材料化学精品课程第5讲-材料的化学合成与制备A

DongguanUniversityofTechnology1Teacher:Ph.D.TengyunZhang(张腾云)E-mail:[e-mail]2007－2008学年第2学期第五讲《材料化学导论》---第三章无机材料的合成与制备Chemosynthesis&PreparationofInorganicMaterialsDongguanUniversityofTechnology23.1无机材料的选用与合成3.2材料制备方法简介主要内容：3.1无机材料的选用与合成3.1.1天然矿物原料3.1.2无机合成原料DongguanUniversityofTechnology33.1无机材料的选用与合成3.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology43.1.1天然矿物原料最常用方法：重选法浮选法磁选法DongguanUniversityofTechnology53.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology63.1.1天然矿物原料焙烧：对[矿物等]施以灼热,以驱除其中的挥发性组分。低温炉（通常在1000C)以下。烧结：加热小块矿石或粉末,使粘结。通常在1300度以上。DongguanUniversityofTechnology73.1.1天然矿物原料石棉是6种具有商业用途天然硅酸盐纤维矿物的总称。能劈分成细长而柔韧的纤维。化学成份：Mg6[Si4O10][OH]8。石棉可分为蛇纹石石棉（温石棉）和闪石石棉两类。石棉很早就用于织布，中国周代已能用石棉纤维制做织物，因沾污后经火烧即洁白如新，故有火浣布或火烷布之称。DongguanUniversityofTechnology83.1.1天然矿物原料云母(Mica)，钾、铝、镁、铁、锂等层状结构铝硅酸盐的总称。普遍存在多型性，其中属单斜晶系者常见，其次为三方晶系，其余少见。云母族矿物中最常见的矿物种有黑云母K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH,F)2、白云母KAl2[AlSi3O10](OH,F)2、金云母KMg3[AlSi3O10](F,OH)2、锂云母K(Li,Al)3[Si,Al)4O10](F,OH)2等。白云母和金云母具有良好的电绝缘性和不导热、抗酸、抗碱和耐压性能，因而被广泛用来制作电子、电气工业上的绝缘材料。DongguanUniversityofTechnology93.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology103.1.1天然矿物原料[SiO4]4-分子的四面体结构两个[SiO4]4-四面体的排列方式：注意：四面体的棱并不表示化学键联结DongguanUniversityofTechnology113.1.1天然矿物原料一个氧离子最多只能被2个[SiO4]四面体所共有，即每个O2-同时与两个Si4+相连，或两个[SiO4]四面体共顶相连。如果在结构中，只有一个Si4+给O2-提供一价，那么O2-的另一个未饱和的电价将由其它正离子如K+、Na+、Al3+、Mg2+、Ca2+等提供，这就形成了各种不同类型的硅酸盐。DongguanUniversityofTechnology123.1.1天然矿物原料1）Si4+间不存在直接的键，通过O2-联接，这是硅酸盐与有机化合物的重要区别，有机化合物中存在C-C键，硅酸盐中无Si-Si键。2）[SiO4]四面体可弧立存在，或两个[SiO4]四面体间共顶相连。不能共棱，共面相连3）Si-O-Si的结合键不形成一直线，而是折线，键角接近在硅酸盐晶体结构中，Si-O全部形成[SiO4]四面体，其[SiO4]四面体是所有硅酸盐化合物的基本构造单位，对硅酸盐结构按[SiO4]四面体排列方式分类：桥氧：连接2个Si4+的氧，Si-O-Si非桥氧：连接一个Si4+的氧，Si-O-R非桥氧可与K+、Na+、Al3+、Mg2+、Ca2+连接。DongguanUniversityofTechnology133.1.1天然矿物原料岛状硅酸盐，[SiO4]四面体弧立存在，无桥氧，Si:O=1:4组群状硅酸盐双四面体一个桥氧Si:O=1:7三节环三个桥氧四节环四个桥氧Si:O=1:3六节环六个桥氧链状硅酸盐单链：[SiO4]在一维方向通过桥氧相连，Si:O=1:3双链：两个[SiO4]单链在一维方向通过桥氧相连4:11层状硅酸盐[SiO4]在二维方向通过桥氧相连，Si:O=4:10DongguanUniversityofTechnology143.1.1天然矿物原料硅酸盐结构简图DongguanUniversityofTechnology153.1.1天然矿物原料硅酸盐分子模型DongguanUniversityofTechnology163.1.1天然矿物原料Al3+配位数为6，2个是O2-，4个是OH-，形成[AlO2(OH)4]八面体，正是这两个O2-把水铝石层和硅氧层连接起来。DongguanUniversityofTechnology173.1.1天然矿物原料高岭石属于粘土矿物，其化学组成为Al4[Si4O10]·(OH)2，晶体属三斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。景德镇陶瓷主要原料又称微晶高岭石利用其阳离子交换性能制成蒙脱石有机复合体，广泛用于高温润脂、橡胶、塑料、油漆；利用其分散悬浮性用于钻井泥浆。利用其吸附性能，用于食油精制脱色除毒、净化石油、核废料处理、污水处理；利用其粘结性可作铸造型砂粘结剂等；DongguanUniversityofTechnology183.1.1天然矿物原料高岭石的结构是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体通过共同的氧互相连接形成一个晶层单元，所以称为1∶1型层状硅酸盐，如图所示。DongguanUniversityofTechnology193.1.1天然矿物原料石英结构DongguanUniversityofTechnology203.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology213.1.1天然矿物原料长石DongguanUniversityofTechnology223.1.1天然矿物原料长石结构中基本结构单元的构造DongguanUniversityofTechnology233.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology243.1.1天然矿物原料主要用作碱性耐火材料和高炉炼铁的熔剂；生产钙镁磷肥和制取硫酸镁；以及生产玻璃和陶瓷的配料。方解石在冶金工业上用做熔剂，在建筑工业方面用来生产水泥、石灰。其中无色透明的晶体称冰洲石，冰洲石是制作偏光棱镜的高级材料。DongguanUniversityofTechnology253.1.1天然矿物原料与方解石相似，但加冷盐酸不起泡或作用极慢，加热盐酸则剧烈起泡。主要用作耐火材料、建材原料、化工原料和提炼金属镁及镁化合物等。一种沉积碳酸岩，一般属于沉积岩。主要成分为方解石，有时含少量白云石，常混入石英、长石、云母和粘土矿物等。DongguanUniversityofTechnology263.1.1天然矿物原料本品为硅酸盐类矿物滑石族，主要为含水硅酸镁。利尿通淋，清热解暑，祛湿敛疮。用于热淋，石淋，尿热涩痛，暑湿烦渴，湿热水泻；外治湿疹，湿疮，痱子等。两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接，形成复网层。复网层平行排列即形成滑石结构;DongguanUniversityofTechnology273.1.1天然矿物原料因其花纹似蛇皮而得名，最常见的颜色为绿色和褐色。主要用作烧制钙镁磷肥、炼钢熔剂、耐火材料、建筑用板材、雕刻工艺、提取氧化镁和多孔氧化硅，还用于医疗方面，净化高氟水，制造氟宁片等。DongguanUniversityofTechnology283.1.1天然矿物原料为钙的偏硅酸盐矿物，是一种新兴的工业矿物原料。目前主要用于陶瓷工业，其次用作冶金保护渣和涂料，有的硅灰石岩可作建筑饰面材料或生产白水泥的配料。一种单斜辉石矿物，主要用作耐火材料。DongguanUniversityofTechnology293.1.1天然矿物原料氟磷灰石，氯磷灰石，羟磷灰石。提取磷的原料矿物，含稀土元素时可综合利用。氟磷灰石可作激光发射材料。晶胞为面心立方结构，每个晶胞含有4个钙离子和8个氟离子。萤石及其加工品的用途已涉足30多个工业部门。炼钢铁加入萤石，能提高熔液的流动性，除去有害杂质硫和磷。世界萤石产量的一半用以制造氢氟酸，进而发展制造冰晶石，用于炼铝工业等。电冰箱里的冷却剂（氟利昂）要用萤石；1986年，我国第一代人造血液也要用萤石。DongguanUniversityofTechnology303.1.1天然矿物原料叶蜡石pyrophyllite叶蜡石是一种含水的铝硅酸盐，化学式是Al2〔Si4O10〕(OH)2，其中Al2O3的理论含量为28.3%，SiO2为66.7%，H2O为5.0%。DongguanUniversityofTechnology31门头沟叶蜡石矿区遭盗采3.1.1天然矿物原料DongguanUniversityofTechnology323.1.1天然矿物原料叶蜡石是生产合成金刚石的关键辅助材料，目前，全国85%以上的叶蜡石都由北京门头沟矿区供应。叶蜡石加工成粉的价格大约在550元/吨，比煤还贵。DongguanUniversityofTechnology333.1.1天然矿物原料耐火材料：早期大块叶蜡石直接砌凿成砖块、烟囱、炉底，称作耐火石或炉石；制耐火砖原料；转炉炼钢用于盛钢桶衬砖；叶蜡石与粘土制成耐火泥浆、耐火涂料、耐火混凝土骨料；制造坩埚：坩埚用叶蜡石要求：耐火度＞1690℃；Al2O3≥25%；Fe2O3≤0.5%玻璃：为无碱玻璃和部分中碱玻璃原料；与石英熔炼拉成玻璃纤维可制玻璃钢，或制成耐酸、碱及高温的玻璃布，是一种新型贴墙材料。白水泥：与石灰石混合、磨细、烧成，生产白水泥造纸用作填料：增加纸张的密度、平滑性、均整性、柔软性及透印性。具片状结构的叶蜡石在生产铜版纸中用作涂料做纸张填料粒度要求-0.07mm，白度90%；做纸长涂料要求-2μm＞90%，白度＞90%塑料：在偶联剂作用下，表面亲有机物性能增强，用于塑料的填料以提高塑料的强度和刚度橡胶用掺合剂：使橡胶表面光滑，增加耐磨性DongguanUniversityofTechnology343.1.2无机合成原料DongguanUniversityofTechnology353.1.2无机合成原料是刚玉的一种，主要成分是氧化铝(Al2O3)，红色来自铬(Cr)。自然没有铬的宝石是蓝色的蓝宝石。红宝石DongguanUniversityofTechnology363.1.2无机合成原料DongguanUniversityofTechnology373.1.2无机合成原料DongguanUniversityofTechnology383.1.2无机合成原料DongguanUniversityofTechnology393.1.2无机合成原料二氧化钛是世界上最白的东西，1克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。纳米二氧化钛（TiO2）作为一种新型光催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，以其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车面漆领域显示广泛的应用前景。DongguanUniversityofTechnology403.1.2无机合成原料