马亚强镁铝水滑石的合成

镁铝水滑石的合成、组成分析及其晶体结构表征班级：应化1008 姓名：马亚强 学号：2010016218（1号）一． 实验目的：1.本实验采用共沉淀法制备镁铝水滑石；2.利用EDTA 络合滴定法测定镁铝水滑石样品中Mg2+和Al3+的含量；3.热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量；4.通过红外、X 粉末衍射表征晶体结构。

二．实验原理：（一）合成材料1.层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides,简称LDHs ）是一类阴离子型粘土，又称类水滑石。

组成通式为：[M(II)1-x M(III)x (OH)2]x+A x/n n-mH 2OM （II ）：二价金属离子 M(III)：三价金属离子 A n-：阴离子 x=M(III)／[M(II)+ M(III)]，0.2≤x ≤0.33。

2.典型的类水滑石化合物为镁铝水滑石：Mg 6Al 2(OH)16CO 3•4H 2O ，图1 水滑石的层状结构结构特征：（1） 层板组成可调 ； （2）层间阴离子可调。

3.目前制备水滑石类化合物通常采用共沉淀法，其合成路线为： （1）MgCl 2+AlCl 3+NaOH+Na 2CO 3 → Mg 6Al 2(OH)16CO 3·4H 2O+NaCl（2）Mg(NO 3)2+Al(NO)3+NaOH+Na 2CO 3 → Mg 6Al 2(OH)16CO 3·4H 2O+NaNO 3 （3）MgSO 4+Al 2SO 4+NaOH+Na 2CO 3 → Mg 6Al 2(OH)16CO 3·4H 2O+Na 2SO 4GuestHostHost该类合成路线在反应中消耗大量的NaOH，这些NaOH与原料中Cl-、NO3-或SO42-反应，生成低价值的NaCl、NaNO3或Na2SO4而大量排出，一方面成本相对较高，另一方面造成环境污染。

近年来环境保护日益受到重视，清洁合成技术是发展的必然趋势。

4. 本实验采用我们自主创新的清洁合成路线制备镁铝水滑石，其合成路线如图2所示图2 镁铝水滑石的清洁合成路线图该方法是以MgO与铝酸钠水溶液混合反应生成水滑石,反应后滤液可全部回收，用于下一批合成物料，无高浓度废液排放，是环境友好过程。

（二）材料表征•利用EDTA络合滴定法测定镁铝水滑石样品中Mg2+和Al3+的含量•热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量•根据组成通式：[M(II)1-xM(III)x(OH)2]x+Ax/nn-mH2O，即可确定所合成样品的组成•通过红外、X粉末衍射表征晶体结构TG/DTA热分析法水滑石Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O 加热分解过程包括两个过程：•低于200℃时，仅失去层间的水分，而对结构没有影响；•当加热到250～450℃时，则层板羟基脱水，伴随着CO32-分解，层状结构破坏；•最后剩余物是Mg6Al2O8(OH)2 ，称为镁铝复合氧化物。

红外光谱分析（IR）红外光谱在推测未知物分子结构中也是常用的手段之一，它主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行结构鉴定。

原子间的振动对应有不同的能级，因此当其振动能级从基态跃迁到激发态时所需的能量不同，即吸收红外光的能量不同，产生了对应频率的特征峰，根据谱峰可以推测原子间的运动形式，从而可推测未知物分子中官能团的种类。

对于水滑石而言，IR分析是判断层间阴离子种类的有效手段，同时也可测定阴离子的成键类型和它的来源。

图4 Mg/Al LDH的红外光谱三．实验仪器和试剂：试验装置:制备镁铝水滑石的主要装置如图3所示：图3. 镁铝水滑石制备装置仪器:电动搅拌器，加热套，滴液漏斗两个，回流冷凝器，温度计，250mL三口圆底烧瓶，酸、碱滴定管各一支，北京光学仪器厂PCT-2A型差热天平，NICOLET 60SXB FTIL型红外光谱仪等。

试剂：MgSO4.7H2O(A.R),NaOH(A.R),Al2(SO4)3.18H2O(A.R),无水Na2CO3(A.R)。

ZnO(A.R),EDTA(A.R),三乙醇胺（A.R），氯化铵-氨水和乙酸钠-乙酸缓冲液，铬黑T和二甲酚橙指示剂等。

四．实验步骤：1.镁铝水滑石的合成称取MgSO4.7H2O 13.284g和Al(SO4)3.18H2O 8.991g 加入到50mL去离子水中配成盐溶液；另称取NaOH 5.2g 和无水NaCO3 5.724g 加入到50mL去离子水中配成碱溶液。

将两种碱溶液在充分搅拌下，同时滴加到装有50mL去离子水的三口烧瓶中。

然后加热回流晶化2h，抽虑，水洗，将制得产物于70摄氏度干燥24h，最后研磨。

2.产物中Mg2+、Al3+含量的测定称取一定量水滑石样品0.2g，用HCl稀释后，配成250mL的待测液。

EDTA的标定：用移液管移取25.00ml Zn2+标准溶液于250ml锥形瓶中，加入1-2滴0.5%的二甲酚橙作指示剂，滴加20%六亚甲基四胺溶液至溶液呈稳定的紫红色后再加2ml；然后用EDTA标准液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色即为终点并记录所消耗的EDTA 体积，重复测定三次，误差小于0.05ml。

根据以上数据计算EDTA准确浓度。

Mg2+的测定：移取25.00ml溶液到锥形瓶中，加入过量的三乙醇胺溶液将Al3+充分络合，再加入氯化铵-氨水缓冲液，调节PH约为10，铬黑T作指示剂，溶液呈紫红色。

用已标定的EDTA标准液滴定溶液，直至其变为纯蓝色为止。

平行3次，记录所用去的溶液体积，取平均值，计算Mg2+的含量。

Al3+的测定：移取25.00ml溶液到锥形瓶中，加入50mlEDTA标准液，调节PH 约为3.5，煮沸1分钟，冷却后加入乙酸钠-乙酸缓冲溶液，调节PH约为6，二甲酚橙作指示剂，用锌标准液滴定溶液至浅粉色。

平行3次，记录所用的Zn2+溶液体积，取平均值计算Al3+含量。

3、产物中结构水含量的测定：利用热分析法确定产物中结构水的含量。

确定200度以下失重百分比即为层间水含量。

4、IR表征：KBr压片，记录镁铝水滑石在4000-200cm—1范围内吸收谱图。

五、原始数据记录Zn2+标准溶液浓度为0.01mol/L，25.00mlV1 V2 V3 ⎺V标定EDTA所消耗EDTA的体积/ml 25.20 25.12 25.16 25.16测定Mg2+所消耗EDTA的体积/ml 10.20 10.80 10.50 10.50测定Al3+所消耗Zn2+的体积/ml 35.45 35.38 35.42 35.42六、实验数据处理和结果讨论1.由Mg2+、Al3+含量计算Mg/Al摩尔比值根据上述实验数据，分别计算出Mg2+、Al3+的含量，并计算Mg/Al摩尔比值(1)EDTA的标定 H2Y2- + Zn2+ = ZnY2- + 2H+∴C（EDTA）＝0.01×25.00/25.16＝0.009936mol/L(2）Mg2+的标定H2Y2- + Mg2+ = MgY2- + 2H+∴C （Mg 2+）＝0.009936×10.50/25.00＝0.004173mol/L (3) Al 3+的标定(返滴定) H 2Y 2- + Al 3+ = AlY - + 2H +H 2Y 2- + Mg 2+ = MgY 2- + 2H + H 2Y 2- + Zn 2+ = ZnY 2- + 2H +∴C (Al 3+)＝[0.009936×(50.00－10.50)/1000－35.42/1000×0.01]/0.025＝0.001531mol/L故C （Mg 2+）：C （Al 3+）＝0.004173:0.001531＝2.726 x ＝1/(1＋2.762）＝0.2658符合：0.2≤x ≤0.332、计算结构水含量所制得的镁铝水滑石样品差热图如下0100200300400500600-551015D T AColunmName=TE (Data=Data)DTA3.红外（IR）分析各键和基团振动的标准红外吸收峰波数如下表由实验所得IR谱图与标准谱图对比分析可知，实验所制得样品主要存在H2O-CO32-间氢键、H2O弯曲振动和CO32- 伸缩振动的红外吸收峰，可判断层间阴离子为CO32-实验结论: 通过络合滴定、差热分析及红外谱图等多种表征方式的分析可以认为本实验所制得的镁铝水滑石为典型的类水滑石化合物。

七、实验误差分析1、在烘干水滑石样品时可能引入了杂质；2、EDTA的标定以及Mg2+ 和Al3+的浓度测定时滴定时有一定误差存在和滴定终点处颜色变化观察不敏锐。

八、思考题1、本实验的合成路线有何缺点？什么是清洁合成？答：该合成路线在反应中消耗大量的NaOH，这些NaOH与原料中SO42-反应，生成低价值的Na2SO4而大量排出，一方面成本相对较高，另一方面造成环境污染。

清洁合成是以MgO与铝酸钠水溶液混合反应生成水滑石,反应后滤液可全部回收，用于下一批合成物料，无高浓度废液排放，是环境友好过程。

2、镁铝水滑石的TG-DTA曲线中有几个失重台阶，对应的是什么分解过程？答：镁铝水滑石的TG-DTA曲线中有两个失重台阶，其加热分解包括两个过程：低于200℃时，仅失去层间的水分，而对结构没有影响；当加热到250～450℃时，则层板羟基脱水，伴随着CO32-分解，层状结构破坏；最后剩余物是Mg6Al2O8(OH)2，称为镁铝复合氧化物。

3、镁铝水滑石层间的阴离子CO32-在层间的排布方式是平行于层板还是垂直于层板？答：利用XRD表征可以确定镁铝水滑石层间的阴离子CO32-在层间的排布方式是平行于层板。