stringtranslate.com

Нитрид

В химии нитрид — химическое соединение азота .​ Нитриды могут быть неорганическими или органическими , ионными или ковалентными . Нитрид -анион , N 3- ион, очень неуловим, но соединения нитрида многочисленны, хотя редко встречаются в природе. Некоторые нитриды находят применение, [1] например, в износостойких покрытиях (например, нитрид титана , TiN), твердых керамических материалах (например, нитрид кремния , Si 3 N 4 ) и полупроводниках (например, нитрид галлия , GaN) . . Разработка светодиодов на основе GaN была отмечена Нобелевской премией по физике 2014 года . [2] Также распространены комплексы нитридо металлов .

Синтез неорганических нитридов металлов является сложной задачей, поскольку газообразный азот (N 2 ) не очень реакционноспособен при низких температурах, но становится более реакционноспособным при более высоких температурах. Следовательно, необходимо достичь баланса между низкой реакционной способностью газообразного азота при низких температурах и энтропийным образованием N 2 при высоких температурах. [3] Однако методы синтеза нитридов становятся все более изощренными, а материалы приобретают все большую технологическую значимость. [4]

Использование нитридов

Как и карбиды , нитриды часто являются тугоплавкими материалами из-за их высокой энергии решетки , которая отражает прочную связь «N 3- » с катионом(ами) металла. Так, кубический нитрид бора , нитрид титана и нитрид кремния используются в качестве режущих материалов и твердых покрытий. Шестиугольный нитрид бора , имеющий слоистую структуру, является полезной высокотемпературной смазкой, аналогичной дисульфиду молибдена . Нитридные соединения часто имеют большую запрещенную зону , поэтому нитриды обычно являются изоляторами или полупроводниками с широкой запрещенной зоной ; примеры включают нитрид бора и нитрид кремния. Широкозонный материал нитрид галлия ценится за излучение синего света в светодиодах . [5] [6] Как и некоторые оксиды, нитриды могут поглощать водород и обсуждались в контексте хранения водорода , например, нитрид лития .

Примеры

Классификация столь разнообразной группы соединений несколько условна. Соединения, которым азоту не присвоена степень окисления -3, не включены, например трихлорид азота , степень окисления которого равна +3; равно как и аммиак и его многочисленные органические производные.

Нитриды элементов s-блока

Стабилен только один нитрид щелочного металла — пурпурно-красноватый нитрид лития ( Li 3 N ), который образуется при горении лития в атмосфере N 2 . [7] Были получены нитрид натрия и нитрид калия , но они остаются лабораторной диковинкой. Однако нитриды щелочноземельных металлов , имеющие формулу M 3 N 2 , многочисленны. Примеры включают нитрид бериллия ( Be 3 N 2 ), нитрид магния ( Mg 3 N 2 ), нитрид кальция ( Ca 3 N 2 ) и нитрид стронция ( Sr 3 N 2 ). Нитриды электроположительных металлов (в том числе Li, Zn и щелочноземельных металлов) легко гидролизуются при контакте с водой, в том числе с влагой воздуха:

Mg 3 N 2 + 6 H 2 O → 3 Mg(OH) 2 + 2 NH 3

Нитриды элементов p-блока

Нитрид бора существует в нескольких формах ( полиморфах ). Известны также нитриды кремния и фосфора, но коммерческое значение имеет только первый. Нитриды алюминия , галлия и индия имеют гексагональную структуру вюрцита , в которой каждый атом занимает тетраэдрические позиции. Например, в нитриде алюминия каждый атом алюминия имеет четыре соседних атома азота в углах тетраэдра, и аналогичным образом каждый атом азота имеет четыре соседних атома алюминия в углах тетраэдра. Эта структура похожа на гексагональный алмаз ( лонсдейлит ), где каждый атом углерода занимает тетраэдрическую позицию (однако вюрцит отличается от сфалерита и алмаза взаимной ориентацией тетраэдров). Нитрид таллия(I) ( Tl 3 N ) известен, а нитрид таллия(III) (TlN) — нет.

Нитриды переходных металлов

Большинство нитридов переходных металлов с высоким содержанием металлов имеют относительно упорядоченную гранецентрированную кубическую или гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру с октаэдрической координацией. [8] Иногда эти материалы называют « нитридами внедрения ». Они необходимы для промышленной металлургии , поскольку обычно намного тверже и менее пластичны , чем исходный металл, и устойчивы к окислению воздухом. [9] Из металлов 3-й группы известны ScN и YN . Переходные металлы групп 4 , 5 и 6 (группы титана, ванадия и хрома) образуют [10] химически стабильные, тугоплавкие нитриды с высокой температурой плавления. Тонкие пленки нитрида титана , нитрида циркония и нитрида тантала защищают многие промышленные поверхности.

Нитриды переходных металлов 7 и 8 групп , как правило, бедны азотом и легко разлагаются при повышенных температурах. Например, нитрид железа Fe 2 N разлагается при 200 °С. Нитрид платины и нитрид осмия могут содержать звенья N 2 и поэтому не должны называться нитридами. [11] [12]

Нитриды более тяжелых представителей 11 и 12 группы менее стабильны, чем нитрид меди ( Cu 3 N ) и нитрид цинка ( Zn 3 N 2 ): сухой нитрид серебра ( Ag 3 N ) — контактное взрывчатое вещество , способное взорваться от малейшего прикосновения, даже падающая капля воды. [13]

Нитриды лантаноидов и актинидов

Нитридосодержащие виды лантаноидов и актинидов представляют научный интерес, поскольку они могут служить полезным инструментом для определения ковалентности связей. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) наряду с квантово-химическим анализом часто используется для определения степени, в которой связи нитридов металлов имеют ионный или ковалентный характер. Один пример, нитрид урана, имеет самый высокий известный химический сдвиг азота-15. [14]

Молекулярные нитриды

S 4 N 4 представляет собой прототип бинарного молекулярного нитрида.

Многие металлы образуют молекулярные нитридокомплексы, о чем говорится в специализированной статье. Элементы основной группы также образуют некоторые молекулярные нитриды. Циан ( (CN) 2 ) и тетранитрид тетрасеры ( S 4 N 4 ) являются редкими примерами молекулярных бинарных (содержащих один элемент, кроме азота) нитридов. Они растворяются в неполярных растворителях. Оба подвергаются полимеризации. S 4 N 4 также неустойчив по отношению к элементам, но в меньшей степени, чем изоструктурный Se 4 N 4 . Нагревание S 4 N 4 дает полимер, также известны различные молекулярные анионы и катионы нитрида серы.

С нитридом, но отличается от него, является двухатомный анион пернитрида ( N2-2) и трехатомный азидный анион (N 3 - ).

Рекомендации

  1. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ «Нобелевская премия по физике 2014». Нобелевская премия . Пропаганда Нобелевской премии . Проверено 13 января 2021 г.
  3. ^ Солнце, Вэньхао; Бартель, Кристофер Дж.; Арка, Элизабетта; Бауэрс, Сейдж Р.; Мэтьюз, Бетани; Орваньянос, Бернардо; Чен, Бор-Ронг; Тони, Майкл Ф.; Шелхас, Лаура Т.; Тумас, Уильям; Тейт, Джанет ; Закутаев Андрей; Лэни, Стефан; Холдер, Аарон М.; Седер, Гербранд (2019). «Карта неорганических тройных нитридов металлов». Природные материалы . 18 (7): 732–739. arXiv : 1809.09202 . дои : 10.1038/s41563-019-0396-2. ISSN  1476-4660. PMID  31209391. S2CID  119461695.
  4. ^ Гринуэй, Энн Л.; Меламед, Селеста Л.; Теллекамп, М. Брукс; Вудс-Робинсон, Рэйчел; Тоберер, Эрик С.; Нилсон, Джеймс Р.; Тамболи, Адель К. (26 июля 2021 г.). «Тройные нитридные материалы: основы и новые применения устройств». Ежегодный обзор исследований материалов . 51 (1): 591–618. arXiv : 2010.08058 . doi : 10.1146/annurev-matsci-080819-012444. ISSN  1531-7331. S2CID  223953608.
  5. ^ Ояма, ST, изд. (1996). Химия карбидов и нитридов переходных металлов . Блэки Академик. ISBN 0-7514-0365-2.
  6. ^ Пирсон, ХО (1996). Справочник тугоплавких карбидов и нитридов . Уильям Эндрю. ISBN 0-8155-1392-5.
  7. ^ Грегори, Дункан Х. (2001). «Нитридная химия элементов s-блока». Коорд. хим. Преподобный . 215 : 301–345. дои : 10.1016/S0010-8545(01)00320-4.
  8. ^ Тот, Луи (11 апреля 2014 г.). Карбиды и нитриды переходных металлов. Эльзевир. ISBN 978-0-323-15722-3.
  9. ^ Лайневебер, Андреас; Ньева, Райнер; Джейкобс, Герберт; Кокельманн, Винфрид (2000). «Нитриды марганца η-Mn3N2 и θ-Mn6N5 + x: ядерная и магнитная структуры». Журнал химии материалов . 10 (12): 2827–2834. дои : 10.1039/b006969h.
  10. ^ Мэй, AB; Хау, Б.М.; Чжан, К.; Сардела, М.; Экстайн, Дж. Н.; Хультман, Л.; Рокетт, А.; Петров И.; Грин, Дж. Э. (18 октября 2013 г.). «Физические свойства эпитаксиальных слоев ZrN/MgO(001), выращенных методом реактивного магнетронного распыления». Журнал вакуумной науки и технологий А. 31 (6): 061516. Бибкод : 2013JVSTA..31f1516M. дои : 10.1116/1.4825349. ISSN  0734-2101.
  11. ^ Силлер, Л.; Пелтекис, Н.; Кришнамурти, С.; Чао, Ю.; Булл, С.Дж.; Хант, MRC (2005). «Золотая пленка с нитридом золота — проводник, но тверже золота» (PDF) . Прил. Физ. Летт . 86 (22): 221912. Бибкод : 2005ApPhL..86v1912S. дои : 10.1063/1.1941471.
  12. ^ Монтойя, Дж.А.; Эрнандес, AD; Санлуп, К.; Грегорианц, Э.; Скандоло, С (2007). «OsN2: Кристаллическая структура и электронные свойства». Прил. Физ. Летт . 90 (1): 011909. Бибкод : 2007ApPhL..90a1909M. дои : 10.1063/1.2430631.
  13. ^ Шэнли, Эдвард С.; Эннис, Джон Л. (1991). «Химия и образование свободной энергии нитрида серебра». Индийский англ. хим. Рез . 30 (11): 2503. doi :10.1021/ie00059a023.
  14. ^ Ду, Цзинчжэнь; Сид, Джон А.; Берриман, Виктория Э.Дж.; Кальцояннис, Николас; Адамс, Ральф В.; Ли, Дэниел; Лиддл, Стивен Т. (2021). «Исключительная ковалентность тройной связи нитрида урана (VI) по данным спектроскопии ядерного магнитного резонанса 15N и квантово-химического анализа». Нат. Коммун . 12 (1): 5649. Бибкод : 2021NatCo..12.5649D. дои : 10.1038/s41467-021-25863-2. ПМЦ 8463702 . ПМИД  34561448.