第章材料合成與制備的環(huán)境參量.ppt

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1、材料合成與制備趙雷李亞偉無機(jī)非金屬材料系/21:19:57第三章材料合成與制備的環(huán)境參量材料合成與制備是在一定環(huán)境中進(jìn)行的。環(huán)境參量，如溫度、壓強(qiáng)、氣氛、重力等，對于材料合成與制備有著巨大的甚至是決定性的影響。認(rèn)識這些影響，并且人為地調(diào)控各種環(huán)境參數(shù)，是材料合成與制備的重要環(huán)節(jié)，也是材料合成與制備科學(xué)的主要研究對象之一。/21:19:573.1溫度溫度表征物體的冷熱程度。溫度也是分子平均動能的度量。其中：T為溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，為理想氣體分子的平均動能。/21:19:57材料合成與制備中溫度是關(guān)鍵的可調(diào)控參量晶體熔化過程中，從有

2、序的晶格出發(fā)，原子的挪動不僅使晶格坐位上的原子發(fā)生重新排列，而且導(dǎo)致了晶格的徹底瓦解。高溫下的晶體，雖然存在不規(guī)則的熱運(yùn)動，但原子仍停留在晶格的坐位附近。轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，晶格已經(jīng)不復(fù)存在，原子的位置分布是無規(guī)的，體現(xiàn)了位置無序性，而且原子并不定局域于某個特定的位置上。例：熔體制備晶體或玻璃（1）/21:19:57例：熔體制備晶體或玻璃（2）在固相到液相的相變過程中：當(dāng)液體冷卻到熔點(diǎn)Tm時，并不會立即凝固或結(jié)晶，而是先以過冷液體的形式存在于熔點(diǎn)之下。新的晶相形成，首先要經(jīng)過成核階段，即在局部形成小塊晶核。由于晶核尺寸很小，表面能將占很大的

3、比例，因而將形成能量的壁壘。因此，在熔點(diǎn)之上，成核是不可能實(shí)現(xiàn)的。只有當(dāng)溫度下降至熔點(diǎn)以下，即存在一定的過冷度時，成核的幾率才大于零。/21:19:57例：熔體制備晶體或玻璃（3）晶核形成后，晶核的長大就主要依靠原子的擴(kuò)散過程。因此，結(jié)晶的速率既和成核的幾率有關(guān)，又和長大的速率有關(guān)。前者取決于過冷度的大小，后者則取決于溫度的高低。如果從液相冷卻下來的速率足夠快的話，過冷液相就將避免結(jié)晶而形成玻璃態(tài)。結(jié)晶與形成玻璃態(tài)，均取決于溫度和降溫速率。/21:19:57例：固相反應(yīng)固相反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點(diǎn)或系統(tǒng)的低共熔點(diǎn)。這一溫度與

4、反應(yīng)物內(nèi)部開始明顯擴(kuò)散作用的溫度是相一致的，常稱為泰曼溫度或燒結(jié)溫度。不同物質(zhì)的泰曼溫度與其熔點(diǎn)Tm間存在一定的關(guān)系。無論是反應(yīng)控制的固相反應(yīng)還是擴(kuò)散控制的固相反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)與溫度間均存在著阿倫紐斯形式的關(guān)系：其中，K0為常數(shù)，△G為活化能，R為氣體常數(shù)./21:19:57材料合成與制備中溫度是關(guān)鍵的可調(diào)控參量溫度對于材料中的相變、燒結(jié)等材料合成與制備中的關(guān)鍵過程無論在熱力學(xué)還是動力學(xué)上都產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。/21:19:573.1.1化學(xué)合成中常用的加熱方法當(dāng)化合物發(fā)生反應(yīng)時，一般情況下升高溫度則反應(yīng)速度加快。大體上溫度

5、每升高l0°C，反應(yīng)速度就要增加一倍。因此，為了增加反應(yīng)速度，往往需要在加熱下進(jìn)行反應(yīng)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室中常用的熱源有煤氣燈、酒精燈和電爐等。必須注意，玻璃儀器一般不能用火焰直接加熱。因?yàn)閯×业臏囟茸兓图訜岵痪鶆驎斐刹Ａx器的損壞。同時，由于局部過熱，還可能引起有機(jī)化合物的部分分解。/21:19:57化學(xué)合成中常用的加熱方法最簡便的是通過石棉網(wǎng)進(jìn)行加熱。但這種加熱仍很不均勻，故在減壓蒸餾或回流低沸點(diǎn)易燃物等操作中就不能應(yīng)用。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，為了保證加熱均勻，經(jīng)常選用熱浴來進(jìn)行間接加熱(熱浴的液面高度皆應(yīng)略高于容器中的液面)。/21:1

6、9:57化學(xué)合成中常用的加熱方法(1)水?。寒?dāng)需要的加熱溫度在80°C以下時，可將容器浸入水浴中(注意：勿使容器觸及水浴底部)，小心加熱以保持所需的溫度。但是若要長時間加熱，水浴中的水總難免氣化外逸，在這種情況下，可采用附加自動添水裝置的水浴。若需要加熱到100°C時，可以用沸水浴或水蒸汽浴。/21:19:57化學(xué)合成中常用的加熱方法(2)油?。涸?00-250°C范圍內(nèi)加熱，可以用油浴。油浴所能達(dá)到的最高溫度取決于所用油的種類。在植物油中加入1％的對苯二酚，便可增加它們在受熱時的穩(wěn)定性。透明石蠟油可加熱到220°C，溫度過高并不分

7、解，但易燃燒。甘油和鄰苯二甲酸二正丁酯適用于加熱140-150°C，溫度過高則易分解。硅油和真空泵油在250°C附近仍較穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)指出，用油浴加熱時，油浴中應(yīng)放溫度計，以便及時調(diào)節(jié)燈焰，防止溫度過高。此外，蠟或石蠟也可用作油浴的浴液，可以加熱到220°C。它的優(yōu)點(diǎn)是在室溫時是固體，便于貯藏，但是加熱完畢后，在它們冷凝成固體前，應(yīng)先取出浸于其中的容器。/21:19:57化學(xué)合成中常用的加熱方法(3)砂?。杭訜釡囟缺仨氝_(dá)到數(shù)百度以上時往往使用砂浴。將清潔而又干燥的細(xì)砂平鋪在鐵盤上，盛有液體的容器埋入砂中，在鐵盤下加熱，液體就間接受熱。由

8、于砂對熱的傳導(dǎo)能力較差而散熱卻快，所以容器底部與砂浴接觸處的砂層要薄些，使易受熱；容器周圍與砂接觸的部分，可用較厚的砂層，使其不易散熱。但砂浴由于散熱太快，溫度上升較慢，且不易控制而使用不廣。/21:19:57化學(xué)合成中常用的加熱方法