窒化物

化学において、窒化物は窒素の化合物です。窒化物は無機物でも有機物でも、イオン結合でも共有結合でもかまいません。窒化物アニオンであるN ^3-イオンは非常に見つけにくいですが、窒化物の化合物は数多く存在しますが、自然界にはほとんど存在しません。窒化物の中には、^耐摩耗性コーティング（例：窒化チタン、TiN）、硬質セラミック材料（例：窒化シリコン、Si ₃ N ₄）、半導体（例：窒化ガリウム、GaN）などの用途が見つかっているものもあります[1]。GaNベースの発光ダイオードの開発は、 2014年のノーベル物理学賞によって認められました ^[2]。金属窒化物錯体もよく見られます。

無機金属窒化物の合成は、窒素ガス（ _N2）が低温ではあまり反応性がなく、高温でより反応性が高くなるため、困難です。したがって、低温での窒素ガスの低い反応性と、高温でのエントロピー駆動によるN2の形成_{との間でバランスをとる必要があります。} ^[3]しかし、窒化物の合成方法はより洗練され、材料の技術的関連性が高まっています。^[4]

炭化物と同様に、窒化物も格子エネルギーが高いため耐火性材料となることが多い。これは「N ³⁻」と金属カチオンとの結合が強いためである。したがって、立方晶窒化ホウ素、窒化チタン、窒化ケイ素は切削材やハードコーティング材として用いられる。層状構造をとる六方晶窒化ホウ素は、二硫化モリブデンに似た有用な高温潤滑剤である。窒化物化合物はバンドギャップが大きいことが多いため、窒化物は通常絶縁体またはワイドバンドギャップ半導体である。例としては、窒化ホウ素や窒化ケイ素などがある。ワイドバンドギャップ材料の窒化ガリウムは、 LEDで青色光を発するために重宝されている。^{[5] [6]一部の酸化物と同様に、窒化物は水素を吸収することができ、}水素貯蔵 の文脈で議論されてきた（例：窒化リチウム）。

このような多様な化合物群の分類は、いくぶん恣意的です。窒素に -3 の酸化状態が割り当てられていない化合物 (酸化状態が +3 である三塩化窒素など) は含まれません。また、アンモニアとその多くの有機誘導体も 含まれません。

安定なアルカリ金属窒化物は、リチウムが窒素_雰囲気で燃焼すると形成される赤紫色のリチウム窒化物（Li ₃ N ）のみである。^[7]窒化ナトリウムと窒化カリウムは生成されたことがあるが、実験室での好奇心の域を出ない。しかし、化学式M ₃ N ₂で表されるアルカリ土類金属の窒化物は数多くある。例としては、窒化ベリリウム（Be ₃ N ₂）、窒化マグネシウム（Mg ₃ N ₂）、窒化カルシウム（Ca ₃ N ₂）、窒化ストロンチウム（Sr ₃ N ₂）などがある。電気陽性金属（Li、Zn、アルカリ土類金属を含む）の窒化物は、空気中の水分を含む水と接触すると容易に加水分解する。

Mg ₃ N ₂ + 6 H ₂ O → 3 Mg(OH) ₂ + 2 NH ₃

窒化ホウ素にはいくつかの形 (多形) がある。シリコンとリンの窒化物も知られているが、商業的に重要なのは前者だけである。アルミニウム、ガリウム、インジウムの窒化物は、各原子が四面体サイトを占める六方ウルツ鉱構造を採用している。たとえば、窒化アルミニウムでは、各アルミニウム原子は四面体の角に 4 つの隣接する窒素原子を持ち、同様に各窒素原子は四面体の角に 4 つの隣接するアルミニウム原子を持つ。この構造は、すべての炭素原子が四面体サイトを占める六方ダイヤモンド (ロンズデーライト) に似ている (ただし、ウルツ鉱は四面体の相対的な配向において閃亜鉛鉱やダイヤモンドとは異なる)。窒化タリウム (I) ( Tl ₃ N ) は知られているが、窒化タリウム (III) (TlN) は知られていない。

金属を多く含む遷移金属窒化物のほとんどは、比較的整然とした面心立方または六方最密充填結晶構造をとり、八面体配位をしています。^[8] これらの材料は「格子間窒化物」と呼ばれることもあります。これらは通常、親金属よりもはるかに硬く延性が低く、空気酸化に抵抗するため、工業用冶金に不可欠です。 ^[9]第3族金属 では、ScNとYNの両方が知られています。第4、5、6族の遷移金属（チタン、バナジウム、クロムのグループ）はすべて、化学的に安定した、高融点の耐火性窒化物を形成します^。窒化チタン 、窒化ジルコニウム、窒化タンタルの薄膜は、多くの工業用表面を保護します。

第7族および第8族遷移金属の窒化物は窒素含有量が少なく、高温で容易に分解する傾向がある。例えば、窒化鉄（Fe ₂ N）は200℃で分解する。窒化白金および窒化オスミウムはN ₂単位を含む場合があり、そのため窒化物と呼ぶべきではない。^{[11] [12]}

11族と12族のより重い元素の窒化物は、窒化銅（Cu ₃ N）や窒化亜鉛（Zn ₃ N ₂）よりも安定性が低い。乾燥した窒化銀（Ag ₃ N）は接触爆発物であり、わずかな接触、さらには落下する水滴でも爆発する可能性がある。^[13]

ランタノイドとアクチノイドの窒化物を含む種は、結合の共有結合性を決定するための有用な手がかりを提供できるため、科学的に興味深い。核磁気共鳴（NMR）分光法は量子化学分析とともに、金属窒化物の結合がイオン結合または共有結合の性質を持つ程度を決定するためによく使用されている。一例として、ウラン窒化物は、最も高い窒素15化学シフトを持っていることが知られている。^[14]

専門記事で論じられているように、多くの金属は分子窒化物錯体を形成します。主族元素も分子窒化物を形成します。シアン( (CN) ₂ ) と四窒化四硫黄( S ₄ N ₄ ) は、分子二成分 (窒素以外に 1 つの元素を含む) 窒化物のまれな例です。これらは非極性溶媒に溶解します。どちらも重合します。S 4 N ₄も元素に対して不安定ですが、等構造の Se 4 N 4 ほどではありません_{。S 4} N ₄を_加熱すると_ポリマーが_得られ、さまざまな分子窒化硫黄アニオンとカチオンも知られています。

窒化物と関連しているが異なるのは、過窒化物二原子陰イオン（N2−2）およびアジド三原子陰イオン（N ₃ ^-）である。