氮化物陶瓷知識和相關試題的介紹

摘要:本文介紹了幾種氮化物陶瓷的結構，分析了一些近年關于氮化物陶瓷的試題。

關鍵詞:氮化物陶瓷;晶體

文章編號:1005-6629(2010)03-0060-03 中圖分類號:G632.479 文獻標識碼:B

氮化物陶瓷是近幾年高考化學新增的一個考點，它所涉及到的知識點更能高層次地檢驗學生的化學學科素養。

氮化物陶瓷都具有晶體的性質，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，化學性質穩定。現將近幾年的相關考題例析如下:

1氮化硼(BN)有石墨型和金剛石型兩種結構，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“凡原子數、總電子數均相等的物質，其結構相同，物理性質相近，相應的物質稱為等電子體。”如CO和N2。現有一種新型層狀結構的無機材料BN，平面結構示意圖如圖1所示，則關于該物質的結構、性質和用途正確的是()

A. BN是一種堅硬耐磨材料，可用作鉆具

B. 若層狀結構中有n個硼原子，則有n個六元環

C. 已知BN在水蒸氣作用下能微弱水解，則水解產物為B2H6和HNO2

D. BN晶體中各原子均達到八電子穩定結構

解析:由于該物質為層狀結構，且又是類似石墨的等電子體，故具有石墨的性質，不可做鉆具，層與層之間有未成鍵電子，沒有達到電子穩定結構。在BN中，B為+3價，N為-3價，水解時只會生成H3BO3和NH3。

答案:B

2氮化碳(C3N4)每個C原子與四個N原子相連，每個N原子與三個C原子相連，且均滿足8電子穩定結構。形成空間網狀結構，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合。下列關于C3N4晶體的說法正確的是()

A. C3N4晶體是分子晶體

B. C3N4晶體中C—N鍵長比金剛石中C—C要長

C. C3N4晶體中每個C原子連接4個N原子，而每個N原子連接3個C原子

D. C3N4晶體中微粒間通過離子鍵結合

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鍵長比金剛石中C—C短;微粒之間只能通過共價鍵結合。

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，同時每個原子都滿足8電子穩定結構，形成空間網狀結構，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、熔點高。已知氮化硅的晶體結構中，每個原子都滿足8電子穩定結構。下列說法錯誤的是( )

A. 氮化硅是一種原子晶體

B. 氮化硅中存在極性共價鍵

C. 氮化硅的化學式是Si3N4

D. 氮化硅中各原子最外層電子全部參與形成化學鍵

解析:根據題干的信息和原子晶體的性質，氮化硅為原子晶體，則N與Si之間形成極性共價鍵，再結合N與Si的非金屬性大小和常見化合價可知，化學式應為Si3N4。

答案:D

例4. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點高、化學性質穩定。工業上普遍采用高純硅與純氮在1300 ℃反應獲得氮化硅。

(1)根據性質，推測氮化硅陶瓷的用途是____(填序號)。

A. 制汽輪機葉子B. 制有色玻璃

C. 制永久性模具D. 制造柴油機

(2)根據化合價規律，推測氮化硅的化學式為______。

(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕性強，除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應。試寫出該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式_____。

(4)現用四氯化硅和氮氣在氫氣保護下加強熱反應，可得較高純度的氮化硅，反應的化學方程式為____________。

解析:氮化硅所具有的性質正滿足(1)中A、C、D所需的材料的要求。N的非金屬性比Si強，故Si為+4價，N為-3價，化學式為Si3N4。氮化硅被氫氟酸腐蝕后生成SiF4氣體和NH3，NH3顯堿性，會繼續和HF反應，生成NH4F。該反應中Cl和Si的價態沒有變化，根據氧化還原反應原理可知，電子轉移發生在N2和H2之間，結合原子守恒，可寫出方程式。

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

4氮化鎵(GaN)類似金剛石結構，屬原子晶體

例5.(2007 山東省第32題)請完成下列各題:

……

(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，其晶體結構與單晶硅相似，Ga原子的電子排布式為______。在GaN晶體中，每個Ga原子與_______個N原子相連，與同一個Ga原子相連的N原子構成的空間構型為_____。在四大晶體類型中，GaN屬于_____晶體。

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

答案:1s22s22p63p63d104s24p1;4;正四面體;原子。

5氮化鋁(AlN)類似金剛石結構，屬于原子晶體

例6.(2005 年江蘇)氮化鋁(AlN)具有耐高溫、抗沖擊、導熱性好等優良性質，被廣泛應用于電子工業、陶瓷工業等領域。在一定條件下，氮化鋁可通過如下反應合成:Al2O3+N2+3C2AlN+3CO，下列敘述正確的是

A. 在氮化鋁的合成反應中，N2是還原劑，Al2O3是氧化劑

B. 上述反應中每生成2 mol AlN，N2得到3 mol電子

C. 氮化鋁中氮元素的化合價為-3價

D. 氮化鋁晶體屬于分子晶體

解析:分析方程式可知，N的價態降低，而C的價態升高，A錯。根據電子轉移守恒，應為6 mol電子，B錯。耐高溫、抗沖擊是原子晶體的性質，D錯。

答案:C。

例7. 超細氮化鋁粉末被廣泛應用于大規模集成電路生產等領域。其制取原理為:Al2O3+N2+3C→2AlN+3CO由于反應不完全，氮化鋁產品中往往含有炭和氧化鋁雜質。為測定該產品中有關成分的含量，進行了以下兩個實驗:

(1)稱取10.00 g樣品，將其加入過量的NaOH濃溶液中共熱并蒸干，AlN跟NaOH溶液反應生成NaAlO2，并放出氨氣3.36 L(標準狀況)。

①上述反應的化學方程式為:____________。

②該樣品中的AlN的質量分數?

(2)另取10.00 g樣品置于反應器中，通入2.016 L(標準狀況)O2，在高溫下充分反應后測得氣體的密度為1.34 g·L-1(已折算成標準狀況，AlN不跟O2反應)。該樣品中含雜質炭的質量為多少?

解析:(1)①AlN+NaOH+H2O=NaAlO2+NH3↑