النيتريدات في الكيمياء

النيتريد في الكيمياء عبارة عن مركب من النيتروجين مع عنصر أقل كهروسلبية، حيث يكون للنيتروجين حالة أكسدة -3، يحتوي النيتروجين على واحدة من أعلى النسب الكهربية، والأكسجين والفلور والكلور فقط هي الأعلى، هذا يعني أن النتريدات عبارة عن مجموعة كبيرة جدًا من المركبات، لديهم مجموعة واسعة من الخصائص والتطبيقات.

ما هو النتريد

إن النيتريد عبارة عن مركب من النيتروجين الذي لا يأتي أبدًا عبر محلول بروتيني، النيتروجين لديه حالة أكسدة −3، يحتوي النيتريد على أيون نيتريد (N3−)، يمكن تصنيفها إلى ثلاث فئات عامة هي الأيونية والتساهمية والخلالية، والنيتريدات المعدنية معينة غير مستقرة وتتفاعل مع الماء لتكوين الأمونيا وأكسيد أو هيدروكسيد المعدن.

والنيتريد هو عبارة عن مركبات النيتروجين مع المعادن، عادة ما تتميز بدرجة عالية من الاستقرار الحراري والاستقرار الكيميائي الاستثنائي، بالإضافة إلى النتريدات المالحة والمعدنية هناك أيضًا نيتريد تساهمية، مثل نيتريد الألومنيوم.

خصائص النتريد

• نيتريدات البورون والفاناديوم والسيليكون والتيتانيوم والتنتالوم شديد المقاومة للحرارة، ومقاومة للهجوم الكيميائي، وهي صلبة وبالتالي فهي مفيدة كمواد كاشطة وفي صنع البوتقات، نيتريد الليثيوم ونتريد الأرض القلوية ينزعان غاز الهيدروجين ويتحللان بالماء بسرعة لتكوين الأمونيا، أيون النيتريد يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (N3−).

• وهو يتكون من ذرة نيتروجين زائد ثلاثة إلكترونات، تعطي الإلكترونات الإضافية ذرة النيتروجين غلاف غاز خامل مغلق، وأيون النيتريد متساوي إلكتروني مع أنيون الأكسيد (O2−)، وأنيون الفلورايد (F−)، وله نصف قطر أيوني يقدر بـ 140 ميكرومتر، إن أيون النيتريد هو رابطة قوية مانحة باي (π)، أقوى من الأكسيد (O2-)، وهو يشكل مجمعات نيتريدو التي لها طول رابطة النيتروجين المعدنية القصيرة التي تشير إلى الترابط المتعدد.

• إن الملح مثل النتريد يتكون من: المعادن القلوية (Li3N و Na3N و K3N)، يتم تشكيل (Li3N) بسهولة ولها هيكل فريد، كما تم تصنيع (Na3N) و (K3N) من خلال ترسيب ذرات معدنية وذرات نيتروجين في نفس الوقت على ركيزة من الياقوت المبرد بالنيتروجين السائل، كلاهما مركبات غير مستقرة، ومعادن الأرض القلوية (Mg3N2 و Be3N2 و Ca3N2).

• معادن المجموعة الثالثة على سبيل المثال نيتريد سكانديوم (ScN)، المجموعة 11 معادن على سبيل المثال نيتريد النحاس (Cu3N)، المجموعة 12 معادن على سبيل المثال (Zn3N2).

استخدامات النتريد

• يتم استخدام نيتريد السيليكون ونتريد التيتانيوم كطلاءات صلبة ومواد قطع، ويستخدم نيتريد البورون السداسي كمادة تشحيم عالية الحرارة شبيهة بالمولي (ثاني كبريتيد الموليبدينوم)، كما وتستخدم مركبات النيتريد كعوازل، وتستخدم النيتريدات في المواد المقاومة للحرارة على سبيل المثال زيوت التشحيم مثل: نيتريد البورون السداسي (BN).

• وتستخدم النيتريدات كمواد القطع مثل: نيتريد السيليكون (Si3N4)، وفي العوازل على سبيل المثال نيتريد البورون، ومركب نيتريد السيليكون، وكأشباه الموصلات على سبيل المثال نيتريد الغاليوم، وفي الطلاءات المعدنية على سبيل المثال نيتريد التيتانيوم (TiN)، وفي تخزين الهيدروجين مثل نيتريد الليثيوم (Li3N).

تحضير النتريد

• هناك طريقتان من أجل تحضير النتريد، الطريقة الأولى هي من خلال التفاعل المباشر للعناصر عند درجات حرارة مرتفعة، حيث أنه فيما يلي سنوضح التفاعل الكيميائي لتخليق نيتريد الكالسيوم:

3Ca + N2 → Ca3N2

• الطريقة الثانية هي من خلال فقدان الأمونيا (NH3) بالتحلل الحراري لأميد معدني مثل أميد الباريوم، لانتاج نيتريد الباريوم:

3Ba(NH2)2 → Ba3N2 + 4NH3

• من الممكن أيضًا أن يتم تحضير النيتريد بطريقة أخرى وهي من خلال اختزال أكسيد أو معدن هاليد في وجود غاز النيتروجين، مثل: تحضير نيتريد الألومنيوم، كما في المعادلة التالية:

Al2O3 + 3C + N2 → 2AlN + 3CO

تصنيف النيتريدات

بشكل عام تصنيف مثل هذه المجموعة المتنوعة من المركبات هو بالضرورة تعسفي، حيث أنه يعتمد ما يلي حول هيكلها: ملح مثل نيتريد الليثيوم (Li3N)، نيتريد البريليوم (Be3N2)، وتساهمية، هياكل ثلاثية الأبعاد على سبيل المثال نيتريد الفوسفور (P3N5)، نيتريد البورون (BN)، الماس مثل على سبيل المثال نيتريد الغاليوم، الجزيئية (“متطايرة”) على سبيل المثال رباعي الكبريت رباعي النيتريد (S4N4)، خلالي على سبيل المثال نيتريد التيتانيوم (TiN)، ومتوسط ​​مثل نيتريد الحديد (Fe2N).

النتريدات التساهمية

• النتريدات التساهمية: تعتمد الخصائص على العنصر الذي يرتبط به النيتروجين، على سبيل المثال نيتريد البورون – إنه إلكترونى متساوي ويوجد في شكلين هيكليين، وهما أشكال متشابهة من الماس الكربوني والجرافيت، 3 هياكل الأبعاد وتشمل هذه نيتريد البورون والسيليكون والفوسفور، الماس مثل النتريد، الماس مثل نيتريد الألمنيوم، الغاليوم والإنديوم كلها لها بنية وورتزيت حيث تحتل كل ذرة مواقع رباعية السطوح.

• على سبيل المثال في نيتريد الألومنيوم تحتوي كل ذرة ألومنيوم على أربع ذرات نيتروجين مجاورة في زوايا رباعي الوجوه وبالمثل تحتوي كل ذرة نيتروجين على أربع ذرات ألومنيوم مجاورة في زوايا رباعي الوجوه، هذا الهيكل يشبه الماس سداسي الأضلاع (Lonsdaleite) حيث تحتل كل ذرة كربون موقعًا رباعي السطوح.

• ولكن يختلف wurzite عن sphalerite والماس في الاتجاه النسبي لرباعي السطوح) لاحظ أن الثاليوم (III) نيتريد (TlN) غير معروف، بينما الثاليوم (I) نيتريد (Tl3N) معروف.

النتريد الأيوني

• الليثيوم هو المعدن القلوي الوحيد القادر على تكوين نيتريد، ومع ذلك فإنه يمكن لجميع المعادن القلوية الترابية أن تشكل نيتريدًا باستخدام الصيغة الكيميائية التالية: (M3N2).

جزيئي

• وتشمل هذه السيانوجين (2(CN)) وثاني الكبريت ثاني نيتريد (S2N2) ورباعي الكبريت رباعي نيتريد (S4N4)، (لاحظ أن الكبريت يشكل نيتريدًا آخر بوليمريًا، ((SN)x)، وهذا موصل معدني وسمي بمعدن أحادي البعد).

النتريد الخلالي

• تتشكل النيتريدات الخلالية بواسطة معادن انتقالية حيث يوجد فرق كاف في الحجم بين ذرة المعدن والنيتروجين للسماح للشبكة المعدنية المضيفة باستيعاب ذرة النيتروجين، هذا الشرط صحيح بالنسبة للمجموعة 4 و 5 و 6 معادن انتقالية، أي مجموعات التيتانيوم والفاناديوم والكروميوم، مجموعة النتريدات 4 و 5 مقاومة للحرارة، أي درجة انصهار عالية ومستقرة كيميائيًا.

• والنيتريدات الخلالية هي أكبر مجموعة من النتريدات ويشكل الفلزات الانتقالية، وهي تشبه الكربيدات الخلالية حيث تحتل ذرات النيتروجين الثقوب أو الفجوات، في الشبكة المتلاصقة للذرات المعدنية، الصيغة العامة لهذه النتريدات هي (MN و M2N و M4N)، ومع ذلك فإنه قد يختلف قياس العناصر الكيميائية الخاصة بهم.

نيتريد وسيط

• تشكل الفلزات الانتقالية للمجموعة 7 و 8 نيتريدات تتحلل بسهولة مثل نيتريد الحديد، ويذوب (Fe2N) مع التحلل عند 200 درجة مئوية، يجري حاليًا فحص المعادن الثمينة من قبل عدد من الباحثين وتم إنتاج أغشية رقيقة من نتريد البلاتين والذهب والأوزميوم، ومع ذلك، هناك بعض النقاش حول هياكلها وخصائصها، يُعتقد الآن أن نيتريد البلاتين ونتريد الأوزميوم على سبيل المثال يحتويان على وحدات (N2) وبالتالي لا ينبغي أن يطلق عليهما نيتريد.