無機化學(xué)高壓水熱合成方法

1、關(guān)于無機化學(xué)高壓水熱合成方法/ 301第一張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 302 高溫高壓是一種特殊的研究手段，作為一種典型的極端物理條件，能夠改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀態(tài)，被用作調(diào)節(jié)原子間距、信息探針和其它特殊的應(yīng)用手段，滲透到絕大多數(shù)前沿課題的研究中。 高壓固態(tài)反應(yīng)壓力范圍包括：低壓力(110MPa)，高壓力(幾十GPa)。 （1 大氣壓 0.1 MPa = 1.013巴， 1GPa 1萬大氣壓） 第二張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 303第1節(jié) 高壓高溫的產(chǎn)生和測量1 高壓高溫的產(chǎn)生（1）高壓的產(chǎn)生靜高壓：利用外界機械加載方式，擠壓物體 或試樣產(chǎn)生高壓壓縮機（

2、壓氣機200-1000巴、壓液機1500巴）油壓機推動高壓裝置動高壓：利用爆炸、強放電產(chǎn)生沖擊波瞬間 產(chǎn)生幾十甚至上千GPa高壓。 第三張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 304（2）高溫的產(chǎn)生：大電流通過試樣直接加熱，或由加熱管間接加熱2 高壓高溫的測量（1）高壓的測量物質(zhì)相變點定標測壓法如Bi(III) 2.5GPa, Tl(III) 3.67GPa, Cs(IIIII) 4.2GPa, 相變時電阻發(fā)生躍變（2）高溫的測量靜高壓裝置的高溫采用熱電偶測量，PtRh合金動高壓較復(fù)雜，難以直接測量 第四張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 305第2節(jié) 高壓的作用1 引起物質(zhì)發(fā)生性

3、質(zhì)變化增加物質(zhì)密度、對稱性、配位數(shù)，縮短鍵長如熔點升高：汞 1大氣壓 38.2C， 1萬大氣壓 21.9C固體物質(zhì)電子層結(jié)構(gòu)變化：銫 幾萬大氣壓下變成絕緣體，6s電子壓入內(nèi)層鐵 3d64s23d8S, Se, Te, P高壓下金屬化第五張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 306離子配位數(shù)變化：SiO2 配位數(shù)46 體積減少38%有利于體積減少的反應(yīng)N2 + 3H2 = 2NH3-壓力 1 100 300 1000 2000 3500(大氣壓) -NH3 % 2.11 16.43 35.82 69.69 89.83 97.18平衡濃度-第六張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30

4、7年產(chǎn) 300,000T 合成氨廠三明化工廠合成氨廠第七張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 308 石墨 金剛石(sp2, 5.34ml/mol) (sp3, 3.42ml/mol) rHm 1.828 kJmol1 rGm 2.796 kJmol1 rSm - 3.25 kJmol1常溫常壓下石墨轉(zhuǎn)化為金剛石是非自發(fā)的，但根據(jù)rGmrHmTrSm可見，在高溫和高壓(由疏松到致密)下可能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化。其溫度和壓力條件因催化劑的種類不同而不同。第八張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 309碳的相圖石墨在高溫高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸诰艔?，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3010

5、高壓在無機合成中的作用 可提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率 降低合成溫度 縮短反應(yīng)時間等 第十張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3011第3節(jié) 無機化合物的高壓合成1 金剛石和立方氮化硼的合成靜高壓高溫直接合成：同素異型相轉(zhuǎn)變 12.5GPa, 3000K 石墨 金剛石靜高壓高溫催化劑合成法：金屬催化劑，56 GPa, 13002000K 第十一張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3012石墨轉(zhuǎn)化法可分為靜態(tài)超高壓高溫法和動態(tài)法兩種。 靜態(tài)超高壓高溫法 用高壓設(shè)備壓縮傳壓介質(zhì)產(chǎn)生310 GPa的超高壓，并利用電流通過發(fā)熱體，將合成腔加熱到l0002000高溫。其優(yōu)點是能較長時間保持

6、穩(wěn)定的高溫高壓條件，易于控制。該法可得到磨料級金剛石，但設(shè)備技術(shù)要求高。 第十二張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3013 動態(tài)法 利用動態(tài)波促使石墨直接轉(zhuǎn)變成金剛石。動態(tài)沖擊波可由爆炸、強放電和高速碰撞等瞬時產(chǎn)生，在被沖擊介質(zhì)中可同時產(chǎn)生高溫高壓，使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。該法作用時間短(僅幾微秒)，壓力及溫度不能分別加以控制，但裝置相對簡單，單次裝料多，因而產(chǎn)量高。產(chǎn)品為微粉金剛石，可通過燒結(jié)成大顆粒多晶體，但質(zhì)量較差。 低壓法CVD法 PVD法 等等。 第十三張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3014人造金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域中國的人造金剛石產(chǎn)量1999年達到大約8億克拉。第十四

7、張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3015 11.5 GPa, 2000K六角氮化硼 立方氮化硼(類似石墨結(jié)構(gòu)) (與金剛石結(jié)構(gòu)相同) 6.2 GPa, 1650K 金屬催化劑(Mg) 第十五張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30162 復(fù)合雙稀土氧化物的合成 2.9GPa, 1550KLa2O3 + Er2O3 LaErO3合成NdYbO3 , LaLuO3 , EuTbO3等，常壓高溫難合成的物質(zhì)，或是新物質(zhì)第十六張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30173 翡翠寶石的合成 16501850KNa2CO3,Al2O3,SiO2非晶玻璃 2.04.5GPa, 1

8、2001750K 寶石級翡翠寶石第十七張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3018第4節(jié) 水熱合成 水熱與溶劑熱合成(Hydrothermal Reactions and Solvothermal Reactions）是無機合成化學(xué)的一個重要分支。 目前已成為多數(shù)無機功能材料、特種組成與結(jié)構(gòu)的無機化合物及特種凝聚態(tài)材料，如超微粒、溶膠與凝膠、非晶態(tài)、無機膜、非晶等合成的重要的途徑。 第十八張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3019熱液礦床：又稱水熱礦床 水熱法是19 世紀中葉地質(zhì)學(xué)家模擬自然界成礦作用而開始研究的。1900 年后科學(xué)家們建立了水熱合成理論,以后又開始轉(zhuǎn)向功能材

9、料的研究。目前用水熱法已制備出百余種晶體。第十九張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3020海底熱液活動 第二十張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30211 合成化學(xué) 水熱與溶劑熱合成是指在一定溫度（1001000）和壓強（1100MPa）條件下利用溶劑中物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)進行的合成。水熱合成化學(xué)側(cè)重于研究水熱合成條件下物質(zhì)的反應(yīng)性，合成規(guī)律以及合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。第二十一張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30222 反應(yīng)介質(zhì)的性質(zhì)A 水在中溫中壓(100240，120MPa)條件下水的飽和蒸氣壓(kg/cm2)為：_溫度(C) 100 150 180 200 220蒸

10、氣壓 1.033 4.85 10.2 15.9 23.7 水的臨界溫度為(374.1C)，臨界壓力為221.2 (bar)。第二十二張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3023 在高溫高壓水熱體系中，水的性質(zhì)發(fā)生變化:蒸氣壓變高、密度變低、表面張力變低、粘度變低、離子積變高壓強與反應(yīng)容器中原始溶劑的填充度有關(guān)，通常50%80% 第二十三張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3024B 有機溶劑反應(yīng)介質(zhì) 有機溶劑種類繁多，性質(zhì)差異很大，為合成提供了更多的選擇機會。有關(guān)參數(shù)：分子量M、密度d、冰點mp、沸點bp、介電常數(shù)、偶極矩溶劑極性等第二十四張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6

11、月/ 30253 合成的技術(shù) 水熱與溶劑熱實驗的基本設(shè)備是高壓容器。 一個好的水熱溶劑熱合成程序是在了解反應(yīng)機制和化學(xué)實驗的積累基礎(chǔ)上建立的。 第二十五張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3026 一般的水熱合成程序：(1)、選擇反應(yīng)物料(2)、確定合成物的配方；(3)、配料序摸索；(4)、裝釜、封釜；(5)、確定反應(yīng)溫度、時間、狀態(tài) （靜止與動態(tài)晶化）(6)、取釜、冷卻（空氣冷、水冷）；(7)、開釜取樣；(8)、過濾、干燥；(9)、光學(xué)顯微鏡觀察晶貌與粒度分布；(10)、X射線衍射物相分析。第二十六張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 30274 水熱與溶劑熱合成A 人工水晶的合成 石英（水晶）的結(jié)構(gòu)由SiO44- 四面體彼此以頂角相連，形成多種晶形。石英具有壓電效應(yīng)。 合成體系中加入加入礦化劑NaOH溶液，Na+、OH-參與了晶面活化作用 第二十七張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3028水熱法合成石英的裝置結(jié)晶區(qū)330350溶解區(qū)360380 第二十八張，PPT共三十頁，創(chuàng)作于2022年6月/ 3029B 沸石分子篩的合成