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'''四窒素'''（しちっそ、{{Lang-en|Tetranitrogen}}）は、無電荷の[[窒素]]の[[同素体]]の1つである。化学式は'''{{chem|N|4}}'''で、4つの窒素原子から構成される。正電荷を持った'''四窒素カチオン''' '''{{chem|N|4|+}}'''はより安定で、より研究が進んでいる。構造、安定性、性質等は、ここ数十年、科学者の注目を集めている。

==歴史==
多窒素化合物は、長年の間、よく知られてきた。[[窒素分子]]({{chem|N|2}})は1772年に[[ダニエル・ラザフォード]]が<ref name="nitrogen"/>、[[アジ化物]]イオン({{chem|N|3|-}})は1890年に[[テオドール・クルチウス]]が<ref name ="azide"/>初めて単離した。[[芳香族]]窒素である[[ペンタゾール]]や[[ラジカル]]分子N・3等、20世紀中には他の窒素同素体の発見があった。しかしこれらの化合物は、窒素分子やアジ化物イオンのような巨視的な量は単離または合成されていない。1999年に大量合成ができた3つめの窒素同素体は[[ペンタゼニウム]]カチオン({{chem|N|5|+}})だった<ref name="pentazenium"/>。[[計算化学]]により、これらの分子は[[高エネルギー密度物質]]源として利用可能なことが予測され、20世紀末に多窒素化合物に関する関心が高まった<ref name="theoretical"/>。

{{chem|N|4|+}}カチオンは、窒素分子の[[マススペクトル]]中の、それぞれ{{chem|N|4|+}}と{{chem|N|3|+}}に相当する分子量56+と42+の背景ピークの分析により、1958年に初めて発見された<ref name="N4+_discovery"/>。{{chem|N|4|+}}の系統立てられた合成は、2001年に、{{chem|N|2}}の電子衝撃と同様の方法で行われた<ref name="N4+_synthesis"/>。[[理論化学]]では、中性窒素原子を{{chem|N|3}}ラジカルと反応させるものや2つの窒素分子を励起状態で結合させるもの、[[多環式化合物]]から切り出すもの等、いくつかの合成があることを予測するが、実験的にはどれも実現されていない。しかし2002年に、[[中性化再イオン化質量分析]]を用いた{{chem|N|4|+}}の脱イオン化によって、四窒素を合成する方法が開発された<ref name="tetranitrogen"/>。合成の過程で、[[イオンチャンバー]]内で形成される{{chem|N|4|+}}イオンは2度の高エネルギー衝突を経る。最初の衝突で{{chem|N|4|+}}はメタンと接触し、少ない割合の中性四窒素分子を形成する<ref name="tetranitrogen"/>。
:<math>N_4^+ \xrightarrow[-CH_4^+]{+CH_4} N_4</math>

未反応の{{chem|N|4|+}}イオンとメタン、その他の意図しない反応生成物を除去するためには偏向電極が用いられる。四窒素分子の合成と単離を確認するために、生成した四窒素は[[酸素分子]]と2度目の衝突が行われ、{{chem|N|4|+}}イオンが再形成される<ref name="tetranitrogen"/>。
:<math>N_4 \xrightarrow[-e^-]{+O_2} N_4^+</math>

このピークの消失と再生によって、両方向の反応が起こったことが確認され、四窒素分子の合成が確かに行われた証拠になる。この往復の反応は、別々のチャンバーで1マイクロ秒の間隔で行われるため、四窒素の半減期は少なくともこれくらいはあると考えられる<ref name="tetranitrogen"/>。

==性質==
発見以来、四窒素はあまり研究されてこなかった。室温では気体状態で半減期は1マイクロ秒であるが、[[準安定状態]]と予測されている<ref name="tetranitrogen"/>。

{{chem|N|4|+}}の構造は理論実験により予測され、CADMS等の実験により確認された。この技術では、衝突した{{chem|N|4|+}}の破片を[[タンデム質量分析]]で分析する。観測された破片に基づき、2つずつの窒素原子が[[三重結合]]で結ばれ、これらが互いに、より長く弱い結合で繋がった構造が決定された。これは4つの窒素原子が全て等価な三角錐構造モデルとは異なる。この過程は強い[[発熱反応]]であり、800 kJ/molのエネルギーを放出する<ref name="tetranitrogen"/>。

==応用==
四窒素や同様の多窒素化合物はこれまでの液体燃料や[[燃料電池]]と比べ、小重量で高エネルギー源に利用しうる、高エネルギー密度物質の候補になる可能性が予測されている<ref name="review"/><ref name="polynitrogen"/>。窒素分子の三重結合(229 kcal/mol)は、[[二重結合]](100 kcal/mol)1.5個分や[[単結合]](38.4 kcal/mol)3つ分よりも強い。このため多窒素化合物は、多量の化学エネルギーを放出して無害な窒素分子に分解されることが期待される。これは、炭素原子を含む化合物が三重結合を作るより、それと等価な本数の単結合や二重結合を作った方がエネルギーが低く、そのため[[ポリマー]]を作りやすいのとは逆である<ref name="review"/>。天然で見られる窒素の同素体は窒素分子のみであり、経済的合理性を持って他の多窒素化合物が合成できないのはこのような理由からである。

==出典==
{{Reflist|
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<ref name="azide">{{cite journal |last=Curtius |first=Theodor |date=1890 |title=Ueber Stickstoffwasserstoffsäure (Azoimid) N3H |trans-title=About Hydroazoic Acid (Azoimid) N3H |url=https://doi.org/10.1002/cber.189002302232 |language=German |journal=Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft |volume=23 |issue=2 |pages=3023-3033 |doi=10.1002/cber.189002302232 |accessdate=6 April 2014}}</ref>
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<ref name="theoretical">{{cite journal |last1=Glukhovtsev | first1=Mikhail N. |last2=Jiao |first2=Haijun |last3=Schleyer |first3=Paul von Ragué |date=January 1996 |title=Besides N<sub>2</sub> , What Is the Most Stable Molecule Composed Only of Nitrogen Atoms? |url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ic9606237 |journal=Inorganic Chemistry |volume=35 |issue=24 |pages=7124-7133 |doi=10.1021/ic9606237 |accessdate=6 April 2014}}</ref>
<ref name="tetranitrogen">{{cite journal |last1=Cacace | first1=F. |last2=de Petris |first2=G. |last3=Troiani |first3=A. |date=18 January 2002 |title=Experimental Detection of Tetranitrogen |url=http://www.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.1067681 |journal=Science |volume=295 |issue=5554 |pages=480-481 |doi=10.1126/science.1067681 |accessdate=6 April 2014}}</ref>
<ref name="review">{{cite journal |last1=Zarko | first1=V. E. |date=2010 |title=Searching for ways to create energetic materials based on polynitrogen compounds (review) |url=http://link.springer.com/article/10.1007/s10573-010-0020-x |journal=Combustion, Explosion, and Shock Waves |volume=46 |issue=22 |pages=121-131 |doi=10.1007/s10573-010-0020-x |accessdate=6 April 2014}}</ref>
<ref name="polynitrogen">{{cite journal |last1=Nguyen | first1=Minh Tho |date=September 2003 |title=Polynitrogen compounds: 1. Structure and stability of N4 and N5 systems |url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854503001012 |journal=Coordination Chemistry Reviews |volume=244 |issue=1-2 |pages=93-113 |doi=10.1016/S0010-8545(03)00101-2 |accessdate=6 April 2014}}</ref>
<ref name="N4+_discovery">{{cite journal |last1=Junk | first1=Gregor |date=1 June 1958 |title=The Presence of N3+ and N4+ in the Mass Spectra of Molecular Nitrogen |url=https://doi.org/10.1021/ja01544a085 |journal=Journal of the American Chemical Society |volume=80 |issue=11 |pages=2908-2909 |doi=10.1021/ja01544a085 |accessdate=7 April 2014}}</ref>
<ref name="N4+_synthesis">{{cite journal |last1=Tosi | first1=P. |last2=Lu |first2=W. Y. |last3=Bassi |first3=D. |last4=Tarroni |first4=R. |date=1 February 2001 |title=The reaction N-2(+)+N-2 <nowiki>-></nowiki> N-3(+)+N from thermal to 25 eV |url=https://doi.org/10.1063/1.1336808 |journal=Journal of Chemical Physics |volume=114 |issue=5 |pages=2149-2153 |doi=10.1063/1.1336808 |accessdate=7 April 2014}}</ref>
<ref name="review">{{cite journal |last1=Zarko | first1=V. E. |date=2010 |title=Searching for ways to create energetic materials based on polynitrogen compounds (review) |url=http://link.springer.com/article/10.1007/s10573-010-0020-x |journal=Combustion, Explosion, and Shock Waves |volume=46 |issue=22 |pages=121-131 |doi=10.1007/s10573-010-0020-x |accessdate=6 April 2014}}</ref>
}}

==関連項目==
*[[ヘキサジン]]
*[[オクタアザキュバン]]
*[[四リン]]
*[[四ヒ素]]
*[[四アンチモン]]
*[[四酸素]]

== 外部リンク ==
* [https://www.tcichemicals.com/ja/jp/support-download/chemistry-clip/2016-01-12.html 佐藤健太郎、化学よもやま話 ～身近な元素の話～ 典型元素の新たな同素体] 東京化成工業

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[[Category:窒素]]
[[Category:同素体]]