Нитрид лития

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Нитрид лития
Общие
Систематическое
наименование		 Нитрид лития
Традиционные названия Азотистый литий
Хим. формула Li3N
Физические свойства
Состояние зеленовато-чёрные или тёмно-красные кристаллы
Молярная масса 34,82 г/моль
Плотность 1,28 г/см³
Термические свойства
Температура
 • плавления 813, 845 °C
 • кипения разлагается °C
Мол. теплоёмк. 75,2 Дж/(моль·К)
Энтальпия
 • образования -164,0 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS 26134-62-3
SMILES
 
Безопасность
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 0: Негорючее веществоРеакционноспособность 2: Подвергается серьёзным химическим изменениям при повышенной температуре и давлении, бурно реагирует с водой или может образовывать взрывчатые смеси с водой (например, фосфор, калий, натрий)Специальный код W: Реагирует с водой необычным или опасным образом (например, цезий, натрий, рубидий)
0
?
2
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Нитри́д ли́тия — соединение щелочного металла лития и азота, зеленовато-чёрные или тёмно-красные кристаллы.

Единственный устойчивый нитрид щелочных металлов.

Применяется в пиротехнике.

Получение

Синтезом из элементов — при комнатной температуре влажный азот медленно взаимодействует с литием, увеличение температуры и давления ускоряет реакцию:

[math]\ce{ 6Li + N2 ->[\ce{300^{o}C}] 2Li3N. }[/math]

Взаимодействием гидрида лития с азотом:

[math]\ce{ 3 LiH + N2 ->[\ce{500^{o}C}] Li3N + NH3. }[/math]

При хранении металлического лития в воздушной атмосфере при нормальных условиях наряду с карбонатом лития и гидроксидом лития в поверхностной плёнке образуется также нитрид лития.

Физические свойства

Кристаллическая структура нитрида лития

Нитрид лития образует в зависимости от отклонения от стехиометрического состава зеленовато-чёрные или тёмно-красные кристаллы.

Нитрид лития эндотермическое соединение, энтальпия его образования из элементов −207  кДж/моль[1].

В нормальных условиях устойчива кристаллическая структура гексагональной сингонии, называемая [math]\ce{ \alpha-Li3N }[/math], имеющая пространственная группу P 6/mmm, параметры кристаллической ячейки a = 0,3655 нм, c = 0,3876, Z = 1.

При давлении свыше 4200 бар (4 100 атм) [math]\ce{ \alpha-Li3N }[/math] переходит в [math]\ce{ \beta-Li3N }[/math], имеющий структуру арсенида натрия ([math]\ce{ Na3As }[/math]). Пр повышении давления свыше 360 кбар [math]\ce{ \beta-Li3N }[/math] переходит в [math]\ce{ \gamma-Li3N }[/math] со структурой типа [math]\ce{ Li3Bi }[/math][2].

В кристалле [math]\ce{ \alpha-Li3N }[/math] атомы лития образуют гексагональную графитоподобную кристаллическую структуру, в одной из кристаллических плоскостей каждый атом азота окружён шестью атомами лития. Два дополнительных атома лития расположены в других соседних плоскостях над и под атомом азота и каждый атом азота в результате оказывается окружённым восемью атомами лития, расположенных в вершинах гексагональной бипирамиды[3][4][5].

Нитрид лития является твёрдым электролитом — обладает ионной электропроводимостью по ионам [math]\ce{ Li+ }[/math] с удельной проводимостью 2·10-4 1/(Ом·см) и энергией активации освобождения ионов лития из узлов кристаллической решётки 0,26 эВ (~24 кДж/моль). Допирование кристалла водородом увеличивает проводимость, в то время как легирование ионами металлов (Al, Cu, Mg) уменьшает его[6][7]. Установлено, что энергия активации межкристаллического переноса ионов лития выше чем внутрикристаллическая (~68,5 кДж/моль[8]).

[math]\ce{ \alpha-Li3N }[/math] является полупроводником с шириной запрещенной зоны ~2,1 эВ[2].

Нитрид лития изучался как вещество для компактного хранения газообразного водорода, абсорбция и десорбция водорода обратимы и происходят при сравнительно низкой температуре ~270 °C. В опытах было достигнуто поглощение водорода веществом до 11,5 % по массе[9].

Химические свойства

Реакция образования нитрида лития обратима и при повышении температуры в вакууме идёт процесс разложения на элементы:

[math]\ce{ 2Li3N ->[\ce{400^{o}C}] 6Li + N2. }[/math]

Нитрид лития энергично взаимодействует с водой с образованием гидроксида лития и аммиака:

[math]\ce{ Li3N + 3H2O ->3LiOH + NH3. }[/math]

Нитрид лития при повышенной температуре взаимодействует с водородом с образованием гидрида лития и аммиака:

[math]\ce{ Li3N + 3H2 -> 3LiH + NH3. }[/math]

При взаимодействии нитрида лития с водородом при 300 °C и повышенном давлении (более 0,5 МПа) образуется смесь гидрида лития и амида лития[10]:

[math]\ce{ Li3N\ {+}\ 2H2 -> [\ce{300^{o}C},\ \ 0.5\ MPa] LiNH2\ {+}\ 2LiH. }[/math]

Разлагается кислотами с образованием соответствующих кислоте солей лития и аммония:

[math]\ce{ Li3N + 4HCl -> 3LiCl + NH4Cl. }[/math]

Известно также много смешанных нитридов лития, некоторые из них: [math]\ce{ LiMgN,\ LiZnN,\ Li3AlN2,\ Li5SiN3,\ Li5TiN3,\ Li5GeN3. }[/math]

Расплавленный нитрид лития агрессивен по отношению ко многим металлам (Fe, Cu, Ni, Pt и др.).

Применение

  • Нитрид лития иногда используется как компонент при изготовлении пиротехнических смесей.
  • Возможно применение вещества для компактного хранения водорода.

Примечания

  1. ↑ M. Guntz: Sur l'azoture de lithium. In: Compt. Rend. Hebd. Band 123, 1896, S. 995–997 (Труды этого автора можно найти в интернет-библиотеке Gallica. Следует произвести поиск (фр. Recherche) по фамилии.).
  2. ↑ 2,0 2,1 Solid-State Hydrogen Storage: Materials and Chemistry (англ.) / Walker, G.. — 2008. — P. §16.2.1 Lithium nitride and hydrogen:a historical perspective.
  3. ↑ Кристаллическая структура Li3N.
  4. ↑ Holleman A. F., Wiberg E., Wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 1153.
  5. ↑ Barker M. G.; Blake A. J.; Edwards P. P.; Gregory D. H.; Hamor T. A.; Siddons D. J.; Smith S. E. Novel layered lithium nitridonickelates; effect of Li vacancy concentration on N co-ordination geometry and Ni oxidation state (англ.) // Chemical Communications : journal. — 1999. — No. 13. — P. 1187—1188. — doi:10.1039/a902962a.
  6. ↑ Lapp, Torben; Skaarup, Steen; Hooper, Alan. Ionic conductivity of pure and doped Li3N (неопр.) // Solid State Ionics. — 1983. — October (т. 11, № 2). — С. 97—103. — doi:10.1016/0167-2738(83)90045-0.
  7. ↑ Boukamp, B. A.; Huggins, R. A. Lithium ion conductivity in lithium nitride (англ.) // Physics Letters A[англ.] : journal. — 1976. — 6 September (vol. 58, no. 4). — P. 231—233. — doi:10.1016/0375-9601(76)90082-7.
  8. ↑ Boukamp, B. A.; Huggins, R. A. Fast ionic conductivity in lithium nitride (неопр.) // Materials Research Bulletin. — 1978. — January (т. 13, № 1). — С. 23—32. — doi:10.1016/0025-5408(78)90023-5.
  9. ↑ Ping Chen; Zhitao Xiong; Jizhong Luo; Jianyi Lin; Kuang Lee Tan. Interaction of hydrogen with metal nitrides and amides (англ.) // Nature : journal. — 2002. — Vol. 420, no. 6913. — P. 302—304. — doi:10.1038/nature01210. — PMID 12447436.
  10. ↑ Goshome1, Kiyotaka; Miyaoka2, Hiroki; Yamamoto1, Hikaru; Ichikawa3, Tomoyuki; Ichikawa1, Takayuki; Kojima1, Yoshitsugu. Ammonia Synthesis via Non-Equilibrium Reaction of Lithium Nitride in Hydrogen Flow Condition (англ.) // Materials TransactionS : journal. — 2015. — Vol. 56. — P. 410—414. — doi:10.2320/matertrans.M2014382.

Литература

  • Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
  • Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1971. — Т. 1. — 561 с.
  • Гринвуд, Норман Н., Эрншоу, А. Химия элементов в 2-х т. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015.
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Нитрид_лития&oldid=7155230