窒化物

窒化物：多様な特性を持つ窒素化合物

窒化物とは、水素'>[窒素]]と他の元素が結合した化合物の総称です。窒素の酸化数は-3であり、水素、炭素、ハロゲンなど、様々な元素と結合して多様な窒化物を形成します。代表的な例としては、アンモニア]、[ジシアン]、[[三臭化[[窒素]]、三ヨウ化[[窒素]]などが挙げられます。また、過窒化物イオン(N₂²⁻)やアジ化物イオン(N₃⁻)のような多原子イオンも形成します。

窒素の電気陰性度は、フッ素、酸素、塩素を除く元素よりも大きいため、非常に多くの元素と結合し、多様な窒化物が存在します。このため、窒化物は潤滑剤、切削工具、絶縁体、半導体、金属塗装など、幅広い用途に用いられています。

窒化物イオン

窒化物イオン(N³⁻)は、酸化物イオン(O²⁻)やフッ化物イオン(F⁻)と等電子的であり、イオン半径は約170pmです。酸化物イオンと比較してπ供与性が強いため、金属との結合が強く、結合距離の短い様々な金属窒化物錯体を形成します。

窒化物の用途

窒化物の用途は多岐に渡ります。代表的な例を以下に示します。

潤滑剤: 窒化ホウ素
切削工具: 窒化ケイ素
絶縁体: 窒化ホウ素、窒化ケイ素
半導体: 窒化ガリウム
金属塗装: 窒化チタン
水素吸蔵材料: 窒化リチウム

窒化物の分類

窒化物の分類は、その構造や性質によって様々な方法が考えられますが、ここでは構造による分類を説明します。

イオン結晶

アルカリ[金]]属(Li、Na、Kなど)やアルカリ土類金属(Mg、Be、Caなど)の窒化物はイオン結晶を形成します。例えば、窒化リチウム]は、リチウムイオンと窒化物イオンからなる単純な構造を持ちます。アルカリ[金属及びアルカリ土類金属の窒化物は水や水素と反応してアンモニアを発生します。また、窒化ナトリウムや窒化カリウムは、有機[[金属気相成長法]を用いて合成されます。

第3族[元素]、第11族[元素]、第12族[元素]の窒化物もイオン結合性の性質を示します。

共有結合結晶

共有結合結晶性の窒化物には、様々な構造を持つものが含まれます。

三次元構造: 窒化リン(PN)、[窒化ホウ素]など。窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素が存在し、それぞれグラファイト、ダイヤモンドと類似した構造をしています。
ダイヤモンド型構造: アルミニウム、ガリウム、インジウムなどの窒化物は、ウルツ鉱型と呼ばれる四面体構造を形成します。これは、すべての炭素原子が四面体構造をとった六方晶ダイヤモンド（ロンズデーライト）に類似した構造ですが、ウルツ鉱型は閃亜鉛鉱型やダイヤモンド型とは相対的な配向が異なります。
分子状(揮発性): [ジシアン]、二硫化二[窒素]、四硫化四[窒素]など。硫黄は、重合した窒化物も形成し、一次元金属としての性質を示すものもあります。
格子構造: 遷移金属の窒化物の一部は、金属原子の格子間に窒素原子が入り込んだ格子構造を形成します。チタン、バナジウム、クロムなどの第4族、第5族、第6族元素の窒化物は、一般的に融点が高く化学的に安定です。
* 中間構造: 第7族、第8族元素の遷移金属の窒化物は熱的に不安定で、容易に分解します。例えば、窒化鉄は200℃で分解します。貴金属の窒化物も研究されていますが、その構造や性質については議論の余地があります。

窒化物はその多様な構造と特性から、今後も様々な分野で重要な役割を果たしていくことが期待されます。

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