五酸化二窒素

五酸化二窒素（ごさんかにちっそ、dinitrogen pentoxide）とは、化学式が N₂O₅ と表される窒素酸化物である。硝酸の酸無水物に当たり、無水硝酸（むすいしょうさん）とも呼ばれる。窒素の酸化状態は+5価である。

五酸化二窒素

Full structural formula with dimensions
Ball-and-stick model
物質名
IUPAC名 Dinitrogen pentoxide
別名 Nitric anhydride Nitronium nitrate Nitryl nitrate DNPO Anhydrous nitric acid
識別情報
CAS登録番号	10102-03-1
3D model (JSmol)	気相: Interactive image 固相: Interactive image
ChEBI	CHEBI:29802
ChemSpider	59627
ECHA InfoCard	100.030.227
EC番号	233-264-2
PubChem CID	66242
UNII	6XB659ZX2W
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID90143672
InChI InChI=1S/N2O5/c3-1(4)7-2(5)6  Key: ZWWCURLKEXEFQT-UHFFFAOYSA-N  InChI=1/N2O5/c3-1(4)7-2(5)6 Key: ZWWCURLKEXEFQT-UHFFFAOYAN
SMILES 気相: [O-][N+](=O)O[N+]([O-])=O 固相: [O]=[N+]=[O].[N+](=O)([O-])[O-]
性質
化学式	N2O5
モル質量	108.01 g/mol
外観	白色の固体
密度	2.0 g/cm3[1]
沸点	33 °C (91 °F; 306 K) 昇華[1]
水への溶解度	反応して硝酸を形成
溶解度	クロロホルムに溶ける。四塩化炭素にほとんど溶けない。
磁化率	−35.6×10−6 cm3 mol−1 (aq)
双極子モーメント	1.39 D
構造[2]
結晶構造	六角形, hP14
空間群	P63/mmc No. 194
格子定数	a = 0.54019 nm, c = 0.65268 nm
式単位（英語版） (Z)	2
分子形状	平面, C2v (およそ. D2h) N–O–N ≈ 180°
熱化学[3]
標準定圧モル比熱, Cpo	143.1 J K−1 mol−1 (s) 95.3 J K−1 mol−1 (g)
標準モルエントロピー So	178.2 J K−1 mol−1 (s) 355.7 J K−1 mol−1 (g)
標準生成熱 ΔfHo	−43.1 kJ/mol (s) +13.3 kJ/mol (g)
ギブズの 自由エネルギー (ΔfG⦵)	113.9 kJ/mol (s) +117.1 kJ/mol (g)
危険性
労働安全衛生 (OHS/OSH):
主な危険性	強力な酸化剤、水と接触すると強酸を形成
NFPA 704（ファイア・ダイアモンド）	4 0 2 W OX
引火点	不燃性
関連する物質
関連する窒素の酸化物	亜酸化窒素 一酸化窒素 三酸化二窒素 二酸化窒素 四酸化二窒素
関連物質	硝酸
特記無き場合、データは標準状態 (25 °C [77 °F], 100 kPa) におけるものである。 N verify (what is  N ?)

性質

常圧での融点は 30 ℃、昇華点は 32.4 ℃ である。したがって、常温常圧では固体として存在する。固体は無色で、吸湿性のイオン結晶である。

ただし、それほど安定な化合物ではなく、常圧では45 ℃から50 ℃程度で、二酸化窒素と酸素に分解する。その際の反応式は、次の通りである。

2 N₂O₅ → 4 NO₂ + O₂

反応

五酸化二窒素は水と反応して、硝酸を与える。

${\displaystyle {\ce {N2O5\ +H2O\ \leftrightarrows \ 2HNO3}}}$

クロロホルム溶液は NO2⁺ 等価体として、芳香族化合物などのニトロ化に用いられる。

${\displaystyle {\ce {N2O5\ + R-H -> HNO3\ + R-NO2}}}$

フッ化物イオン F⁻ は、この反応で副生する硝酸を中和する試薬として用いられる場合がある。

また、爆発物を製造する際の原料として検討される場合もある^[4]。

危険性

五酸化二窒素は強い酸化剤であり、有機化合物やアンモニウム塩と反応して、爆発性の混合物を作る。

さらに五酸化二窒素が分解しても安全ではない。五酸化二窒素が分解すると、容易に水に溶けて強い酸性を示し粘膜などを侵す、二酸化窒素を生成するためである。ただ、二酸化窒素が生成しても、特徴的な赤褐色の気体であるため、すぐに発見できる。

合成

五酸化二窒素は1840年に、アンリ・ドビーユによって硝酸銀 AgNO₃ と塩素 Cl₂ から初めて作り出された。

なお、五酸化二窒素は、硝酸の酸無水物であるため、実験室で用いる合成法としては、硝酸 HNO₃ を五酸化二リン P₄O₁₀ で脱水する方法が比較的簡単である^[5]。

${\displaystyle {\ce {P4O10\ +12HNO3\ \leftrightarrows \ 4H3PO4\ +6N2O5}}}$

構造

固体状態の五酸化二窒素は、直線状の ${\displaystyle {\ce {NO2^+}}}$ イオンと平面状の ${\displaystyle {\ce {NO3^-}}}$ イオンに別れた状態で、イオン結晶として存在する。ゆえに硝酸ニトロイルと呼ぶ事もできる。この状態でも窒素原子の酸化状態は共に+5価である。

分子 ${\displaystyle {\ce {O2N-O-NO2}}}$ は固体を昇華して得られる気体、または、四塩化炭素などの溶液中で存在する。気体状態では ${\displaystyle {\ce {O-N-O}}}$ および ${\displaystyle {\ce {N-O-N}}}$ の結合角はそれぞれ133度、114度である。気体状の ${\displaystyle {\ce {N2O5}}}$ を急速に冷却すると、準安定状態として分子結晶が得られるものの、−70 ℃ 以上では発熱的に反応して上記のイオン構造に変わる^[5]。

テトラフルオロホウ酸ニトロイル

五酸化二窒素の反応活性な部分はニトロニウムイオン ${\displaystyle {\ce {NO2^+}}}$ である。これに対して硝酸イオン ${\displaystyle {\ce {NO3^-}}}$ は、速度論的に不活性である。すなわち、${\displaystyle {\ce {NO3^-}}}$ をテトラフルオロホウ酸イオン ${\displaystyle {\ce {BF4^-}}}$ で置き換える方法で、高活性の ${\displaystyle {\ce {NO2^+}}}$ 源にできる。テトラフルオロホウ酸ニトロイル ${\displaystyle {\ce {NO2BF4}}}$ の利点は、熱的に安定な点である。テトラフルオロホウ酸ニトロイルは、180 ℃ 以上にまで加熱されて初めて、フッ化ニトロイル${\displaystyle {\ce {NO2F}}}$ と三フッ化ホウ素 ${\displaystyle {\ce {BF3}}}$ に分解する。

${\displaystyle {\ce {NO2BF4}}}$ は様々な有機化合物、特に芳香族化合物や複素環式化合物のニトロ化に利用される。また、フルオロ硫酸などの超酸が作用すると、求電子性がさらに高い化学種である ${\displaystyle {\ce {HNO2^{2+}}}}$ が発生すると考えられている^[6]。