氮化硼三种合成方法的讨论

氮化硼三种合成方法的讨论
摘要:氮化硼是一种重要的化工原料,它是一种耐高温的材料,一页是一种优良的绝缘材料，在耐火材料和电子工业中已得到广泛的应用。

本文从反应方向，原料价格及环保等方面对三种氮化硼合成方法进行了比较和探究。

一、引言
1、氮化硼简介
氮化硼的分子式为BN，它是由氮原子和硼原子组成的化合物。

具有四种不同的结构：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。

氮化硼于碳是等电子体，具有抗化学侵蚀性质，不被无机酸和水侵蚀。

1200℃以上开始在空气中氧化，稍低于3000℃时开始升华，真空时约2700℃开始分解。

微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.25，熔点3000℃。

硼，原子序数5，原子量10.811。

硼为黑色或银灰色固体。

晶体硼为黑色，熔点约2300℃，沸点3658℃，密度2.34克/立方厘米；硬度仅次于金刚石，较脆。

氯化硼，无色发烟液体或气体，有强烈臭味，易潮解。

熔点
-107.3℃沸点：12.5℃溶解性溶于苯、二硫化碳
三氧化二硼（化学式：B2O3）又称氧化硼，是硼最主要的氧化物。

它是一种白色蜡状固体，一般以无定形的状态存在，很难形成晶体，但在高强度退火后也能结晶。

它是已知的最难结晶的物质之一。

二、 反应方法分析
合成氮化硼有以下三种方法： 1、 用单质B 与N 2反应： B(s) + 1/2N 2(g) = BN(s) 2、 用BCl 3与NH 3反应:
BCl 3(g) + NH 3(g) = BN(s) + 3HCl(g) 3、 用B 2O 3与NH 3反应:
B 2O 3 (s) + 2NH 3(g) = 2BN(s) + 3H 2O(g)
a 、反应方向
查找书后附录可知： 1、
B(s)：
1
()f m kJ mol
H -Θ
∆ = 0；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = 0；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ = 5.86；
N 2(g)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = 0；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = 0；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =191.50；
BN(s)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = -254.39；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -228.45；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =14.81；
1
()r m kJ mol
H -Θ∆ = -254.39；1
1
()r m S J
mol
K Θ
--•∆ =-86.8；
该反应的标准吉布斯函数变为：
1
()r m G kJ
mol
Θ
-∆ = -228.45；
所以该反应在标准状况下可进行。

并且，该反应在低温下自发，高温下不自发。

2、 BCl 3(g) ：
1
()f m kJ mol
H -Θ
∆ = -403.8；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ =-388.7；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =290.1；
NH 3(g)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ =-46.11；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -16.48；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =192.34；
BN(s)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = -254.39；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -228.45；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =14.81；
HCl(g)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = -92.31；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -95.30；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =186.80；
1
()r m kJ mol H -Θ∆ =-81.41 ；1
1
()r m S J
mol
K Θ
--•∆ =92.77；
该反应的标准吉布斯函数变为：
1
()r m G kJ
mol
Θ
-∆ = -109.1；
所以该反应在标准状况下可进行。

在任何温度下均可自发反应。

3、
B 2O 3 (s)：
1
()f m kJ mol
H -Θ
∆ = -1273.5；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -1168.01；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ = 54.0；
NH 3(g)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ =-46.11；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -16.48；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =192.34；
BN(s)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = -254.39；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -228.45；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =14.81；
H 2O(g)：
1
()f m kJ mol
H -Θ∆ = -241.82；1
()f m G kJ
mol
Θ
-∆ = -228.59；
1
1
()f m S J
mol K Θ
--•∆ =188.72；
1
()r m kJ mol H -Θ∆ = 131.48；1
1
()r m S J
mol
K Θ
--•∆ =157.1；
该反应的标准吉布斯函数变为：
1
()r m G kJ
mol
Θ
-∆ = 58.3；
标准状况下，该反应不可自发进行。

在高温条件下，该反应可自发反
应。

从反应方向分析，反应1、2均可在常温常压下反应，而反应3需
要升高温度才能反应，反应1、2优于反应3。

b 、原料价格
1、99%硼粉:7500元/kg
氮气：500元/瓶
相比于硼，氮气的成本可忽略不计。

经计算可得，制成1mol氮化硼的成本约为82.5元。

2、三氯化硼：300元/kg
氨气:5000元/吨
进计算可得，制成1mol氮化硼的成本约为35.5元。

3、三氧化二硼：28元/kg
氨气:5000元/吨
进计算可得，制成1mol氮化硼的成本约为1.065元。

从价格角度分析，生成1mol氮化硼，3优于1、2。

c、环保
反应一为化合反应，单质硼与氮气反应，完全生成氮化硼，实现了原子100%的利用率，并且反应物与生成物均不会对环境产生影响。

反应二中，氯化硼对人体和环境都会造成巨大影响。

“急性毒性：LC501271mg/m3，1小时(大鼠吸入)”
“吸入、口服或经皮肤吸收对身体有害。

可引起化学灼伤。

对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有强烈的腐蚀作用。

吸入后可因喉、支气管的痉挛、水肿，化学性肺炎、肺水肿而致死。

”“化学反应活性很高，遇水发生爆炸性分解。

与铜及其合金有可能生成具有爆炸性的氯乙炔。

遇潮气时对大多数金属有强腐蚀性，也能腐蚀玻璃等。

在潮湿空气中可形成白色的腐蚀性浓厚烟雾。

遇水发生剧烈反应，放出具有刺激性和腐蚀性的氯化氢气体。

”
并且反应生成氯化氢气体，会造成酸雨，污染环境。

因而不建议采用此种方法。

反应三中，反应物中含有氨气，会逸散到空气中，不利于环保。

生成物中含有水，原子利用率没有达到100%，但生成物对环境无害。

从环境角度分析，反映一好于反应三，反映三好于反应二。

三、结论
综上所述，反应三是最优选择。

它有以下几个优点：
1、成本廉价，适合大量生产，反映条件简单
2、产物无毒，不会对环境造成危害，原子利用率较高。

现在，大多数关于氮化硼的研究都是围绕立方氮化硼展开的。

以下介绍一些有关立方氮化硼的合成与应用。

1、《试验与研究》 16页2004.No.6 氮化硼合成及应用的研究郭胜光1 吕波2 王积森2 宁洪涛2 徐庆莘2
2、《工具技术》2006 年第 40 卷 # 12 11页聚晶立方氮化硼材料的性能及其应用李丹刘进胡娟张书霞寇自力
3、《材料科学与工程》第 14 卷第 3 期 6页立方氮化硼( c- BN ) 膜的制备、性能及应用程宇航吴一平陈建国乔学亮孙培祯
4、《中原工学院学报》第22卷第2期 25页立方氮化硼材料的制备性能及应用张旺玺卢金斌
5、《兵器材料科学与工程》第27卷第5期 58页先驱体热解制备
复合陶瓷材料研究进履张雯王红洁金志浩。