Пентанитрид трифосфора
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Пентанитрид трифосфора | |
| Другие имена Нитрид фосфора(V), Нитрид фосфора | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| Информационная карта ECHA | 100.032.018 |
| Номер ЕС |
|
ПабХим CID | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| П 3 Н 5 | |
| Молярная масса | 162.955 g/mol |
| Появление | Белый твердый |
| Плотность | 2,77 г/см 3 (а- П 3 Н 5 ) |
| Температура плавления | 850 ° C (1560 ° F; 1120 К) разлагается. |
| нерастворимый | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Пентанитрид трифосфора представляет собой неорганическое соединение с химической формулой П 3 Н 5 . Этот материал, содержащий только фосфор и азот, классифицируется как бинарный нитрид . Хотя его исследовали для различных применений, это не привело к какому-либо значительному промышленному использованию. Это белое твердое вещество, хотя образцы часто кажутся окрашенными из-за примесей.
Синтез
[ редактировать ]Пентанитрид трифосфора можно получить реакциями между различными анионами фосфора (V) и азота (такими как аммиак и азид натрия ): [1]
- 3 PCl 5 + 5 NH 3 → P 3 N 5 + 15 HCl
- 3 PCl 5 + 15 NaN 3 → P 3 N 5 + 15 NaCl + 20 N 2
Утверждается, что реакция элементов приводит к образованию родственного материала. [2] Аналогичными методами получают нитрид бора (BN) и нитрид кремния ( Си 3 Н 4 ); однако продукты обычно нечистые и аморфные . [1] [3]
Кристаллические образцы получены реакцией хлорида аммония и гексахлорциклотрифосфазена. [4] или пентахлорид фосфора . [1]
- (NPCl 2 ) 3 + 2 [NH 4 ]Cl → P 3 N 5 + 8 HCl
- 3 PCl 5 + 5 [NH 4 ]Cl → P 3 N 5 + 20 HCl
P 3 N 5 также получают при комнатной температуре реакцией трихлорида фосфора и амида натрия . [5]
- 3 PCl 3 + 5 NaNH 2 → P 3 N 5 + 5 NaCl + 4 HCl + 3 H 2
Реакции
[ редактировать ]P 3 N 5 термически менее стабилен, чем BN или Si 3 N 4 , разложение на элементы происходит при температуре выше 850 °С: [1]
- П 3 Н 5 → 3 ПН + Н 2
- 4 ПН → П 4 + 2 Н 2
Он устойчив к слабым кислотам и основаниям и нерастворим в воде при комнатной температуре, однако при нагревании гидролизуется с образованием солей фосфата аммония. [NH 4 ] 2 HPO 4 и [NH 4 ]H 2 PO 4 .
Пентанитрид трифосфора реагирует с нитридом лития и нитридом кальция с образованием соответствующих солей ПН 7− 4 и ПН 4− 3 . Гетерогенный аммонолиз пентанитрида трифосфора дает имиды, такие как ХПН 2 и ХП 4 Н 7 . Было высказано предположение, что эти соединения могут найти применение в качестве твердых электролитов и пигментов . [6]
Структура и свойства
[ редактировать ]несколько полиморфов Известно пентанитрида трифосфора. Альфа-форма пентанитрида трифосфора (α- P 3 N 5 ) встречается при атмосферном давлении и существует при давлениях до 11 ГПа , при этом переходит в гамма-разновидность (γ- P 3 N 5 ) соединения. [7] [8] При нагреве γ‑ P 3 N 5 до температуры выше 2000 К и давления 67–70 ГПа превращается в δ- П 3 Н 5 . [9] Сброс давления на δ- Полиморф P 3 N 5 не возвращает его обратно в γ‑ P 3 N 5 или α‑ П 3 Н 5 . Вместо этого при давлениях ниже 7 ГПа δ- P 3 N 5 превращается в четвертую форму пентанитрида трифосфора, α'- П 3 Н 5 . [9]
| Полиморф | Плотность (г/см 3 ) |
|---|---|
| а- П 3 Н 5 | 2.77 |
| а'- П 3 Н 5 | 3.11 |
| с- П 3 Н 5 | 3.65 |
| д- П 3 Н 5 | 5,27 (при 72 ГПа) |
Строение всех полиморфных модификаций пентанитрида трифосфора установлено методом рентгеноструктурного анализа . α- P 3 N 5 и α′‑ P 3 N 5 образованы сетевой структурой ПН 4 тетраэдры с 2- и 3-координированными нитридами, [7] [9] с- P 3 N 5 состоит из обоих ПН 4 и ПН 5 Многогранники [8] в то время как δ- P 3 N 5 состоит исключительно из частей с общими углами и краями . ПН 6 октаэдров. [9] д- P 3 N 5 – наиболее несжимаемый пентанитрид трифосфора, имеющий модуль объемного сжатия 313 ГПа. [9]
Возможные применения
[ редактировать ]Пентанитрид трифосфора не имеет коммерческого применения, хотя нашел применение в качестве геттерного материала для ламп накаливания различные смеси, содержащие красный фосфор , заменив в конце 1960-х нити погружены в суспензию . Осветительные P 3 N 5 перед запайкой в колбу. После замыкания лампочки, но при включенном насосе, лампы загораются, вызывая P 3 N 5 термически разлагаться на составные элементы. Большая часть этого удаляется насосом, но достаточно. Пары P 4 продолжают реагировать с остаточным кислородом внутри колбы. Как только давление пара P 4 достаточно низкий, либо газ-наполнитель подается в баллон перед герметизацией, либо, если требуется вакуумная атмосфера, баллон герметизируется в этой точке. Высокая температура разложения P 3 N 5 позволяет запечатывающим машинам работать быстрее и нагреваться сильнее, чем это было возможно при использовании красного фосфора.
Родственные галогенсодержащие циклические полимеры, тримерный гексабромфосфазен. (PNBr 2 ) 3 (температура плавления 192 °C) и тетрамерный октабромфосфазен. (PNBr 2 ) 4 (температура плавления 202 °C) находят аналогичные применения для вольфрамовых галогенных ламп , где они выполняют двойной процесс: геттерирование и точное дозирование галогена. [10]
Пентанитрид трифосфора также исследовался в качестве полупроводника для применения в микроэлектронике, в частности в качестве изолятора затвора в устройствах металл-изолятор-полупроводник . [11] [12]
В качестве топлива в пиротехнических затемняющих смесях он имеет некоторые преимущества перед более широко используемым красным фосфором, главным образом благодаря его более высокой химической стабильности. В отличие от красного фосфора, P 3 N 5 можно смело смешивать с сильными окислителями, даже с хлоратом калия. Хотя эти смеси могут гореть в 200 раз быстрее, чем современные смеси красного фосфора, они гораздо менее чувствительны к ударам и трению. Кроме того, P 3 N 5 гораздо более устойчив к гидролизу, чем красный фосфор, что придает пиротехническим смесям на его основе большую устойчивость при длительном хранении. [13]
патенты на использование пентанитрида трифосфора в средствах пожаротушения. Поданы [14] [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Шник, Вольфганг (1 июня 1993 г.). «Химия твердого тела с нитридами неметаллов» (PDF) . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 32 (6): 806–818. дои : 10.1002/anie.199308061 .
- ^ Вепрек, С.; Икбал, З.; Бруннер, Дж.; Шерли, М. (1 марта 1981 г.). «Получение и свойства аморфного нитрида фосфора, полученного в плазме низкого давления». Философский журнал Б. 43 (3): 527–547. Бибкод : 1981PMagB..43..527V . дои : 10.1080/01418638108222114 .
- ^ Мэн, Чжаоюй; Пэн, Йия; Ян, Чжипин; Цянь, Итай (1 января 2000 г.). «Синтез и характеристика аморфного нитрида фосфора». Химические письма . 29 (11): 1252–1253. дои : 10.1246/кл.2000.1252 .
- ^ Шник, Вольфганг; Люке, Ян; Крумейч, Франк (1996). «Нитрид фосфора P3N5: синтез, спектроскопические и электронно-микроскопические исследования». Химия материалов . 8 : 281–286. дои : 10.1021/cm950385y .
- ^ Чен, Луян; Гу, Юнлэ; Ши, Лян; Ян, Зехэн; Ма, Цзяньхуа; Цянь, Итай (2004). «Путь при комнатной температуре к полым сферам из нитрида фосфора». Неорганическая химия . 7 (5): 643. doi : 10.1016/j.inoche.2004.03.009 .
- ^ Шник, Вольфганг (1993). «Нитриды фосфора (V): получение, свойства и возможные применения новых твердотельных материалов со структурными аналогиями фосфатам и силикатам». Фосфор, сера, кремний и родственные им элементы . 76 (1–4): 183–186. дои : 10.1080/10426509308032389 .
- ^ Jump up to: а б Хорстманн, Стефан; Ирран, Элизабет; Шник, Вольфганг (1997). «Синтез и кристаллическая структура нитрида фосфора (V) α-P3N5». Международное издание «Прикладная химия» на английском языке . 36 (17): 1873–1875. дои : 10.1002/anie.199718731 .
- ^ Jump up to: а б Ландскрон, Кай; Хупперц, Хьюберт; Зенкер, Юрген; Шник, Вольфганг (2001). «Синтез γ-P3N5 под высоким давлением при 11 ГПа и 1500 ° C в сборке с несколькими наковальнями: бинарный нитрид фосфора (V) с трехмерной сетчатой структурой из тетраэдров PN4 и тетрагональных пирамид PN5» . Ангеванде Хеми . 40 (14): 2643–2645. doi : 10.1002/1521-3773(20010716)40:14<2643::AID-ANIE2643>3.0.CO;2-T .
- ^ Jump up to: а б с д и Ланиэль, Доминик; Трибель, Флориан; Нери, Адриан; Инь, Юйцин; Асландюков Андрей; Федотенко Тимофей; Хандархаева, Саяна; Таснади, Ференц; Харитон, Стелла; Джакоббе, Карлотта; Брайт, Элеонора Лоуренс; Ханфланд, Майкл; Прокопенко, Виталий; Шник, Вольфганг; Абрикосов, Игорь А. (07.11.2022). «Выявление нитридов фосфора до мегабарного режима: синтез α'-P 3 N 5, δ-P 3 N 5 и PN 2» . Химия – Европейский журнал . 28 (62): e202201998. дои : 10.1002/chem.202201998 . ISSN 0947-6539 . ПМЦ 9827839 . ПМИД 35997073 . S2CID 251743071 .
- ^ С. Т. Хендерсон и А. М. Марсден, Лампы и освещение, 2-е изд., Edward Arnlold Press, 1975, ISBN 0 7131 3267 1
- ^ Хирота, Юкихиро (1982). «Химическое осаждение из паровой фазы и характеристика изоляторов затвора из нитрида фосфора (P3N5) для устройств InP металл-изолятор-полупроводник». Журнал прикладной физики . 53 (7): 5037–5043. Бибкод : 1982JAP....53.5037H . дои : 10.1063/1.331380 .
- ^ Чон, Юн-Ха; Чхве, Ки Хван; Джо, Сон-Куэ; Канг, Бонгку (1995). «Влияние сульфидной пассивации на характеристики GaAs МДП-транзисторов с изоляторами затвора P 3 N 5 , выращенными фото-CVD ». Японский журнал прикладной физики . 34 (Часть 1, № 2Б): 1176–1180. Бибкод : 1995JaJAP..34.1176J . дои : 10.1143/JJAP.34.1176 . S2CID 67837168 .
- ^ Кох, Эрнст-Кристиан; Кудзило, Станислав (2016), «Более безопасные пиротехнические затемняющие средства на основе нитрида фосфора (V)», Angewandte Chemie International Edition , 55 (49): 15439–15442, doi : 10.1002/anie.201609532 , PMID 27862760
- ^ Нитриды фосфора для защиты от пожаров и взрывов.
- ^ Производство огнестойких регенерированных целлюлозных волокон , 20 декабря 1977 г.