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1、合成化学 研究生专业基础课课件 安徽师范大学化学与材料科学学院 无机合成化学 无机合成化学是无机化学的一个重要组成部分 涉及化学方面的全部内容着重介绍了有代表性的无机新材料的合成技术 所涉及的内容主要包括 1 无机合成化学概述2 特种条件下无机合成反应3 水热 溶剂热合成技术4 几类重要的无机功能材料的制备 第一章无机合成化学概述 1 1无机合成化学的意义化学已经成为一门满足社会需要的中心科学 因为它与人类的日常生活如 食物 能源 材料 资源 环境及健康等密切相关 其中尤以合成化学为技术基础的各种物质起着至关重要的作用 作为化学学科中当之无愧的核心 合成化学已成为化学家改造世界创造未来最有力的
2、工具 如19世纪染料工业的开创 20世纪中叶因高分子的合成 推动了非金属合成材料工业的建立 上个世纪的50年代 无机固体造孔合成技术的进步直接导致了系列分子筛催化材料的开发 大大促进了石油加工和石化工业的革命性发展 本世纪初正在蓬勃发展的纳米材料的合成和组装技术也必将加快高新技术材料和相关产业的发展 合成化学领域的每一次进步都会带动产业的一次革命 随着新兴学科和高技术的蓬勃发展 作为合成化学中不可忽缺的组成部分 无机合成化学不仅是无机化学学科的一个重要分支 其与新材料的结合也成为当前无机化学领域最新的发展方向之一 无机合成化学的目标是获得不同用途的无机材料 而无机材料的使用自古以来就是人类文明
3、进步和时代划分的标志 发展合成化学 不断创造和开发新的物种 不仅是研究结构 性能及其相互关系 揭示新的规律与原理的基础 也成为推动化学学科与相关学科发展的主要动力 高纯度半导体 计算机和现代通信 高强度 耐高温结构材料 航空航天工业不论是炼丹术 火药 陶瓷的发明 金属的冶炼 还是高温超导材料 生物陶瓷 超硬材料以及信息与能源转换材料的合成及其应用都是无机合成化学的重要成就 采用化学方法合成的新型无机材料的使用则是近代文明发展的标志 毫无疑问 无机合成化学对人类社会的发展起着重要的促进作用 还将继续为人类社会的可持续发展发挥出卓越的贡献 如 1 新能源开发 2 空间科技 3 微电子 光电子技术
4、4 激光技术 5 红外技术 人类社会的存在和发展是与能源密不可分的 然而地球上储存的矿物能源已越来越少 尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶 可供开采时间 95年 在2050年前 世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭 其后在2250到2500年之间 煤炭也将消耗殆尽 矿物燃料供应枯竭 新能源开发 面对能源危机 采取开源节流战略 即一方面节约能源 提高现有能源的利用率 另一方面开发新能源 这两方面都对材料提出了要求 如为了提高热效率需要有耐高温 机械性能良好的结构材料和隔热性好的保温材料 目前正在研究开发的新能源有磁流体发电 地热 潮汐发电 风力发电 太阳能和核能的利用 燃料电池等 如 磁流体发电需
5、有特殊的导体材料作电极 地热 潮汐发电需要有耐冲刷 抗腐蚀性良好的结构材料 太阳能转换成电能 热能 需要有廉价的转换效率高的光电或光热转化材料 还需要有制取太阳能电池和经久耐用 便于制造 性能稳定的反射材料和选择性涂层材料 以便有效地集聚光能 核能需要有好的控制核反应的控制材料和防止核辐射的结构材料 燃料电池需要解决固体电解质材料问题 为有效地储存能源还要有性能良好的电池材料和储氢材料等 这些新的发电和能量转换技术需要解决一系列的材料问题 空间科技的发展 创造了巨大的物质和精神财富 如卫星作为传递信息的枢纽 联结世界各地 引起了通信体制的根本改变 2 3的国际电话业务和几乎全部洲际电视转播业务
6、 均由国际通信卫星承担 每年营业额高达20亿美元 通过各类应用卫星进行侦察 预警 导航 广播 考察 预报 测绘等 可以获得巨大的军事价值和经济效益 空间科技的发展离不开火箭 人造卫星 飞船等航天器 这些航天器又是由各种功能材料建造的 由于航天航空的特殊环境 制造航天器用的材料 常需要有各种特殊的性能 空间科技 一门新兴的综合性尖端科学技术 包括航天器的设计 制造 发射和应用 如火箭燃料燃烧时 其喷嘴温度超过4000 并有腐蚀性 燃烧室内的压力高达20MPa 因此燃烧喷嘴要用隔热性好 比热容 潜热大的耐高温烧蚀材料制成 又如 宇宙飞船或航天飞机在返回地球时 大气层与航天器间的摩擦作用使航天器表面
7、温度达到2000 左右 一般的高温材料已不能承受 因此常用隔热陶瓷片加以保护 总之 各种耐高温材料 高温结构材料 烧蚀材料和涂层材料的研制成功 对空间技术的发展起了巨大的推动作用 可以相信 随着现代无机合成化学的向前发展 空间科技将会因更多优异性能的特种材料出现而有更大的发展 20世纪中叶 单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功 导致了电子工业革命 随后的70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明 促进了光纤通信技术的迅速发展 使人类进入了信息时代 现在以半导体材料和器件为基础的微电子技术 不仅对现代工业 国防 科学技术等产生巨大的影响 而且对人类日常生活的方方面面都有着深远
8、的影响 微电子 光电子技术 微电子技术的基础 无机半导体材料 按其化学成分和内部结构 元素半导体 如Ge Si Se B Te Sb 化合物半导体 如GaAs InP InSb SiC CdS等 无定形半导体材料 如氧化物玻璃和非氧化物玻璃 等 是无机合成化学的研究内容之一 微电子技术还需要高频绝缘材料 荧光材料 场致发光材料和衬底用材料等 几乎都属于新型无机材料之类 也是无机合成化学的研究对象 固体电子器件向小型化 高速化 复合化和高可靠性发展 及满足大规模集成电路的要求 对材料的无机合成技术也提出了更高的要求 迅猛发展的纳米材料合成技术会对微电子技术的发展起着巨大的促进作用 微电子技术推动
9、了以计算机 因特网 光纤通信等为代表的信息技术的高速发展 随着信息技术的发展 大容量光纤通信网络的建设 光电子技术将起到越来越重要的作用 美国商务部 上世纪90年代 全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展 谁在光电子产业方面取得主动权 谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁 光电子技术 国防 航天航空 光学加工 电子 通讯 显示 测试仪器等领域发展的基础 在未来的光计算中发挥重要作用 同微电子技术一样 各种电子与光电子功能材料是发展电子学与光电子学的基础与先导 半导体单晶和石英光纤对于电子学和通讯 以至经济和社会发展所带来的影响和冲击 清楚地说明了这种基础和先导作用 20世纪60年代初出
10、现的硅单晶给电子学带来了划时代的变革 使电子技术从真空电子时代进入固体微电子时代 以半导体单晶为例 集成电路改变了以计算机和通讯为代表的整个电子技术 甚至改变了人类的生活和工作方式 硅单晶所带来的变革和冲击仍在迅速扩展 并有可能延续很长一段时间 GaAs单晶的出现 使电子器件的工作频率扩展到了微波和毫米波段 促进了现代通讯技术的发展 并以其优良的光电特性开创了光电子时代 InP材料的出现以其高的电子迁移率和高的响应频率使得在同一芯片上实现光电集成成为可能 为光电子技术打下了基础 以HgCdTe为代表的第四代半导体材料 则使器件的工作频率从毫米波扩展到红外波段 使得信息的处理由电发展到光 为光子
11、技术的发展准备了条件 当然 除了半导体材料外 电子与光电子功能材料还包括介电材料 磁性材料和光学与非线性光学材料等 由此可见 在国民经济和国防建设中 高新技术的发展将越来越依赖于在材料方面所取得的发展和突破 而上述各类材料的制备和性能研究正是无机合成化学研究的内容 激光技术 激光是一种受激发射而放大的特殊光源 具有亮度高 单色性 聚能与方向性强等特点 1960年7月美国T H 梅曼研制成功红宝石固体激光器 标志了激光技术的创立 接着又用气体 半导体 染料等为工作物质实现了激光振荡 促进了激光技术的发展 激光技术被认为是20世纪继量子物理学 无线电技术 原子能技术 半导体技术 电子计算机技术之后
12、的又一重大科学技术新成就 目前 激光技术已广泛运用于工业 农业 医学 军事乃至社会生活的方方面面 对人类社会的进步正起着越来越重要的作用 采用激光进行全息摄影 被拍物体的全部信息都被记录在底片上 通过光的衍射 就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象 如 激光在信息领域的应用 激光在全息术领域的应用 半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项关键技术 利用激光技术进行光存储 使信息的存储发生了革命性的飞跃 此外 激光打印机 激光传真机 激光照排 激光大屏幕彩色电视 光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用 在红宝石固体激光器件研制成功之后 为寻找性能更好的固体激光工作物质进行了大量的探索工作
13、稀土激光材料因其特殊的电子组态 众多可利用的电子能级和光谱特性 成为国内外研究 开发和应用最活跃的体系 相继研制出了掺钕的钨酸钙 钇铝石榴石 铝酸钇 过磷酸钕和各种氟化物晶体 然而 有实用价值的仅有红宝石 钇铝石榴石和钕玻璃等少数几种 主要原因是其他工作物质的转换效率低 又难以得到尺寸大且质量均匀的晶体 所以 探索质量更好的工作物质仍然是从事无机材料合成工作的科研工作者面临的一项重要任务 激光技术的出现 从一开始就与材料有着密切的联系 红外技术 是研究红外辐射的产生 传播 转化和测量及应用的一门新兴技术 在军事和国民经济各部门有巨大的应用价值 红外技术的发展取决于红外探测器的发展 1940年以
14、前研制成热敏型红外探测器 20世纪50年代半导体物理学的发展 推进了以PbS为开端的光电型红外探测器的发展 60年代中叶起 红外探测器向两个方向发展 在1 14微米范围内 由单元向多元发展 碲镉汞材料是发展多元探测器的基础材料 根据不同的配比 可制成响应不同波段的各种探测器 它还具有若干特别符合红外探测器要求的特性 用它制成的探测器 堪与过去在1 14微米范围的各种光电探测器相比 响应波段向长波延伸 从几十微米到几百微米以至几千微米 60年代 激光的出现极大地影响了红外技术的发展 很多重要的激光都在红外波段 其探测性能比功率探测提高好几个数量级 雷达和通信等都有可能在红外波段实现 而且可以得到
15、更高的分辨率和更大的信息容量 由于这类应用的需要 出现了新的探测器件和新的辐射传输方式 红外光是波长介于可见光与微波之间的电磁波 但目前能利用的波段仅仅是0 75 13微米的近红外和中红外波段 对这一波段敏感 具有透过和反射性能的各种材料 是制造红外装置的核心 已研制和大量使用的半导体材料有 PbS InSb HgCdTe InSbAs PbTe ZnS ZnSe PbEuTe等铁电晶体或多晶体有 Ag2TaO4 PbGeO3 PbTiO3等 透过红外的窗口材料也是红外装置上需要的一种重要材料 有Ge Si Se Mg3N2 Ca3N2 ZnS等各种无机单晶 多晶材料 制造红外光谱仪的分光棱镜
16、也需要用到各种红外分光晶体 依波长不同 使用的材料主要有水晶和Ca3N2 NaCl KBr等碱金属 碱土金属的化合物晶体 这些无机红外功能材料都是通过无机合成化学制备出来的 现代科学技术的发展需要各种各样的无机功能材料 它们相互依存 又相互促进 彼此密切相关 而各种无机功能材料均需依靠近代无机合成技术把它们一个个制备出来 以满足科学技术发展的需要 综上所述 1 2无机合成化学的研究内容 随着合成化学 特种合成实验技术和结构化学 理论化学等的发展 生命 材料 计算机等相邻学科的交叉 渗透 以及实际应用上的需求 无机合成化学的内涵已被大大扩充 不只局限于传统的常规合成 开始进入到大量特种实验技术与方法下的合成 包括了制备和组装科学 研究具有特定结构和性能的无机材料的定向设计合成与仿生合成等 同时与其它学科领域的关系也日益密切 从而使其涉及的内容更广 一 特定结构或特殊凝聚态的无机材料的合成及相关技术路线与规律的研究 材料的性能与物质的结构密切相关 结构不同 即使由相同的元素组成的物质其性质也会有明显的不同 如石墨和金刚石 Fe2O3和 Fe2O3等 物质的性质也受聚集状态调控 如体材料与纳
