קארל שילה, כימאי שוודי, ודניאל רתרפורד, בוטנאי סקוטי, גילו חנקן בנפרד בשנת 1772. הכומר קוונדיש ולבואזיה השיגו חנקן באופן עצמאי בערך באותו זמן. חנקן הוכר לראשונה כיסוד על ידי Lavoisier, אשר כינה אותו "אזו", כלומר "דומם". צ'פטל קרא ליסוד חנקן בשנת 1790. השם נגזר מהמילה היוונית "ניטר" (חנקה המכיל חנקן בחנקה)
יצרני ייצור חנקן - מפעל וספקים לייצור חנקן בסין (xinfatools.com)
מקורות חנקן
חנקן הוא היסוד ה-30 בשכיחותו על פני כדור הארץ. בהתחשב בכך שחנקן מהווה 4/5 מנפח האטמוספירה, או יותר מ-78%, יש לנו כמויות כמעט בלתי מוגבלות של חנקן זמינות לנו. חנקן קיים גם בצורה של חנקות במגוון מינרלים, כמו מלפטר צ'יליאני (נתרן חנקתי), מלפטר או ניטר (אשלגן חנקתי), ומינרלים המכילים מלחי אמוניום. חנקן קיים במולקולות אורגניות מורכבות רבות, כולל חלבונים וחומצות אמינו הקיימות בכל האורגניזמים החיים
תכונות פיזיקליות
חנקן N2 הוא גז חסר צבע, חסר טעם וריח בטמפרטורת החדר, ובדרך כלל אינו רעיל. צפיפות הגז בתנאים סטנדרטיים היא 1.25g/L. חנקן מהווה 78.12% מכלל האטמוספירה (שבר נפח) והוא המרכיב העיקרי של האוויר. יש כ-400 טריליון טונות של גז באטמוספירה.
בלחץ אטמוספרי סטנדרטי, כאשר מקורר ל-195.8℃, הוא הופך לנוזל חסר צבע. כאשר מקורר ל-209.86℃, חנקן נוזלי הופך למוצק דמוי שלג.
חנקן אינו דליק ונחשב לגז מחניק (כלומר, נשימה של חנקן טהור מונעת מגוף האדם חמצן). לחנקן מסיסות נמוכה מאוד במים. ב-283K, נפח אחד של מים יכול להמיס כ-0.02 נפחים של N2.
תכונות כימיות
לחנקן תכונות כימיות יציבות מאוד. קשה להגיב עם חומרים אחרים בטמפרטורת החדר, אבל הוא יכול לעבור שינויים כימיים עם חומרים מסוימים בתנאי טמפרטורה גבוהה ואנרגיה גבוהה, ויכול לשמש לייצור חומרים חדשים שימושיים לבני אדם.
נוסחת המסלול המולקולרי של מולקולות חנקן היא KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. שלושה זוגות אלקטרונים תורמים לקשר, כלומר נוצרים שני קשרי π וקשר σ אחד. אין תרומה לקשר, ואנרגיות ההתקשרות והאנטי-קשר מתקזזות בערך, והן שוות ערך לזוגות אלקטרונים בודדים. מכיוון שיש קשר משולש N≡N במולקולת N2, למולקולת N2 יש יציבות רבה, ודרושה 941.69 קילו ג'ל/מול של אנרגיה כדי לפרק אותה לאטומים. מולקולת N2 היא היציבה ביותר מבין המולקולות הדיאטומיות הידועות, והמסה המולקולרית היחסית של חנקן היא 28. יתרה מכך, חנקן אינו קל לשריפה ואינו תומך בעירה.
שיטת בדיקה
הכניסו את סרגל ה-Mg הבוער לתוך בקבוק איסוף הגז המלא בחנקן, ובר ה-Mg ימשיך להישרף. מחלצים את האפר שנותר (אבקה צהובה מעט Mg3N2), מוסיפים כמות קטנה של מים, ומייצרים גז (אמוניה) שהופך את נייר הלקמוס האדום הרטוב לכחול. משוואת תגובה: 3Mg + N2 = הצתה = Mg3N2 (מגנזיום ניטריד); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
מאפייני התקשרות ומבנה קשר ערכיות של חנקן
מכיוון שהחומר היחיד N2 יציב במיוחד בתנאים רגילים, אנשים מאמינים לעתים קרובות בטעות שחנקן הוא יסוד לא פעיל מבחינה כימית. למעשה, להיפך, לחנקן יסודי יש פעילות כימית גבוהה. האלקטרושליליות של N (3.04) שנייה רק ל-F ו-O, מה שמצביע על כך שהוא יכול ליצור קשרים חזקים עם יסודות אחרים. בנוסף, היציבות של מולקולת החומר הבודדת N2 רק מראה את הפעילות של אטום N. הבעיה היא שאנשים עדיין לא מצאו את התנאים האופטימליים להפעלת מולקולות N2 בטמפרטורת החדר ובלחץ. אבל בטבע, כמה חיידקים על גושי צמחים יכולים להמיר N2 באוויר לתרכובות חנקן בתנאי אנרגיה נמוכים בטמפרטורה ולחץ רגילים, ולהשתמש בהם כדשן לצמיחת היבול.
לכן, חקר קיבוע החנקן תמיד היה נושא מחקר מדעי חשוב. לכן, הכרחי לנו להבין את מאפייני הקשר ואת מבנה קשר הערכיות של חנקן בפירוט.
סוג בונד
מבנה שכבת האלקטרונים הערכית של אטום N הוא 2s2p3, כלומר ישנם 3 אלקטרונים בודדים וזוג זוגות אלקטרונים בודדים. בהתבסס על זה, בעת יצירת תרכובות, ניתן ליצור את שלושת סוגי הקשרים הבאים:
1. יצירת קשרים יוניים 2. יצירת קשרים קוולנטיים 3. יצירת קשרי קואורדינציה
1. יצירת קשרים יוניים
ל-N אטומים יש אלקטרושליליות גבוהה (3.04). כאשר הם יוצרים ניטרידים בינאריים עם מתכות בעלות אלקטרוניטיביות נמוכה יותר, כגון Li (אלקטרוניטיביות 0.98), Ca (אלקטרוניטיביות 1.00) ו-Mg (אלקטרוניטיביות 1.31), הם יכולים להשיג 3 אלקטרונים וליצור יוני N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =gnite= Mg3N2 N3- יונים בעלי מטען שלילי גבוה יותר ורדיוס גדול יותר (171pm). הם יעברו הידרוליזה חזקה כאשר הם נתקלים במולקולות מים. לכן, תרכובות יוניות יכולות להתקיים רק במצב יבש, ולא יהיו יונים לחות של N3-.
2. יצירת קשרים קוולנטיים
כאשר אטומים N יוצרים תרכובות עם לא-מתכות בעלות אלקטרושליליות גבוהה יותר, נוצרים הקשרים הקוולנטיים הבאים:
⑴N אטומים מקבלים מצב הכלאה sp3, יוצרים שלושה קשרים קוולנטיים, שומרים על זוג של זוגות אלקטרונים בודדים, והתצורה המולקולרית היא פירמידלית טריגונלית, כגון NH3, NF3, NCl3 וכו'. אם נוצרים ארבעה קשרים בודדים קוולנטיים, התצורה המולקולרית היא טטרהדרון רגיל, כגון יוני NH4+.
⑵N אטומים מקבלים מצב הכלאה sp2, יוצרים שני קשרים קוולנטיים וקשר אחד, ושומרים על זוג של זוגות אלקטרונים בודדים, והתצורה המולקולרית היא זוויתית, כגון Cl—N=O. (אטום N יוצר קשר σ וקשר π עם אטום Cl, וזוג של זוגות אלקטרונים בודדים על אטום N הופך את המולקולה למשולשת.) אם אין זוג אלקטרונים בודד, התצורה המולקולרית היא משולשת, כגון מולקולת HNO3 או NO3- יון. במולקולת חומצה חנקתית, אטום N יוצר שלושה קשרים σ עם שלושה אטומי O בהתאמה, וזוג אלקטרונים על מסלול ה-π שלו והאלקטרונים הבודדים π של שני אטומי O יוצרים קשר π בעל שלושה מרכזים של ארבעה אלקטרונים. ביון חנקתי, נוצר קשר π גדול בעל ארבעה מרכזים של שישה אלקטרונים בין שלושה אטומי O לאטום N המרכזי. מבנה זה הופך את מספר החמצון לכאורה של אטום N בחומצה חנקתית ל-+5. בשל נוכחותם של קשרי π גדולים, הניטראט יציב מספיק בתנאים רגילים. ⑶ אטום N מאמץ הכלאה של sp ליצירת קשר משולש קוולנטי ושומר על זוג זוגות אלקטרונים בודדים. התצורה המולקולרית היא ליניארית, כגון המבנה של אטום N במולקולת N2 ו-CN-.
3. יצירת קשרי תיאום
כאשר אטומי חנקן יוצרים חומרים או תרכובות פשוטות, לעתים קרובות הם שומרים על זוגות אלקטרונים בודדים, כך שחומרים או תרכובות פשוטות כאלה יכולים לפעול כתורמי זוג אלקטרונים כדי לתאם ליוני מתכת. לדוגמה, [Cu(NH3)4]2+ או [Tu(NH2)5]7 וכו'.
מצב חמצון - דיאגרמת אנרגיה חופשית של גיבס
ניתן לראות גם מתרשים האנרגיה החופשית של גיבס של חנקן, שפרט ליוני NH4, מולקולת N2 עם מספר חמצון 0 נמצאת בנקודה הנמוכה ביותר של העקומה בתרשים, מה שמצביע על כך ש-N2 הוא מבחינה תרמודינמית יציב ביחס לתרכובות חנקן עם מספרי חמצון אחרים.
הערכים של תרכובות חנקן שונות עם מספרי חמצון בין 0 ל-+5 נמצאים כולם מעל הקו המחבר בין שתי הנקודות HNO3 ו-N2 (הקו המקווקו בתרשים), כך שהתרכובות הללו אינן יציבות מבחינה תרמודינמית ומועדות לתגובות חוסר פרופורציה. היחיד בתרשים עם ערך נמוך יותר ממולקולת N2 הוא יון NH4+. [1] ממצב החמצון- דיאגרמת האנרגיה החופשית של גיבס של חנקן ומבנה מולקולת N2, ניתן לראות ש-N2 יסודי אינו פעיל. רק בטמפרטורה גבוהה, בלחץ גבוה ובנוכחות של זרז חנקן יכול להגיב עם מימן ליצירת אמוניה: בתנאי פריקה, חנקן יכול להתאחד עם חמצן ליצירת תחמוצת חנקן: N2+O2=פריקה=2NO תחמוצת החנקן מתאחדת במהירות עם חמצן כדי יוצרים דו תחמוצת החנקן 2NO+O2=2NO2 החנקן הדו חמצני מתמוסס במים ויוצר חומצה חנקתית, תחמוצת החנקן 3NO2+H2O=2HNO3+NO במדינות עם כוח מים מפותח, ריאקציה זו שימשה לייצור חומצה חנקתית. N2 מגיב עם מימן לייצור אמוניה: N2+3H2=== (סימן הפיך) 2NH3 N2 מגיב עם מתכות בעלות פוטנציאל יינון נמוך ושלניטרידים שלהן אנרגיית סריג גבוהה ליצירת ניטרידים יוניים. לדוגמה: N2 יכול להגיב ישירות עם ליתיום מתכתי בטמפרטורת החדר: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 מגיב עם מתכות אדמה אלקליות Mg, Ca, Sr, Ba בטמפרטורות ליבון: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 מגיבים רק עם בורון ואלומיניום בטמפרטורות ליבון: 2 B + N2=== 2 BN (תרכובת מקרומולקולה) N2 מגיב בדרך כלל עם סיליקון ואלמנטים קבוצתיים אחרים בטמפרטורה גבוהה מ-1473K.
מולקולת החנקן תורמת לחיבור שלושה זוגות אלקטרונים, כלומר, יוצרת שני קשרי π וקשר σ אחד. הוא אינו תורם לחיבור, ואנרגיות החיבור והאנטי-קשירה מתקזזות בערך, והן שוות ערך לזוגות אלקטרונים בודדים. מכיוון שיש קשר משולש N≡N במולקולת N2, למולקולת N2 יש יציבות רבה, ודרוש 941.69 קילו ג'ל/מול של אנרגיה כדי לפרק אותה לאטומים. מולקולת N2 היא היציבה ביותר מבין המולקולות הדיאטומיות הידועות, והמסה המולקולרית היחסית של חנקן היא 28. יתרה מכך, חנקן אינו קל לשריפה ואינו תומך בעירה.
זמן פרסום: 23 ביולי 2024
