第二章 湿化学材料合成与制备.pdf

第二章 湿化学材料合成和制备 湿化学材料的合成和制备主要是指氧化物材料的主要形成过程在液相中进行 一般选择含所需材料组 元的化合物(先驱体)并将其溶于溶剂中 通过在液相中水解和聚合过程获得单元或多元氧化物 也可将氧 化物颗粒置于液相中 通过溶解-沉淀过程来优化材料相 颗粒尺寸等 在这一章中主要涉及到的是氧化物 材料 包括了将氧化物颗粒可还原转变成金属颗粒材料 将聚合体或其单体在氧化物湿化学合成期间加入 可制备无机-有机或有机-无机复合材料 在湿化学过程中最主要过程是金属离子溶解产物的水解反应和金属离子水解产物的聚合反应 但是这 些过程是非常复杂的 取决于液相种类 酸度 先驱体浓度和反应温度等 常规的无机化学知识只能给出 某一个反应的趋势或方向 可在湿化学合成与制备材料中 改变某一实验条件 可能会引起最终所需材料 的组成 显微结构等方面的不同 因此 本章试图介绍湿化学合成与制备材料中最基本化学原理(部分电荷 模型和胶体化学简要原理) 来认识或掌握湿化学合成与制备材料基本要素和技术(水热法和溶胶-凝胶法) 第一节 水溶液中氧化物合成过程中的化学原理 由于金属氧化物的无机先驱体比较便宜 适合于工业化生产 并且这些无机先驱体常用水作为溶剂或 介质 因此 在水中材料合成与制备是湿化学中应用最多的方法 1.1 部分电荷模型 Partial Charge Model 模型建立的基础 当具有不同电负性值的几个原子形成化合物后 这些原子具有相同的电负性值 如 某原子电负性大表示该原子吸引电子能力的强 当几个不同原子形成化合物后 电负性小的原子的外层电 子或电子云要向电负性大的原子转移 当原子中电子云向外转移时 该原子的电负性也增加 相反地 当 原子中获得电子云转移时 该原子的电负性就减少 一般这种电子云的转移并不是正好是一个或几个电荷 这样在化合物中的原子的电价也不是一个整数 从而产生部分电荷或电价的概念 其部分电荷数值可用下 列数学方程式计算 依据部分电荷模型原理 在一个化合物分子或离子中各原子具有相同的电负性值 即 平均电负性值为 0 1 .36 Σ χ + z i i χ Σi 1 / χ i0 其中χi0 为一个化合物分子或离子中 i 原子的电负性值 z 为离子的电价 这样第 i 个原子的部分电荷值为 − 0 0 δi ( χ − χi ) / 1 .36 χi − 如水的χ0 =2.1, χ0 =3.5, χ = 2.491, δ = -0.40, δ = +0.20 δ = -0.20 H O H2O H O (OH) 1.2 阳离子水解 无机金属化合物在水介质常以离解的方式溶于水中 这时极性的水分子与金属离子形成溶剂化产物 [M(OH ) ]z+ 在溶剂化离子的形成 说明二者相互有电荷的转移 即水的分子道上的电荷向金属离子空轨 2 N 道转移 这样会使一个金属溶剂化离子中的配位水分子中的 O-H 键就会弱化 质子 H 有离解出的趋势 如产生 只按下列反应进行 [M(OH ) ]z+ + h H O → [M(OH) (OH ) ](z - h)+ + h H O+ 2 N