材料合成化学

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1、材料合成化学09级材料化学5、6班绪论一、无机合成化学1.1无机合成化学的地位与作用无机合成化学是无机化学学科的一个重要分支，是20世纪50年代之后无机化学复兴时代活跃的前沿阵地，是开发利用自然资源，改善人类生活条件、环境、质量，推动科技和社会进步的有力手段。无机合成化学的最重要的目的是合成不同用途的无机材料，而无机材料的使用是人类文明的进步和时代划分的标志。古代社会石器、铜器、铁器的使用是人类文明进步的见证,而采用化学方法成的新型无机材料的使用又标志着近代文明的发展。也就是说，不论是最早的炼丹术、陶瓷发明、金属的冶炼，还

2、是现代的纳米材料，高温超导材料，生物陶瓷，超硬材料，信息与能源转换材料的合成应用都可以认为是无机合成化学的重要成就。近30年来，各种合成产物大量问世，既有自然界存在的金刚石、水晶、宝石，也有自然界没有的各种功能陶瓷材料和高性能结构陶瓷材料。目前无机合成化学已成为推动无机化学及有关科学发展的重要基础，成为发展新型无机材料及现代高新技术的重要基础之一。可以说没有高纯度的半导体，就没有今天的计算机；没有高强度、耐高温结构材料的合成，就没有今天的航空航天工业同时，一种新的化合物的合成，新方法的应用及新特征的发现往往会导致一个新的科

3、技领域的产生，或一个暂新工业的兴起，而他们发过来又促进化学理论及科学技术的发展。例如，在无机固体材料的发展过程中，InP的合成开始了III〜V族化合物半导体的应用；LiNbOs晶体的制得促进了非线性光学的发展；UF6的合成促进了原子能的发展，SnO2.ZnO半导体气敏材料的合成，开辟了气体传感器研究的新天地。1.2无机合成化学的发展趋势无机化学合成发展的趋势主要体现在三个方面：(1)设计和合成系列化合物，研究它们特定的物性，筛选出具有最佳性能的物种。例如，在固体电解质的研究中，已知锂离子半径小，易于在固相中迁移；硫的电负性

4、低于氧，硫离子可以弱化传导阳离子与阴离子之间的化学键，玻璃态组成可调，并具有三维无序结构。因此，人们为了探索硫化物玻璃作为锂离子导体的可能性，而合成出各种含锂的硫化物玻璃。(2)制备具有非正常价态和非正常键合方式的新化合物，探索其结构和性质。同一元素的不同价态化合物往往具有完全不同的性质。由于采用新的反应和新的合成技术，发现越来越多的元素具有异常价态，如Fe4Nb4Dy4c£+等。固体材料中，离子价态改变或产生混合价态，可使固体的电学、磁学和化学性能发生明显改变。例如可使绝缘体转变为半导体以至导体，可使逆磁体和顺磁体

5、，发铁磁体和铁磁体之间发生相互转变。利用电荷补偿和不等价取代反应，合成d或f元素变价或混合价化合物，并研究其价态和自旋状态的变化，有可能发现一些新型电学和磁学材料，如FezOs是高电阻材料,而Fe3O4则是低电阻材料；再如，以C60、C70为代表的碳多面体原子族，其中每个碳原子均与近邻的三个碳原子以键连接，并各自贡献一个剩余的价电子形成离域的球面大TI键。这类碳原子族具有独特的结构和不同寻常的物理和化学性质。可以把某些金属离子嵌入其球体中，形成高温超导体，还可能生成许多衍生物。对这类新型固体物质的研究将深化人们对固态体系的

6、结构、化学键和物性的理解。（3）制备已知化合物的指定形态或指定结构的产物，以备作为材料或制成功能器件。功能材料都是结构敏感的，对材料的形态、形貌、单相性、纯度、掺杂成分及含量、缺陷种类及浓度、单晶的品质、多晶的晶粒尺寸、陶瓷体的结构与晶界等都有特定的要求。例如将Y2O3或CaO掺入ZrO2,使ZrO2转变为在高、低温度下均可稳定的耐热冲击的立方晶型结构YSA,从而可以作为固体电解质用于高温测氧传感器中；a-Fe2O3具有较高的物理和化学稳定性，通常不具有气敏性能，但利用掺杂或化学方法制成超细粉或薄膜材料后，则具有良好的气敏

7、性质，可作为测定可燃气体的敏感材料。再如，p-Fe2O3磁粉做成微细的针状，即可大大提高磁记录信息量。为了获得特定形态，特许结构以及特许要求的材料，通常利用新的化学反应步骤，在特殊条件下（超高温、超低温、超高压、强超声、辐射等离子体，强激光、微波、超高真空及厌氧、无水等），或者在非常缓慢的条件下（如通过溶胶-凝胶过程制备高温陶瓷，利用室温固相反应合成配合物和纳米材料等）合成目标产物。1.3无机材料合成化学的前沿课题（1）低温固相合成化学室温或近室温（＜40°C）条件下的固-固相化学反应是近几年刚刚发展起来的一个新的研究领域

8、。相对于传统的高温固相反应而言，低温固相反应可以合成一些热力学不稳定产物或动力学控制的化合物，这对人们了解固相反应机理，尽早实现利用固相化学反应进行定向合成和分子装配大有益处。此外，从能量学和环境学的角度考虑，低温固相反应可大大节约能耗，减少三废排放，是绿色化工发展的一个主要趋势。目前，低温固相化学合成