第2章 软化学合成

软化学合成方法软化学合成是一种通过化学方法合成材料的技术，其特点在于反应条件较为温和，一般在室温到200°C之间。

此外，软化学合成可以在常压或较低压下进行，无需高压设备，经济实用，因此受到越来越多的关注。

软化学合成方法主要应用于无机材料和复合材料的制备，同时也可用于有机材料和生物材料的制备。

软化学合成的基本原理是在水或有机溶剂中利用化学反应使得原料分子发生断裂、重新组合和生长，最终形成所需物质。

反应中通常运用配位化学的原理，利用金属离子和其它活性基团在反应后与底物发生配位作用，促进反应的进行。

软化学合成方法根据不同的反应机理和化学特性可分为以下几类：1.羟磷灰石方法：羟磷灰石（HA）是一种常见的骨科医用材料，常常用于修复骨折和缺损等。

合成HA的传统方式是通过高温固相反应，但该方法成本高且反应过程难以控制。

软化学合成方法可以通过控制水转化速率，以较低的温度制备HA。

反应中首先形成一种类似HA前驱体的物质，在加入氢氧化钠等碱性物质加速反应后，该物质转化为HA晶体。

2.水热合成法：水热合成法是一种采用水作为反应介质，在高温高压条件下进行反应的方法。

该方法可以用于制备各种金属氧化物、氢氧化物、钙钛矿、复合氧化物等。

水热合成前，底物通常需要通过溶胶-凝胶方法或共混法与适当的配体结合，形成均匀的溶胶体系。

水热反应的机制是在高压条件下，底物之间发生物理和化学变化，形成高度纳米化的颗粒和均匀的纳米晶体。

3.凝胶法：凝胶法是一种可产生微纳米级多孔结构或非晶状态材料的方法，适用于制备各种高纯度氧化物、金属、非金属元素的混合氧化物、硅基化合物等。

凝胶法实际上是一种溶胶-凝胶过程，首先将金属盐、硅源等原料溶解在水/有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入凝胶剂形成凝胶。

凝胶在干燥和煅烧后形成高度纳米化的粉体材料。

4.微乳液法：微乳液法是一种高度纳米化的液相合成方法，适用于制备具有均匀形貌和粒径分布的无机材料颗粒和复合材料。

无机合成简明教程复习笔记一、第一章●无机合成十大热点/前沿领域1.特种结构无机材料的制备2.软化学合成●硬化学：在超高温、超高压、强辐射、无重力、仿地心、仿宇宙等条件下探索新物质合成●软化学：采取迂回步骤，在较温和条件下实现化学反应过程，以制备相关材料的化学领域●方法：前驱体法、溶胶-凝胶法、溶剂热合成法、插入反应、离子交换过程、熔体（助溶剂）法、酶促合成骨骼和人齿反应、拓扑化学过程及一些电化学过程●特点●不需用高纯金属作原料●制成的合金是具有一定颗粒度的粉末，在使用时无需碾碎●产品本身具有高活性●产品具有良好的表面性质和优良的吸放氢性能●合成方法简单●有可能降低成本●为废旧储氢合金的回收再生开辟了新途径3.极端条件下合成4.杂化材料的制备5.特殊聚集态材料合成6.特种功能材料的分子设计●概念：其指开展特定结构无机化合物或功能无机材料的分子设计、裁剪与分子工程学的研究●步骤：以特定的功能为导向➡️在分子水平上实现结构设计和构建➡️研究分子构建的形成和组装规律➡️对特定性能的材料进行定向合成7.仿生合成●概念：其指在分子水平上模拟生物的功能，将生物的功能原理用于化学，借以改善现有的和创造崭新的化学原理和工艺科学●仿生膜●选择性通透作用●低能耗、低成本和单极效率高●适合热敏物质分离●应用广泛、装置简单、操作方便、不污染环境8.纳米粉体材料制备●化学制备方法●水热-溶剂热法●热分解法●微乳液法●高温燃烧合成法●模板合成法●电解法●化学沉淀法●化学还原法●溶胶-凝胶法●避免高温引起相分离9.组合化学●其是一门将化学合成、组合理论、计算机辅助设计及机器人结合为一体的技术●基本思想和主要过程●设想和定义●选择相关元素●构建化合物库●并行处理技术●加工过程●高通量分析●将新材料及合成与分析数据送交用户10.绿色合成●方法和实例●热化学循环分解水●水热-溶剂热合成●超临界二氧化碳和成●绿色电解合成●低热固相合成●固相合成四个阶段●扩散●反应●成核●生长●五个特点●具有潜伏期●无化学平衡●拓扑化学控制原理●分步反应●嵌入反应●定义：指在制造和应用化学产品时有效利用原料（最好可再生），消除废物和避免使用有毒的、危险的试剂与溶剂●核心和主要特点（原子经济反应）●无毒无害原料，可再生资源●环境友好产品，回归自然，废物回收利用●无毒无害催化剂●无毒无害溶剂二、第二章●Ellingham 图1.吉布斯-亥姆霍兹方程2.如何理解：设（x,y)（ x,y分别为两种物质），位于金属氧化物线段之下的温度区间，x可用于还原金属氧化物，而本身被还原为y3.应用●古代制铜器●金属锌制备●耦合反应1.概念：原来不能单独自发进行的反应A，在反应B的帮助下合并，合并在一起的总反应可以进行，这种情况称之为耦合反应2.应用实例●单质磷的制备●四氯化钛的制备●氧化法制备硫酸铜●泡佩克斯图1.概念：它是相关电对的电极材料-参加反应各物种浓度-温度-溶液酸度图●电极反应类型●既有氢离子或氢氧根离子参加，又有电子参加，这时的泡佩克斯图为一直线，斜率为（-m/n)*0.059,截距为E池●电极反应只有电子得失，没有氢离子或氢氧根离子参加，其图形为平行于横坐标的直线●电极反应有氢离子或氢氧根离子参加，但没有电子得失，其图形为平行于纵坐标的直线2.性质●直线上方为氧化态的稳定区，下方为还原态的稳定区●直线左边是物种离子的稳定区，右边是沉淀的稳定区3.应用●判断氧化还原反应进行的方向和顺序●对角线规律●两条直线间的距离越大，E池越大，➡️G越负，则反应自发进行的趋势越大●对同时存在的几个反应，氧化还原反应进行的顺序可按直线之间距离的大小排序（从大到小）●确定水的稳定区●如图，凡是泡佩克斯图落在j-k之间的氧化剂或还原剂都不会与水反应●可判断物种在水中存在的区域，或者提供制备的条件●湿法冶金中的应用●在电化学中的应用●热力学相图1.一致熔融化合物2.不一致熔融化合物三、第三章●低温合成1.物态●物质的第四态：等离子态，升高温度（数百万度）●物质的第五态：波色-爱因斯坦凝聚（超导态和超流态），温度低至临界温度2.低温温区划分●普冷区：环境温度到120k●深冷区：120k到绝对零度●普冷与低温的分界线：123k3.低温获得●恒温低温浴●制冷产生低温P78●低温恒温器●储存液化气体装置●高压气体钢瓶●气体钢瓶的颜色●气体钢瓶的安全使用●原因：钢瓶内部填充的气体压力很大，并且有的气体具有可燃性和助燃性，故钢瓶具有一定的易燃易爆性●注意点●气瓶必须连接压力调节器，经降压后，再流出使用●安装调节器，配管一定要用合适的，安装后试接口，不漏气方可使用●保持清洁，防污秽侵入，防漏气●小心使用，不可过度用力●易燃气体钢瓶应装单向阀门，防止回火●避免和电器电线接触，以免产生电弧使气体受热发生危险●瓶内气体不可用尽，即压力表指压不可为0，否则可能混入空气，重装气体时会有危险●气体附近必须有灭火器➡️，且工作场所通风良好4.低温的测量●蒸气压温度计●低温热电偶●低温热电阻温度计5.应用●稀有气体合成●KrF2的低温放电合成● XeO4的低温水解合成●在高氙酸盐中缓慢滴入零下五摄氏度的浓硫酸，生成四氧化氙气体●真空升华得纯品，储存于零下78摄氏度的冷凝容器中●XeF2的低温光化学合成P84●RnF2的光化学合成●金属，非金属同液氨的反应●碱金属及其化合物同液氨的反应●U型汞鼓泡管主要作为液氨蒸发的出口，并在所有的液氨蒸发后，阻止气体进入杜瓦瓶●碱土金属同液氨反应●某些化合物在液氨中的反应●非金属同液氨的反应●液氨中配合物的生成●低温下挥发性化合物的合成●二氧化三碳的合成●氯化氰的合成●磷化氢的合成●实验结束时不断的使氢气通过烧瓶，同时使烧瓶中的物质冷却，直至磷完全凝固。

软化学及软化学合成法作者：石海信谭铭基黄冬梅来源：《化学教学》2010年第09期摘要:简介了软化学的基本概念,并从化学热力学角度分析软化学反应发生的原因,列举了先驱物法、水热法、溶胶-凝胶法、低热固相反应等几种典型的软化学合成方法。

结果表明,软化学合成法是操作简单、环境友好的合成工艺。

关键词:软化学;先驱物法;水热法;溶胶-凝胶法;低热固相反应文章编号:1005-6629(2010)09-0053-03 中图分类号:TQ031.2 文献标识码:E软化学(soft chemistry)是20世纪70年代初由德国固体化学家舍费尔(H.Schafer)提出来的一种制备无机固体化合物及其材料的温和合成方法。

与在极端条件下如超高压、超高温、超真空、强辐射、冲击波、无重力等进行的硬化学(hard chemistry)相比,软化学无需苛刻条件,可在温和条件下实现化学反应过程,因而易于实现对其化学反应过程、路径和机理的控制,从而可以根据需要控制过程的条件,对产物的组分和结构进行设计,进而达到“剪裁”其理化性质的目的。

正是由于软化学具有对实验设备要求简单和化学上的易控性等特点,使得软化学在材料合成化学的研究领域中占有一席之地。

1软化学的基本概念软化学是指在中低温或溶液中通过一般化学反应制备材料的方法[1]。

各种材料的性质和功能是与其最初的合成或制备过程密切相关的,不同的合成方法和合成路线通过对材料的组成、结构、价态、凝聚态、缺陷等的控制决定了材料的性质和功能。

材料的结构所携带的这种合成基因可通过合成过程中的化学操作来调控。

传统高温固相化学反应合成所得的是热力学稳定的产物,而那些介稳中间物或动力学控制的化合物往往只能在较低温度下存在,它们在高温时分解或重组成热力学稳定产物。

为了得到介稳态固相产物,扩大材料的选择范围,有必要降低固相反应温度。

而温和条件下的合成化学——软化学合成,由于材料形成于相对较低的温度,这样,便有可能在同一材料体系中实现不同类型组分如无机物-有机物、陶瓷-金属、无机物-生物体的复合,也有可能获得一些用高温固相反应与物理方法难以获得的低熵、低焓或低对称性的材料,特别是一些具有特殊结构或形态复合、杂化和低维材料体系。

95管理及其他M anagement and other钴酸锂正极材料软化学合成法的关键技术介绍甄薇薇（有色金属技术经济研究院有限责任公司，北京 100080）摘 要：目前产业化生产钴酸锂正极材料的方法主要为固相合成法，但该方法存在烧结温度高、烧结时间长、能耗大等缺陷，而软化学合成法制备钴酸锂正极材料具有原料成分混合均匀、反应温度低、反应时间短、制得的产品粒度均一性好、利于合成微纳米材料等优势，但软化学合成法存在需处理有机物、难以大面积生产、需处理废水等问题，导致目前国内无法采用软化学合成法大规模生产钴酸锂正极材料，如果能够克服软化学合成法存在的缺陷，则采用软化学合成法制备钴酸锂正极材料可以提高生产效率、大幅度降低生产成本且该方法制备的产品均匀性好。

本文从软化学合成法的关键技术出发，总结了软化学合成法制备钴酸锂正极材料的所需原料、工艺参数、改性技术。

关键词：钴酸锂；溶胶凝胶法；化学共沉淀法；络合剂法；改性中图分类号:TM912.9 文献标识码： A 文章编号：11-5004（2021）21-0095-2收稿日期：2021-11作者简介：甄薇薇，女，生于1991年，蒙古族，内蒙古通辽人，硕士研究生，工程师，研究方向：材料工程。

锂离子电池由于具有工作电压高、压实密度大、循环寿命长、工作温度范围宽、无污染等优点，目前不仅广泛应用于汽车用动力电池、3C 电子产品等领域，而且有望为未来储能做出贡献。

锂离子电池正极材料主要包括一元金属锂氧化物、二元金属锂氧化物、三元金属锂氧化物、磷酸亚铁锂等，一元金属锂氧化物中的钴酸锂作为正极材料制作成锂电子电池具有体积小、电量大、待机时间长等优势，得到了广泛应用。

钴酸锂正极材料的合成方法主要包括固相合成法和软化学合成法，目前产业化的生产方式主要是固相合成法，但固相合成法存在烧结温度高、烧结时间长、能耗大等缺陷，因此，软化学合成法制备钴酸锂正极材料得到了广泛研究。

1 钴酸锂正极材料软化学合成法的关键技术软化学合成法根据钴酸锂正极材料前驱体制备方法的不同，又主要分为溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、络合剂法。

第二章2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤，请说明：1) 在用MgO 和32O Al 为反应物制备尖晶石42O MgAl 时，应该采用哪些方法加快固相反应进行？2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时，人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉淀法得到前体物，再于高温下反应制备所需产物，请说明原因。

3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法，请说明“软化学”合成的主要含义，及其在固体化学和材料化学中所起的作用和意义。

答：1. 详见P6A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积；B.扩大产物相的成核速率C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。

2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段固相反应中反应物颗粒较大，为了使扩散反应能够进行，就得使得反应温度很高，并且机械的方法混合原料很难混合均匀。

共沉淀法便是使得反应原料在高温反映前就已经达到原子水平的混合，可大大的加快反应速度；由于制备很多材料时，它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系，为了克服这个限制，发展了溶胶-凝胶法，这个方法可以使反应物在原子水平上达到均匀的混合，并且使用范围广。

3. P22“软化学”即就是研究在温和的反应条件下，缓慢的反应进程中，采取迂回步骤以制备有关材料的化学领域。

2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢，怎样才能加快反应速率？答：P6以MgO 和32O Al 反应生成42O MgAl 为例，反应的第一步是生成42O MgAl 晶核，其晶核的生长是比较困难的，+2Mg 和+3Al 的扩散速率是反应速率的决速步，因为扩散速率很慢，所以反应速率很慢，加快反应速率的方法见2.1（1）。

第三章（张芬华整理）3.1 说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc 型堆积中原子的配位情况。

答：简单立方堆积、 6立方密堆积、 12六方密堆积、 12体心立方堆积 8hc 型堆积 123.2 3SrTiO 为钙钛矿结构，a=3.905A ，计算Sr-O ，Ti-O 键长和3SrTiO 密度。

浅析硬化学和软化学的区别与联系摘要:随着科学技术的日益发展和科技条件的提高,人们提出了两种制备无机材料的方法,即硬化学方法和软化学方法。

本文分析了现代无机合成的两大热点领域---硬化学和软化学的形成和发展,分别介绍了硬化学和软化学的合成思路,并对两种无机合成方法的区别与联系进行了阐述。

关键词:无机合成硬化学软化学合成化学的发展是推动化学学科及其相关学科发展的主要动力,其中无机合成的发展方向是进行特定结构和性质的无机材料定向设计和合成。

随着科学技术的日益发展和科技条件的提高,人们提出了两种制备无机材料的方法,即硬化学方法和软化学方法[1-2]。

硬化学方法一般指那些要在超高温或超低温、超真空、强射线辐射、失重等极端条件下进行的化学合成。

在这些极端条件下,可以形成许多种在一般条件下无法得到的新化合物及新物相与物态。

例如,在模拟宇宙空间的无重力、高真空的情况下,可能合成出没有位错的高纯度晶体;在超高压下,许多物质的内外层电子轨道的距离均会发生变化,从而使元素的稳定价态发生质的飞跃。

随着现代科学技术的发展,凭借已有的和将有的能力集中力量进行极端条件下的无机化学合成研究,将会在新材料、新知识、新设备和新工艺等方面获得重大进展。

硬化学方法主要包括:失重合成、超高温高压合成、等离子体合成、自蔓延高温合成、固体火焰燃烧反应以及一些爆炸反应等。

在硬化学法提供的诸多材料制备技术中,等离子体合成法是目前研究最多的一种。

等离子体可分为冷等离子体和热等离子体。

冷等离子体中气体温度低而电子温度高,主要用于那些反应吸热大、产物高温不稳定的化合物,如NH3-H3N、H2N-NH2的合成。

在热等离子体中,由于达到了局部热力学平衡状态,而且温度很高,复杂分子一般无法存在,大都离解成原子和离子,因此特别适用于粉末冶金、金属精炼和特种高温材料的合成,也适用于大的吸热反应。

例如等离子体合NO2,比传统方法利用天然气先合成NH3,再合成NO2的方法简单的多[3];美国Las Alamos国家实验室成功的合成了Si3N4、SiC、B4C等超纯超细无机粉末,主要依赖于一种等离子体系统,其可以合成超纯、超细材料的射频。

无机材料合成基础知到章节测试答案智慧树2023年最新三峡大学第一章测试1.溶剂-凝胶法是一种软化学合成方法（）参考答案:对2.软化学合成也属于绿色化学范畴（）参考答案:对3.极端条件下指极限条件，即超高温、超高压、超真空，以及接近0K、强磁场与电场、激光，等离子体等。

（）参考答案:对4.电解法包含水溶液电解和熔盐电解。

（）参考答案:对5.设计化学产品要让它发挥所需功能而尽量减少其毒性。

（）参考答案:对第二章测试1.当化学反应A的标准吉布斯自由能大于零时，为了使其发生，可以随意引入反应B进行耦合反应。

（）参考答案:错2.金属铜易溶于稀硫酸。

（）参考答案:错3.在有充分氧气的条件下，金属铜可以溶于稀硫酸。

（）参考答案:对4.泡佩克斯图就是用来讨论电对的氧化还原性与布朗斯特酸性之间关系的。

（）参考答案:对5.泡佩克斯图可以用来判断氧化还原反应进行的方向和顺序。

（）参考答案:对第三章测试1.可以用熔盐电解法制备金属钾。

（）参考答案:错2.在氨基钠的制备中，整个装置的连接都不允许漏气。

（）参考答案:对3.很多化合物在液氨中能够氨解得到相应的化合物。

（）参考答案:对4.挥发性化合物由于其熔点、沸点都较低，因此这类材料的合成和纯化需要在低温下进行。

（）参考答案:对5.凡是低于环境温度的都称为低温。

（）参考答案:对第四章测试1.在水热-溶剂热合成分子筛等微孔材料中，加入有机模板剂或结构导向剂的作用是为了提高骨架的热力学稳定性。

（）参考答案:错2.反应釜是进行水热-溶剂热合成的基本设备，其设计和性能极大地影响研究内容和水平。

（）参考答案:对3.高温高压水热反应中，水的性质：密度和黏度增大。

（）参考答案:错4.化学真空线可用于空气敏感化合物的制备和表征。

（）参考答案:对5.在F2的电化学合成中加入KF是为了提高电解液导电性。

（）参考答案:对第五章测试1.等离子体的产生需要把气体全部电离。

（）参考答案:错2.利用新技术增强发生的沉积反应，可以在更低温度下生成产物。