Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 4 - Phương pháp tổng hợp chất rắn được biên soạn với các nội dung chính sau: Giới thiệu các phương pháp; Phương pháp luyện kim bột; Phương pháp điện hóa; Phương pháp đốt cháy; Phương pháp sol-gel; Phương pháp CVD (Hóa hơi lắng đọng);... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!
8/28/2021 BÀI TẬP Trần Vũ Diễm Ngọc 115 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4.1 Giới thiệu phương pháp - Luyện kim bột (Tổng hợp từ pha rắn) - Điện phân (Điện hóa) - Đốt cháy - Sol-gel - Hóa lắng đọng hóa học (CVD) - Trùng hợp polime … Trần Vũ Diễm Ngọc 116 58 8/28/2021 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4.2 Phương pháp luyện kim bột ĐN: phương pháp tổng hợp từ pha rắn tạo vật liệu có hình dạng kích thước dạng khối xác định (kim loại, hợp kim, gốm ) Nguyên liệu Nghiền trộn Nguyên liệu: Thành phần hóa học; cấp hạt; sấy… Nung Tạo hình Kết khối (thiêu kết) Sản phẩm Trần Vũ Diễm Ngọc 117 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: Giảm kích thước (nm), đồng thành phần, tạo hợp kim hóa … d: bán kính hạt t: thời gian nghiền k: số Trần Vũ Diễm Ngọc 118 59 8/28/2021 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: Các yếu tổ ảnh hưởng đến trình nghiền Trần Vũ Diễm Ngọc 119 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: - Tốc độ nghiền: Lựa chọn tốc độ nghiền hợp lý - Bi nghiền: Thép không gỉ, WC, ZrO2, Al2O3, Mã não,… Trần Vũ Diễm Ngọc 120 60 8/28/2021 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: - Thiết bị: Nghiền tang trống; Nghiền quay rung, lắc; Nghiền hành tinh Nghiền tang trống Trần Vũ Diễm Ngọc 121 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: - Nghiền rung + Năng lượng tác động lên hạt bột lớn + Nghiền tác động trình rung + Tần số rung 1500-3000 dao động/phút + Biên độ giao động 2-3 mm + Bi nghiền: thép khơng gỉ cac bít có đường kính 10-20mm + Tỷ lệ bi: bột 8-10 lần Trần Vũ Diễm Ngọc 122 61 8/28/2021 4.2 Phương pháp luyện kim bột Nghiền trộn: - Nghiền hành tinh + Giảm kích thước hạt, trộn, đồng hoá, pha trộn học + Ngun liệu: mềm, cứng, giịn, sợi + Kích thước vật liệu đầu vào: 0 Pin điện (pin volta, pin galvanic): Sử dụng phản ứng oxi hóa khử tự diễn tạo lượng điện Điện phân: Sử dụng dòng điện để tiến hành phản ứng oxi hóa khử Trần Vũ Diễm Ngọc 133 4.3 Phương pháp điện hóa Cực âm Catod Zn2+ Cực dương Điện phân +2e Zn Anod Zn -2e Zn2+ Anod Cu -2e Cu2+ Pin Catod Cu2+ +2e Cu Trần Vũ Diễm Ngọc 134 67 8/28/2021 4.4 Phương pháp đốt cháy (Combustion synthesis) CS pha rắn Sản phẩm Đốt cháy Đánh lửa Trần Vũ Diễm Ngọc 159 4.4 Phương pháp đốt cháy (Combustion synthesis) Phản ứng chất rắn tạo sản phẩn dạng R L Ti + C = TiC + 230 kJ/mol Phản ứng R- K tạo sản phẩn dạng R L Trần Vũ Diễm Ngọc 160 80 8/28/2021 4.4 Phương pháp đốt cháy (Combustion synthesis) Phản ứng hoàn nguyên Bước Bước Trần Vũ Diễm Ngọc 161 4.4 Phương pháp đốt cháy (Combustion synthesis) Trần Vũ Diễm Ngọc 162 81 8/28/2021 Gốm suốt MgAl2O4 3Mg(NO3)2 (aq) + 6Al(NO3)3 (aq) + 20CH4N2O (aq) 3MgAl2O4(s) + 20CO2(g)+ 40H2O(g) + 12N2(g) Phản ứng đốt cháy 500oC/2h Nghiền t=24h, 48h Bi/bột=20/1; 30/1 MgAl2O4 Sấy khơ 120 oC/24 h Nung khơng khí 900 oC/1h Al(NO3)3.9H2O Mg(NO3)2.6H2O Urea Gốm suốt Tốc độ nhiệt 100oC/min Lực ép 100MPa Chân không < 5x10-3 Pa 163 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4.5 Phương pháp sol-gel ĐN: kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo vật liệu có hình dạng mong muốn nhiệt độ thấp Sol: huyền phù chứa tiểu phân có đường kính khoảng 1÷100 nm phân tán chất lỏng, Gel dạng chất rắn - nửa rắn (solid-semi rigide) rong cịn giữ dung môi hệ chất rắn dạng chất keo polyme Phân tán thủy phân Gel (keo) Sol (Huyền phù) Bay hơi, hóa giá Vật liệu Trần Vũ Diễm Ngọc 164 82 8/28/2021 4.5 Phương pháp sol-gel - Tạo lớp phủ, màng mỏng lên chi tiết có hình dạng phức tạp - Tạo lớp liên kết trung gian lớp phủ - Tạo hạt bột nhỏ mịn cỡ nm, mm - Phương pháp đơn giản - Nhiệt độ thấp - Liên kết màng yếu - Năng suất thấp Trần Vũ Diễm Ngọc 165 4.5 Phương pháp sol-gel 166 83 8/28/2021 4.5 Phương pháp sol-gel Các q trình dung dịch tạo keo 1.Trộn 2.Đúc 3.Keo 4.Hóa già 5.Sấy 6.Ổn định 7.Khối 167 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4.5 Phương pháp sol-gel Trần Vũ Diễm Ngọc 168 84 8/28/2021 4.5 Phương pháp sol-gel Trần Vũ Diễm Ngọc 169 4.5 Phương pháp sol-gel Ứng dụng - Vật liệu chịu lửa - Vật liệu chức năng: linh kiện điện tử, y sinh… - Vật liệu kết cấu: chế tạo dụng cụ làm việc môi trường khắc nghiệt - Vật liệu quang học - Cảm biến… Trần Vũ Diễm Ngọc 170 85 8/28/2021 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) ĐN: phương pháp mà nhờ vật liệu rắn lắng đọng từ pha thơng qua phản ứng hóa học xảy gần bề mặt đế nung nóng Cơ chế: Khuếch tán chất phản ứng tới bề mặt đế Sự hấp phụ chất phản ứng v bề mặt đế Xảy phản ứng hóa học Giải hấp sản phẩm khí sau phản ứng Khuếch tán sản phẩm phụ bên ngồi Xảy phản ứng hóa học Trần Vũ Diễm Ngọc 171 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) CVD dùng sợi đốt T đế 700 -900 oC T sợi đốt = 2200 oC Khí: 99% H2, 1% CH4 CVD plasma sóng cực ngắn T đế 700 oC T sợi đốt = 2200 oC Khí: 99% H2, 1% CH4 Trần Vũ Diễm Ngọc 172 86 8/28/2021 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) Reaction type of CVD - Pyrolysis: Thermal decomposition of gases on hot subtrate - Reduction: + Hydrogen are reducing agent + Halide, carbonyl halide, Oxyhalide, Oxygen-containing containing compound Trần Vũ Diễm Ngọc 173 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) - Oxidation: - Compound Formation: Trần Vũ Diễm Ngọc 174 87 8/28/2021 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) - Disproportionation: - Reversible Transfer: Trần Vũ Diễm Ngọc 175 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) Phản ứng tạo lớp phủ Trần Vũ Diễm Ngọc 176 88 8/28/2021 4.6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) Phản ứng tạo lớp phủ Trần Vũ Diễm Ngọc 177 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme ĐN: Polyme hợp chất có phân tử khối lớn nhiều đơn vị nhỏ (gọi mắt xích) liên kết với n : hệ số polyme hoá hay độ polime hố Polietilen (−CH2−CH2−)n mắt xích Nilon: −6(−NH[CH2]5CO−)n −CH2−CH2− liên kết với nhau; mắt xích −NH[CH2]5CO tạo nên, n gọi hệ số polime hóa hay độ polyme hóa; Polyme thường hỗn hợp phân tử có hệ số polyme hóa khác nhau, đơi người ta cịn dùng khái niệm hệ số poliyme hóa trung bình; n lớn, phân tử khối lượng polyme cao Các phân tử tạo nên mắt xích polyme (thí dụ: CH2=CH2 ) gọi monome Trần Vũ Diễm Ngọc 178 89 8/28/2021 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Phân loại Theo nguồn gốc Thiên nhiên có nguồn gốc từ nhiên nhiên (cao su, xenlulozơ, ) Tổng hợp Nhân tạo (bán tổng hợp) người tổng hợp nên ( Lấy polyme thiên nhiên chế polietilen, nhựa phenolhóa thành polyme fomanđehit, ) (xenlulozơ trinitrat, tơ visco, ) Theo cách tổng hợp Polyme trung hợp Polyme trùng ngưng Tổng hợp phản ứng trùng hợp Tổng hợp phản ứng trùng ngưng Theo cấu trúc Không phân nhánh PVC, PE, PS, cao su, xenlulozo, tinh bột … Có nhánh Amilopectin, glicogen Mạng không gian Nhựa rezit, cao su lưu hóa Trần Vũ Diễm Ngọc 179 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Phân loại theo tính chất Polyme nhiệt dẻo: - Khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm chảy mềm hạ nhiệt độ đóng rắn lại - Thường tổng hợp phương pháp trùng hợp Các mạch đại phân tử nhựa nhiệt dẻo liên kết liên kết yếu (liên kết hydro, vanderwall) - Có khả tái sinh nhiều lần - Polyetylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), poly metyl metacrylat (PMMA), poly butadien (PB), Trần Vũ Diễm Ngọc 180 90 8/28/2021 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Polyme nhiệt rắn: - Hợp chất cao phân tử có khả chuyển sang trạng thái khơng gian chiều tác dụng nhiệt độ phản ứng hóa học sau khơng nóng chảy hay hịa tan trở lại nữa, - Khơng có khả tái sinh - Ure focmadehyt [UF], nhựa epoxy, phenol formaldehyde (PF), nhựa melamin, poly este không no Trần Vũ Diễm Ngọc 181 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Elastomers: Các vật liệu có tính đàn hồi, cao su cứng, nhựa mềm cao su nhiệt dẻo - Khả phục hồi đáng kinh ngạc, độ bền sức dẻo dai vượt trội, chống rạn nứt, chảy xệ Trần Vũ Diễm Ngọc 182 91 8/28/2021 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Cấu trúc Mắt xích (a) Mạch thẳng (Amilozo) (b) Mạch nhánh (Amilopectin, glicogen) (c) Mạch khơng gian (cao su lưu hóa) Nhóm ngun tử làm cầu nối Trần Vũ Diễm Ngọc 183 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Tính chất Tính chất vật lí - Chất rắn khơng bay hơi, khơng có Tnc xác định (nóng chảy khoảng rộng) - Khi nóng chảy cho lỏng nhớt, nguội đóng rắn (nhiệt dẻo) - Polyme khơng nóng chảy mà bị phân hủy nung nóng: chất nhiệt rắn - Chỉ số tan dung môi tạo dung dịch nhớt, (cao su tan benzen, toluen, ) - Nhiều polyme có tính dẻo (polietilen, polipropilen, ), tính đàn hồi (cao su), - Số khác kéo thành sợi dai bền (nilon−6, nilon−6,6 , ) - Có polyme suốt mà khơng giịn poli (metyl metacrylat) - Polyme có tính cách điện, cách nhiệt (polietilen, poli (vinyl clorua), ) - Tính bán dẫn (poliaxetilen, polithiophen) Trần Vũ Diễm Ngọc 184 92 8/28/2021 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Tính chất Tính chất hóa học Polyme tham gia phản ứng giữ nguyên mạch, phân cách mạch khâu mạch a) Phản ứng giữ nguyên mạch polyme Các nhóm thay đính vào mạch polyme tham gia phản ứng mà khơng làm thay đổi mạch polyme Polyme có liên kết đơi mạch tham giá phản ứng cộng vào liên kết đôi mà không làm thay đổi mạch polyme Trần Vũ Diễm Ngọc 185 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Tính chất Tính chất hóa học (b) Phản ứng phân cắt mạch polyme: Tinh bột, xenlulozơ, protein, nilon, bị thủy phân cắt mạch môi trường axit, polistiren bị nhiệt phân cho stiren, cao su thiên nhiên bị nhiệt phân cho isopren, (−NH[CH2]5CO−)n +nH2O To nH N[CH ] COOH 2 xúc tác Polyme trùng hợp bị nhiệt phân hay quang phân thành đoạn nhỏ cuối monome ban đầu, (phản ứng giải trùng hợp hay đepolime hóa) Trần Vũ Diễm Ngọc 186 93 8/28/2021 4.7 Phương pháp trùng hợp polyme Tính chất Tính chất hóa học (c) Phản ứng khâu mạch polyme: Khi hấp nóng cao su thơ với lưu huỳnh thu cao su lưu hóa, mạch polime nối với cầu −S−S− Khi đun nóng nhựa rezol thu nhựa rezit, mạch polime khâu với nhóm −CH2− Cấu trúc mạng khơng gian trở nên khó nóng chảy, khó tan bền so với polime chưa khâu mạch Trần Vũ Diễm Ngọc 187 4.7 Phương pháp trùng hợp polime Ứng dụng: - Polyme chịu nhiệt, chịu xi hóa tốt: hàng khơng vũ trụ - Nhựa kỹ thuật thay kim loại - Polyme khơng cháy, giảm thiểu lượng khói, độc - Polyme phân hủy sinh học, - Trong y sinh: tự tiêu, nội tạng nhân tạo,… - Polyme dẫn điện Trần Vũ Diễm Ngọc 188 94 ... 7.Khối 167 Chương 4: Phương pháp tổng hợp chất rắn 4. 5 Phương pháp sol-gel Trần Vũ Diễm Ngọc 168 84 8/28/2021 4. 5 Phương pháp sol-gel Trần Vũ Diễm Ngọc 169 4. 5 Phương pháp sol-gel Ứng dụng - Vật liệu... Sintering (SPS Trần Vũ Diễm Ngọc 131 4. 3 Phương pháp điện hóa Hóa Điện Mối liên hệ qua lại phản ứng hóa học dịng điện PIN Hóa Điện Điện ĐIỆN PHÂN Hóa Trần Vũ Diễm Ngọc 132 66 8/28/2021 4. 3 Phương... Oxygen-containing containing compound Trần Vũ Diễm Ngọc 173 4. 6 Phương pháp CVD (Hóa lắng đọng) - Oxidation: - Compound Formation: Trần Vũ Diễm Ngọc 1 74 87 8/28/2021 4. 6 Phương pháp CVD (Hóa lắng