Arten von Nitriden im Überblick
| Ionische Nitride | Metallische Nitride | Kovalente Nitride |
|---|---|---|
| ● Bindungspartner sind stark elektropositive Metalle ● Starke ionische Bindungen wie Natriumnitrid (Na3N) | ● Bindungspartner sind stark elektropositive Metalle ● Starke ionische Bindungen wie Natriumnitrid (Na3N) | ● Bindungspartner sind Nichtmetalle oder Halbmetalle ● Dreidimensionale Festkörper wie Bornitrid ● Extrem hohe Härte und Schmelzpunkte |
INFO: Nitride (-3N) lassen sich vom Wortlaut her leicht mit Nitriten (NO2−) verwechseln. Bei
Nitriten handelt es sich aber um die Salze der Salpetrigen Säure.
Nitridarten im Detail & Beispiele
Kovalente Nitride
Kovalente Nitride kombinieren Stickstoff mit Elementen der 3. Bis 5. Hauptgruppe. Manche kovalenten Nitride werden auch als diamantartige Nitride bezeichnet. Sie bestehen aus sehr starken Bindungen zwischen Stickstoff- und Nichtmetallatomen.
Ein bekanntes Beispiel für ein diamantartiges kovalentes Nitrid ist Bornitrid (BN). Bornitrid besteht aus einer regelmäßigen Struktur von abwechselnden Bor- und Stickstoffatomen, die über kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Diese Struktur ähnelt Diamanten und verleiht Bornitrid ähnliche Eigenschaften wie Härte, thermische Stabilität und chemische Beständigkeit. Erwähnenswert ist auch Kohlenstoffnitrid (C3N4), das noch erforscht wird und theoretisch härter als Diamant sein kann.
Kovalente Nitride können aufgrund ihrer Härte, Hitzebeständigkeit und chemischen Beständigkeit in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Sie finden Verwendung in technischen Keramiken, als Schleifmittel, Schmierstoffe, Hochtemperaturisolatoren und in anderen Hochleistungsanwendungen, wo extreme Bedingungen herrschen.
Kovalente Nitride können aber auch, wie im Fall von Iodstickstoff, sehr reaktiv und instabil sein. Beispielsweise kann Bornitrid chemisch zu Iodstickstoff umgesetzt werden: BN + 3 IF -> NI3 + BF3 (bei -30°C)
Metallische Nitride
Metallische Nitride verbinden Stickstoff mit Übergangsmetallen der 4. bis 8. Nebengruppe. Diese Verbindungen weisen eine sehr harte Kristallstruktur auf, in der Stickstoffionen in das Metallgitter eingelagert sind (wie interstitielle Legierungen). Beispielsweise dient Titannitrid (TiN) zur Veredelung von Bohrern und Chromnitrid (CrN) zur Veredelung von Spezialwerkzeugen aus Chrom. Beim Nitrieren von Stahl entstehen zudem Eisennitridphasen.
Ionische Nitride
Durch die negative Ladung von Stickstoffionen weisen ionische Nitride sehr starke ionische Bindungen zwischen Stickstoff und elektropositiven Metallen auf. Die Struktur von ionischen Nitriden ähnelt der von Salzen, daher auch der Name salzartige Nitride.
In Verbindung mit Wasser oder Säuren kommt es bei ionischen Nitriden zur Säure-Basen-Reaktion. Es entstehen Ammoniakgas und Metallhydroxide. Auf diese Weise kann beispielsweise Ammoniak aus Magnesium erzeugt werden:
1. Verbrennung von Magnesiumpulver unter Stickstoffatmosphäre: 3 Mg + N2 -> Mg3N2
2. Hydrolyse des Magnesiumnitrids mit Wasser: Mg3N2 + H2O -> 3 Mg(OH)2 + 2 NH3
Weitere Beispiele sind Alkalinitride wie Lithiumnitrid oder Erdalkalinitride wie Berylliumnitrid sowie weitere elektropositive Nebengruppenmetalle wie Zinknitrid.
Ionische Nitride werden in verschiedenen technischen Anwendungen eingesetzt, darunter als Katalysatoren, in der Elektronik und in der Keramikherstellung. Sie können auch als Ausgangsmaterialien für die Herstellung anderer Verbindungen dienen.
Anwendungsbereiche
Nitride werden in erster Linie zur Oberflächenhärtung eingesetzt. Vor allem diamantartige Nitride wie Titannitrid eignen sich hervorragend für Hochtemperaturwerkstoffe.
Aber es gibt noch viele weitere Anwendungsbereiche. So dient Siliciumnitrid in der Elektronik beispielsweise als Antireflexionsschicht und Tantalnitrid als Diffusionsbarriere. Zudem werden Aluminiumnitrid und Galiumnitrid als III-V-Verbindungshalbleiter für weiße LEDs eingesetzt.
Darüber hinaus gibt es viele weitere Beispiele.
Nitride und ihre Anwendung im Überblick
| Nitrid | Anwendungen | Art |
|---|---|---|
| Bornitrid (BN) | Hochtemperaturschmiermittel, Isolationsstoff | Kovalent |
| Aluminiumnitrid (AlN) | Substratwerkstoff mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit für Leistungselektronik | Kovalent |
| Galliumnitrid (GaN) | Halbleitermaterial in blauen Leuchtdioden | Kovalent |
| Indiumnitrid (InN) | Als Indiumgalliumnitrid zur Realisierung von blauen, violetten und grünen Leuchtdioden | Kovalent |
| Kohlenstoffnitrid (C3N4) | Gegenstand aktueller Forschung, theoretisch härter als Diamant | Kovalent |
| Siliziumnitrid (Si3N4) | Hochfeste, hochtemperaturbeständige technische Keramiken | Kovalent |
| Germaniumnitrid (Ge3N4) | Nitrit-Keramik | Kovalent |
| Zinn(IV)nitrid (Sn3N4) | Diffusionshemmende Schichten | Kovalent |
| Phosphornitrid (P3N5) | – | Kovalent |
| Kupfer(I)nitrid (Cu3N) | Hochleistungshalbleiter | Kovalent |
| Calciumnitrid (Ca3N2) | Korrosionsschutzmittel in Schmierstoffen | Kovalent |
| Titannitrid (TiN) | Vergütungsschichten auf Bohrern, Fräsern, Hartmetall Wendeschneidplatten | Metallisch |
| Tantalnitrid (TaN) | Sperr- und Haftschicht in der Chipherstellung und bei Dünnschichtwiderständen, Diffusionsbarriere in Dickschicht-Solarzellen | Metallisch |
| Chromnitrid (CrN) | Vergütung von Spezialwerkzeugen aus Chrom | Metallisch |
| Diverse Eisennitridphasen | Nitrieren von Stahl | Metallisch |
| Eisen(III)nitrid (FeN) | Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Stahl | Metallisch |
| Lithiumnitrid (Li3N) | Einbringen von Stickstoff in Legierungen | Ionisch |
| Natriumnitrid (Na3N) | Konservierungsmittel | Ionisch |
| Berylliumnitrid (Be3N2) | Feuerfeste Keramik in Atomreaktoren | Ionisch |
| Magnesiumnitrid (Mg3N2) | Katalysator für die Synthese von Borazon und Leuchtdioden | Ionisch |
| Zinknitrid (Zn3N2) | Diffusionshemmende Schichten | Ionisch |
| Scandiumnitrid (ScN) | Gate-Material bei elektronischen Bauelementen | Ionisch |
| Yttriumnitrid (YN) | Optik, Keramik, Elektronik | Ionisch |
| Lanthannitrid (LaN) | – | Ionisch |
| Zirconium(IV)nitrid (Zr3N4) | Diffusionshemmende Schichten | Ionisch |
| Tantal(V)nitrid (Ta3N5) | – | Ionisch |
| Urannitrid (UN, U2N3, UN2) | – | Ionisch |
Nitride in der Natur
Stickstoff ist eine Dreifachbindung mit einer Bindungsstärke (Dissoziationsenthalpie) von
946,04 kJ/mol. Sauerstoff hingegen ist ein Diradikal mit einer Dissoziationsenthalpie von
498,67 kJ/mol. Nitride können sich also nur unter sauerstofffreien Bedingungen bilden, daher
sind Nitride in Form von natürlichen Mineralien sehr selten. Beispiele sind Roaldit (Fe4N),
Siderazot (Fe3N), Osbornit (TiN), Carlsbergit (CrN) und Sinoit (Si2ON2).
