硬化學和軟化學的區別與聯系

時間：2022-10-08 21:38:04 化學畢業論文我要投稿

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硬化學和軟化學的區別與聯系

　　硬化學和軟化學的區別與聯系

硬化學和軟化學的區別與聯系

　　摘要:隨著科學技術的日益發展和科技條件的提高,人們提出了兩種制備無機材料的方法,即硬化學方法和軟化學方法。

　　本文分析了現代無機合成的兩大熱點領域---硬化學和軟化學的形成和發展,分別介紹了硬化學和軟化學的合成思路,并對兩種無機合成方法的區別與聯系進行了闡述。

　　關鍵詞:無機合成硬化學軟化學

　　合成化學的發展是推動化學學科及其相關學科發展的主要動力,其中無機合成的發展方向是進行特定結構和性質的無機材料定向設計和合成。

　　隨著科學技術的日益發展和科技條件的提高,人們提出了兩種制備無機材料的方法,即硬化學方法和軟化學方法[1-2]。

　　硬化學方法一般指那些要在超高溫或超低溫、超真空、強射線輻射、失重等極端條件下進行的化學合成。

　　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。

　　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,許多物質的內外層電子軌道的距離均會發生變化,從而使元素的穩定價態發生質的飛躍。

　　隨著現代科學技術的發展,憑借已有的和將有的能力集中力量進行極端條件下的無機化學合成研究,將會在新材料、新知識、新設備和新工藝等方面獲得重大進展。

　　硬化學方法主要包括:失重合成、超高溫高壓合成、等離子體合成、自蔓延高溫合成、固體火焰燃燒反應以及一些爆炸反應等。

　　在硬化學法提供的諸多材料制備技術中,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,主要用于那些反應吸熱大、產物高溫不穩定的化合物,如NH3-H3N、H2N-NH2的合成。

　　在熱等離子體中,由于達到了局部熱力學平衡狀態,而且溫度很高,復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。

　　例如等離子體合NO2,比傳統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國家實驗室成功的合成了Si3N4、SiC、B4C等超純超細無機粉末,主要依賴于一種等離子體系統,其可以合成超純、超細材料的射頻。

　　隨著科技的發展,越來越多的硬化學方法被開發出來,并應用到實際生產中,如離子束合成、濺射合成等。

　　硬化學合成方法的特點是高溫、高真空、高壓、高能和高制備成本,依賴于“硬環境”的硬化學方法所獲得的材料必須是在熱力學平衡態的,同時還需要有高精尖的設備和巨大的資金投入。

　　軟化學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現的緩慢地化學反應過程。

　　軟化學是在較低溫度的“軟環境”中進行,可以得到多種具有“介穩”結構的材料體系,這樣,便有可能實現不同類型組分(如有機物-無機物、生物體-無機物、金屬-玻璃、陶瓷-金屬)在同一材料體系中的結合,也有可能發現一些用硬化學反應難以獲得的低焙、低嫡或低對稱性的新材料,尤其是一些具有特殊結構或形態低維、雜化和復合材料體系,因此軟化學方法更有應用潛力。

　　軟化學方法可以說是一種新型材料設計與合成的概念,在這種思路下產生了一系列新型材料的制備技術,開辟出了具有環境友好、節能、經濟、高效的工藝路線,與“綠色化學”的核心思想一脈相承。

　　軟化學對其化學反應機制、路徑、過程的易于控制,為了達到裁剪其物理性質的目的,我們可根據通過控制軟化學反應過程的條件,對產物的結構和組分進行設計。

　　軟化學合成正在將新材料制備的前沿技術從高溫、高真空、高壓、高能和高制備成本的硬化學方法中解放出來,進入一個更廣闊的空間。

　　軟化學提供的方法考驗的則是人的技能、智力、學識和改造力,因而可以說軟化學是一個具有智力密集型特點的研究領域。

　　軟化學合成法所需設備比較簡單,反應步驟也可以較容易地控制,制備成本低廉。

　　軟化學方法主要包括:溶膠-凝膠過程、插入反應、離子交換過程、水熱法、前驅體法、共沉淀法、溶體(助熔劑)法、初產物法、拓撲化學過程及一些電化學過程等。

　　溶膠-凝膠法是目前軟化學中最常見的合成方法,其與傳統固體材料制備方法的區別在于:溶膠-凝膠反應過程中,由分子級均勻混合的無結構的前驅體,經一系列的結構化過程,形成具有高度微結構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步驟,從而實現反應溶液過渡到固體材料的階段。

　　目前,工業制備陶瓷、玻璃及相關復合材料的薄膜、塊體和微粉等已經廣泛采用溶膠-凝膠過程。

　　田秀淑等[5]分別以無機鹽和有機醇鹽為先導化合物,對溶膠-凝膠法制備Al2O3-SiO2-ZrO2復合膜的成膜工藝進行詳細的研究。

　　隨著納米復合材料的發展,軟化學合成技術在功能材料的制備方面發揮重要作用,比如納米催化劑、納米磁性材料、納米氣敏材料、納米光學材料等[6]。

　　硬化學和軟化學合成方法都是化合物和材料合成的熱點研究領域,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,新的制備方法經常可以開拓材料的新性能。