无机合成化学简明教程课后习题参考答案

第一章概论
1现代无机合成的容和方法与旧时代相比有哪些变化？
答：
2为什么说无机合成化学往往是一个国家工业发展水平的标志？
无机合成化学与国民经济的发展息息相关，在国民经济中占有重要的地位。

工业中广泛使用的三酸两破”，农业生产中必不可少的化肥、农药，基础建设中使用的水泥、玻璃、瓷，涂料工业中使用的大量无机料等无一不与无机合成有关。

这些产品的产量和质量几乎代表着一个国家的工业水平。

3．为什么说合成化学是化学学科的核心，是化学家改造世界、创造社会財富的最有力的手段？
答：作为化学学科中当之无愧的核心，合成化学已成为化学家改造世界创造未来最有力的工具。

合成化学领域的每一次进步都会带动产业的一次革命。

发展合成化学，不断创造和开发新的物种，不仅是研究结构、性能及其相互关系，揭示新的规律与原理的基础，也成为推动化学学科与相关学科发展的主要动力。

4您能举出几种由p区元素合成的无机材料吗？
碳纳米管、
5为什么从某种意义上讲，合成化学的发展史就是化学的发展史？
6.无机合成有哪些热点领域？
（1）特种结构无机材料的制备（2）软化学合成
（3）极端条件下的合成
（4）无机功能材料的制备（5）特殊聚集态材料的合成（6）特种功能材料的分子设计（7）仿生合成
（8）纳米粉体材料的制备（9）组合化学
（10）绿色化学。

7．什么是极端条件下的合成？能否举一例说明。

极端条件是指极限情况，即超高温、超高压、超真空及接近绝对零度、强磁场与电场、激光等离子体等。

例如，在模拟宇宙空间的情况下，可能合成出没有位错的高纯度品体。

8查阅文献，找出一例绿色合成原理在无机合成化学中的应用。

9何谓软化学合成方法？与所谓的“硬化学法”相比有什么特点？
软化学是相对于硬化学而言的。

它是指在较温和条件下实现的化学反应过程。

特点：
1.不需用高纯金属作原料
2.制得的合金是有一定颗粒度的粉末，不需在使用时
再磨碎
3.产品本身具有高活性
4.产品具有良好的表面性质和优良的吸放氢性能
5.合成方法简单
6.有可能降低成本
7.为废旧储氢合金的回收再生开辟了新途径
第二章低温合成
1温度与物性有怎样的关系？什么是物质的第五态？
温度与物性的关系：对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。

物质的第五态就是玻色－爱因斯坦凝聚（Bose-Einstemcondensation，简称BEC），它是科学巨匠爱因斯坦在80多年前预言的一种新物态：预言当原来不同状态的原子在温度足够低时，会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态（一般是基态）。

2为什么稀有气体化合物总是在低温或超低温下合成？
由于稀有气体自身就是在低温下进行分离纯化的，因此它们的一些化合物也是在低温下进行的。

3实验室中，获得低温的方法或低温源装置有哪几种？各举一例
（1）恒温低温浴。

低温合成需要的低温源装置可分为制冷浴与相变冷浴。

例：干冰啤酒/水果
（2）制冷产生低温。

例：科学研究中使用的大型氦制冷机。

（3）低温恒温器。

（4）储存液化气体的装置。

①储存液化气体的杜瓦瓶②储存液化气体的钢瓶。

（5）低温的测量。

①蒸气压温度计②低温热电偶③低温电阻温度计
4在Xe的氟化物制备中，为什么系统要严格地隔绝湿气，所用仪器、管路应是防爆的，并且要用镍和蒙铜品制作？
为了防止它与水发生反应生成XeO4，而XeO4的固体极不稳定，甚至在-40℃也发生爆炸，而用镍和蒙铜制品是为了防止对仪器的侵蚀。

5为什么任何碱金属与液氨反应后溶液都具有同一吸收波长的蓝光？核心物种是什么？如何证明？
因为它们共同形成了氨合电子，即电子处于46个NH3的空穴中。

核心物种为氨分子。

证明：①碱金属的液氨溶液比纯溶剂的密度小②液氨中随碱金属的浓度的增大，顺磁性减少。

6在氨基钠的制备中，为什么特别强调整个装置的连接都是不允许漏气的？
因为空气中的氧会和氨基钠反应并形成一种黄色含各种氧化物的表面覆盖层，这种被氧化的物质易爆炸，并且摩擦或加热就可引爆。

7．一般来说，非金属化合物的反应不会很完全，并且副反应较多。

简述它们低温分离的主要方法。

①低温下的分级冷凝。

低温下的分级冷凝就是使气体混合物通过不同低温的冷阱，当有一种气体通过冷阱后其蒸气压小于1.3Pa，就认为是定量地捕集在冷阱中；大于133.3Pa的气体能穿过冷阱，被认为不能冷凝。

②低温下的分级减压蒸发。

这是分离两种沸点之差大于80℃挥发物质最简单的方法。

③低温吸附分离。

从热力学可知，物理吸附过程中吸附是放热的。

因此，吸附量将随温度的升高而降低。

但当气体吸附质分子(如N2、Ar、CO等)的大小与吸附剂的孔径接近时，它们的活化能很低，而且在很低的温度下，沸石的孔径发生收缩，从而增加了这些分子在晶孔中扩散难度，就会出现特殊的情况。

④低温化学分离。

当碰到两种化合物通过它们的挥发性的差别进行分离达不到理想结果时，可以加上过量的第三种化合物，第三种化合物能同其中一种形成不挥发性的化合物，这样把挥发性的组分除去之后，再向不挥发性产物中加入过量的第四种化合物。

这第四种化合物可以从不挥发性化合物中把原来的组分置换出来，同先前加入的第三种化合物形成不挥发性的化合物。

8什么是金属瓷？有什么特殊性质？用在哪些方面？它们是如何在高温下制备的？
它是由一种或几种瓷相与金属相或合金所组成的复合材料。

为了使瓷既可以耐高温又不容易破碎，在制作瓷的土中加入金属氧化物细粉制成金属瓷，又称弥散増强材料，主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍（铍-氧化铍）、TD 镍（镍-氧化钍）等。

广义的金属瓷还包括难熔化合物合金、硬质合金、金属黏结的金刚石工具材料金属瓷广泛地应用于火简、导弹、超音速飞机的外売、燃烧室的火焰喷口等的制备。

9获得高温有哪些手段？
获得高温的一些方法和达到的温度
（1）碳管炉：用碳制管作为发热元件的电阻炉。

因为它们的电阻很小，所以也称为短路电炉”。

这种炉可以很容易地达到2000℃的高温：（5）钨管炉：用钨作发热体的加热炉，温度可达3000℃。

（6）感应炉：被加热物很快发热并达到高温（几秒之可达3000℃）。

；（7）电弧炉。

10高温合成技术有哪些广泛应用？
⑴高温下的固相合成反应
⑵高温下的固-气反应⑶高温下的化学转移反应
⑷高温下的冶炼和合金制备
⑸高温下的相变合成
⑹高温熔盐电解
⑺高温下的单晶生长和区域熔融提纯⑻高温下的还原反应
⑼自蔓延高温合成
⑽等离子体激光、聚焦等作用下的超高温合成
11.从金属活泼性看,钠略弱于钾，但是工业上却是用钠还原熔融态氯化钾的方法制备金属钾。

理由何在？
工业上于850℃时用钠还原熔融态氯化钾的方法制备金属钾：
虽然△f Hθm[NaCl(s)]=-411kJ.mol-1，△f Hθm[KCl(s)]=-435kJ.mol-1,上述反应正向是吸收能量即△r Hθm为正值的反应。

但因钾比钠容易挥发,沸点分别为756.5℃、881℃,在该温度下钾为气态即正向是熵增过程得以进行。

在850℃时的△r Gθm=6.6kJ·mol-1,由△r Gθm=-RTlnK,
算得K=p(K)/p(Na)=0.458,即得到钠和钾的“混合物”，经真空蒸馏得“纯”钾,钠循环使用。

12.何谓高温下的化学转移反应？它主要应用在无机合成的哪些方面？
化学转移反应（chemicaltransportreaction）：是一种固体或液体物质A在一定的温度下与一种气体B反应，形成气相产物，这个气相反应产物在体系的不同温度部分又发生逆反应，结果重新得到A。

这个过程似乎像一个升华或者蒸馏过程，但是在这样一个温度下，物质A并没有经过一个它应该有的蒸气相，又用到了物质B（转移试剂），所以称化学转移。

应用：在新化合物合成、物质的分离提纯和大而完美的单晶生长以及测定一些热力学数据等方面。

13.试绘制转移反应实验装置原理示意图，指明如何根据反应热的符号选择不同区域温度的高低。

图中示意在温度梯度下固体物质转移的理想化流动装置。

显然，由于作为转移反应中的传输剂气体在与原料反应之后生成的是气体化合物，并要充分满足一定的蒸气压使之向生长端转移，传输剂还得在管中往返转移，因此，真空条件是必不可少的。

通常，温度和浓度是影响转移反应的重要因素。

可逆的多相反应达到平衡时，即
其平衡常数为：Kp=pC/pB
在原料放置区，即图中的T1段,A和B尽可能生成C并向沉淀区转移，在沉淀区（T2），C尽可能分解沉积出A。

这就要求△T不要太大，Kp尽可能接近1，即平衡时气体的分压应近似相等才好。

例子：化学蒸气转移制备TaS2晶体:
由于是吸热反应，平衡常数随温度上升而增大，850℃时的挥发性产物的分压比750℃时的分压大，因此，TaS2在温度较低的一端沉积。

低温(750℃)高温（850℃）
TaS
2晶体TaS
2
粉末
14.熔盐电解法制备金属钠时，为何要加入熔融的NaCl或CaCl2?为何不能使用同样的方法电解制备金属钾？
加入熔融的NaCl或CaCl2的目的：降低盐的熔点。

不用电解氯化钾熔液制备金属钾的主要原因：（1）电解产物钾在电解质熔液中溶解度较大，如800℃在熔融氯化钾中钾的溶解浓度高达7．6％（mol），溶解的钾将和阳极产物氯化合；（2）浮在电解质熔液表层的（产物）钾是易挥发的活泼金属，将与空气中氧反应
15.什么是等离子体超高温合成？它主要有哪些方面的用途？
等离子体激光、聚焦等作用可以产生极高的温度用来进行超高温合成。

主要用途：
①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料和简化工艺过程。

离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染；
②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。

用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量；
③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金，特点是焊缝平整、可以再加工、没有氧化物杂质、焊接速度快，用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。

16.描画区域熔融提纯装置并说明其原理。

为什么高温下的区域熔融是单晶生长的一种主要方法？它有哪几种装置？
高温下的单晶生长也称熔体生长。

区域熔融法是用于提纯材料的:熔区限制在一段狭窄围，随着熔区由始端（经常加籽晶）沿料锭向另一端缓慢移动，晶体生长过程也逐渐完成。

水平区域熔融法垂直或悬浮区域熔融法
17.写出用氢气还原WO3的各步方程式。

18.什么是自蔓延高温合成？该法有什么特点？其关键技术是什么？
自蔓延高温合成材料制备是指利用原料本身的热能来制备材料.
特点：①能量利用充分；
②产品纯度高，因为SHS能产生1500~4000℃高温，使大量杂质蒸发而除去；
③产量高,因为反应传播速度可达0.1~15cm·s-1，大大高于常规合成方法；
关键：引燃（需要高能量）。

常用的引燃技术有以下几种：
燃烧波点火：用钨丝或镍铬合金线圈作为点火剂点燃。

辐射流点火：用氖灯等作为辐射源，采用辐射脉冲的方式点火。

激光点火法、火花点火、电热爆炸、微波能点火、化学(自燃式)点火，及线性加热等。

19.从物理化学原理说明高温高压合成的机理。

高温高压合成指在高压（经常还有高温）下合成常态时不能生成或难于生成的物质的过程。

一个单元系或二元系物质，在常压下可能只有几个稳定的相，但在高压下大部分可变为成分相同的高压相或新成分的高压相；二元系的两相区也能形成新的高压化合物。

高温高压可以有效的改变物质原子间距和原子壳层状态，因此可以采用高温高压合成物质。

20.为什么高压合成时常常要辅以高温？
因为单单的高压合成就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生不同物质间的化合，而得到新物相、新化合物或新材料。

但是，当施加的外高压卸掉之后，大多数物质的结构和行为会产生可逆变化，又失去高压状态的结构和性质。

因此，通常的高压合采用高压和高温两种条件交加，目的是寻求经卸压降温以后的高压高温合成产物能够在常压常温下保持其高压高温状态时的特殊结构和性能。

21.简述高压产生的方法。

①静压法：指利用外界机械加载压力的方式，通过缓慢逐渐施加负荷，挤压所研究的物体或试样，当其体积缩小时，就在物体或试样部产生高压强。

②动高压：利用爆炸(核爆炸、火药爆炸等)、强放电等产生的冲击波，在μs~ps的瞬间以很高的速度作用到物体上，使物体部压力达到几十GPa以上，甚至几千GPa，同时伴随着骤然升温。

23.为什么说金刚石薄膜的出现使金刚石的应用突破了它只能作为切削工具的藩篱？
金刚石薄膜在密度和硬度上稍逊于金刚石颗粒，但其耐磨性是数一数二的，仅5μm的薄膜，其寿命比硬质合金钢长10倍以上。

如果在塑料、玻璃的外面用金刚石薄膜作耐磨涂层，可以大大扩展其用途，开发性能优越又经济的产品。

更重要的是，薄膜的出现使金刚石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱，使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。

24.高压高温合成在制备复合双金属氧化物方面有什么重要应用？为什么不常直接使用氧化物作起始物？
广泛地应用在催化剂、吸附剂、瓷颜料、固体燃料电池及化学机械抛光等领域。

高压腔的高温高压反应条件不仅可使常压高温下难以合成的双稀土氧化物容易得到，还能得到后者条件下未能合成的、自然界尚未发现的新物质，如EuTbO3、PrTbO3、PrTmO3等。

25.什么是超导体？超导体具有什么突出的性质？哪些元素是超导元素？
超导体：可以在特定温度下,呈现电阻为零的导体。

两个突出的性质：一是临界温度以下的电阻为零；
二是显示Meissner效应。

（完全抗磁性）：超导体一且进入超导态，体磁通量将全部被排除出体外，
磁感应强度恒等于0
超导元素：铁磁性金属Fe、Co和N不显示超导性，碱金属和钱币金属Cu、Ag和Au也没有超导性。

Be, Ti, Zn, Cd, Hg, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Al,Ga, In, Tl, Sn, Pb, La, Th, Pa, Am
第三章水热-溶剂热合成/ 无水无氧合成/电解合成与应用
1.什么是水热-溶剂热合成？该法有什么特点？有无不足？
水热-溶剂热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。

特点：
⑴水热-溶剂热条件下，由于反应物处于临界状态，反应活性会有大大提高，有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应；
⑵在水热-溶剂热条件下中间态、介稳态及特殊物相易于生成，可用于特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物；
⑶能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在此条件下晶化生成；
⑷有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度；
⑸易于反应的环境气氛，有利于低价态、中间价态与特殊价态化台物的生成，并能均匀地进行掺杂。

不足：
⑴由于反应在密闭容器中进行，无法观察生长过程，不直观，难以说明反应机理；
⑵设备要求高(耐高温高压的钢材，耐腐蚀的衬)、技术难度大(温压控制严格)、成本高；
⑶安全性能差(我国已有实验室发生“炮弹”冲透楼顶的事故)。

2.水热-溶剂热合有哪些反应类型？
⑴合成反应
⑵热处理反应
⑶转晶反应
⑷离子交换反应
⑸单晶培育⑹脱水反应
⑺分解反应
(8)提取反应
⑼沉淀反应
(10)氧化反应
⑾晶化反应
⑿烧结反应
⒀反应烧结
⒁水热热压反应
3.水热-溶剂热合成的机理可从哪些方面说明（包括理论或实验）？
在水热-溶剂热合成体系中,已开发出多种新的合成路线与新的合成方法,如直接法、籽晶法、导向剂法、模板剂法、有机溶剂法、微波法以及高温高压合成等技术。

4.为什么美国《化学与工程新闻》将亚栋、钱逸泰在700℃下将CCl4和金属Na发生类似Wurtz反应制成金刚
石的工作评价为“稻草变黄金”？
反应物价格比较低，得到的产物价格比较贵
5.影响水热-溶剂热合成的因素有哪些？影响因素：
①压强－温度：高温高压下水的蒸气压变高、离子积变高、密度、黏度和表面力都变低，使水热反应具有重要离子间的反应加速、水解反应加剧、有氧化还原反应的电势发生明显变化三个特征。

一般的反应都会从离子反应变为自由基反应，也使具有极性键的有机化合物常具有某种程度的离子性，自然能诱发离子反应或促进反应。

②填充度：在工作条件下，压强大小依赖于反应容器中的原始溶剂的填充度。

③合成溶剂性质的改变：水热反应中，溶剂会使反应物溶解或部分溶解，生成溶剂合物，影响化学反应速率。

6.水热-溶剂热合成有哪些具体应用？
（1）微孔材料的水热－溶剂热合成：①沸石与分子筛的骨架结构；②几种典型沸石分子筛的合成（A型沸石(LTA) Na12[(AlO2)12(SiO2)12] ·27H2O的合成、Y型沸石(FAU) Na56[(AlO2)56(SiO2)136]·250 H2O的合成、ZSM-5(MFI)的合成）；
③空心纳米笼及纳米管制备研究取得新进展；
（2）纳米粉料的水热－溶剂热合成：①纳米氧化物的水热合成；②瓷纳米材料的水热合成；③溶胶－水热合成纳米粉料；④有机溶剂热合成纳米粉料；⑤特殊结构材料的水热－溶剂热合成；无机－有机复合材料的水热－溶剂热合成
7. 在水热-溶剂热合成分子筛等微孔材料中，往往加入矿化剂、有机模板剂、孔道填充剂、缓冲剂、金属离子或有机阳离子，各自作用是什么？
在水热-溶剂热合成分子筛过程中，常常加入一些添加剂，如矿化剂(主要是OH-、F-)，用于增加硅酸盐、铝酸盐的溶解度；加入有机模板剂或结构导向剂，用于控制孔道的大小、形状；加入孔道填充剂，用于提高骨架的热力学稳定性；加入缓冲剂及修饰剂，用于控制反应过程的pH；加入金属离子或有机阳离子，用于平衡骨架电荷、调整骨架电荷密度等。

8. 什么是“空气敏感化合物”？无水无氧操作主要应用在哪些方面？
由于许多化合物对于空气中的O2、湿气（水蒸气）和CO2敏感，易与其反应，因此将这些化合物称为“空气敏感化合物”（air-sensitive compounds）
应用方面：大多数使用该操作手段的是制备金属有机化合物(organometallic compounds),它们是指至少含有一个碳-金属（C-M）键的化合物。

9. 无水无氧操作有哪几种具体技术？相比各有什么特点？
⑴Schlenk 装置：能抽除空气和引入惰性气体的玻璃装置。

⑵惰性气氛技术
⑶化学真空线
很小：约1mg; 小:100 mg左右；中：数克；大：数百克；很大：数千克
10.何谓电解合成？无机化合物的电解合成有哪些其他合成方法所不及的优点？
电解合成指通过电氧化或电还原过程，在水溶液、熔盐和非水溶液中的合成。

优点：①在电解中能提供高电子转移的功能，可以使之达到一般化学试剂所不具有的氧化还原能力；
②合成反应体系及其产物不会被还原剂(或氧化剂)及其相应的氧化产物(或还原产物)所污染；
③由于能方便地控制电极电势和电极的材质，因而可选择性地进行氧化或还原，从而制备出许多特定价态的化合物；
④由于电氧化还原过程的持殊性，因而能制备出其他方法不能制备的许多物质和聚集态。

11.有哪些电解条件影响理想的电解合成？
例如，电流效率和能量效率，电流-电压曲线，氢和氧的超电压，电极材料的影响，电极电势的影响，浓度的影响，温度的影响以及金属的电沉积等。

12.电解合成技术有哪些广泛应用？
⑴获得高纯金属
⑵新工艺合成碘酸钙的研究
⑶电化学合成无机纳米材料⑷特殊价态化合物合成
⑸熔盐体系的电化学无机合成
⑹非水溶剂中无机化合物的电解合成
13.为何F2的电化学合成中要加入KF?
增加导电性，吸收HF。

14.非水体系的电化学无机合成与水体系的电化学无机合成相比有什么特点？
第四章等离子体合成/化学气相沉积合成/溶胶-凝胶法合成与应用
1. 什么是等离子体？它有什么特点？有几种获得方法？高温、低温等离子体如何区分？
等离子体(plasma)：是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，是物质存在的第四态。

特点：
①具有正、负离子，可作为中间反应介质，特别是处于激发状态的高能离子或原子，可促使很多化学反应发生；
②由于任何气态物质均能形成等离子体,因此很容易调整反应系统气氛,通过对等离子介质的选择可获得氧化气氛、还原气氛或中性气氛；
③本身是一种良导体，能利用磁场控制等离子体的分布和运动，有利于化工过程的控制；
④热等离子体提供了一个能量集中、温度很高的反应环境，温度为104~105℃的热等离子体是目前地球上温度最高的可用热源，不仅可以用来大幅度地提高反应速率，而且可借以产生常温条件下不可能发生的化学反应。

获得方法：
①气体放电法
②光电离法和激光辐射电离
③射线辐照法④燃烧法
⑤冲击波法
⑥微波诱导法
区分：在高温等离子体中，电子温度、离子温度及气体的温度完全一致，而低温等离子体不一致。

2. 等离子合成技术有哪些的广泛应用？
（1）等离子治炼；（2）等离子喷涂；（3）等离了焊接；（4）等离子切割；
（5）等离子刻蚀；
（6）低温等离子应用如清洁；
（7）等离子体军事及高技术应用如推进器；
（8）等离子体制备特殊材料，进行喷涂，合成纳米材料，瓷材料，有机物合成；
（9）等离子体在催化合成方面的应用，制氢臭氧，制革纺织及生物医用材料的应用。

3. 查阅网页论述化学气相沉积技术的发展。

①我国古代的炼丹术可能是最早无意识地应用了该技术。

②20世纪50年代, 由于当时欧洲的机械工业和机械加工业的强大需求, 现代CVD技术开始发展,主要着重于刀具涂层的应用。

③20世纪60~70年代,由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。