【优质文档】无机合成化学复习总结完善版.pdf

学习必备欢迎下载 无机合成总体概括 12 章基础36 章常见的重要合成方法710 章 合成对象 第一章绪论无机合成化学的定义、研究内容、思想方法、问题 定义 :又称无机制备，是研究无机物质和不同物态的合成原理、合成技术、合成方法及合成产 物进行分离、提纯、鉴定和表征的一门科学。 研究内容: 方法 :经典合成方法、极端条件下（超高温、超高压、等离子体、溅射、激光等）的 合成方法、特殊合成方法（电化学合成、光化学合成、微波合成、生物合成等）、软化学 与绿色化学合成方法 对象:典型无机化合物的合成、典型无机材料的合成、新材 料的设计合成 思想方法 :开拓新的合成方法、元素的掺杂和置换、突破体系、体系杂化、学科交叉 基本问题 :无机合成化学与反应规律 问题，无机合成中的实验技术和方法问题，无机合成中的分离 和纯化 问题，无机合成中的结构鉴定和表征问题。 热点领域：特种结构无机材料的制备； 软化学和绿色合成方法； 极端条件下的合成； 无机功能材料的制备； 特殊聚集态材料的制备； 特种功能材料的分子设计； 仿生合成 ； 纳米粉体材料的制备。 第二章气体和溶剂 气体和溶剂在合成中的作用:气体 :用作载气， 保护气氛和燃料溶剂 :提供反应场所、 改 变化学平衡与速率、催化作用。 气体除杂净化的方法和对象:净化方法：a. 化学吸收除杂（设计原则：特效性，灵 敏性，高的选择性） b. 气体的分级分离净化（包括：低温下的 分级冷凝、低温下的分级蒸发、 应用分馏柱进行分级蒸发、 气 体色谱法）c. 吸附分离和净化 （吸附剂对气体混合物中各组分 的吸附能力差异）对象：液雾，固体微粒，水和杂 质（氧、氮等）。 干燥除水分，用沸石分子筛，其优点 : 吸水能力大，较稳定；即使在低水蒸汽压和 高温下，吸水能力都较好 选择干燥剂考虑因素：吸附容量越大越好；吸附速率越快越好；吸附后残留水蒸汽 压越小越好；再生能力，越易再生越好。 原则 :干燥过程中成分不要减少，不要引入新杂质。 无水无氧实验操作：应用的条件 : 合成具有强还原性的特殊低价化合物对溶剂和气氛要求 特别高无水无氧操作室（手套箱） ； 装置 : 真空系统或手套箱或煦兰克装置。 溶剂：质子溶剂 - 特点: 能接受或提供质子，可自电离。包括：碱性溶剂: 液氨；酸性溶 剂: 液体氟化氢、硫酸，超酸溶剂。 质子惰性溶剂 :a. 惰性溶剂，基本不溶剂化不自电离；b. 偶极质子惰性溶剂，即 极性高电离程度不大。 c. 两性溶剂 ;d. 无机分子溶剂 固态高温溶剂 : 熔盐、金属 溶剂选择原则：a. 反应物充分溶解； 学习必备欢迎下载 b. 反应物不与溶剂作用； c. 使副反应最少； d. 易与反应物分离。 e. 纯度高，粘度小，易回收，价格低廉，安全 第三章经典合成法 化学气相沉积法（CVD ）高压化学气相沉积法HP-CVD ， 低压 LP-CVD , 等离子 P-CVD , 激光 L-CVD , 金属有机化合物MO-CVD , 高温 LT-CVD 定义: 是利用 气态或蒸气态 的物质在 气相或气固界面 上发生化学反应， 生成固态沉积 物的技术。 装置: 供气系统、加热装置、反应室、尾气处理装置。 反应类型：热分解反应、化学合成反应、化学输运反应。 合成方法： 化学气相沉积法（ CVD ） ；高温合成；低温合成和分离；高压合成；低压合成 和热熔法 化学输运反应： 把所需 沉积物作源物质 ，用气体介质与之反应 ，形成一种气态化合物 ， 气态化合物 借助载气运输 到与源区温度不同的 沉积区 ，再发生逆反应 ， 使反应源物质重新沉积 出来。 高温合成获得：a. 电阻炉 （几种发热体：金属发热体；碳素材料发热体；碳化硅发 热体） b. 感应炉 c. 电弧炉 高温的测量：接触式（热电偶）、非接触式 （光学高温计） 低温合成低温源 a. 制冷浴 （冰盐低共熔体系， 干冰浴，液氨）b. 相变制冷浴c. 液化气体的使用和贮存 。合成 : 液氨中的合成；低温下稀有气体化合物 的合成 高压合成：即利用外加的压力合成固体化合物和材料的技术。 高压的在合成中的作用: 引起物质性质的改变；有利于体积减小的反应。 静高压 : 是指利用 外界机械加载 方式，通过 缓慢逐渐施加负荷 ，挤压被研究 的物体和试样，当其体积缩小时在物体或试样内部产生的高压。 动高压 : 利用爆炸、强放电等产生的 冲击波在sps 的瞬间高速作用于物体 ， 使物体内部产生高压， 并急剧升温。 （静高压与动高压在压力、作用时间、 温度、测量方式上有所区别）。 高压下的无机合成: 1、伴随相变的合成反应；2、非相变型高压合成。 低压合成真空度的划分 产生真空的装置: 真空泵， 真空泵的类型：机械真空泵 、蒸气流泵 、 吸气剂泵 、离子泵 、低温泵 旋片机械泵 、涡轮分子泵 、无油真空泵 。 真空的测量 : 真空计 （绝对真空计.相对真空计） 、麦式真空规 、热偶真空 规、热阴极电离真空规、冷阴极磁控规 实验室常用的真空装置包括三个部分：真空泵 、真空测量装置和按照具体实验的要求而设计的管 真空度压强范围 /pa 低真空1053.3*103 中真空3.3*10310-1 高真空10-110-4 很高真空10-410-7 超高真空10-710-10 极高真空10-10 学习必备欢迎下载 路和仪器 。操作单元 :真空阀、阱（机械阱、冷凝阱、热电 阱、离子阱、吸附阱等）真空系统中反应试剂的引入，旋 塞是在真空系统中调节气体流量和切段气流通路的原件， 必不可少。 热熔法 : 电弧法、熔渣法 第四章软化学和绿色合成方法 软化学：温和条件下进行的反应，反应可控， 以达到高效节能的目的。绿色化学， 特点 :原子经济性， 高效、节能、经济、洁净 软化学与绿色化学: 关系密切，又有区别。软化学强调反应条件温和、设备的简单 ，以 达到节能 、高 效的目的，在某些情况下这也是经济、洁净的，同绿色化学一致。而在有些情 况下 并未解决经济、洁净的问题。绿色化学是全方位的要求达到高效、节能、 经济、洁净 。未来，软化学和绿色化学将会逐渐趋于统一。 硬化学 : 在极端条件下，合成多种异于一般条件下的新化合物以及新物相与物态的化学合成方法， 特点 : 高温、高压、高真空、高能、高制备成本，合成的材料建立在热力学的平衡态之上。 硬化学与软化学 : 两种方法都是化合物和材料的热点研究领域，反应方法和条件不同:硬化学在 极端条 件下进行，不易控制，设备复杂，高耗能且成本高；软化学的 反应条件温和，过 程易控，设备简单，制备成本低。因制备方法条件不同，性能也就有较大差异，但 在化合物与材料中都有其各自的优越性，两者的合成思路共同为材料合成提供支 持！ 先驱物法 : 是解决高温固相反应法中产物的组成均匀性和反应物的传质扩散所发展起来的节能的合 成方法。基本思路：首先通过准确的分子设计，合成出具有预期组分，结构 和化学性质 的先驱物 ，再在 软环境下 对先驱物进行处理，进而得到 预期的材料 。高温固相反应法是 直接用固体原料在高温下反应，而先驱物法师用原料通过化学反应制成先驱物，然后焙烧 即得产物。应用 : 尖晶石（ MFe2O4、 MCo2O4）的合成、亚铬酸盐的合成 溶胶 -凝胶法 : 定义 :是用 含高化学活性组分的化合物作 前驱体 ，在 液相下 将这些原料 均匀混合 ，并 进行 水解 、缩合 化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化过程 胶粒间缓慢聚合，形成 三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性 的溶剂， 形成凝胶。 凝胶经过干燥、 烧结固化制备出分子乃至纳米级结构的材料。 反应机理 : 是反应物分子母体在水溶液中进行水解和聚合。即由分子态聚 合体 溶胶 凝胶 晶态（非晶态） 。 与传统的高温固相反应法相比，溶胶凝胶合成法的特点： a.通过 混合各反应物的溶液，可获得 所需要的均相多组分体系； b.可大幅的降低制备材料和固体化合物的温度，从而 可在比较温和的条件下制备 陶瓷 ，玻璃 等功能材料 ； c.利用溶胶或凝胶的流变性，通过某种技术如喷射，浸涂等可合成出特殊形态的 材料 如薄膜 ，纤维 ，沉积材料 等； d.由于溶胶的前驱体可以提纯而且溶胶-凝胶过程能在低温下可控制的进行，因而 可制备高纯或超纯物质，且 可避免在高温下对反应容器的污染等问题。 拓扑化学反应 : 定义:在温和的反应条件下通过局部化学反应或局部规整反应而保持反应物的晶体 构架的反应 分类: 脱水反应， 嵌入反应， 离子交换反应， 分解反应， 氧化还原反应 低热固相反应：指反应温度在100 以下的固相反应。 固相反应与液相反应的差别：a.反应物溶解度的影响； 学习必备欢迎下载 为摩尔质量）为析出物质质量，； 9649096490 EG EItEQ G b.产物溶解度的影响； c.热力学状态函数的差别； d.控制反应的因素不同； e.化学平衡的影响。 水热合成法 . 定义 :密闭体系中，水为溶剂，一定温度下，在水的自生压强下，反应混合物进行 反应的一种方法。【背景 :模拟自然界中某些矿石的成矿作用的一种软化学方法】 设备 :不锈钢反应釜（高压釜） 优点 :可制得许多其他方法不能或难以得到的化合物。众多的介稳相可通过 水热反应加以合成。 分类 :低温水热法（温度 100） 、中温水热法（ 100300） 、高温高压水 热法（ 300，0.3GPa） 高温高压是无机合成和晶体制备的重要方法，在此条件下水热反应的三个特征： a.使复杂离子间的反应加速；b.使水解反应加剧；c.使其氧化还原电势发生明显 变化。 水热法中水的特点和作用：特点：（三低两高）蒸汽压变高、密度变低、表面张力变低、黏度变 低、离子积变高。作用： 作为主要的介质 ；诱发例子反应或促进反应 流变相反应 : 在反应体系中有流变相参与的化学反应 流变相体系 : 固体和液体物质分布均匀，不分层的糊状或黏稠状固液混合体系 第五章特殊合成方法 电解合成定义 :利用电化学反应进行合成，也称电解合成 优点 : a. 能提供高电子转移功能，制备多种氧化态物质； b. 合成反应体系及其产物不会被还原剂（或氧化剂）及其相应的产物所污染； c. 能方便控制电极电势和电极材质，因而制备出许多特定价态的化合物； d. 能制备出其他方法不能制备的许多物质和聚集态。 缺点 : a. 仅限于氧化还原反应 , 且高耗能； b. 技术要求高、管理不易； c. 电解槽设备复杂，电极间绝缘，电极的保护和调比较困难，生产力不高，电极 的活性不易维持； d. 电极易被污染，阳极易被腐蚀。 法拉第电解定律 电流效率实际析出量 G/理论析出量 G理×100 能斯特（ Nernst ）方程E=E (0.0592 /Z)lgJ J 为: 还原型 / 氧化型 分解电压和超电压：E外=E可逆 E不可逆 E电阻 =EMF+E超E电阻 引起电解质开始分解的最低电压叫理论分解电压。实际分解电压比理论 分解电压大，两者之差称为超电压。 电极上产生超电压的原因：浓差过电位；电阻过电位；活化过电位 影响超电位的因素：电极材料；析出物质的形态；电流密度。 光化学合成用热化学反应难以 或必须在苛刻条件下才能合成的化合物用光化学方法易 合成的光化学反应。 微波燃烧合成（微波烧结） ：定义 :通过微波加热，均匀混合的物料或预先压制成型的料坯 学习必备欢迎下载 达到一定高的温度，引发燃烧反应或完成烧结过程。 微波加热的特点：是可以 在被加热物体的不同深度同时产生 热，也正是这种体加热作用，使得加热速度快且均匀 ，缩短 了处理材料所需要的时间，节省了能源 。 自蔓延高温合成（SHS ）:基于放热化学反应基本原理，首先利用外部热量诱导局部化学反应，形成反 应前沿，接着化学反应在自身放热下继续进行，进而燃烧波蔓延至整个反应 体系，最后合成所需材料。优点：节能；高效；合成产品纯度高；合成产 品成本低；易于从实验转为规模生产； 可控制合成产品的冷却速率。 第六章极端条件下的合成化学 等离子体化学合成: 定义:利用等离子体特殊性质合成，又名放电合成。 等离子体的特点: a.高导电率，异于一般的固态、液态、气态，也称物质 第四态； b.高导电率可与外电场、外磁场或电磁辐射发生强烈的相 互作用；c.能借助于自电场与粒子发生集聚;d.具有弹性 用 E/P或 E/n（ E 电场强度P-压强， n-离子密度）比值大-热等离子体，比值小 冷等离子体 溅射合成 : 特点 : 广泛用于制备多晶质和无形薄膜；源物质采取电场蒸发，薄膜生长温度低 溅射技术分类 : 阴极溅射，反应溅射，吸气溅射 装置 : 阴极溅射设备，吸气溅射设备 第七章单晶生长 单晶、多晶、微晶、非晶的区分: 用 X射线衍射（ XRD）*单晶 -一套衍射斑点，呈点状多晶 -明暗 环微晶 -较模糊的明暗环非晶体 -无明显的明暗环、均 匀 人工合成单晶的方法: 溶液生长法、熔体生长法、气相生长法、高温固相生长法、流变相生长法 溶液生长晶体法 原理 :形成过饱和溶液，晶体在其中生长。 方法有：a.降温法 b.流动法 c.蒸发法 d.凝胶法 e.电解溶剂法。 降温法 适用于溶解度和温度系数都较大的物质 流动法（温差法）优点： A.晶体始终在最有利的生长温度和最适宜的过饱和度下恒温生长；B.晶体尺 寸和生长量不受晶体溶解度和溶液体积的限制，而只受到容器大小的限制。 电解溶剂法和溶剂蒸发法的异同：电解溶剂法是用电解法来分解溶剂，使溶剂处于过饱和状态，特 别适用一些稳定的离子晶体的水溶液体系；而蒸发法是将溶剂不断蒸发，使溶剂保持在 过饱和状态， 比较适用于溶解度较大而溶解温度系数很小的物质；电解溶剂法可以在室 温下进行，而温度较低时，蒸发量小, 蒸发速度难以控制。两者都在恒温下进行的。 凝胶法：以凝胶为扩散和支持介质，反应通过凝胶扩散缓慢进行。溶解度小的反应产物常在凝胶中 逐渐形成晶体（适用于溶解度小的难溶物质） 熔体生长晶体法：制备大单晶和特定形状的单晶，生长快、晶体纯度高和完整性好 提拉法，优点：a.生长过程中可方便观察晶体的生长状况；b.晶体在熔体的自由表面处生长，不与坩 埚相接触，减小晶体的应力并防止在坩埚壁上的寄生成核；c.使用定向籽晶和 缩颈 工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。 坩埚移动法，优点:工艺易掌握，实现程序化、自动化，可够制造大直径的晶体 浮区区熔法：生长的晶体和多晶原料之间的熔区由表面张力所支持，熔区自上而下移动，以完成结晶。 优点：不需坩埚，避免污染；加热温度不受坩埚熔点限制，可生长熔点极高的材料。 助溶剂法，分为两类：a.自发成核法；b.籽晶生长法。 焰熔法 : 是一种无坩埚生长方法。 基本原理：用纯净 氧化铝为原料，以氢氧焰加热的焰熔炉，用振动器将粉末状原料以一 定的速率洒下，通过火焰高温区熔融，熔化后落在结晶杆籽晶上形成液层， 学习必备欢迎下载 籽晶向下移动使液层凝固，其凝固速率与供料速率保持平衡。 优缺点 : 优点 :a.此方法生长单晶体不需坩埚，既节约了做坩埚的耐高温材料，又避免坩埚 造成的污染；b.氢氧焰燃烧温度可达2800，可生长熔点极高的单晶体；c.生长 速率较快，短时间内可得大的晶体，适于工业生产。d.可以生长出较大尺寸的晶 体。缺点： a.火焰中的温度梯度较大，晶体质量欠佳b.热源是气体的燃烧，温 度不易稳定地控制c.生长出的晶体位错密度较高，内应力也较大。 d.不适合易挥 发或易被氧化的材料，e.材料损失，不经济 高温固相生长法 : 再结晶法、多形体相变法 流变相反应 : 参照第四章 -流变相反应 第八章典型无机材料的合成 精细陶瓷 : 定义:采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加 工的，便于进行结构设计的，并具有优异特性的陶瓷。（按照化学组成分为氧化 物陶瓷和非氧化物陶瓷；按功能可分为结构陶瓷和功能陶瓷） 制备工艺 :原粉的合成、精细陶瓷的成型、烧结、后处理 精细陶瓷原粉的化学合成：化学合成法是由离子、原子、分子通过反应、成核和生长、收 集、后处理等手段获取超细微粉。（固相合成法、液相合成法 , 气相合成法） 特点： 纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细， 并可以实现颗粒在分子级水平上的符合、均化。 精细陶瓷的成型：（1）原粉的预处理（2）粉料的成型可分为:干压成型、冷等静压成型、橡胶等静 压成型、浆料成型可塑成型 精细陶瓷的烧结：无压烧结、热压烧结、其他方法烧结 粉体材料的合成 纳米科技 : 尺寸在0.1100nm 之间， 研究物质的特性和相互作用，同时 利用这些特性在一定范围内 对原子、 分子 进行操纵 和加工 的多学科交叉 的科学技术纳米材料 :基本单元的颗粒或晶 粒尺寸 至少在一维上小于100nm,且必须具有与其他材料截然不同的光电热化学 或力学性 能的材料体系。纳米材料可分为纳米微粒和纳米固体。 纳米粒子的特点 :a.尺寸小b.比表面积大c.表面能高d.表面原子比例大 纳米粒子基本理论:a.久保效应b.表面与界面效应c.小尺寸效应d.量子尺寸效应e.宏观粒子隧道理论 纳米粒子的物理特性：热性质、磁性、离子导电性、光学性质、力学性能。 纳米粒子的化学特性：化学反应性能提高；吸附性强；催化效率高。 纳米粒子的制备 : 化学气相沉积法，沉淀法，溶胶-凝胶法，微乳液法，流变相合成法，水 热及溶剂热法，先驱物法 非晶态材料：特征:长程无序性；亚稳态性制备 :熔体冷却法，气相凝聚法，晶体能 量泵入法，化学反应法 第十章无机化合物的分离和提纯 常见分离提纯方法:萃取、重结晶、化学沉淀、吸附分离、蒸馏与分馏、升华、过滤、区域 熔融提纯、离子交换法和吸附色谱法、膜分离、泡沫分离 分离和提纯的特点:a.多样性 b.主要利用于物质的物理性质的差异进行分离，对感兴趣组分 达到富集和纯化 c.方法具有适应性与局限性。 应用: 膜分离 -海水淡化 三大技术 :信息、材料、能源 三大材料 :陶瓷、金属、高分子 学习必备欢迎下载 四大科学领域 : 信息、材料、能源、生命 八大朝阳科学 : 信息、材料、能源、生命、环境、 地球、空间、核科学