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Nitruro

En química , un nitruro es un compuesto químico de nitrógeno . Los nitruros pueden ser inorgánicos u orgánicos , iónicos o covalentes . El anión nitruro , ion N 3- , es muy difícil de encontrar, pero los compuestos de nitruro son numerosos, aunque rara vez se encuentran en la naturaleza. Algunos nitruros tienen aplicaciones encontradas, [1] como recubrimientos resistentes al desgaste (p. ej., nitruro de titanio , TiN), materiales cerámicos duros (p. ej., nitruro de silicio , Si 3 N 4 ) y semiconductores (p. ej., nitruro de galio , GaN). El desarrollo de diodos emisores de luz basados ​​en GaN fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2014. [2] Los complejos de nitruro metálico también son comunes.

La síntesis de nitruros metálicos inorgánicos es un desafío porque el gas nitrógeno (N2 ) no es muy reactivo a bajas temperaturas, pero se vuelve más reactivo a temperaturas más altas. Por lo tanto, se debe lograr un equilibrio entre la baja reactividad del gas nitrógeno a bajas temperaturas y la formación de N2 impulsada por la entropía a altas temperaturas. [3] Sin embargo, los métodos sintéticos para nitruros son cada vez más sofisticados y los materiales son cada vez más relevantes tecnológicamente. [4]

Usos de los nitruros

Al igual que los carburos , los nitruros son a menudo materiales refractarios debido a su alta energía reticular , que refleja la fuerte unión de "N 3− " a los cationes metálicos. Por lo tanto, el nitruro de boro cúbico , el nitruro de titanio y el nitruro de silicio se utilizan como materiales de corte y recubrimientos duros. El nitruro de boro hexagonal , que adopta una estructura en capas, es un lubricante útil para altas temperaturas similar al disulfuro de molibdeno . Los compuestos de nitruro a menudo tienen grandes brechas de banda , por lo que los nitruros suelen ser aislantes o semiconductores de banda ancha ; los ejemplos incluyen nitruro de boro y nitruro de silicio. El material de banda ancha nitruro de galio es apreciado por emitir luz azul en LED . [5] [6] Al igual que algunos óxidos, los nitruros pueden absorber hidrógeno y se han discutido en el contexto del almacenamiento de hidrógeno , por ejemplo, el nitruro de litio .

Ejemplos

La clasificación de un grupo tan variado de compuestos es algo arbitraria. No se incluyen los compuestos en los que el nitrógeno no tiene asignado un estado de oxidación de -3, como el tricloruro de nitrógeno , cuyo estado de oxidación es +3; tampoco se incluyen el amoníaco y sus numerosos derivados orgánicos.

Nitruros de los elementos del bloque s

Sólo un nitruro de metal alcalino es estable, el nitruro de litio de color púrpura rojizo ( Li 3 N ), que se forma cuando el litio se quema en una atmósfera de N 2 . [7] Se ha generado nitruro de sodio y nitruro de potasio , pero sigue siendo una curiosidad de laboratorio. Sin embargo, los nitruros de los metales alcalinotérreos que tienen la fórmula M 3 N 2 son numerosos. Los ejemplos incluyen nitruro de berilio ( Be 3 N 2 ), nitruro de magnesio ( Mg 3 N 2 ), nitruro de calcio ( Ca 3 N 2 ) y nitruro de estroncio ( Sr 3 N 2 ). Los nitruros de metales electropositivos (incluidos Li, Zn y los metales alcalinotérreos) se hidrolizan fácilmente al entrar en contacto con el agua, incluida la humedad del aire:

Mg3N2 +6H2O → 3Mg ( OH ) 2 + 2NH3

Nitruros de los elementos del bloque p

El nitruro de boro existe en varias formas ( polimorfos ). También se conocen nitruros de silicio y fósforo, pero solo el primero es comercialmente importante. Los nitruros de aluminio , galio e indio adoptan la estructura hexagonal de wurtzita en la que cada átomo ocupa sitios tetraédricos. Por ejemplo, en el nitruro de aluminio, cada átomo de aluminio tiene cuatro átomos de nitrógeno vecinos en las esquinas de un tetraedro y, de manera similar, cada átomo de nitrógeno tiene cuatro átomos de aluminio vecinos en las esquinas de un tetraedro. Esta estructura es como el diamante hexagonal ( lonsdaleíta ) donde cada átomo de carbono ocupa un sitio tetraédrico (sin embargo, la wurtzita difiere de la esfalrita y el diamante en la orientación relativa de los tetraedros). Se conoce el nitruro de talio (I) ( Tl 3 N ), pero no el nitruro de talio (III) (TlN).

Nitruros de metales de transición

La mayoría de los nitruros de metales de transición ricos en metales adoptan una estructura cristalina compacta, cúbica o hexagonal centrada en las caras relativamente ordenada, con coordinación octaédrica. [8] A veces, estos materiales se denominan " nitruros intersticiales ". Son esenciales para la metalurgia industrial , porque suelen ser mucho más duros y menos dúctiles que su metal original y resisten la oxidación del aire. [9] Para los metales del grupo 3 , se conocen ScN e YN . Los metales de transición del grupo 4 , 5 y 6 (los grupos de titanio, vanadio y cromo) forman [10] nitruros refractarios químicamente estables con alto punto de fusión. Las películas delgadas de nitruro de titanio , nitruro de circonio y nitruro de tantalio protegen muchas superficies industriales.

Los nitruros de los metales de transición de los grupos 7 y 8 tienden a ser pobres en nitrógeno y se descomponen fácilmente a temperaturas elevadas. Por ejemplo, el nitruro de hierro , Fe2N , se descompone a 200 °C. El nitruro de platino y el nitruro de osmio pueden contener unidades de N2 y, por lo tanto, no deberían llamarse nitruros. [11] [12]

Los nitruros de miembros más pesados ​​del grupo 11 y 12 son menos estables que el nitruro de cobre ( Cu 3 N ) y el nitruro de zinc ( Zn 3 N 2 ): el nitruro de plata seco ( Ag 3 N ) es un explosivo de contacto que puede detonar con el más mínimo toque, incluso una gota de agua que cae. [13]

Nitruros de los lantánidos y actínidos

Las especies de lantánidos y actínidos que contienen nitruros son de interés científico, ya que pueden proporcionar una herramienta útil para determinar la covalencia de los enlaces. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) junto con el análisis químico cuántico se ha utilizado a menudo para determinar el grado en que los enlaces de nitruros metálicos son de carácter iónico o covalente. Un ejemplo, un nitruro de uranio, tiene el desplazamiento químico de nitrógeno-15 más alto conocido. [14]

Nitruros moleculares

S 4 N 4 es un nitruro molecular binario prototípico.

Muchos metales forman complejos de nitruro moleculares, como se analiza en el artículo especializado. Los elementos del grupo principal también forman algunos nitruros moleculares. El cianógeno ( (CN) 2 ) y el tetranitruro de tetraazufre ( S 4 N 4 ) son ejemplos raros de nitruros binarios moleculares (que contienen un elemento además del nitrógeno). Se disuelven en disolventes no polares. Ambos experimentan polimerización. El S 4 N 4 también es inestable con respecto a los elementos, pero menos que el isoestructural Se 4 N 4 . Calentar el S 4 N 4 da un polímero, y también se conocen una variedad de aniones y cationes de nitruro de azufre molecular.

Relacionado con el nitruro pero distinto de él está el anión diatómico pernitruro ( N2−2) y el anión triatómico azida (N 3 - ).

Referencias

  1. ^ Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ "El Premio Nobel de Física 2014". El Premio Nobel . Divulgación del Premio Nobel . Consultado el 13 de enero de 2021 .
  3. ^ Sun, Wenhao; Bartel, Christopher J.; Arca, Elisabetta; Bauers, Sage R.; Matthews, Bethany; Orvañanos, Bernardo; Chen, Bor-Rong; Toney, Michael F.; Schelhas, Laura T.; Tumas, William; Tate, Janet ; Zakutayev, Andriy; Lany, Stephan; Holder, Aaron M.; Ceder, Gerbrand (2019). "Un mapa de los nitruros metálicos ternarios inorgánicos". Nature Materials . 18 (7): 732–739. arXiv : 1809.09202 . doi :10.1038/s41563-019-0396-2. ISSN  1476-4660. PMID  31209391. S2CID  119461695.
  4. ^ Greenaway, Ann L.; Melamed, Celeste L.; Tellekamp, ​​M. Brooks; Woods-Robinson, Rachel; Toberer, Eric S.; Neilson, James R.; Tamboli, Adele C. (26 de julio de 2021). "Materiales de nitruro ternario: fundamentos y aplicaciones emergentes para dispositivos". Revisión anual de investigación de materiales . 51 (1): 591–618. arXiv : 2010.08058 . doi :10.1146/annurev-matsci-080819-012444. ISSN  1531-7331. S2CID  223953608.
  5. ^ Oyama, ST, ed. (1996). La química de los carburos y nitruros de metales de transición . Blackie Academic. ISBN 0-7514-0365-2.
  6. ^ Pierson, HO (1996). Manual de carburos y nitruros refractarios . William Andrew. ISBN 0-8155-1392-5.
  7. ^ Gregory, Duncan H. (2001). "Química de nitruros de los elementos del bloque s". Coord. Chem. Rev. 215 : 301–345. doi :10.1016/S0010-8545(01)00320-4.
  8. ^ Toth, Louis (11 de abril de 2014). Carburos y nitruros de metales de transición. Elsevier. ISBN 978-0-323-15722-3.
  9. ^ Leineweber, Andreas; Niewa, Rainer; Jacobs, Herbert; Kockelmann, Winfried (2000). "Los nitruros de manganeso η‐Mn3N2 y θ‐Mn6N5 + x: estructuras nucleares y magnéticas". Journal of Materials Chemistry . 10 (12): 2827–2834. doi :10.1039/b006969h.
  10. ^ Mei, AB; Howe, BM; Zhang, C.; Sardela, M.; Eckstein, JN; Hultman, L.; Rockett, A.; Petrov, I.; Greene, JE (18 de octubre de 2013). "Propiedades físicas de capas epitaxiales de ZrN/MgO(001) obtenidas mediante pulverización catódica reactiva con magnetrón". Journal of Vacuum Science & Technology A . 31 (6): 061516. Bibcode :2013JVSTA..31f1516M. doi :10.1116/1.4825349. ISSN  0734-2101.
  11. ^ Siller, L.; Peltekis, N.; Krishnamurthy, S.; Chao, Y.; Bull, SJ; Hunt, MRC (2005). "Película de oro con nitruro de oro: un conductor pero más duro que el oro" (PDF) . Appl. Phys. Lett . 86 (22): 221912. Bibcode :2005ApPhL..86v1912S. doi :10.1063/1.1941471.
  12. ^ Montoya, JA; Hernández, AD; Sanloup, C.; Gregoryanz, E.; Scandolo, S (2007). "OsN2: Estructura cristalina y propiedades electrónicas". Appl. Phys. Lett . 90 (1): 011909. Bibcode :2007ApPhL..90a1909M. doi :10.1063/1.2430631.
  13. ^ Shanley, Edward S.; Ennis, John L. (1991). "La química y la formación de energía libre del nitruro de plata". Ind. Eng. Chem. Res . 30 (11): 2503. doi :10.1021/ie00059a023.
  14. ^ Du, Jingzhen; Seed, John A.; Berryman, Victoria EJ; Kaltsoyannis, Nikolas; Adams, Ralph W.; Lee, Daniel; Liddle, Stephen T. (2021). "Covalencia de triple enlace de uranio(VI)-nitruro excepcional a partir de espectroscopia de resonancia magnética nuclear 15N y análisis químico cuántico". Nat. Commun . 12 (1): 5649. Bibcode :2021NatCo..12.5649D. doi : 10.1038/s41467-021-25863-2. PMC 8463702. PMID  34561448.