1、分子筛分子筛人造金刚石人造金刚石纳米半导体材料纳米半导体材料太阳能电池材料太阳能电池材料光子带隙材料光子带隙材料第四章第四章 无机化合物的制备和表征无机化合物的制备和表征 无机化合物的制备和表现形式第1页，共86页。3.1 3.1 无机化合物的合成与制备无机化合物的合成与制备3.2 3.2 无机分离技术无机分离技术3.3 3.3 表征技术表征技术 化学是中心科学，而合成则是化学的中心。化学是中心科学，而合成则是化学的中心。黄铁矿黄铁矿无机化合物的制备和表现形式第2页，共86页。1 1 无机化合物的制备方法无机化合物的制备方法 无机化合物的制备不仅仅是烧杯反应，性能优异的无机化合物的制备不仅仅是
2、烧杯反应，性能优异的无机材料大部分都是采用现代合成手段所得到，常见的无机材料大部分都是采用现代合成手段所得到，常见的无机化合物的现代制备方法包括：无机化合物的现代制备方法包括：高温无机合成高温无机合成 低温合成低温合成 高压合成高压合成 溶剂热（水热）合成溶剂热（水热）合成 无水无氧合成无水无氧合成 电化学合成电化学合成 等离子体合成等离子体合成 微波合成微波合成 光化学合成光化学合成 仿生合成等。仿生合成等。无机化合物的制备和表现形式第3页，共86页。2.固体材料的合成方法分类：固体材料的合成方法分类：化学是中心科学，而化学合成则又是化学的中心化学是中心科学，而化学合成则又是化学的中心。固相
3、合成法固相合成法 金属盐类热分解金属盐类热分解 固相热解法固相热解法 有机盐类热分解有机盐类热分解 氢氧化物热分解氢氧化物热分解 低热固相反应法低热固相反应法 自蔓延法自蔓延法 固态置换法（固态置换法（SSM）爆炸法（利用瞬间的高温高压）爆炸法（利用瞬间的高温高压）超声空穴法超声空穴法 低温粉碎法低温粉碎法 超声波粉碎法超声波粉碎法 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 .黄铁矿黄铁矿无机化合物的制备和表现形式第4页，共86页。1.1 1.1 高温无机合成高温无机合成 高温无机合成一般用于无机固体材料的制备。如高温无机合成一般用于无机固体材料的制备。如:高熔点高熔点金属粉末的烧结金属粉末的烧结,难熔化合物的
4、熔化和再结晶难熔化合物的熔化和再结晶,各种功能陶瓷各种功能陶瓷体的烧成等。体的烧成等。1 1、高温的获得与测量、高温的获得与测量 各种高温各种高温电阻炉电阻炉 1 2733 273 聚焦炉聚焦炉 4 0006 000 闪光放电闪光放电 4273 等离子体电弧等离子体电弧 20 000 激光激光 105106原子核的分离和聚变原子核的分离和聚变 106109 高温粒子高温粒子 10101014获得高温的方法获得高温的方法 温度温度/K高温的获得高温的获得 无机化合物的制备和表现形式第5页，共86页。电阻发热材料的最高工作温度电阻发热材料的最高工作温度镍铬丝镍铬丝 1060硅碳棒硅碳棒 1400硅
5、钼棒硅钼棒 1700 钨丝钨丝 1700 钽丝钽丝 2000 ZrO2 2500石墨棒石墨棒 2500 钨管钨管 3000材料名称材料名称 最高工作温度最高工作温度无机化合物的制备和表现形式第6页，共86页。在更高的温度下使用光学在更高的温度下使用光学高温计测量。高温计测量。高温的测量高温的测量 一般使用热电偶高温计进行高温一般使用热电偶高温计进行高温的测量，测量范围从室温到的测量，测量范围从室温到2000,某些情况下可达某些情况下可达3 000。较低时使用温度计较低时使用温度计进行测量。进行测量。无机化合物的制备和表现形式第7页，共86页。固固相反应，首先是在反应物固固相反应，首先是在反应物
6、晶粒界面上或与界面邻近的晶格晶粒界面上或与界面邻近的晶格中生成产物晶核，由于生成的晶中生成产物晶核，由于生成的晶核与反应物的结构不同，成核反核与反应物的结构不同，成核反应需要通过反应物界面结构的重应需要通过反应物界面结构的重新排列，因而实现这步是相当困新排列，因而实现这步是相当困难的；同样，进一步实现在晶核难的；同样，进一步实现在晶核上的晶体生长也有相当的难度，上的晶体生长也有相当的难度，因为原料晶格中的离子分别需要因为原料晶格中的离子分别需要通过各自的晶体界面进行扩散才通过各自的晶体界面进行扩散才有可能在产物晶核上进行晶体生有可能在产物晶核上进行晶体生长并使原料界面间的产物层加厚。长并使原料
7、界面间的产物层加厚。高温有利于这些过程的进行，高温有利于这些过程的进行，因此大多数固固相反应需要在高因此大多数固固相反应需要在高温下进行。温下进行。高温固固相反应高温固固相反应 高温下固高温下固-气合成反应气合成反应高温下的化学转移反应高温下的化学转移反应高温熔炼和合金制备高温熔炼和合金制备高温下的相变合成高温下的相变合成高温熔盐电解高温熔盐电解高温下单晶生长和高温下单晶生长和 区域熔融提纯区域熔融提纯等离子体等超高温合成等离子体等超高温合成高温合成反应类型高温合成反应类型无机化合物的制备和表现形式第8页，共86页。可以通过改变反应物的状态来降低固固相反应的温度或者可以通过改变反应物的状态来降
8、低固固相反应的温度或者缩短反应的时间，这被称为前驱体法。缩短反应的时间，这被称为前驱体法。2 2、前驱体法、前驱体法 常见的前驱体法有：常见的前驱体法有：将反应物充分破碎和研磨，或通过各种化学途径制备将反应物充分破碎和研磨，或通过各种化学途径制备成粒度细、比表面积大、表面具有活性的反应物原料，然成粒度细、比表面积大、表面具有活性的反应物原料，然后通过加压成片，甚至热压成型使反应物颗粒充分均匀接后通过加压成片，甚至热压成型使反应物颗粒充分均匀接触；触；通过化学方法使反应物组分事先共沉淀；通过化学方法使反应物组分事先共沉淀；共沉淀法是获得均匀反应前驱物的常用方法。共沉淀法是获得均匀反应前驱物的常用
9、方法。设计所要合成的固体的成分，以其可溶性盐配成确定比例设计所要合成的固体的成分，以其可溶性盐配成确定比例的溶液的溶液,选择合适的沉淀剂选择合适的沉淀剂,共沉淀得到固体。共沉淀得到固体。共沉淀颗粒越细小，混合均匀化程度越高。共沉淀颗粒越细小，混合均匀化程度越高。无机化合物的制备和表现形式第9页，共86页。溶胶凝胶溶胶凝胶法法合成是一种近期发展起来的能代替共沉淀合成是一种近期发展起来的能代替共沉淀法制备陶瓷、玻璃和许多固体材料的新方法。法制备陶瓷、玻璃和许多固体材料的新方法。3.3.溶胶凝胶溶胶凝胶(Solgel)法法 一般是以金属醇盐为原料，在水溶液中进行水解和聚合，一般是以金属醇盐为原料，在
10、水溶液中进行水解和聚合，即由分子态即由分子态 聚合体聚合体 溶胶溶胶 凝胶凝胶 晶态晶态(或非晶态或非晶态)，因，因而很容易获得需要的均相多组分体系。而很容易获得需要的均相多组分体系。通过化学反应制成化合物前驱物等。通过化学反应制成化合物前驱物等。溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、浸涂、浸渍等方法制备各种膜、纤维或沉积。浸涂、浸渍等方法制备各种膜、纤维或沉积。这样这样,一些在以前必须用特殊条件才能制得的特种聚集一些在以前必须用特殊条件才能制得的特种聚集态态(如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7x x超导氧化膜超导氧化膜)就可
11、以用此法获得了就可以用此法获得了.无机化合物的制备和表现形式第10页，共86页。溶胶溶胶凝胶法凝胶法源物质源物质分子分子的聚合、缩的聚合、缩合合团簇团簇胶粒胶粒溶胶溶胶凝胶凝胶热热解解.高分子保护高分子保护无机化合物的制备和表现形式第11页，共86页。如通过下面的反应，可以得到美丽的钨酸铁晶体：如通过下面的反应，可以得到美丽的钨酸铁晶体：FeO(s)WO3(s)FeWO4(s)这个反应必须用这个反应必须用HCl作转移试剂。如果没有作转移试剂。如果没有HCl，则因，则因FeO和和WO3都不易挥发使得转移反应并不发生。当有了都不易挥发使得转移反应并不发生。当有了HCl后，后，由于生成了由于生成了F
12、eCl2、WOCl4和和H2O这些挥发性强的化合物，使这些挥发性强的化合物，使得转移反应能够进行。得转移反应能够进行。HCl(g)4.4.化学转移法化学转移法 高温合成中还有一类特殊的反应叫化学转移反应，指高温合成中还有一类特殊的反应叫化学转移反应，指的是一种固体或液体物质的是一种固体或液体物质A在一定的温度下与一种气体在一定的温度下与一种气体B反反应，形成气相产物。这个气相反应产物在另外的温度下发应，形成气相产物。这个气相反应产物在另外的温度下发生逆反应，重新得到生逆反应，重新得到A。i A(s或或l)k B(g)j C(g)反应中需要转移试剂反应中需要转移试剂(即气体即气体B)，它的使用和
13、选择是转，它的使用和选择是转移反应能否进行以及产物质量控制的关键。移反应能否进行以及产物质量控制的关键。无机化合物的制备和表现形式第12页，共86页。1.2 1.2 低温合成低温合成 低温合成也是现代无机合成中经常采用的一种方法。低温合成也是现代无机合成中经常采用的一种方法。获得低温的主要方法获得低温的主要方法有有 相变致冷相变致冷 热电致冷热电致冷 绝热去磁可获得极低温度绝热去磁可获得极低温度 常用来制备沸点低、易挥发、室温下不稳定的化合物。如常用来制备沸点低、易挥发、室温下不稳定的化合物。如稀有气体化合物的合成等。稀有气体化合物的合成等。低温源：低温源：制冷浴，如制冷浴，如 冰盐共熔体系冰
14、盐共熔体系(056)，干冰浴干冰浴(78.3)，液氮液氮(195.8)等。等。无机化合物的制备和表现形式第13页，共86页。低温的测定低温的测定一般使用蒸汽压温度计一般使用蒸汽压温度计(一种根据液体的一种根据液体的蒸汽压随温度的变化而改变的原理来制成的温度计蒸汽压随温度的变化而改变的原理来制成的温度计)。无机化合物的制备和表现形式第14页，共86页。低热固相反应低热固相反应人们根据化学反应发生的温度将固相反应分为三类：人们根据化学反应发生的温度将固相反应分为三类：低热固相反应：反应温度低于低热固相反应：反应温度低于100；高热固相反应：反应温度高于高热固相反应：反应温度高于600；中热固相反应
15、：反应温度介于中热固相反应：反应温度介于100-600 之间。之间。（1）低热固相反应的定义低热固相反应的定义无机化合物的制备和表现形式第15页，共86页。（2）低热固相反应制备纳米微粉的原理及特征）低热固相反应制备纳米微粉的原理及特征低温固相反应遵循的特有的规律：低温固相反应遵循的特有的规律：潜伏期潜伏期。反应大多能进行完全，所以不具有化学平衡反应大多能进行完全，所以不具有化学平衡；拓扑化学控制原理拓扑化学控制原理；分步反应分步反应；嵌入反应嵌入反应。无机化合物的制备和表现形式第16页，共86页。反应物的称量与混合反应物的称量与混合 研磨研磨 加入分散剂加入分散剂 洗涤洗涤 干燥干燥 利用低
16、热固相反应制备纳米粉体，确为一种廉价、利用低热固相反应制备纳米粉体，确为一种廉价、简易、全新的方法。简易、全新的方法。（3）低热固相反应制备纳米粉体的操作低热固相反应制备纳米粉体的操作 无机化合物的制备和表现形式第17页，共86页。纳米级纳米级CdS HgS ZnS 的制备的制备纳米级纳米级Ni(OH)2的制备的制备PAA在室温固相反应中对在室温固相反应中对CaCO 3晶型与形貌晶型与形貌的调控的调控无机化合物的制备和表现形式第18页，共86页。时间时间11020304050600500100015002000250030003500400045005000550060006500700075
17、00800020min10min5min2minInt2th 低热固相反应机理探讨低热固相反应机理探讨无机化合物的制备和表现形式第19页，共86页。1.3 1.3 高压合成高压合成 高压合成一般用于合成超硬材料，如金刚石、氮化硼等。它是利高压合成一般用于合成超硬材料，如金刚石、氮化硼等。它是利用高压力使发生不同元素间的化合得到一种新化合物或新物质或产生用高压力使发生不同元素间的化合得到一种新化合物或新物质或产生多型相转变得到一种新相的方法。多型相转变得到一种新相的方法。一般地说，在高压或超高压下，无机化合物中由于阳一般地说，在高压或超高压下，无机化合物中由于阳离子配位数增加、结构排列变化或者结
18、构中电子结构的变离子配位数增加、结构排列变化或者结构中电子结构的变化和电荷的转移等原因导致相变，从而生成新结构的化合化和电荷的转移等原因导致相变，从而生成新结构的化合物或物相。物或物相。高压合成常常需要加温，所以高压合成一般是指高高压合成常常需要加温，所以高压合成一般是指高压高温合成，分为压高温合成，分为:动态高压高温合成法动态高压高温合成法静态高压高温合成法静态高压高温合成法无机化合物的制备和表现形式第20页，共86页。前一种方法合成条件易控制，是目前常用的，后一种方前一种方法合成条件易控制，是目前常用的，后一种方法合成条件难控制，较少用。法合成条件难控制，较少用。合成中也常加入一些催化剂、
19、压力传输剂等。合成中也常加入一些催化剂、压力传输剂等。高温、高压、催化剂合成高温、高压、催化剂合成1955年报道的高温高年报道的高温高压和压和1968年报道的年报道的CVD金刚石合成法。金刚石合成法。1.5分钟，分钟，FeS（熔剂，催化剂）（熔剂，催化剂）5106 Pa 10106 Pa，1500 2500 D DGmq q=2.866 kJ mol-1无机化合物的制备和表现形式第21页，共86页。动态法动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产
20、生高温高压，使石墨产生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作用时间短转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒仅几微秒)，压力及，压力及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。结成大颗粒多晶体，但质量较差。无机化合物的制备和表现形式第22页，共86页。溶剂热法溶剂热法CCl4(l)+Na(s)非晶碳的金刚石非晶碳的金刚石 Ni-Co-Mn合金催化剂合金催化剂700钱益泰院士的工作：钱益泰院士的工作：1998年发
21、表于年发表于 Scince无机化合物的制备和表现形式第23页，共86页。中温水热合成法常用于各种天然和人工沸石分子筛中温水热合成法常用于各种天然和人工沸石分子筛的制备。的制备。高温高压水热合成法广泛用于高温高压水热合成法广泛用于:非线性光学材料：非线性光学材料：NaZr2 2P3 3O1212和和AlPO4 4 声光晶体：铝酸锌锂声光晶体：铝酸锌锂 激光晶体激光晶体 多功能的多功能的LiNbO3 3和和LiTaO3 3 人工宝石等的合成。人工宝石等的合成。无机化合物的制备和表现形式第24页，共86页。1.4 1.4 水热合成水热合成 水热合成水热合成(或广义地为溶剂热合成或广义地为溶剂热合成)
22、是指在密闭的是指在密闭的以水以水(或其他溶剂或其他溶剂)为溶剂的体系中，在一定温度和水为溶剂的体系中，在一定温度和水(或其他溶剂或其他溶剂)的自生压强下，利用溶液中的物质的化学的自生压强下，利用溶液中的物质的化学反应所进行的合成。反应所进行的合成。在水热法中，处于高压状态的水，一是作为传递压力在水热法中，处于高压状态的水，一是作为传递压力的媒介，二是作为溶剂，在高压下绝大多数反应物均能部分的媒介，二是作为溶剂，在高压下绝大多数反应物均能部分地溶解于水中。地溶解于水中。无机化合物的制备和表现形式第25页，共86页。水热装置主要是一个一端封闭的水热装置主要是一个一端封闭的不锈钢管，另一端有一软铜垫
23、圈的螺不锈钢管，另一端有一软铜垫圈的螺旋帽密封，通常称为高压釜或水热弹。旋帽密封，通常称为高压釜或水热弹。此外，水热弹也可以和压力源此外，水热弹也可以和压力源(如水如水压机压机)直接相连。在水热弹中放入反直接相连。在水热弹中放入反应混合物和一定量的水，密封后放在应混合物和一定量的水，密封后放在所需温度的加热炉中。主要分低温水所需温度的加热炉中。主要分低温水热合成法热合成法(100)、中温水热合成法、中温水热合成法(100300)和高温高压水热合成法和高温高压水热合成法(1 000，0.3 GPa)。无机化合物的制备和表现形式第26页，共86页。例如水晶单晶例如水晶单晶(SiO2)是是在高压釜中
24、装入在高压釜中装入1.01.2 mol/L SiO2的的NaOH溶液，溶液占高溶液，溶液占高压釜的体积的压釜的体积的8085，密封，密封后加热，令釜的下半部达后加热，令釜的下半部达360380，上半部达，上半部达3303 5 0，压 力 为，压 力 为 1 0 0 020000105 Pa。SiO2在下半部在下半部形成饱和溶液，上升到上半部，形成饱和溶液，上升到上半部，由于上半部温度低，溶液呈过饱由于上半部温度低，溶液呈过饱和态从而析出和态从而析出SiO2水晶水晶单晶单晶。无机化合物的制备和表现形式第27页，共86页。水既是传递压强的媒水既是传递压强的媒质，也是溶剂。水在此质，也是溶剂。水在此
25、状况的性质不同于常温状况的性质不同于常温长压。长压。低温区：低温区：360（上部）（上部）高温区：高温区：400（下部）（下部）矿化剂：矿化剂：NaOH 1.0mol无机化合物的制备和表现形式第28页，共86页。再如沸石再如沸石(分子筛分子筛)的合成的合成:NaAl(OH)4(水溶液水溶液)Na2SiO3(水溶液水溶液)NaOH(水溶液水溶液)25 Naa(AlO2)b(SiO2)cNaOHH2O(凝胶凝胶)压力压力25175 Nax(AlO2)x(SiO2)ymH2O(沸石沸石(分子筛分子筛)晶体晶体)无机化合物的制备和表现形式第29页，共86页。1.5 1.5 无水无氧合成无水无氧合成 无
26、水无氧合成技术是空气敏感化合物合成中最广泛无水无氧合成技术是空气敏感化合物合成中最广泛使用的方法。常见的有以下三种：使用的方法。常见的有以下三种：(1)Schlenk技术技术 使用成套的使用成套的Schlenk仪器，加盖的反应器。所用仪仪器，加盖的反应器。所用仪器均先装好且严密，然后利用器均先装好且严密，然后利用“抽换气抽换气”技术使整个反技术使整个反应装置充满经过无水无氧处理过的氩气或其他惰性气体。应装置充满经过无水无氧处理过的氩气或其他惰性气体。所用药品均需干燥除水，液体在所用药品均需干燥除水，液体在“抽换气抽换气”前加入，前加入，反应过程中加入药品或调换仪器而需开启反应瓶时，都反应过程中
27、加入药品或调换仪器而需开启反应瓶时，都在较大氩气流下进行，有些简单反应可直接在惰性气体在较大氩气流下进行，有些简单反应可直接在惰性气体封管内进行。封管内进行。产物的分离纯化及转移、分装贮存均采用产物的分离纯化及转移、分装贮存均采用Schlenk仪仪器或相当的仪器进行操作。器或相当的仪器进行操作。无机化合物的制备和表现形式第30页，共86页。(2)在惰性气体箱内进行的常规操作在惰性气体箱内进行的常规操作 合成有机合成有机金属化合金属化合物的手套物的手套箱箱(glove box)常用的惰性气体箱有手套箱和干燥箱，它们都可用于操常用的惰性气体箱有手套箱和干燥箱，它们都可用于操作大量固体或液体。如在手
28、套箱中进行敏感固体的称量、红作大量固体或液体。如在手套箱中进行敏感固体的称量、红外样品研磨及外样品研磨及X X射线样品装管。射线样品装管。使用循环气体净化器或用快速惰气流进行冲洗以降低使用循环气体净化器或用快速惰气流进行冲洗以降低气氛气体中的杂质。常用的惰性气体有氮气、氦气和氩气。气氛气体中的杂质。常用的惰性气体有氮气、氦气和氩气。无机化合物的制备和表现形式第31页，共86页。(3)真空线技术真空线技术 通过抽真空和充惰性气体严格地排除装置中的空气的一种通过抽真空和充惰性气体严格地排除装置中的空气的一种技术。技术。用于真空过滤、真空线上的气相色谱、产物的低温分馏、气用于真空过滤、真空线上的气相
29、色谱、产物的低温分馏、气体和溶剂的贮存、封管反应等。且已成功地用于氢化物、卤化物和体和溶剂的贮存、封管反应等。且已成功地用于氢化物、卤化物和许多其他挥发性物质的合成与操作。许多其他挥发性物质的合成与操作。金属与不饱和烃反应是使用真空线操作的典型例子。金属与不饱和烃反应是使用真空线操作的典型例子。另一个使用真空线操作的例子是低压化学气相淀积另一个使用真空线操作的例子是低压化学气相淀积(LPCVD)，此技术已广泛用于半导体材料如，此技术已广泛用于半导体材料如SiO2 2、GaAs等的晶体等的晶体生长和成膜。生长和成膜。无机化合物的制备和表现形式第32页，共86页。1.6 1.6 电化学无机合成电化
30、学无机合成 电化学合成是指用电化学方法去合成化学物质。它为电化学合成是指用电化学方法去合成化学物质。它为人类提供了一系列用其他方法难于制得的材料，如钠、钾、人类提供了一系列用其他方法难于制得的材料，如钠、钾、镁、钙、铝及许多强氧化性或还原性的物质，一些功能陶镁、钙、铝及许多强氧化性或还原性的物质，一些功能陶瓷材料如瓷材料如C、B、Si、P、S、Se等二元或多元金属陶瓷型化等二元或多元金属陶瓷型化合物、非金属元素间化合物、混合价态化合物、簇合物、嵌合物、非金属元素间化合物、混合价态化合物、簇合物、嵌插型化合物及非计量化合物、有机化合物的合成方法。为解插型化合物及非计量化合物、有机化合物的合成方法
31、。为解决目前化学工业给地球环境带来的污染问题，展示出了一条决目前化学工业给地球环境带来的污染问题，展示出了一条有效而又切实可行的道路。有效而又切实可行的道路。常用的电解方法是恒电流恒电位电解法。即在电解过常用的电解方法是恒电流恒电位电解法。即在电解过程中，恒定电流，采用电解液的流动来保持底物浓度不变，程中，恒定电流，采用电解液的流动来保持底物浓度不变，结果电位也不变，主反应的电流效率便可维持恒定。结果电位也不变，主反应的电流效率便可维持恒定。无机化合物的制备和表现形式第33页，共86页。1.7 1.7 等离子体合成等离子体合成 等离子体合成是利用等离子体的特殊性质进等离子体合成是利用等离子体的
32、特殊性质进行化学合成的一种技术。行化学合成的一种技术。在高温下，部分气态粒子发生电离，当电离部分在高温下，部分气态粒子发生电离，当电离部分超过一定限度超过一定限度(0.1)，则成为一种导电率很高的，则成为一种导电率很高的流体，这种流体与一般固态、液态、气态完全不流体，这种流体与一般固态、液态、气态完全不同，被称为物质第四态。由于其中负电荷总数等同，被称为物质第四态。由于其中负电荷总数等于正电荷总数，宏观上仍呈电中性，所以称为等于正电荷总数，宏观上仍呈电中性，所以称为等离子体。离子体。无机化合物的制备和表现形式第34页，共86页。等离子体分高压平衡等离子体等离子体分高压平衡等离子体(或称热等离子
33、体或高或称热等离子体或高温等离子体温等离子体)和低压非平衡等离子体和低压非平衡等离子体(或称冷等离子体或或称冷等离子体或低温等离子体低温等离子体)。热等离子体的获得有高强度电弧、射。热等离子体的获得有高强度电弧、射频放电、等离子体喷焰及等离子体炬。冷等离子体主要频放电、等离子体喷焰及等离子体炬。冷等离子体主要依靠低压放电获得依靠低压放电获得,包括低强度电弧、辉光放电、射频放包括低强度电弧、辉光放电、射频放电和微波诱导放电等电和微波诱导放电等,目前应用较多的低温等离子体是目前应用较多的低温等离子体是微波等离子体。微波等离子体。热等离子体适用于金属及合金的冶炼，超细、热等离子体适用于金属及合金的冶
34、炼，超细、耐高温材料的合成，制备金属超微粒子，用于耐高温材料的合成，制备金属超微粒子，用于NO2和和CO的生产等。的生产等。低温等离子体用于氨、低温等离子体用于氨、O3的合成，化学气相沉积的合成，化学气相沉积(MPCVD)制备太阳能电池薄膜，高制备太阳能电池薄膜，高Tc超导薄膜及光导超导薄膜及光导纤维等。纤维等。无机化合物的制备和表现形式第35页，共86页。碳碳 管管1.8 1.8 爆炸法爆炸法无机化合物的制备和表现形式第36页，共86页。在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术术,来实现通常条件下无法进行的合成，并在这些极端条
35、件下开拓多来实现通常条件下无法进行的合成，并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态.例如在模例如在模拟宇宙空间的高真空、无重力的情况下拟宇宙空间的高真空、无重力的情况下,可能合成出无位错的高可能合成出无位错的高纯度化合物纯度化合物.在超高压下许多物质的禁带宽度及内外层轨道的距在超高压下许多物质的禁带宽度及内外层轨道的距离均会发生变化离均会发生变化,从而使元素的稳定价态与通常条件下有很大差别从而使元素的稳定价态与通常条件下有很大差别.此外此外,如金刚石等超硬材料的高压合成、高压下合成反应的研究、超如金刚石等超硬材
36、料的高压合成、高压下合成反应的研究、超临界流体反应、超声合成以及微波合成等研究发展较快临界流体反应、超声合成以及微波合成等研究发展较快.极端条件下的合成化学极端条件下的合成化学：无机化合物的制备和表现形式第37页，共86页。在微重力条件下生长的人胰岛素晶体的颗粒比地表环境下生长的晶体大得多在微重力条件下生长的人胰岛素晶体的颗粒比地表环境下生长的晶体大得多无机化合物的制备和表现形式第38页，共86页。A 软化学合成符合绿色化学原则软化学合成符合绿色化学原则 B 软化学合成法符合组合化学原则软化学合成法符合组合化学原则 C 软化学合成易于制得复合纳米粉体（材料），并软化学合成易于制得复合纳米粉体（
37、材料），并 易于进行其改性易于进行其改性 D 软化学合成法易于工业化生产软化学合成法易于工业化生产 软软 化化 学学 合合 成成 在较低的反应温度和较温和的化学环境下合成制备。在较低的反应温度和较温和的化学环境下合成制备。包括：溶胶包括：溶胶-凝胶法、低热固相反应法凝胶法、低热固相反应法无机化合物的制备和表现形式第39页，共86页。绿色化学原则绿色化学原则 绿色化学有其应用的原则。美国绿色化学有其应用的原则。美国科学科学杂志杂志20022002年年8 8月提出了绿色化学月提出了绿色化学1212条原条原则，已被广泛认可：则，已被广泛认可：1 1）预防废弃物的形成要比产生后再想办法处理更好。）预防
38、废弃物的形成要比产生后再想办法处理更好。2 2）应当研究合成途径，使得工艺过程中耗用的材料最）应当研究合成途径，使得工艺过程中耗用的材料最 大化地进入最终产品。大化地进入最终产品。3 3）使用的原料和生产的产品都遵循对人体健康和环境）使用的原料和生产的产品都遵循对人体健康和环境 的毒性影响最小。的毒性影响最小。4 4）研制的化学产品在毒性减少后仍应具备原有功效。）研制的化学产品在毒性减少后仍应具备原有功效。5 5）尽可能不使用一些附加物质（如溶剂、分离剂等），）尽可能不使用一些附加物质（如溶剂、分离剂等），尽可能使用无害的物质，优选使用在环境温度和压尽可能使用无害的物质，优选使用在环境温度和压
39、 力下的合成工艺。力下的合成工艺。无机化合物的制备和表现形式第40页，共86页。6 6）能源的需求应当结合环境和经济影响，评价其影响应）能源的需求应当结合环境和经济影响，评价其影响应 没有空间、时间限制，追求最小化。没有空间、时间限制，追求最小化。7 7）技术、经济可行性论证的，首选使用可再生原材料。）技术、经济可行性论证的，首选使用可再生原材料。8 8）尽量避免不必要的化学反应。）尽量避免不必要的化学反应。9 9）有选择性地选取催化试剂会比常规化学试剂出色。）有选择性地选取催化试剂会比常规化学试剂出色。1010）研制可在环境中分解的化学产品。）研制可在环境中分解的化学产品。1111）开发适应
40、实时监测的分析方法，为在污染物产生之）开发适应实时监测的分析方法，为在污染物产生之 前就施行控制创造条件。前就施行控制创造条件。1212）化学工艺中使用和生成的物质，都应选择最大程度）化学工艺中使用和生成的物质，都应选择最大程度 减少化学事故（泄漏、爆炸、火灾等）。减少化学事故（泄漏、爆炸、火灾等）。无机化合物的制备和表现形式第41页，共86页。如何实现绿色合成，其几个主要途径是：如何实现绿色合成，其几个主要途径是：1 1、开发、开发“原子经济原子经济”反应反应“原予经济原予经济”这一术语是这一术语是1991年美国著名有机化学家、斯坦福大学年美国著名有机化学家、斯坦福大学Barry Trost
41、教授提出来的。教授提出来的。Trost首先提出了原子经济性（首先提出了原子经济性（Atom economy）的概念。这是一个关于有多少反应物转变成最终产物的概）的概念。这是一个关于有多少反应物转变成最终产物的概念。原子经济考查在反应物中的原子有多少嵌并入期望的产物中，有念。原子经济考查在反应物中的原子有多少嵌并入期望的产物中，有多少变成了废弃的副产物。最理想的原子经济当然是全部反应物的原多少变成了废弃的副产物。最理想的原子经济当然是全部反应物的原子嵌并入期望的最终产物中，如完全的加成反应：子嵌并入期望的最终产物中，如完全的加成反应：A+B=C。不产生。不产生任何废弃物，达到零排放，这时的原子经
42、济便是任何废弃物，达到零排放，这时的原子经济便是100。但这只是理。但这只是理想情况，特别对有机化学而言，因为化学反应还有它自身的规律，想情况，特别对有机化学而言，因为化学反应还有它自身的规律，不是任意两种物质都可以反应，生成所需要的产物。故一般的化不是任意两种物质都可以反应，生成所需要的产物。故一般的化学反应过程原子经济较低。学反应过程原子经济较低。无机化合物的制备和表现形式第42页，共86页。原子经济性可以用原子利用率衡量，或者说，原子经济的原子经济性可以用原子利用率衡量，或者说，原子经济的定量表述就是原子利用率，即原料分子中究竟有百分之几定量表述就是原子利用率，即原料分子中究竟有百分之几
43、的原子转化成了产物。用公式表达为：的原子转化成了产物。用公式表达为：理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放零排放”（Zero emission）。对于大宗基本有机原料的生产来说，）。对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。选择原子经济反应十分重要。反应物质的原子量总和反应物质的原子量总和预期产物的分子量预期产物的分子量原子利用率（原子利用率（%）X 100%2.2.高效合成高效合成3.3.新的合成路线与方法新的合成路线与方法无机化合
44、物的制备和表现形式第43页，共86页。现代无机合成现代无机合成 现代无机合成化学首先要创造新型结构，寻求分子多现代无机合成化学首先要创造新型结构，寻求分子多样性；同时应注意发展新合成反应、新合成路线和方样性；同时应注意发展新合成反应、新合成路线和方法、新制备技术及对与此相关的反应机理的研究。法、新制备技术及对与此相关的反应机理的研究。（1）注意复杂和特殊结构无机物的高难度合成，如）注意复杂和特殊结构无机物的高难度合成，如团簇、层状化合物及其特定的多型体、各类层间的嵌团簇、层状化合物及其特定的多型体、各类层间的嵌插结构及多维结构的无机物。插结构及多维结构的无机物。（2）研究特殊聚集态的合成，如超
45、微粒、纳米态、）研究特殊聚集态的合成，如超微粒、纳米态、微乳与胶束、无机膜、非晶态、玻璃态、陶瓷、单晶、微乳与胶束、无机膜、非晶态、玻璃态、陶瓷、单晶、晶须、微孔晶体等。晶须、微孔晶体等。（3）在极端条件下，如超高压、超高温、超高真）在极端条件下，如超高压、超高温、超高真空、超低温、强磁埸、激光、等离子体等，得到空、超低温、强磁埸、激光、等离子体等，得到各种各样的新化合物、新物相和新物态。各种各样的新化合物、新物相和新物态。无机化合物的制备和表现形式第44页，共86页。无机化合物的制备和表现形式第45页，共86页。组合是从组合是从M个不同的元素中按一定规则取个不同的元素中按一定规则取N个够成一
46、组，即把个够成一组，即把性质相近或互补的事物系统地合置在一起发挥作用。运用组合性质相近或互补的事物系统地合置在一起发挥作用。运用组合方法学思想理论于化学领域，形成了一门新的边缘、交叉、综方法学思想理论于化学领域，形成了一门新的边缘、交叉、综合性学科合性学科广义组合化学。广义组合化学的范围广泛，内容丰广义组合化学。广义组合化学的范围广泛，内容丰富，它不仅涉及化学内部各分支学科之间的合理组合，还涉及到富，它不仅涉及化学内部各分支学科之间的合理组合，还涉及到化化学与物理学、生物学、社会学和哲学等大学科之间的合理组合，以及学与物理学、生物学、社会学和哲学等大学科之间的合理组合，以及各种技术方法在化学及
47、其相关领域的合理组合运用等。运用组合理论各种技术方法在化学及其相关领域的合理组合运用等。运用组合理论于物理学、生物学、形态学、计算机科学（算法、编码、网络等）及于物理学、生物学、形态学、计算机科学（算法、编码、网络等）及至社会学、政治学、经济学及哲学等领域，同样可以获得巨大成功。至社会学、政治学、经济学及哲学等领域，同样可以获得巨大成功。无机化合物的制备和表现形式第46页，共86页。狭义组合化学可以定义为平行、系统、反复地共价连接不同结构狭义组合化学可以定义为平行、系统、反复地共价连接不同结构的的“构建单元构建单元”（Building blocks），得到大量合成化合物进行高），得到大量合成化
48、合物进行高通量筛选的一类策略与方法。这个方法可以一次性或批量地获得很通量筛选的一类策略与方法。这个方法可以一次性或批量地获得很大数量的类似化合物大数量的类似化合物化合物库（化合物库（Chemical library）以供高）以供高通量筛选，寻找先导化合物。采用这种方法，可以大大增加找通量筛选，寻找先导化合物。采用这种方法，可以大大增加找到化学家所希望的特殊性能的化合物的机会。狭义组合化学有到化学家所希望的特殊性能的化合物的机会。狭义组合化学有多种合成方法，如多中心合成法（多种合成方法，如多中心合成法（Multipin synthesis）、茶叶）、茶叶袋法（袋法（Tea-bag method）
49、、并行合成法（）、并行合成法（Parallel synthesis）、裂分合成法（）、裂分合成法（Split synthesis）、光控合成法）、光控合成法（Combinatorial by light directed）以及以纤维素和交联聚苯）以及以纤维素和交联聚苯乙烯乙烯-聚乙烯为载体的组合合成法办等。聚乙烯为载体的组合合成法办等。无机化合物的制备和表现形式第47页，共86页。组合就是发明，就是创造。组合可以生奇谋，组合可以出良策。我们要想创组合就是发明，就是创造。组合可以生奇谋，组合可以出良策。我们要想创造性地开展工作，获得突破性的业绩，就不能忽视组合学思维。这是通向成功不造性地开展工作
50、，获得突破性的业绩，就不能忽视组合学思维。这是通向成功不可缺少的捷径之一。组合方法甚多，有相似组合、相异组合、相反组合、互补组可缺少的捷径之一。组合方法甚多，有相似组合、相异组合、相反组合、互补组合、协同组合、比较组合（或类比组合或借鉴其它学科的有关方法），哲学上、合、协同组合、比较组合（或类比组合或借鉴其它学科的有关方法），哲学上、数学上的有关方法包括多维组合和组合空间等概念均可以借鉴和参考。但合理组数学上的有关方法包括多维组合和组合空间等概念均可以借鉴和参考。但合理组合必须遵循下列四大原则：合必须遵循下列四大原则：最优（佳）配置原则，即让新组合之系统达到最优状态；最优（佳）配置原则，即让新
