Нитрид лития

Нитрид лития — соединение щелочного металла лития и азота, зеленовато-чёрные или тёмно-красные кристаллы.

Единственный устойчивый нитрид щелочных металлов.

Применяется в пиротехнике.

Получение

Синтезом из элементов — при комнатной температуре влажный азот медленно взаимодействует с литием, увеличение температуры и давления ускоряет реакцию:

 6 Li + N₂ →^300oC 2 Li₃N

Взаимодействием гидрида лития с азотом:

 3 LiH + N₂ →^500oC Li₃N + NH₃

При хранении металлического лития в воздушной атмосфере при нормальных условиях наряду с карбонатом лития и гидроксидом лития в поверхностной плёнке образуется также Нитрид лития.

Физические свойства

Кристаллическая структура нитрида лития

Нитрид лития образует в зависимости от отклонения от стехиометрического состава зеленовато-чёрные или тёмно-красные кристаллы.

Нитрид лития эндотермическое соединение, энтальпия его образования из элементов −207 Нитрид лития кДж/моль.

В нормальных условиях устойчива кристаллическая структура гексагональной сингонии, называемая  α − Li₃N, имеющая пространственная группу P 6/mmm, параметры кристаллической ячейки a = 0,3655 нм, c = 0,3876, Z = 1.

При давлении свыше 4200 бар (4 100 атм)  α − Li₃N переходит в  β − Li₃N, имеющий структуру арсенида натрия ( Na₃As ). Пр повышении давления свыше 360 кбар  β − Li₃N переходит в  γ − Li₃N  со структурой типа  Li₃Bi.

В кристалле  α − Li₃N атомы лития образуют гексагональную графитоподобную кристаллическую структуру, в одной из кристаллических плоскостей каждый атом азота окружён шестью атомами лития. Два дополнительных атома лития расположены в других соседних плоскостях над и под атомом азота и каждый атом азота в результате оказывается окружённым восемью атомами лития, расположенных в вершинах гексагональной бипирамиды.

Нитрид лития является твёрдым электролитом — обладает ионной электропроводимостью по ионам  Li⁺ с удельной проводимостью 2·10^-4 1/(Ом·см) и энергией активации освобождения ионов лития из узлов кристаллической решётки 0,26 эВ (~24 кДж/моль). Допирование кристалла водородом увеличивает проводимость, в то время как легирование ионами металлов (Al, Cu, Mg) уменьшает его. Установлено, что энергия активации межкристаллического переноса ионов лития выше чем внутрикристаллическая (~68,5 кДж/моль).

 α − Li₃N  является полупроводником с шириной запрещенной зоны ~2,1 эВ.

Нитрид лития изучался как вещество для компактного хранения газообразного водорода, абсорбция и десорбция водорода обратимы и происходят при сравнительно низкой температуре ~270 °C. В опытах было достигнуто поглощение водорода веществом до 11,5 % по массе.

Химические свойства

Реакция образования нитрида лития обратима и при повышении температуры в вакууме идёт процесс разложения на элементы:

 2 Li₃N →^400oC 6 Li + N₂

Нитрид лития энергично взаимодействует с водой с образованием гидроксида лития и аммиака:

 Li₃N + 3 H₂O ⟶ 3 LiOH + NH₃

Нитрид лития при повышенной температуре взаимодействует с водородом с образованием гидрида лития и аммиака:

 Li₃N + 3 H₂ ⟶ 3 LiH + NH₃

При взаимодействии нитрида лития с водородом при 300 °C и повышенном давлении (более 0,5 МПа) образуется смесь гидрида лития и амида лития:

 Li₃N + 2 H₂ →^{300oC, 0.5 MPa} LiNH₂ + 2 LiH

Разлагается кислотами с образованием соответствующих кислоте солей лития и аммония:

 Li₃N + 4 HCl ⟶ 3 LiCl + NH₄Cl

Известно также много смешанных нитридов лития, некоторые из них:  LiMgN ,  LiZnN ,  Li₃AlN₂,  Li₅SiN₃,  Li₅TiN₃,   Li₅GeN₃

Расплавленный Нитрид лития агрессивен по отношению ко многим металлам (Fe, Cu, Ni, Pt и др.).

Применение

• Нитрид лития иногда используется как компонент при изготовлении пиротехнических смесей.
• Возможно применение вещества для компактного хранения водорода.