Методы неорганического синтеза

НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, получение неорганических соединений. Как правило, состоит из нескольких последовательных или параллельных процессов — механических, химических, физико-химических. В общем случае неорганический синтез включает смешение реагентов, активацию реакционной смеси и собственно химическую реакцию, выделение и очистку целевого продукта.

Выбор метода смешения определяется свойствами реагентов и продуктов и их агрегатным состоянием. Труднее всего получать однородные смеси сильно отличающихся по свойствам веществ, особенно находящихся в разных агрегатных состояниях или в виде порошков.

Наиболее распространенные методы активации [2] повышение температуры и давления. При этом увеличивается скорость процессов, а также может быть достигнуто изменение выхода и фазового состояния продуктов. Повышение давления может также приводить к изменению направления химической реакции, понижению скорости химических реакций в случае твердых тел, расширению области гомогенности твердых фаз, стабилизации более плотных фаз (например, алмаза). В специальных устройствах достигают давления порядка 108−109 Па. Для активации используют также катализаторы, электрический ток, интенсивное световое излучение, ионизирующее и микроволновое излучение, магнитные поля, ультразвук, мощные пучки заряженных частиц и др. [7] Твердые вещества активируют измельчением, истиранием, сочетанием высокого давления со сдвигом, а также специальными механическими приемами.

Для синтеза неорганические соединения используют реакцииокислительно-восстановительную, комплексообразования, разложения и др., которые могут осуществляться в газовой, жидкой, твердой фазах или в гетерогенных системах.

Большинство методов очистки неорганических веществ основано на изменении агрегатного состояния очищаемого вещества или примесей, переводе их в разлагающие фазы с последующим разделением фаз.

Многие синтезы проводят в водных и неводных растворах. При этом целевой компонент или примеси переводят в осадок (осаждение, кристаллизация, высаливание, вымораживание), газовую фазу (перегонка), несмешивающуюся с исходным раствором вторую жидкую фазу (жидкостная экстракция), пену (ионная флотация), на поверхность или в объем твердого сорбента (ионообменная сорбция). Вещества в микрограммовых количествах получают также соосаждением.

Газообразные вещества очищают путем селективной конденсации (или десублимации), селективного поглощения растворами, расплавами или гранулированными твердыми веществами, твердые веществаперекристаллизацией, зонной плавкой, с помощью химических транспортных реакций и др. [8] Для очистки часто используют селективное окисление, восстановление или комплексообразование. Применяют также различные виды хроматографии, мембранные процессы разделения, дистилляцию, ректификацию.

Использование вакуума при проведении неорганического синтеза обеспечивает большую чистоту продуктов, а в случае термически неустойчивых веществ — больший выход. Методы плазмохимии предусматривают переведение реагентов с помощью электрических разрядов, электрической дуги или высокочастотных излучений в состояние низкотемпературной плазмы с последующим закаливанием продуктов.

При получении тугоплавких соединений применяют методы порошковой металлургии, реакционное спекание, химическое осаждение из газовой фазы. Некоторые сильно экзотермичные реакции проводят в условиях горения, например синтез Р₂О₅-сжиганием Р на воздухе, SF₆-сжиганием S в потоке F₂, некоторые тугоплавкие соединения получают при беспламенном горении [4].

Для получения термически неустойчивых соединений, однородных смесей тонких порошков (с последующим их спеканием), для проведения реакций в матрично-изолированном состоянии используют криогенную технику. Для ионной имплантации и синтеза неустойчивых веществ, применяют атомные, ионные, молекулярные или кластерные пучки [6].

При синтезе множества твердых веществ большое внимание уделяют их текстуре или структуре, а также морфологии поверхности, поскольку эти характеристики сильно влияют на свойства неорганических материалов. Так, сферические однородные частицы порошков получают плазменной обработкой или с помощью золь-гель процесса. Разработаны специальные методы монокристаллов выращивания, получения монокристаллических пленок, в т. ч. эпитаксиальных, и волокон. Созданы методы сохранения высокотемпературных кристаллических модификаций некоторых веществ (напр., кубический ZrO2) при низких температурах, способы получения веществ в аморфном состоянии, приемы синтеза аморфных «сплавов» разнородных веществ (напр., сплавы Si или Ge, содержащие водород, фтор, азот и др.), различных стеклокристаллических материалов [9].