材料化学实验11.docx

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材料化学实验11

材料化学实验

吉林大学化学学院

实验一Mn12单分子磁体的合成

一、实验目的

1.了解单分子磁体的基本性质。

2.掌握[Mn12O12（O2CMe）16（H2O）4]的合成方法。

二、实验原理

单分子磁体是近二十年来才发展起来的一种新型磁性材料。

不同于传统的磁性材料，单分子磁体的磁性并不是由分子间的长程有序相互左右产生的，而是由单个分子内自旋中心的相互作用而产生的。

所以单分子磁体具有体积小、尺寸单一、可溶性好等一些其他材料无法替代的优点。

这使得其在高密度存储、量子计算机等方面有着巨大的潜在应用价值。

[Mn12O12（O2CMe）16（H2O）4]是1993年由RobertaSessoli、HuiLienTsai等发现的第一个具有单分子磁体性质的化合物。

其结构可以看成是由四个Mn（Ⅳ）为核心，八个Mn（Ⅲ）环绕在周围的结构。

[Mn12O12（O2CMe）16（H2O）4]分子，紫色球为Mn（Ⅳ），蓝色球为Mn（Ⅲ），红色球为O

制备[Mn12O12（O2CMe）16（H2O）4]是一个氧化还原反应，要在适当的条件下由高锰酸钾氧化醋酸锰得到目标产物，同时控制反应温度以提高产率。

反应方程式为：

44Mn（CH3COO）2·4H2O+16KMnO4+18CH3OOH=

5[Mn12O12（CH3COO）16（H2O）4]·2CH3COOH·4H2O+16K（CH3COO）+140H2O

三、实验仪器和试剂

1.仪器

100ml烧瓶1个

50ml量筒1支

电子天平1台

控温磁力搅拌器1台

循环水真空泵1台

布式漏斗1个

抽滤瓶1个

磁力搅拌子1个

研钵1个

X射线粉末衍射仪

2.试剂

去离子水

冰醋酸A.R.

醋酸锰A.R.

高锰酸钾A.R.

四、实验步骤

1.在40ml60%的醋酸溶液中加入醋酸锰4.04g16.5mmol，搅拌使醋酸锰完全溶解。

2.取高锰酸钾1.00g6.33mmol，研细，在搅拌下将研细的高锰酸钾加入到醋酸锰溶液中，搅拌使高锰酸钾完全溶解（约5～10分钟）。

3.停止搅拌，以1℃/5min的速率由室温升温至50℃，冷却至室温。

4.静置24-72小时，倒去棕黑色浊液，烧瓶壁上析出黑色矩形晶体。

用100ml丙酮洗涤，过滤、晾干，得到产品（产率80%，以锰计）。

5.对所得样品进行X射线粉末衍射测试。

XRD图：

五、实验结果和处理

1.产品产量、产率

颜色外形：

产量：

产率：

2.XRD测试结果

六、思考题

1.怎样确定高锰酸钾已经完全溶解？

2.为什么高锰酸钾溶解后要停止搅拌?

七、参考文献

[1]王庆伦，廖代正.分子磁体及其磁学表征.化学进展，2003，15（3）：

161.

[2]王天维，林小驹，韦吉宗，黄辉，游效曾。

单分子磁体.无机化学学报.2002，18（11）：

1071.

[3]孟笑天，李永利，李保卫.单分子磁体的研究进展.生物磁体.2006,6

（1）：

61.

实验二无机纳米发光材料（Y2O3:

Eu）的制备及光学性质测定

实验目的

1．了解稀土元素的特点及光学性质。

2．掌握水热法制备稀土Y2O3:

Eu3+纳米线的方法。

3．了解稀土纳米晶的发光原理及光谱测试方法。

实验原理

稀土离子的能级和跃迁

稀土元素包括17个元素，即属于元素周期表中B族的15个镧系元素以及同属B族的钪和钇。

镧系原子的电子组态为：

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2,n=014,m=0或1。

镧系稀土元素形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4fn电子结构，n=0,1,…,14，分别对应于La3+,Ce3+,…,Lu3+离子。

稀土离子具有丰富的多重态能级。

电子在这些能级间的跃迁产生了大量的吸收和荧光光谱的信息。

这些光谱信息与化合物的组成、价态和结构密切相关。

因此，根据实验所得的光谱信息，可研究化合物的成分、结构及化学键的性质；另一方面，又可为合成具有特定光学功能的化合物进行材料设计，这已成为当前稀土化学与物理的重要研究内容。

稀土掺杂低维纳米体系的合成和发光性质研究受到学术界广泛的关注。

这是由于一些稀土掺杂材料是理想的光电功能材料，在发光显示、光通讯、光存储、激光及生物标识领域有着十分广泛的应用。

另一方面由于稀土离子具有超敏跃迁，又可以作为研究物质微观环境的荧光探针。

水热合成方法

水热法是合成稀土纳米材料的一种重要的方法，它是以水为传递压力的介质,在高温高压下进行。

相比于常温常压，高温高压的介质中化合物会表现出不同的性质，比如溶解度和离子活度会增加、晶体结构转型等特点。

这些特殊性质很有利于合成纳米粉材料，用水热反应制得的晶体材料结晶度好、粒径小、分布均匀，团聚程度很轻。

水热法合成材料无需煅烧，避免了晶粒长大以及杂质缺陷，制备的材料发光亮度高。

Y2O3:

Eu3+纳米线是在高温高压下，由前驱体按一定取向生长而成的，由于是在碱性条件下，合成的初级产物是Y（OH）3纳米线，经过500℃退火后，变成Y2O3:

Eu3+纳米线。

光谱测量方法

光谱是研究原子及分子等微观世界的一种重要手段。

特别是随激光的出现而发展起来的激光光谱学方法，具有高分辨、超快速及高灵敏等显著特点，使光谱学技术发生了质的飞跃。

在实际的工作中，通过荧光光谱、激光选择激发及发光动力学的测量，使我们能够了解微观体系能级和跃迁的信息，并由此深入研究材料的光学性质和光物理过程。

实验仪器及用品

1．材料制备：

反应釜，烧杯，pH计，烘箱及马弗炉。

硝酸钇，硝酸铕，硝酸，去离子水，无水乙醇，氢氧化钠。

2．结构及光谱测试：

XRD测试、岛津光谱仪。

实验步骤

一、材料的制备

1．将Y2O3和Eu2O3（摩尔比为1:

0.01）溶于浓硝酸中，通过加热除去多余的浓硝酸,然后加入100mL的去离子水，加热搅拌使其完全溶解。

2．利用0.2mol/L的NaOH溶液调节pH值为12～13（用pH计），充分搅拌后，倒入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，于180℃恒温6个小时。

3．冷却后，用蒸馏水洗涤样品，并于8000转/分钟条件离心，倒去清夜，重复两次，收集沉淀物，利用去离子水反复洗涤样品，最后将白色沉淀物收集并于70℃真空条件干燥，得到Y（OH）3白色粉末。

4．将Y（OH）3粉末于500℃退火2小时。

得到纳米晶。

二、结构及光谱测试

1．利用X射线衍射仪测试纳米晶结构：

测试范围20~70°，走角范围4°/分钟。

2．利用光谱仪测试纳米晶的激发、发射光谱：

监测位置612nm，测试激发光谱，再根据激发谱位置，测试样品发射光谱。

从发射光谱中指认出发射峰对应的能级跃迁。

思考题

1．利用水热法制备了Y2O3纳米晶：

讨论温度和pH值对反应过程的影响。

2．讨论稀土Eu离子发光与其能级结构与跃迁的关系

实验三助熔剂法制备钙钛矿结构的稀土锰氧化物

一．实验目的

1.了解助熔剂合成方法的原理及应用

2.掌握高温助熔剂法的实验操作与注意事项

二．实验原理

助熔剂法的基本原理是，结晶物质溶解于低熔点的助熔剂高温溶液内，形成均匀的饱和溶液，然后通过缓慢降温或其它办法进入过饱和状态，使晶体析出。

这个过程类似于自然界中矿物晶体在岩浆中的结晶。

所以助熔剂法在原理上和溶液生长相似。

但按其状态来说又像熔体（浓度很大的溶液和很不纯的熔体实质上是难以区分的），既可归入溶液生长一类，也可归入熔体生长一类。

这里我们将它作为液-固生长中的一个独立生长方法来叙述。

助熔剂法生长晶体有许多突出的优点，首先是适用性很强，几乎对所有的材料，都能找到一些适当的助熔剂，从中将其单晶生长出来，其次是降低了生长温度，特别是对于生长高熔点和非同组分熔化的化合物晶体，更显出其优越性。

此外，该方法所需设备简单，是一种很方便的生长技术。

缺点是生长周期较长，晶体一般较小，比较适合研究用。

自20世纪80年代以来，助熔剂法已成为一种晶体材料研究中十分重要的实验室生长方法，而且已成为一种能批量生产大尺寸晶体的实用技术，令人刮目相看。

三．仪器和试剂

1.仪器

高温坩埚2个玛瑙研钵1套

50ml烧杯2个分析天平1台

马弗炉1台循环水真空泵1台

光学显微镜2台X射线衍射仪1台

2.试剂

La2O3A.R.MnO2A.R.

NaClA.R.CaOA.R.

四．实验步骤

1.先在分析天平上准确称取0.5mmolLa2O3、1mmolMnO2和10mmolNaCl（助熔剂）固体，放入玛瑙研钵中，研磨30分钟充分混合。

放入高温坩埚中，置于马弗炉850℃中晶化24小时。

反应物与助熔剂的摩尔比例关系为La2O3：

MnO2：

NaCl=0.5：

1：

10。

最后将反应混合物进行抽滤，洗涤，空气中晾干，得样品一。

2.基本实验操作同上，仅将反应物与助熔剂的摩尔比例改为La2O3：

MnO2：

NaCl=0.5：

1：

20，得样品二。

3.基本实验操作同上，仅将反应物中加入0.2mmolCaO固体，反应物与助熔剂的摩尔比例为La2O3：

CaO：

MnO2：

NaCl=0.5：

0.2：

1：

20，得样品三。

4.对所合成的三个样品进行X射线粉末衍射测试，并通过使用光学显微镜对所得样品进行晶体外形观察

五．实验结果和处理

使用X射线粉末衍射和光学显微镜对所得样品的晶化度、晶粒形貌和尺寸进行表征和分析。

实验四金属有机骨架材料MOF-5的合成与表征

实验目的

1.了解金属有机骨架化合物的特点；

2.了解掌握金属有机骨架化合物的溶剂热合成方法；

3.了解金属有机骨架化合物的常用表征方法。

实验介绍

1999年，Yaghi研究小组报道了对苯二甲酸（H2BDC=1,4-benzenedicarboxylicacid）与金属锌构筑的经典金属有机骨架材料MOF-5（ZnO4（BDC）3•（DMF）8•C6H5Cl）。

该化合物具有三维的正方形孔道，孔径大概为13Å。

MOF-5在空气中可稳定存在到300ºC，在客体分子完全除去后，仍能够保持晶体完好。

MOF-5可以吸附氮气、氩气以及多种有机溶剂分子，吸附曲线属于典型的I型吸附等温线。

MOF-5的骨架空旷程度约为55-61%，Langmuir比表面积高达2900m2•g-1。

主要仪器和药品

六水合硝酸锌、对苯二甲酸、N,N’-二甲基甲酰胺、三氯甲烷；

多功能温控搅拌器、50mL烧杯、保鲜膜。

合成步骤

将0.02g对苯二甲酸和0.13g六水合硝酸锌充分溶解在盛有15mLN,N’-二甲基甲酰胺的烧杯中中。

将烧杯用保鲜膜覆盖后，置于85°C的烘箱中密闭静置12小时，得到无色立方晶体，冷却至室温，用三氯甲烷将晶体洗涤数次，干燥后备用。

材料表征

1.徕卡显微镜表征；

2.粉末X射线衍射表征；

3差热热重表征。

思考题

实验五纳米级羟基磷灰石的制备及表征

一、实验目的

1.试验羟基磷灰石的制备方法

2.掌握利用共沉淀法制备纳米材料，了解该方法的特点。

3.了解羟基磷灰石的表征方法。

二、基本原理

羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2或HA）是人体和动物骨骼的主要无机成份。

人工合成的HA可制成多种材料如人工骨材料、荧光材料等，而纳米HA更由于其特有的表而多孔型结构、比表面积大、吸附能力强等性能，因此在催化、分离和离子交换等方面有广泛应用。

HA作为金属离子载体制成抗菌剂，可广泛应用于塑料、纺织、涂料、陶瓷等领域。

目前，制备纳米材料的方法主要有水热法、溶胶凝胶法、微乳液法、化学沉淀法等。

在这些方法中，水热法、溶胶凝胶法已用于纳米HA的合成，但主要存在反应条件苛刻、原料成本高等不足，而化学沉淀法工艺简便、反应温度低、易于工业化。

本实验以硝酸钙和磷酸二氢铵为原料，通过控制共沉淀条件制备了纳米HA，以XRD、SEM、TG/DSC等手段对样品形态结构进行表征。

三、仪器和试剂

1.仪器

马弗炉、磁力加热搅拌器、pH计、烘箱、X射线衍射仪、扫描电镜、热重/差示扫描量热分析仪

2.试剂

Ca（NO3）2∙4H2O，（NH4）H2PO4，氨水，聚乙二醇（PEG分子量1000）。

四、实验步骤

1.利用化学共沉淀法制备纳米级羟基磷灰石

将Ca（NO3）2∙4H2O及（NH4）H2PO4按化学计量比Ca/P=1.67，分别称取4g的Ca（NO3）2∙4H2O和1.2g的（NH4）H2PO4，分别溶于50ml水中配成溶液，在50°C下，边搅拌边滴加（NH4）H2PO4至Ca（NO3）2溶液，同时用氨水保持pH值在10左右，半小时滴完。

沉淀完全后加入聚乙二醇0.3g作为分散剂，并在70°C下陈化3小时，冷却后过滤洗涤数遍，再将滤饼在120°C下干燥，并于500°C下锻烧1小时，研磨后得到HA粉末。

其反应式为：

10Ca（NO3）2∙4H2O+6（NH4）H2PO4+12NH3∙H2OCa10（PO4）6（OH）2+20NH4NO3+10H2O

2.纳米级羟基磷灰石的物相分析和形貌表征

在专职教师的指导下，分别使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）以及热重/差示扫描量热分析仪（TG/DSC）对样品进行物相、形貌及热稳定性表征。

五、实验结果和处理

1.利用化学共沉淀法制备纳米级羟基磷灰石

理论产量：

g；实际产量：

g；

产率：

%。

2.纳米级羟基磷灰石的物相分析和形貌表征

（1）XRD分析结果

（2）描述SEM观察到的样品形貌

（3）TG/DSC的结果分析：

吸热/放热峰的位置，失重的温度及比例

六、思考题

1.氨水在共沉淀法中的作用是什么？

附注：

羟基磷灰石吸附重金属离子后，转化成载A（A代表重金属）羟基磷灰石，根据一些报道，可以二次利用为抗菌材料，达到“以废治废再治废”目的。

因此可以利用羟基磷灰石吸附重金属离子后对一些细菌进行抗菌实验研究，测试其抗菌能力和抗菌效果，为抗菌材料提供新的选择。

加之以其优越的物理化学特性及对重金属的高效去除率，在环境保护领域的应用将具有较高经济效益和巨大社会效益。

实验六玻璃细工及真空（高真空）操作

1、实验目的

学习和了解玻璃的基本性质，掌握小型硬质玻璃仪器的简单制作与维修方法。

学习和掌握真空的获得和测量方法。

2、实验材料

直径10mm，20mm硬质玻璃管各1根，软质玻璃管，玻璃棒各一支，石英玻璃管一支，焊炬一支，氧气瓶一个。

真空架一个（含扩散泵及相关真空阀门与磨口），旋片真空泵一台，检漏计一个，复合真空计一套。

3、实验内容

1）玻璃的分类与基本性质，了解不同玻璃的特性

2）煤气氧焰的调节与控制

3）玻璃管的清洁

4）玻璃的截断方法

5）玻璃管的旋转与平衡

6）玻璃管连接

i）外接法

a）一步连接b）多步连接

ii）内外连接

7）玻璃管弯曲操作

8）毛细玻璃管制作

9）T型管的制作

10）玻璃管的收缩与膨胀处理

11）真空获得的方法及真空系统的使用

12）真空表示与检测

13）查找真空系统漏点的方法。

思考题：

1.不同材质的玻璃管能否直接接到一起？

2.怎么样把不同材质的玻璃接到一起？

3.电火花检漏需要注意的事项有哪些？