摘要:本文介紹了幾種氮化物陶瓷的結(jié)構(gòu)，分析了一些近年關(guān)于氮化物陶瓷的試題。

關(guān)鍵詞:氮化物陶瓷;晶體

文章編號(hào):1005-6629(2010)03-0060-03 中圖分類(lèi)號(hào):G632.479 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

氮化物陶瓷是近幾年高考化學(xué)新增的一個(gè)考點(diǎn)，它所涉及到的知識(shí)點(diǎn)更能高層次地檢驗(yàn)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

氮化物陶瓷都具有晶體的性質(zhì)，大都具有較高的硬度、耐高溫和耐磨等特性。其中的氮元素都是-3價(jià)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定?，F(xiàn)將近幾年的相關(guān)考題例析如下:

1氮化硼(BN)有石墨型和金剛石型兩種結(jié)構(gòu)，分別是石墨和金剛石的等電子體

例1.1919 年朗繆爾提出等電子體假說(shuō)“凡原子數(shù)、總電子數(shù)均相等的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)相同，物理性質(zhì)相近，相應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為等電子體?！比鏑O和N2?，F(xiàn)有一種新型層狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料BN，平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，則關(guān)于該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途正確的是()

A. BN是一種堅(jiān)硬耐磨材料，可用作鉆具

B. 若層狀結(jié)構(gòu)中有n個(gè)硼原子，則有n個(gè)六元環(huán)

C. 已知BN在水蒸氣作用下能微弱水解，則水解產(chǎn)物為B2H6和HNO2

D. BN晶體中各原子均達(dá)到八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

解析:由于該物質(zhì)為層狀結(jié)構(gòu)，且又是類(lèi)似石墨的等電子體，故具有石墨的性質(zhì)，不可做鉆具，層與層之間有未成鍵電子，沒(méi)有達(dá)到電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在BN中，B為+3價(jià)，N為-3價(jià)，水解時(shí)只會(huì)生成H3BO3和NH3。

答案:B

2氮化碳(C3N4)每個(gè)C原子與四個(gè)N原子相連，每個(gè)N原子與三個(gè)C原子相連，且均滿(mǎn)足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬原子晶體。

例2.已知C3N4晶體很可能具有比金剛石更大的硬度，且原子間均以單鍵結(jié)合。下列關(guān)于C3N4晶體的說(shuō)法正確的是()

A. C3N4晶體是分子晶體

B. C3N4晶體中C—N鍵長(zhǎng)比金剛石中C—C要長(zhǎng)

C. C3N4晶體中每個(gè)C原子連接4個(gè)N原子，而每個(gè)N原子連接3個(gè)C原子

D. C3N4晶體中微粒間通過(guò)離子鍵結(jié)合

解析:其硬度比金剛石大，故必然是原子晶體;由于N原子比C原子小，因此，晶體中C—N鍵長(zhǎng)比金剛石中C—C短;微粒之間只能通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合。

答案:C。

3氮化硅(Si3N4)原子間都以單鍵相連，且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相連，同時(shí)每個(gè)原子都滿(mǎn)足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬原子晶體。

例3. 氮化硅是一種耐高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高。已知氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子都滿(mǎn)足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )

A. 氮化硅是一種原子晶體

B. 氮化硅中存在極性共價(jià)鍵

C. 氮化硅的化學(xué)式是Si3N4

D. 氮化硅中各原子最外層電子全部參與形成化學(xué)鍵

解析:根據(jù)題干的信息和原子晶體的性質(zhì)，氮化硅為原子晶體，則N與Si之間形成極性共價(jià)鍵，再結(jié)合N與Si的非金屬性大小和常見(jiàn)化合價(jià)可知，化學(xué)式應(yīng)為Si3N4。

答案:D

例4. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1300 ℃反應(yīng)獲得氮化硅。

(1)根據(jù)性質(zhì)，推測(cè)氮化硅陶瓷的用途是____(填序號(hào))。

A. 制汽輪機(jī)葉子B. 制有色玻璃

C. 制永久性模具D. 制造柴油機(jī)

(2)根據(jù)化合價(jià)規(guī)律，推測(cè)氮化硅的化學(xué)式為_(kāi)_____。

(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕性強(qiáng)，除氫氟酸外，它不與其他無(wú)機(jī)酸反應(yīng)。試寫(xiě)出該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學(xué)方程式_____。

(4)現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃獗Ｗo(hù)下加強(qiáng)熱反應(yīng)，可得較高純度的氮化硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)___________。

解析:氮化硅所具有的性質(zhì)正滿(mǎn)足(1)中A、C、D所需的材料的要求。N的非金屬性比Si強(qiáng)，故Si為+4價(jià)，N為-3價(jià)，化學(xué)式為Si3N4。氮化硅被氫氟酸腐蝕后生成SiF4氣體和NH3，NH3顯堿性，會(huì)繼續(xù)和HF反應(yīng)，生成NH4F。該反應(yīng)中Cl和Si的價(jià)態(tài)沒(méi)有變化，根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理可知，電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在N2和H2之間，結(jié)合原子守恒，可寫(xiě)出方程式。

答案:(1)A、C、D;(2)Si3N4;(3)Si3N4+16HF=3SiF4↑+4NH4F;(4)3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl

4氮化鎵(GaN)類(lèi)似金剛石結(jié)構(gòu)，屬原子晶體

例5.(2007 山東省第32題)請(qǐng)完成下列各題:

……

(2)第IIIA、VA元素組成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的高溫陶瓷材料，其晶體結(jié)構(gòu)與單晶硅相似，Ga原子的電子排布式為_(kāi)_____。在GaN晶體中，每個(gè)Ga原子與_______個(gè)N原子相連，與同一個(gè)Ga原子相連的N原子構(gòu)成的空間構(gòu)型為_(kāi)____。在四大晶體類(lèi)型中，GaN屬于_____晶體。

解析:Ga位于第四周期第IIIA族，電子排布式為1s22s22p63p63d104s24p1;由于晶體結(jié)構(gòu)與單晶硅相似，而單晶硅為原子晶體，在晶體硅中，每給Si和相鄰的四個(gè)Si形成正四面體結(jié)構(gòu)。

答案:1s22s22p63p63d104s24p1;4;正四面體;原子。

5氮化鋁(AlN)類(lèi)似金剛石結(jié)構(gòu)，屬于原子晶體

例6.(2005 年江蘇)氮化鋁(AlN)具有耐高溫、抗沖擊、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、陶瓷工業(yè)等領(lǐng)域。在一定條件下，氮化鋁可通過(guò)如下反應(yīng)合成:Al2O3+N2+3C2AlN+3CO，下列敘述正確的是

A. 在氮化鋁的合成反應(yīng)中，N2是還原劑，Al2O3是氧化劑

B. 上述反應(yīng)中每生成2 mol AlN，N2得到3 mol電子

C. 氮化鋁中氮元素的化合價(jià)為-3價(jià)

D. 氮化鋁晶體屬于分子晶體

解析:分析方程式可知，N的價(jià)態(tài)降低，而C的價(jià)態(tài)升高，A錯(cuò)。根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，應(yīng)為6 mol電子，B錯(cuò)。耐高溫、抗沖擊是原子晶體的性質(zhì)，D錯(cuò)。

答案:C。

例7. 超細(xì)氮化鋁粉末被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路生產(chǎn)等領(lǐng)域。其制取原理為:Al2O3+N2+3C→2AlN+3CO由于反應(yīng)不完全，氮化鋁產(chǎn)品中往往含有炭和氧化鋁雜質(zhì)。為測(cè)定該產(chǎn)品中有關(guān)成分的含量，進(jìn)行了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn):

(1)稱(chēng)取10.00 g樣品，將其加入過(guò)量的NaOH濃溶液中共熱并蒸干，AlN跟NaOH溶液反應(yīng)生成NaAlO2，并放出氨氣3.36 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

①上述反應(yīng)的化學(xué)方程式為:____________。

②該樣品中的AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?

(2)另取10.00 g樣品置于反應(yīng)器中，通入2.016 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2，在高溫下充分反應(yīng)后測(cè)得氣體的密度為1.34 g·L-1(已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況，AlN不跟O2反應(yīng))。該樣品中含雜質(zhì)炭的質(zhì)量為多少?

解析:(1)①AlN+NaOH+H2O=NaAlO2+NH3↑