單質(zhì)氮在常況下是一種無(wú)色無(wú)臭的氣體

1、氮 單質(zhì)氮在常況下是一種無(wú)色無(wú)臭的氣體，在標(biāo)單質(zhì)氮在常況下是一種無(wú)色無(wú)臭的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)情況下的氣體密度是準(zhǔn)情況下的氣體密度是 1.25g1.25gdmdm-3-3, ,熔點(diǎn)熔點(diǎn)63K,63K,沸點(diǎn)沸點(diǎn)75K75K，臨界溫度為，臨界溫度為126K126K，它是個(gè)難于液化的氣體。在，它是個(gè)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(shí)，一體積水約可溶解時(shí)，一體積水約可溶解0.020.02體積的體積的N N2 2。氮氮單質(zhì)單質(zhì)的物理性質(zhì)的物理性質(zhì)氮?dú)夥肿拥姆肿榆壍朗綖榈獨(dú)夥肿拥姆肿榆壍朗綖?(1s)2(1s*)2(2s)2(2s*)2(2py)2(2pz)2(2px)2

2、,對(duì)成鍵有貢獻(xiàn)的是三對(duì)電子，即形成兩個(gè)對(duì)成鍵有貢獻(xiàn)的是三對(duì)電子，即形成兩個(gè)鍵和一個(gè)鍵和一個(gè)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(zhì)氮的結(jié)構(gòu)單質(zhì)氮的結(jié)構(gòu)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?dú)?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(guò)紅熱的氧化銅將氨通過(guò)紅熱的氧化銅: 2NH3+3CuO3Cu+3H2O+N2 氨與溴水的反應(yīng)：氨與溴水的反應(yīng)： 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(shí)驗(yàn)室制氮法實(shí)驗(yàn)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(fù)性概念的經(jīng)典電負(fù)性概念,疊氮基團(tuán)的電負(fù)性是疊氮基團(tuán)的電負(fù)性是2

4、.95和和3.18,與與氯氯的電負(fù)性的電負(fù)性3.0相接近相接近.因此早期的疊氮化合物的分類(lèi)都是以傳統(tǒng)的因此早期的疊氮化合物的分類(lèi)都是以傳統(tǒng)的類(lèi)鹵類(lèi)鹵化物化物的概念的概念,根據(jù)根據(jù)電離度電離度來(lái)劃分疊氮化合物來(lái)劃分疊氮化合物.分類(lèi)離子疊氮化合離子疊氮化合物物(NaN3)共價(jià)鍵疊氮化合物共價(jià)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(xué)鍵結(jié)構(gòu)不同化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)不同 具有共價(jià)鍵的具有共價(jià)鍵的有機(jī)疊氮化合物組有機(jī)疊氮化合物組測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的物理方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的物理方法分子軌道理論分子軌道理論 早期對(duì)早期對(duì)-N3基團(tuán)的研究提出

5、兩種結(jié)構(gòu)式基團(tuán)的研究提出兩種結(jié)構(gòu)式具有對(duì)稱(chēng)性疊氮基團(tuán)在某具有對(duì)稱(chēng)性疊氮基團(tuán)在某種程度上有離子結(jié)合的種程度上有離子結(jié)合的無(wú)機(jī)疊氮化合物組無(wú)機(jī)疊氮化合物組通常離子型無(wú)機(jī)疊氮化合物的結(jié)構(gòu)通常離子型無(wú)機(jī)疊氮化合物的結(jié)構(gòu)分析研究較多分析研究較多,一般認(rèn)為一般認(rèn)為-N3基團(tuán)結(jié)基團(tuán)結(jié)構(gòu)如同二氧化碳構(gòu)如同二氧化碳(O=C=O)的一樣的一樣,屬屬于于對(duì)稱(chēng)線性結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)線性結(jié)構(gòu) 三個(gè)三個(gè)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(tuán)系團(tuán)系不對(duì)稱(chēng)線性鏈狀不對(duì)稱(chēng)線性鏈狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu).以以HN3為例其典為例其典型的結(jié)構(gòu)為型的結(jié)構(gòu)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(shí)一定要注意安全使用制備時(shí)一定要注意安全氮 化 硅氮化硅的性能及應(yīng)用氮化硅的性能及應(yīng)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(yīng)用氮化硅的性能及應(yīng)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(jié)構(gòu)原子晶體熔點(diǎn)：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(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性熱穩(wěn)定性

7、、化學(xué)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(zhì)量保證缺乏可靠質(zhì)量保證缺乏可靠3 抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度低抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度低4 易發(fā)生脆性斷裂易發(fā)生脆性斷裂優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的元件汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。用氮化陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。用氮化硅制成的渦輪輪子硅制成的渦輪輪子,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可減少40%,增壓響增壓響應(yīng)時(shí)間快應(yīng)時(shí)間快30%,并明顯改善了低速時(shí)的加速度。并明顯改善了低速時(shí)

8、的加速度。氮化硅的高溫結(jié)構(gòu)性能也擴(kuò)大了其使用范圍氮化硅的高溫結(jié)構(gòu)性能也擴(kuò)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(xué)性能優(yōu)越的力學(xué)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(fù)金屬陶瓷基復(fù)合材料的合材料的增張?jiān)鰪埐牟牧希涣?；防熱功能?fù)合防熱功能復(fù)合材料的制備。材料的制備。應(yīng)應(yīng)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(xué)氮化硅不僅有著極好的光學(xué)性能性能

9、(入入=632. 8nm時(shí)折射率在時(shí)折射率在1.8-2.5之間之間.而最理想的封裝太陽(yáng)電池減反射膜折射率而最理想的封裝太陽(yáng)電池減反射膜折射率在在2. 1-2. 25之間之間)和化學(xué)性能和化學(xué)性能.還能對(duì)質(zhì)量還能對(duì)質(zhì)量較差的硅片起到表而和體內(nèi)鈍化作用較差的硅片起到表而和體內(nèi)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(yáng)電池的減反射膜己經(jīng)成為光為晶體硅太陽(yáng)電池的減反射膜己經(jīng)成為光伏學(xué)界的研究熱點(diǎn)。伏學(xué)界的研究熱點(diǎn)。 氮化硅薄膜納米氮化硅粉體添加到立體光造型樹(shù)脂中，能納米氮化硅粉體添加到立體光造型樹(shù)脂中，能夠有效降低固化體積收縮率，提高零件的

10、力學(xué)夠有效降低固化體積收縮率，提高零件的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。納米氮化硅復(fù)合樹(shù)脂基木滿性能和熱穩(wěn)定性。納米氮化硅復(fù)合樹(shù)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(xué)純的硅粉用化學(xué)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(yīng)實(shí)現(xiàn)氣氛中直接與氮反應(yīng)實(shí)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(jìn)：改進(jìn)：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(wú)須碾磨得到的氮化硅無(wú)須碾磨,細(xì)度在細(xì)度在0.10.3m之間。這預(yù)示著這種方法還有進(jìn)一步發(fā)展之間。這預(yù)示著這種方法還有進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿?。潛力?優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 工藝流程簡(jiǎn)單工藝流程簡(jiǎn)單,成本低。成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 反應(yīng)慢反應(yīng)慢,故需較高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間故需較高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)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(jìn)一步經(jīng)過(guò)粉而且產(chǎn)物是塊狀的需要進(jìn)一步經(jīng)過(guò)粉碎、磨細(xì)和純化才能達(dá)到質(zhì)量要求。碎、磨細(xì)和純化才能達(dá)到質(zhì)量要求。COCC6NSi62N +3SiO43170

12、0-130022將將SiO2的細(xì)粉與碳粉混的細(xì)粉與碳粉混合后合后,通過(guò)熱還原首先生通過(guò)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(xué)反應(yīng)式為總的化學(xué)反應(yīng)式為 SiOSiO2 2還原氮化法還原氮化法 原理l特點(diǎn)：特點(diǎn)：l原料來(lái)源豐富原料來(lái)源豐富,l反應(yīng)產(chǎn)物是疏松粉末反應(yīng)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(zhì)的重新引入了雜質(zhì)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(xué)反應(yīng)式如下液相法的化學(xué)反應(yīng)式如下 液相法液相法 原理2 利用溶于有機(jī)溶劑中利用溶于有機(jī)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(yīng)時(shí)在界面進(jìn)行反應(yīng)時(shí)在界面進(jìn)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(guò)濾洗凈后加熱產(chǎn)生氮化硅過(guò)濾洗凈后加熱產(chǎn)生氮化硅Q1 如何控制反應(yīng)速度？如何控制反應(yīng)速度？2 如何除凈副產(chǎn)物如何除凈副產(chǎn)物A1 降低反應(yīng)溫度和稀釋反應(yīng)物濃度降低反應(yīng)溫度和稀釋反應(yīng)物濃度優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：純度高、粒徑微細(xì)且均勻

14、。純度高、粒徑微細(xì)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(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)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(dāng)于生產(chǎn)能力相當(dāng)于1990年日本國(guó)內(nèi)氮化硅的總消耗量。年日本國(guó)內(nèi)氮化硅的總消耗量。改進(jìn)：把改進(jìn)：把SiCl4用用N2稀釋后通入液氨中進(jìn)行反應(yīng)稀釋后通入液氨中進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)熱可由反應(yīng)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(yīng)生成的下反應(yīng)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(jī)溶劑。由于去掉了有機(jī)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(yīng)生產(chǎn)氮化硅與氣體可以直接在高溫下反應(yīng)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。化學(xué)反應(yīng)式為其在高溫下很快升華分解?；瘜W(xué)反應(yīng)式為 HClNSiNH1243SiCl43C140034 特點(diǎn)：由于是氣相反應(yīng)特點(diǎn)：由于是氣相反應(yīng),反應(yīng)時(shí)氣流易控制反應(yīng)時(shí)氣流易控制,產(chǎn)物純產(chǎn)物純度高、超細(xì)。度高、超細(xì)?，F(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(jìn)行加熱合成。源進(jìn)行加熱

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

17、夠獲得穩(wěn)定質(zhì)量的粉體。LICVD法的關(guān)鍵法的關(guān)鍵,是選用對(duì)激光束波長(zhǎng)產(chǎn)生強(qiáng)吸收的是選用對(duì)激光束波長(zhǎng)產(chǎn)生強(qiáng)吸收的反應(yīng)氣體作為反應(yīng)源。反應(yīng)氣體作為反應(yīng)源。 激光法激光法？等離子法等離子法 特點(diǎn)：高溫、急劇升溫和快速冷卻。是制備特點(diǎn)：高溫、急劇升溫和快速冷卻。是制備超細(xì)陶瓷粉體的常用手段。超細(xì)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(fù)合等離子體法。和復(fù)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(yīng)氣體等在反應(yīng)氣體等離子化的同時(shí)離子化的同時(shí),電極會(huì)熔化或蒸發(fā)而污染反應(yīng)產(chǎn)電

18、極會(huì)熔化或蒸發(fā)而污染反應(yīng)產(chǎn)物。物。RF法主要缺點(diǎn)在于能量利用率低法主要缺點(diǎn)在于能量利用率低,穩(wěn)定性差。穩(wěn)定性差。復(fù)合等離子法則采用復(fù)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(bǔ)充來(lái)制備陶瓷粉體。利用二者相互補(bǔ)充來(lái)制備陶瓷粉體。從從產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低和生產(chǎn)規(guī)模大產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低和生產(chǎn)規(guī)模大等等幾個(gè)基本原則去加以綜合考慮。從目前國(guó)內(nèi)外幾個(gè)基本原則去加以綜合考慮。從目前國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況看的研究和應(yīng)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(yīng)是比較成熟的工藝。但其產(chǎn)品質(zhì)量受到一反應(yīng)是比較成熟的工藝。但其產(chǎn)品質(zhì)量受到一定的局限。液相反應(yīng)法近年來(lái)發(fā)展

19、較快定的局限。液相反應(yīng)法近年來(lái)發(fā)展較快,國(guó)外已國(guó)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(shù)問(wèn)題和進(jìn)一步降低成本的上看仍存在一些技術(shù)問(wèn)題和進(jìn)一步降低成本的問(wèn)題。各種氣相反應(yīng)法均能制得高質(zhì)量的氮化問(wèn)題。各種氣相反應(yīng)法均能制得高質(zhì)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(duì)較小等離子體法的生產(chǎn)規(guī)模還相對(duì)較小,僅適宜應(yīng)用僅適宜應(yīng)用在某些特殊領(lǐng)域。在某些特殊領(lǐng)域。 氮在生活中的NONO的理化常數(shù)的理化常數(shù) 國(guó)標(biāo)編號(hào)國(guó)標(biāo)編號(hào)2300923009CASCAS號(hào)號(hào)10102-43-910102-43-9中文名稱(chēng)中文名稱(chēng)一氧化氮一氧化氮英文名稱(chēng)英文名稱(chēng)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(wú)色氣體無(wú)色氣體分子量分子量30.0130.01沸沸 點(diǎn)點(diǎn)-151-151熔熔 點(diǎn)點(diǎn)-163.6-163.6 溶解性溶解性微溶于水微溶于水密密 度度相對(duì)密度