第三章 低温合成技术

1） 低温物理学：−150℃, 123K以下的温度。
2） 低温是： 低于液氮温度（77K）； 低于液氦温度（4.2K）（超低温）

3） 制冷技术： 120K以上，普冷；
120~0.3K，深冷（又称低温）；
0.3K以下，极低温。
2、生活中低温的应用？低温现象？

食品冷冻冷藏、舒适性空气调节、医疗卫生 、工业。 随着温度的不断降低，物质发生着巨大的变化，出现了 许多神奇的现象：

4、红外辐射温度计（50～3200℃） 非接触式，适用浴腐蚀性环境、运动物体的温度测量。 但精确度低，因为低温辐射能量低，而且发射的常常是波 长较长的红外线。
第四节 低温的应用实例
1、 低温下气体的分离 2、 低温化学中的低温合成：

1） 低温下稀有气体化合物的合成 2） 低温下挥发性化合物的合成 3） 低温下的放电合成 4） 低温水解合成
注意：用此方法合成的SiH4 ，常含有乙硅烷、丙硅烷、 丁硅烷以及其它高纯硅烷，为得到纯SiH4分须进行分离。 SiH4用一196 ℃(戊烷作冷媒)的捕集器收取。
（2）低温合成超微粒子

金属超微粒子的合成，通常采用金属蒸气法，即把 反应体系(真空罩)抽成真空，根据金属活泼性的不同选 择通入几至几百torr的N2、He、Ne、Ar等不活泼性气体。 用电阻、高频、电弧等离子体、激光、溅射、电子束等 加热金属，使之熔融气化，金属原子或原子团在低温的 不活泼性气体中骤冷成烟状，烟粒子附着在器壁上，渐 渐落到基板上，即可得金属超微粒子。用此方法现已合 成Ni、Pt、W等金属超微粒子。 用同样的方法，如果在真空系统通入N2、NH3、 CH2、O2等气体即可合成金属的氧化物、氮化物、碳化 物等超微粒子。
室温～12℃，流动的水； 12 ℃ ～ 0℃，加入冰块 冰—盐体系（最常用）(固体熔化制冷) 适用温度：0 ～ -25℃
盐的种类 盐的克数/100g冰 冰点/℃ NaCl 33 -21.2 NH4Cl 25 -15.8 KCl 30 -11.1 ZnCl2 51 -62 NaNO3 59 -18.53 NH4NO3 45 -17.3
③
冰—酸体系
一份浓硝酸+一份冰 一份浓盐酸+两份冰
低温-37.5 ℃ பைடு நூலகம்温-56 ℃
一份浓盐酸+三份冰
低温-43 ℃
2）非水冷浴
① 干冰(固体升华制冷) 原理：干冰的升华温度为-78.3℃，干冰的导热性不好
溶剂 四氯化碳 氯乙烷 冷浴温度/℃ -23 -60 溶剂 乙醇 丙酮 冷浴温度/℃ -72 -78
第三节

低温的测量
常用测量温度计

1、蒸汽压温度计（-200～600℃）：
液体的蒸汽压随温度变化，通过测量蒸汽压知道其温度。

2、低温热电偶（-200～2000℃） ：
与高温热电偶不同处：
1）丝径更细，满足低温下漏热少； 2）焊接点要能承受低温，不脱离。

3、低温电阻温度计（-258～900℃） 制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定、物 理及金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度间具有 线性关系的材料。常用的有铂电阻温度计、锗电阻温度计、 碳电阻温度计、铑铁电阻温度计等。
5） 低温下光化学合成
3、 超细材料合成 4、 非晶态合成
1、低温分级分离应用实例：
这一混合物如何分离呢？
◆ 合 成 反 应 的 基 本 装 置
2、材料低温合成实例
（1）半导体材料气体化合物的合成

例：甲硅烷(SiH4)的合成 制备SiH4最古的方法是用稀盐酸处理硅化镁，如以 Si02为起始原料，则反应式为: Si02 +Mg→Mg2Si Mg2Si +HCl → SiH4 （一196 ℃）
② ③
液态空气（-193℃～186℃）(液体气化制冷) 低沸点液体
液体 沸点/℃ 液NH3 -33.4 SO2 -10.0 液O2 -183.0 液N2 -196.0
第二节

低温的控制
主要方法：

1、使用恒温冷浴:
原理：利用调节制冷剂的量来恒定温度。 冷浴的温度会随环境温度变化！
方法：要不断取走部分溶液，加入新的冰和(酸或盐)！

2、使用低温恒温器
（1）减压降温恒温器
原理：改变液体上方蒸汽的压强改变温度。
（2）连续流恒温器 原理：利用调节制冷剂的流量来控制温度。
液体气化制冷控制温度：
回收过程
蒸汽 抽走 加热解吸 低压汽化 制冷装置恒温 加入 液体 加压液化 降温吸附
制冷过程
最简单的一种液体浴 低温恒温器如图所示，它 可以用于保持-70 ℃以下 的温度。它的制冷是通过 一根铜棒来进行的，铜棒 作为冷源，它的一端同液 氮接触，可借铜棒浸入液 氮的深度来调节温度，目 的是使冷浴温度比我们所 要求的温度低 5 ℃左 右．另外有一个控制加热 器的开关，经冷热调节可 使温度保持在恒定温 度.(正负 0.1 ℃)

1、低温的定义？低温的范围？ 2、低温现象？生活中低温的应用？ 3、材料在低温下会发生什么变化？ 4、为什么要获得低温？低温的应用？ 5、如何获得低温？ 6、如何测量低温？
技术问题
常识问题
目的问题


7、如何控制低温？
8、低温在材料科学与工程中的应用？
材料问题

1、低温的定义？
合物的合成及相关反应只能在低温条件下进行。
（2）利用低温下材料的特性、低温现象。
1）低温脆化——制药、 液氮低温加工橡胶品 2）低温超导——磁悬浮列车 3）生物冷冻——“冷刀”、“生物冷冻”
（3）气体的液化和分离：通过降温产生物态变化，可以使 气体液化、混合气体分离。 （4）超低温条件能促进化学反应的进行。
第一节 低温的获得

一、低温的获得途径： 1、相变制冷 2、热电制冷 3、气体绝热膨胀 4、绝热去磁
相变制冷

相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动 速度的改变，会吸收或放出热量→潜热。
固体熔化制冷
吸收潜热
固 体
放出潜热
液 体
固体升华制冷
气 体
液体气化制冷
二、低温源
1、低温冷浴 1）水冷浴自来水冷却
则大大降低——低温超导（高温超导）
4）磁学性质：在足够低的温度下，原则上所有顺磁物质均 可表现出铁磁性或反铁磁性；非金属材料在低温下也能 表现出磁性，但在温度超过一定限度时就会失去磁性。 目前，临界温度最高的非金属磁体在-230℃左右。

4、为什么要获得低温？ （1）大量气态、易挥发或对水、氧、热等敏感的无机化


锡块变成了锡粉；
空气在-190℃时会变成浅蓝色液体； 橡胶变得像玻璃一样脆； 鸡蛋摔在地上会像皮球一样跳起来； “玻璃金鱼” 复活。
3、材料在低温下会发生什么变化？ 1）机械性能：低温脆化
2）热学性质：固体比热容在某些温度下会突变
3）电学性质：金属的导电性明显提高，而半导体的导电性