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氮化物

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氮化物
氮化物
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氮化物,其中氮与类似或更低电负性的元素(例如硼,硅和大多数金属)结合的任何一种化学化合物。氮化物包含氮化物离子(N 3−),与碳化物相似,氮化物可分为三大类:离子,间隙和共价。

铀加工:氮化物燃料

铀形成单氮化物(UN)和两个更高的氮化物相(α-和β-异亚硒化物;α= U2N3和

某些金属氮化物是不稳定的,大多数与水反应形成氨和金属的氧化物或氢氧化物。但是硼,钒,硅,钛和钽的氮化物非常难熔,耐化学腐蚀,并且坚硬,因此可用作研磨剂和制造坩埚。

氮化物的制备

有两种主要的制备氮化物的方法。一种是通过元素的直接反应(通常在高温下进行),此处显示了合成氮化钙Ca 3 N 2的方法。3Ca + N 2 →Ca 3 N 2第二种方法是通过金属酰胺的热分解使氨损失,此处显示为与酰胺酰胺。3Ba(NH 22 →Ba 3 N 2 + 4NH 3也形成氮化物在钢制物体的表面硬化过程中,将氨气加热到通常在500–550°C(950–1,050°F)之间的温度持续5到100小时,具体取决于所需硬化层的深度。

用于形成氮化物的另一种方法是在氮气存在下还原金属卤化物或氧化物,例如在制备氮化铝AlN中。Al 2 O 3 + 3C + N 2 →2AlN + 3CO

离子氮化物

锂(Li)似乎是唯一能够形成氮化物的碱金属,尽管所有的碱土金属都形成了通式为M 3 N 2的氮化物。这些化合物(可能被认为由金属阳离子和N 3-阴离子组成)经过水解(与水反应)产生氨和金属氢氧化物。离子氮化物的稳定性表现出很大的范围;Mg 3 N 2在高于270°C(520°F)的温度下分解,而Be 3 N 2在2,200°C(4,000°F)的温度下熔化而不分解。

间隙氮化物

最大的一组氮化物是与过渡金属形成的间隙氮化物。它们类似于间隙碳化物,氮原子占据了密排金属原子的晶格中的间隙或孔。这些氮化物的通式为MN,M 2 N和M 4 N,尽管它们的化学计量可以变化。这些化合物具有很高的熔点,非常坚硬,通常是不透明的材料,具有金属光泽和高电导率。它们通常是通过在大约1200°C(2,200°F)的氨气中加热金属来制备的。间隙氮化物是化学惰性的,几乎没有涉及它们的反应。最有特色的反应是水解,通常非常缓慢(在下面所示的反应中,可能需要酸,钒V则需要酸)才能生成氨或氮气。2VN + 3H 2 SO 4 →V 2(SO 43 + N 2 + 3H 2

由于间隙氮化物的化学惰性和承受高温的能力,因此它们可用于多种高温应用,包括用作坩埚和高温反应容器。

共价氮化物

共价二元氮化物根据与氮结合的元素而具有广泛的特性。共价氮化物的一些例子是氮化硼,BN,氰(CN)2,氮化磷,P 3 N 5,四氮化四硫,S 4 N 4和二氮化二硫S 2 N 2。此处讨论了硼,碳和硫的共价氮化物。

氮化硼

因为硼和氮一起包含与两个键合的碳原子数量相同的化合价电子(八个),所以氮化硼被称为与元素碳等电子。氮化硼以两种结构形式存在,类似于碳的两种形式-石墨和金刚石。类似于石墨的六边形形式具有层状结构,该层结构具有交替排列的硼和氮原子的平面六元环,其堆叠方式使得一层中的硼原子直接位于相邻层中的氮原子上方。相反,石墨的连续六边形层是偏移的,使得每个碳原子都位于相邻层中的空隙(孔)的正上方,并且位于交替层的碳原子的正上方。六方氮化硼可通过在750°C(1,400°F)和过量氨水中加热三氯化硼BCl 3来制备。六方氮化硼的性质通常与石墨不同。两者都是光滑的固体,而氮化硼是无色的并且是良好的绝缘体(而石墨是黑色的并且是电导体),并且氮化硼在化学上比石墨更稳定。六角形BN仅与元素氟F 2(形成产物BF 3和N 2)和氟化氢HF(生成NH 4 BF 4)反应。BN的钻石(立方)形式可以通过在碱金属或碱性金属的存在下在非常高的压力(85,000个大气压;海平面压力为一个大气压)下将六角形BN加热到1,800°C(3,300°F)来制备土金属催化剂。像碳的类似金刚石形式一样,立方氮化硼非常坚硬。

氰原

氰(CN)2是有毒的无色气体,沸点为-21°C(-6°F)。它可以通过氰化氢(HCN)的氧化来制备。可以使用多种氧化剂,包括氧气,O 2,氯气,Cl 2和二氧化氮气体,NO 2。当使用NO 2时,可以将产物NO再循环并再次用于生产反应物NO 2。2HCN + NO 2 →(CN)2个 + NO + H 2在OTrace杂质(CN)2出现,以促进在高温下聚合(300-500℃[600-900°F])到paracyanogen,深色固体,其具有碳原子和氮原子交替的六元环的多环结构。氰分子N≡C-C≡N是线性且易燃的。它在氧气中燃烧以产生极热的火焰(约4,775°C [8,627°F])。