无机合成

反应规律问题，实验技术，分离方法，结构鉴定和表征问题，前沿课题无机合成与反应规律问题具有一定结构、性能的新型无机化合物或无机材料合成路线的设计和选择，化合物或材料合成途径和方法的改进及创新是无机合成研究的主要对象。

为了开展深入研究，必须具备坚实、广阔的合成化学基础，其中包括化合物的物理和化学性能、反应性、反应规律和特点，它们与结构化学间的关系，以及热力学、动力学等基本化学原理和规律的运用等等。

无机合成从常规合成到特殊实验技术条件下的合成，以至正在兴起的定向设计合成的整个发展过程，就是随着人们对上述合成化学与反应规律认识的不断加深而发展起来的。

主要的实验技术和方法有高温和低温、水热与溶剂热、高压和超高压、放电和电化学、电氧化还原、无氧无水、各类CVD、溶胶－凝胶、单晶和晶体生长、各类分离技术等。

如：固相反应或界面反应－－－高温、高温高压条件；具有特殊结构和性能的表面或界面的制备－－－超高真空条件；非金属间化合物－－－低温真空条件；非热力学稳定态化合物－－－等离子体、激光条件。

传统的分离方法：重结晶、分级结晶和分级沉淀、升华、分馏、离子交换和色谱分离、萃取分离等；特种的分离方法：低温分馏、低温分级蒸发冷凝、低温吸附分离、膜分离、高温区域熔融、晶体生长中的分离技术、特殊的色谱分离、电化学分离、渗析、扩散分离等。

无机合成中的结构鉴定和表征问题无机材料和化合物的合成对组成和结构有严格的要求，组分和结构的鉴定和表征在无机合成中是具有指导作用的。

表征既包括对合成产物的表征，又包括特殊材料结构中非主要组分的结构状态和物化性能的测定，还需对合成反应过程中间产物的组分和结构进行检测。

最常用的表征方法：X射线衍射，各类光谱如可见、紫外、红外、拉曼、顺磁、核磁，以及低能电子衍射、俄歇电子能谱、低速离子散射光谱，高分辨电子显微镜等近期发展起来的实验技术。

现代无机合成中涉及那些基本问题？无机合成与反应规律问题。

无机合成中的实验技术和方法问题、无机合成中的分离问题，无机合成中的结构鉴定和表征问题无机合成中的前沿课题有哪些？1 新型结构无机化合物或材料的创新特殊结构无机化合物和材料：层状及层间嵌插化合物、介孔材料、各类结构缺陷特殊聚集态的无机化合物和材料：纳米粒子、纳米线/管、单晶、非晶态、无机膜、团簇无机功能材料的复合、组装与杂化：材料多相复合、材料组装中的宿－客体化学2 新合成反应、路线与技术的开发溶胶－凝胶合成方法：陶瓷与陶瓷基复合材料，纳米与纳米复合材料，玻璃态与玻璃复合材料，纤维及其复合材料，无机膜与复合膜低热固相反应方法：原子簇化合物的合成，多酸化合物的合成，固相配位化合物的合成，非线性光学等功能材料，纳米及纳米复合材料3 极端条件下的合成方法及技术超高真空、无重力的极端条件：合成无位错的高纯度晶体中温中压水热条件：合成具有特定价态、特殊构型与晶貌的晶体4 软化学合成方法及技术硬化学合成方法（极端条件下的合成方法）必须有高精尖的设备和巨大的资金投入。

软化学方法依靠人的知识、智慧、技能和创造力，是一个具有智力密集型特点的研究领域。

5 绿色合成反应与工艺软化学强调反应条件的温和及反应设备的简单，从而达到节能、高效的目的，在某些条件下也是经济、洁净的，这与绿色合成一致。

绿色合成化学是全方位地要求达到高效、节能、经济、洁净。

6 仿生合成与无机合成中生物技术的应用仿生合成是指模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机化合物或无机材料合成，也称有机模板法。

7 无机合成基础理论的研究极端条件下，合成反应的热力学与反应动力学，高温固相合成中的高温界面反应动力学，温和条件下，溶胶－凝胶过程的无机缩聚理论，低热固相反应机理，纳米材料合成的原理8 功能材料的分子设计及分子工程学分子工程学是根据所需要的性能对结构进行设计和施工。

固相反应化学气相沉积CVD什么叫固相反应：凡是有固体参加的反应都称为固相反应，如固体分解、熔化、相变、氧化、还原、固体与固体、固体与液体、固体与气体的反应等等研究固相反应的目的：研究物质的制备、结构、性质及应用；认识反应机理、掌握影响反应速度的因素、控制反应过程，以满足实际工作的需要固相反应的分类按参加反应的物质状态分类（三大类）：（1）纯固相反应－反应物和生成物都是固体（2）有液相参加的反应（3）有气相参加的反应按反应机理分类:（1）扩散控制过程（2）化学反应成核速率控制过程（3）晶核形成速率控制过程（4）升华控制过程固相反应温度区域划分:低温固相反应（100℃以下）中温固相反应（100～600）高温固相反应（600 以上）影响固相反应的因素:影响固相化学反应的因素主要是热力学函数和反应物的结构，固相反应能进行的热力学条件是其反应自由能变化值小于零，在满足热力学的条件下，反应物的结构决定了反应进行的速率。

固体在结构上的差异对化学性质产生巨大的影响：三维固体具有致密的结构，所有原子被化学键束缚，晶格成分很难移动，外界物质也很难扩散进去，反应性最弱。

低维固体的链间或层间间距较大，相互作用力较弱，晶格容易变形，外界分子容易进入，反应性要强得多。

分子固体的反应性最强。

反应过程：反应物的接触→发生反应（旧键断裂，新键生成）→→形成产物分子→产物分子的聚集（成核）→核的增大（生长）→新的晶相反应机理：高温固相反应－温度高，反应速度快，反应的决定步骤是扩散和成核生长低温固相反应－温度低（接近室温），取决于反应速率固相反应特征:固相反应为表面反应，应考虑的反应物的特性包括：反应物质的不均匀性、晶体结构、晶体缺陷、形貌、表面和界面特性等（1）晶体的点阵缺陷（2）固体的活化状态（3）固体反应物的接触状态（4）固体表面和界面的特殊性高温固相反应:许多反应需要在高温条件下进行，（1）高温下的固相合成反应（2）高温下的固－气合成反应（3）高温下的化学转移反应。

（4）高温熔炼和合金制备。

（5）高温下的相变合成。

（6）等离子体、激光聚焦等作用下的超高温合成。

（7）高温下的单晶生长和区域熔融提纯。

低温固相1 合成原子簇化合物2 合成新的多酸化合物3 合成功能材料化学气相沉积CVD化学气相沉积法是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上发生化学反应，生成固态沉积物的技术。

分类：高压化学气相沉积（HP-CVD）、低压化学气相沉积（LP-CVD）、等离子化学气相沉积（P-CVD）、激光化学气相沉积（L-CVD）、金属有机化学气相沉积（MO-CVD）、高温化学气相沉积（HT-CVD）、低温化学气相沉积（LT-CVD）等CVD 应用：切削工具方面的应用，模具方面的应用，耐磨涂层机械零件方面的应用，微电子技术方面的应用，超导技术方面的应用，其他领域的应用CVD 特点：（1）沉积反应如在气-固界面上发生则沉积物将按照原有的固态基底的形状包覆一层薄膜；（2）采用CVD技术也可以得到单一的无机合成物质，并用以作为原材料制备；（3）如果采用某种基底材料，在沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具；（4）在CVD 技术中可以生成晶体或者粉末状物质，甚至是纳米超粉末或者纳米线。

CVD 基本要求：（1）反应物最好是气态，或在不太高的温度就有相当的蒸气压，且容易获得高纯品；（2）能够形成所需要的材料沉积层，反应副产物均易挥发；（3）沉积装置简单，操作方便，工艺上具有重现性，适于批量生产，成本低廉。

化学气相沉积的五个主要的机构：(a)反应物已扩散通过界面边界层(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生；(d)部分生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统CVD 装置：气源控制部件、沉积反应室、沉积温控部件、真空排气和压强控制部件等水解反应沉淀反应水热和溶剂热合成溶胶－凝胶法水解反应水解反应指盐的组份离子跟水解离的H＋和OH－结合成弱电解质的反应。

在无机合成中主要利用金属阳离子的水解反应制备氧化物微粒及纳米材料水解反应的影响因素：（1）金属离子本身的性质（2）溶液的温度（3）溶液的酸度（4）溶液的浓度沉淀反应沉淀反应的理论基础是难溶电解质的多相离子平衡。

沉淀反应包括沉淀的生成、溶解和转化，可根据难溶电解质的溶度积常数来判断新沉淀的生成和溶解，也可判断沉淀是否可以转化。

与水解反应不同的是：沉淀反应不但可用来制备氧化物，还可用来制备硫化物、碳酸盐、草酸盐、磷酸盐等陶瓷粉体或前驱物。

也可以通过沉淀制备复合氧化物和混合氧化物，还可通过均相沉淀、乳液沉淀制得均匀的纳米颗粒。

水热和溶剂热合成研究对象：研究物质在高温和密闭或高压条件下溶液中的化学行为与规律的化学分支，指在一定温度(100-1000oC)和压强(1-100MPa)条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。

应用：无机功能材料、特种组成与结构的无机化合物以及特种凝聚态材料，如超微粒、溶胶与凝胶、非晶态、无机膜、单晶等(1)有可能取代固相反应以及难以进行的合成反应，并产生一系列新的合成方法；(2)合成和开发特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物；(3)能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶剂热低温条件下晶化生成；(4)有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度；(5)有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。

反应类型：合成反应：Nd2O3 + H3PO4 NdP5O14，热处理反应：人工氟石棉人工氟云母，转晶反应：长石高岭石，离子交换反应：沸石阳离子交换，硬水的软化。

单晶培养：籽晶大晶体。

脱水反应、分解反应、氧化反应、晶化反应等水的性质的变化：蒸气压变高；密度变低；表面张力变低；粘度变低；离子积变高。

高温高压水热反应的特征：重要离子间的反应加速；水解反应加剧；水的氧化还原电势发生明显变化。

高温高压下水的作用：有时作为化学组分起化学反应；反应和重排的促进剂；压力传递介质的作用；溶剂作用；低熔点物质；提高物质的溶解度；有时与容器反应；无毒。

动力学原理：成核与晶体生长：在液相或液固界面上少量的反应试剂产生微小的不稳定的核，更多的物质自发地沉积在这些核上生成微晶。

溶胶－凝胶法胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000 nm之间。

凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。

用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。