Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI NÓI ĐẦU2PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CHẤT RẮN3I PHÂN LOẠI CHẤT RẮN31 Chất rắn kết tinh3a Các đặc tính của chất rắn kết tinh4b Ứng dụng của chất rắn kết tinh52 Chất rắn vô định hình5a Các đặc tính của chất rắn vô định hình5b Ứng dụng của chất rắn vô định hình6II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG PHA RẮN71 Diện tích tiếp xúc82 Tốc độ khuếch tán83 Tốc độ tạo mầm của pha rắn tạo thành9PHẦN II: TỔNG HỢP VẬT LIỆU RẮN11I Phương pháp truyền thống11II Phương pháp precursor13III Phương pháp nóng chảy muối14IV Phương pháp trao đổi pha rắn15V Phương pháp thủy nhiệt15VI Phương pháp sol gel16VII Phương pháp hóa học mềm18VIII Phương pháp chèn ion vào cấu trúc có sẵn19IX Phương pháp đề hydrat hóa19X Phương pháp CVT20XI Phương pháp lắng đọng hơi hóa học VCD20XII Phương pháp nuôi đơn tinh thể21PHẦN III: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN23TÀI LIỆU THAM KHẢO24
HÓA HỌC CHẤT RẮN MỤC LỤC Chất rắn trạng thái tồn vật chất phần tử cấu tạo (phân tử, nguyên tử, ion) tập hợp trạng thái bền vững Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng kích thước định, không bị biến đổi theo hình dạng bình chưa chất lỏng khí Nếu phần tử cấu tạo chất rắn (nguyên tử, ion) phân bố đối xứng, tuần hoàn, ta nói chất rắn có cấu trúc tinh thể Nếu phần tử cấu tạo phân bố không theo trật tự nào, ta nói chất rắn có cấu trúc vô định hình Ranh giới phân biệt trạng thái tập hợp rắn – lỏng, chất rắn vô định hình không rõ ràng Hiện nay, phổ biến dùng khác niệm độ nhớt Theo đó, chất rắn chất có độ nhớt động học lớn 10 12 Pa.s Nghiên cứu chất rắn gắn liền với nghiên cứu vật liệu Vật liệu hiểu chất rắn có hình dạng kích thước định, với nhứng tính chất phù hợp với mục đích sử dụng Nghiên cứu vật liệu bao gồm hai phần khoa học vật liệu khoa học công nghệ vật liệu Khoa học vật liệu gồm vật lý chất rắn hóa học chất rắn Vật lý chất rắn nghiên cứu khái niệm cấu trúc chất rắn giải thích tính chất vật lý vật liệu (tính chất cơ, nhiệt, điện, quang, từ, tính chất quang điện từ, áp điện…) Về mặt vật lý, chất rắn xét theo cấu trúc electron, cấu trúc phân tử, cấu hình tham số hình học…của phần từ cấu tạo nên Khoa học công nghệ vật liệu nghiên cứu trình thiết bị sản xuất vật liệu với hiệu cao kinh tế kĩ thuật Vật liệu sản phẩm công nghệ có hình dạng, kích thước tính chất ứng dụng cần thiết Phân loại công nghệ theo trình chung chuẩn bị nguyên liệu, tạo hình, biến đổi chất Phổ biến phân loại công nghệ dựa nguyên tắc nhóm thành phần, cấu trúc tính chất vật liệu HÓA HỌC CHẤT RẮN PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CHẤT RẮN I PHÂN LOẠI CHẤT RẮN Trạng thái rắn ba trạng thái thường gặp chất, có đặc điểm tính chất phản kháng lại thay đổi hình dạng Các chất trạng thái rắn gọi chất rắn Các vật cấu tạo từ chất rắn (vật rắn) có hình dạng ổn định Ở mức độ vi mô, chất rắn có đặc tính: - Các phân tử hay nguyên tử nằm sát - Chúng có vị trí trung bình tương đối cố định không gian so với nhau, tạo nên tính chất giữ nguyên hình dáng vật rắn Nếu có lực đủ lớn tác dụng tính chất bị phá hủy vật rắn biến dạng Các phân tử hay nguyên tử vật rắn có dao động nhiệt quanh vị trí cân Khi nhiệt độ tăng cao, dao động mạnh phá hủy tính chất chất rắn chuyển pha sang trạng thái lỏng Tùy theo mục đích yêu cầu khác mà có cách phân chia thích hợp người ta có nhiều cách chia vật liệu thành nhóm khác Ở ta chia theo chất rắn kết tinh chất rắn vô định hình Chất rắn kết tinh * Chất rắn có cấu trúc tinh thể gọi chất rắn kết tinh - Cấu trúc tinh thể: Tinh thể cấu tạo từ vi hạt (nguyên tử, phân tử, ion) liên kết chặt chẽ với xếp theo trật tự tuần hoàn không gian Mỗi vi hạt dao động nhiệt quanh vị trí cân HÓA HỌC CHẤT RẮN Hình 1: Ảnh chụp tinh thể muối ăn (NaCl) qua kính hiển vi Hình 2: Cấu trúc tinh thể muối - Chất rắn tinh thể có cấu trúc tinh thể có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định + Đơn tinh thể: Có tính định hướng, thích hợp để xác định cấu trúc tính chất + Đa tinh thể: Có tính đẳng hướng, sử dụng để định dạng khó quan sát đơn tinh thể, ưu tiên cho sản xuất công nghiệp số ứng dụng cụ thể a Các đặc tính chất rắn kết tinh - Các chất rắn kết tinh cấu tạo từ loại hạt, cấu trúc tinh thể không giống tính chất vật lí chúng khác Ví dụ: kim cương than chì cấu lạo từ nguyên tử cacbon, chúng có cấu trúc tinh thể không giống nên chúng có tính chất khác HÓA HỌC CHẤT RẮN nhau: kim cương cứng không dẫn điện; than chì mềm, dễ tách lớp dẫn điện, - Mỗi chất rắn kết tinh ứng với cấu trúc tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định không đổi áp suất cho trước Ví dụ: áp suất khí quyển, nước đá nóng chảy 0o C, thiếc nóng chảy 232oC, sắt nóng chảy 1520oC, - Vật rắn đơn tinh thể vật cấu tạo từ tinh thể nhiều tinh thể nhỏ liên kết theo trật tự xác định Hạt muối, miếng thạch anh, viên kim cương, vật rắn đơn tinh thể Vật rắn đa tinh thể vật cấu tạo từ nhiều tinh thể nhỏ liên kết hỗn độn Hầu hết kim loại (sắt, nhôm, đồng, ) vật rắn đa tinh thể Các vật rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, tức tính chất vật lí chúng (độ bền, độ nở dài, độ dẫn nhiệt, ) thay đổi theo hướng khác Còn vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, tức tính chất vật lí chúng theo hướng giống - Trong tinh thể thực thường có khuyết tật (tức sai hỏng so với cấu trúc lí tưởng) nên tính chất vật rắn tinh thể bị thay đổi nhiều Ví dụ: Độ bền kim loại giảm hàng nghìn lần mạng tinh thể có sai hỏng Độ dẫn diện gecmani (Ge) silic (Si) thay đổi hàng nghìn lần cho thêm khoảng 0,1% tạp chất vào mạng tinh thể chúng b Ứng dụng chất rắn kết tinh - Kim cương rắn nên dùng làm mũi khoan địa chất, dao cắt kính, Các đơn tinh thể silic (Si) gemani (Ge) dùng làm linh kiện bán dẫn (điôt, transito), mạch vi điện tử, nhớ máy tính, Kim cương tự nhiên làm đồ trang sức, kim cương nhân tạo thường dùng làm mũi khoan, dao cát kính - Các kim loại hợp kim dùng phổ biến ngành công nghệ khác luyện kim chế tạo máy, kĩ thuật xây dựng, cầu đường, đóng tàu, sản xuất đồ gia dụng, Chất rắn vô định hình a Các đặc tính chất rắn vô định hình Chất rắn vô định hình chất cấu trúc tinh thể dạng hình học xác định Ví dụ: thuỷ tinh, nhựa dường, chất dẻo, vật rắn vô định hình HÓA HỌC CHẤT RẮN Các chất rắn vô định hình có tính đẳng hướng nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định Khi bị nung nóng, chúng mềm dần chuyển sang thể lỏng Một số vật rắn lưu huỳnh (S), thạch anh, đường vừa tinh thể, vừa vô định hình Ví dụ: đổ lưu huỳnh tinh thể nóng chảy (ở 350 oC) vào nước lạnh bị nguội nhanh nên lưu huỳnh không đông đặc dạng tinh thể mà chuyển thành lưu huỳnh dẻo vô định hình b Ứng dụng chất rắn vô định hình Các vật rắn vô định hình dùng phổ biến nhiều ngành công nghệ khác Thuỷ tinh dùng làm dụng cụ quang học (gương, lăng kính, thấu kính ), sản phẩm thuỷ tinh mĩ nghệ gia dụng, Hiện nay, nhiều vật rắn vô định hình có cấu tạo từ chất polime hay cao phân tử (ví dụ: loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su, ), có nhiều đặc tính quý (dễ tạo hình, không bị gỉ bị án mòn, giá thành rẻ, ), nên chúng dùng thay số lượng lớn kim loại (nhôm, sắt ) để làm đồ gia dụng, lợp nhà, ống dẫn nước, thùng chứa, chi tiết máy, xuồng cứu hộ, nhà mái vòm, Hình 3: Những hạt đường mía HÓA HỌC CHẤT RẮN Hình 4: Chất dẻo II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG PHA RẮN Điều quan trọng cần phải nói phản ứng tổng hợp pha rắn khác hẳn với phản ứng thông thường hóa học Phản ứng hóa học thông thường ý nói đến phải ứng tổng hợp hữu cơ, phản ứng tạo phức, oxy hóa khử pha lỏng hay pha khí Đặc điểm bật phản ứng pha rắn phản ứng dị pha, phản ứng xảy bề mặt tiếp xúc pha Vì vậy, động học phản ứng pha rắn động học trình khuyếch tán Động học trình khuyếch tán định luật khuyếch tán Fick sau: J = -D(dc/dx) • J = Dòng khuyếch tán (#/cm2-s) • D = Hệ số khuếch tán (cm2/s) • (dc/dx) = Gradient (số gia) nồng độ (#/cm4) Khoảng cách trung bình mà chất khuyếch tán thời gian t ,, tính sau: = Sqrt (2Dt) Hệ số khuyếch tán tăng nhanh theo nhiệt độ, tăng nhanh nhiệt độ tăng đến gần nhiệt độ nóng chảy pha rắn tham gia phản ứng Trong phản ứng pha rắn, có quy tắc sau gọi quy tắc Tamman: HÓA HỌC CHẤT RẮN Phản ứng pha rắn xảy đáng kể nhiệt độ phản ứng đạt đến khoảng 2/3 nhiệt độ nóng chảy thấp pha rắn tham gia phản ứng Vận tốc phản ứng pha rắn liên quan chặt chẽ đến ba yếu tố sau: - Diện tích tiếp xúc - Tốc độ khuếch tán - Tốc độ tạo mầm pha hệ rắn tạo thành Diện tích tiếp xúc Có hai chi tiết cần nói rõ yếu tố - Diện tích tiếp xúc đòi hỏi chất trạng thái mịn (kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn) mà phải có xác suất tiếp xúc pha rắn lớn Điều đòi hỏi trộn lẫn pha tốt - Sự trộn lẫn diện tích yếu tố cần chưa đủ Sẽ vô nghĩa hạt tiếp xúc với tiếp xúc không đủ chặt khuyếch tán pha xảy Để có tiếp xúc có trình khuyếch tán pha xảy ra, đòi hỏi phải có nén ép pha lại với phản ứng pha rắn, trình gọi tạo viên * Tăng diện tích tiếp xúc: - Diện tích bề mặt tiếp xúc chất phản ứng ảnh hưởng định đến khả phản ứng đến chất phản ứng - Bằng cách sử dụng chất phản ứng ban đầu có diện tích bề mặt lớn, kích thước hạt nhỏ để phát huy tối đa tiếp xúc chất phản ứng - Nén lại để gia tăng tiếp xúc tinh thể Tốc độ khuếch tán Có hai chi tiết: - Nhiệt độ: Quy tắc Tamman - Sai khuyết tinh thể: Sai khuyết tinh thể chế động học khuyếch tán phản ứng pha rắn Thông thường, chất rắn sinh có nồng HÓA HỌC CHẤT RẮN độ sai khuyết tinh thể lớn Chính mà tổng hợp pha rắn người ta hay dùng muối carbonat hay nitrat để làm tác chất ban đầu * Tăng tốc độ khuếch tán: - Tăng nhiệt độ - Cho thêm tác nhân phân hủy trước phản ứng, cacbonat nitơrat - Khuấy trộn Tốc độ tạo mầm pha rắn tạo thành Tốc độ lớn có tương đồng cấu trúc tinh thể pha rắn tham gia phản ứng * Tăng tốc độ tạo mầm sản phẩm Tối đa hóa tỷ lệ mầm sản phẩm tác nhân có cấu trúc tinh thể tương tự với sản phẩm (phản ứng topotactic eoictactic) Phản ứng topotactic yêu cầu giống cấu trúc toàn khối Phản ứng epitactic yêu cầu có giống cấu trúc lớp tiếp xúc chất phản ứng sản phẩm Mối quan hệ cấu trúc pha, topotaxy khối, epitaxy bề mặt tiếp xúc, epitaxy cần bề mặt tiếp xúc có cấu trúc tương tự Tuy nhiên bên cạnh yếu tố giống cấu trúc, để xảy định hướng tạo mầm sản phẩm cách thuân lợi kích thước tế bào mạng khoảng cách nguyên tử phải gần giống (chênh lệch 15%) Phản ứng topotactic diễn khối vật liệu với cấu trúc 1D, 2D hay 3D, tương ứng với TiS3, MoO3, WO3 Phản ứng epitactic diễn mặt tiếp xúc, vốn có cấu trúc 2D Phản ứng epitactic yêu cầu cấu trúc tương tự cấu trúc 2D Tỷ lệ mạng lưới phù hợp > 15% cho phép mầm sản phẩm định hướng phát triển Nếu tỷ lệ không phù hợp diện tích lớn, gây căng bề mặt tiếp xúc, thiếu nguyên tử, đối xứng HÓA HỌC CHẤT RẮN Khi bề mặt tiếp xúc bị căng, nguyên tử nhẹ thay vị trí cân mạng lưới, làm lượng bị biến dạng đối xứng, khiến liên kết lỏng lẻo, tích điện cục bộ, gây ảnh hưởng đến kết HÓA HỌC CHẤT RẮN PHẦN II: TỔNG HỢP VẬT LIỆU RẮN I Phương pháp truyền thống Trộn hỗn hợp nóng chảy hay nhiều chất rắn để tạo thành sản phẩm pha rắn Không giống trộn dung dịch hay khí, hạn chế phương pháp khó khuấy trộn Định luật Tamman: nhiều phản ứng diễn đáng kể nhiệt độ đạt đến 2/3 nhiệt độ nóng chảy thấp chất tham gia phản ứng *Quy trình tổng hợp: Bước 1: Chọn vật liệu ban đầu phù hợp - Vật liệu dạng bột, hạt nhỏ để tối đa hóa diện tích bề mặt - Có khả phản ứng tốt - Có thành phần cấu tạo rõ ràng Bước 2: Cân đo vật liệu ban đầu Bước 3: Trộn nguyên liệu ban đầu lại với - Dùng cối chày mã não (dung môi hữu tùy chọn) - Máy nghiền kiểu bi Bước 4: Cho vào khuôn Bước 5: Chọn bình chứa mẫu: khả phản ứng, độ bền, giá cả, độ dẻo quan trọng - Ceramic chịu lửa, Al2O3 1950oC $30/20ml, ZrO2/Y2O3 2000oC $94/10ml - Kim loại quý, Pt 1770oC $500/10ml, Au 1063oC $340/10ml - Ống kín, SiO2 – Quartz, Au, Ag, Pt Bước 6: Nung - Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến bay nung 10 HÓA HỌC CHẤT RẮN - Việc hạ nhiệt quan trọng để ngăn ngừa rò rỉ bay - Điều kiện không khí + Các oxit (trong điều kiện oxy hóa) – Không khí, oxy, nhiệt độ thấp + Các oxit (điều kiện khử) – H2/Ar, CO/CO2 , nhiệt độ cao + Các nitrit – NH3 khí trơ (N2, Ar ) + Các sulfit – H2S, phản ứng ống kín, lò chân không Bước 7: Nghiền sản phẩm phân tích (đo X-ray) Bước 8: Nếu không thành công, quay lại bước * Ví dụ tổng hợp Sr2Cr2TaO6 Bước 1: Các chất phản ứng ban đầu dùng - Sr: kim loai, dễ oxi hóa - SrO - Sr(NO3)2 - SrCrO3 : dễ phân hủy thành SrO 1370oC - Kim loại Ta - Ta2O5 - Kim loại Cr: dễ bị oxi hóa - Cr2O3 - Cr(NO3)3.nH2O Mục đích: để thu 5.04g 2Sr2CrTaO6 có phân tử khối 504.2 g/mol, tương ứng với 0.01 mol Phản ứng sau: 4SrCO3 + Ta2O5 + Cr2O3 = 2Sr2CrTaO6 + CO2 Nguyên liệu cần sau: SrCO3: 2.9526 g (0.02 mol) 11 HÓA HỌC CHẤT RẮN Ta2O5: 2.2095 g (0.005 mol) Cr2O3: 0.7600 g (0.005 mol) Áp dụng định luật Tamman vào chất phản ứng: SrCO3 ⇒ SrO 1370°C (1643oK) SrO mp = 2700oK ⇒ 2/3 mp = 1527°C Ta2O5mp = 2070oK ⇒ 2/3 mp = 1107°C Cr2O3mp = 2710oK ⇒ 2/3 mp = 1532°C Mặc dù theo lý thuyết, phản ứng xảy nhiệt độ 1107 oC, thực tế có lượng Cr 2O3 không phản ứng Do đó, để phản ứng diễn hoàn toàn, nhiệt độ thường lên đến 1500 – 1600 oC II Phương pháp precursor Nguyên lý: giảm khoảng cách phân tán thông qua việc trộn cation Ưu điểm: nhiệt độ phản ứng thấp, ổn định pha siêu bền, loại bỏ tạp chất giai đoạn trung gian, tạo sản phẩm với độ tinh thể nhỏ/diện tích bề mặt lớn Khuyết điểm: khó xử lý chất tham gia, khó điều khiển lượng xác, nhiều tìm chất tham gia phù hợp (ví dụ ion Ta 5+ Nb5+ bị thủy phân kết tủa nước) * Phương pháp precursor phân tử Phương pháp precursor nguyên tử - Phương pháp precursor phân tử Phương pháp đồng kết tủa - Phương pháp precursor nguyên tử Tổng hợp phức đa nhân điều chế dung dịch rắn dạng muối đồng hình * Quy trình thực hiện: Bước 1: Trộn chất tham gia với dung dịch 12 HÓA HỌC CHẤT RẮN Bước 2: Loại bỏ dung môi, phần lại dạng vô định hình hỗn hợp nano tinh thể cation hay nhiều anion như: axetat, citrat, hydroxit, oxalat, alkoxit Bước 3: Nung sản phẩm gel hay bột nghiền để tạo sản phẩm theo mong muốn * Ví dụ tổng hợp đồng kết tủa ZnFe2O Trộn oxalat kẽm sắt với nước theo tỷ lệ 1:1 Nung cho nước bay hết, lượng nước giảm dần, hỗn hợp Zn/Fe oxalat (có thể ngậm nước) kết tủa Fe2((COO)2)3 + Zn(COO)2 = Fe2Zn((COO)2)5.xH2O Khi gần hết nước, kết tủa lọc nung 1000 oC: Fe2Zn((COO)2)5 = ZnFe2O4 + 4CO + 4CO2 Phương pháp dễ dàng hiệu * Không thích hợp khi: - Chất tham gia có độ tan nước ít, tỷ lệ kết tủa chất phản ứng khác biệt rõ rệt - Tỷ lệ cân hóa học xác khó trì III Phương pháp nóng chảy muối Hòa tan chất phản ứng → tăng cường khuếch tan → giảm nhiệt độ phản ứng Tổng hợp dung môi phương pháp chất hữu hữu kim loại Phương pháp không sử dụng rộng rãi để tổng hợp chất rắn, nhiều chất rắn vô không tan nước dung môi hữu Tuy nhiên, muối nóng chảy trở thành dung môi tốt cho nhiều chất rắn ion – cộng hóa trị Sau làm lạnh chậm hỗn hợp nóng chảy tinh thể phát triển, nhiên hỗn hợp tan nước sản phẩm lại không tan, hạt tạo theo phương pháp này, tách khỏi hỗn hợp nóng chả cách rửa với nước Việc tổng hợp thực nhiệt độ cho lúc hỗn hợp chất lỏng Do kết hợp ion muối nóng chảy thành sản phẩm nên chất tham gia cần độ tinh khiết phù hợp Có thể khắc phục cách sử dụng muối có chứa 13 HÓA HỌC CHẤT RẮN cation và/hoặc anion muốn có mặt sản phẩm (tổng hợp Sr 2AlTaO6 SrCl2 nóng chảy), sử dụng muối chứa ion có kích thước khác biệt lớn với ion sản phẩm mong muốn (tổng hợp PbZrO3 Pb2O3) * Ví dụ tổng hợp Sr2AlTaO6: 4SrCO3 + Al2O3+ Ta2O5 = Sr2AlTaO6(SrCl2 nóng chảy , 900°C) Sản phẩm dạng bột nghiền nhỏ, rửa SrCl2 nước) Quá trình tổng hợp yêu cầu nhiệt độ 1400 oC Tạp chất Sr2Ta2O7 tồn kể nhiệt độ phản ứng 1600oC IV Phương pháp trao đổi pha rắn Mô hình phản ứng: AX + BY AY + BX Phản ứng trao đổi muối đơn liên quan đến việc trao đổi anion, có xảy phản ứng oxy hóa khử Nếu bắt đầu vật liệu phù hợp, phản ứng tỏa nhiệt xảy * Ví dụ: MoCl5+ 5/2 Na2S = MoS2 + 5NaCl + ½S Entanpy phản ứng ΔH = -213 kcal/mol V Phương pháp thủy nhiệt Phương pháp thủy nhiệt dùng hòa tan nước chất tham gia phản ứng nhiệt độ cao (hơn 100 oC) áp suất cao (lớn 1atm) hệ kín Đầu tiên, bình thủy nhiệt bao gồm nước tiền chất rắn Khi nhiệt độ tăng, tiền chất liên tục bị hòa tan, khiến cho nồng độ chúng hỗn hợp lòng ngày tăng lên phản ứng hóa học xảy dễ dàng Các phần tử cấu thành nên dung dịch giai đoạn có kích thước nhỏ tiền chất ban đầu Sau hạ nhiệt độ xảy phản ứng ngưng tụ tạo thành chất Sự tạo thành chất phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ chất phản ứng, lượng nước dùng, tiền chất, nhiệt độ, áp suất… 14 HÓA HỌC CHẤT RẮN Phương pháp có đặc điểm kết tủa đồng thời hidroxit kim loại điều kiện nhiệt độ áp suất cao, cho phép khuếch tán chất tham gia phản ứng tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc chất phản ứng điều chế nhiều vật liệu mong muốn * Ưu điểm nhược điểm phương pháp thủy nhiệt: - Ưu điểm: Thao tác đơn giản Có khả điều khiển kích thước hạt nhiệt độ thủy nhiệt Có khả điều khiển hình dạng hạt cách sử dụng tiền chất khác Thu sản phẩm chất lượng cao, tinh khiết từ vật liệu không tinh khiết ban đầu, trình sử dụng phân tử tiền chất khối vật liệu lớn Có thể dùng nguyên vật liệu rẻ tiền để tạo sản phẩm có giá trị Có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác - Nhược điểm: Tạp tạp chất không mong muốn Một số chất hòa tan nước, dùng phản ứng thủy nhiệt Đây phương pháp có nhiều ưu điểm, tổng hợp vật liệu có kích thước hạt nanomet, nhiên phương pháp yêu cầu thiết bị tiến hành phản ứng tương đối phức tạp Phương pháp thường sử dụng để tổng hợp zeolit 6CaO + 6SiO2 = Ca6Si6O17(OH)2 (150-350°C) VI Phương pháp sol - gel Phương pháp sol - gel kỹ thuật tồng hợp hóa keo để tạo vật liệu có hình dạng mong muốn nhiệt độ thấp Nó hình thành sở phản ứng thủy phân phản ứng ngưng tụ từ chất gốc (alkoxidc precursors) Công nghệ sol-gel công nghệ cho phép ta trộn lẫn chất quy mô nguyên tử hạt keo để tồng hợp vật liệu có độ tính đồng cao Quá trình xảy dung dịch lỏng tiền chất oxyt muối kim loại thông qua phản ứng thủy phân ngưng tụ, dẫn đến việc hình thành pha - Sol 15 HÓA HỌC CHẤT RẮN Gel hệ phân tán dị thể, hạt pha rắn tạo thành khung chiều, pha lỏng nằm khoảng trống khung chiều nói Bầng phương pháp sol-gel, tổng hợp oxyt siêu mịn (nhỏ 10 µm), có tinh đồng cao, bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao mà tổng hợp tinh thể cỡ nanomet, sản phẩm dạng màng mỏng, sợi * Ưu điểm nhược điểm phương pháp: - Ưu điểm: Có thể tạo màng phủ liên kết mỏng để mang đến dính chặt tốt vật liệu kim loại màng Có thể tạo màng dày cung cấp cho trình chống ăn mòn Có thể dễ dàng tạo hình vật liệu có hình dạne phức tạp Có thề sản suất sản phẩm có độ tinh khiết cao Khả thiêu kết nhiệt độ thấp, thường 200 - 600 độ Có thể điều khiển cấu trúc vật liệu Tạo hợp chất với độ pha tạp lớn Độ khuếch tán đồng cao Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ Làm việc nhiệt độ thấp hiệu quả, kinh tế, đơn gián để sàn xuất nhừng màng có chất lượng cao Ưu điềm trội cùa phương pháp sol-gel khả chế tạo vật liệu có cấu trúc đồng đều: vật liệu xốp, vật liệu microballoon - Nhược điểm: Sự liên kết màng yếu Có độ thẩm thấu cao Rất khó để điều khiển độ xốp Dễ bị dạn nứt trình nung sấy * Ví dụ tổng hợp ScMnO3 Bắt đầu cách hòa tan Sc2O3 MnCO3 riêng biệt, dung dịch nóng axit focmic để tạo thành muối focmat: Sc2O3 + 6HCOOH = 2Sc(HCOO)3 + 3H2O MnCO3 + 2HCOOH + 2H2O = Mn(HCOO)2.2H2O + H2CO3 16 HÓA HỌC CHẤT RẮN Thêm Sc(HCOO)3 Mn(COOH)2.2H2O để tan chảy citric axit monohydrat dẫn đến hình thành polyme (Sc, Mn) hydrat Khi nhiệt độ lên 180oC, nước chất hữu dư thừa loại bỏ Khi nhiệt độ lên 450oC, hình thành oxit vô định hình Khi nhiệt độ lên 690oC, hình thành tinh thể ScMnO3 Phản ứng trực tiếp focmat 700 oC tạo hỗn hợp oxit đôi 2Sc(HCOO)3 + 2Mn(COOH)2.2H2O = Sc2O3 + Mn2O3 + 5CO2 + 2H2O + H2 VII Phương pháp hóa học mềm Phương pháp Chimie Douce thực điều kiện vừa phải (thông thường T[...]... dụ thông dụng nhất của phương pháp CVT để làm lớn dần tinh thể oxit sắt từ dựa theo phản ứng: Fe3O4(r) + 8HCl → FeCl2(k) + FeCl3(k) + 4H2O(k) XI Phương pháp lắng đọng hơi hóa học VCD 18 HÓA HỌC CHẤT RẮN Lắng đọng hơi hóa học là một phương pháp mà nhờ đó vật liệu rắn được lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế được nung nóng Trong CVD, vật liệu rắn thu được là dạng... tồng hợp các vật liệu có độ sạch và tính đồng nhất cao Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxyt hoặc các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành một pha mới - đó là Sol 15 HÓA HỌC CHẤT RẮN Gel là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo thành khung 3 chiều, pha lỏng nằm ở khoảng trống của khung 3 chiều nói trên Bầng phương pháp. .. và các ion Ta 5+ và Nb5+ bị thủy phân ngay lập tức và kết tủa trong nước) * Phương pháp precursor phân tử và Phương pháp precursor nguyên tử - Phương pháp precursor phân tử Phương pháp đồng kết tủa - Phương pháp precursor nguyên tử Tổng hợp phức đa nhân hoặc điều chế dung dịch rắn dưới dạng các muối đồng hình * Quy trình thực hiện: Bước 1: Trộn các chất tham gia với nhau trong dung dịch 12 HÓA HỌC... như chất lỏng hoặc khí - Nếu các phần tử cấu tạo chất rắn (nguyên tử, ion) phân bố đối xứng, tuần hoàn, ta nói chất rắn có cấu trúc tinh thể - Nếu các phần tử cấu tạo phân bố không theo trật tự nào ta nói chất rắn có cấu trúc vô định hình - Tùy theo mục đích vật liệu, mục đích tính chất…mà ta dùng phương pháp tổng hợp phù hợp và các điều kiện phù hợp 22 HÓA HỌC CHẤT RẮN TÀI LIỆU THAM KHẢO - A.R West "Solid... phản ứng Tổng hợp trong dung môi là phương pháp các chất hữu cơ và hữu cơ kim loại Phương pháp này không được sử dụng rộng rãi để tổng hợp chất rắn, vì nhiều chất rắn vô cơ không tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ Tuy nhiên, muối nóng chảy có thể trở thành dung môi tốt cho nhiều chất rắn ion – cộng hóa trị Sau khi làm lạnh chậm hỗn hợp nóng chảy thì các tinh thể sẽ phát triển, tuy nhiên nếu hỗn hợp tan... trong nước và các sản phẩm lại không tan, thì các hạt có thể tạo ra theo phương pháp này, được tách ra khỏi hỗn hợp nóng chả bằng cách rửa với nước Việc tổng hợp được thực hiện ở nhiệt độ sao cho mọi lúc hỗn hợp đều là chất lỏng Do sự kết hợp của các ion muối nóng chảy thành sản phẩm nên chất tham gia cần độ tinh khiết phù hợp Có thể khắc phục bằng cách sử dụng muối có chứa 13 HÓA HỌC CHẤT RẮN cation... chế tạo các màng ứng dụng trong công nghệ vi điện tử như: màng cách điện, dẫn điện, lớp chống gỉ, chống oxi hóa và lớp epitaxy Chế tạo sợi quang chịu nhiệt, và có độ bền tốt sử dụng được với những vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ cao và chế tạo pin mặt trời, sợi composit nhiệt độ cao, các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao * Vật liệu khung hữu cơ – kim loại VCD (vật liệu cơ kim) Đại điện là vật liệu MOF:... tiền để tạo ra các sản phẩm có giá trị Có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau - Nhược điểm: Tạp ra các tạp chất không mong muốn Một số chất không thể hòa tan trong nước, do đó không thể dùng phản ứng thủy nhiệt Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm, tổng hợp được các vật liệu có kích thước hạt nanomet, tuy nhiên phương pháp này yêu cầu thiết bị tiến hành phản ứng tương đối phức tạp Phương pháp này thường... điểm của phương pháp thủy nhiệt: - Ưu điểm: Thao tác đơn giản Có khả năng điều khiển kích thước hạt bằng nhiệt độ thủy nhiệt Có khả năng điều khiển hình dạng các hạt bằng cách sử dụng các tiền chất khác nhau Thu được sản phẩm chất lượng cao, tinh khiết từ các vật liệu không tinh khiết ban đầu, quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải là các khối vật liệu lớn Có thể dùng nguyên vật liệu rẻ... nhóm phương pháp nuôi đơn tinh thể: - Kết tinh từ dung dịch nước hoặc dung dịch với dung môi không phải là nước; - Kết tinh từ pha lỏng nguyên chất của chất đó; - Kết tinh từ từ pha hơi 21 HÓA HỌC CHẤT RẮN PHẦN III: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN - Vật liệu rắn là một trạng thái tồn tại của vật chất, trong đó các phần tử cấu tạo (phân tử, nguyên tử, ion) tập hợp ở trạng thái bền vững Do liên kết bền vững, chất rắn