sintesis bhn tak organik

Download sintesis bhn tak organik

Post on 06-Jun-2015

373 views

Category:

Documents

7 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

http://institut.fs.utm.my/~ramli/

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK

Sintesis Bahan Tak OrganikBerbeza dengan kaedah lazim digunakan dalam kimia organik, kimia organologam dan kimia koordinatan kerana dalam sintesi bahan tak organik (pepejal) kebanyakannya merupakan usaha memanjangkan kekisi, iaitu membina kekisi atau mengubahsuai kekisi.

Kaedah suhu tinggi (kaedah seramik)Kaedah ini paling banyak digunakan untuk menyediakan bahan tak organik pepejal. Dasarnya: Tindak balas komponen pepejal dalam nisbah molar yang betul pada suhu tinggi dalam tempoh yang lama (panjang).

Kaedah ini banyakdigunakan untuk mesintesis oksida logam, kalkogenida (sulfida, selenida, tellurida) dan pniktida (fosfida dan nitrida), silikat dan fosfat. Sukatan/timbangan bahan pemula yg tepat tersangat penting kerana bahan tidak dapat ditulenkan selepas disintesis.kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 1

Atas alasan yg serupa, pemilihan reaktan adalah penting. Awas! 1. Jangan gunakan bahan pemukla yg higroskopik (menyerap air) atau yg takberstoikiometri (komposisi berubah-ubah). 2. Elak menggunakan reaktan yg mudah mengwap atau sensitif udara (Jika tak ada pilihan gunakan kaedah tiub kedap (sealed tube).

Tindak balas keadaan pepejal memerlukan suhu tinggi; kadangkadang mencecah 2000 oC. Dengan itu, radas kaca biasa tidak sesuai digunakan (kaca borosilikat lembek di atas 600 oC). Jadi, gunakan bahan yg tinggi takat lebur, seperti kapsul atau mangkuk pijar diperbuat drp logam mahal (Pt, emas), alumina atau zirkonia.kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

2

berbagai mangkuk pijarMangkuk/bekas Kaca borosilikat (pyrex) Tiub emas Silika (kuatza) Platinum Alumina (Al2O3) Zirkonia (ZrO2) Magnesia (MgO)kimia bahan 2002 ramlihitam

suhu maks*. 575 1013 1405 1719 1900 2000 2400

oC

takat lebur, oC 820 1063 1853 1769 2072 2700 2852

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

3

Pemanasan suhu tinggiGunakan relau (furnace) Relau komersial boleh mencapai suhu 2000 oC. Suhu yg lebih tinggi, katakan 4000 oC, boleh diperoleh menggunakan laser.relau kotak (box/muffle furnace)

relau tiub (tube furnace)kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 4

Contoh sintesis

Suhu tindak balas kimia oksida ialah dalam julat 500 2000 oC Na2O2 + 2CuO MgO + Al2O3 3CsCl + 2ScCl3 NaAlO2 + SiO2 2NaCuO2 (suhu 400 oC) MgAl2O4 Cs3Sc2Cl9 NaAlSiO4 (suhu 1400 oC)

kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

5

Proses tindak balas di antara pepejal-pepejal

Skema zarah-zarah bertindak balas dalam tindak balas keadaan pepejal Campuran tindak balas terdiri drp longgokan atau himpunan zarah-zarah pepejal terpisah oleh ruang-ruang kosong tetapi terdapat zarah-zarah bersentuhan di satah-satah hablur tertentu. Menambahkan titik sentuhan antaramuka zarah-zarah dalam campuran boleh mencepatkan tindak balas. Ini boleh dicapai dengan: Mengisar semula campuran secara berkala untuk meningkatkan kehomogenan, katakan selepas setiap 16 24 jam. Meningkatkan sentuhan antara zarah dengan memaksa zarah mendekati satu sama lain, misalnya menekan campuran menjadi pelet untuk mengurangkan ruang kosong. Meningkatkan suhu untuk memberi tenaga kepada zarah untuk bergerak.SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 6

kimia bahan 2002 ramlihitam

Skema tindak balas pembentukan LaFeO3 Secara amalan, ketiga-tiga cara di atas diguna pakai. Proses mengisar semula dan pemanasan sering dirujuk sebagai kaedah goncang dan bakar. Mendapatkan keadaan annealing dan suhu lazimnya secara trial and error kerana penyediaan bahan baru sukar diramalkan. Seringkali komposisi produk tidak sentiasa homogen, walaupun tindak balas berjalan hampir selesai sepenuhnya. Jika terdapat bendasing tertinggal apabila tindak balas selesai, lazimnya bendasing itu sukar disingkirkan.

Untuk mengatasi pembauran yg perlahan, saiz zarah harus dikecilkan (mengisar secara mekanikal mencapai saiz zarah di antara 10,000 dan 100,000 A, iaitu sekitar 1000 10,000 sel unit. Kaedah berikut dapat mencipta pemula (precursor) dgn cara pemelarutan dalam pelarut yg sesuai. Cara ini mengizinkan pencampuran pada skala atom, sebelum pelarut disingkirkan, meninggalkan pepejal-pepejal yg telah bercampur sempurna, dan saiz zarah yg lebih kecil. Residu yg diperoleh kemudian dipanaskan dengan kaedah seramik, tetapi suhu tindak balas lazimnya akan jauh lebih rendah. kimia bahan 2002 ramlihitam

Skema tindak balas bagi pembentukan lantanum besi oksida dengan kaedah seramik

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

7

Pengeringan sembur dan sejukbeku (Spray and freeze drying)Dalam kedua-dua kes, reaktan dilarutkan ke dalam pelarut biasa. Kemudian sama ada disembur ke dalam kebuk panas, di mana pelarut akan terwap serta merta (pengeringan sembur), atau Disejukbekukan di dalam cecair nitrogen dan pelarut disingkirkan pada tekanan rendah (pengeringan sejukbeku).

Pemelarutan garam logamKaedah ini melibatkan pemelarutan garam logam (lazimnya nitrat, hidroksida atau oksalat) di dalam pelarut yg sesuai, dan campuran diwapkan sehingga kering. Residu kering kemudian ditindakbalaskan seperti dalam kaedah seramik. Prosedur ini baik jika komponen-komponen mempunyai kelarutan yang serupa; jika tidak pepejal yg kelarutan lebih rendah akan mula termendak dahulu. Akibatnya pencampuran yg terhasil tidak akan lebih baik daripada kaedah seramik.kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 8

Ko-pemendakanLarutan campuran ion boleh dimendakkan bagi menghasilkan suatu pepejal yang mengandungi ion-ion yg dikehendakki. Walau bagaimanapun, mestilah berhati-hati supaya ion-ion termendak mengikut nisbah yg dikehendakki. Misalnya, asid oksalik boleh digunakan untuk memendakkkan ion zink oksalat daripada larutan ion-ion berkenaan yg terlarut dalam asid asetik. Zn2+ (ak) + 2Fe2+ (ak) + 3C2O42+ (ak) ZnFe2(C2O4).6H2O

ZnFe2O4 spinel akan terhasil apabila mendakan tersebut dipanaskan sehingga 800 oC. Walaupun kaedah ini mengizinkan penurunan suhu pembakaran yang banyak berbanding kaedah seramik, ianya amat sukar digunakan bagi sistem banyak ion.kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 9

Kaedah sol-gelKaedah ini juga penting dan digunakan secara meluas dalam penyediaan zeolit, filem tipis dan salutan abrasif. Prosesnya melibatkan penyediaan larutan pekat (sol) komponenkomponen tindak balas. Campuran ini kemudian diubah menjadi gel yg hampir tegar dengan cara menyingkirkan pelarut atau dengan menambahkan komponen yang membuatkan gel menjadi pepejal. Gel itu kemudian dirawat dgn cara tertentu untuk menghasilkan bahan yg diingini. Kaedah ini boleh juga digunakan untuk menyediakan bahan komposit, di mana spesies organik dan tak organik boleh diperangkap di dalam matrik lengai. Sifat kedua-dua matriks lengai dan spesies terperangkap tergabung dalam produk yg terhasil.kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 10

Contoh sintesis

3KF(ak) + MnCl2(ak) ZrO2 + 2H3PO4

KMnF3(p)

+

2KCl(ak)

Zr(HPO4)2.H2O + H+O Na12[Si12Al12O48].nH2O + 24NaOH zeolit 4A

12NaAlO2 + 12Na2SiO3.9H2O

kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

11

Kaedah Tiub Kedap (Sealed tubes)Pada kes tertentu, tindak balas secara terus dalam keadaan ambien (dalam udara pada tekanan atmosfera) untuk membentuk sesuatu bahan tidak boleh dilakukan. Ini mungkin kerana beberapa sebab, termasuk reaktan mudahmengwap, bahan pemula dan/atau produk sensitif terhadap udara, atau keinginan membuat sebatian dengan logam bernombor pengoksidaan luar biasa rendah.Contoh sintesis

Serbuk mangan dan sulfur akan bertindak balas pada 500 oC untuk membentuk MnS Mn (p) + S (p) MnS (p) Tetapi, jika dipanaskan dalam udara pada suhu ini kesemua sulfur akan terwap pada 110 oC. Supaya mangan dan sulfur sentiasa berada berhampiran, keduaduanya mesti ditindak balaskan di dalam bekas kedap.kimia bahan 2002 ramlihitam SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL 12

Penyediaan sebatian talium(I) TlTaO3 gas lengai digunakan untuk mengekang pengoksidaan. Tl2O + Ta2O5N2, 600 oC

2TlTaO3

Begitu juga penurunan V2O5 menjadi VO2 V2O5H2, 1000 oC

VO2

Sintesis kalsium emas nitrida dilakukan dalam tiub kedap emas berisi gas nitrogen 2Ca3N2 + 2AuN2

3Ca2AuN + N2

kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

13

Kaedah Atmosfera TerkawalAda bahan yang tak dapat dijana secara pemanasan dalam udara pada tekanan satu atmosfera. Bahan-bahan seperti ini disediakan dalam keadaan atmosfera terkawal.Contoh sintesis

Oksida vanadium yang sedia ada ialah V2O5. Untuk menyediakan VO dimana vanadium berada dalam no. pengoksidaan +2, memerlukan hidrogen dilalukan pada V2O5 pada 1000 oC. Sintesis dalam vakum kerana ada reaktan yang mengwap pada suhu tindak balas Ta + S2vakum, 500 oC

TaS2 Tl2Ba2Ca3Cu4O12

Tl2O3 + 2BaO + 3CaO + 4CuO

vakum, 860 oC

kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

14

Menyediakan sebatian yang mengandungi nikel dalam keadaan pengokdsidaan +3, seperti LaNiO3, memerlukan annealing (rawatan haba) dgn oksigen, kerana dalam keadaan biasa nikel akan berada pada no. pengoksidaan +2. LaNiO 2.5 (p) LaNiO3 (p)

Disini, LaNiO 2.5 adalah tak stoikiometri. Bermaksud, tak semua tapak yg ada didalam kekisi dipenuhi; akibatnya menghasilkan bilangan atom yang tak bulat (non-integral) dalam formula kimianya Perhatian: Ketak stoikiometrian dalam sebatian keadaan pepejal boleh memberi kesan kepada keadaan penyediaan dan sifat fizik bahan berkenaan.

kimia bahan 2002 ramlihitam

SINTESIS BAHAN TAK ORGANIK PEPEJAL

15

Sampel yg di