三ヨウ化窒素:衝撃で爆発する化合物
三ヨウ化
[窒素]は、
窒素と
ヨウ素からなる化合物で、その特異な性質から知られています。何よりも注目すべきは、その極端な不安定性です。わずかな衝撃、例えば軽い接触や空気の流れ、さらにはα線や中性子線といった放射線によっても
爆発的に分解し、紫色の
ヨウ素蒸気を放出します。この
爆発は、
黒色火薬を思わせる破裂音とともに発生します。
分解反応
三ヨウ化
窒素の分解は、以下の反応式で表されます。
2NI₃(s) → N₂(g) + 3I₂(g)
この反応は、非常に発熱性が高く、ΔH = -290 kJ/mol の大きなエンタルピー変化を伴います。この大きな発熱が、三ヨウ化
窒素の
爆発的な性質の根源となっています。
構造と合成
三ヨウ化
窒素は暗赤色の固体として存在します。その構造は、三角錐形(C₃v対称性)であり、他の三ハロゲン化
窒素や
アンモニアと類似しています。1990年には、
アンモニアを用いない新しい合成経路が確立され、
X線結晶構造解析によって構造が詳細に解明されました。この合成法では、
窒化ホウ素と
フッ化[[ヨウ素]]を
トリクロロフルオロメタン中で−30℃で反応させることで、低収率ながら三ヨウ化
窒素を得ることができます。
一般的な合成法としては、
ヨウ素と
アンモニアを用いる方法が知られています。濃
アンモニア水溶液に
ヨウ素を加えると、針状の三ヨウ化
窒素の結晶が析出します。無
水アンモニア中低温で行うと、まずNI₃・(NH₃)₅が生成し、加温によって
アンモニアが脱離してNI₃・NH₃となります。この付加物は、1812年にクールトアによって最初に報告され、1905年にシルベラードによって組成が決定されました。固体状態では−NI₂−I−NI₂−I−NI₂−I···という鎖状構造を形成し、
アンモニア分子はこの鎖の間に位置しています。NI₃・NH₃は、暗所、低温、
アンモニア雰囲気下では比較的安定ですが、
アンモニアを除去すると容易に分解します。
8NI₃・NH₃ → 5N₂ + 6NH₄I + 9I₂
三ヨウ化
窒素およびその
アンモニア付加物の不安定性は、
窒素分子(N₂)の生成熱の大きさによって説明できます。
実験と文化
高校の化学実験では、三ヨウ化
窒素の合成とその
爆発性を示す演示実験が行われることがあります。少量の三ヨウ化
窒素を羽根の先などで軽く触れると、
爆発を起こし、その衝撃的な反応を観察できます。ただし、非常に危険なため、細心の注意が必要です。
三ヨウ化
窒素は、その危険性ゆえ、様々な形で文化的に取り上げられてきました。イギリスの科学番組『Brainiac: Science Abuse』では、「ピーター・ローガンの
爆発ペースト」として紹介されました(ただし安全のため詳しい製法は公開されませんでした)。また、
ロバート・A・ハインラインの小説『自由未来』では、爆薬として用いられる描写があります。
爆発後のオレンジから紫色の
ヨウ素のしみは、
チオ硫酸ナトリウム溶液で除去できます。
関連物質
三塩化
窒素