无机合成方法试题【山轻工】

绿色部分为绿色部分为 09 级考题级考题 第一部分第一部分 无机合成的基础知识无机合成的基础知识 知识点 溶剂的作用与分类知识点 溶剂的作用与分类 例如 根据溶剂分子中所含的化学基团 溶剂可以分为水系溶剂和氨系溶剂 根据溶剂亲质子性能的不同 可将溶剂分为碱性溶剂 酸性溶剂 两性 溶剂和质子惰性溶剂 例如 丙酮属于 溶剂 A 氨系溶剂 B 水系溶剂 C 酸性溶剂 D 无机溶 剂 进行无机合成 选择溶剂应遵循的原则 进行无机合成 选择溶剂应遵循的原则 1 使反应物在溶剂中充分溶解 形成均相溶液 2 反应产物不能同溶剂作用 3 使副反应最少 4 溶剂与产物易于分离 5 溶剂的纯度要高 粘度要小 挥发要低 易于回收 价廉 安全等 试剂的等级及危险品的管理方法试剂的等级及危险品的管理方法 例如 酒精属于 A 一级易燃液体试剂 B 二级易燃液体试剂 C 三级易燃液体试剂 D 四级易燃液 体试剂 真空的基本概念和获得真空的方法真空的基本概念和获得真空的方法 低温的获得及测量低温的获得及测量 高温的获得及测量高温的获得及测量 第二部分第二部分 溶胶溶胶 凝胶合成凝胶合成 溶胶 凝胶法 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 醇解 缩聚化学反应 在溶液中形成稳定的透明溶胶体 系 溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合 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 至纳米亚结构的材料 金属醇盐是介于无机化合物和有机化合物之间的金属有机化合物的一部分 可 用通式 M OR n 来表示 M 是价态为 n 的金属 R 代表烷基 金属醇盐可看作是醇 ROH 中羟基的 H 被金属 M 置换而形成的一种诱导体 金属氢氧化物 M OH n 中羟基的 H 被烷基 R 置换而成的一种诱导体 金属醇盐具有很强的反应活性 能与众多试剂发生化学反应 尤其是含有羟基 的试剂 例如 关于溶胶 凝胶合成法中常用的金属醇盐 以下说法错误的是 D A 金属醇盐可看作是醇 ROH 中羟基的 H 被金属 M 置换而形成的一种诱导体 B 金属醇盐可看作是金属氢氧化物 M OH n 中羟基的 H 被烷基 R 置换而成的一 种诱导体 C 金属醇盐具有很强的反应活性 能与众多试剂发生化学反应 尤其是含有羟 基的试剂 D 异丙醇铝不属于金属醇盐 溶胶溶胶 凝胶合成法的应用凝胶合成法的应用 溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法 在软化学合成中占有重要地位 在制备玻璃 陶瓷 薄膜 纤维 复合材料等 方面获得重要应用 更广泛用于制备纳米粒子 溶胶与凝胶结构的主要区别 溶胶与凝胶结构的主要区别 溶胶 Sol 是具有液体特征的胶体体系 分散的粒子是固体或者大分子 粒子 自由运动 分散的粒子大小在 1 1000nm 之间 具有流动性 无固定形状 凝胶 Gel 是具有固体特征的胶体体系 被分散的物质形成连续的网状骨架 骨架空隙中充有液体或气体 无流动性 有固定形状 溶胶溶胶 凝胶合成法的特点 凝胶合成法的特点 1 能与许多无机试剂及有机试剂兼容 通过各种反应物溶液的混合 很容易 获得需要的均相多组分体系 反应过程及凝胶的微观结构都较易控制 大大减 少了副反应 从而提高了转化率 即提高了生产效率 2 对材料制备所需温度可大幅降低 形成的凝胶均匀 稳定 分散性好 从 而能在较温和条件下合成出陶瓷 玻璃 纳米复合材料等功能材料 3 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地进行 因此可制备高纯或超纯物质 4 溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某些技术如喷射 旋涂 浸拉等加工成 各种形状 容易制备出粉末 薄膜 纤维 块体等各种形状的材料 5 制品的均匀性好 尤其是多组分制品 其均匀度可达到分子或原子尺度 产品纯度高 6 与通常的烧结法相比 合成温度较低 溶胶一凝胶法也存在某些问题 通常整个溶胶 凝胶过程所需时间较长 主要指陈化时间 常需要几天或几周 另一方面凝胶中存在大量微孔 在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物 并产生收缩 第三部分第三部分 水热及溶剂热合成水热及溶剂热合成 水热法 Hydrothermal Synthesis 是指在特制的密闭反应器 高压釜 中 采用 水溶液作为反应体系 通过对反应体系加热 加压 或自生蒸气压 创造一个 相对高温 高压的反应环境 使得通常难溶或不溶的物质溶解 并且重结晶而 进行无机合成与材料处理的一种有效方法 水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化 水热还原 水热沉淀 水热合 成 水热水解 水热结晶等 其中水热结晶用得最多 例如 水热反应依据反应类型的不同可分为 A 水热氧化 水热还原 B 水热沉淀 水热合成 C 水热水解 水热结晶 D 脱水 反应 水解反应 低温水热 100 C 以下 中温水热 100 200 C 高温水热 300 C 以 上 溶剂热法 Solvothermal Synthesis 是在水热法的基础上发展起来的一种新的 材料制备方法 将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒 例如 有机胺 醇 氨 四氯化碳或苯等 采用类似于水热法的原理 以制备在水溶液中无法长成 易氧化 易水解或对水敏感的材料 如 III V 族半导体化合物 氮化物 硫族化 合物 新型磷 砷 酸盐分子筛三维骨架结构等 国内实验室常用于无机合成的简易水热反应釜 釜体和釜盖用不锈钢制造 反 应釜体积较小 100 mL 也可直接在釜体和釜盖设计丝扣 直接相连 以达到较 好的密封性能 内衬材料是聚四氟乙烯 采用外加热方式 以烘箱或马弗炉为加 热源 由于使用聚四氟乙烯 使用温度应低于聚四氟乙烯的软化温度 250 釜内压力由加热介质产生 可通过装添度在一定范围控制 室温开釜 水热与溶剂热合成的一般工艺 水热反应根据反应温度可分为 低温水热 中温水热 和 高温水热 常用的溶剂热合成的溶剂有 醇类 N N 二甲基甲酰胺 四氢呋喃 乙腈 和 乙二胺等 对于水热合成 反应温度在 300 度以上的属于高温水热 例如 对于水热和溶剂热合成 下列说法正确的是 A C A 水热与溶剂热合成主要以液相反应为特点 B 水热与溶剂热合成主要以界面 扩散为特点 C 在溶剂热条件下 有机溶剂是传递压力的介质 同时起到矿化剂的作用 D 实验室常用的以聚四氟乙烯为内衬材料的水热反应斧 其使用温度应低于 500 度 水热合成中水的作用 在水热合成中水的作用可归纳如下 作为化学组分起化学反应 作为反应和重 排促进剂 起溶剂作用 起低熔点物质作用 起压力传递介质作用 提高物质 溶解度作用 第四部分第四部分 化学气相沉积化学气相沉积 化学气相沉积是通过化学反应的方式 利用加热 等离子激励或光辐射等各种 能源 在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反 应形成固态沉积物的技术 CVD 设备的心脏 在于其用以进行反应沉积的 反应器 CVD 反应器的种类 依其不同的应用与设计难以尽数 以 CVD 的操作压力来区分 CVD 基本上可 以分为常压与低压两种 若以反应器的结构来分类 则可以分为水平式 直立 式 直桶式 管状式烘盘式及连续式等 若以反应器器壁的温度控制来评断 也可以分为热壁式 hot wall 与冷壁式 cold wall 两种 若考虑 CVD 的能量 来源及所使用的反应气体种类 我们也可以将 CVD 反应器进一步划分为等离 子增强 CVD plasma enhanced CVD 或 PECVD TEOS CVD 及有机金属 CVD metal organic CVD MOCVD 等 冷壁冷壁 CVD 和热壁和热壁 CVD 装置的特点 装置的特点 热壁式 CVD 装置的的特点是使用外置的加热器将整个反应室加热至较高的温 度 显然 这时薄膜的沉积位置除了衬底上以外 还有所有被加热到高温 且 接触反应气体的所有部分 冷壁式 CVD 装置的特点是它们使用感应加热方式对有一定导电性的样品台进 行加热 而反应室壁则由导电性差的材料制成 且由冷却系统冷却至低温 冷 壁式装置可减少 CVD 产物在容器壁上的沉积 金属有机化合物 organic metals MO 指的是有机基团与金属元素结合而形成 的化合物 如三甲基铝 TMAl 三甲基镓 TMGa 二乙基锌 DEZn 等 MOCVD 装置与一般 CVD 装置的区别仅在于前者使用的是有机金属化合物作 为反应物 使用有机金属化合物的优点在于这类化合物在较低的温度下即呈气态存在 避 免了 Al Ga Zn 等液态金属蒸发过程的复杂性 因而其对工艺的敏感性小 重复性好 化学气相沉积的五个主要的步骤化学气相沉积的五个主要的步骤 a 反应物扩散通过界面边界层 b 反应物吸附在基片的表面 c 吸附物之间 或者吸附物与气态物质之间的化学沉积反应发生 d 吸附物从基体解吸 e 气体从系统中排出 第五部分第五部分 自蔓延高温合成 自蔓延高温合成 SHS 自蔓延高温合成 自蔓延高温合成 Self Propagating High Temperature Synthesis SHS 也称燃烧 合成 是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行 最终合成所需材料或制 品的新技术 任何化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际用途的凝聚态的 产品或材料 都可被称为 SHS 过程 在 SHS 过程中 参与反应的物质可处于 固态 液态或气态 但最终产物一般是固态 绝热燃烧温度绝热燃烧温度 Tad 是指绝热条件下燃烧所能达到的最高温度 即反应放出的 热量全部用来加热生成产物 绝热燃烧温度是描述 SHS 反应特征的最重要的热 力学参量 它不仅可以作为判断反应能否自我维持的定性判据 并且还可以对 燃烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系的成分设计提供依据 根据 Merzhanov 等人提出的经验判据 绝热燃烧温度大于 1800K 时 自蔓延 燃烧反应才能进行 SHS一般有如下特点 由于燃烧温度高 对杂质有自净化作用 因此产品纯度高 燃波波传播速度快 生产率高 无须供能 节约能源 可获得有独特结构的材料 例如陶瓷内衬钢管 工艺设备简单 成本低 SHS 反应过程示意图反应过程示意图 SHS 的技术归为六类 SHS 粉末 TiC MoSi2 SiC SiN 铁氧体 SHS 烧结 Ti Ni Ti Co Ni Al Fe Al 金属间化合物 SHS 致密化 TiC Al2O3陶瓷刀具 SHS 冶金 铝热剂 SHS 焊接 铝热剂焊接钢轨 SHS 涂层 陶瓷内衬钢管 Fe Al 钢结硬质合金涂层 采用离心式自蔓延高温合成法制备陶瓷内衬复合钢管的原理及过程 采用离心式自蔓延高温合成法制备陶瓷内衬复合钢管的原理及过程 采用自蔓延高温合成制备陶瓷内衬复合钢管的反应原理是 Fe2O3 2Al 2Fe Al2O3 836KJ mol 3Fe3O4 8Al 9Fe 4Al2O3 3265KJ mol 反应物粉料经混合 烘干 点火燃烧后 合成反应就从点火处自发地蔓延开去 反应一开始就形成了反应燃烧波 产生大量的热量 使反应系温度达 2000 C 以 上 在燃烧波前面有预热区 在燃烧波后面有合成区 随着反应的进行 反应 波迅速前移 高温合成区和预热区也迅速前移 生成物区不断扩大 反应物区 不断缩小 直至反应结束 离心式自蔓延高温合成制备陶瓷内衬复合钢管的过程 将 Fe2O3 或 Fe3O4 和铝粉按一定比例均匀混合装入钢管后 固定在离心机上 待离心机转数达到一定值后将反应物点燃 便发生燃烧反应 放热反应的燃烧 温度达 2450K 使生成物 Al2O3 和 Fe 瞬时熔化 在离心力的作用下 密度较 小的 Al2O3分布于钢管内表面 密度较大的铁分布在陶瓷层和钢管之间 并将 两者结合起来 最终形成具有 3 层结构的陶瓷复合钢管 采用离心式自蔓延高温合成法制备陶瓷内衬复合钢管 离心力的作用是什么 采用离心式自蔓延高温合成法制备陶瓷内衬复合钢管 离心力的作用是什么 离心力的作用主要表现在 1 有利于 Fe 和 Al2O3 分层 在离心力作用下 产物的密度差别越大 越容 易分层 离心力越大 分层越彻底 但离心力过大 会影响陶瓷层与铁层之间 的结合强度 2 有利于提高陶瓷的致密度 在燃烧过程中 由于反应物中水分 低熔点杂 质的挥发 产生大量气体 对陶瓷层的性能影响极大 一定离心力的存在 有 利于液相产物和气相产物的分离 加快气体的逸出 提高陶瓷层的致密度 下图是采用重力分离式自蔓延高温合成制备陶瓷内衬复合钢管的示意图 简要下图是采用重力分离式自蔓延高温合成制备陶瓷内衬复合钢管的示意图 简要 叙述该方法制备陶瓷内衬钢管的原理及过程 叙述该方法制备陶瓷内衬钢管的原理及过程 将粒度一定的三氧化二铁粉和铝粉按一定比例配制成铝热剂 充分混合并烘干 后置于钢管内 点燃钢管上部的反应物料使其发生燃烧反应 由于该燃烧反应 的温度达 2000 C 以上 使生成物 Al2O3和 Fe 处于熔融状态 并在钢管未反应 物料上部形成熔池 由于熔池中液相铁的密度大于 Al2O3 熔融陶瓷的密度 因 而在重力的作用下 不互溶两相熔体分离 使金属铁沉积于熔池底部 陶瓷 Al2O3 浮于上部 随着自蔓延反应燃烧波面和反应熔池自上而下的移动和钢管 沿径向向外散热冷却 Al2O3陶瓷自上而下在钢管内壁结晶凝固 从而形成了一 层厚度在 0 8 2 5mm 均匀的 Al2O3 内衬陶瓷层 由于 Al2O3 内衬陶瓷与钢管 在热膨胀系数上存在着较大的差异 使钢管对陶瓷层产生较强烈的机械压迫效 应 从而使两者在工作状态下能保持良好的结合而不分层 陶瓷层 钢基 熔融陶瓷 熔融Fe Fe粒 燃烧 反应区 铝热剂 陶瓷层 钢基 熔融陶瓷 熔融Fe Fe粒 燃烧 反应区 铝热剂 第六部分第六部分 固相合成固相合成 固相合成方法 固相合成方法 指那些有固态物质参加的反应 也就是说 反应物必须是固态 物质的反应 才能称为固态反应 固相反应不使用溶剂 具有高选择性 高产 率 工艺过程简单等优点 是人们制备新型固体材料的主要手段之一 根据反应温度 固相合成分为三类 低温固相合成 反应温度 100 度 中温 固相合成 100 度 反应温度600 度 固相反应包括四个阶段 扩散 反应 成核 生长 在高温固相合成中 实验室和工业中高温的获得通常有以下几种 电阻炉 感 应炉 电弧炉 对于高温固相合成反应 要考虑以下三个影响其反应速率的因素 反应物固体的表面积和反应物间的接触面 生成物相的成核速度 相界面间特别是通过生成核的离子扩散速度 计算题计算题 用高温固相法制备 Ba0 98Zn2 PO4 2 0 02Eu2 荧光粉 所采用的原料为 BaCO3 NH4H2PO4 Eu2O3 ZnO 试计算配制 50 克配合料 需要的各种原料 的质量 数值保留到小数点后第四位 第七部分第七部分 微波合成微波合成 对于微波合成 当微波作用到物质上时 可能产生电子极化 原子极化 界面 极化以及偶极转向极化 其中偶极转向极化对物质的加热起主要作用 实验表明极性分子溶剂吸收微波能而被快速加热 而非极性分子溶剂几乎 不吸收微波能 升温很小 水 醇类 酸类等极性溶剂都在微波作用下被迅速 加热 有些已达到沸腾 有些固体物质能强烈吸收微波能而迅速被加热升温 而有些物质几乎不吸收微波能 升温幅度很小 例 对于微波合成 下列说法不正确的是 A 极性分子溶剂吸收微波能而被快速加热 B 非极性分子溶剂几乎不吸收微波能 升温很小 C 水能在微波作用下被迅速加热 D 醇类溶剂不能在微波作用下被迅速加热 微波合成中 微波加热有哪些特点 微波合成中 微波加热有哪些特点 1 加热均匀 温度梯度小 物质在电磁场中因本身介质损耗而引起的体积加热 可实现分子水平上的搅拌 因此有利于对温度梯度很敏感的反应 如高分子合 成和固化反应的进行 2 可对混合物料中的各个组分进行选择性加热 由于物 质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性 对于某些同时存在气固界面反应 和气相反应的气固反应 气相反应有可能使选择性减小 而利用微波选择性加 热的特性就可使气相温度不致过高 从而提高反应的选择性 3 无滞后效应 当关闭微波源后 再无微波能量传向物质 利用这一特性可进行对温度控制要 求很高的反应 4 能量利用效率很高 物质升温非常迅速 运用得当可加快物 料处理速度 但若控制不好 也会造成不利影响 第八部分第八部分 固体无机发光材料固体无机发光材料 发光材料一般由基质和激活剂组成 基质 作为材料主体的化合物 激活剂 作为发光中心的少量掺杂离子 发光是一种宏观现象 但它和材料内部的缺陷结构 能带结构 能量传 递等微观性质和过程密切相关 稀土离子发光特性来源于其电子构型的特殊性 发射与激发主要来源于 4f 能级 或 5d 4f 能级间的电子跃迁 4fn 15d1 4fn 即 d f 跃迁 的跃迁发射呈宽带 强度较高 荧光寿命短 发射 光谱随基质组成 结构的改变而发生明显变化 4f 能级是一个未充满的壳层 共有 7 个轨道 由于该壳层的电子被外层电子 所屏蔽 因而形成许多固定的能级 根据洪特规则 每个轨道可以容纳自旋 方向相反的两个电子 即从 La3 到 Lu3 电子依次由 0 递增到 14 4f 壳层最 多可以容纳 14 个电子 随着原子序数的变化 4f 电子依次填入不同的子轨 道 总轨道量子数 L 总自旋量子数 S 总角动量量子数 J 和光谱支项 2S 1LJ L 0 1 2 3 4 5 6 7 8 等分别以 S P D F G H I K L 等表示 也依次改变 形成光谱项和能级的不同排布 因而稀土元素的电子态具有多种多样的能级 4f 电子在不同能级之间的跃迁 产生了丰富的吸收和荧光光谱特征 吸收系数随波长 或频率 的变化 叫作吸收光谱 发光材料的吸收光 谱 首先决定于基质 而激活剂和其他杂质也起一定的作用 它们可以 产生吸收带或吸收线 反射光谱 就是反射率 R 随波长 或频率 的变化 激发光谱是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长 或频率 的变化 发光材料的发射光谱 指的是发光的能量按波长或频率的分布 许多发光材料 的发射光谱是连续的宽带谱 分布在很广的范围 发光 发光 当某种物质受到诸如光的照射 外加电场或电子束轰击等的激发后 只 要该物质不会因此而发生化学变化 它总要回复到原来的平衡态 在这个过程 中 一部分多余的能量会通过光或热的形式释放出来 如果这部分能量是光的 形式发射出来 该现象就称为发光 荧光和磷光 荧光和磷光 历史上人们曾以发光持续时间的长短把发光分为两个过程 把物 质在受激发时的发光称为荧光 而把激发停止后的发光称为磷光 一般以持续 时间 10 8秒为分界 持续时间短于 10 8秒的发光称为荧光 而把持续时间长于 10 8秒的发光称为磷光 色温 色温 色温是按绝对黑体来定义的 光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完 全相同时 此时黑体的温度就称此光源的色温 低色温光源的特征是能量分布中 红辐射相对说要多些 通常称为 暖光 色 温提高后 能量分布集中 蓝辐射的比例增加 通常称为 冷光 一些常用光 源的色温为 标准烛光为 1930K 钨丝灯为 2760 2900K 荧光灯为 3000K 闪 光灯为 3800K 中午阳光为 5600K 电子闪光灯为 6000K 蓝天为 12000 18000K 对于各种发光现象 可按其被激发的方式进行分类对于各种发光现象 可按其被激发的方式进行分类 光致发光 电致发光 阴 极射线发光 X 射线及高能粒子发光 化学发光和生物发光等 第九部分第九部分 金刚石的人工合成金刚石的人工合成 金刚石是典型的原子晶体 立方晶系 每个 C 原子以 sp3 杂化与另外的四个 C 原子形成共价键 构成正四面体 金刚石广泛应用于精密仪器 磨料 切割工具 钻探 航天和军事等领 域 金刚石的导热性很好 在常温下 导热率是铜的 5 倍 可被用作微波器 件和固体激光器的散热片 金刚石电子亲合势小 是理想的场发射阴极材料 第十部分第十部分 碳笼原子簇的合成碳笼原子簇的合成 Cn n 最大可为 540 称为碳笼原子簇或富勒烯族 C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子 它具有 60 个顶点和 32 个面 其中 12 个为正五边形 20 个为正六边形 C60常用的合成方法有电弧放电合成法 苯火焰燃烧法 高频加热蒸发石墨法 C60在脂肪烃中的溶解度随碳原子数增加而增大 目前 C60常用的分离提纯方法 例 C60常用的分离提纯方法有 A 升华法 B 高效液相色谱法 C 萃取重结晶法 D 柱色层法 E 燃烧法 室温下 C60晶体为立方晶系结构 C70是由 25 个正六边形和 12 个正五边形构成的 37 面体 C60及其衍生物的超导性 研究发现 经过适当的金属掺杂后 C60表现出良好的导电性和超导性 第十一部分第十一部分 高温超导体的合成高温超导体的合成 超导体的两大本质特征是 零电阻效应和完全抗磁性 根据临界温度的不同 超导材料可以被分为 高温超导材料和低温超导材料 例 下列物质属于高温超导体的是 A YBa2Cu3O7 x B Bi2Ca1Sr2Cu2Ox C Hg D Nb3Sn 超导体的超导体的迈斯纳效应 迈斯纳效应 在磁场中 超导体把磁力线排斥到体外 当一个磁体和 一个处于超导态的超导体相互靠近时 磁体的磁场会使超导体表面中出现超导 电流 此超导电流形成的磁场 在超导体内部 恰好和磁体的磁场大小相等 方向相反 这两个磁场抵消 使超导体内部的磁感应强度为零 氧化物陶瓷高温超导体的合成方法氧化物陶瓷高温超导体的合成方法 铊系超导体的合成 汞系超导体的制备 烧结法合成 YBCO YBCO 的元素替代 高温超导薄膜制备工艺高温超导薄膜制备工艺 Y 系薄膜 Bi 系薄膜 Tl 系薄膜 第十二部分第十二部分 多孔材料的合成多孔材料的合成 多孔材料的分类 按照国际纯粹