2010-09-29
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김상준(best153)
- 9
안티몬(antimony,Sb)은 왜 질소와 반응하지 않는지 궁금합니다.
안티몬(antimony,Sb)을 질소에 반응시키려고 하여도 잘 안 되네요.
왜 그런지 시원하게 설명하여 주시면 고맙겠습니다.
감사합니다.
- 안티몬
- 질화물
- 질소반응
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각 분야 한인연구자와 현업 전문가분들의 답변을 기다립니다.
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답변 9
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답변
안길홍님의 답변
2010-09-29- 0
안티몬을 포함하여 질소,인 비소,비스무스는 주기율표상 15족에 해당하며, 최외곽 전자가 5개입니다. 즉,질소의 최외곽 전자수: 5개, 안티몬의 최외곽 전자수:5개 가정을 하여 만일 질소가스와 안티몬이 반응한다면 최외곽 전자수가 10개가 되는데 이는 전자 결합 기본에 벗어나는 결합이 됩니다. 따라서 원자의 특성상 결합이 일어날 수 없습니다. -
답변
이응신님의 답변
2010-09-29- 0
질소는 주기율표에서 15족이며 (5A) p-블록에 있는 원자입니다. 안티몬도 마찬가지. p-블록에서 전자가 3개 있으므로 p 궤도에 있는 전자들은 결합에 참여하고 s 궤도에 있는 전자들은 p궤도의 화학결합에 참가하는 전자들과 반대쪽으로 가서 균형을 맞추기 때문에 에너지를 더 낮출 수 있습니다. 대표적인 예가 NH3 입니다. (즉, 지름이 작은 원자들과 결합해야 전자들이 적당한 간격을 공간상 유지합니다) 안티몬과 질소가 결합을 하려면 질소의 3개 p궤도 전자 중 한 쌍은 그대로 있고 하나가 결합에 참가하고, 안티몬은 5개의 p궤도 전자 중 두 쌍은 그대로 있고 하나가 결합에 참가하여 공유결합을 형성해야 합니다. (왜냐하면 같은 족에 있으므로) 이렇게 결합을 해서 따로 있을 때 보다 에너지가 낮아져야 하는데 에너지가 낮아지지 않으면 결합을 할 이유가 없습니다. 또다른 가능성으로 NH3 처럼 p궤도에 있는 전자들이 모두 결합에 참가하고 반대편으로 s궤도의 전자를 배치하여 3개가 안티몬을 붙여야 하는데... Sb3N ... 이렇게 하면 원자 지름이 큰 안티몬이 질소 원자 주위에 3개가 배치될까요? 반대 경우를 생각해서 안티몬의 p궤도에 있는 한 쌍의 전자는 그대로 있고, 3개가 결합에 참가하여 질소를 3개 붙인다면... SbN3 ... 이런 구조를 갖추어야 할텐데... 에너지가 결합하기 전보다 더 낮아져야겠지요. 에너지를 구하는 방법으로 계산해보면 결합 전후의 에너지 차이가 나올 것입니다. 에너지가 높아진다면 결합이 일어나지 않겠지요. -
답변
심용호님의 답변
2010-09-29- 0
앞에서 이미 모범적인 답변을 해서, 추가 할 내용만 적어봅니다. 먼저 첫번째 답변처럼 기본적인 룰에 따르면 결합이 어려운 것은 맞습니다. 하지만, 원자들의 오비탈은 상황에 따라서 적응을 할 줄 압니다. 다시 말해서 비록 5족에 속한 물질이라도 열역학적으로 안정해진다면 결합 합니다. 그 좋은 예가 N2 입니다. 질소원자는 1S2S2P 오비탈을 갖고 있습니다. 전자의 분배는 1S 에 2개, 2S에 2개, 2P1에 3개. 이래서 7개. 7번이 되는거죠. 첫 답변처럼 단순 논리로는 2P의 3개가 다른 2p의 3개와 합쳐야하는데, 오비탈의 기본 이론에 따르면 어렵습니다. 하지만 질소같은 작은 물질들은 하이브리드 오비탈을 생성합니다. 즉 sp 오비탈을 따로 만들어서 방향을 틀고, 결과적으로 1시그마, 2파이 본딩을 이룹니다. 그래서 안정적으로 N2가 만들어집니다. N2 가 안정적인 가스라는것은 괜한 소문이 아닙니다. ^0^ 또 P의 경우에는 P4로도 존재합니다. 그리고 P와 그 보다 큰 물질들은(안티모니 등 5족 원소) 상황에 따라서 d 오비탈까지도 적절하게 사용합니다. 다시 말해서 5족이라고 해서 꼭 P 오비탈로만 결합을 하는것은 아닙니다.또 d 오비탈보다 다음 단계의 s 오비탈이 에너지가 더 낮으므로 비록 d가 최외곽 오비탈이라도 s 오비탈이 먼저 결합에 관여하기도 합니다. 두번째 답변 처럼 열역학적으로 안정화가 된다면 본딩이 이루어 집니다.반면 질소는 d 오비탈이 없기도하고 안티모니와 결합시 안정적인 에너지로 결합하기 어렵습니다. 화학에서 오비탈 본딩은 아주 재미있는 분야입니다. 관심이 있으시면 관련서적을 읽어보세요. 일반적으로 그림이 많아서 공부하기 쉬운 분야입니다. -
답변
안길홍님의 답변
2010-09-29- 0
N2분자의 3중 결합에 대하여서 혹시 오류가 있을 까 싶어서 이에 대하여 몇가지 언급드립니다. 이는 최외곽 전자가 5개인 N원자가 직접결합하여 N2로 되는 것이 아니고, 질소의 순환과정에 의하여 +5가인 질소 원자와 -2가인 산소 원자와 결합된 NO3-이온이 시작 물질이 되겠습니다. 이는 2NO3+4e--->2NO2+2e--->2NO+2e--->N2O+2e--->N2 와 같은 반응으로써 NO3-는 전자 수용체로 되어 제공된 전자에 의하여 N+5 이온의 산화가(oxidation state)가 점차 낮아지면서 N2분자 결합을 이루게 되는 것입니다.즉,전자를 공여할 수 있는 전자 공여체가 개재되어야 만이 N2분자 결합이 가능합니다. -
답변
이응신님의 답변
2010-09-30- 0
바로 위의 답 중 N2의 결합이 직접 일어나지 않고 중간 산물을 거쳐야 한다는 주장은 조금 이해가 가지 않습니다. 제시한 자료를 읽어보면 질소 순환에 대해 말한거지 질소 분자의 생성에 대해서 말하지 않았습니다. 그렇다면 지구의 원시 대기에서 메테인이나 질소분자가 대기 중에 산소가 없는 상태에서도 존재하고 있었다는 사실을 설명할 수 없습니다. 질소 원자를 보면 1s2 2s2 2p3로 되어 있습니다. 잘 알려진대로 2s와 2p의 궤도는 거의 에너지 차이가 없으므로 쉽게 sp 하이브리드 궤도를 형성해서 분자 화합물을 이룰 때 에너지가 더 낮아지도록 움직입니다. 질소 분자의 삼중 결합은 sp 혼성궤도를 이룰 필요가 없이 2p3 전자들로만으로도 충분히 분자를 이룰 수 있습니다. 2p에 있는 3개의 전자들이 업-다운 스핀 방향만 반대로 되어 분자를 이룬다면 제일 낮은 업-다운 결합과 조금 더 높은 2개의 업-다운 결합을 이루어 모든 결합궤도의 에너지가 원자상태의 에너지보다 낮아지므로 가장 강한 삼중결합이 가능하게 되는 것입니다. 그래서 질소분자는 화학약품을 밀어주는 기체로 사용하고 있습니다. 또 공기를 빼버리고 질소만 넣은 봉투에 보관하는 식품이 싱싱하게 되는 것이고요. 산소만 되어도 2p4가 되어 산소분자가 결합해도 에너지가 낮은 업-다운 3개가 있고 남아도는 p궤도의 전자들이 같은 업이나 다운 상태가 되어 존재하므로 두 개의 전자가 원자상태보다 더 높은 에너지를 가집니다. 따라서 분자를 이루면 원자 상태보다 전체적인 에너지는 낮아져도 질소의 삼중결합보다는 에너지가 높은 상태가 됩니다. 그런데 왜 질소가 에너지가 가장 낮은 삼중결합을 피하고 산소와 반응하는 중간 생성물을 거쳐 분자상태로 될까요? 전혀 그렇게 할 이유가 없습니다. >안티몬(antimony,Sb)은 왜 질소와 반응하지 않는지 궁금합니다. >안티몬(antimony,Sb)을 질소에 반응시키려고 하여도 잘 안 되네요. >왜 그런지 시원하게 설명하여 주시면 고맙겠습니다. >감사합니다. > > -
답변
안길홍님의 답변
2010-09-30- 0
질소 분자(이하 N2라고 함)가 생성된 것은 지구상의 동식물의 단백질의 부패, 화산폭발, 질산성 광물,토양내의 암모늄염 등으로 부터 생성되어 존재하고 있습니다.즉 이는 지구상에 태초 부터 물이 있었고, 동식물이 존재하였고,화산 폭발과정이 있었다는 것을 의미하고도 있습니다.또한 N2의 생성에는 혐기성 미생물이 전자 공여체로 큰 작용을 하고 있었습니다. 질소 원자(atomic Nitrogen)가 직접 3중 결합을 이루지 않는가 하는 것은 핵반응(nuclear reaction)에 해당하는 반응으로써 바람직하지 않는 반응이라고 할 수 있습니다. 질소원자와의 bonding energy(Kcal)를 보시면 어느 반응이 바람직한 반응이고, 어느 반응이 바람직하지 않는 반응인지 알 수 있습니다. N-N: 38.4, H-N:93,C-N:73,N-O:55,N=N:109,C=N:147,N=O:143,N과N의 3중 결합:226, C와 N의 3중 결합:213 위의 energy를 보시면 어느 반응이 수월한 반응이고, 어느 반응이 어려운 반응인지 알 수 있습니다.화학반응은 항상 수월한 반응이 일어나는 쪽으로 진행된다고 할 수 있습니다(지배적 화학 반응). -
답변
심용호님의 답변
2010-10-01- 0
마지막 답변에서 말씀하셨듯이, 태초에 질소가스가 존재했습니다.산소가스가 존재한 것처럼... 지구의 대기 중 78프로가 질소로 되어 있으니 더 설명이 필요없죠. 반면 말씀하시는 결합 에너지는, 그 값이 높을수록 안정하다는 의미라고 알고 있습니다. 다시 말해서 그 결합을 끊기 위해서 필요한 에너지이기 때문에 물질이 안정할수록 값이 높습니다. 즉 질소가스는 위의 예 중에서는 최고로 안정적인 물질이라는 뜻이죠. 반면 값이 낮다는것은 손쉽게 본딩을 끊을수 있다는 의미로 알고 있습니다. 한가지 더 기억할 것은 그 본딩을 만들기 위해서는 물질에 따라서 엄청나게 높은 에너지가 필요하기도 하고(플라즈마, 핵반응.. 뭐 그런 종류), 또는 적당한 에너지가 필요하기도 합니다. 하지만 자연에서는 (미생물, 식물, 신체) 자연적 촉매나 수수께끼 같은 메커니즘을 통해서 인간이 만들지 못하는 물질을 쉽게 생산해내기도 합니다.(이런게 요즘 뜨는 바이오연료, 바이오에너지 연구라고 봅니다. 미생물, 식물, 녹조류, 등이 대상) 유기합성에서 어떤 반응은 상온에서 실시하고, 어떤 반응은 고온에서 실시하고, 어떤 반응은 저온에서 실시하는 이유가 결합에너지를 고려해서 그렇습니다. (여기서는 촉매 효과는 뺐습니다, 촉매가 들어가면 반전되는 조건이 많이 있습니다. 인체처럼) 아마도 N triple bond N 을 만들기 위해서는, 답변으로 올리신 반응이 필요하다는 말씀인것 같습니다. 사실 질소가스는 대기에 풍부하게 있기 때문에 아무도 일부러 만들지 않는 것으로 생각됩니다. 반면 억지로 만들라고 한다면 말씀대로 어려운 반응을 통해서 만든다는 말씀인것 같습니다. 결론을 낸다면, 그 말은 비록 질소원자가 5족 이라도 질소-질소 결합이 가능하다는 의미라고 봅니다. (아주 어려운 방법으로 만들어야하지만...) 아직은 반응이 이루어지지 않고 있지만, 훗날 미래에는 어떤 방법을 사용해서든 안티몬과 질소를 손쉽게 붙이는 방법을 발견할 수 있으리라 기대해 봅니다. 이게 연구원들의 희망 이겠죠. 지금까지 이루지 못한 반응을 찾아내는 것... >안티몬(antimony,Sb)은 왜 질소와 반응하지 않는지 궁금합니다. >안티몬(antimony,Sb)을 질소에 반응시키려고 하여도 잘 안 되네요. >왜 그런지 시원하게 설명하여 주시면 고맙겠습니다. >감사합니다. > > -
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이응신님의 답변
2010-10-03- 0
두 원소는 15족에 있으므로 p블록에 속합니다. 앞에서 수없이 지적한 내용인데 p궤도의 전자 배치가 화합물을 만들 때 에너지를 낮출 가능성이 있으면 그쪽으로 반응이 일어날 수 있습니다. 질소 분자 자체는 삼중결합이 되어 있는 상태이므로 결합에너지가 매우 높아 안정된 구조를 이루므로 아무리 다른 원소와 반응을 시킬려고 해도 일어나지 않습니다. 다만 바깥에서 결합상태를 끊을 수 있는 에너지를 공급하면 가능합니다. 식물의 공중질소 고정에서 보듯이 벼락이 치면서 고온을 만들어 에너지를 주면 질소 분자가 분리되어 중간 산물이 만들어지고 식물이 그것을 이용합니다. 인공적인 성공은 하버의 공중질소 고정법이 나온 뒤니까 그 정도로 어렵다는 이야기겠지요. 질소와 안티몬을 직접 반응시켜봐야 반응이 일어나지 않고 다른 중간 산물이 만들어지거나 질소의 p궤도를 끊어 안티몬의 p궤도와 반응시키는 방법으로 화합물이 만들어 질 것입니다. 다음 사이트를 참고하면 질소-안티몬 화합물이 만들어지는 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 궤도상의 전자 배치 때문이 아니라 결합에너지가 어떻게 되느냐가 반응이 일어나 화합물이 만들어지는가를 결정합니다. http://www.webelements.co.uk/nitrogen/bond_enthalpies.html >안티몬(antimony,Sb)은 왜 질소와 반응하지 않는지 궁금합니다. >안티몬(antimony,Sb)을 질소에 반응시키려고 하여도 잘 안 되네요. >왜 그런지 시원하게 설명하여 주시면 고맙겠습니다. >감사합니다. > > -
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안길홍님의 답변
2010-10-04- 0
>안티몬(antimony,Sb)은 왜 질소와 반응하지 않는지 궁금합니다. >안티몬(antimony,Sb)을 질소에 반응시키려고 하여도 잘 안 되네요. 안티몬이 질소와 결합할려면 3중 결합을 하여야 하는데,안티몬과 질소와는 3중결합이 이루어 지지 않는다는 문제가 있습니다. 단지 일중결합 만이 이루어 집니다. 따라서 굳이 결합시킨다면 Nitrogen ligand를 사용하여 Sb2N Ligand를 사용할 수 있습니다. 결합에너지가 높다는 것은 결합하기 위하여 높은 에너지가 필요하며, 물론 높은 에너지에 의하여 결합되어 있으므로 당연히 안정된 상태이고 이를 분리하는데에는 이에 상응하는 높은 에너지가 필요합니다.일중결합 보다는 이중결합이 안정적이고, 이중결합보다는 3중결합이 당연히 더 안정적입니다. 그리고 결합에도 높은 에너지가 필요하고, 이를 분리하는데도 높은 에너지가 필요한 것은 당연합니다. 그러나 이러한 에너지가 높다 낮다 하는 문제 또는 orbital문제가 아니고 근본적으로 결합할 수 있는 원자 구조를 가지고 있느냐 아니냐 하는 문제입니다. 그러면 Sb와 N이 3중 결합이 되느냐 아니냐 하는 것이 먼저 해결되어야 되는 문제입니다. Sb는 대표적으로 nitrogenation이 되지 않는 물질에 해당합니다.이를 공업적으로 응용하는 방법은 알미늄에 Sb를 박막으로 입혀서 산화처리하면 nitrogenation이 되지 않는다는 것을 적용하여 질산성 가스 분위기에 사용하고 있습니다.