无机合成材料.docx

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无机合成材料

无机材料合成及工艺复习提纲

主要题型：

填空、选择、名词解释、简答、综合实践〔材料合成设计〕

第一章绪论

1、化学的核心任务:

是研究化学反响与创造新物质；无机合成化学的目标:

是为创造新物质和新材料提供高效、对环境友好的定向合成与制备手段，并在此根底上逐步开展无机材料的分子工程学。

无机合成内容：

经典合成—极端条件下合成—特殊的合成—软化学和绿色合成方法

典型无机化合物的合成——典型无机材料的合成

2、现代无机合成化学研究成果的先进性表现在哪四个方面？

⑴高难度合成与特殊制备技术的快速开展使具有复杂功能体系的新化合物、物相与物态合成数量大幅度增加，开发了大量复合、杂化与组装材料；

⑵在合成与制备化学开展的根底上开拓了大量新合成反响、合成路线与合成技术，包括极端条件下的合成，各类高选择性合成反响技术等；

⑶生产过程中绿色（节能、高效、干净、经济）合成路线的研究与开发；

⑷特定功能与生物活性的化合物、分子集合体与材料的分子设计、定向合成与分子（晶体）工程研究的积极开展。

3、软化学合成的概念及其特点。

〔储氢合金的工作〕

软化学是相对于硬化学而言的。

它是指在较温和条件下实现的化学反响过程。

软化学合成也属绿色化学范畴。

〔水法冶金〕

特点：

1.不需用高纯金属作原料；2.制得的合金是有一定颗粒度的粉末，不需在使用时再磨碎；3.产品本身具有高活性；4.产品具有良好的外表性质和优良的吸放氢性能；5.合成方法简单；6.有可能降低本钱；7.为废旧储氢合金的回收再生开辟了新途径

4、极端条件下的合成中极端条件包含哪些要素？

〔金刚石晶体的生成〕

极端条件是指极限情况，即超高温、超高压、超真空及接近绝对零度、强磁场与电场、激光、等离子体等。

5、特种功能材料的设计指开展特定构造无机化合物或功能无机材料的分子设计、剪裁与分子工程学的研究。

以特定的功能为导向，在分子水平上实现构造的设计和构建，研究分子构件的形成和组装规律，并在此根底上对特定性能的材料进展定向合成。

〔碳纳米管的手性可控制备和修饰〕〔光电功能材料〕

6、化学仿生学：

指在分子水平上模拟生物的功能，将生物的功能原理用于化学，借以改善现有的和创造崭新的化学原理和工艺的科学.（仿生膜）

关键是巧妙选择适宜的无机物沉积模板

7、纳米材料的尺度:

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为根本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子严密排列在一起的尺度。

纳米晶的制备：

①化学沉淀法②化学复原法③溶胶-凝胶法④水热-溶剂热法

⑤热分解法⑥微乳液法⑦高温燃烧合成法⑧模板合成法⑨电解法

8、绿色化学的特点和核心

绿色化学是指:

在制造和应用化学产品时应有效利用（最好可再生）原料，消除废物和防止使用有毒的和危险的试剂和溶剂。

〔循环反响：

索尔维制碱法。

侯德榜的氨碱法〕〔稻草变黄金:

超临界二氧化碳的合成。

二氧化碳既是溶剂又是反响物〕

绿色化学的特点和核心：

第二章化学热力学与无机合成

1、化学热力学在合成中的作用〔指导意义〕

无机合成反响的首要任务是设计合成方法，合成反响设计的方法随合成目标物的不同而有很大的不同，但都是先从热力学的可能及经济有利开场的。

根据热力学原理，从不同角度分析各种无机化学反响，就可以得到化学反响在指定情况下能否发生、化学反响发生的难易、产物的稳定性等信息。

这对于合成新的无机化合物，或寻找老化合物新的合成方法，或对合成产物的别离，以及合成过程中对能量的增补、减少，控制反响器温度等重要过程都是很有指导意义的，在很大程度上可以减少工作的盲目性。

2、Ellingham图的原理及应用〔课件〕

3、

耦合反响的概念当反响A的，从热力学观点来看，该反响根本上不能进展。

但是如果再合并另一个反响B，反响B又符合下面两个条件：

①反响B能把反响A中不需要的产物消耗掉；②反响B的为很大的负值，能使总反响

于是，原来单独不能自发进展的反响A，在反响B的帮助下，合并在一起的总反响就可以进展了。

这种情况称为偶合反响〔coupledreaction〕。

应用：

⑴单质磷的制备

2TlCl4的制备

〔3〕氧化法制备CuSO4

3、标准平衡常数在无机合成中的应用

用Q判断反响的进展程度

4、泡佩克斯图的原理与应用〔课件〕

电位-pH图应该称为“泡佩克斯〔Pourbaix〕图〞。

它是关于电对的电极材料-参加反响各物种浓度-温度-溶液酸度的关联图

第三章低温合成/高温合成/高压合成与应用

〔物质第四态—等离子态、物质第五态—超导态和超流态〕

1、获得低温的方法及一些应用

1恒温低温浴：

低温合成需要的低温源装置可分为制冷浴与相变制冷浴。

〔干冰啤酒〕

2制冷产生低温

3低温恒温器

⑷储存液化气体的装置

1储存液化气体的杜瓦瓶

2储存液化气体的钢瓶〔应装单向阀门，防止回火。

输入气体压力表指压不应为零〕

应用:

⑴稀有气体化合物的合成

1KrF2的低温放电合成

2XeO4的低温水解合成

3XeF2的低温光化学合成

4RnF2的低温光化学合成

⑵金属、非金属同液氨的反响

①碱金属及其化台物同液氨的反响（制备NaNH2）

②碱土金属同液氨的反响

③某些化合物在液氨中的反响

④非金属同液氨的反响

⑤液氨中配合物的生成

⑶　低温下挥发性化合物的合成

①二氧化三碳的合成

②氯化氰的合成

③磷化氢的合成

④甲硅烷的制备

⑤甲锗烷的制备

⑥乙硼烷的制备

⑷低温下气体的别离

①低温下的分级冷凝

②低温下的分级减压蒸发

③低温吸附别离（从空气别离出来的稀有气体混合物如用吸附剂反复进展吸附、解吸操作就可达提纯目的。

吸附剂可用活性炭、硅胶等）

④低温化学别离

2、高温的获得方法

⑴电阻炉

⑵高温箱形电阻炉

⑶碳化硅电炉

⑷碳管炉

⑸钨管炉

⑹感应炉

⑺电弧炉

3.⑴高温下的固相合成反响（课件记住）

Wagner机理

①尖晶石型MgAl2O4的高温固相合成

②单晶硼酸铝微管的高温固相合成〔单晶硼酸铝微管的形成经历了一个固-液-固机理〕

⑵高温下的固-气反响

①锂复原YCl3

②制备金属钾

③制备无水氯化稀土

3、高温下的化学转移反响〔真空〕

化学转移反响〔chemicaltransportreaction〕是一种固体或液体物质A在一定的温度下与一种气体B反响，形成气相产物，这个气相反响产物在体系的不同温度局部又发生逆反响，结果重新得到A。

这个过程似乎像一个升华或者蒸馏过程，但是在这样一个温度下，物质A并没有经过一个它应该有的蒸气相，又用到了物质B〔转移试剂〕，所以称化学转移。

4、高温下的复原反响

氢复原WO3大致可分三个阶段：

2WO3+H2═W2O5+H2O

W2O5+H2═2WO2+H2O

WO2+2H2═W+2H2O

注意：

反响时参加熔剂的目的是改变反响热并使熔渣有良好的流动性以易于别离

5、自蔓延高温合成：

自蔓延高温合成材料制备是指利用原料本身的热能来制备材料。

6、高压合成概念及产生方法、测定技术

概念：

指在高压〔经常还有高温〕下合成常态时不能生成或难于生成的物质的过程。

⑴高压的产生

静压法：

静压法是指利用外界机械加载压力的方式，通过缓慢逐渐施加负荷，挤压所研究的物体或试样，当其体积缩小时，就在物体或试样内部产生高压强。

动高压：

动高压就是利用爆炸（核爆炸、火药爆炸等）、强放电等产生的冲击波，在μs~ps的瞬间以很高的速度作用到物体上

⑵高压的测量

高压的测量经常采用物质相变点定标测压法。

7、超导体的特征

超导体都具有两个突出的性质：

一是临界温度以下的电阻为零；二是显示Meissner效应。

第四章水热溶剂热合成/无水无氧合成/电解合成

1、水热-溶剂热合成的概念、特点/缺乏、反响类型、设计和操作〔反响介质的影响〕、应用

概念：

水热-溶剂热合成是指温度为100～1000℃、压力为1MPa～1GPa条件下利用水溶液中物质化学反响所进展的合成。

在亚临界和超临界水热-溶剂热条件下,由于反响处于分子水平,反响性提高,因而水热-溶剂热反响可以说扩大了高温固相反响。

特点：

⑴水热-溶剂热条件下，由于反响物处于临界状态，反响活性会有大大提高，有可能代替固相反响以及难于进展的合成反响；

⑵在水热-溶剂热条件下中间态、介稳态及特殊物相易于生成，可用于特种介稳构造、特种凝聚态的新合成产物；

⑶能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在此条件下晶化生成；

⑷有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度；

⑸易于反响的环境气氛，有利于低价态、中间价态与特殊价态化台物的生成，并能均匀地进展掺杂。

缺乏：

⑴由于反响在密闭容器中进展，无法观察生长过程，不直观，难以说明反响机理；

⑵设备要求高（耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬）、技术难度大（温压控制严格）、本钱高；

⑶平安性能差（我国已有实验室发生“炮弹〞冲透楼顶的事故）。

反响的根本类型：

⑴合成反响⑵热处理反响⑶转晶反响⑷离子交换反响

⑸单晶培育⑹脱水反响⑺分解反响⑻提取反响⑼沉淀反响⑽氧化反响⑾晶化反响⑿烧结反响⒀反响烧结⒁水热热压反响

反响介质对反响的影响

①压强-温度

高温高压使水热反响具有重要离子间的反响加速、水解反响加剧、有氧化复原反响的电势发生明显变化三个特征。

一般的反响都会从离子反响变为自由基反响，也便具有极性键的有机化合物常具有某种程度的离子性，自然能诱发离子反响或促进反响。

②填充度

③合成溶剂性质的改变

★水热反响中，溶剂会使反响物溶解或局部溶解，生成溶剂合物，这会影响化学反响速率。

pH效应：

改变或调整溶剂的pH得到理想结果的例子举不胜举

1.合成设计：

金属离子与配体物质的量的比值不同可定向构筑得到单、双、三金属配合物

2.操作程序：

水热-溶剂热体系的成核与晶体生长

一般认为：

★水热-溶剂热体系的化学研究大多针对无机物晶体和无机-有机杂化聚合物；

★形成这些晶体的步骤大约是：

在液相或液固界面上少量的反响试剂产生微小的不稳定的核，更多的物质自发地沉积在这些核上而生成微晶；

★水热-溶剂热生长的不全是离子晶体。

例如BaSO4或AgCl等，会通过局部共价键的三维缩聚作用而形成，故水热-溶剂热生成的BaSO4或AgCl比从过饱和溶液中沉积出来更缓慢，其晶化动力学受到许多因素影响；

★成核速率随过冷程度即亚稳性增加而增加；

★认为晶体从溶液中结晶生长需要克制一定的势垒。

应用：

1介稳材料的合成.2人工水晶的合成.3特殊构造、凝聚态与聚集态的制备.4复合氧化物与复合氮化物的合成.5水热条件下的海底:

生命的摇篮

2、无水无氧操作技术的类型、特点及应用

概念：

由于许多化合物对于空气中的O2、湿气〔水蒸气〕和CO2敏感，易与其反响，因此将这些化合物称为“空气敏感化合物〞

类型：

⑴Schlenk装置

〔2〕惰性气氛手套箱

⑶化学真空线

应用：

⑴金属有机化合物的制备

①钛、锆的金属有机化合物

②二茂铁的电解合成

⑵无机化合物的制备或脱水

3、电解合成概念、优点、主要装置、应用

概念：

电解合成指通过电氧化或电复原过程，在水溶液、熔盐和非水溶液中的合成。

优点：

在电解中能提供高电子转移的功能，可以使之到达一般化学试剂所不具有的氧化复原能力；合成反响体系及其产物不会被复原剂（或氧化剂）及其相应的氧化产物（或复原产物）所污染；由于能方便地控制电极电势和电极的材质，因而可选择性地进展氧化或复原，从而制备出许多特定价态的化合物；由于电氧化复原过程的持殊性，因而能制备出其他方法不能制备的许多物质和聚集态。

主要装置：

⑴阳极⑵阴极⑶隔膜〔4〕电解液

应用

⑴获得高纯金属

⑵新工艺合成碘酸钙的研究

⑶电化学合成无机纳米材料

⑷特殊价态化合物合成

⑸熔盐体系的电化学无机合成

⑹非水溶剂中无机化合物的电解合成

第五章等离子体合成/化学气相沉积合成/溶胶-凝胶法

1、等离子体概念

等离子体（plasma）是由局部电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，是物质存在的第四态。

2、化学气相沉积概念、技术特点、反响类型

概念：

化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反响生成固态沉积物的技术。

技术特点：

⑴沉积原理

⑵CVD技术的特点

①淀积反响如在气固界面上发生,那么淀积物将按照原有固态基底（又称衬底）的形状包覆一层薄膜。

②可以得到单一的无机合成物质,可作为原材料制备。

③可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。

④可以沉积生成晶体或纫粉状物质

⑶原料的要求

①易获得高纯品。

②反响易于生成所需要的沉积物,而其他副产物保存在气相排出或易于别离。

③沉积装置简单，操作方便易于控制。

工艺上具有重现性，适于批量生产。

反响类型：

⑴热分解

⑵化学反响合成

⑶化学输运反响沉积合成

⑷增强反响沉积

3、化学输运反响沉积合成

〔把所需要的物质当作源物质，借助于适当气体介质与之反响而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带（用载气）输送到与源区温度不同的淀积区，再发生逆向反响，使得源物质重新淀积出来，这样的反响过程称为化学输运反响。

〕其实质还是化学转移反响。

4、溶胶凝胶法的概念、根本原理、优点和应用

概念：

溶胶-凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反响生成活性单体，活性单体进展聚合，开场成为溶胶，进而生成具有一定空间构造的凝胶，经过枯燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。

〔胶体〔colloid〕是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

〕

根本原理和工艺

典型的溶胶-凝胶工艺是从金属的醇氧化物开场的。

使用乙醇反响的原因是Ti（s）和H2O（l）直接反响易导致生成氧化物和氢氧化物的混合物，而通过形成Ti（OCH2CH3）4（s）中间产物的水解那么可制得均匀的Ti（OH）4超微粒子悬浮体溶胶。

优点：

①由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低黏度的溶液，因此，可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反响物之间很可能是在分子水平上均匀地混合。

②由于经过溶液反响步骤，因此很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

③与固相反响相比，化学反响将容易进展，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反响时组分扩散是在微米范围内，因此反响容易进展，温度较低。

④选择适宜的条件可以制备各种新型材料。

应用：

⑴薄膜涂层材料⑵超细粉末⑶纳米粉体⑷陶瓷材料⑸电极材料⑹复合材料⑺催化剂⑻其他方面的应用