无机材料制备技术讲解92页PPT

无机物制备流程题
无机化合物制备流程题
一、解题策略
化工流程中常见的操作与名词
化工流程题目在流程上一般分为3个过程：
原料处理 ―→ 分离提纯 ―→ 获得产品
(1)原料处理阶段的常见考点与常见名词 ①加快反应速率 ②溶解：通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等 水浸：与水接触反应或溶解 浸出：固体加水(酸)溶解得到离子 浸出率：固体溶解后，离子在溶液中含量的多少(更多转化) 酸浸：在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液，不溶 物通过过滤除去的溶解过程
【迁移应用 3】 实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量 FeS、SiO2 等) 制备聚铁(碱式硫酸铁的聚合物)和绿矾(FeSO4·7H2O)，主要工艺流程如下。
溶液调滤液 pH 至中性。
无机(3)化“除合杂物”制环节备中流，先程加题入________溶液，经搅拌等操作后，过滤，再加入_________
溶液调滤液 pH 至中性。 (4)不同温度下，K＋的浸出浓度与溶浸时间的关系见右图。 由图可得，随着温度升高， ①_溶___浸__平__衡__向___右__移__动___， ②__K__＋_的___溶__浸__速___率__增__大___。 (5)有人以可溶性碳酸盐为溶浸剂，则溶浸过程中会发生： CaSO4(s)＋CO32－ CaCO3(s)＋SO42－ 已知 298 K 时，Ksp(CaCO3)＝2.80×10－9，Ksp(CaSO4)＝4.90×10－5，求此温度下该 反应的平衡常数 K(计算结果保留三位有效数字)。
无机化合物制备流程题
【迁移应用 2】镁及其合金是一种用途很广的金属材料，目前世界上 60%的镁是从海 水中提取的。某学校课外兴趣小组从海水晒盐后的盐卤(主要含 Na＋、Mg2＋、Cl－、 Br－等)中模拟工业生产来提取镁，主要过程如下：

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➢ 固体反应的过程 （MgO + Al2O3 → MgAl2O4)
MgO/MgAl2O4界面:
MgO
4MgO + 2Al3+ - 3Mg2+
→ MgAl2O4
反应起始界面
MgAl2O4/Al2O3界面:
Al2O3
4Al2O3 + 3 Mg2+ - 2Al3+
MgAl2O4产物层 → 3MgAl2O4
晶体 （Crystals）
完美晶体（Perfect crystals） [原子在 三维空间排列无限 延伸有序， 并有 严格周期性]
缺陷晶体 （Defect crystals） [固体中 原子排列有易位、 错位以及本体组成 以外的杂质]
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固体原料混合物以固体形式直接反应过程是制 备多晶固体（即粉末）最为广泛应用的方法。固体 混合物在室温下经历一段时间，并没有可觉察的反 应发生。为使反应以显著速度发生，通常必须将它 们加热至甚高温度，一般在1000 ~ 1500℃。 热力学和动力学两种因素在固体反应中都极为 重要：热力学通过考察一个特定反应的自由能来判 断该反应能否发生，动力学因素则决定反应进行的 速率。
过程分析 MgO和Al2O3两种晶体反应是相互紧密接触，共享一个公用
面，即产物先在界面生成，存在尖晶石晶核的生长困难，还有产物随之
进行扩散的困难。上图给出氧化镁和氧化铝反应生成尖晶石过程的示意
图。由图可见，当MgO和Al2O3两种晶体加热后，在接触面上局部生成一 层MgAl2O4。
反应的第一阶段是生成MgAl2O4晶核，晶核的生成是比较困难的， 这是因为：首先，反应物和产物的结构有明显的差异，其次是生成物涉

为了提高萃取率和分离系数，水相中也常加入一些掩蔽 剂、盐析剂等，pH值的控制也是一个重要的影响因素。
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萃取到有机相的金属离子需要再反萃取到水相。所谓反 萃取就是破坏有机相中的萃合物的结构、生成易溶于水相的 化合物(或生成既不溶于有机相也不溶于水相的沉淀)，而使被 萃物从有机相转入水相(或生成沉淀)。所以萃取剂络合金属离 子的能力不能太强，否则反萃取较难。
水热装置主要是一个一端封闭的不锈钢管，另一端有 一软铜垫圈的螺旋帽密封，通常称为高压釜或水热弹。此 外，水热弹也可以和压力源(如水压机)直接相连。在水热弹 中放入反应混合物和一定量的水，密封后放在所需温度的 加热炉中。主要分低温水热合成法(＜100 ℃)、中温水热合 成法(00～300 ℃)和高温高压水热合成法(～1 000 ℃，～ 0.3 GPa)。
在萃取化学中，常用分配比(D)、分离系数(β)、相比(R) 及萃取率(E)等参数来表示萃取分离的好坏。
分配比D是指当萃取体系达到平衡时，被萃物在有机相的 总浓度与在水相中的总浓度之比，D值越大，说明被萃物越易 进入有机相。
分离系数β是指两种被分离的元素在同一萃取体系内，在 同样萃取条件下分配比的比值。
3.1 无机化合物的制备方法
无机化合物的制备不仅仅是烧杯反应，性能优异的无 机材料大部分都是采用现代合成手段所得到，常见的无机 化合物的现代制备方法包括
高温无机合成 低温合成 高压合成 水热合成 无水无氧合成 电化学合成 等离子体合成等。
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3.1.1 高温无机合成
高温无机合成一般用于无机固体材料的制备。如 高熔点金属粉末的烧结 难熔化合物的熔化和再结晶 各种功能陶瓷体的烧成等。
如通过下面的反应，可以得到美丽的钨酸铁晶体： FeO(s) ＋ WO3(s) HCl(g) FeWO4(s)

无机材料科学基础
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四次旋转反伸轴
L
4 i
无机材料科学基础
L
4 i
A
B
C
D
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六次旋转反伸轴
L
6 i
L
6 i
无机材料科学基础
三方柱
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5 、旋转反映轴——映转轴（Lsn）
映转轴由一根假想的直线和垂直于直线的一个平面构成， 即图形绕此直线旋转一定角度后并对此平面进行反映后，相 同部分重复出现。 旋转反映轴有：L1s、L2s、L3s、L4s、L6s。
2、《硅酸盐物理化学》 浙江大学等 建工出版社
3、《结晶学》
翁臻培等
建工出版社
4、《陶瓷导轮》
W.D. 金格瑞等 建工出版社
5、《如何看硅酸盐相图》 沈鹤年·
轻工出版社
6、《固体材料结构基础》 张孝文等
建工出版社
7、《无机材料物理化学》 叶瑞伦等
建工出版社
无机材料科学基础
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
第一章 结晶学基础
何谓结晶学？
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一个晶体中可以有对称面，也可以没有对称面；可以有一个，也可 以有多个，但最多不能超过9个。
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无机材料科学基础
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3 、对称轴（Ln）：通过晶体中心的一条假想的直线，绕这 条直线旋转一定的角度后，能使图形相 同的部分重复出现
对应的对称操作：绕对称轴的旋转 轴次（n）：旋转一周重复的次数 基转角（）：重复时所旋转的最小角度
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§1-1 晶体的基本概念与性质
一、 晶体的基本概念
1、晶体的基本概念
以NaCl晶体为例
Cl Na
0.563nm
晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体； 或具有格子构造的固体。

4.1 水热-溶剂热合成
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
4.1.1
概念与实例
⑴ 概念
水热-溶剂热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为 1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行 的合成。在亚临界和超临界水热-溶剂热条件下,由于反应 处于分子水平,反应性提高,因而水热-溶剂热反应可以说扩 充了高温固相反应。又由于水热-溶剂热反应的均相成核 及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以 创造出其他方法无法制备的新化合物和新材料。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
本章将系统而简洁地介绍水热溶剂热合成、无水无氧合成和电解 合成三种合成方法，以及它们的一 些重要应用。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
Nd2O3 + H3PO4 → NdP5O14 CaO·nAl2O3 + H3PO4 → Ca(PO4)3OH + AlPO4 La2O3 + Fe2O3 + SrCl2 → (La, Sr)FeO3 FeTiO3 + KOH → K2O·nTiO2 (n = 4, 6)

实验步骤 1. 准备试剂和仪器，如硅酸乙酯、乙醇、氨水、烘箱、玻璃基板等。
2. 将硅酸乙酯、乙醇和氨水按一定比例混合，搅拌均匀。
实验一：溶胶-凝胶法制备二氧化硅薄膜
3. 将混合液滴加到玻 璃基板上，放入烘箱 中加热至一定温度。
5. 观察和测试二氧化 硅薄膜的形貌和性能 。
4. 取出玻璃基板，用 去离子水冲洗，晾干 后进行热处理。
无机材料合成与制备课件
• 无机材料概述 • 无机材料合成方法 • 无机材料制备技术 • 无机材料合成与制备的研究进展 • 无机材料合成与制备的前景与挑战 • 无机材料合成与制备实验课程设计
01
无机材料概述
无机材料的定义与分类
无机材料定义
无机材料是指不含碳元素的化合物或 单质，主要由无机化合物组成的一类 材料。
实验二：化学气相沉积法制备氮化硅薄膜
01 实验步骤
02
1. 准备试剂和仪器，如硅烷、氨气、氢气、氮气、反
应腔等。
03
2. 将反应气体按一定比例通入反应腔中，加热至一定
温度。
实验二：化学气相沉积法制备氮化硅薄膜
3. 保持反应一定时间，使反应 物在基材表面沉积形成薄膜。
4. 停止反应，取出基材，进行 后处理。
5. 观察和测试氮化硅薄膜的形 貌和性能。
实验三：物理气相沉积法制备钛合金薄膜
实验目的
通过物理气相沉积法合成钛合金薄膜，了解 物理气相沉积法的合成过程和原理，掌握钛 合金薄膜的制备技术。
实验原理
物理气相沉积法是一种常用的材料合成方法 ，通过将金属蒸发或溅射成原子或分子，在 基材表面沉积形成薄膜。钛合金薄膜具有高 强度、耐腐蚀等特性，常用于航空、化工等 领域。
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无机材料合成与制备的前景与挑战

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六大品种水泥
1、硅酸盐水泥类，石灰石或粒化高炉矿渣、 适量石膏，掺量为：0-5%
2、普通硅酸盐水泥类，混合材料掺量为：615%
3、矿渣硅酸盐水泥类，粒化高炉矿渣掺量为： 20-70%
4、粉煤灰硅酸盐水泥类，粉煤灰掺量为：2040%
5、火山灰质硅酸盐水泥类，火山灰质混合材 料掺量为：20-50%
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1756年，英国海峡群岛上的一座灯塔，突然失火烧毁了。 这真要命，要知道这可是英吉利海峡南端最重要的灯塔，没 有了它，要影响无数船只的航行。英国政府命令工程师史密 顿（J.Smetetonf）用最快的速度重建这座灯塔。
史密顿立即通知将石灰石运往灯塔所在的小岛，以便烧 成石灰后将岛上产的石头黏合起来重砌灯塔。
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“波特兰水泥”最早的一次大规模应用，是建造了穿 越泰晤士河河底的隧道。尔后，它在世界各地迅速推广开 来，法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂。 现在，水泥已成为现代人类生活中不可缺少的物资了。
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中国最早的水泥厂是外资企业澳门的青洲英坭厂，建 于1886年。唐山细绵土厂（后改组为启新洋灰公司，现为 启新水泥厂）是中国最早的民族水泥企业，创建于1889年， 比澳门的青洲英坭厂晚了3年，是中国人开办的第一个水 泥厂。
料、生态材料
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2、材料分类： ① 金属材料； ② 无机非金属材料：⑴ 矿物岩石材料；
⑵ 水泥、玻璃；⑶ 陶瓷、耐火材料； ③ 高分子材料； ④ 复合材料；
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3、材料工艺

定义：我们将任何一种材料从原料→ 成品的整个过程称为材料工艺过程。
它包括原料制备工艺、成型工艺、 溶制（窑炉工艺），制品工艺等。
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国外性能各异的特种水泥 2.变色水泥

温度不同时，回路内就产生热电势。 热辐射：物体的热辐射能随温度的变化而变化。利用这
一物理性质已制成了各种测温仪表。 随着科学技术的发展，又应用了一些新的测温原理， 如射流测温、涡流测温、激光测温以及利用卫星测温等。
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2.3.2.2 温标的种类
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
卤素检漏仪法（补充）
当金属铂被加热至800℃以上时，在其表面上吸附或入射 的气体分子会被剥夺电子，而以正离子的形态飞离表面， 于是铂表面就有正离子发射。
正离子流的大小除了决定于加热温度外，还与气体种类有 很大关系，特别是遇到含有卤族元素的气体后，正离子流 急剧增大，这就是所谓的“卤素效应”。
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
（2）真空检漏法
它是利用示漏气体漏入抽空的被检容器中检测漏孔的方法。 包括放置法、离子泵检漏法、真空计法、氦质谱检漏仪抽
空法、火花检漏器、放电管法、卤素检漏仪内探头法等。
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离子泵检漏法（补充）
气泡法（补充）
在被检件内充入一定压力的示漏气体后放到液体中，气体 通过漏孔进入周围的液体形成气泡，气泡形成的地方就是 漏孔所在的位置，根据气泡形成的速率、气泡大小以及所 用的气体和液体的物理性质，可以大致估算出漏孔的漏率。
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
氨气检漏法（补充）
检漏大致分成以下两大类方法： （1）压力检漏法 （2）真空检漏法
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（1）压力检漏法
它是借助于检测被检容器中的示漏气体或液体从容器中 漏出的情况来检测漏孔的方法，
包括气泡法、氨检法、听音法、超声检漏法、卤素检漏 法、卤素检漏仪法、卤素喷灯法、气敏半导体检漏法、 氦质谱检漏仪加压法等。

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(3) 层岛复合(Stranski-Krastanov)生长模式：
在层岛复合生长模式下，最开始的一两个原子层的层状 生长之后，生长模式从层状模式转化为岛状模式，如上 图c所示。 导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因 应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。 被列举出来解释这一生长模式的原因至少有以下三种：
一般来说，足够厚的薄膜的晶格结构与块体相同，只有在 超薄薄膜中其晶格常数才与块材时明显不同；
薄膜的晶体结构与沉积时吸附原子的迁移率有关，它可以 从完全无序，即无定形非晶膜过渡到高度有序的单晶膜， 即薄膜的晶体结构包括单晶、多晶和非晶结构(？)。
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薄膜的四种典型组织形态：
在薄膜沉积的过程中，入射的气相原子首先会被衬底或薄 膜表面所吸附。若这些原子具有足够的能量，它们将在衬底或 薄膜表面进行一定的扩散(迁移)，除了可能脱附的部分原子之 外，其他的原子将到达薄膜表面的某些低能位置并沉积下来。
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形态1型：在温度很低、气体压力较高的情况 下，入射粒子的能量很低，这种情况下形成的 薄膜微观组织。
由于温度低，原子的表面扩散能力有限，沉积到衬底表面的 原子即已失去了扩散能力。导致沉积的薄膜组织呈现一种数十纳 米直径的细纤维状的组织形态，纤维内部陷密度很高或者就是非 晶态的结构；纤维间的结构明显疏松，存在着许多纳米尺寸的孔 洞。
示振荡频率变化与薄膜质量膜厚之间关系的基本公式。
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电阻法:
由于电阻值与电阻的形状有关，利用这一原理来测量膜 厚的方法称为电阻法。
电阻法是测量金属薄膜厚度最简单的一种方法。测量原 理：金属导电膜的阻值随膜厚的增加而下降。
如果认为薄膜的电阻率与块状材料相同，则可由下式来 确定膜厚，即：

K 2 F e O4在Fe 3＋催化 作用下 会发生 分解
____________________________________________________。
(2)制得的粗产品中含有Fe(OH)3、KCl等杂质。一种提纯方案为：将一定量的 K2FeO4粗产品溶于冷的3 mol·L－1KOH溶液中，过滤，将滤液置于冰水浴中， 向滤液中加入饱和KOH溶液，搅拌、静置，再过滤，晶体用适量乙醇洗涤2～
Ⅱ．按右下图装置，在三颈烧瓶中放入
162.5g无水氯化铁和225g氯苯，控制反应
温度在128～139℃加热3h，反应接近
100%。冷却，分离提纯得到粗产品。反
应如下：
2FeCl3+C6H5Cl→2FeCl2+C6H4Cl2+HCl C6H5Cl （3）该制取反应中，做还原剂的是 ；
（
4）
反
应温 有 冷 凝 回 流 装置
（3）打开K3，关闭K1和K2。c中亮蓝色溶液流入d，其原因是________ ；d中
（冰浴）冷却
析出砖红色沉淀，为使沉淀充分析出并分离，需采用的操作是___________ 、
过滤
_________、洗涤、干燥。
敞 开 体 系 ， 可能使 醋酸亚 铬与空 气接触
（4）指出装置d可能存在的缺点 ______________。
I． 按 右 图 装 置用H2还 原无 水FeCl3制 取 。
（ 1） 装 置 C的 作用 是
； E中 盛 放的 试剂是
； D中 反 应的化 学
方程式为
；
（ 2） 温 度 控 制不当 ，产品 中含单 质铁。 检验产 品中是 否含铁 单质的 方案是 。
H2+2FeCl3 2FeCl2+2HCl

•
溶解 前驱体
溶液ห้องสมุดไป่ตู้
水解 溶胶
缩聚 凝胶
老化 凝胶
水热法
• 水热法的反应机理： 粉体晶粒的形成经历了“溶解—结晶”2个阶段,首先营养料在热介 质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液,利用强烈对流,将这些离子 、分子和离子团输送并放在籽晶的生长区(低温区)形成饱和溶液,进而 成核,形成晶粒,继而结晶。
过两磨体之间的微小间隙，在上述各力及高频振动的作用下
被有效地粉碎、混合、乳化及微粒化。
胶体磨的主要特点如下：
（1）可在较短时间内对颗粒、聚合体或悬浊液等进行粉碎、分散、均匀 混合、乳化处理；处理后的产品粒度可达几微米甚至亚微米。
（2）由于两磨体间隙可调(最小可达1µm)，因此，易子控制产品粒度。
（3）结构简单，操作维护方便，占地面积小。 （4）由于固定磨体和高速旋转磨体的间隙小，因此加工精度高。
从气相析出的固相形态随着反应系
统的种类和析出条件而变化。
析出物的形态有下列几种：
在固体表面上析出薄膜、晶须和晶
粒，在气体中生成微粉。气相中微粒 的生成包括均匀成核和核长大两个过 程，为了获得颗粒，首先要在气相中 生成很多核，为此必须达到高的过饱 和度。
在固体表面上生长薄膜、晶须时，
并不希望在气相生成微粒，故应使之 在较低的过饱和度条件下析出。 从气相析出的固体的各种形态
•
溶液的pH值、溶液的离子或分子浓度、反应温度和时间是控制溶胶凝胶 化的四个主要参数。 溶胶－凝胶法优点： 通过受控水解反应能够合成亚微米级（0.1 µ m～1.0 µ m）、球状、 粒度分布范围窄、物团聚或少团聚且无定形态的超细氧化物陶瓷粉体， 并能加速粉体再烧成过程中的动力学过程，降低烧成温度。