固态化学

历史

技术有助于固态无机化学的发展。固体化学的工作是制造商业中使用的材料。研究人员为工业界服务，同时也回答学术问题。20世纪有许多重要的发现：20世纪50年代用于石油加工的沸石和铂基催化剂，20世纪60年代作为微电子装置核心部件的高纯度硅，以及20世纪80年代的 "高温 "超导。威廉-劳伦斯-布拉格在20世纪初发明了X射线晶体学，这带来了进一步的发现。

卡尔-瓦格纳的工作是关于氧化率理论、离子的反扩散和缺陷化学。这些工作显示了反应是如何在固态的原子水平上进行的。正因为如此，他有时被称为 "固态化学之父"。

合成方法

多种多样的合成方法被用来制造固态化合物。对于有机材料，如电荷转移盐，这些方法在室温附近操作，通常与有机合成的方法相似。氧化还原反应有时是通过电结晶进行的。例如，贝希加德盐可以由四氢富勒烯制成。

烤箱技术

对于能够耐受高温的材料，化学家经常使用高温方法。例如，化学家使用管式炉来制备散装固体。这使得反应可以在1,100 °C（2,010 °F）左右进行。对于高达2,000 °C（3,630 °F）的更高温度，化学家使用特殊设备，如用钽管制成的烤箱，电流通过该烤箱。有时需要如此高的温度来诱导反应物的扩散。但这在很大程度上取决于所研究的系统。一些固态反应已经在低至100℃（212°F）的温度下进行。

熔化方法

化学家经常将反应物熔化在一起，然后再将固化的熔体退火。如果涉及到挥发性的反应物，反应物通常被放入安瓿瓶中，然后除去所有的空气。通常，化学家会保持反应物混合物的低温（例如，将安瓿的底部放在液氮中），然后将安瓿密封。然后将密封的安瓿放入烘箱中，进行特定的热处理。

解决方法

溶剂可用于通过沉淀或蒸发来制备固体。有时，溶剂是在高于正常沸点的温度下加压使用的（热液法）。助剂方法在混合物中加入熔点相对较低的盐，作为高温溶剂，在其中进行所需反应。

气体反应

许多固体很容易与活性气体如氯、碘、氧或其他气体反应。其他固体则与其他气体形成加合物，（例如CO或乙烯）。这类反应通常是在一个两边开口的管子里进行，气体流过。这方面的一个变化是让反应在一个测量装置内进行，如热重分析（TGA）。在这种情况下，可以在反应过程中获得化学计量信息。该信息有助于识别产品。(通过准确测量每种反应物的数量，化学家可以猜测最终产品中原子的比例）。

气体反应的一个特殊情况是化学运输反应。这通常是通过在一个密封的安瓿中加入少量的运输剂（例如，碘）来进行的。然后将安瓿放在一个区域炉中。这种方法可用于获得单晶形式的产品，适合用X射线衍射（XRD）进行结构测定。

化学气相沉积也是一种广泛使用的高温方法，用于从分子前体制备涂层和半导体。

对空气和湿气敏感的材料

许多固体吸引水（吸湿性）和/或对氧气敏感。例如，许多卤化物吸水，只有在充满干燥（和/或无氧）气体（通常是氮气）的手套箱中处理，才能研究其无水形式。

特性化

新相、相图、结构

因为一种新的合成方法会产生一种混合产品，所以能够识别和描述特定的固态材料是很重要的。化学家们尝试改变化学计量，以寻找哪些化学计量会导致新的固体化合物或已知化合物之间的固体溶液。表征反应产物的一个首要方法是粉末衍射，因为许多固态反应会产生多晶硅锭或粉末。粉末衍射将有助于识别混合物中的已知相。如果在衍射数据库中发现了一个不为人知的图案，可以尝试对该图案进行索引，也就是确定单元格的对称性和大小。(如果产品不是结晶性的，那么鉴定就更困难了)。

一旦知道了一个新相的单元格，下一步就是确定该相的元素比例（化学计量）。这可以通过多种方式进行。有时原始混合物的成分会提供一个线索，如果人们只发现一种产品（单一的粉末模式），或者如果人们试图通过与已知材料的类比来制造某种成分的相。但这是很罕见的。

通常情况下，化学家努力改进合成方法，以获得新材料的纯样品。如果化学家能够将产品与反应混合物的其他部分分开，那么化学家就可以对分离出来的产品进行元素分析。其他方法涉及扫描电子显微镜（SEM）和电子束中产生的特征X射线。最简单的方法是利用单晶X射线衍射来解决结构问题。

改进制备程序需要化学家研究哪些相在什么成分和什么化学计量下是稳定的。换句话说，化学家们要绘制物质的相图。寻找相图数据的一个重要工具是热分析，如DSC或DTA，以及越来越多的，由于同步加速器的出现，依赖于温度的功率衍射。对相关系知识的增加往往会导致合成程序的进一步完善，从而重复这一循环。因此，新相的特征是它们的熔点和它们的化学计量域。识别化学计量域对于许多非化学计量化合物的固体是很重要的。从XRD得到的晶胞参数特别有助于表征非致密化合物的均匀性范围。

进一步的特征描述

在许多情况下，新的固体化合物是通过固体物理学的各种技术进一步表征的。

光学特性

对于非金属材料，化学家试图获得紫外线/可见光光谱。在半导体的情况下，这将提供一个带隙的概念。

电气性能

四点(或五点)探针方法经常被应用于铸锭、晶体或压制的颗粒，以测量电阻率和霍尔效应的大小。这提供了关于化合物是绝缘体、半导体、半金属还是金属的信息，以及关于掺杂的类型和非局域带的移动性（如果存在的话）。因此，可以获得关于材料中化学键的重要信息。

磁属性

磁感应强度可以作为温度的函数来测量，以确定该材料是否是对等、铁磁性或反铁磁性。这说明材料中的结合情况。这对过渡金属化合物特别重要。在磁秩序的情况下，中子衍射可以用来寻找磁性结构。