單質氮在常況下是一種無色無臭的氣體

1、氮 單質氮在常況下是一種無色無臭的氣體，在標單質氮在常況下是一種無色無臭的氣體，在標準情況下的氣體密度是準情況下的氣體密度是 1.25g1.25gdmdm-3-3, ,熔點熔點63K,63K,沸點沸點75K75K，臨界溫度為，臨界溫度為126K126K，它是個難于液化的氣體。在，它是個難于液化的氣體。在水中的溶解度很小，在水中的溶解度很小，在283K283K時，一體積水約可溶解時，一體積水約可溶解0.020.02體積的體積的N N2 2。氮氮單質單質的物理性質的物理性質氮氣分子的分子軌道式為氮氣分子的分子軌道式為:(1s)2(1s*)2(2s)2(2s*)2(2py)2(2pz)2(2px)2

2、,對成鍵有貢獻的是三對電子，即形成兩個對成鍵有貢獻的是三對電子，即形成兩個鍵和一個鍵和一個鍵。由于鍵。由于N2分子中存在叁鍵分子中存在叁鍵NN，所以所以N2分子具有很大的穩(wěn)定性，將它分解為分子具有很大的穩(wěn)定性，將它分解為原子需要吸收原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。的能量。N2分分子是已知的雙原子分子中最穩(wěn)定的。子是已知的雙原子分子中最穩(wěn)定的。 單質氮的結構單質氮的結構工業(yè)制氮工業(yè)制氮工業(yè)上一般將空氣液化后分離出氮氣 加熱亞硝酸銨的溶液：加熱亞硝酸銨的溶液： NH4NO2(aq)N2+2H2O 亞硝酸鈉與氯化銨的飽和溶液相互作用：亞硝酸鈉與氯化銨的飽和溶液相互作用： NH4Cl+Na

3、NO2NaCl+2H2O+N2 將氨通過紅熱的氧化銅將氨通過紅熱的氧化銅: 2NH3+3CuO3Cu+3H2O+N2 氨與溴水的反應：氨與溴水的反應： 8NH3+3Br2(aq)6NH4Br+N2 重鉻酸銨加熱分解：重鉻酸銨加熱分解： (NH4)2Cr2O7Cr2O3+4H2O+N2 實驗室制氮法實驗室制氮法氮 的 氧 化 數(shù)氮 的 氧 化 數(shù)分析疊氮化合物是疊氮化合物是疊氮酸疊氮酸(HN(HN3 3) )的衍生物的衍生物,它們的它們的分子特征是含有分子特征是含有疊氮基疊氮基(-N(-N3 3) ) 根據(jù)根據(jù)Panling的經(jīng)典電負性概念的經(jīng)典電負性概念,疊氮基團的電負性是疊氮基團的電負性是2

4、.95和和3.18,與與氯氯的電負性的電負性3.0相接近相接近.因此早期的疊氮化合物的分類都是以傳統(tǒng)的因此早期的疊氮化合物的分類都是以傳統(tǒng)的類鹵類鹵化物化物的概念的概念,根據(jù)根據(jù)電離度電離度來劃分疊氮化合物來劃分疊氮化合物.分類離子疊氮化合離子疊氮化合物物(NaN3)共價鍵疊氮化合物共價鍵疊氮化合物(IN3)疊氮配位化合疊氮配位化合物物(Na2Sn(N3)6)重金屬疊氮化合重金屬疊氮化合物物(Pb(N3)2)化學鍵結構不同化學鍵結構不同 具有共價鍵的具有共價鍵的有機疊氮化合物組有機疊氮化合物組測定晶體結構的物理方法測定晶體結構的物理方法分子軌道理論分子軌道理論 早期對早期對-N3基團的研究提出

5、兩種結構式基團的研究提出兩種結構式具有對稱性疊氮基團在某具有對稱性疊氮基團在某種程度上有離子結合的種程度上有離子結合的無機疊氮化合物組無機疊氮化合物組通常離子型無機疊氮化合物的結構通常離子型無機疊氮化合物的結構分析研究較多分析研究較多,一般認為一般認為-N3基團結基團結構如同二氧化碳構如同二氧化碳(O=C=O)的一樣的一樣,屬屬于于對稱線性結構對稱線性結構 三個三個NN原子上電子原子上電子云是均勻分布的云是均勻分布的有些疊氮化合物有些疊氮化合物-N3基基團系團系不對稱線性鏈狀不對稱線性鏈狀結構結構.以以HN3為例其典為例其典型的結構為型的結構為 從上表可知：從上表可知：NA-NB介于碳碳單鍵和

6、碳碳雙鍵之間介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間,NB-NC介于碳介于碳碳雙鍵和碳碳叁鍵之間碳雙鍵和碳碳叁鍵之間大多數(shù)疊氮化合物極其不穩(wěn)定、易爆炸大多數(shù)疊氮化合物極其不穩(wěn)定、易爆炸 使用制備時一定要注意安全使用制備時一定要注意安全氮 化 硅氮化硅的性能及應用氮化硅的性能及應用 氮化硅微粉的制備方法氮化硅微粉的制備方法 氮化硅的性能及應用氮化硅的性能及應用 氮化硅纖維 氮化硅薄膜 納米氮化硅 氮化硅基陶瓷 Si3N4的結構原子晶體熔點：1878。C原子晶體空間網(wǎng)狀氮化硅基陶瓷 1 密度和熱膨脹系數(shù)小、密度和熱膨脹系數(shù)小、2 硬度大、硬度大、3 彈性模量高彈性模量高4 熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和電絕緣性熱穩(wěn)定性

7、、化學穩(wěn)定性和電絕緣性5 好耐腐蝕、抗氧化好耐腐蝕、抗氧化, 6 表面摩擦系數(shù)小等表面摩擦系數(shù)小等1 成本較高成本較高2 質量保證缺乏可靠質量保證缺乏可靠3 抗機械沖擊強度低抗機械沖擊強度低4 易發(fā)生脆性斷裂易發(fā)生脆性斷裂優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點汽車發(fā)動機上的元件汽車發(fā)動機上的元件,包括渦輪增壓器上的輪子、包括渦輪增壓器上的輪子、燃燒室、搖臂、噴嘴等。燃燒室、搖臂、噴嘴等。陶瓷發(fā)動機可以明顯改善發(fā)動機性能。用氮化陶瓷發(fā)動機可以明顯改善發(fā)動機性能。用氮化硅制成的渦輪輪子硅制成的渦輪輪子,轉動慣量可減少轉動慣量可減少40%,增壓響增壓響應時間快應時間快30%,并明顯改善了低速時的加速度。并明顯改善了低速時

8、的加速度。氮化硅的高溫結構性能也擴大了其使用范圍氮化硅的高溫結構性能也擴大了其使用范圍,增增加了惡劣環(huán)境下的使用壽命。加了惡劣環(huán)境下的使用壽命。用于刀具、球磨軸承、泵封材料和其他耐磨器用于刀具、球磨軸承、泵封材料和其他耐磨器件的材料等。件的材料等。 氮化硅基陶瓷 用途優(yōu)越的力學性能優(yōu)越的力學性能良好的耐熱沖擊性良好的耐熱沖擊性高耐氧化性高耐氧化性高絕緣性高絕緣性良好的彈性模量良好的彈性模量氮化硅纖維金屬陶瓷基復金屬陶瓷基復合材料的合材料的增張增張材材料；料；防熱功能復合防熱功能復合材料的制備。材料的制備。應應用用作為減反射膜作為減反射膜.氮化硅不僅有著極好的光學氮化硅不僅有著極好的光學性能性能

9、(入入=632. 8nm時折射率在時折射率在1.8-2.5之間之間.而最理想的封裝太陽電池減反射膜折射率而最理想的封裝太陽電池減反射膜折射率在在2. 1-2. 25之間之間)和化學性能和化學性能.還能對質量還能對質量較差的硅片起到表而和體內鈍化作用較差的硅片起到表而和體內鈍化作用.提高提高電池的短路電流。因此電池的短路電流。因此.采用氮化硅薄膜作采用氮化硅薄膜作為晶體硅太陽電池的減反射膜己經(jīng)成為光為晶體硅太陽電池的減反射膜己經(jīng)成為光伏學界的研究熱點。伏學界的研究熱點。 氮化硅薄膜納米氮化硅粉體添加到立體光造型樹脂中，能納米氮化硅粉體添加到立體光造型樹脂中，能夠有效降低固化體積收縮率，提高零件的

10、力學夠有效降低固化體積收縮率，提高零件的力學性能和熱穩(wěn)定性。納米氮化硅復合樹脂基木滿性能和熱穩(wěn)定性。納米氮化硅復合樹脂基木滿足足立體光（？）立體光（？）造型要求。造型要求。 納米氮化硅硅粉直接氮化法 SiO2還原氮化法 液相法液相法 氣相法氣相法 氮化硅微粉的制備方法 431500-13002NSi2N +3SiC用化學純的硅粉用化學純的硅粉(粒徑粒徑10m、純度、純度至少在至少在95%以上以上),在在NH3,N2+H2或或N2氣氛中直接與氮反應實現(xiàn)氣氛中直接與氮反應實現(xiàn)原理硅粉直接氮化法硅粉直接氮化法 為什么要限制硅粉的粒徑和純度？為什么要限制硅粉的粒徑和純度？改進：改進：用用Mg還原得到的

11、納米尺寸的硅還原得到的納米尺寸的硅,可以在較低的溫度可以在較低的溫度(1150)下氮化下氮化,得到的氮化硅無須碾磨得到的氮化硅無須碾磨,細度在細度在0.10.3m之間。這預示著這種方法還有進一步發(fā)展之間。這預示著這種方法還有進一步發(fā)展?jié)摿?。潛力?優(yōu)點：優(yōu)點： 工藝流程簡單工藝流程簡單,成本低。成本低。缺點：缺點： 反應慢反應慢,故需較高的反應溫度和較長的反應時間故需較高的反應溫度和較長的反應時間,粒徑分布較寬粒徑分布較寬,而且產(chǎn)物是塊狀的需要進一步經(jīng)過粉而且產(chǎn)物是塊狀的需要進一步經(jīng)過粉碎、磨細和純化才能達到質量要求。碎、磨細和純化才能達到質量要求。COCC6NSi62N +3SiO43170

12、0-130022將將SiO2的細粉與碳粉混的細粉與碳粉混合后合后,通過熱還原首先生通過熱還原首先生成成SiO2,然后然后SiO2再被氮再被氮化生成塊狀的氮化硅?；蓧K狀的氮化硅?？偟幕瘜W反應式為總的化學反應式為 SiOSiO2 2還原氮化法還原氮化法 原理l特點：特點：l原料來源豐富原料來源豐富,l反應產(chǎn)物是疏松粉末反應產(chǎn)物是疏松粉末,毋需粉碎處理毋需粉碎處理,從而避免從而避免了雜質的重新引入了雜質的重新引入,l氮化硅粉末粒型規(guī)整氮化硅粉末粒型規(guī)整,粒度分布窄。粒度分布窄。l含量高含量高,l但含碳和氧高但含碳和氧高,必須想辦法除去多余的部分。必須想辦法除去多余的部分。 Cl4NHSi(NH)

13、6NHSiCl42C70-3034343C1160223Si(NH)NHNSi 液相法的化學反應式如下液相法的化學反應式如下 液相法液相法 原理2 利用溶于有機溶劑中利用溶于有機溶劑中(如芳香族溶劑如芳香族溶劑,該溶劑不溶于液該溶劑不溶于液氨氨),反應時在界面進行反應時在界面進行,生成的沉淀析出生成的沉淀析出,而副產(chǎn)物而副產(chǎn)物NH4Cl溶于液氨中溶于液氨中,得到的得到的NH4Cl過濾洗凈后加熱產(chǎn)生氮化硅過濾洗凈后加熱產(chǎn)生氮化硅Q1 如何控制反應速度？如何控制反應速度？2 如何除凈副產(chǎn)物如何除凈副產(chǎn)物A1 降低反應溫度和稀釋反應物濃度降低反應溫度和稀釋反應物濃度優(yōu)點：優(yōu)點：純度高、粒徑微細且均勻

14、。純度高、粒徑微細且均勻。日本日本UBE公司用此法早己在公司用此法早己在1992就建成了年產(chǎn)就建成了年產(chǎn)300t的生產(chǎn)的生產(chǎn)線。這是當時世界上最大規(guī)模生產(chǎn)氮化硅粉末的生產(chǎn)線線。這是當時世界上最大規(guī)模生產(chǎn)氮化硅粉末的生產(chǎn)線,它的它的生產(chǎn)能力相當于生產(chǎn)能力相當于1990年日本國內氮化硅的總消耗量。年日本國內氮化硅的總消耗量。改進：把改進：把SiCl4用用N2稀釋后通入液氨中進行反應稀釋后通入液氨中進行反應,反應熱可由反應熱可由氨蒸發(fā)的潛熱吸收掉。如在氨蒸發(fā)的潛熱吸收掉。如在618KPa和和0下反應生成的下反應生成的,在在12001500下加熱得到的氮化硅粒子均勻下加熱得到的氮化硅粒子均勻,大小為大

15、小為0.120.13mm。由于去掉了有機溶劑。由于去掉了有機溶劑,所以產(chǎn)物純度更高所以產(chǎn)物純度更高,并并且降低了成本。且降低了成本。 原理氣相法氣相法 與氣體可以直接在高溫下反應生產(chǎn)氮化硅與氣體可以直接在高溫下反應生產(chǎn)氮化硅,副產(chǎn)物首先是副產(chǎn)物首先是,其在高溫下很快升華分解?；瘜W反應式為其在高溫下很快升華分解?；瘜W反應式為 HClNSiNH1243SiCl43C140034 特點：由于是氣相反應特點：由于是氣相反應,反應時氣流易控制反應時氣流易控制,產(chǎn)物純產(chǎn)物純度高、超細。度高、超細。現(xiàn)在該方法已經(jīng)發(fā)展到采用激光及等離子作為熱現(xiàn)在該方法已經(jīng)發(fā)展到采用激光及等離子作為熱源進行加熱合成。源進行加熱

16、合成。 LICVD(激光誘導氣相沉積激光誘導氣相沉積)法利用反應氣體分子對特法利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產(chǎn)生熱解或化學反應定波長激光束的吸收而產(chǎn)生熱解或化學反應,經(jīng)過核生經(jīng)過核生長形成微粉。整個過程基本上還是一個熱化學反應和長形成微粉。整個過程基本上還是一個熱化學反應和形核生長的過程。形核生長的過程。加熱速率快加熱速率快,高溫駐留時間短高溫駐留時間短,迅速冷卻迅速冷卻,可以獲得均勻可以獲得均勻超細、最低顆粒尺寸小于超細、最低顆粒尺寸小于10nm的粉體。的粉體。由于反應中心區(qū)域與反應器之間被原料氣隔離由于反應中心區(qū)域與反應器之間被原料氣隔離,污染污染小小,能夠獲得穩(wěn)定質量的粉體。能

17、夠獲得穩(wěn)定質量的粉體。LICVD法的關鍵法的關鍵,是選用對激光束波長產(chǎn)生強吸收的是選用對激光束波長產(chǎn)生強吸收的反應氣體作為反應源。反應氣體作為反應源。 激光法激光法？等離子法等離子法 特點：高溫、急劇升溫和快速冷卻。是制備特點：高溫、急劇升溫和快速冷卻。是制備超細陶瓷粉體的常用手段。超細陶瓷粉體的常用手段。等離子氣相合成法分為直流等離子體法等離子氣相合成法分為直流等離子體法(DC法法)、高頻等離子體法、高頻等離子體法(RF法法)和復合等離子體法。和復合等離子體法。DC法由于電極間電弧產(chǎn)生高溫由于電極間電弧產(chǎn)生高溫,在反應氣體等在反應氣體等離子化的同時離子化的同時,電極會熔化或蒸發(fā)而污染反應產(chǎn)電

18、極會熔化或蒸發(fā)而污染反應產(chǎn)物。物。RF法主要缺點在于能量利用率低法主要缺點在于能量利用率低,穩(wěn)定性差。穩(wěn)定性差。復合等離子法則采用復合等離子法則采用DC法和法和RF法二者合一的法二者合一的方法方法,利用二者相互補充來制備陶瓷粉體。利用二者相互補充來制備陶瓷粉體。從從產(chǎn)品質量高、成本低和生產(chǎn)規(guī)模大產(chǎn)品質量高、成本低和生產(chǎn)規(guī)模大等等幾個基本原則去加以綜合考慮。從目前國內外幾個基本原則去加以綜合考慮。從目前國內外的研究和應用情況看的研究和應用情況看,硅粉直接氮化的氣硅粉直接氮化的氣-固相固相反應是比較成熟的工藝。但其產(chǎn)品質量受到一反應是比較成熟的工藝。但其產(chǎn)品質量受到一定的局限。液相反應法近年來發(fā)展

19、較快定的局限。液相反應法近年來發(fā)展較快,國外已國外已建立了工業(yè)規(guī)模的氮化硅粉體生產(chǎn)線建立了工業(yè)規(guī)模的氮化硅粉體生產(chǎn)線,但從總體但從總體上看仍存在一些技術問題和進一步降低成本的上看仍存在一些技術問題和進一步降低成本的問題。各種氣相反應法均能制得高質量的氮化問題。各種氣相反應法均能制得高質量的氮化硅粉末硅粉末,但它們的生產(chǎn)成本還比較高但它們的生產(chǎn)成本還比較高,激光法和激光法和等離子體法的生產(chǎn)規(guī)模還相對較小等離子體法的生產(chǎn)規(guī)模還相對較小,僅適宜應用僅適宜應用在某些特殊領域。在某些特殊領域。 氮在生活中的NONO的理化常數(shù)的理化常數(shù) 國標編號國標編號2300923009CASCAS號號10102-43-910102-43-9中文名稱中文名稱一氧化氮一氧化氮英文名稱英文名稱netrogen monoxide; nitric oxidenetrogen monoxide; nitric oxide別別 名名氧化氮氧化氮分子式分子式NONO外觀與性外觀與性狀狀無色氣體無色氣體分子量分子量30.0130.01沸沸 點點-151-151熔熔 點點-163.6-163.6 溶解性溶解性微溶于水微溶于水密密 度度相對密度