Нитрид лития - необычное химическое соединение, обладающее комплексом уникальных и полезных свойств. Это твердое вещество черного или красного цвета, которое можно использовать в самых разных областях - от пиротехники до ядерной энергетики.
Физические свойства нитрида лития
По внешнему виду нитрид лития представляет собой твердые кристаллы, окрашенные в темно-зеленый, черный или темно-красный цвет. Это зависит от небольших отклонений от стехиометрического состава вещества. Формула нитрида лития - Li3N.
Кристаллическая решетка имеет гексагональную структуру. Атомы лития в ней образуют графитоподобные слои, между которыми располагаются атомы азота в окружении восьми атомов лития. При высоком давлении структура претерпевает фазовые переходы.
Температура плавления нитрида лития составляет 813°C. В твердом состоянии его плотность равна 1,28 г/см3, а в расплавленном снижается.
Характерной особенностью нитрида лития является способность проводить ионы лития. Это делает его перспективным твердым электролитом. Проводимость можно увеличить допированием водородом. Добавка металлов, наоборот, ее снижает.
Еще одно ценное свойство - обратимая абсорбция газообразного водорода. При температуре около 270°C нитрид лития способен накапливать до 11,5% водорода по массе. Это открывает путь к использованию вещества в качестве компактного аккумулятора водорода.
Химические реакции с участием нитрида лития
Как получить нитрид лития? Существует несколько методов синтеза этого соединения. Простейший из них - взаимодействие лития с азотом. При комнатной температуре реакция идет очень медленно, но повышение температуры и давления существенно ее ускоряет:
6 Li + N2 → 300°C 2 Li3N
Более быстрый и удобный метод - пропускание азота через расплавленный литий или его гидрид при 500-600°C:
3 LiH + N2 → 500°C Li3N + NH3
Реакция образования нитрида лития обратима. При нагревании в вакууме он разлагается на литий и азот. Это свойство используется для получения особо чистого лития, необходимого в ядерной промышленности.
С водой у нитрида лития наблюдается бурное взаимодействие с выделением большого количества тепла. Продуктами реакции являются гидроксид лития и аммиак:
Li3N + 3 H2O → 3 LiOH + NH3
Взаимодействие нитрида лития с водородом
Помимо воды, нитрид лития активно реагирует и с водородом. Реакция идет с образованием гидрида лития и аммиака:
Li3N + 3 H2 → 3 LiH + NH3
Особенно интенсивно это происходит при температуре около 300°C и повышенном давлении водорода. Тогда наряду с гидридом лития образуется амид лития:
Li3N + 2 H2 → 300°C, >0.5 МПа LiNH2 + 2 LiH
Взаимодействие с кислотами
Под действием кислот нитрид лития тоже разлагается. Например, при взаимодействии с соляной кислотой выделяется аммиак и хлорид лития:
Li3N + 4 HCl → 3 LiCl + NH4Cl
Образование смешанных нитридов
Интересные соединения получаются при взаимодействии нитрида лития с другими элементами. Образуются так называемые смешанные нитриды, содержащие атомы лития и азота вместе с атомами металлов или неметаллов. Некоторые примеры:
- LiMgN
- LiZnN
- Li3AlN2
- Li5SiN3
Подобные соединения отличаются комплексом уникальных свойств и могут найти широкое применение в современных технологиях.
Агрессивные свойства по отношению к металлам
Еще одна важная особенность нитрида лития - его агрессивность по отношению к некоторым металлам. Это проявляется особенно сильно при высоких температурах, когда нитрид лития находится в расплавленном состоянии. Среди металлов, активно взаимодействующих с горячим расплавом нитрида лития, можно назвать железо, медь, никель, платину.
Применение нитрида лития в пиротехнике
Одно из первых применений нитрида лития - использование в качестве источника азота в пиротехнических составах. При горении или взрывном разложении нитрида лития выделяется большое количество газообразного азота, необходимого для работы различных пиротехнических устройств.
Хранение водорода с помощью нитрида лития
Уникальная способность нитрида лития реверсивно поглощать значительные объемы водорода открывает перспективу использования этого вещества в качестве компактного накопителя водорода. Теоретически 1 кг нитрида лития способен аккумулировать до 115 литров водорода. Это может найти применение в водородной энергетике, для питания топливных элементов и других целей.
Твердый электролит на основе нитрида лития
Высокая электропроводность нитрида лития по ионам лития открывает перспективу создания на его основе твердых электролитов для различных электрохимических устройств, в частности, химических источников тока. По сравнению с жидкими электролитами твердые обеспечивают повышенную безопасность и ресурс работы.
Компонент термоэлектрических материалов
Интересные свойства проявляет нитрид лития и в качестве одного из компонентов термоэлектрических материалов, способных прямо преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Особенно перспективны в этом плане различные смешанные нитриды на основе соединений лития.
Исходный реагент для синтеза соединений лития
Благодаря высокому содержанию лития нитрид лития может выступать удобным исходным реагентом для синтеза разнообразных неорганических и органических соединений этого металла. Литийсодержащие вещества находят широкое применение в фармацевтике и химической промышленности.
