氮化硼合成方法的讨论.doc

氮化硼合成方法的讨论摘要随着现代科技的不断发展，氮化硼由于其耐高温的特性以及优良的绝缘性，已经在耐火材料制作以及电子工业中得到广泛的应用。合成氮化硼的方法有多种，而工业生产中需要选择一个最优方法。本文将从各个反应的吉布斯函数变讨论反应方向，并辅以原料价格、环境保护等各个方面分析各个方法的利弊。关键词：氮化硼合成；最优方法；反应方向；原料价格；环境保护一 氮化硼的性质及可选合成方法1.1氮化硼的部分理化性质氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，是六方晶系结晶，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。1.2氮化硼的可选合成方法 目前有许多反应均能生产氮化硼，在此举出三个反应：（1）（2）（3）二 对上述三个反应的可行度分析2.1 从反应方向考虑 要研究一个反应进行的方向，那么就必须要得出该反应在某一条件下的吉布斯函数变。在某一给定条件下，当时，反应能够正向自发进行，而当时，反应就不能够正向自发进行。因此，当判断一个反应的进行方向时，我们需要利用各物质的吉布斯函数，然后利用公式计算反应在某一条件下的吉布斯函数变。下面具体对以上三个反应的反应方向进行分析：（为了方便，下列数据全是在标准态下计算得出）先看反应（1）：由于单质硼和氮气的标准摩尔生成吉布斯函数均为零，故该反应的标准吉布斯函数变即为氮化硼的标准摩尔生成吉布斯函数，即：故，因此该反应可以在标准态下自发进行。再看反应（2）：由公式可知反应（2）的标准吉布斯函数变为： 故在标准态下反应（2）可以正向自发进行。反应（3）的标准吉布斯函数变也可据进行计算：故 故反应（3）在标准态下不能够正向自发进行。从以上计算结果可以看出，在外界环境温度和压强相同的情况下，前两个反应均易自发进行，而第三个反应不能够在标准态下自发进行，需要控制温度条件，这样就加大了生产的难度与成本，因此从反应进行的方向这一方面考虑，我们可以舍弃反应（3）。2.2从原料成本考虑研究一个化学反应的反应方向，是从理论上研究该化学反应在某条件下反应能否发生，然而在选择化学反应时，我们不仅要研究反应在某一条件下进行的方向，还要考虑到实际生产所需要的原料成本，在生成氮化硼质量相同的情况下，所需原料的价格越低，制作成本也越低，从而更有利于大量生产。由于在各个反应中均需要硼和硼的化合物作为原料，因此我们有必要了解相关的含硼元素的原料以及其它反应物的价格（以下数据均摘自阿里巴巴）：原料名称原料价格单质硼10元/g三氯化硼5000元/t三氧化二硼30000元/t氮气30元/瓶氨气48元/瓶我们先看反应（1）：氮气作为空气中含量最多的成分，非常容易获取，只需简单的物理方法分离液化空气中的各种成分即可获取较纯净的氮气（其中会含有稀有气体，但由于它们在整个制作过程中不参与主要反应，因此不考虑其带来的影响），因此购置氮气的成本会很低，但是硼单质的价格远远高于其它硼的化合物，在很大程度上提高了整个制作的成本，生成单位质量的氮化硼时会消耗大量的资金，因此反应（1）不宜选用。反应（2）中的原料为三氧化二硼，该物质的价格高于三氯化硼但低于单质硼，加上另一个反应物氨气的成本非常低廉，因此用该反应生产氮化硼是较为经济的一种方法。我们最后看反应（3）：反应（2）与反应（3）中均需要氨气，且生成等量的氮化硼时所需要的氨气的量相同，故在比较这两个反应的成本高低时可不计氨气的影响。这样，当利用这两个反应生成等量的氮化硼时，所消耗三氯化硼的物质的量为消耗三氧化二硼的物质的量的二倍，如果我们将生成单位物质的量的氮化硼所消耗的两种原料换成质量值，则需要消耗三氧化二硼35g，消耗三氯化硼117.5g。由上述计算结果可以看出，消耗三氯化硼的质量是三氧化二硼的三倍还要多，但由于相同质量的三氧化二硼的价格远高于三氯化硼，因此利用反应（3）合成氮化硼的成本要稍高于反应（2），在反应（2）与反应（3）中都需要氨气，获得氨气常用的方法是工业合成法，原料为氢气和氮气，易得且成本较低，但反应为可逆反应，有一定的转化率，因此需要投入更多的原料，这会在一定程度上增加反应的成本。反应（2）中三氯化硼的价格相对于单质硼而言要低了不少，当制作等物质的量的氮化硼时，所需要的成本要低很多。反应（3）中三氧化二硼的价格与三氯化硼相比较，而所需氨气的量相同，因此当生成等量的氮化硼时，反应（）所需的成本较低。当然，现在由于“绿色化学”理念的出现，反应副产物的影响以及原料中各元素原子的利用率是选择反应的重要标准之一，选择生成氮化硼的反应时同样如此。在这三个反应中，反应（1）属于化合反应，只生成主产物氮化硼，无其它副产物生成，此反应不仅不会对环境造成污染，而且完全利用了反应物的所有原子，真正实现了原子利用率100%的目标。相比而言，反应（3）有副产物水生成，并且由于反应物中有氨气，而氨气是一种有刺激性气味的有毒气体，且密度比空气小，在生产过程中极易逸散到大气中造成空气污染，因此从环保角度看，反应（3）不如反应