第18章典型元素の金属・半金属・非金属

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Nitrogen exhibits oxidation states ranging from 3− to 5+. Because of the stability of the N≡N triple bond, it requires a great deal of energy to make compounds from molecular nitrogen. Active metals such as the alkali metals and alkaline earth metals can reduce nitrogen to form metal nitrides. Nitrogen oxides and nitrogen hydrides are also important substances.

窒素は、3−から5+までの酸化状態を示す。N≡N三重結合が安定であるため、分子状窒素から化合物を作るには、大きなエネルギーを必要とする。アルカリ金属やアルカリ土類金属などの活性な金属は、窒素を還元して金属窒化物を作れる。窒素酸化物と窒素の水素化物も、重要な物質である。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 59–66練習問題 59–66

Exercise 59問題 59

Write the Lewis structures for each of the following:

次のそれぞれのルイス構造を書きなさい。

(a) NH²⁻

(b) N₂F₄

(c)

{NH}_{2}^{-}

(c)

{NH}_{2}^{-}

(d) NF₃

(e)

N_{3}^{-}

(e)

N_{3}^{-}

Solution解き方

(a) NH²⁻:

このルイス構造は、孤立電子対を三組持つ窒素原子が、水素原子に単結合しているところを示している。構造は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に2−の表示がある。

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(b) N₂F₄:

このルイス構造は、それぞれ孤立電子対を一組持つ二個の窒素原子が互いに単結合し、各窒素原子が二個のフッ素原子にも単結合しているところを示す。各フッ素原子は、孤立電子対を三組持つ。

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(c)

{NH}_{2}^{−} :

(c)

{NH}_{2}^{−} :

このルイス構造は、孤立電子対を二組持つ窒素原子が、二個の水素原子に単結合しているところを示す。構造は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。

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(d) NF₃:

このルイス構造は、孤立電子対を一組持つ窒素原子が、三個のフッ素原子に単結合しているところを示す。各フッ素原子は、孤立電子対を三組持つ。

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(e)

N_{3}^{−} :

(e)

N_{3}^{−} :

三つのルイス構造があり、間を両頭矢印で結ばれている。左の構造では、孤立電子対を一組持つ窒素原子が第二の窒素に三重結合し、その窒素は第三の窒素に単結合している。第三の窒素は孤立電子対を三組持つ。構造全体は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。中央の構造では、孤立電子対を三組持つ窒素原子が第二の窒素に単結合し、その窒素は第三の窒素に三重結合している。第三の窒素は孤立電子対を一組持つ。構造全体は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。右の構造では、孤立電子対を二組持つ窒素原子が第二の窒素に二重結合し、その窒素は第三の窒素に二重結合している。第三の窒素原子は孤立電子対を二組持つ。構造全体は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。

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Exercise 60問題 60

For each of the following, indicate the hybridization of the nitrogen atom (for

N_{3}^{−},

the central nitrogen).

次のそれぞれについて、窒素原子の混成を示しなさい（

N_{3}^{−},

では中央の窒素について）。

(a) N₂F₄

(b)

{NH}_{2}^{-}

(b)

{NH}_{2}^{-}

(d)

N_{3}^{-}

(d)

N_{3}^{-}

Exercise 61問題 61

Explain how ammonia can function both as a Brønsted base and as a Lewis base.

アンモニアが、ブレンステッド塩基としてもルイス塩基としても働ける理由を説明しなさい。

Solution解き方

Ammonia acts as a Brønsted base because it readily accepts protons and as a Lewis base in that it has an electron pair to donate.
Brønsted base:

{NH}_{3} + H_{3} O^{+} ⟶ {NH}_{4}^{+} + H_{2} O

Lewis base:

{2NH}_{3} + {Ag}^{+} ⟶ {{[H}_{3} N - Ag - {NH}_{3}]}^{+}

アンモニアは、プロトンを容易に受け取るためブレンステッド塩基として働き、供与できる電子対を持つためルイス塩基として働く。ブレンステッド塩基：

{NH}_{3} + H_{3} O^{+} ⟶ {NH}_{4}^{+} + H_{2} O

ルイス塩基：

{2NH}_{3} + {Ag}^{+} ⟶ {{[H}_{3} N - Ag - {NH}_{3}]}^{+}

Exercise 62問題 62

Determine the oxidation state of nitrogen in each of the following. You may wish to review the chapter on chemical bonding for relevant examples.

次のそれぞれについて、窒素の酸化状態を求めなさい。関連する例を確認するため、化学結合の章を復習するとよい。

(a) NCl₃

(b) ClNO

(d) N₂O₃

(e)

{NO}_{2}^{-}

(e)

{NO}_{2}^{-}

(f) N₂O₄

(g) N₂O

(h)

{NO}_{3}^{-}

(h)

{NO}_{3}^{-}

(i) HNO₂

(j) HNO₃

Exercise 63問題 63

For each of the following, draw the Lewis structure, predict the ONO bond angle, and give the hybridization of the nitrogen. You may wish to review the chapters on chemical bonding and advanced theories of covalent bonding for relevant examples.

次のそれぞれについて、ルイス構造を描き、ONO結合角を予測し、窒素の混成を示しなさい。関連する例を確認するため、化学結合と共有結合の発展的理論の章を復習するとよい。

(a) NO₂

(b)

{NO}_{2}^{-}

(b)

{NO}_{2}^{-}

(c)

{NO}_{2}^{+}

(c)

{NO}_{2}^{+}

Solution解き方

(a) NO₂:

二つのルイス構造があり、間を両頭矢印で結ばれている。左の構造では、不対電子一個を持つ窒素原子が、孤立電子対を二組持つ酸素原子に二重結合している。この窒素原子は、孤立電子対を三組持つ酸素原子にも単結合している。右の構造は、左の構造の鏡像である。

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Nitrogen is sp² hybridized. The molecule has a bent geometry with an ONO bond angle of approximately 120°.
(b)

{NO}_{2}^{−} :

窒素はsp²混成である。分子は折れ線形で、ONO結合角は約120°である。(b)

{NO}_{2}^{−} :

二つのルイス構造があり、間を両頭矢印で結ばれている。それぞれの構造は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。左の構造では、孤立電子対を一組持つ窒素原子が、孤立電子対を二組持つ酸素原子に二重結合している。この窒素原子は、孤立電子対を三組持つ酸素原子にも単結合している。右の構造は、左の構造の鏡像である。

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Nitrogen is sp² hybridized. The molecule has a bent geometry with an ONO bond angle slightly less than 120°.
(c)

{NO}_{2}^{+} :

窒素はsp²混成である。分子は折れ線形で、ONO結合角は120°より少し小さい。(c)

{NO}_{2}^{+} :

このルイス構造は、窒素原子が、両側で、それぞれ孤立電子対を二組持つ酸素原子に二重結合しているところを示す。構造は角括弧で囲まれ、その外側の上付き位置に負号がある。

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Nitrogen is sp hybridized. The molecule has a linear geometry with an ONO bond angle of 180°.

窒素はsp混成である。分子は直線形で、ONO結合角は180°である。

Exercise 64問題 64

How many grams of gaseous ammonia will the reaction of 3.0 g hydrogen gas and 3.0 g of nitrogen gas produce?

3.0 gの水素ガスと3.0 gの窒素ガスとの反応によって、気体のアンモニアは何グラム生成するか。

Exercise 65問題 65

Although PF₅ and AsF₅ are stable, nitrogen does not form NF₅ molecules. Explain this difference among members of the same group.

PF₅とAsF₅は安定だが、窒素はNF₅分子を作らない。同じ族の元素間に見られる、この違いを説明しなさい。

Solution解き方

Nitrogen cannot form a NF₅ molecule because it does not have d orbitals to bond with the additional two fluorine atoms.

窒素には、追加の二個のフッ素原子と結合するためのd軌道がないため、NF₅分子を作れない。

Exercise 66問題 66

The equivalence point for the titration of a 25.00-mL sample of CsOH solution with 0.1062 M HNO₃ is at 35.27 mL. What is the concentration of the CsOH solution?

25.00 mLのCsOH溶液試料を0.1062 MのHNO₃で滴定すると、35.27 mLで当量点となる。CsOH溶液の濃度はいくらか。

nitrogen fixation

窒素固定

formation of nitrogen compounds from molecular nitrogen

分子状窒素から窒素化合物を形成すること。