En química , un nitruro es un compuesto inorgánico de nitrógeno . El anión "nitruro", el ion N 3- , es muy esquivo, 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 (N 2 ) 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 N 2 impulsada por la entropía a altas temperaturas. [3] Sin embargo, los métodos sintéticos para los nitruros son cada vez más sofisticados y los materiales tienen una relevancia tecnológica cada vez mayor. [4]
Al igual que los carburos , los nitruros suelen ser materiales refractarios debido a su alta energía reticular , que refleja la fuerte unión del "N 3− " con los cationes metálicos. Así, como materiales de corte y recubrimientos duros se utilizan nitruro de boro cúbico , nitruro de titanio y nitruro de silicio . 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 bandas prohibidas , por lo que los nitruros suelen ser aislantes o semiconductores de banda prohibida ancha ; los ejemplos incluyen nitruro de boro y nitruro de silicio. El nitruro de galio, un material de banda prohibida ancha , es apreciado por emitir luz azul en los 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 .
La clasificación de un grupo tan variado de compuestos es algo arbitraria. Los compuestos a los que al nitrógeno no se le asigna el estado de oxidación -3 no se incluyen, como el tricloruro de nitrógeno donde el estado de oxidación es +3; tampoco lo son el amoníaco y sus numerosos derivados orgánicos.
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:
El nitruro de boro existe en varias formas ( polimorfos ). También se conocen nitruros de silicio y fósforo, pero sólo el primero tiene importancia comercial. 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 un diamante hexagonal ( lonsdaleita ), donde cada átomo de carbono ocupa un sitio tetraédrico (sin embargo, la wurtzita se diferencia de la esfalerita y el diamante en la orientación relativa de los tetraedros). El nitruro de talio (I) ( Tl 3 N ) se conoce, pero el nitruro de talio (III) (TlN) no.
Para los metales del grupo 3 , se conocen ScN e YN . Los metales de transición de los grupos 4 , 5 y 6 (los grupos titanio, vanadio y cromo) forman nitruros. [8] Son refractarios , con alto punto de fusión y son químicamente estables. Un representante es el nitruro de titanio . Estos materiales suelen adoptar la estructura cristalina de sal de roca. [9]
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 , Fe 2 N , se descompone a 200 °C. A veces estos materiales se denominan " nitruros intersticiales ". El nitruro de platino y el nitruro de osmio pueden contener unidades de N 2 y, como tales, no deben denominarse nitruros. [10] [11]
Los nitruros de los 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 contacto, incluso una gota de agua que cae. [12]
Las especies de lantánidos y actínidos que contienen nitruros son de interés científico ya que pueden proporcionar una herramienta útil para determinar la covalencia del enlace. 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 nitruro metálico son de carácter iónico o covalente. Un ejemplo, un nitruro de uranio, tiene el desplazamiento químico de nitrógeno-15 más alto conocido. [13]
Muchos metales forman complejos moleculares de nitrido, como se comenta 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 moleculares binarios (que contienen un elemento aparte del nitrógeno). Se disuelven en disolventes apolares. Ambos sufren polimerización. S 4 N 4 también es inestable con respecto a los elementos, pero menos que el isoestructural Se 4 N 4 . Calentar S 4 N 4 da un polímero, y también se conocen una variedad de aniones y cationes de nitruro de azufre molecular.
Relacionado pero distinto del nitruro está el anión diatómico pernitruro ( norte2-2) y el anión triatómico azida (N 3 - ).