Chemia: Inne związki nieorganiczne.

WODORKI:

I) Wodorki - są to związki chemiczne wodoru z innymi pierwiastkami. Istnieją cztery rodzaje wodorków: 

• wodorki typu soli - związki tworzące sieci jonowe, które powstają w wyniku reakcji wodori z litowcami i berylowcami (oprócz berylu i magnezu) w podwyższonej temperaturze. Zawierają jony wodorkowe H-; w reakcji z wodą wydzielają wodór. Przykłady: wodorek sodu - NaH, wodorek wapnia - CaH2. 

Źródło: Wikipedia. Wodorek sodu. 

Wodorek sodu (NaH) - jest to nieorganiczny związek chemiczny z grupy wodorków. W temperaturze pokojowej jest to szarobiała, pylista substancja o temperaturze topnienia ok. 800 stopni Celsjusza, w której to temperaturze następuje też jego rozkład. Temperatury te dotyczą jednak tylko idealnie czystych monokryształów tego związku. Spotykany w handlu zanieczyszczony wodorek sodu rozkłada się już w temperaturze ok. 220 stopni Celsjusza. Wodorek sodu otrzymuje się z bezpośredniej reakcji sodu z wodorem: 2Na + H2 -> 2NaH. Jest to silny reduktor, silniejszy od wodorku wapnia, ale trudniejszy od niego do praktycznego stosowania, ze względu na ryzyko zapalenia się w kontakcie z powietrzem. Łatwo reaguje z wodą: NaH + H20 -> NaOH + H2. 

Źródło: Wikipedia. Wodorek wapnia.

Wodorek wapnia (CaH2) - jest to nieorganiczny związek chemiczny z grupy wodorków metali. Pod wpływem wody lub etanolu rozkłada się z wydzielaniem wodoru: CaH2 + 2H20 -> Ca(OH)2 + 2H2↑. Reakcja ta przebiega spokojnie, ponieważ wydzielane ciepło nie jest w stanie zapalić powstającego wodoru. Wodorek wapnia jest mocnym reduktorem. Redukuje tlenki metali do metali, a siarczany do siarczków. Wodorek wapnia jest otrzymywany poprzez działanie gazowego wodoru na strużki metalicznego wapnia w temperaturze 500-700 stopni Celsjusza. Ca + H2 -> CaH2. Stosowany jest do otrzymywania czystych metali z ich tlenków, w ten sposób otrzymuje się np. tytan, cyrkon, niob i tal. Znalazł zastosowanie w usuwaniu śladów wilgoci z cieczy organicznych np. eterów lub oleju transformatorowego. Używany jest jako źródło wodoru do napełniania balonów. 

• Wodorki metaliczne (międzywęzłowe) - produkty syntezy wodoru z metalami bloków d i f, które reagują z wodorem. Wodorki te mają mniejszą gęstość niż odpowiednie metale. Skład chemiczny wodorków metalicznych jest zmienny, są więc związkami niestechiometrycznymi. W większości przypadków właściwości tych wodorków są zbliżone do właściwości metali macierzystych. Wodór zajmuje w nich położenia międzywęzłowe w sieci metalu tworząc roztwór stały. Ich silne działanie redukujące wskazuje na to, że wodór występuje w postaci atomów. 

Źródło: researchgate.net - Dynamiczna struktura wodorków metalicznych.

Źródło: vapextech.com

Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH lub Ni-MH - ang. nickel metal hydride) - jest to akumulator (ogniwo wtórne - rodzaj ogniwa galwanicznego - układu złożonego z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym, w przeciwieństwie do ogniw pierwotnych, których nie można ładować) w którym katodę stanowi płytka niklowa, a anodę stop metali, z którym reaguje wydzielający się podczas ładowania wodór tworząc wodorek metalu. Akumulatory tego typu nie zawierają toksycznych związków kadmu jak akumulator NiCd. Posiadają jedną z najwyższych gęstości energii (360 Mj/m3). 

Źródło: global.kawasaki.com - Schemat działania akumulator NiMH - schemat 1. 

Ogniwa NiMH długo nie wchodziły do produkcji masowej - mimo, że elktroda wodorowa bardzo dobrze nadaje się na anodę, konstrukcja wykorzystująca to ogniwo wymaga absolutnej szczelności, porowatej elektrody oraz wysokiego ciśnienia. Jedynym rozwiązaniem jest związanie wodoru w związek chemiczny powstający podczas ładowania, a rozpadający się podczas rozładowywania ogniwa. Związki takie odkryto pod koniec lat 60. XX wieku, a prace nad praktycznym zastosowaniem trwały do końca XX wieku. W nowoczesnych akumulatorkach NiMH anody zbudowane są z porowatego stopu wielu metali, takich jak np. wanad, tytan, cyrkon, nikiel, chrom, kobalt i żelazo. Przyczyna lepszej wydajności (możliwości wiązania i uwalniania wodoru) takich egzotycznych stopów nie jest do końca jasna - ich składy ustalane są eksperymentalnie. 

Źródło: bhphotovideo.com - Akumulatorki NiMH do ponownego ładowania (ogniwo galwaniczne wtórne).

Poza anodą, konstrukcja akumulatorków NiMH nie różni się w zasadzie od konstrukcji wypartych przez nie akumulatorów NiCd. Siła elektromotoryczna obu ogniw wynosi ok. 1,2 V, co sprawia, że w wielu zastosowaniach akumulatory te można stosować zamiennie. 

Źródło: jes.ecsdl.org - Działanie akumulatora NiMH - schemat 2. 

Płytka niklowa stanowi elektrodę dodatnią, a elektrodą ujemną jest stop niklu, manganu, magnezu, kobaltu i aluminium. Klucz elektrolityczny wykonany jest z poliamidu lub polietylenu, zaś elektrolit jest zasadowy. Akumulatory NiMH mają od dwóch do trzech razy większą pojemność, niż odpowiadające im akumulatory NiCd, a także mają o wiele mniejszy efekt pamięci (jednak nadal wymagają procesu formowania). W akumulatorach tych istnieje za to tzw. efekt leniwej baterii; powstaje on wskutek niecałkowitego rozładowania, co powoduje, nieznaczny spadek napięcia znamionowego; efekt ten usunąć można za pomocą ładowarki z funkcją rozładowania. 

Akumulatory NiMH znalazły szerokie zastosowanie w samochodach hybrydowych. Do końca 2013 roku wyprodukowano ich ponad 6 mln. Lider rynku hybrydowego, Toyota, stosuje je w większości swoich modeli, m.in. w pierwszym modelu hybrydowym - Priusie. 

• Wodorki kowalencyjne - są to produkty syntezy wodoru z niemetalami, wodorki kowalencyjne mogą mieć różny charakter. Przykładami są: CH4, SiH4, NH3, PH3, H2O, H2S, HF, HCl. 

Źródło: Wikipedia. Monosilan. 

Krzemowodory (Silany) - związki krzemu z wodorem o wzorze ogólnym Si_nH_2n+2, krzemowe analogi nierozgałęzionych alkanów. Krzemowodory, w których atomy wodoru zostały zastąpione grupami alkilowymi, również nazywa się silanami; są one podobne do rozgałęzionych alkanów. Krzemowodory są bezbarwnymi gazami lub cieczami, o charakterystycznym zapachu, trującymi, nierozpuszczalnymi w wodzie. Na powietrzu się zapalają. W nieobecności powietrza SiH4 jest trwały, ale trwałość krzemowodorów maleje ze wzrostem liczby atomów krzemu. Reagują z fluorowcami, trudniej z fluorowcowodorami, tworząc liczne pochodne (podobnie jak węglowodory), na przykład SiH4 + HCl -> H2 + SiH3Cl (monochloromonosilan). Monosilan otrzymuje się przez działanie kwasem solnym na krzemek magnezu: Mg2Si + 4HCl -> 2MgCl2 + SiH4 ↑. 

Fosfowodór (fosfina - PH3 - pot. fosfan) - jest to nieorganiczny związek chemiczny zbudowany z fosforu i wodoru. W czystej postaci jest on bezbarwny, pozbawiony zapachu gazu; w produktach komercyjnych zapach czosnku lub zgniłych ryb pochodzi od zanieczyszczeń powstałych w procesie produkcji. Jest silnie trujący przy dłuższym narażeniu śmiertelne może być stężenie 10 ppm w powietrzu. Słabo rozpuszcza się w wodzie; jest skrajnie łatwopalny, w postaci oczyszczonej zapala się w powietrzu przy temperaturze 100 stopni Celsjusza. Fosfowodór jest skrajnie toksyczny, podobnie jak cyjanowodór czy bromek metylu. Stosuje się jako jako insektycyd do gazowania szkodników w zbożach. Solami fosfowodoru są fosforki. Fosforek cynku (Zn3P2) i fosforek glinu (AIP) stosowane są do zwalczania szkodników (jako insektycydy i rodentycydy). Fosforki metali III grupy układu okresowego (fosforek glinu, fosforek galu, fosforek indu i fosforek talu) wykazują właściwości półprzewodnikowe i są stosowane w elementach elektronicznych. Każdy atom wodoru w fosfowodorze może zostać zastąpiony grupą organiczną. Powstają wówczas związki fosfoorganiczne nazywane fosfinami, np. trifenylofosfina P(C6H5)3 stoswoana w reakcji Mitsunobu. 

Źródło: intechopen.com - Reakcja pomiędzy wodorkami. 

Źródło: forschung-energiespeicher.info - Zależność pomiędzy temperaturą a strukturą wodorku.

AZOTKI:

II) Azotki - są to nieorganiczne związki chemiczne, będące formalnie pochodnymi amoniaku, NH3, w którym wszystkie wiązania N-H zostały zastąpione wiązaniami z innymi pierwiastkami. W azotkach azot ma stopień utlenienia - III i jest trójwiązalny. Wzór ogólny M3N (nie jest spełniony dla azotków międzywęzłowych). Azotki są dużą klasą związków o szerokim zakresie właściwości i zastosowań. Jon azotkowy, N^3–, nigdy nie występuje w roztworach ponieważ ze względu na jego silną zasadowość zostaje protonowany. Azotki mogą być klasyfikowane w zależności od charakteru dominującego typu wiązań. Azotki jonowe powstają, gdy drugim pierwiastkiem jest metal silnie elektrododatni, jak na przykład lit, tworzą jonowy azotek litu. Azotki metaliczne często tworzą się w połączeniach z metalami przejściowymi, na przykład z żelazem, tworząc azotek żelaza. W przypadku połączeń azotu z metalami mniej elektrododatnimi lub niemetalami powstają związki posiadające przewagę wiązania kowalencyjnego, jak na przykład stały azotek glinu czy amoniak. Azotków nie należy mylić z azydkami  - pochodnymi kwasu azotowodorowego, HN3. 

REAKCJE: Niektóre azotki otrzymuje się z pierwiastków w wysokiej temperaturze (700-1200 stopni Celjusza), np. 3Mg + N2 -> Mg3N2. Ulegają one często rozkładowi pod wpływem wody lub kwasów: 

Przykłady azotków: Klasyfikacja tak szerokiej grupy związków jest w pewnym stopniu arbitralna. Związki, gdzie azot nie występuje na -III stopniu utlenienia nie są zwykle określane mianem azotków, np. trójchlorek azotu, amoniak lub aminy. 

>AZOTKI METALI BLOKU s: Tylko jeden azotek metali alkalicznych jest stały - różowo-czerwony azotek litu (Li3N), który tworzy się podczas spalania litu w atmosferze azotu, N2. Otrzymanie azotku sodu i potasu mimo to jest jednak możliwe w laboratorium. Azotki metali ziem alkalicznych mają ogólny wzór M3N2 i są bardzo liczne. Przykładami ich są Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2 i Ba3N2. Azotki metali elektrododatnich (metale alkliczne, cynk) z łatwością hydrolizują w kontakcie z wilgocią zawartą w powietrzu: Mg3N2 + 6H20 -> 3Mg(OH)2 + 2NH3. 

> AZOTKI METALI BLOKU p: Azotek boru występuje pod kilkoma postaciami polimorfizm. Azotki krzemu i fosforu są również poznane, ale tylko ten drugi ma znaczenie przemysłowe. Azotki glinu, galu i indu przyjmują diamentopodobną strukturę wurcytu, w której atomy zajmują tetraedryczne położenia. Na przykład, w azotku glinu, każdy atom glinu posiada cztery otaczającego go atomy azotu na narożach tetraedru i podobnie każdy atom azotu posiada cztery sąsiadujące z nim atomy glinu, znajdujące się w narożach tetraedru. Znany jest azotek talu (I), TI3N, natomiast nie jest znany azotek talu (III) TIN co jest następstwem efektu biernej pary elektronowej. 

AZOTKI METALI PRZEJŚCIOWYCH: W 3 grupie układu okresowego znany jest tylko azotek skandu (ScN). W grupach 4, 5 i 6 metali przejściowych, w których znajduje się tytan, wanad i chrom wszystkie tworzą azotki. Charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia i odpornością chemiczną, przedstawicielem tego typu azotków jest azotek tytanu. Czasami te substancje są nazywane "azotkami międzywęzłowymi". Azotki grupy 7 i 8 łatwo ulegają rozkładowi. Na przykład, azotek żelaza, Fe2N rozkłada się przy 200 stopniach Celsjusza. Azotki i platyny i osmu mogą zawierać cząsteczki N2, stąd też nie powinny być nazywane azotkami. Do azotków metali grupy 11 należy m.in. Cu3N, a do azotków grupy 12 Zn3N2. 

AZOTKI CZĄSTECZKOWE: Wiele metali tworzy kompleksy azotkowe. Pierwiastki grupy głównej również tworzą pewne azotki cząsteczkowe. Cyjan ((CN)2) i tetraazotek tetrasiarki (S4N4) są rzadkimi przykładami podwójnych azotków cząsteczkowych. Rozpuszczają się one w rozpuszczalnikach apolarnych. Oba podlegają polimeryzacji. S4N4 jest bardziej trwały niż analogiczny Se4N4. Ogrzewanie S4N4 daje polimer. 

Źródło: Wikipedia. Azotkowy kompleks irydu. 

ZASTOSOWANIE: Azotki ze względu na różnorodność swoich właściwości mają bardzo szerokie spektrum zastosowań. Azotki charakteryzujące się wysoką twardością i ogniotrwałością, jak azotek tytanu czy azotek boru znajdują zastosowanie między innymi w produkcji ostrzy narzędzi tnących i skrawających, ogniotrwałych naczyń laboratoryjnych i pokryć ochronnych. Azotek galu znalazł zastosowanie w wytwarzaniu m.in. niebieskiego lasera. Tak jak niektóre tlenki, azotki mogą absorbować wodór i są rozważane pod ka†em magazynowania wodoru, np. azotek litu. 

1) Azotek boru (BN) - jest to nieorganiczny związek chemiczny boru i azotu. Po raz pierwszy został otrzymany w 1842 roku. podobnie jak diament, azotek boru może zostać wytworzony w taki sposób, aby miał własności półprzewodnikowe. Istnieje także heksagonalny azotek boru, o strukturze analogicznej do struktury grafitu i podobnych właściwościach fizycznych. Borazon (Elbor) jedną z odmian polimorficznych azotku boru jest borazon (cBN, c-BN, beta-BN), alternatywnie elbor, występujący w ukłądzie regularnym. Jest to wyjątkowo twardy materiał ścierny wytworzony po raz pierwszy w 1957 roku przez R.H. Wentorfa w USA, za pomocą aparatury stosowanej do uzyskiwania syntetycznych diamentów. Twardość kryształóW borazonu oceniana jest na 90 do 95% twardości diamentów, charakteryzuje się on jednak większą odpornością chemiczną i może być stosowany do obróbki żelaza. Ma także znacznie wiekszą odporność termiczną. Jego największą wadą jest cena - średnio o 30% wyższa aniżeli cena diamentu. 

•  

Źródło: Wikipedia. Zdjęcie mikroskopowe kryształów heksagonalnego azotku boru. 

• OTRZYMYWANIE: Do otrzymywania azotku boru używa się tlenku boru (III) i azotu atmosferycznego. Reakcja zachodzi w wysokich temperaturach i wymaga obecności Ca3(PO4)2 jako katalizatora. Zamiast azotu może zostać użyty amoniak. Powstaje przy tym bezbarwna forma heksagonalna (alfa), o strukturze analogicznej do struktury grafitu i podobnych własnościach fizycznych. Można z niej uzyskać formę beta (Borazon), przez ogrzanie do ok. 1750 stopni Celsjusza, przy ciśnieniu 70 kbar i obecności azotku litu. 
• ZASTOSOWANIA: Wykorzystywany jest zwłaszcza do obróbki ściernej o wysokich prędkościach, np. do szlifowania i cięcia stali hartowanych. W przeciwieństwie do narzędzi diamentowych nie rozkłada się pod wpływem temperatury (powinowactwo chemiczne węgla - pod każdą postacią diamentu także - do żelaza w stali). BORAZON JEST CO PRAWDA BARDZIEJ MIĘKKI OD DIAMENTU (5000 HV30 - borazon, 8000-10000 HV30 - diament), ale nie traci mocno na twardości podczas ogrzewania (do ok. 1500 stopni Celsjusza), dlatego jest używany do szlifowania węglików i diamentów w wysokich temperaturach. 

2) Azotek galu (GaN) - jest to nieorganiczny związek chemiczny, naturalnie nieistniejący uzyskiwany jedynie syntetycznie, stosowany głównie jako materiał półprzewodnikowy w optoelektronice, m.in. w laserach półprzewodnikowych (np. niebieski laser), diodach elektroluminescencyjnych, detektorach i przetwornikach elektroakustycznych. 

WŁAŚCIWOŚCI: W postaci monokrystalicznej tworzy bezbarwne lub lekko zabarwione kryształy. Azotek galu jest bardzo twardym materiałem, jego moduł ściśliwości (, gdzie p - ciśnienie, V - objętość - jest on również zwany współczynnikiem ściśliwości i określa on odporność na zmianę objętości ciała pod wpływem zmiany ciśnienia; znak minus pochodzi stąd, że zwiększanie ciśnienia powoduje zmniejszanie objętości ciała i z tego powodu pochodna jest ujemna. Dla gazu doskonałego współczynnik ściśliwości zależy od ciśnienia. Zależność ta jest różna dla różnych przemian gazowych) wynosi około 245 GPa, a twardość wyznaczona metodą Vickersa 12 GPa. Azotek galu jest materiałem krystalizującym w heksagonalnej strukturze wurcytu o stałych sieciowych a = 3,189 i c = 5,185 Å. Jest również bardzo odporny chemicznie, nie trawi się w większości kwasów i zasad, w szczególności jego powierzchnia galowa wykazuje ogromną odporność chemiczną. Azotek galu jest półprzewodnikiem prostoprzerwowym o wartości przerwy zabronionej w środku strefy Brillouina około 3,45 eV, co oznacza, że jest on przezroczysty dla całego zakresu widzialnego. Azotek galu jest materiałem piezoelektrycznym i ze względu na obniżoną symetrię sieci krystalicznej również materiałem piroelektrycznym. 

Źródło: Archiwum IWC PAN (Insytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk) - Kryształ azotku galu. 

ZASTOSOWANIE: Azotek galu stanowi podstawę struktur używanych w produkcji białych, UV, fioletowych, niebieskich i zielonych diod elektroluminescencyjnych oraz laserów uV, fioletowych, niebieskich i zielonych. Trzeba jednak pamiętać, że w prawie wszystkich tych przyrządach światło jest emitowane z azotku indowo-galowego. Azotek galu posiada temperaturę topnienia 2200 stopni Celsjusza, przy równowagowym ciśnieniu azotu 6 GPa. W ciśnieniu atmosferycznym azotek galu rozkłada się w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza. 

3) Azotek glinu (AIN) - jest to nieorganiczny związek glinu i azotu, półprzewodnik. Cechuje go wyjątkowo duża przerwa energetyczna (pasmo zabronione, szerokość przerwy zabronionej - zakres energii elektronów w ciele stałym, w którym elektrony są silnie rozpraszane na atomach. W efekcie nie ma w układzie elekronów o energii z tego zakresu. Istnienie i szerokość przerwy energetycznej oraz położenie względem niej energii Fermiego ma podstawowe znaczenie dla własności przewodzących substancji. Jeżeli energia Fermiego mieści się w przerwie energetycznej, to układ w odpowiednio niskiej temperaturze jest izolatorem. Własności układu w wyższych temperaturach zależą od szerokości przerwy i od położenia energii Fermiego), która wynosi 6,2 eV, co ma potencalne zastosowanie w optoelektronice dalekiego ultrafioletu. 

OTRZYMYWANIE: Azotek glinu może być otrzymany w laboratorium poprzez ogrzanie sproszkowanego glinu w atmosferze azotu: . Na skalę przemysłową otrzymywane jest poprzez ogrzanie rudy glinu, jak na przykład boksyt, wraz z węglem w strumieniu azotu. 

Źródło: Wikipedia. Azotek glinu. 

4) Azotek krzemu (Si3N4) - jest to nieorganiczny związek chemiczny, azotek pierwiastka krzemu na IV stopniu utlenienia. Azotek krzemu ma stosunkowo niską gęstość, bardzo dużą odporność termiczną i chemiczną oraz twardość.

 

Źródło: Wikipedia. Azotek krzemu. 

5) Triazotek diuranu (seskwiazotek uranu) - U2N3 - jest to nieorganiczny związek chemiczny z grupą azotków, połączenie uranu z azotem. Jest to materiał ceramiczny o właściwościach zbliżonych do dwutlenku uranu i węgliku uranu. 

Źródło: Wikipedia. Sieć krystaliczna triazotku diuranu.

6) Azotek litu (Li3N) - jest to związek nieorganiczny litu i azotu. Ulega łatwo hydrolizie. Jest ceglastym ciałem stałym. Reaguje z wodą z wydzieleniem amoniaku i wodorotlenku litu: Li3N + 3H20 -> 3LiOH + NH3. Jest otrzymywany poprzez reakcje litu z azotem. Reakcja może powoli zachodzić nawet w temperaturze pokojowej: 6 Li + N₂ → 2 Li₃N. 

Źródło: Wikipedia. 

Właściwości: Azotek litu w warunkach pokojowych jest ceglastym proszkiem o gęstości równej 1,3g/cm3 i temperaturze topnienia 845 stopni Celsjusza. Azotek litu jest przykładem bardzo mocnej zasady nieorganicznej. Może on zdeprotonować nawet wodór: Li₃N + 2 H₂ → LiNH₂ + 2 LiH.

ZASTOSOWANIE: Azotek litu jest zdolny do wydajnej absorpcji wodoru (do 11% wag.). Ponieważ proces ten jest odwracalny (w temp. 270 stopni Celsjusza) rozważa się wykorzystanie azotku litu jako substancji magazynującej wodór. 

WĘGLIKI:

Węgliki to nieorganiczne związki chemiczne zawierające w swojej budowie wyłącznie atom metalu lub półmetalu i węgla. 

WĘGLIKI KOWALENCYJNE I METALICZNE: W węglikach kowalencyjnych występują trójwymiarowe sieci wiązań metal-węgiel. W węglikach metalicznych z kolei wiązania metal-węgiel mają charakter wiązań metalicznych. Węgliki te są zwykle bardzo stabilne, nietopliwe, twarde i niereaktywne. Są często wykorzystywane w postaci ceramiki lub kompozytów. Przykładami tego rodzaju węglików są np. węglik żelaza, węglik wolframu, węglik boru, węglik krzemu (karborund). Węglik żelaza Fe3C występuje m.in. jako jedna z faz w stali węglowej i żeliwie. Jest wówczas nazywany cementytem. 

1) Allilki - są to nieorganiczne związki chemiczne z grupy węglików jonowych zawierające aniony  [C=C=C]⁴⁻. Dobrze poznanym związkiem z tej grupy jest allilek magnezu (Mg2C3), który powstaje m.in. podczas ogrzewania acetylenku magnezu. W wyniku hydrolizy Mg2C3 powstaje propyn (allilen - stąd nazwa tej grupy związków). 

2) Boral:

3) Węglik boru:

4) Cementyt -