无机合成化学 第一章 绪论 2学时20101103.ppt

贵州师范大学 化学与材料科学学院,无机合成化学,美国化学科学机会调查委员会等权威机构编著的化学中的机会一书指出： “化学是一门满足社会需要的中心科学。” “我们要想懂得多些，就要能做得多些，所以合成是化学家的看家本领”。,从科学发展的角度来看，美国著名化学家Stephen J Lippard，1998年在探讨化学的未来25年时有一段精彩的讲话： “化学最重要的是制造新物质。化学不但研究自然界的本质，而且创造出新分子、新催化剂以及具有特殊反应性的新化合物。化学学科通过合成优美而对称的分子，赋予人们创造的艺术；化学以新方式重排原子的能力，赋予我们从事创造性劳动的机会，而这正是其它学科所不能媲美的。”,所以，合成化学是化学学科当之无愧的核心，是化学家改造世界、创造未来最有力的手段。,中国科学家打造铂金“纳米皇冠”世界首创,2003年2月10日出版的国际著名化学期刊德国应用化学，报道了中国科学院化学所高分子物理与化学国家重点实验室于澍燕研究员领导的研究小组，运用分子自组装技术打造出了一顶大小在纳米尺度的形状类似皇冠的“纳米皇冠”。,C60 (足球烯、富勒烯)简介,结构：60个碳原子构成近似于球形的32面体，即由12个正五边形和20个正六边形组成。每个碳原子以sp2.28杂化轨道与相邻三个碳原子相连。剩余的P轨道在C60的外围和腔内形成大键。其形状酷似足球，故称作足球烯。1996年R.E.Smalley、H.W.Kroto和R.F.Curl获得诺贝尔化学奖。,碳纳米管,分子筛,碳-碳复合材料,高能燃料,人造金刚石,无机-有机电荷转移盐 (SCH3)4TTF4PMo12O40,配合物,一. 无机合成化学的发展及其地位 1. 发展 无机合成是无机化学的一个重要分支，是无机化学发展的一个前沿阵地。,第一章 绪论 2学时,无机合成化学是无机化学的一个重要分支，它是研究无机物和无机材料的制备与合成的原理、方法和技术（包括鉴定技术）的一门学科。,就合成方法而言，无机合成包括经典合成方法、软化学和绿色合成方法、特殊合成方法、极端条件下的合成方法。 就合成对象而言，典型无机材料的合成及典型无机化合物的合成等。 当然，新材料的设计、合成方法的改进也是无机合成化学研究内容。,2. 历史 石器、陶器、铜器、铁器时代至现代，均以无机材料作为划 分时代的标志。 成就举例： 公元二世纪（东汉） 现存最古老炼丹文献出现 公元七世纪（唐代） 火药 20世纪50年代初 无机固体造孔合成技术的进步 分子筛 催化材料 石油加工与石化工业 近期 纳米制备与合成技术 团簇的合成与组装技术（C60） 复合氧化物型超导体的合成,3. 地位 现代无机合成不仅只局限于昔日传统合成，而且包括了制备与组装化学，已成为推动无机化学及有关学科发展的重要基础。它在现代人类的衣食住行、生存环境的保护和改善，以及国防现代化等方面都起着极其重要的作用。,二. 无机合成与无机新材料,1. 无机合成的主要任务 提供高新技术发展所需要的日益增多的新型无机材料。,2. 无机材料的特点 多为兼有离子键和共价键的晶体结构 优点：硬度大、强度高、热稳定性好、抗化学腐蚀、 绝缘性良好 缺点：质脆,3.几种典型功能无机材料介绍,(1) 电磁功能材料,高绝缘性：BeO （高纯度致密烧结体） 散热性绝缘底板,介 电 性：BaTiO3 (高纯度致密烧结体、单晶体） 电容器,压电效应：ZnO （定向型薄膜） 超声波元件、电子电路声纳等,磁光效应：-Fe2O3 （针状粉末） 磁带,(2) 强度功能材料,Si3N4、SiC（致密烧结体） 涡轮叶片,(3) 光学功能材料,透光性：Al2O3（透光性致密烧结体）高压钠蒸汽灯、防雾障玻 璃等,红外线反射性：SnO2（涂布膜） 可视透光红外线,导光性： SiO2（高纯度纤维） 光导纤维,电-光效应：ZnO、ZnS、GaAs、LiNbO3等电致、场致、光致发光，光调制开关器,（4）热功能材料 耐热性：ThO2（致密烧结体） 耐热结构材料 绝热性：CaOnSiO2（多孔物质） 轻质绝热体 传热性：BeO（高纯度致密烧结体） 绝缘底板 （5） 生化功能材料 仿生物骨材：Al2O3Ca5(F,Cl)P2O12 人工齿、仿生陶瓷 载体性：SiO2（孔径控制多孔物质） 催化剂载体 催化剂：K2OnAl2O3（多孔烧结体） 耐热性催化剂,4. 无机材料与科技发展 相互依存，相互促进 (1) 能源开发 “能源危机” “开源节流” 要求质量高的材料以适应新的发电技术和能源转换技术 (2) 空间技术 航天器 要求耐高温材料、高温结构材料、烧蚀材料和涂层材料 (3) 电子技术 固体电子器件 需要半导体材料、高频绝缘材料、荧光材料、场致发光材料、衬底用材料及大尺寸、高完整性单晶和薄膜单晶。,(4) 激光技术 方兴未艾、应用广泛 需要转换效率高、尺寸大、质量均匀的电光、声光、磁光、非线性光学晶体和化合物半导体。 (5) 光电子技术 光通讯、光信息处理和显示三方面 需要电光、声光、非线性光学晶体，光导纤维、感光存储介质和发光材料。 (6) 红外技术 应用广泛 需要对红外波段敏感、具有透过和反射性能的各种材料。 总之，随着科学技术发展，对发展新型无机功能材料提出更高要求，其反过来也推动了科技进步。,1. 课题提出 由国家或企业提出，或自选课题。 2. 可行性论证 查阅资料，了解国内外研究现状、水平及存在问题。 提出解决思路、方案、经费预算。 项目负责人作可行性论证报告，提请领导机关或同行专家审查。,三. 无机合成研究的一般程序与步骤,3. 开展研究，组织攻关 最艰苦阶段，要细心观察、勤于思索、敢于拼搏、锲而不舍。 4. 整理数据，书写论文或研究报告 “创新”，数据详实可靠，格式规范。,1. 无机合成化学与反应规律问题 为开展深入研究，需具备坚实、广阔的合成化学基础，包括化合物的物理和化学性能、反应性、反应规律和特点，与结构化学间的关系，及热力学、动力学等基本化学原理和规律的运用等等。,四. 无机合成的几个基本问题（思想方法）,一些主要类型的无机化合物或材料，如合金，金属陶瓷型二元化合物（如C、N、B、Si化合物），酸、碱和盐类，配位化合物，金属有机化合物，团簇与原子簇化合物，多聚酸和多聚碱及其盐类，无机胶态物质，中间价态或低价化合物，非化学计量比化合物，无机高聚物以及标记化合物等等的一般合成规律和合成路线的基本模式须有所了解，以利于合成路线的理解与设计，减少选择中的盲目性。,2. 无机合成中的实验技术和方法问题 固相反应或界面反应 高温或高温高压 特种结构和功能表面或界面 超高真空（固体催化材 料、电极材料） 低价态化合物和配合物 无氧无水 晶态物质“造孔”反应 中压水热合成 非金属间化合物合成、提纯 低温真空 另外，放电和光化学合成、电氧化还原合成、溶胶-凝胶技 术、CVD技术、单晶合成和晶体生长技术、放射性同位素合成 等，还有半微量和微量合成技术。,3. 无机合成中的分离问题 合成与分离是两个紧密相连的问题。 无机材料既对组成又对结构有特定要求，因而分离方法更多更复杂一些。 传统常规方法： 重结晶、分级结晶和分级沉淀、升华、分馏、离子交换和色谱分离、萃取分离等。 特种分离方法： 低温分馏、低温分级蒸发冷凝、低温吸附分离、高温区域熔融、晶体生长中的分离技术、特殊的色谱分离、电化学分离、渗析、扩散分离等。,4. 无机合成中的结构鉴定和表征问题 常规组成分析： X衍射仪、元素分析仪、综合热分析仪、各类光谱如可见、紫外、红外、拉曼、顺磁、核磁等。 特种检测方法： LEED（低能电子衍射）、AES（俄歇电子能谱）、ESS（低速离子散射光谱）、HREMS（高分辨电子显微镜）、MAS-NMR（固体魔角自旋核磁共振仪）及晶体粉末的XRD结构分析等。,1. 文献查阅的范围和深度，决定于研究工作的对象。 若系统研究一类化合物或开拓新领域的合成以至新合成方法系统研究，须全面充分查阅文献。（期刊、网络等手段） 若合成一种已知化合物，可粗略些，可查其性质及几种合成方法，比较选择合适反应条件，试剂用量。,五. 无机合成化学有关的专著和文献,2. 一些主要有关文献 (1) 无机合成（Inorganic Syntheses）丛书 （有电子版） McGraw-Hill图书公司出版，美国化学会组织编写， 南开大学，申泮文译。 介绍性质、保存、分析方法及合成方法，附参考文献 按周期表顺序排列。 主要缺点：内容不全。,(2) 盖墨林无机化学手册（Gmelins Handbuch der Anorganichen Chemie ） 第 1版由德国化学家L.格麦林主编，今朝的第8版，始编于1922年,由德国化学会认真编纂。为了眷念该手册的首创人，遂改为现名。这是一个最完整的版本。 与贝尔斯登有机化学手册和柯克·奥斯曼化学工艺学大全被喻为世界三大化学和工艺学方面的权威性工具书。 按元素排列，每个或每类元素均有一个系统号,按稀有气体 非金属 金属顺序排列，共有71个系统号。,(3) 墨克索引（The Merck Index） 美国 Martha Wind 主编 主要介绍金属有机化合物性质及合成 较简单，入门和指南的作用 (4) 无机化学制备手册（Handbook of preparative Inorganic Chemistry）（有电子版） 德国 G. Brauer编，按族分类，第二版 ，何泽人编译 第一篇介绍无机物质一般制备方法 第二篇介绍各种元素、单质和化合物，有千种以上，可靠性较差,(5) 无机化合物合成手册（有电子版） 日本化学会 编，曹慧民 等译。 介绍英文名称、分子式/量、物化性质、合成提纯方法、注意事项。 比较可靠。 (6) 化学文摘（Chemical Abstracts, CA） 1907年创刊，1967年至今，光盘检测亦可 文献来源广泛、齐全，收集世界各国著名的期刊、专利、会议文献等几万种。 不可缺少，必须熟悉!,(7) GB中国国家标准汇编 中国标准出版社 编辑部 编 1984年出版 收集1982年12月31日前国家标准，各类化工产品检验标准及分析方法。 我国技术标准分三类： 国家标准 GB 部颁标准 如HG为化工部 企业标准 Q 每个标准都有顺序号和颁发年月。 例：YB 814-75，冶金部第814号标准，1975年颁布。 另：美国国家标准（ANST）、日本工业标准（JIS）等。,若上述方法都查找失败，那么此化合物可能是近23年内才被制得或发现的，可查找近年出版的多种杂志，找到一篇文章可追溯开来。,小 结： 无机合成化学的发展及其地位 无机合成与无机新材料 无机合成研究的一般程序与步骤 无机合成的几个基本问题 无机合成化学有关的专著和文献,主要参考书目 1.无机合成化学，张克立等，武汉大学出版社 2.无机合成与制备化学，徐如人，高等教育出版社 3.现代无机合成，刘祖武，化学工业出版社 4.无机合成化学及技术，张智敏等，中国建材工业出版社 5.固体无机化学，张克立，武汉大学出版社,无机合成化学的基本教学要求 1.掌握气体、溶剂的一般特性和安全使用，了解高温、低温、高压和真空的获得和测量。 2.掌握经典和特殊的合成方法，熟悉软化学和绿色合成方法。 3.掌握典型无机材料、典型无机化合物的合成原理和方法，了解其组成、结构和性质的密切联系。 4.学习和掌握常见无机合成实验仪器设备的使用方法。 5.了解和使用产品表征方法，包括，产品表征技术，红外光谱，紫外-可见分光光度计，元素分析，透射电镜，X-射线衍射分析等。,课程考核方式和成绩评定方法 课程考核方式：期末通过查阅文献写出一个课题研究申报表（以小组为单位，3-5人，自由组合），并汇报。（见模板） 成绩评定方法：每个实验评分（资料查阅+实际操作 +实验结果+实验研究报告）的期末平均分数（30%）与期末课题研究申报表成绩（50%） 、考勤（20%）等三部分，按照一定比例加和，构成这门课程的总成绩。,