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姓名：尹航学号：6123310701题目：BN的合成方案的选择BN的合成方案的选择摘要：氮化硼是一种应用广泛的优良材料。由于其硬度大，熔点高，常用于制造合金、耐高温材料，同时常见用于制作钻头、磨具和切割工具。氮化硼耐腐蚀，电绝缘性很好，常用于半导体的制作。从而在耐火材料和电子工业中已得到广泛的应用。因此氮化硼的合成也被许多专家学者所关注。合成它的原理和具体的实施方法出现了很多。本文就针对合成氮化硼的方案，通过所学的基础热力学计算，从原料价格、反应条件、产品纯度、环保问题等几方面进行综合考察，来判断已知的三种合成方法孰优孰劣。下面是三种备选方案中主要反映给的基本热力学参量：（注：用ΔG来判断等温等压不做有用功条件下化学反应的方向是我们在高中和大学课本中一直所应用的知识。但在实际问题中，这种理想条件几乎不存在，因此我们所学的判断方法也需要很大程度上的修正。同时一个反应是否能被应用到工业生产中且取得较好的效果，ΔG对选择只能起到一定程度的影响，同时反应速率、反应所需的活化能、反应发生的条件、反应物的获取都很大程度上限制着方案的选择。总之，我们现在不能片面的只通过表中热力学参数的量来分析，而是需要对问题更加全面的思考）下面是对具体的方案进行优点和缺陷的分析，并进行综合性的判断和比较来做出对这三种方案中最适合工业生产的选择。方案一：B(s）+1/2N2(g)=BN(s)（原理的现实方案：用硼的微细粉末及其添加剂充分混合后,将得到的混合物质在流通氮气中加热得到BN）概述：由上表我们可以发现反应（1）ΔG的值最小，理论上反应在相同情况下发生的倾向最大，一般情况下（2600℃一下）都会发生。但通过查找资料发现这个方案的缺陷很多。三种合成方案ΔrHmΘΔrSmΘΔrGmΘB(s）+1/2N2(g)=BN(s)-254.39KJ/mol-86.8J/mol/k-228.4KJ/molBCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)-47.23KJ/mol173.91J/mol/k-109.1KJ/molB2O3（s）+2NH3（g）=2BN(s)+3H2O(g)199.9KJ/mol319.2J/mol/k+58.3KJ/mol姓名：尹航学号：6123310701题目：BN的合成方案的选择优点：（1）N2易于获取：作为原料之一，空气中78%的氮气的获取并不困难，使原料的问题得到了一定的解决，降低了方案的成本。（2）生成物唯一：相对其他反应，此反应的生成物种类较少。而且N2易于分离，则只需对单质B和BN采取有效的分离即可。缺陷：（1）反应困难：此反应的活化能极高，且没有找到有效降低此反应活化能的催化剂。因此反应ΔG虽然较小，但反应的效果很微小。我们要想增强此反应的效果，需提供达到反应发生时的活化能所需的能量。则反应的温度一定要高。但一般的高温对反应的帮助微乎其微。事实上，将硼粉置于氮气中反应1到2小时，恒温为1000℃时生成BN并不多。，为1050~1350℃时，反应的效果才会较明显。而只有达到1550℃以上，反应才能进行的较完全，所得到的的BN才能比较纯净，品质较高。而反应的ΔS0,温度越高ΔG越小，使反应进行的程度减小。如此高的温度对能量和设备的要求达到了苛刻的程度，很难实现，而且代价巨大。（2）硼单质昂贵：目前市场上硼单质价格很高，而本方案所需的无定型的硼粉价格又是更高。这使氮气廉价为这个方案带来的好处杯水车薪。而单质硼本身就是很重要的一种化工材料，它的获取并不比BN容易。所以用它来合成BN，有一定的得不偿失。（经计算：制备1molBN需要85~95元。）（3）硼粉的污染问题：因为这个提高这个反应的速率条件苛刻，通常采用无定形硼粉(粒径3um)通过增大反应接触的表面积来增大反应速率。而这些极其微小的粉粒就需要在很精制的反应器内反应，否则过量硼粉造成的粉尘污染极难处理。从而增大了对反应设备的要求。作为一种微量元素，硼对作物有益的浓度和中毒的浓度之差很小。而把一个方案应用到工业，产生污染是无法避免的。而携带过量硼元素的工业废水对于那些对硼敏感的作物来说是致命的，这是这个方案对环境保护产生了很大威胁。总结：方案一从条件、经济、环保各方面都不利于工业生产，弊远大于利。方案二：BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)（原理的现实方案：无水硼砂和尿素(氯化铵)混合后，在氨气流中加热反应而制得氮化硼）概述：方案二的ΔH0,ΔS0,任意温度自发。同时在此反应得到的BN的纯度很高。但是BCl3是一种剧毒气体，对这种方案的工业实施造成了很大的阻力。姓名：尹航学号：6123310701题目：BN的合成方案的选择优点：（1）气相反应：我们可以从方程式中看出，除了目标产物BN，其他物质全部为气态，这样不但本身作为气象反应，接触充分，反应的速率快且反应的更加完全，而且更重要的是反应生成的BN不用经过分离提取，是操作变得简便，且获得的BN固体纯度很高，提升了产物的品质。（2）成本低：两种反应物的价格都在较低水平，从原料成本上考虑此方案有一定优势。（经计算：制备1molBN需30~35元。缺陷：（1）活化能依旧较高：虽然该反应在任意温度下均能自发，但是反应的活化能较大使得反应速度很慢。为了满足合成的需要，反应要在至少726℃以上（一般在900~1000℃）进行，对设备和能源依旧有较高的要求。而且此反应一般要分步进行，先在低温下使得BCl3+NH3形成中间产物氨基络合物，再在高温下反应生成氮化硼，对温度的控制和改变要很准确，再次提高了对设备的要求。（2）HCl的破坏性：产物HCl气体虽可加热除去，但它的腐蚀作用很大且易于沉积，会对反应器及管道会造成严重损坏，使得生产成本提高，且若设备损坏HCl气体逸散到空气中也会破坏生态环境。（3）NH3的副作用：氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性。氨的溶解度极高，所以对动物或人体的上呼吸道有刺激作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。而此方案在生产过程中要大量使用到氨气，对长期接触此工作的人员身体的副作用难以避免。（4）BCL3的剧毒：在室温和大气压下，三氯化硼（BCl3）是无色气体，难以防范。吸入、摄入对身体均有毒害，可引起化学烧伤，对眼睛、皮肤、黏膜和上呼吸道有强烈的破坏作用。并且具有神经毒性。三氯化硼属一级无机酸腐蚀物品，交货量不大时，可以用100ml双颈玻璃瓶装包装。贮运量较大时，采用钢制气瓶包装，充装和贮运三氯化硼的气瓶应严格按照国家标准。应贮存与阴凉、通风的仓间内，藏温不宜超过10℃。应远离火种、热源，防止阳光直射。因为工业生产中会大量使用到BCL3，相关人员都需要佩戴防毒面具。无论在贮存还是生产过程中对BCL3的小心处理都关系着重大的工业安全问题。从而极大地提高了生产成本，不利于工业生产的进行。总结：此方案成本和产物品质上都有优势，但生产的安全与生命高于一切，因此我们在没有良好处理BCL3毒性对生产的影响之前，不能盲目采取此方案。姓名：尹航学号：6123310701题目：BN的合成方案的选择方案三：B2O3（s）+2NH3（g）=2BN(s)+3H2O(g)(原理的现实方案：以B2O3、NH4Cl、Mg为反应体系，在700—850℃下反应。反应产物用盐酸或硝酸浸泡以除去氯化镁等副产物，得到氮化硼粉末)概述：反应（3）虽然ΔG0，在标态常温下反应不能自发进行。但此反应从价格、产物安全性、绿色方面都很有优势，这些有利条件都使此方案倾向于用于工业执行。优点：（1）原料价格低：每千克三氧化二硼价格为40元，液氨的价格相对三氧化二硼更低可不计入。（经计算：制得1molBN需25~30元）（2）活化能低：虽然此反应常温不自发，但反应发生所需的活化能较低。根据表中的数据计算T=ΔH/ΔS=798.54K，当温度大于798.54K时反应正向自发进行。而经实际试验，在温度为1100℃条件下反应合成BN粉的效果很好，能够合成纯度为97％以上BN粉末。此温度相对更低，从而减弱了对设备的要求。同时此反应ΔS0，温度越高反应的速率和程度都会提高。（3）安全环保：氧化硼经动物实验可知,其毒性较低。日常只需贮存在通风、干燥的库房中即可。其产物BN和水几乎不会产生任何安全问题，有利于工业安全的维持。同时无论产物还是原料都对环境没有副作用。总之，这是一个既安全又环保的方案，很有工业实用性。缺点：（1）我们已经介绍了氨气易溶、不易控制，从而对成产一定的影响，则我们还需要合适的方法来降低氨气的副作用。（2）此反应的需要Mg、Fe一类的催化剂，则我们需要在反应后找到合适的方法来将副产物与BN粉末相分离。总结：相对上述两个方案，此方案在工业生产上无论从成本，设备，能源，环保，安全等方面都有明显优势。附表一：三种方案反应速率随温度的变化姓名：尹航学号：6123310701题目：BN的合成方案的选择附表二：原料价格表硼单质5000~8000元/kg液氮30元/kgBCl3300~450元/kg液氨25~30元/kgB2O340~50元/kg工业防护服50~200/件铁粉（催化剂）镁粉（催化剂）4元/kg80~120元/kg（以上价格信息均由“中国阿里巴巴网china.alibaba.com”所提供）总结评价制备方法原料价格标态下反应能否自发对环境与设备的破坏方案一高能小方案二低能大方案三低不能小由上表我们可以很清晰的看到三种方法的优劣。根据全面的原理分析，准确的数据对比，实际应用的利弊等方法，我们从成本、设备、安全、环保等方面确定出方案三：B2O3（s）+2NH3（g）=2BN(s)+3H2O(g)为最佳的BN工业生产合成方案。而更加快速有效的方案还依然需要探索！参考文献：（1）百度百科，氮化硼、三氧化二硼，三氯化硼、单质硼（2）《工科大学化学》，强亮生等，高等教育出版社。（3）《黑BN的合成》，维普网《商丘师范学院学报》2002年第2期，付勇（4）B2O3对合成立方氮化硼的影响（5）《氮化硼陶瓷》，上海材料研究所，1998年（6）《阻燃技术应用研究》，期刊论文网—广州化工2011年14期，代培刚.关健玲.张阳.陈英杰.刘志鹏（7）《材料合成与制备》，国防工业出版社，徐崇全、强亮生著，乔英杰编（8）新型氮化硼的合成及性能研究，《福建师范大学》2007年期，林梁旭（9）《新物质合成工艺》，国防工业出版社，王久芬