Eisennitride

Eisennitride sind anorganische chemische Verbindungen des Eisens aus der Gruppe der Nitride. Es sind mit Dieisennitrid Fe2N, Trieisennitrid Fe3N (genauer Fe3N1+x), Tetraeisennitrid Fe4N und Stickstoffmartensit α´´-Fe16N2 sowie FeN[1] mehrere Eisennitride bekannt.[2]

Vorkommen

Tetraeisennitrid kommt in der Natur als Mineral Roaldit, Trieisennitrid als Mineral Siderazot vor.

Gewinnung und Darstellung

Eisennitride können durch Reaktion von Eisen mit Ammoniak bei 350 bis 550 °C gewonnen werden. Das entstehende Produkt entspricht in seiner Zusammensetzung der Formel Fe2N und stellt die orthorhombische γ´-Modifikation dar, die einen sehr schmalen Homogenitätsbereich aufweist.

4   F e + 2   N H 3 ⟶ 2   F e 2 N + 3   H 2 {\displaystyle \mathrm {4\ Fe+2\ NH_{3}\longrightarrow 2\ Fe_{2}N+3\ H_{2}} }

Öfters wird jedoch bei ähnlicher Herstellung auch das Auftreten einer hexagonalen ε-Phase mit geringerem Stickstoffanteil etwa entsprechend Fe3N beobachtet. Das Produkt geht beim Erhitzen im Vakuum bei etwa 500 °C unter Abgabe von Stickstoff zunächst in die ε-Phase, dann in Fe4N über.[3]

Eigenschaften

Eisennitride sind graue bis schwarze Pulver von metallartigem Charakter. ζ-Fe2N (CAS-Nummer: 12023-20-0) hat eine Dichte von 6,35 g·cm−3 und besitzt eine orthorhombische Kristallstruktur mit der Raumgruppe Pbcn (Raumgruppen-Nr. 60)Vorlage:Raumgruppe/60 (a = 444 pm, b = 554 pm, c = 484 pm).[4] Die ε-Modifikation Fe3N (CAS-Nummer: 12023-51-7) hat eine Dichte von 7,36 g·cm−3 und besitzt eine hexagonale Kristallstruktur mit der Raumgruppe P6322 (Nr. 182)Vorlage:Raumgruppe/182 (a = 270 pm, c = 437 pm). Fe4N (CAS-Nummer: 12023-64-2) hat eine Dichte von 6,57 g·cm−3 und besitzt eine Kristallstruktur mit kubisch dichtester Packung der Eisenatome und der Raumgruppe P43m (Nr. 215)Vorlage:Raumgruppe/215 (a = 379,5 pm).[5]

Verwendung

Eisennitride bilden sich bei der Oberflächenvergütung (Härtung) von Stahl. Der entsprechende Prozess wird als Nitrieren (chemisch korrekt: Nitridieren) bezeichnet.

Eisen-Stickstoffverbindungen können auch sehr starke Permanentmagnete ausbilden. Diese gelten als Alternative zu den heute teuren Seltenerdmagneten. Hierbei müssen jedoch Nanopartikel dargestellt werden.[6][7][8]

Literatur

  • Dana Maria Borsa: Nitride-based insulating and magnetic thin films and multilayers, Cap 3, Iron Nitrides (PDF; 1,2 MB), 2004, ISBN 90-367-1979-8

Einzelnachweise

  1. ↑ S.T. Oyama: Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides. Springer, 1996, ISBN 0-7514-0365-2, S. 186 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  2. ↑ Wolfgang Bergmann: Werkstofftechnik 2: Werkstoffherstellung - Werkstoffverarbeitung ... Hanser Verlag, 2009, ISBN 3-446-41711-7, S. 268 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  3. ↑ Georg Brauer (Hrsg.) u. a.: Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearbeitete Auflage. Band III, Ferdinand Enke, Stuttgart 1981, ISBN 3-432-87823-0, S. 1649.
  4. ↑ D. Rechenbach, H. Jacobs: Structure determination of ζ-Fe2N by neutron and synchrotron powder diffraction. In: Journal of Alloys and Compounds, 1996, 235(1), S. 15–22, doi:10.1016/0925-8388(95)02097-7.
  5. ↑ Jean d’Ans, Ellen Lax, Roger Blachnik: Taschenbuch für Chemiker und Physiker. Springer DE, 1998, ISBN 3-642-58842-5, S. 454 f. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  6. ↑ Tyler Eugene Stevens, Riley Lewis, Charles Joseph Pearce, Mark A. Rodriguez, Sara Dickens, Bonnie B. McKenzie, Stanley Atcitty, Todd Monson: Synthesis and Magnetic Properties of Iron Nitrides. 2019 (osti.gov [abgerufen am 5. Oktober 2022]). 
  7. ↑ heise online: Abschied von den Seltenen Erden. In: heise.de. MIT Technology Review, abgerufen am 5. Oktober 2022. 
  8. ↑ 10 Gründe: Eisennitride: Starke Magnete ohne Elemente der Seltenen Erden. In: 10-raisons.fr. 10-Raisons.fr, 2022, abgerufen am 5. Oktober 2022.