[科普中國(guó)]-氮化物

介紹

氮與電負(fù)性比它小的元素所形成的二元化合物。疊氮化物 及氮與氫、鹵素和氧族元素的化合物不屬 氮化物。一般指固體氮化物，并主要指 金屬氮化物。例如氮化鋰Li3N、氮化鎂 Mg3N2、氮化鋁AlN、氮化鈦TiN、氮化 鉭TaN等。多數(shù)難熔，熱穩(wěn)定性很高。有 些是金屬加熱后直接與氮化合而成，有些 是由金屬、金屬氧化物或金屬氯化物在氨 氣流中加熱而得。硼、磷、硅等非金屬亦有 氮化物（BN、P3N5、Si3N4）存在，對(duì)熱都 十分穩(wěn)定，其中BN特別穩(wěn)定。

分類氮化物是氮與電負(fù)性小的元素形成的二元化合物，不包括氮與氫、氮與鹵素的化合物及疊氮化物。按結(jié)構(gòu)不同，氮化物可分為：

① 離子型氮化物 主要是氮與Ⅰ A，ⅡA族活潑金屬形成的氮化物，如氮化鋰Li3N，氮化鈣Ca3N2等。這類氮化物熱穩(wěn)定性低，加熱至400℃時(shí)分解為氮和相應(yīng)元素； 它們極易水解，與水蒸氣作用放出氨并生成金屬氫氧化物，如：Li3N+3H2O=3LiOH+NH3

②金屬型氮化物 氮與過(guò)渡金屬形成的氮化物，如氮化錳Mn5N2，氮化鎢W2N3，氮化鋯ZrN等。這類氮化物具有高硬度、高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)。它們大多是氮原子填充在金屬結(jié)構(gòu)的間隙中，屬于“間隙化合物”，具有金屬的性質(zhì)，不與水反應(yīng)，有導(dǎo)電性。

③ 共價(jià)型氮化物 與磷、硅、硼等非金屬元素所形成的氫化物，如氮化磷P3N5，氮化硅Si3N4，氮化硼B(yǎng)N等。這類氮化物非常穩(wěn)定。

④過(guò)渡型氮化物 與銅、鋅分族等金屬元素所形成的氮化物，如氮化銀Ag3N等。1

常見(jiàn)氮化物及特性氮化硅1857年由印度人咼賀烈爾 （F.Wohler）最早合成。屬六方晶系，有α型（低溫）及β型（高溫）的變態(tài)。當(dāng)溫度升高到1600℃時(shí)，由α型轉(zhuǎn)變成β型，轉(zhuǎn)變回來(lái)是困難的。α與β型的物理性質(zhì)見(jiàn)表。其熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性好，高溫強(qiáng)度及耐磨性好。但在高溫氧化氣氛中，1200～1400℃開(kāi)始氧化，1400℃以上則劇烈氧化。

氮化硅的合成方法有將硅粉磨細(xì)在N2氣中加熱到1200～1450℃形成3Si+4N2=2Si3N4+737J的放熱反應(yīng)。其反應(yīng)速度較慢，如加入少量的Fe、Co、Ni、Cr、Cu等可加速反應(yīng)。但對(duì)α、β的生成比例或性質(zhì)有影響。如在N2氣中加NH3或H2等最后能加速反應(yīng)，而在1350℃以下反應(yīng)多生成α型?；蛘吖枋犹吭贜2氣中加熱的方法，是在1550℃以上生成SiC，因此須加入百分之幾的Fe2O3，使之在較低的溫度下完成Si3N4的反應(yīng)，然后用鹽酸將Fe的化合物除去。

氧氮化鋁硅（Sialon） Si-Al-O-N系固溶體。屬β-Si3N4型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有抗氧化性強(qiáng)、耐侵蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

**氧氮化硅（Si2N2O）**是用高純硅粉和SiO2粉按分子比3∶1混合、磨細(xì)、通入80%N2和20%H2的混合氣體加熱到1450℃時(shí)而制得。

氮化鋁1862年由德國(guó)人古茨爾（Geuther）合成的。它是六方晶系、有鉛鋅礦（六角）型結(jié)晶、呈白色、單晶為無(wú)色透明，密度為3.26g/cm3，升華溫度2450℃。制品耐壓強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)稍大些。

氮化硼和石墨的結(jié)晶相似，呈六角板狀，有脂肪感，呈白色，故人們稱為白色石墨。密度為2.2g/cm3，化學(xué)性質(zhì)呈中性，在還原氣氛下穩(wěn)定到2000℃以上。是有希望的高溫結(jié)構(gòu)材料。

應(yīng)用由ⅢA、ⅣA族元素和氮直接化合生成的 氮化物具有共價(jià)結(jié)構(gòu)，稱為共價(jià)型氮化物。BN 是一種鱗片狀六方結(jié)構(gòu)，它的晶體結(jié)構(gòu)和理化 性質(zhì)與石墨相似，因而稱為“白石墨”或“白炭 黑”，密度2.25克/立方厘米。它的耐熱性、耐蝕性 和潤(rùn)滑性都好，不導(dǎo)電。在電子、冶金、化工及 尖端技術(shù)上有較大應(yīng)用。這種晶型的BN在5 ～9千兆帕（5～9萬(wàn)大氣壓）和1200～ 1500℃溫度下，用堿金屬、堿土金屬為催化劑， 可轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N立方晶系的金剛硼，這種轉(zhuǎn)變與石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸嗨啤?/p>

金剛硼的硬度大于金剛石，是特殊的耐磨材料和切削材料。又因它不被熔融鐵浸蝕，可制造模具及坩堝的襯里。 Si3N4是高性能陶瓷材料，用于冶金、飛機(jī)、機(jī)械、電子、原子能等工業(yè)。堿金屬和堿土金屬氮化物又稱離子型氮化物，它們的熱穩(wěn)定性較差， 容易水解產(chǎn)生氨氣和金屬氫氧化物，實(shí)用意義不大。2