无机合成化学 合成方法PPT学习教案

1、会计学1无机合成化学无机合成化学 合成方法合成方法 煤气灯 酒精喷灯 电热套酒精灯第1页/共96页 3.1 3.1 高温合成高温合成 3.1.1高温的获得和测量高温的获得和测量 获得高温的各种方法和达到的温度获得高温的各种方法和达到的温度 获得高温的方法获得高温的方法 温度温度/K各种高温电阻炉各种高温电阻炉聚焦炉聚焦炉闪光放电闪光放电等离子体电弧等离子体电弧激光激光原子核的分离和聚变原子核的分离和聚变高温粒子高温粒子1273-32734000-6000427320000105-106106-1091010-1014第2页/共96页高温电阻炉高温电阻炉工业炉：冶金用炉、硅酸盐窑炉工业炉：冶金用

2、炉、硅酸盐窑炉实验用炉实验用炉电阻电阻炉炉感应感应炉炉电弧电弧炉炉电子束炉等离子体炉第3页/共96页方形炉（马弗炉）方形炉（马弗炉）管式电阻管式电阻炉炉竖式炉（坩埚炉）竖式炉（坩埚炉）第4页/共96页优点:设备简单,使用方便,控温精确，应用不同的电阻发热材料可以达到不同的高温限度。第5页/共96页第6页/共96页第7页/共96页第8页/共96页电弧炉及其结构示意图三、电弧炉三、电弧炉适 用:熔炼金属,制备高熔点化合物。 为避免熔炼的金属或化合物受大气污染，熔炼前，先将系统抽真空，然后通入惰性气体。第9页/共96页第10页/共96页第11页/共96页第12页/共96页第13页/共96页 镍铬镍硅

3、热电偶镍铬镍硅热电偶外型尺寸较小，具有热响应时间短、结构简单、价廉、使用 方便等特点， 适用于分析仪器设备等工业测温 。第14页/共96页第15页/共96页第16页/共96页MgO(s) +Al2O3(s) MgAl2O4(s)第17页/共96页第18页/共96页1.反应以固态形式发生，反应物的扩散随着反应反应以固态形式发生，反应物的扩散随着反应的进行途径越来越长，反应速度越来越慢；的进行途径越来越长，反应速度越来越慢；2.反应的进程无法控制，反应结束时往往得到反反应的进程无法控制，反应结束时往往得到反应和产物的混合物；应和产物的混合物；3.难以得到组成上均匀的产物。难以得到组成上均匀的产物。

4、第19页/共96页第20页/共96页第21页/共96页第22页/共96页金属。金属。第23页/共96页)()()()(221gOHsMgHsOMxyyxy第24页/共96页第25页/共96页 此炉加热区长此炉加热区长1.52M, 通过设计加热线圈使管内温度沿管通过设计加热线圈使管内温度沿管均匀地上升至均匀地上升至800900 ,管的一端装有冷凝器。管的一端装有冷凝器。 操作注意：操作注意： 氢气要纯氢气要纯、钨粉的粒度要合适钨粉的粒度要合适、还原温度要合适还原温度要合适第26页/共96页 氢还原法制钨大致可分为三个阶段： (1) 2WO3+H2=W2O5+H2O (2) W2O5+H2=2WO

5、2+H2O (3) WO2+2H2=W+2H2O 还原钨时常用管式炉,通常分两个阶段性反应: 第一阶段：使WO3在720时，还原成褐色的WO2。 第二阶段： 将获得的WO2与等量的WO3混合，并将此混合 物在800860OC的温度下还原为金属钨。 好处: 1、保证钨粉具有按要求的颗粒组成 。 2 、提高还原炉的生产率。第27页/共96页第28页/共96页第29页/共96页虑到分离，虑到分离，实验室多用实验室多用Na，工业上仍然用工业上仍然用Ca。第30页/共96页第31页/共96页第32页/共96页制冷的分类制冷的分类 -100 普冷普冷 -100 4.2K 深冷深冷 4.2K以下以下 极冷极

6、冷 低温：低温：-150（即（即123k)以下的温度。以下的温度。制冷：制冷： 将局部空间的温度降低到低于环境将局部空间的温度降低到低于环境 温度的操作。温度的操作。第33页/共96页 获得低温的方法获得低温的方法 温度温度/K一般半导体制冷一般半导体制冷三级级联半导体制冷三级级联半导体制冷菲利普制冷机菲利普制冷机液体减压蒸发液体减压蒸发(He)氦涡流制冷氦涡流制冷He绝热压缩相变制冷绝热压缩相变制冷绝热去磁绝热去磁150777.84.20.31.30.60.002110-6 获得低温的主要方法和技术第34页/共96页低温源低温源 （1）制冷浴制冷浴冰盐共熔体系冰盐共熔体系3份冰份冰1份份Na

7、Cl 213份冰份冰1份份CaCl2 402份冰份冰1份浓份浓HNO3 56干冰浴干冰浴 78.378.3液氮液氮 195.8195.8（低压过冷液氮浴）（低压过冷液氮浴） 205205制冷温度制冷温度第35页/共96页 低温浴低温浴 温度温度/ 冰冰 + 水水 0CCl4 22.8 液液 氨氨 33到到45 氯氯 苯苯 45.2 氯氯 仿仿 63.5 干干 冰冰 78.5 乙酸乙酯乙酸乙酯 CS83.6 甲甲 苯苯 95 CS2 111.6 甲基环己烷甲基环己烷 126.3 正正 戊戊 烷烷 130 异异 戊戊 烷烷 160.5 液液 氧氧 183 液液 氮氮 196 （2）相变致冷浴）相变

8、致冷浴第36页/共96页实验室中少量的液氮、液氧：实验室中少量的液氮、液氧： 贮存液化气体的容器，根据体积的大小和用途贮存液化气体的容器，根据体积的大小和用途的不同，一般有的不同，一般有杜瓦瓶、贮槽（贮罐）、槽车和槽杜瓦瓶、贮槽（贮罐）、槽车和槽船等。船等。 液化气体贮槽由贮存液化气体的内容器、外壳液化气体贮槽由贮存液化气体的内容器、外壳体、绝热结构以及连接内、外壳体的机械构件组成体、绝热结构以及连接内、外壳体的机械构件组成。除此之外，贮槽上通常还设有测量压力、温度、。除此之外，贮槽上通常还设有测量压力、温度、液面的仪表，液、气排注和回收系统，以及安全措液面的仪表，液、气排注和回收系统，以及安

9、全措施等施等。 液化气体的贮存和转移液化气体的贮存和转移第37页/共96页 根据低温液化气体的性质、用途、容量及安装形式，贮槽通常分为小型容器、固定式和移动贮槽通常分为小型容器、固定式和移动式贮槽。式贮槽。小型容器又称杜瓦容器。小型容器又称杜瓦容器。 液化气体的贮存和转液化气体的贮存和转移移 移动式贮槽移动式贮槽第38页/共96页 由于液氧、液氩由于液氧、液氩和液氮的沸点比较和液氮的沸点比较接近，贮存的容器接近，贮存的容器基本相同，通常用基本相同，通常用杜瓦瓶杜瓦瓶。第39页/共96页 液氮液氮罐罐第40页/共96页1 1）倾倒法）倾倒法 ( (倾瓶器倾瓶器) ) 比较小的杜瓦瓶可直接倾倒比较

10、小的杜瓦瓶可直接倾倒，但倾倒时应将一片湿的滤纸贴在瓶口里面，把液态空气从滤纸上面很快地倒出。不过倾倒时应慢慢地转动它，使瓶口四周能均匀冷却。2）虹吸管虹吸管 3) 加压法加压法：取较大量液态空气时，可用一个小橡皮取较大量液态空气时，可用一个小橡皮球打气将液态空气压出。球打气将液态空气压出。4）舀取法）舀取法 使用较大的和用普通玻璃制的杜瓦瓶时,液态空气切不可直接从瓶中倾倒出来，而是用铜舀来取。 塑料或白铁做的漏斗塑料或白铁做的漏斗 ( (回收液态气体回收液态气体) )第41页/共96页第42页/共96页 不仅所选用的温度计与测量常温时不同，而且不仅所选用的温度计与测量常温时不同，而且在不同低温

11、温区也有相对应的测量温度计。这些低在不同低温温区也有相对应的测量温度计。这些低温温度计的测温原理是温温度计的测温原理是根据物质的物理参量与温度根据物质的物理参量与温度之间存在的一定关系之间存在的一定关系，通过测定这些物质的某些物，通过测定这些物质的某些物理参量就可以得到欲知的温度。理参量就可以得到欲知的温度。常用的温度计有常用的温度计有: :（1）低温热电偶低温热电偶 热电偶中热电势与温度之间的关系热电偶中热电势与温度之间的关系 VKT V:热电偶中的热电势热电偶中的热电势; K:常数常数,温度系数温度系数低温的测量低温的测量第43页/共96页 通过三个固定温度点：冰点（0），固态二氧化碳升华

12、点（78），液氮正常沸点（77K）来标定a、b、c值。 电势方程 Vatbt2ct3, 得到温度分度依据公式，再通过插入法作出温度分度表。名名 称称测温范围测温范围/K铜铜-康铜（康铜（60Cu40Ni）75300镍铬镍铬-康铜康铜20300镍铬（镍铬（9：10）金铁（金金铁（金0.03或或0.07原子铁）原子铁）2300镍铬镍铬-铜铁（铜铜铁（铜0.02或或0.5原子铁）原子铁）2300铜铜-铜铁铜铁4.277钯铬钌钯铬钌2300 热电偶的测温范围热电偶的测温范围第44页/共96页（2）电阻温度计）电阻温度计 利用感温元件的电阻与温度之间存在的关系而制成利用感温元件的电阻与温度之间存在的关系

13、而制成. . RtR0（1tt2t3） Rt ，R0 是温度是温度 t 及及 0 时的电阻值时的电阻值; ，是常数。是常数。 制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定、物理及金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度、物理及金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度间具有线性关系的材料。常用的有间具有线性关系的材料。常用的有铂电阻温度计、锗电铂电阻温度计、锗电阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温度计阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温度计等。第45页/共96页 液体的蒸气压随温度的变化液体的蒸气压随温度的变化而变化，通过测量蒸气压可以知而变化，通过测量蒸

14、气压可以知道其温度。道其温度。 克劳修斯克拉伯龙方程克劳修斯克拉伯龙方程 蒸气压与温度列成对照表，蒸气压与温度列成对照表，用这种表可以从蒸气压的测量值用这种表可以从蒸气压的测量值直接得出温度。直接得出温度。 水银柱或精确的指针压强计水银柱或精确的指针压强计来测定正常的压强，测低压强可来测定正常的压强，测低压强可用油压强计或麦克劳斯压强计、用油压强计或麦克劳斯压强计、热丝压强计。热丝压强计。（3）蒸气压温度计（实验室常用）蒸气压温度计（实验室常用）第46页/共96页（4 4） 低温的控制低温的控制 简单说有两种:一种是恒温冷浴恒温冷浴，二是低温低温恒温器恒温器。前者往往用相变制冷来实现。 恒温冷

15、浴恒温冷浴 冰水浴冰水浴 相变制冷浴相变制冷浴 干冰浴干冰浴第47页/共96页 低温恒温器利用低温流体或其它方法，使试样处在低温恒温器利用低温流体或其它方法，使试样处在恒定的或按所需方式变化的低温温度下，并能对试样进恒定的或按所需方式变化的低温温度下，并能对试样进行某种化学反应或某种物理量的测量。行某种化学反应或某种物理量的测量。 低温恒温器大致可分为两大类低温恒温器大致可分为两大类: : 第一类是所需温度范可用第一类是所需温度范可用浸泡试样或使实验装置浸泡试样或使实验装置在低温液体中在低温液体中的方法来实现，改变液体上方蒸汽的压强的方法来实现，改变液体上方蒸汽的压强即可改变温度即可改变温度,

16、 ,如用减压降温恒温器如用减压降温恒温器; ; 第二类是所需温度包括液体正常沸点以上的温度第二类是所需温度包括液体正常沸点以上的温度范围，一般称为中间温度。可用两种方法获得中间温度范围，一般称为中间温度。可用两种方法获得中间温度: :一种是使试样或装置与液池完全绝热或部分绝热一种是使试样或装置与液池完全绝热或部分绝热, ,然后用然后用电加热来升高温度电加热来升高温度; ;另一种是用冷气流另一种是用冷气流, ,制冷机或其它制制冷机或其它制冷方法冷方法 ( (例如活性炭退吸附等例如活性炭退吸附等) ) 控制供冷速率，以得到控制供冷速率，以得到所需温度。所需温度。第48页/共96页 最简单的一种液体

17、浴液体浴低温恒温器低温恒温器如图 4-5 所示，它可以用于保持保持-70 -70 以下的温度。以下的温度。它的制冷是通过一根铜棒来进行的，铜棒作为冷源，它的一端铜棒作为冷源，它的一端同液氮接触，可借铜棒浸同液氮接触，可借铜棒浸入液氮的深度来调节温度入液氮的深度来调节温度，目的是使冷浴温度比我们所要求的温度低 5左右。另外有一个控制加热器的开关，经冷热调节可使温度保持在恒定温度。(正负 0.1 )第49页/共96页 非金属化合物的反应一般说来不可能很完全，非金属化合物的反应一般说来不可能很完全，并且副反应较多。它们的分离主要靠低温。分离的并且副反应较多。它们的分离主要靠低温。分离的方法有五种：方

18、法有五种：低温下的分级冷凝低温下的分级冷凝低温下的分级真空蒸发低温下的分级真空蒸发低温吸附分离低温吸附分离低温分馏低温分馏低温化学分离低温化学分离第50页/共96页分离依据：沸点差异分离依据：沸点差异第51页/共96页1 1、低温下的分级冷凝、低温下的分级冷凝 所谓低温下的分级冷凝是让一个气体所谓低温下的分级冷凝是让一个气体混合物通过不同低温的冷阱，混合物通过不同低温的冷阱，由于气体的由于气体的沸点不同，就分别冷凝在不同低温的冷阱沸点不同，就分别冷凝在不同低温的冷阱内，从而达到其分离目的。内，从而达到其分离目的。 通常认为当某种气体通过冷阱后其通常认为当某种气体通过冷阱后其蒸蒸气压小于气压小于

19、1.3Pa1.3Pa 时就认为是定量地捕集在时就认为是定量地捕集在冷阱中，是冷凝彻底了；而冷阱中，是冷凝彻底了；而蒸气压大于蒸气压大于 133.3Pa133.3Pa 的气体将穿过冷阱，就认为不能的气体将穿过冷阱，就认为不能冷凝。冷凝。第52页/共96页 关于压强在关于压强在1.3Pa 1.3Pa 左右的温度左右的温度- -蒸气压数据往往对蒸气压数据往往对一些重要的化合物一些重要的化合物来说是没有的，或来说是没有的，或者不能很快的被计者不能很快的被计算出来，而给我们算出来，而给我们选择冷阱造成困难选择冷阱造成困难，但是对要分离的，但是对要分离的两种化合物来说，两种化合物来说，我们可以根据它们我们

20、可以根据它们的沸点或的沸点或0.1MPa0.1MPa下下的升华点来选择一的升华点来选择一个合适的温度，在个合适的温度，在某些情况下也可以某些情况下也可以用图用图3.17 3.17 。 P19第53页/共96页注意：注意： 混合气体通过冷阱时的速度不能太快，不然分离效混合气体通过冷阱时的速度不能太快，不然分离效率要受影响，这是因为：率要受影响，这是因为： (1)(1)低挥发性组分在冷阱里不可能彻底冷凝下来，有可低挥发性组分在冷阱里不可能彻底冷凝下来，有可能被高挥发性组分带走。因此，高挥发性组分中就含有一能被高挥发性组分带走。因此，高挥发性组分中就含有一部分低挥发性组分。部分低挥发性组分。 (2)

21、(2)由于系统中的压力相当高，高挥发性组分可能部分由于系统中的压力相当高，高挥发性组分可能部分地被冷凝到冷阱中。因此，低挥发性组分中可能含有高挥地被冷凝到冷阱中。因此，低挥发性组分中可能含有高挥发性组分。发性组分。 当然混合物也不能通过得太慢，如果太慢的话，冷当然混合物也不能通过得太慢，如果太慢的话，冷阱中部分低挥发性组分的冷凝物要蒸发阱中部分低挥发性组分的冷凝物要蒸发 ( (即使在这种低温即使在这种低温下低挥发性组分也具有一定的蒸气压下低挥发性组分也具有一定的蒸气压) )。因此，易挥发性组。因此，易挥发性组分中可能含有低挥发性组分。分中可能含有低挥发性组分。 第54页/共96页 究竟混合气体

22、以什么样的速度通过冷阱才算合究竟混合气体以什么样的速度通过冷阱才算合适呢？适呢？ 一般地说，当混合气体以一般地说，当混合气体以 1mmol/min1mmol/min时分时分离效果最好。离效果最好。 再一点就是一个混合物当其组分沸点之差再一点就是一个混合物当其组分沸点之差小于小于4040时，通过分级冷凝达不到定量的分离时，通过分级冷凝达不到定量的分离。但是可以通过重复的分级冷凝来实现分离。但是可以通过重复的分级冷凝来实现分离。一般说来这样做的回收率较低。一般说来这样做的回收率较低。第55页/共96页应用实例应用实例这一混合物如何分离呢？这一混合物如何分离呢？P 20第56页/共96页B3N3H4

23、Cl2 (151.9) 、B3N3H5Cl(109.5)、 B3N3H6(50.6)、 B2H6(-86.5)、H2(-253)-45.2oC 冷阱(B3N3H4Cl2)-78.5oC冷阱(B3N3H5Cl)-111.6oC冷阱(B3N3H6)-196oC冷阱(B2H6)H2第57页/共96页 使用范围：沸点差大于使用范围：沸点差大于80oC,干冰或液氮作为制冷干冰或液氮作为制冷剂剂2 2、低温下的分级减压蒸发、低温下的分级减压蒸发 这种分离方法是分离两种挥发性物质最简单的方法。这种分离方法是分离两种挥发性物质最简单的方法。这个方法是建立在当用泵把最易挥发的物质抽走之后，混这个方法是建立在当用

24、泵把最易挥发的物质抽走之后，混合物中难挥发的物质基本上不蒸发这样一个假设上，从而合物中难挥发的物质基本上不蒸发这样一个假设上，从而可以达到分离的目的。可以达到分离的目的。 这种方法的有效范围是要分离的两种物质的沸点之差这种方法的有效范围是要分离的两种物质的沸点之差大于大于80。一般用干冰作制冷浴，也可用液氮。一般用干冰作制冷浴，也可用液氮。第58页/共96页吸附剂的多孔性与分离气体的匹配程度吸附剂的多孔性与分离气体的匹配程度 加入过量的第三种化合物，使之与其中的一种化合物形加入过量的第三种化合物，使之与其中的一种化合物形成不挥发的化合物，把挥发性的组分除去，再向不挥发性产成不挥发的化合物，把挥

25、发性的组分除去，再向不挥发性产物中加入过量的第四种化合物，把原来的化合物置换出来。物中加入过量的第四种化合物，把原来的化合物置换出来。4 4、低温下的化学分离、低温下的化学分离3 3、低温吸附分离、低温吸附分离第59页/共96页新材料。新材料。第60页/共96页第61页/共96页第62页/共96页实验室用微型高压反应釜实验室用微型高压反应釜规模生产用高压反应规模生产用高压反应釜釜高压反应装置高压反应装置第63页/共96页第64页/共96页组成组成) )高压装置高压装置。年轮式两面。年轮式两面顶高压构件如右图所示顶高压构件如右图所示。第65页/共96页六面顶压机六面顶压机金刚石压机金刚石压机第6

26、6页/共96页第67页/共96页第68页/共96页研究，但因受条件的限制动高压材料合成的研究工作开展得还不多。第69页/共96页第70页/共96页第71页/共96页第72页/共96页第73页/共96页 3.3.2 人造金刚石的高压合成人造金刚石的高压合成 人造金刚石按其粒度的大小分为人造金刚石按其粒度的大小分为磨料级磨料级，粗颗粒级，宝石级，粗颗粒级，宝石级三种。三种。 磨料级磨料级：粒度在粒度在60#以上；以上； 粗颗粒级粗颗粒级：粒度在粒度在46 #以上；以上； 宝石级：宝石级：2-3mm以上。以上。 第74页/共96页The production of diamonds Large sy

27、nthetic diamonds第75页/共96页第76页/共96页 人造金刚石的高压合成方法人造金刚石的高压合成方法1）静高压高温直接合成法）静高压高温直接合成法：同素异型相转变同素异型相转变 12.5GPa, 3000K 石墨石墨 金刚石金刚石2）静高压高温催化剂合成法：）静高压高温催化剂合成法： 金属催化剂，金属催化剂，56 GPa, 13002000K 如果起始石墨材料添加金属催化剂，则在较低如果起始石墨材料添加金属催化剂，则在较低的压力的压力(56)GPa和温度和温度13002000K条件下，就条件下，就可以实现由石墨到金刚石的转变。可以实现由石墨到金刚石的转变。第77页/共96页位

28、数、对称位数、对称性性的作用和的作用和缩短键长缩短键长的倾向。的倾向。4 4）高压可以）高压可以提高物质冷凝速度，提高物质冷凝速度，截获各种截获各种亚稳相亚稳相。第78页/共96页促进化合物促进化合物的分解。的分解。第79页/共96页充有低于大气压压强的气体的给定充有低于大气压压强的气体的给定空间，分子密度小于空间，分子密度小于2.5 1019 分分子数子数/cm3 的给定空间。的给定空间。 （大气压强系统中实际压强）（大气压强系统中实际压强）/ 大气压强大气压强 (101323.2 p) / 101323.2低真空低真空(105-3.3*103Pa)、中真空、中真空(3.3*103-10-1

29、Pa)、高真空高真空(10-1-10-4Pa)、 很高真空很高真空(10-4-10-7Pa)、超高真空超高真空(10-7-10-10Pa)、极高真空、极高真空(10-10Pa)真空度真空度真空区域的划分：真空区域的划分：真空真空：第80页/共96页真空的产生：真空泵真空的产生：真空泵 机械真空泵、蒸气流泵、吸气剂泵、离子泵、低温机械真空泵、蒸气流泵、吸气剂泵、离子泵、低温泵泵真空的测量：真空计真空的测量：真空计(规规)，真空压力表，真空压力表应用：应用：TiCl3的合成的合成 还原反应还原反应第81页/共96页第82页/共96页古人类在取暖古人类在取暖或烧烤时在岩或烧烤时在岩洞壁或岩石上洞壁或岩石上的黑色碳层的黑色碳层2020世纪世纪5050年代年代主要用于道具主要用于道具涂层涂层80年代低压年代低压CVD成膜技术成膜技