''c'' = 11.104 Å, ''α'' = ''β'' = 90°, ''γ'' = 120°, 부피 618.5 Å3, ''Z'' = 24이다.[25]
용해된 He는 ε-N2가 δ-N2로 변환되는 것을 억제하여 더 높은 온도 또는 더 낮은 압력에서 안정화시킬 수 있다.[52]
6. 1. 4. ζ
60GPa 이상에서 ε-N₂는 ζ-N₂로 명명된 사방정계 상으로 변환된다. ε-N₂와 ζ-N₂ 사이에는 분자당 부피에 있어서 측정 가능한 불연속성이 없다. ζ-N₂의 구조는 ε-N₂의 구조와 매우 유사하며, 분자의 방향에만 약간의 차이가 있다. ζ-N₂는 단사정계 공간군 ''C''2/''c''를 채택하며, 단위 세포당 16개의 분자를 가지며 격자 상수는 ''a'' = 7.580 Å, ''b'' = 6.635 Å, ''c'' = 5.018 Å 및 ''β'' = 97.64°이다.[26]6. 1. 5. θ 및 ι
추가적인 압축 및 가열을 통해 놀라운 준안정성을 가진 두 가지 질소 결정상이 생성된다.[27]N2가 95 GPa까지 압축된 다음 600 K 이상으로 가열되면 θ-질소라고 불리는 균일하게 반투명한 구조가 생성된다.[27]
ι상은 ε-N2를 65 GPa에서 750 K로 등압 가열하거나, θ-N2를 850 K에서 69 GPa로 등온 감압하여 얻을 수 있다.[28] ι-N2 결정 구조는 56 GPa 및 실온에서 ''a'' = 9.899(2) Å, ''b'' = 8.863(2) Å, ''c'' = 8.726(2) Å 및 ''β'' = 91.64(3)°의 단위 격자 크기를 갖는 단사정계 격자로 특징지어진다. 공간군은 ''P''21/''c''이며 단위 세포는 층상 구조로 배열된 48개의 N2 분자를 포함한다.[29]
압력을 해제하면 θ-N2는 약 30 GPa까지 ε-N2로 되돌아가지 않으며, ι-N2는 약 23 GPa까지 ε-N2로 변환된다.[27]
6. 1. 6. 흑린 질소
질소를 120-180 GPa 이상의 압력과 4000 °C 이상의 온도에서 압축하면[30][31], 질소는 흑린과 동일한 결정 구조("bp-N") (사방정계, ''Cmce'' 공간군)를 갖게 된다.[32] 흑린처럼 bp-N은 전기 전도체이다.[33] bp-N 구조의 존재는 더 무거운 nictogen의 거동과 일치하며, 고압에서 원소가 저압에서 더 무거운 동족 원소와 동일한 구조를 갖는다는 경향을 재확인시켜준다.[34]6. 2. 올리고머 결정
육각형 층상 고분자 질소(HLP-N)는 244 GPa와 3300 K에서 실험적으로 합성되었다. 단일 결합 질소 원자가 상호 연결된 N6/N6중국어 육각형의 두 층을 형성하는 사방정계 단위 세포('P'42'bc')를 채택한다. HPL-N은 최소 66 GPa까지 준안정하다.[35]히드라지늄 아자이드의 고압 및 저온에서의 분해는 8개의 질소 원자의 선형 사슬로 구성된 분자 고체를 생성한다 (N≡N+−N−−N=N−N−−N+≡N). 시뮬레이션에 따르면 N8은 저온 및 저압(< 20 GPa)에서 안정하다. 실제로는 보고된 N8은 25 GPa 미만에서 ε 동소체로 분해되지만, 3 GPa 정도로 낮은 압력에서도 잔류물이 남는다.[36][37]
Grechner ''et al.''은 2016년에 6개의 질소로 이루어진 유사한 동소체가 상온 조건에서 존재해야 한다고 예측했다.[38]
6. 2. 1. 육각형 층상 고분자 질소
육각형 층상 고분자 질소(HLP-N)는 244 GPa와 3300 K에서 실험적으로 합성되었다. 단일 결합 질소 원자가 상호 연결된 }} 육각형의 두 층을 형성하는 사방정계 단위 세포('P'4'bc')를 채택한다. HPL-N은 최소 66 GPa까지 준안정하다.[35]6. 2. 2. 선형 형태 (N6 및 N8)
히드라지늄 아자이드의 고압 및 저온에서의 분해는 8개의 질소 원자의 선형 사슬로 구성된 분자 고체를 생성한다 (N≡N+−N−−N=N−N−−N+≡N). 시뮬레이션에 따르면 N8은 저온 및 저압(< 20 GPa)에서 안정하다. 실제로는 보고된 N8은 25 GPa 미만에서 ε 동소체로 분해되지만, 3 GPa 정도로 낮은 압력에서도 잔류물이 남는다.[36][37]
Grechner ''et al.''은 2016년에 6개의 질소로 이루어진 유사한 동소체가 상온 조건에서 존재해야 한다고 예측했다.[38]
6. 3. 비정질 및 네트워크 동소체
고체 질소의 비분자 형태는 알려진 핵 외 에너지 밀도가 가장 높다.[1]6. 3. 1. μ
ζ-N2 상은 실온에서 150 GPa 이상으로 압축하면 비정질 형태가 생성된다.[1] 이는 좁은 밴드갭 반도체이며, μ-상으로 지정된다. μ-상은 먼저 100 K로 냉각하여 대기압으로 만들었다.[39]6. 3. 2. η
η-N은 질소의 반도체 비정질 형태이다. 80~270 GPa 정도의 압력과 10~510 K의 온도에서 형성된다. 반사광에서는 검은색으로 보이지만, 약간의 적색 또는 황색 빛을 투과시킨다. 적외선에서는 1700 cm-1 부근에 흡수 띠가 존재한다. 약 280 GPa의 더 높은 압력 하에서는 띠틈이 닫히고 η-질소는 금속화된다.[40]6. 3. 3. 입체-고셰
110 GPa 이상의 압력과 2000 K 정도의 온도에서 질소는 입체-고셰 구조로 공유 결합에 의해 결합된 네트워크 고체를 형성하며, 이는 cg-N으로 축약된다.[24] 이러한 이유로, 입체-고셰 질소는 폭발물 및 로켓 연료에 사용하기 위해 연구되고 있다.[1]6. 3. 4. 폴리-N
2006년에는 ''p''N으로 약칭되는 폴리-N(poly-N)이라는 또 다른 네트워크 고체 질소가 예측되었다.[24]6. 4. 기타
다른 고체 질소의 위상으로는 ζ'-N2와 κ-N2가 있다.[39]7. 벌크 특성
고체 질소의 열전도율은 0.7 W m−1 K−1이다.[48] 열전도율은 온도에 따라 다르며, 관계식은 ''k'' = 0.1802×T0.1041 W m−1 K−1이다.[49] 비열은 킬로그램 켈빈당 926.91×e0.0093''T'' 줄로 주어진다.[49] 50 K에서 투명하게 보이며, 20 K에서는 흰색으로 보인다.
질소 서리의 밀도는 0.85 g cm−3이다.[50] 벌크 재료로서 결정은 서로 압착되어 밀도는 물과 거의 비슷하다. 온도의 영향을 받으며, ρ = 0.0134''T''2 − 0.6981''T'' + 1038.1 kg/m3로 주어진다.[49] 부피 팽창 계수는 2×10−6''T''2 − 0.0002''T'' + 0.006 K−1로 주어진다.[49]
6328 Å에서의 굴절률은 1.25이며 온도에 따라 거의 변하지 않는다.[50]
고체 질소의 음속은 20 K에서 1452 m/s이고 44 K에서 1222 m/s이다. 종파 속도는 5 K에서 1850 m/s에서 35 K에서 1700 m/s까지이다. 온도가 상승함에 따라 질소는 상을 변화시키고 종파 속도는 작은 온도 범위에서 급격히 1600 m/s 이하로 떨어지며, 용융점 근처에서 1400 m/s까지 서서히 떨어진다. 횡파 속도는 동일한 온도 범위에서 900~800 m/s로 훨씬 낮다.[17]
s-N2의 체적 탄성 계수는 20 K에서 2.16 GPa이고, 44 K에서 1.47 GPa이다.[17] 58 K에서 극한 압축 강도는 0.24 MPa이다. 온도가 낮아짐에 따라 강도가 증가하여 40.6 K에서 0.54 MPa가 된다. 탄성 계수는 동일한 범위에서 161~225 MPa로 다양하다.[47] 30 K 이하의 온도에서 고체 질소는 특히 변형이 빠르게 가해질 경우 취성 파괴를 겪는다. 이 온도 이상에서는 파괴 모드는 연성 파괴이다. 온도를 10 K 낮추면 고체 질소는 10배 더 뻣뻣해진다.[17]
8. 관련 물질
압력을 받으면 질소는 다른 분자와 결정성 반 데르 발스 화합물을 형성할 수 있다. 5 GPa 이상에서 메테인과 사방정계 위상을 형성할 수 있다.[51] 헬륨과 함께 He(N2)11이 형성된다.[52] N2는 질소 클라트레이트에서 물과 결정화되며, 공기 클라트레이트에서 산소 O2 및 물과의 혼합물에서도 결정화된다.[53]
8. 1. 헬륨
고체 질소는 압력 하에 헬륨 (He)과 육각형의 복굴절 결정성 반 데르 발스 화합물(He(N₂)₁₁)을 형성할 수 있다.[52][54][55]고체 질소는 무질서한 상, 예를 들어 γ 상에서 압력 하에 2 몰%의 헬륨을 용해할 수 있다. 더 높은 압력에서 9 몰%의 헬륨(He)은 ε-질소와 반응하여 육각형의 복굴절 결정성 반 데르 발스 화합물을 형성할 수 있다. 이 단위 세포는 22개의 질소 원자와 2개의 헬륨 원자를 포함한다. 11 GPa의 압력에서 580 Å3의 부피를 가지며, 14 GPa에서 515 Å3으로 감소한다. 이는 ε-상과 유사하다. 14.5 GPa 및 295 K에서 단위 세포는 공간군 ''P''63/''m''을 가지며 a=7.936 Å, c=9.360 Å이다. 28 GPa에서 N2 분자의 배향이 더 정렬되는 전이가 일어난다. He(N2)11에 가해지는 압력이 135 GPa을 초과하면 물질은 투명에서 검정색으로 변하고 η-N2와 유사한 비정질 형태를 띤다.
8. 2. 메테인
고체 질소는 일부 고체 메탄을 포함하여 결정화될 수 있다. 55 K에서 몰 비율은 최대 16.35% CH4에 이를 수 있으며, 40 K에서는 5%에 불과하다. 반대의 경우, 고체 메탄은 최대 17.31%의 질소를 결정에 포함할 수 있다. 온도가 떨어지면 고체 질소에 더 적은 메탄이 용해될 수 있으며, α-N2에서는 메탄 용해도가 크게 감소한다.[56] 이러한 혼합물은 표면에 질소와 메탄을 모두 가지고 있는 명왕성과 같은 외태양계 천체에서 흔히 발견된다.[56] 실온에서 5.6 GPa 이상의 압력에서 1:1 비율의 메탄과 질소 클라스레이트가 형성된다.[57]8. 3. 일산화탄소
일산화 탄소(CO) 분자는 크기가 질소 분자와 매우 유사하여, 결정 구조를 바꾸지 않고 고체 질소와 모든 비율로 혼합될 수 있다.[58] 일산화 탄소는 명왕성과 트리톤 표면에서도 1% 미만의 수준으로 발견된다.[58] 일산화 탄소 흡수의 적외선 선폭 변화는 농도를 밝힐 수 있다.[58]8. 4. 비활성 기체
네온 또는 제논 원자는 β상 및 δ상에서 고체 질소에 포함될 수 있다. 네온을 포함하면 β-δ 상 경계가 더 높은 압력으로 이동한다.[59] 아르곤 역시 고체 질소에 매우 잘 혼합된다.[59] 질소 60%에서 70%로 구성된 아르곤과 질소의 조성에서는 육각형 형태가 0 K까지 안정적으로 유지된다.[60] 5.3 GPa 이상의 압력에서는 제논과 질소의 반 데르 발스 화합물이 존재한다.[59] 라만 분광법을 사용하여 네온과 질소의 반 데르 발스 화합물이 밝혀졌다.[59] 이 화합물은 (N2)6Ne7의 화학식을 갖는다. 8 GPa 압력에서 a=14.400, c=8.0940의 육각형 구조를 갖는다. 아르곤과의 반 데르 발스 화합물은 알려져 있지 않다.[61]8. 5. 수소
이중수소와 함께, 클라스레이트 (N2)12D2는 약 70 기가파스칼(GPa)에서 존재한다.[62]8. 6. 산소
고체 질소는 최대 1/5까지 산소 O2로 치환되어도 동일한 결정 구조를 유지할 수 있다.[63] δ-N2는 최대 95% O2로 치환될 수 있으며 동일한 구조를 유지한다. 고체 O2는 5% 이하의 N2 고용체만 가질 수 있다.[63]9. 이용
고체 질소는 액체 질소만 사용하는 것보다 더 빠르게 냉각시키기 위해 액체 질소와 함께 슬러시 혼합물로 사용되며, 정자 냉동 보존과 같은 응용 분야에 유용하다.[64] 반고체 혼합물은 '''슬러시 질소'''[65] 또는 SN2라고도 한다.[66]
고체 질소는 자유 라디칼 또는 고립된 원자와 같은 반응성 화학 종을 저장하고 연구하는 매트릭스로 사용된다.[67] 한 가지 용도는 다른 분자와 격리된 상태에서 금속의 다이질소 착물을 연구하는 것이다.[68]
10. 반응
고체 질소가 고속 양성자 또는 전자에 의해 조사되면 원자 질소(N), 질소 양이온(N+), 다이질소 양이온(N2+), 트라이질소 라디칼(N3 및 N3+), 아자이드 (N3−)를 포함한 여러 반응성 라디칼이 형성된다.[69]
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