오산화 이질소

3. 구조 및 물리적 성질

순수한 고체 오산화 이질소는 니트로늄 이온(NO₂⁺)과 질산 이온(NO₃⁻)으로 구성된 염이다. 두 질소 원자는 모두 +5의 산화 상태를 갖는다. 기체 상태 또는 사염화탄소와 같은 비극성 용매에서는 공유 결합된 분자 O₂N–O–NO₂로 존재한다.^[9] 기체 상태에서 최소 에너지 배열에 대한 이론적 계산에 따르면 각 NO₂ 부분의 ONO 각도는 약 134°이고 NON 각도는 약 112°이다. 이 배열에서 두 NO₂기는 중심 산소에 대한 결합을 중심으로 NON 평면에서 약 35° 회전한다. 따라서 분자는 180° 회전 대칭축(C₂)을 갖는 프로펠러 모양을 갖는다.^[9]

211~305 K 범위의 온도 T(켈빈)에 따른 증기압 P(atm)는 다음 식으로 근사된다.

:$\backslash ln\; P\; =\; 23.2348\; -\; \backslash frac\{7098.2\}\{T\}$

0 °C에서 약 48 torr, 25 °C에서 424 torr, 32 °C(녹는점보다 9 °C 낮음)에서 760 torr이다.

상온 상압에서 오산화 이질소는 녹는점 30 ℃, 승화점 32.4 ℃의 무색 고체이며, 흡습성이 강한 이온 결정이다. 하지만 상온에서 불안정하여 이산화 질소와 산소로 분해된다. 반응식은 다음과 같다.

: 2 N₂O₅ → 4 NO₂ + O₂

고체 N₂O₅를 빠르게 냉각("급냉")하면 메타 안정 분자 형태를 얻을 수 있으며, 이는 −70 °C 이상에서 발열적으로 이온 형태로 전환된다.^[11] 기체 N₂O₅는 자외선을 흡수하여 라디칼인 이산화질소(NO₂・)와 삼산화질소(NO₃・)(전하를 띠지 않은 질산염)로 해리된다. 흡수 스펙트럼은 최대 파장 160 nm의 넓은 띠를 갖는다.^[10]

4. 화학 반응

오산화 이질소는 물과 반응하여 질산을 생성한다.^[31]

:N2O5\ + H2O \ \leftrightarrows\ 2HNO3

클로로폼 용액은 NO₂⁺ 등가물로서 방향족 화합물 등의 니트로화에 사용된다. 플루오르화물 이온(F⁻)은 이 반응에서 부생하는 질산을 중화하는 시약으로 사용되는 경우가 있다.^[31]

:N2O5\ + R-H -> HNO3\ + R-NO2

오산화이질소는 폭발물 제조 원료로도 검토된다.^[31]

4. 1. 합성

4. 2. 분해

4. 3. 기타 반응

5. 응용

클로로포름 용액 상태의 오산화 이질소는 유기 화합물에 -NO₂ 작용기를 도입하는 시약으로 사용되어 왔다. 이러한 니트로화 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.^[22]

: N₂O₅ + Ar-H → HNO₃ + Ar-NO₂

여기서 Ar은 아렌기를 나타낸다. NO₂⁺의 반응성은 "초친전자체" HNO₂(2+)를 생성하는 강산을 사용하여 더욱 향상시킬 수 있다.

이러한 용도에서 N₂O₅는 주로 테트라플루오로붕산 니트로늄([NO₂]⁺[BF₄]⁻)으로 대체되었다. 이 염은 NO₂⁺의 높은 반응성을 유지하지만 열적으로 안정적이며 약 180 °C에서 플루오르화 니트릴(NO₂F)과 삼플루오르화붕소(BF₃)로 분해된다.

오산화 이질소는 폭발물 제조와 관련이 있다.^[7][23] 폭발물을 제조할 때 원료로 검토되는 경우도 있다.^[31]

6. 위험성

오산화 이질소(N₂O₅^영어)는 유기 화합물이자 암모늄염을 포함한 폭발성 혼합물을 형성하는 강력한 산화제이다.^[1] 물과 반응하여 질산을 만들기도 한다.^[1] 오산화 이질소가 분해되면 강한 독성의 이산화 질소를 방출한다.^[1]

이산화질소는 강한 산화제이며, 유기 화합물이나 암모늄염과 반응하여 폭발성 혼합물을 만든다.^[1]

또한 이산화질소가 분해되어도 안전하지 않다.^[1] 이산화질소는 물에 쉽게 녹아 강한 산성을 나타내 점막 등을 손상시키기 때문이다.^[1] 다만, 이산화질소가 생성되더라도 특징적인 적갈색 기체이므로 곧바로 발견할 수 있다.^[1]

7. 환경

대기 중에서 이산화 질소는 오존층 파괴의 원인이 되는 NOx 종의 중요한 저장고 역할을 한다. 이산화질소의 생성은 NO와 NO₂가 일시적으로 비활성 상태로 존재하는 무(無)순환 과정을 제공한다.^[24] 오염된 야간 대류권 지역에서는 부피 기준 수십억 분의 몇 부(ppb)의 혼합비가 관측되었다.^[25] 성층권에서도 유사한 수준으로 관측되었는데, 이는 북위 50° 이상의 성층권 NO₂ 농도의 급격한 감소(소위 "녹손 절벽"이라고 함)라는 수수께끼 같은 관측 결과를 고려할 때 저장고 형성이 가정되었다.^[26]

에어로졸에서의 N₂O₅ 반응성 변화는 대류권 오존, 수산기, NOx 농도의 상당한 감소를 초래할 수 있다.^[27] 대기 에어로졸에서 N₂O₅의 두 가지 중요한 반응은 질산을 형성하는 가수분해^[28]와 할로겐 이온, 특히 염화 이온(Cl⁻)과의 반응으로, 대기 중 반응성 염소 원자의 전구체 역할을 할 수 있는 ClNO₂ 분자를 형성하는 것이다.^[29][30]

참조

_[1] 서적 Haynes
_[2] 논문 Kristalline Stickstoffoxide — Struktur von N₂O₃ mit einer Anmerkung zur Struktur von N₂O₅ Wiley
_[3] 서적 Haynes
_[4] 논문 The Photochemistry of Dinitrogen Pentoxide https://escholarship[...] Lawrence Berkeley National Laboratory
_[5] 논문 Existence of Nitrosyl Ions (NO⁺) in Dinitrogen Tetroxide and of Nitronium Ions (NO₂⁺) in Liquid Dinitrogen Pentoxide
_[6] 논문 Note sur la production de l'acide nitrique anhydre https://archive.org/[...]
_[7] 서적 High Energy Materials: Propellants, Explosives and Pyrotechnics https://books.google[...] Wiley-VCH 2010
_[8] 논문 Enthalpies of formation of dinitrogen pentoxide and the nitrate free radical
_[9] 논문 Structures, energies and vibrational frequencies of dinitrogen pentoxide
_[10] 논문 Vacuum ultraviolet spectrum of dinitrogen pentoxide
_[11] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press/De Gruyter
_[12] 논문 Temperature-dependent ultraviolet absorption spectrum for dinitrogen pentoxide
_[13] 논문 Dinitrogen pentoxide. New synthesis and laser Raman spectrum
_[14] 논문 Shock Waves in Chemical Kinetics: The Decomposition of N₂O₅ at High Temperatures
_[15] 논문 The vapour pressures of nitric acid solutions. Part I. New azeotropes in the water–dinitrogen pentoxide system
_[16] 논문 The Reaction of Dinitrogen Pentoxide with Hydrogen Chloride
_[17] 서적 Inorganic Syntheses
_[18] 논문 Modeling the Reactions Between Ammonia and Dinitrogen Pentoxide to Synthesize Ammonium Dinitramide (ADN)
_[19] 논문 Shock Waves in Chemical Kinetics: The Decomposition of N₂O₅ at High Temperatures
_[20] 논문 Determinación de orden de reacción haciendo uso de integrales definidas https://www.research[...] Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua, Managua
_[21] 논문 Decomposition of Nitrogen Pentoxide in the Presence of Nitric Oxide. IV. Effect of Noble Gases
_[22] 논문 Dinitrogen Pentoxide--Sulfur Dioxide, a New Nitration System
_[23] 논문 Establishment of Process Technology for the Manufacture of Dinitrogen Pentoxide and its Utility for the Synthesis of Most Powerful Explosive of Today—CL-20
_[24] 서적 Chemistry of the upper and lower atmosphere : theory, experiments, and applications Academic Press
_[25] 논문 High N₂O₅ Concentrations Observed in Urban Beijing: Implications of a Large Nitrate Formation Pathway
_[26] 논문 Stratospheric N₂O₅ profiles at sunrise and sunset from further analysis of the ''ATMOS/Spacelab 3'' solar spectra
_[27] 논문 Sensitivity of a global model to the uptake of N₂O₅ by tropospheric aerosol 2010-08-09
_[28] 논문 Nighttime removal of NO_''x'' in the summer marine boundary layer 2004-04-16
_[29] 논문 Mechanism for formation of atmospheric Cl atom precursors in the reaction of dinitrogen oxides with HCl/Cl⁻ on aqueous films https://escholarship[...] 2015-07-15
_[30] 논문 Trapping and Structural Characterization of the XNO₂·NO₃⁻ (X = Cl, Br, I) Exit Channel Complexes in the Water-Mediated X⁻ + N₂O₅ Reactions with Cryogenic Vibrational Spectroscopy 2017-09-18
_[31] 논문 Establishment of process technology for the manufacture of dinitrogen pentoxide and its utility for the synthesis of most powerful explosive of today—CL-20.
_[32] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
_[33] 논문 Considered onium ions.
_[34] 서적 Advances in Inorganic Chemistry https://books.google[...] Academic Press 1964-01-01