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硬化學(xué)和軟化學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系
硬化學(xué)和軟化學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系
摘要:隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和科技條件的提高,人們提出了兩種制備無機(jī)材料的方法,即硬化學(xué)方法和軟化學(xué)方法。
本文分析了現(xiàn)代無機(jī)合成的兩大熱點(diǎn)領(lǐng)域---硬化學(xué)和軟化學(xué)的形成和發(fā)展,分別介紹了硬化學(xué)和軟化學(xué)的合成思路,并對兩種無機(jī)合成方法的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞:無機(jī)合成 硬化學(xué) 軟化學(xué)
合成化學(xué)的發(fā)展是推動化學(xué)學(xué)科及其相關(guān)學(xué)科發(fā)展的主要動力,其中無機(jī)合成的發(fā)展方向是進(jìn)行特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的無機(jī)材料定向設(shè)計(jì)和合成。
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和科技條件的提高,人們提出了兩種制備無機(jī)材料的方法,即硬化學(xué)方法和軟化學(xué)方法[1-2]。
硬化學(xué)方法一般指那些要在超高溫或超低溫、超真空、強(qiáng)射線輻射、失重等極端條件下進(jìn)行的化學(xué)合成。
在這些極端條件下,可以形成許多種在一般條件下無法得到的新化合物及新物相與物態(tài)。
例如,在模擬宇宙空間的無重力、高真空的情況下,可能合成出沒有位錯的高純度晶體;在超高壓下,許多物質(zhì)的內(nèi)外層電子軌道的距離均會發(fā)生變化,從而使元素的穩(wěn)定價(jià)態(tài)發(fā)生質(zhì)的飛躍。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,憑借已有的和將有的能力集中力量進(jìn)行極端條件下的無機(jī)化學(xué)合成研究,將會在新材料、新知識、新設(shè)備和新工藝等方面獲得重大進(jìn)展。
硬化學(xué)方法主要包括:失重合成、超高溫高壓合成、等離子體合成、自蔓延高溫合成、固體火焰燃燒反應(yīng)以及一些爆炸反應(yīng)等。
在硬化學(xué)法提供的諸多材料制備技術(shù)中,等離子體合成法是目前研究最多的一種。
等離子體可分為冷等離子體和熱等離子體。
冷等離子體中氣體溫度低而電子溫度高,主要用于那些反應(yīng)吸熱大、產(chǎn)物高溫不穩(wěn)定的化合物,如NH3-H3N、H2N-NH2的合成。
在熱等離子體中,由于達(dá)到了局部熱力學(xué)平衡狀態(tài),而且溫度很高,復(fù)雜分子一般無法存在,大都離解成原子和離子,因此特別適用于粉末冶金、金屬精煉和特種高溫材料的合成,也適用于大的吸熱反應(yīng)。
例如等離子體合NO2,比傳統(tǒng)方法利用天然氣先合成NH3,再合成NO2的方法簡單的多[3];美國Las Alamos國家實(shí)驗(yàn)室成功的合成了Si3N4、SiC、B4C等超純超細(xì)無機(jī)粉末,主要依賴于一種等離子體系統(tǒng),其可以合成超純、超細(xì)材料的射頻。
隨著科技的發(fā)展,越來越多的硬化學(xué)方法被開發(fā)出來,并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,如離子束合成、濺射合成等。
硬化學(xué)合成方法的特點(diǎn)是高溫、高真空、高壓、高能和高制備成本,依賴于“硬環(huán)境”的硬化學(xué)方法所獲得的材料必須是在熱力學(xué)平衡態(tài)的,同時還需要有高精尖的設(shè)備和巨大的資金投入。
軟化學(xué)是近年來在的新材料研究中形成的一種全新的制備思路,是指在較溫和條件下實(shí)現(xiàn)的緩慢地化學(xué)反應(yīng)過程。
軟化學(xué)是在較低溫度的“軟環(huán)境”中進(jìn)行,可以得到多種具有“介穩(wěn)”結(jié)構(gòu)的材料體系,這樣,便有可能實(shí)現(xiàn)不同類型組分(如有機(jī)物-無機(jī)物、生物體-無機(jī)物、金屬-玻璃、陶瓷-金屬)在同一材料體系中的結(jié)合,也有可能發(fā)現(xiàn)一些用硬化學(xué)反應(yīng)難以獲得的低焙、低嫡或低對稱性的新材料,尤其是一些具有特殊結(jié)構(gòu)或形態(tài)低維、雜化和復(fù)合材料體系,因此軟化學(xué)方法更有應(yīng)用潛力。
軟化學(xué)方法可以說是一種新型材料設(shè)計(jì)與合成的概念,在這種思路下產(chǎn)生了一系列新型材料的制備技術(shù),開辟出了具有環(huán)境友好、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效的工藝路線,與“綠色化學(xué)”的核心思想一脈相承。
軟化學(xué)對其化學(xué)反應(yīng)機(jī)制、路徑、過程的易于控制,為了達(dá)到裁剪其物理性質(zhì)的目的,我們可根據(jù)通過控制軟化學(xué)反應(yīng)過程的條件,對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
軟化學(xué)合成正在將新材料制備的前沿技術(shù)從高溫、高真空、高壓、高能和高制備成本的硬化學(xué)方法中解放出來,進(jìn)入一個更廣闊的空間。
軟化學(xué)提供的方法考驗(yàn)的則是人的技能、智力、學(xué)識和改造力,因而可以說軟化學(xué)是一個具有智力密集型特點(diǎn)的研究領(lǐng)域。
軟化學(xué)合成法所需設(shè)備比較簡單,反應(yīng)步驟也可以較容易地控制,制備成本低廉。
軟化學(xué)方法主要包括:溶膠-凝膠過程、插入反應(yīng)、離子交換過程、水熱法、前驅(qū)體法、共沉淀法、溶體(助熔劑)法、初產(chǎn)物法、拓?fù)浠瘜W(xué)過程及一些電化學(xué)過程等。
溶膠-凝膠法是目前軟化學(xué)中最常見的合成方法,其與傳統(tǒng)固體材料制備方法的區(qū)別在于:溶膠-凝膠反應(yīng)過程中,由分子級均勻混合的無結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體,經(jīng)一系列的結(jié)構(gòu)化過程,形成具有高度微結(jié)構(gòu)控制和幾何形狀控制的材料[4]。
溶膠-凝膠過程通常包含了如水解、聚合、干燥、致密化等多個物理化學(xué)步驟,從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溶液過渡到固體材料的階段。
目前,工業(yè)制備陶瓷、玻璃及相關(guān)復(fù)合材料的薄膜、塊體和微粉等已經(jīng)廣泛采用溶膠-凝膠過程。
田秀淑等[5]分別以無機(jī)鹽和有機(jī)醇鹽為先導(dǎo)化合物,對溶膠-凝膠法制備Al2O3-SiO2-ZrO2復(fù)合膜的成膜工藝進(jìn)行詳細(xì)的研究。
隨著納米復(fù)合材料的發(fā)展,軟化學(xué)合成技術(shù)在功能材料的制備方面發(fā)揮重要作用,比如納米催化劑、納米磁性材料、納米氣敏材料、納米光學(xué)材料等[6]。
硬化學(xué)和軟化學(xué)合成方法都是化合物和材料合成的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,不同方法制出的材料,其性能并不完全一樣,有時性能甚至相差很大,新的制備方法經(jīng)�？梢蚤_拓材料的新性能。
硬化學(xué)和軟化學(xué)作為無機(jī)合成化學(xué)的兩種思路,共同為材料合成提供技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1]馮守華,徐如人.無機(jī)合成與制備化學(xué)研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展,2010,12(4):445-457.
[2]周益明,忻新泉.我國固體無機(jī)化學(xué)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào),2010,(11):1-6.
[3]徐如人,龐文琴,霍啟升.無機(jī)合成與制備化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4]黃劍鋒.溶膠-凝膠原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
[5]田秀淑,張光磊,王黔平.溶膠-凝膠法制備Al2O3-SiO2-ZrO2復(fù)合膜的成膜工藝研究[J].中國陶瓷,2008,42(5):14-17.
[6]孫尚梅,趙蓮花.溶膠-凝膠技術(shù)及其在綠色無機(jī)合成化學(xué)與新型材料制備中的近期應(yīng)用進(jìn)展[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,31(1):42-48.
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