Нитрид
В химии нитрид — соединение азота химическое . 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 ] такие как износостойкие , покрытия (например, нитрид титана , TiN), твердые керамические материалы (например, нитрид кремния Si 3 N 4 ) и полупроводники (например, нитрид галлия , GaN). Разработка светодиодов на основе GaN была отмечена Нобелевской премией по физике 2014 года . [ 2 ] комплексы нитридо металлов Также распространены .
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
[ редактировать ]Как и карбиды , нитриды часто являются тугоплавкими материалами из-за их высокой энергии решетки , которая отражает прочную связь «N 3− " к катиону(ам) металла. Таким образом, 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, подобной дисульфиду молибдена. Нитридные соединения часто имеют большую запрещенную зону , поэтому нитриды обычно являются изоляторами или широкозонными полупроводниками ; Нитрид бора с широкой запрещенной зоной и нитрид кремния 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]только один нитрид щелочного металла Стабилен — пурпурно-красноватый нитрид лития ( Li 3 N ), образующийся при горении лития в атмосфере Н2 . [ 7 ] нитрид натрия и нитрид калия Были получены , но они остаются лабораторной диковинкой. Нитриды щелочноземельных металлов, имеющие формулу Однако 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 ( Ср 3 Н 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
[ редактировать ]Нитрид бора существует в нескольких формах ( полиморфах ). нитриды кремния Известны также 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
[ редактировать ]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 ScN и YN известны . 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 N 2 единицы и как таковые не должны называться нитридами. [ 11 ] [ 12 ]
Нитриды более тяжелых представителей 11 и 12 групп менее стабильны, чем нитрид меди ( Cu 3 N ) и нитрид цинка ( Zn 3 N 2 ): сухой нитрид серебра ( Ag 3 N ) — контактное взрывчатое вещество , которое может взорваться от малейшего прикосновения, даже падающей капли воды. [ 13 ]
Нитриды лантаноидов и актинидов
[ редактировать ]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
[ редактировать ]
Многие металлы образуют молекулярные нитридокомплексы, о чем говорится в специализированной статье. Элементы основной группы также образуют некоторые молекулярные нитриды. Цианоген ( (CN) 2 ) и тетранитрид тетрасеры ( S 4 N 4 ) являются редкими примерами молекулярных бинарных (содержащих кроме азота один элемент) нитридов. Растворяются в неполярных растворителях. Оба подвергаются полимеризации. S 4 N 4 также неустойчив по отношению к элементам, но в меньшей степени, так что изоструктурный Се 4 Н 4 . Обогрев 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 ( N 2− 2 ) и трехатомный анион азида (N 3 - ).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 2014» . Нобелевская премия . Пропаганда Нобелевской премии . Проверено 13 января 2021 г.
- ^ Сунь, Вэньхао; Бартель, Кристофер Дж.; Арья, Элизабет; Бауэрс, Сейдж Р.; Мэтьюз, Бетани; Орваньянос, Бернардо; Чен, Бор-Ронг; Тони, Майкл Ф.; Шелхас, Лаура Т.; Томас, 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 . ПМИД 31209391 . S2CID 119461695 .
- ^ 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.). «Материалы из тройного нитрида: основы и новые области 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 .
- ^ Ояма, ST, изд. (1996). Химия карбидов и нитридов переходных металлов . Блэки Академик. ISBN 0-7514-0365-2 .
- ^ Пирсон, Х.О. (1996). Справочник тугоплавких карбидов и нитридов . Уильям Эндрю. ISBN 0-8155-1392-5 .
- ^ Грегори, Дункан Х. (2001). «Нитридная химия элементов s-блока». Коорд. хим. Преподобный . 215 : 301–345. дои : 10.1016/S0010-8545(01)00320-4 .
- ^ Тот, Луи (11 апреля 2014 г.). Карбиды и нитриды переходных металлов . Эльзевир. ISBN 978-0-323-15722-3 .
- ^ Лейневебер, Эндрю; Ньева, Райнер; Джейкобс, Герберт; Кокельманн, Винфрид (2000). «Нитриды марганца η-Mn3N2 и θ-Mn6N5+x: ядерная и магнитная структуры» . Журнал химии материалов . 10 (12): 2827–2 дои : 10.1039/b006969h .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Монтойя, Дж.А.; Эрнандес, AD; Санлуп, К.; Грегорьянц, Э.; Скандоло, С (2007). «OsN2: Кристаллическая структура и электронные свойства». Прил. Физ. Летт . 90 (1): 011909. Бибкод : 2007ApPhL..90a1909M . дои : 10.1063/1.2430631 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
