硬化学和软化学的区别与联系论文

化学毕业论文 时间:2018-01-18 我要投稿

  硬化学和软化学的区别与联系论文

  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。

  随着科技的发展,越来越多的硬化学方法被开发出来,并应用到实际生产中,如离子束合成、溅射合成等。

  硬化学合成方法的特点是高温、高真空、高压、高能和高制备成本,依赖于“硬环境”的硬化学方法所获得的材料必须是在热力学平衡态的,同时还需要有高精尖的设备和巨大的资金投入。

  软化学是近年来在的新材料研究中形成的一种全新的制备思路,是指在较温和条件下实现的缓慢地化学反应过程。

  软化学是在较低温度的“软环境”中进行,可以得到多种具有“介稳”结构的材料体系,这样,便有可能实现不同类型组分(如有机物-无机物、生物体-无机物、金属-玻璃、陶瓷-金属)在同一材料体系中的结合,也有可能发现一些用硬化学反应难以获得的低焙、低嫡或低对称性的新材料,尤其是一些具有特殊结构或形态低维、杂化和复合材料体系,因此软化学方法更有应用潜力。

  软化学方法可以说是一种新型材料设计与合成的概念,在这种思路下产生了一系列新型材料的制备技术,开辟出了具有环境友好、节能、经济、高效的工艺路线,与“绿色化学”的核心思想一脉相承。

  软化学对其化学反应机制、路径、过程的易于控制,为了达到裁剪其物理性质的目的,我们可根据通过控制软化学反应过程的条件,对产物的结构和组分进行设计。

  软化学合成正在将新材料制备的前沿技术从高温、高真空、高压、高能和高制备成本的硬化学方法中解放出来,进入一个更广阔的空间。

  软化学提供的方法考验的则是人的技能、智力、学识和改造力,因而可以说软化学是一个具有智力密集型特点的研究领域。

  软化学合成法所需设备比较简单,反应步骤也可以较容易地控制,制备成本低廉。

  软化学方法主要包括:溶胶-凝胶过程、插入反应、离子交换过程、水热法、前驱体法、共沉淀法、溶体(助熔剂)法、初产物法、拓扑化学过程及一些电化学过程等。

  溶胶-凝胶法是目前软化学中最常见的合成方法,其与传统固体材料制备方法的区别在于:溶胶-凝胶反应过程中,由分子级均匀混合的无结构的前驱体,经一系列的结构化过程,形成具有高度微结构控制和几何形状控制的材料[4]。

  溶胶-凝胶过程通常包含了如水解、聚合、干燥、致密化等多个物理化学步骤,从而实现反应溶液过渡到固体材料的阶段。

  目前,工业制备陶瓷、玻璃及相关复合材料的薄膜、块体和微粉等已经广泛采用溶胶-凝胶过程。

  田秀淑等[5]分别以无机盐和有机醇盐为先导化合物,对溶胶-凝胶法制备Al2O3-SiO2-ZrO2复合膜的成膜工艺进行详细的研究。

  随着纳米复合材料的发展,软化学合成技术在功能材料的制备方面发挥重要作用,比如纳米催化剂、纳米磁性材料、纳米气敏材料、纳米光学材料等[6]。

  硬化学和软化学合成方法都是化合物和材料合成的热点研究领域,不同方法制出的材料,其性能并不完全一样,有时性能甚至相差很大,新的制备方法经常可以开拓材料的新性能。

  硬化学和软化学作为无机合成化学的两种思路,共同为材料合成提供技术支持。

  参考文献

  [1]冯守华,徐如人.无机合成与制备化学研究进展[J].化学进展,2010,12(4):445-457.

  [2]周益明,忻新泉.我国固体无机化学的研究进展[J].化学通报,2010,(11):1-6.

  [3]徐如人,庞文琴,霍启升.无机合成与制备化学[M].北京:高等教育出版社,2009.

  [4]黄剑锋.溶胶-凝胶原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2009.

  [5]田秀淑,张光磊,王黔平.溶胶-凝胶法制备Al2O3-SiO2-ZrO2复合膜的成膜工艺研究[J].中国陶瓷,2008,42(5):14-17.

  [6]孙尚梅,赵莲花.溶胶-凝胶技术及其在绿色无机合成化学与新型材料制备中的近期应用进展[J].延边大学学报(自然科学版),2009,31(1):42-48.

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