<p><b>五氮陽離子</b>是一種5個氮原子組成的氮原子簇離子，化學式為<span>N<span>+<br>5</span></span>。
</p>


<h2><span id=".E5.8E.86.E5.8F.B2"></span><span id="历史">歷史</span></h2>
<p>美國空軍從1986年開始的高能量密度物質研究項目，從1998年開始嘗試系統地研究氮原子簇化合物。當位於愛德華茲空軍基地的美國空軍研究實驗室開始對替代有毒的肼類火箭燃料感興趣時，同時為幾個這類計劃撥款。美國空軍研究實驗室的高級研究員Karl O. Christe嘗試通過<span>N<span><br>2</span>F<span>+<br></span></span>和<span>N<span>−<br>3</span></span>製備直線型的N<span>+<br>5</span>離子，這個方案的理論依據是推測的五氮陽離子的結構：
</p>
<dl><dd>[F-N≡N]<sup>+</sup> + HN=N=N → [N≡N-N=N=N]<sup>+</sup> + HF</dd></dl><p>1999年時這個反應成功實現了，並製得了足量的<span>N<span>+<br>5</span>AsF<span>−<br>6</span></span>，因此才可以使用核磁共振、紅外光譜、拉曼光譜研究其特性。 這種鹽極易爆炸，但是當<span>AsF<span><br>5</span></span>被更強的路易斯酸<span>SbF<span><br>5</span></span>替換時，可以製得更加穩定的鹽<span>N<span>+<br>5</span>SbF<span>−<br>6</span></span>，對震動不敏感，在60-70°C以下能穩定存在。這使得這類化合物可以較大量地製備、更容易處理，也使得X射線晶體結構分析成為可能。</p>
<h2><span id=".E5.88.B6.E6.B3.95"></span><span id="制法">製法</span></h2>
<p>在-78°C的低溫下，用<span>N<span><br>2</span>F<span>+<br></span></span>與<span>HN<span><br>3</span></span>在乾燥的<span>HF</span>中反應，這也是已知的唯一製法：
</p>
<dl><dd>順-<span>N<span><br>2</span>F<span><br>2</span></span> + <span>SbF<span><br>5</span></span> → <span>N<span><br>2</span>F<span>+<br></span>SbF6<span>−<br></span></span></dd>
<dd><span>N<span><br>2</span>F<span>+<br></span>SbF6<span>−<br></span></span> + <span>HN<span><br>3</span></span> → <span>N<span>+<br>5</span>SbF<span>−<br>6</span></span> + HF</dd></dl><h2><span id=".E5.8C.96.E5.AD.A6.E6.80.A7.E8.B4.A8"></span><span id="化学性质">化學性質</span></h2>
<p><span>N<span>+<br>5</span></span>能氧化水、NO、<span>NO<span><br>2</span></span>和<span>Br<span><br>2</span></span>，但不能氧化<span>Cl<span><br>2</span></span>和<span>O<span><br>2</span></span>。它的電子親和能為10.44 eV (1018.4 kJ/mol)。因此，<span>N<span>+<br>5</span></span>必須在乾燥的環境中製備和處理：
</p>
<dl><dd>4<span>N<span>+<br>5</span>AsF<span>−<br>6</span></span> + <span>H<span><br>2</span>O</span> → 4HF + 4<span>AsF<span><br>5</span></span> + 10<span>N<span><br>2</span></span> + <span>O<span><br>2</span></span></dd>
<dd>2<span>N<span>+<br>5</span>SbF<span>−<br>6</span></span> + 2<span>Br<span><br>2</span></span> → 2<span>Br<span>+<br>2</span>SbF<span>−<br>6</span></span> + 5<span>N<span><br>2</span></span></dd></dl><p>由於氟銻酸鹽較穩定，它被用於製備所有其他已知的鹽，通常在非水溶劑比如HF、<span>SO<span><br>2</span></span>、<span>CHF<span><br>3</span></span>或<span>CH<span><br>3</span>CN</span>中進行複分解反應來實現，因為這時氟銻酸鹽是難溶的：
</p>
<dl><dd>2<span>N<span>+<br>5</span>SbF<span>−<br>6</span></span> + <span>A<span>+<br></span>B<span>−<br></span></span> → <span>N<span>+<br>5</span>B<span>−<br></span></span> + <span>ASbF<span><br>6</span></span></dd></dl><p>含有<span>N<span>+<br>5</span></span>的最穩定的鹽加熱到50 - 60°C時會分解：<span>N<span>+<br>5</span>SbF<span>−<br>6</span></span>、<span>N<span>+<br>5</span>SnF<span>−<br>5</span></span>和<span>N<span><br>5</span>B(CF<span><br>3</span>)<span><br>4</span></span>。而最不穩定的鹽也已經製得並進行研究：<span>N<span>+<br>5</span>[P(N<span><br>3</span>)<span>−<br>6</span>]</span>和<span>N<span>+<br>5</span>[B(N<span><br>3</span>)<span>−<br>4</span>]</span>對震動極敏感，在室溫下就可能爆炸，即使稀釋到0.5 mmol也會爆炸。有許多種<span>N<span>+<br>5</span></span>的鹽不能形成，比如氟化物、疊氮化物、硝酸鹽和高氯酸鹽。</p>
<h2><span id=".E7.BB.93.E6.9E.84.E4.B8.8E.E6.88.90.E9.94.AE"></span><span id="结构与成键">結構與成鍵</span></h2>
<p>在價鍵理論中，五氮陽離子可以用六個共振結構表示：
</p>
<dl><dd>[N≡N<sup>+</sup>-N<sup>-</sup>-N<sup>+</sup>≡N]<sup>+</sup>  [N<sup>-</sup>=N<sup>+</sup>=N-N<sup>+</sup>≡N]<sup>+</sup>  [N≡N<sup>+</sup>-N=N<sup>+</sup>=N<sup>-</sup>]<sup>+</sup>  [N<sup>+</sup>=N-N<sup>-</sup>-N=N<sup>+</sup>]<sup>+</sup>  [N<sup>+</sup>=N-N<sup>-</sup>-N<sup>+</sup>≡N]<sup>+</sup>  [N≡N<sup>+</sup>-N<sup>-</sup>-N=N<sup>+</sup>]<sup>+</sup></dd></dl><p>根據量子化學從頭計算和X射線實驗的結果，這種離子中所有原子共面，空間構型為V形，中心氮原子的鍵角為111°（N<sub>2</sub>-N<sub>3</sub>-N<sub>4</sub>的夾角），而第二和第四個氮原子的鍵角為168°（N<sub>1</sub>-N<sub>2</sub>-N<sub>3</sub>和N<sub>3</sub>-N<sub>4</sub>-N<sub>5</sub>的夾角）。N<sub>1</sub>-N<sub>2</sub>和N<sub>4</sub>-N<sub>5</sub>的鍵長都是1.10Å，而N<sub>2</sub>-N<sub>3</sub>和N<sub>3</sub>-N<sub>4</sub>的鍵長都是1.30Å。</p>
<h2><span id=".E5.8F.82.E8.A7.81"></span><span id="参见">參見</span></h2>
<ul><li>五唑</li>
<li>疊氮化合物</li>
<li>六氟砷酸五氮</li>
<li>六疊氮合磷酸五氮</li></ul><h2><span id=".E5.8F.82.E8.80.83.E8.B5.84.E6.96.99"></span><span id="参考资料">參考資料</span></h2>
**五氮陽離子**是一種 5 個氮原子組成的氮原子簇離子，化學式為 N+ 
5。

## 歷史

美國空軍從 1986 年開始的高能量密度物質研究項目，從 1998 年開始嘗試系統地研究氮原子簇化合物。當位於愛德華茲空軍基地的美國空軍研究實驗室開始對替代有毒的肼類火箭燃料感興趣時，同時為幾個這類計劃撥款。美國空軍研究實驗室的高級研究員 Karl O. Christe 嘗試通過 N 
2F+ 
和 N− 
3 製備直線型的 N+ 
5 離子，這個方案的理論依據是推測的五氮陽離子的結構：

　
: [F-N≡N]+ + HN=N=N → [N≡N-N=N=N]+ + HF

1999 年時這個反應成功實現了，並製得了足量的 N+ 
5AsF− 
6，因此才可以使用核磁共振、紅外光譜、拉曼光譜研究其特性。 這種鹽極易爆炸，但是當 AsF 
5 被更強的路易斯酸 SbF 
5 替換時，可以製得更加穩定的鹽 N+ 
5SbF− 
6，對震動不敏感，在 60-70°C 以下能穩定存在。這使得這類化合物可以較大量地製備、更容易處理，也使得 X 射線晶體結構分析成為可能。

## 製法

在 - 78°C 的低溫下，用 N 
2F+ 
與 HN 
3 在乾燥的 HF 中反應，這也是已知的唯一製法：

　
: 順 -N 
2F 
2 + SbF 
5 → N 
2F+ 
SbF6−

　
: N 
2F+ 
SbF6− 
  + HN 
3 → N+ 
5SbF− 
6 + HF

## 化學性質

N+ 
5 能氧化水、NO、NO 
2 和 Br 
2，但不能氧化 Cl 
2 和 O 
2。它的電子親和能為 10.44 eV (1018.4 kJ/mol)。因此，N+ 
5 必須在乾燥的環境中製備和處理：

　
: 4N+ 
5AsF− 
6 + H 
2O → 4HF + 4AsF 
5 + 10N 
2 + O 
2

　
: 2N+ 
5SbF− 
6 + 2Br 
2 → 2Br+ 
2SbF− 
6 + 5N 
2

由於氟銻酸鹽較穩定，它被用於製備所有其他已知的鹽，通常在非水溶劑比如 HF、SO 
2、CHF 
3 或 CH 
3CN 中進行複分解反應來實現，因為這時氟銻酸鹽是難溶的：

　
: 2N+ 
5SbF− 
6 + A+ 
B− 
  → N+ 
5B− 
  + ASbF 
6

含有 N+ 
5 的最穩定的鹽加熱到 50 - 60°C 時會分解：N+ 
5SbF− 
6、N+ 
5SnF− 
5 和 N 
5B(CF 
3) 
4。而最不穩定的鹽也已經製得並進行研究：N+ 
5[P(N 
3)− 
6]和 N+ 
5[B(N 
3)− 
4]對震動極敏感，在室溫下就可能爆炸，即使稀釋到 0.5 mmol 也會爆炸。有許多種 N+ 
5 的鹽不能形成，比如氟化物、疊氮化物、硝酸鹽和高氯酸鹽。

## 結構與成鍵

在價鍵理論中，五氮陽離子可以用六個共振結構表示：

　
: [N≡N+-N--N+≡N]+ [N-=N+=N-N+≡N]+ [N≡N+-N=N+=N-]+ [N+=N-N--N=N+]+ [N+=N-N--N+≡N]+ [N≡N+-N--N=N+]+

根據量子化學從頭計算和 X 射線實驗的結果，這種離子中所有原子共面，空間構型為 V 形，中心氮原子的鍵角為 111°（N2-N3-N4 的夾角），而第二和第四個氮原子的鍵角為 168°（N1-N2-N3 和 N3-N4-N5 的夾角）。N1-N2 和 N4-N5 的鍵長都是 1.10Å，而 N2-N3 和 N3-N4 的鍵長都是 1.30Å。

## 參見

* 五唑
* 疊氮化合物
* 六氟砷酸五氮
* 六疊氮合磷酸五氮

## 參考資料
12596-65-5