无机合成化学概述

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重要组成部分，化学中涉及的所有内容重点介绍有代表性的无机新材料合成技术。涉及的内容主要包括：1 .无机合成化学概述2。特殊条件下的无机合成反应。水热-溶剂热合成技术。几种重要无机功能材料的制备。第一章无机合成化学概述。1-1无机合成化学的含义化学已经成为满足社会需求的中心科学，因为它与人类的日常生活如食品、能源、材料、资源、环境和健康密切相关。其中，基于合成化学的各种物质起着至关重要的作用。作为当之无愧的化学核心，合成化学已经成为化学家改造世界和创造未来的最强有力的工具。例如，19世纪染料工业的创建；20世纪中叶，聚合物的合成促进了非金属合成材料工业的建立。上世纪50年代，无机固体成孔合成技术的进步直接导致了一系列分子筛催化材料的发展，极大地推动了石油加工和石化工业的革命性发展。本世纪初蓬勃发展的纳米材料合成与组装技术也将加速高技术材料及相关产业的发展。合成化学领域的每一个进步都会导致工业革命。随着新兴学科和高新技术的蓬勃发展，无机合成化学作为合成化学不可或缺的组成部分，不仅是无机化学的一个重要分支，它与新材料的结合已经成为无机化学领域的最新发展方向之一。无机合成化学的目标是获得不同用途的无机材料，无机材料的使用自古以来就是人类文明进步和时代划分的标志。合成化学的发展和新物种的不断创造和发展，不仅是研究结构、性质及其相互关系、揭示新规律和新原理的基础，也是化学及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；航空航天工业的高强度和耐高温结构材料是无机合成化学的一项重要成就，无论是炼金术、火药、陶瓷的发明、金属冶炼，还是高温超导材料、生物陶瓷、超硬材料以及信息和能量转换材料的合成和应用。使用化学方法合成的新无机材料是现代文明发展的标志。毫无疑问，无机合成化学在促进人类社会发展方面发挥着重要作用，并将继续为人类社会的可持续发展做出突出贡献。例如，(1)新能源开发，(2)空间科学技术，(3)微电子技术，光电技术，(4)激光技术，(5)红外技术，人类社会的存在和发展都离不开能源。然而，储存在地球上的矿物能量越来越少，尚未开采的原油量不到2万亿桶，可以开采不到95年。在2050年之前，世界经济的发展将越来越依赖煤炭。此后，在2250年到2500年之间，煤也将被耗尽，化石燃料供应也将耗尽。一、新能源开发，面对能源危机，采取开源节流的策略，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。这两个方面都需要材料。例如，为了提高热效率，需要具有耐高温性和良好机械性能的结构材料以及具有良好隔热性能的隔热材料。目前，正在研发的新能源包括磁流体发电、地热能、潮汐发电、风力发电、太阳能利用例如，磁流体发电需要特殊的导体材料作为电极；地热和潮汐发电需要具有良好抗侵蚀性和耐腐蚀性的结构材料。太阳能转化为电能和热能需要价格低廉、转换效率高的光电或光热转换材料，以及耐用、易于制造、性能稳定的太阳能电池、反射材料和选择性涂层材料，以有效收集光能。核能需要良好的控制材料来控制核反应，需要结构材料来防止核辐射。燃料电池需要解决固体电解质材料的问题。为了有效地储存能量，还需要具有良好性能的电池材料和储氢材料。这些新的发电和能量转换技术需要解决一系列物质问题：空间技术的发展创造了巨大的物质和精神财富。例如，卫星作为信息传输的枢纽，连接着世界各地，给通信系统带来了根本性的变化。三分之二的国际电话服务和几乎所有的洲际电视广播服务由国际通信卫星承担，年营业额高达20亿美元。通过各种应用卫星进行侦察、预警、导航、广播、调查、预报、测绘，可以获得巨大的军事价值和经济效益。空间科学技术的发展离不开火箭、人造卫星和航天器等航天器。这些航天器由各种功能材料制成。由于空间和航空的特殊环境，航天器制造中使用的材料往往需要各种特殊性能。空间科学与技术：一门新的综合性先进科学与技术。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。燃烧室中的压力高达20兆帕，因此燃烧喷嘴应采用隔热性能好、比热容和潜热大的耐高温烧蚀材料。例如，当宇宙飞船或航天飞机返回地球时，大气和宇宙飞船之间的摩擦导致宇宙飞船的表面温度达到大约2000。一般的高温材料已经无法承受，所以通常用隔热陶瓷片来保护它。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成功开发极大地推动了空间技术的发展。相信随着现代无机合成化学的发展，由于出现了更多性能优异的特殊材料，空间科学技术将会有更大的发展。20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明以及硅集成电路的成功发展导致了电子工业的革命。20世纪70年代初石英光纤材料和GaAs激光器的发明推动了光纤通信技术的飞速发展，将人类带入了信息时代。目前，基于半导体材料和器件的微电子技术不仅对现代工业、国防、科学技术产生了巨大的影响，而且对人类日常生活的各个方面都产生了深远的影响。微电子学，光电子学，微电子学基础：无机半导体材料，根据其化学组成和内部结构，元素半导体(如锗，硅，硒，硼，碲，锑)；化合物半导体(如GaAs、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉等。)；非晶半导体材料(如氧化物玻璃和非氧化物玻璃)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、电致发光材料和基底材料，这些几乎都是新的无机材料，也是无机合成化学的研究对象。固体电子器件正朝着小型化、高速化、复合化和高可靠性方向发展，并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。纳米材料合成技术的快速发展将极大地促进，光电子技术、国防、航空航天、光学处理、电子、通信、显示、测试仪器等领域的发展基础，将在未来的光计算中发挥重要作用。像微电子学一样，各种电子和光电子功能材料是电子和光电子发展的基础和先导。半导体单晶和应时光纤对电子和通信以及经济和社会发展的影响和影响清楚地说明了这一基础和主导作用。20世纪60年代初硅单晶的出现给电子学带来了划时代的变化，使电子技术从真空电子学时代进入固体微电子学时代。以半导体单晶为例：集成电路改变了以计算机和通信为代表的整个电子技术，甚至改变了人们的生活和工作方式。硅单晶带来的变化和影响仍在迅速扩大，可能会持续很长时间。GaAs单晶的出现将电子器件的工作频率扩展到微波和毫米波波段，促进了现代通信技术的发展，并以其优异的光电特性开创了光电子时代。磷化铟材料的出现使得在同一芯片上实现高电子迁移率和高响应频率的光电集成成为可能，为光电技术奠定了基础。以碲镉汞为代表的第四代半导体材料将器件的工作频率从毫米波扩展到红外波段，使信息处理从电发展到光，从而为光子技术的发展创造了条件。当然，除了半导体材料，电子和光电功能材料还包括电介质材料、磁性材料、光学和非线性光学材料等。因此，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材料的发展和突破。上述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，激光是一种受激辐射放大的特殊光源，具有高亮度、单色性、能量积累性和强方向性。1960年7月，美国满妹成功研制出红宝石固态激光器，标志着激光技术的诞生。然后，利用气体、半导体和染料作为工作物质实现激光振荡，推动了激光技术的发展。激光技术被认为是20世纪继量子物理、无线电技术、原子能技术、半导体技术和计算机技术之后的又一重大科技新成就。目前，激光技术已经广泛应用于工业、农业、医学、军事乃至社会生活的各个方面，在人类社会的进步中发挥着越来越重要的作用。利用激光进行全息摄影，将被摄物体的所有信息记录在底片上，通过光的衍射，可以再现被摄物体逼真的三维图像。例如，激光在信息领域的应用、激光在全息领域的应用、半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两大关键技术。激光技术在光存储中的应用彻底改变了信息存储。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、光纤有线电视和大气激光通信已得到广泛应用。红宝石固体激光器研制成功后，为了找到更好的固体激光器工作物质，进行了大量的探索工作。稀土激光材料因其特殊的电子构型、众多可用的电子能级和光谱特性，已成为国内外最活跃的研究、开发和应用系统。掺钕钨酸钙、钇铝石榴石、铝酸钇、多磷酸盐钕和各种氟化物晶体相继开发出来。然而，只有少数具有实用价值，如红宝石，钇铝石榴石和钕玻璃。主要原因是其他工作物质的转化效率低，难以获得大尺寸和均匀质量的晶体。因此，它仍然很重要红外技术的发展依赖于红外探测器的发展。热红外探测器是在1940年以前开发的。20世纪50年代半导体物理学的发展促进了光电红外探测器的发展，从PbS开始。自20世纪60年代中期以来，红外探测器已经向两个方向发展：在1 14微米范围内，从单位到倍数。碲镉汞是开发多元素探测器的基本材料。根据不同的比例，可以制作不同波段的探测器。它还具有许多满足红外探测器要求的特殊特性。由它制成的探测器可与过去1 14微米范围内的各种光电探测器相媲美。(2)响应波段延伸到长波，范围从几十微米到几百微米甚至几千微米。20世纪60年代，激光的出现极大地影响了红外技术的发展。许多重要的激光器都在红外波段，它们的探测性能比功率探测高几个数量级。雷达和通信都可以在红外波段实现，并且可以获得更高的分辨率和更大的信息容量。由于这些应用的需要，出现了新的探测器和新的辐射传输方法。红外光是波长介于可见光和微波之间的电磁波(但目前可用的波段只有0.75 13微米的近红外和中红外波段)。对该波段敏感并具有透射和反射特性的各种材料是制造红外器件的核心。已经开发和广泛使用的半导体材料包括：PbS、InSb、HgCdTe、InSBa、PbTe、ZnS、ZnSe、pbutee等。铁电晶体管或多晶包括：Ag2TaO4、PbGeO3、PbTiO3等。透射红外的窗口材料也是红外器件所需的重要材料，包括锗、硅、硒、Mg3N2、Ca2、ZnS等无机单晶和多晶材料。制造红外光谱仪的分光棱镜还需要各种红外分光晶体。根据不同的波长，所用的材料主要是碱金属和碱土金属的晶体和复合晶体，如Ca3N2、氯化钠和KBr。这些无机红外功能材料都是通过无机合成化学制备的。现代科学技术的发展要求各种无机功能材料相互依存、相互促进、密切相关。各种无机功能材料需要通过现代无机合成技术逐一制备，以满足科学技术发展的需要。综上所述，随着合成化学、特殊合成实验技术、结构化学和理论化学的发展，以及生命、材料、计算机等相邻学科的交叉和渗透，以及实际应用的需要，1-2无机合成化学的研究内容有了很大的拓展。它不仅局限于传统的常规合成，还通过大量特殊的实验技术和方法(包括制备和组装科学)开始进入合成领域，研究了具有特定结构和性能的无机材料的定向设计合成和仿生合成。与此同时，与其他学科的关系越来越密切，这使得它的内容更加广泛。(1)特定结构或特殊凝聚态无机材料的合成及相关技术路线和规律的研究。材料的性质与物质的结构密切相关。结构不同，甚至由相同元素组成的物质在性质上也有明显的差异，如石墨和金刚石。-Fe2O3和-Fe2O3等。物质的性质也受聚集态的调节，如块体材料和纳米材料。多晶和单晶材料；球形纳米粒子和纳米棒、纳米线、纳米管等。此外，材料间通过复合、组装和杂化形成的各种无机功能材料因其独特的性能和广阔的应用前景，已成为现代无机合成的研究对象之一。因此，无机合成和制备工作者的重要任务之一是开发新的合成反应、制备路线和技术，将这些材料精细地雕刻成具有特定结构和聚集体的无机物质或其相关材料二是极端条件下无机材料的合成及相关技术路线的基础研究。许多物质需要在极端条件下合成，如超高压、超高温、超高真空、超低温、强磁场或电场、失重、激光、等离子体等。在极端条件下合成的物质的性质通常与在温和条件下合成的物质有很大不同。例如，在高真空和空间无重力的条件下，可以合成没有位错的高纯度晶体。在超高压下，许多物质的禁带宽度和内外轨道之间的距离会发生变化，从而使元素的稳定价态不同于正常情况。因此，有人认为在超高压下，整个元素周期表都会被改写。然而，在中温中压水热条件下，可以合成具有特定价态、特殊构型和形貌的晶体，从而替代或弥补了目前大量无机功能材料高温固相反应的不足。中国积极开展极端条件下无机功能材料的合成与性能研究，如神舟系列飞船在高真空、无重力条件下的材料合成，并取得