无机合成(2)

2无机合成的条件与优化第二章无机合成的条件与优化2.1、溶剂的选择与提纯2.2、气体的分离与净化2.3、真空的获得与测量2.4、高温的获得与测量2.5、低温的获得与测量2.1之1溶剂的选择与提纯2.1.1溶剂的作用与分类作用很多合成反应是在溶液中进行的，溶剂对于溶液中的合成具有重要的作用：（1）能使反应物充分混合；（2）可以控制反应速率，避免反应过分剧烈；（3）可以利用溶解度的差异，分离副产物；（4）某种意义上的催化作用。在无机合成工作中，通过选择合适的溶剂，达到高效率合成目标产物的目的。2.1、溶剂的选择与提纯2.1之2溶剂的分类（三大种类）溶剂的种类有500种以上，溶剂液态温度范围－100℃～1000℃。其中水（H2O)是最常用的溶剂之一按化学基团分类：水系溶剂：羟基化合物和含氧溶剂（醇、醛、酮、醚等）氨系溶剂：含氨化合物（液氨、胺类、联氨、吡啶等）其分类特点是从溶剂的组成和结构特征容易估计溶剂分子的极性大小，判断其对无机物和有机物的溶解能力。按溶剂亲质子的性能分类：酸性溶剂：碱性溶剂：两性溶剂：非质子溶剂：2.1、溶剂的选择与提纯◆质子溶剂：能自身电离，进行质子转移H2O+H2O=H3O++OH-NH3+NH3=NH4++NH2-RCOOH+RCOOH=RCOOH2++RCOO-质子溶剂主要是一些酸碱，它们的酸碱性不同，质子化的能力也不同H+H+H+按酸碱质子理论分类：质子溶剂、惰性溶剂、熔盐◆非质子溶剂既不给出质子又不接受质子的溶剂，可分为：⑴惰性溶剂特点：非极性或弱极性，介电常数小，不发生自耦电离，是非极性化合物的良好溶剂，如：CCl4CS2CHCl3苯等⑵极性非质子溶剂特点：本身不显著电离，极性相对较高，如：乙腈，二甲基亚砜，丙酮，吡啶等⑶两性溶剂特点：极性很高，能发生自耦电离，其熔盐可以导电，高度活泼，易与其他物质反应，如：BrF3,AsF3,AsCl3,SbCl3等2.1之3◆熔盐⑴离子化合物熔盐如碱金属卤化物，熔融时使得原来束缚在晶格中的阴阳离子变得能够自由移动，它们的导电性能都很好。⑵共价化合物熔盐熔融后生成单个的分子，这些分子可部分发生自耦电离，电离程度很小。2.1之52.1.2溶剂的选择根据化学反应的特性，同时考虑反应物的性质、生成物的性质和溶剂的性质，应遵循的4项原则：（1）使反应物充分溶解形成均相溶液（2）反应产物不能与溶剂作用（3）使副反应最少（4）溶剂与产物易于分离此外，所选择的溶剂要有一定的纯度，粘度要小，挥发性要低，易于回收、价格低廉、安全性高。2.1、溶剂的选择与提纯2.1之52.1.3溶剂的提纯在无机合成中，为了避免由于溶剂的不纯所产生的有害反应，在应用溶剂之前必须对溶剂进行纯化。水的纯化－－无机溶剂中应用最多的是水，水的纯化可采用的主要方法有：2.1、溶剂的选择与提纯方法原理特点蒸馏法水的蒸发与冷凝传统方法。设备简单，方便。出水纯度一般，能耗高，成本较高。高要求时需要二次蒸馏或亚沸蒸馏离子交换阴离子（阳离子）交换树脂的活性基团的吸附作用交换能力强，水质纯度较高，运行成本低。树脂吸附容量有限，需要定期再生，对细微颗粒和细菌类杂质，效果差，常用作次级纯化膜分离膜的分离作用面积大，效率高，成本低，对颗粒物和细菌类分离较果好。水质纯度一般，可有限次再生电渗析电场的作用出水纯度高。成本高，设备复杂小型超纯水设备型号GenPureUV/UFGenPureUVGenPureUFGenPure总有机碳*2~3ppb2~3ppb10ppb10ppb导电率uS/cm0.0550.0550.0550.055电阻率MΩ.cm25℃18.2MΩ18.2MΩ18.2MΩ18.2MΩ产水量1.2L/min1.5L/min1.2L/min1.5L/min微生物cfu/ml＜1/ml＜1/ml＜1/ml＜1/ml颗粒物＜0.02um＜1＜1＜1＜1热源含量Eu/ml0.005无0.005无大型超纯水设备地大纳米材料公司纯水设备2.1之7有机溶剂的纯化▼水分是有机溶剂的主要杂质，除水的主要方法是干燥剂。▼分馏除杂质2.1、溶剂的选择与提纯2.1之72.1.4非水溶剂在化学合成上的作用有机溶剂的纯化非水溶剂具有某些水所没有的特性，对于在水中难以生成的化合物的制备、改进工艺、提高产率都很有意义。◇使某些在水中不能进行的反应得以进行◇无水盐的制备◇制备异常价态的特殊配合物◇提高某些反应的产率2.1、溶剂的选择与提纯2.2之1气体的分离与净化2.2.1常用的气源2.2、气体的分离与净化2.2之22.2.2气体的净化固体颗粒的去除气体的干燥常用的方法是硫酸吸附或干燥剂化学吸附2.2、气体的分离与净化2.2之3选择干燥剂常考虑的因素：干燥剂吸附水的容量越大越好（硅胶、活性氧化铝等）吸附速率越快越好（P2O5、Mg(ClO4)2等）吸附达到平衡后，气体中残留的水蒸汽压越小越好（P2O5、Mg(ClO4)2、Al2O3）干燥剂的再生能力强或容易处理上述干燥剂中，P2O5的效果最好，硅胶易再生且适用性强，都是最常用的干燥剂2.2、气体的分离与净化2.3之1真空的获得与测量2.3.1真空的概念真空是指低于大气压力的状态，真空度的高低用气体压强表示（单位为Pa）压强大小与真空度的关系：粗真空1.013×105～1.33×103Pa低真空1.33×103～1.3×10-1Pa高真空1.33×10-2～1.33×10-5Pa超高真空1.33×10-6～1.33×10-9Pa极高真空1.33×10-9Pa2.3、真空的获得与测量2.3之22.3.2真空的获得产生真空的过程称为抽真空，常用的工具为真空泵，如水泵、机械泵、油扩散泵等。真空泵的基本参数起始压强－－真空泵开始工作时的压强。临界反压强－－保持真空泵正常工作时排气口外侧允许的最大压强。极限压强－－真空系统中不漏气的条件下，长时间抽气所能达到的最小压强。抽气速率－－在一定温度和压强下，单位时间内泵从容器中抽出气体的体积。2.3、真空的获得与测量常用抽真空方法的适用压强范围2.3之3旋片式机械（真空）泵是一种使用机械转子使抽气空间不断膨胀，从而获得低气压的真空泵。工作的气室压强为大气压，极限压强为1.3×10-2Pa。结构图工作原理影响极限真空的因素结构上的缺陷滑片间隙渗漏气体在油中的溶解2.3、真空的获得与测量机械泵使用注意事项马达运转方向要正确（三相电源注意相位）。泵油必须充满至刻度线。不允许有异物落入泵腔，以免损坏密封。在抽含有大量水汽和有机蒸汽时，在泵和容器间最好加干燥、捕集装置。停泵时应使用三通阀对泵腔放气，防止泵油回吸。2.3之4油扩散泵是目前获得高真空的主要工具，其前级泵常用机械泵。结构图工作原理2.3、真空的获得与测量2.3.3真空的测量麦氏（Mcleod）真空规2.4之1高温的获得与测量高温是无机合成的一个重要手段，特别是新型高温材料的合成、结构和功能陶瓷材料的烧结、难溶化合物的熔化和再结晶等工艺过程，均需要符合不同要求的产生高温的设备和手段。2.4.1高温的获得2.4、高温的获得与测量最常用的设备2.4之22.4.2高温电阻炉电阻炉是实验室和工业中最常用的加热炉。其优点是设备简单，使用方便，温度控制精确，应用不同的电阻材料可以达到不同的温度限度。2.4、高温的获得与测量最常用最常用2.4之32.4、高温的获得与测量高温反应常用的高温炉主要有：箱式电阻炉、碳化硅管式炉（1300℃）、坩埚炉（1500℃）、碳管炉（2000℃）、钨管炉（3000℃）、感应炉（3000℃）、电弧炉等高温箱式电炉（马弗炉）常用电阻丝和硅碳棒发热元件，配有控制器。2.4之2管式电炉坩埚炉2.4、高温的获得与测量2.4之52.4.3高温热浴2.4、高温的获得与测量热浴名称热载体极限温度/℃水浴水98油浴石蜡油300甘油220DC300／500硅油280／250空气浴空气300合金浴伍德合金6002.4之72.4.4反应容器的选择2.4、高温的获得与测量•玻璃容器－•瓷器皿－－坩埚、瓷舟、蒸发皿等，使用温度1200℃•石英器皿－－使用温度1000℃以下•金属器皿－－Ni，Fe，Pt，•刚玉器皿－－纯氧化铝经高温烧结，耐高温，硬度大，对酸碱有一定的耐腐蚀作用。•石墨器皿－－耐高温（2500℃），耐腐蚀，高温不软化。•聚四氟乙烯容器－－耐热性最好的有机材料，耐腐蚀，温度超过250℃时分解。2.4之82.4.5温度的测量2.4、高温的获得与测量测温方法利用物质物理性质随温度变化而变化的性质，进行温度测量，常用的有：•热膨胀•电阻的变化－－热敏电阻•热电效应－－两种不同的导体接触，两接点温度不同时，回路产生热电动势•热辐射－－物体的热辐射随温度的变化而变化•其他－－射流、涡流、激光测温等2.4之92.4.5温度的测量2.4、高温的获得与测量测温仪表的分类2.4之102.4.5温度的测量2.4、高温的获得与测量热电耦高温计测温原理：金属中电子的逸出功两金属接触时，产生电位差V’AB＝VA－VB两种金属的性质不同，自由电子数目也不同，并且与温度有关，产生的电位差AB之间的总的接触电位差VAB＝V’AB＋V’’AB当两接点的温度分别为t和t0时，其电动势EAB为BAtt0BAAB''NNlnekTVBA0ABNNlnek)t-(tE2.4之102.4.5温度的测量2.4、高温的获得与测量各种热电耦高温计主要特点：体积小，结构简单，使用方便。测温范围大（达2000℃以上）。能直接与物体接触，具有较高的准确度。2.4之112.4.5温度的测量2.4、高温的获得与测量光学高温计主要特点：不需要同被测物体接触，同时也不影响被测物体的温度场。测量温度高，范围较大（700～6000℃）。精确度较高，误差小于±10℃，使用简便，测量迅速。2.5之1低温的获得与测量2.5.1低温的获得获得低温的途径：相变制冷、热电制冷、绝热膨胀等2.5、低温的获得与测量2.5之22.5.1低温的获得自来水冷却冰－盐体系干冰浴（－73.8℃)液氮（－195.8℃)液氨（－33.4℃)2.5.2低温的测量2.5、低温的获得与测量作业作业：1、溶剂主要分几大类型？各具有什么样的性质？2、选择溶剂应遵循的原则有哪些？3、水的常用纯化方法有哪些？各有什么特点？4、获得高温的主要方法和设备有哪些？特点如何？5、简述热电偶的测温原理和主要优点。