五氧化二氮

含有氮和氧的化合物

五氧化二氮

五氧化二氮（Nitrogen Pentoxide）又称硝酸酐，是一种无机化合物，为正交或六方晶系的固体，化学式为N2O5，摩尔质量为108.01g/mol，密度为1.642g/cm3，熔点为30℃，47℃时分解。[1][2][3][0]五氧化二氮极其不稳定，蒸汽单独存在或与惰性气体共同存在时，它都可以进行分解，[4]在室温下的分解产物为氧气和二氧化氮。五氧化二氮具有强氧化性，易潮解挥发，和水可以起剧烈的反应，同时放出大量的热，并生成硝酸。[0][1][5]晶体五氧化二氮具有离子结构，但气态的或在极低温度下的五氧化二氮，以及在非极性溶剂中均为共价结构。[6]五氧化二氮可以用五氧化二磷与无水硝酸作用制得，[1]也可以用氯气和硝酸银反应来制取。[7]

五氧化二氮（Nitrogen Pentoxide）又称硝酸酐，是一种无机化合物，为正交或六方晶系的固体，化学式为N2O5，摩尔质量为108.01g/mol，密度为1.642g/cm3，熔点为30℃，47℃时分解。[2][3][4][1]五氧化二氮极其不稳定，蒸汽单独存在或与惰性气体共同存在时，它都可以进行分解，[5]在室温下的分解产物为氧气和二氧化氮。五氧化二氮具有强氧化性，易潮解挥发，和水可以起剧烈的反应，同时放出大量的热，并生成硝酸。[1][2][6]

晶体五氧化二氮具有离子结构，但气态的或在极低温度下的五氧化二氮，以及在非极性溶剂中均为共价结构。[7]五氧化二氮可以用五氧化二磷与无水硝酸作用制得，[2]也可以用氯气和硝酸银反应来制取。[8]

五氧化二氮可以作为硝化剂、氧化剂使用，如在苯环上引入硝基，[9]其还可以与醋酐作用而制备四硝基甲烷wán。四硝基甲烷在军事上可用作高级炸药和火箭燃料中的氧化剂组分。[10][11]但五氧化二氮对上呼吸道和肺泡的刺激性比二氧化氮强。[1][12]五氧化二氮在迅速加热时会发生强烈的爆炸。有时也可以看到五氧化二氮在通常保存的条件下发生爆炸的情况。[6]

历史

1840年戴威尔（Devil）用干燥的氯气通入无水硝酸银中，首次制备了固体N2O5，[8]后来韦伯（Weber）等人相继研究了用浓硝酸与五氧化二磷反应制造N2O5的方法。[13]

自19世纪20年代开始，又出现了用低价氮的氧化物（NO、N2O3、N2O4）臭氧化法制备N2O5，特别是以N2O4作为原料，因其较稳定，便于贮存、运输，用它经臭氧化法制备N2O5得到了一定程度的发展。[13][14]

19世纪80年代开始，英、美、俄等国相继发展和完善了电解法制备N2O5的工艺过程，采用该法得到的N2O5硝酸溶液可直接用于硝化过程。这使得N2O5方便、廉价地大规模工业化生产成为可能。[13]

物理性质

五氧化二氮是一种无色正交或六方晶系的固体，低温时N2O5为白色鳞片状结晶，摩尔质量为108.01g/mol，密度为1.642g/cm3，能溶于水，熔点为30℃，[3][1][4]五氧化二氮紫外吸收波长范围为150~250nm。[15]

化学性质

五氧化二氮极其不稳定，蒸汽单独存在或与惰性气体共同存在时，它都可以进行分解，[5]在室温下的分解产物为氧气和二氧化氮。五氧化二氮具有强氧化性，易潮解挥发，和水可以起剧烈的反应，同时放出大量的热，并生成硝酸。[1][2][6]与过氧化氢反应可以生成硝酸和过硝酸HNO4。[4]

分解反应

温度为40-45℃时或在光照条件下五氧化二氮可以分解为二氧化氮和氧气，反应如下：[16][17]

五氧化二氮在一氧化氮氛围下可以分解为二氧化氮，反应为：[18]

五氧化二氮在四氯化碳溶液中分解的反应式为：[19]

五氧化二氮在常温下能够自发分解为四氧化二氮和氧气，反应为：[16]

其他反应

五氧化二氮与氨气反应生成硝酸和硝酰胺，反应为：[20]

五氧化二氮吸水之后能生成硝酸，反应为：[2]

与过氧化氢反应可以生成硝酸和过硝酸，反应为：[4]

五氧化二氮与无水硫酸可以反应，生成水、硫酸氢根、硝鎓离子，反应为：[21]

有机合成

五氧化二氮在许多物质的合成中作硝化剂、氧化剂。五氧化二氮可以作为硝化剂在苯环上引入硝基官能团，[9]如五氧化二氮在硝化甲苯中的应用。[21]五氧化二氮作为硝化剂，二氯甲烷作为溶剂可以用来制备NIMMO（3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷），NIMMO可以聚合成发射药配方中的黏合剂PNIMMO（聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷），反应一般在室温下几分钟内即可完成，因而五氧化二氮被视为绿色硝化剂。[11]

军事领域

四硝基甲烷的化学式为C(NO2)4，由醋酐与五氧化二氮或浓硝酸作用而制得，它是一种无色油状液体，不溶于水，挥发性很大。四硝基甲烷的含氧量较多，军事上可用作高级炸药和火箭燃料中的氧化剂组分。[10]硝化甘油在现代国防有重要作用，可以用于制作硝酸甘油炸药。以N2O5为硝化剂，缩水甘油为原料，可以对硝化甘油进行绿色合成，与传统的硝化甘油方式相比此种方法操作条件更加温和，也更加安全。[22]

氯气与硝酸银反应

五氧化二氮可以用氯气和硝酸银的反应来制取，该反应可以生成氯化银沉淀和氧气、五氧化二氮，反应为[8]

硝酸脱水

五氧化二氮还可以通过五氧化二磷使硝酸脱水来制取，反应为[3]

臭氧与二氧化氮反应

臭氧与二氧化氮反应可以制备五氧化二氮，该反应的反应速率比较快，反应安全简便，且对环境十分友好，反应为[3]

硝酸锂与五氟化溴反应

五氟化溴与过量的硝酸锂作用能生成五氧化二氮，反应如下[23]

其他方法

氮族元素在与氧化合时，能够形成三氧化二氮或五氧化二氮（氮还可以形成其他氧化物）。[24]

分子结构

五氧化二氮
五氧化二氮

晶体硝酸酐具有离子结构，五氧化二氮的晶体为和两种离子构成，阴离子键长为118pm，阳离子键长为130~140pm。[25]五氧化二氮具有弯曲的N-O-N基，其键角几乎接近180°。[26]气相状态下是以分子的状态存在。气态的，或在极低温度下的五氧化二氮，以及在非极性溶剂中均为共价结构，[27][7][28]五氧化二氮分子中主要为sp2杂化，含有6个键和2个三原子四电子离域π键。因此图中的四个氧原子（除了中间的氧原子以外）实际上是等价的。[29][3]

环境危害

大气中存在的氮氧化物很多，如一氧化氮、二氧化氮、五氧化二氮等，它们是常见的大气污染物。天然排放的氮氧化物，主要来自土壤和海洋中有机物的分解，属于自然界的氮循环过程，人为活动排放的氮氧化物大部分来自化石燃料的燃烧过程，如汽车、飞机、内燃机及工业的燃烧过程，也来自生产、使用硝酸的过程，如氮肥厂、有机中间体厂、有色及黑色金属冶炼等。此外，氮氧化物还可以因飞行器在平流层中排放废气，逐渐积累，而使其浓度增大。氮氧化物与平流层内的臭氧发生反应生成二氧化氮与氧，二氧化氮与氧原子进一步反应生成一氧化氮与氧气，打破臭氧平衡，使臭氧浓度降低，导致臭氧层损耗。[30][31]

危害

五氧化二氮很不稳定，容易分解为氧气和二氧化氮，[4]二氧化氮能严重刺激呼吸系统，引发支气管哮喘、肺炎、肺水肿等疾病，还能将血液中的血红蛋白硝化，对人体的心、肝、肾、造血组织造成危害。[32]五氧化二氮对上呼吸道和肺泡的刺激性比二氧化氮强。五氧化二氮的毒性与臭氧的存在有密切关系，两种气体混合存在时，毒性作用增强。氮氧化物溶解度较小，对粘膜的刺激性也较弱，能达到深部呼吸道，与粘膜上的水作用生成硝酸和亚硝酸，对肺组织会产生剧烈的刺激和腐蚀作用，使肺泡和毛细血管通透性增强，导致肺水肿，毒物吸收进入血液之后，逐步形成亚硝酸盐和硝酸盐，可使血管扩张，血压下降，中枢神经系统受到损害。[12][1]发生急性中毒时，轻者仅有粘膜刺激症状，脱离污染环境数日内便可痊愈，重者出现呛咳，乏力，胸闷，呼吸困难，肺水肿，高铁血红蛋白血症。[6]另外，五氧化二氮也存在爆炸危险，在迅速加热时会发生强烈的爆炸。有时也可以看到五氧化二氮在通常保存的条件下发生爆炸的情况。[6]

急救

若不慎吸入五氧化二氮，应立即将患者移离现场至空气新鲜处，去除污染的衣物后立即吸氧，并对密切接触者观察24～72小时；及时观察胸部X线变化及血气分析；进行对症治疗。[33]

防护措施

制造硝酸、硝铵的工厂，应加强通风排毒设施，另外工作人员应当定期维修设备，在大修期间，要加强安全防毒教育及必要的劳动保护措施。工作人员应当严格遵守安全操作规程，进入通风不良或含氮氧化物浓度较高的作业环境中检修时，要配戴好送风式防毒面具，并在他人监护下方可进入作业点。不慎发生泄露时，抢救人员必须穿戴防护用具。[33]患有肺气肿等疾病者，不宜从事相关作业。[1][12]

参考资料 33

  1. Nitrogen pentoxide | N2O5 | CID 66242 - PubChem — pubchem
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. Dinitrogen_pentoxide — wikipredia
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 通过 N2O5 氨解和水解研究微滴中界面反应和本体反应之间竞争的机理 — nature
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
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