Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СИНТЕЗА ГИДРОКСОАЛЮМИНАТА МАГНИЯ

Миронычева Т.С. 1 Михеева Л.А. 1 Иванова Л.А. 1 Терехина Н.В. 1 Бочкова В.Е. 1
1 ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет»

Соединения, соответствующие формуле [Ме2+1-х М3е+х(ОН)2][(Аn-1)x/n× mH2O] с ромбоэдрической ячейкой, называются слоистыми двойными гидроксидами гидроталькитного ряда. При получении слоистых двойных гидроксидов гидроксидные слои могут  чередоваться двумя разными способами, образуя структуру с двумя политипами с ромбоэдрической (симметрия 3R) и гексагональной элементарной ячейкой (симметрия 2H). Многие из слоистых двойных гидроксидов кристаллизуются в структуре с ромбоэдрической ячейкой, которая называется гидроталькит - природный минерал состава Mg6Al2(OH)16[CO3 ×4H2O] (соединение, относящееся к группе с симметрией R3m). В представленной работе исследован структурный тип гидроксоалюмината магния. Показано, что образуются структуры с формулой Mg6 Al2 (OH)18 ·4,5 H2O. Параметры гексагональной кристаллической решетки (пкр) целевой фазы: а= 3,056(3) Å, с=23,53 (4) Å. Такие значения соответствуют величине параметра для структуры мейкснеритаMg6Al2 (OH)18 ∙4H2O (пкр этой фазы по JPDS 35-965: а= 3,054 Å, с=23,40 Å). Данные соединения кристаллографически описываются в ромбоэдрической системе с пространственной группой R-3m. Следовательно, предложенное количественное соотношение металлов Mg2+ и Al3+в исходной суспензии, время и температура синтеза являются оптимальными для получения гидроксоалюмината магния.

мейкснерит
симметрия 2Н
симметрия 3R
гексагональная элементарная ячейка
ромбоэдрическая элементарная ячейка
рентгенофазовый анализ
гидроксоалюминат магния
слоистые двойные гидроксиды
1. Аракчеева А. В. Кристаллическая структура нового минерала из группы гидроталькита-манассеита Al2Mg4(OH)12(CO3)3H2O // Кристаллография. - 1996. - Т. 41, № 6. - С. 1024-1034.
2. Лукашин А. В. Влияние условий синтеза на структуру слоистых двойных гидроксидов// Доклады Академии Наук. - 1999. - Т. 364, № 1. - С. 77-79.
3. Лукашин А. В. Синтез функциональных наноматериалов с использованием слоистых двойных гидроксидов // Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении: тез. II Всерос. семинара. - Воронеж, 1999. - С. 71.
4. Хейкер Д. М., Зевин Л. С. Рентгеновская дифрактометрия. - Москва: ГИФМЛ, 1963. - 216 с.
5. Хуснутдинов В. Р., Исупов В. П. Механохимический синтез гидро-карбонатной формы слоистых гидроксидов магния-алюминия // Неорганические материалы. - 2008. - Т. 44, № 3. - С. 315-319.
6. Auerbach S., Corrado P. Dutta. Handbook of Layered Materialis. - N.Y.: MarelDekker, 2004. - 650 p.
7. Cavani F. Hydrotalcite - Type Anionic Clays: Reparation, Properties and Applications // Catal. Today. - 1991. - Vol. 11, № 2. - P. 173-301.
8. PDF. Joint Committee on Powder Diffraction Standards //Amer. Soc. for Testing Materials (ASTM). - Swarhmore.Pennsylvaia. - 1999. - Р. 134-145.

Введение. Слоистые двойные гидроксиды (СДГ) - это соединения, отвечающие составу и структуре: [Ме2+1-х Ме3+х(ОН)2][(Аn-1)x/n× mH2O]. Строение слоистых двойных гидроксидов - комплекс из положительно заряженных гидроксидных слоев (Ме2+1-х Ме3+х(ОН)2)x+ и анионов, находящихся между слоями. Помимо Аn-в межслоевом пространстве могут присутствовать подвижные молекулы воды. Гидроксидные слои (Ме2+1-х Ме3+х(ОН)2)x+ представляют собой плоскую систему из катионов Ме2+ и Ме3+, октаэдрически координированных гидроксогруппами [1,2,5]. Их структура аналогична структуре брукита Mg(OH)2 [2]. Слои несут избыточный положительный заряд, пропорциональный количеству в них катиона Ме3+. Слоистые двойные гидроксиды устойчивы за счет притяжения между (Ме2+1-х Ме3+х(ОН)2)x+и анионами между слоями, которые несут отрицательный заряд. Гидроксидные слои могут чередоваться двумя разными способами, образуя структуру с двумя политипами с ромбоэдрической (симметрия 3R) и гексагональной элементарной ячейкой (симметрия 2H) [1,2,3]. Многие из слоистых двойных гидроксидов кристаллизуются в структуре с ромбоэдрической ячейкой, которая называется гидроталькит - природный минерал Mg6Al2(OH)16[CO3 ×4H2O] (соединение, относящееся к группе с симметрией R3m) [3,5]. Такие соединения, соответствующие формуле [Ме2+1-х М3е+х(ОН)2][(Аn-1)x/n× mH2O] с ромбоэдрической ячейкой, называются слоистыми двойными гидроксидами гидроталькитного ряда. В лабораторных условиях возможно получить образцы со строением x = 0.05÷0.4 и m = 0÷2 [1,2,3,5].

Параметры элементарной ячейки в СДГ со структурой гидроталькита могут значительно варьироваться. Изменение параметра а, зависящее от количественного соотношения металлов Mе2+ и Ме3+и величины ионных радиусов, происходит в интервале от 2,8 до 4,1 Å [5]. Значение параметра с определяется в основном размером аниона Аn-. Необходимо отметить, что расположение анионов в межслоевом пространстве может быть различным. В зависимости от условий синтеза и состава СДГ всегда образуется только один структурный тип [6]. Анионные комплексы в основном располагаются между слоями так, чтобы свести его размер к минимуму [7]. Обычно величина параметра с и размер аниона определяют реализуемый тип структуры в том или ином случае.

Степень кристалличности свежеосажденных двойных гидроксидов повышают термостатированием при t ºC = 60-90 ºС в течение 10-250 часов. Данные параметры зависят от природы и состава СДГ. Например, магний-алюминиевые двойные гидроксиды (размеры кристаллов >50 мкм) образуются после 10 часов выдержки при t ºC = 70 ºC. Образование же литий-алюминиевых двойных гидроксидов требует выдержки при 90 ºС в течение 150 часов. Конечным этапом получения образцов является промывание образцов водой до полного отсутствия катионов и анионов в маточном растворе с последующим высушиванием [2,3].

В данной работе синтезирован СДГ и определен структурный тип гидроксида в зависимости от выбранных оптимизированных условий синтеза: различное соотношение концентраций исходных растворов, время синтеза - 2 часа и температура 100 ºС.

Целью работы явилось исследование полученного структурного типа гидроксоалюмината магния (ГАМ) формулыMg6Al2(OH)18∙4,5H2O.

Материалы и методы

Синтез ГАМ происходил в соответствии со следующими уравнениями реакции:

2Al+2NaOH + 6H2O→2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ (1)

6MgCl2 + 2Na[Al(OH)4]+10NaOH + 4,5H2O→Mg6Al2(OH)18∙4,5H2O +12NaCl(2)

При получении каждого образца изменялось соотношение концентраций алюмината натрия и хлорида магния за счет изменения концентрации раствора - осадителя (раствора хлорида магния), таблица 1.

Таблица 1. Нумерация образцов ГАМ в зависимости от соотношения растворов в исходной суспензии

Номера образцов ГАМ

Концентрации алюминатного раствора и хлорида магния соответственно

Соотношение концентраций алюминатного раствора и хлорида магния

Общий объем суспензий реагентов, мл

Mg6 Al2 (OH)18 (1)

0,01 М - 0,01 М

1:1

685,14

Mg6 Al2 (OH)18 (2)

0,01 М - 0,0078 М

1:0,78

799,33

Mg6 Al2 (OH)18 (3)

0,01 М - 0,0067 М

1:0,67

913,52

Mg6 Al2 (OH)18 (4)

0,01 М - 0,0059 М

1:0,59

1027,71

Mg6 Al2 (OH)18 (5)

0,01 М - 0,0052 М

1:0,52

1141,90

К полученному по уравнению (1) раствору алюмината натрия медленно приливали раствор хлорида магния заданной концентрации. Смесь термостатировали при 100 ºС в течение 2 часов, перемешивая магнитной мешалкой на протяжении всего времени синтеза и поддерживали значение рН = 9±0,1. Получившиеся в процессе реакции (2) белые взвеси фильтровали с помощью вакуумного насоса. Далее осадки заливали дистиллированной водой, нагревали до 100 ºС, постоянно перемешивая магнитной мешалкой. Далее суспензии снова фильтровали, и так повторяли 5 раз. После окончания промывания сушили осадки при 110 ºС в сушильном шкафу до постоянной массы. Состав получившихся осадков изучали с помощью рентгенофазового анализа (РФА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М с использованием немонохроматизированного медного Кα излучения (Ni фильтр). Образцы для рентгенографирования готовили в стандартных кварцевых кюветах, к образцу (1) был подмешан порошок алмаза в качестве внутреннего стандарта. Качественный фазовый анализ проводили с использованием базы дифракционных данных JCPDS [4,8].

Результаты исследования и их обсуждение

Исходя из данных, полученных методом РФА, видно, что все полученные образцы имеют набор рефлексов, соответствующий СДГ. Данные параметров гексагональной кристаллической решетки (пкр) целевой фазы Mg6 Al2 (OH)18 ·4,5 H2 O равны: а= 3,056(3) Å, с=23,53 (4) Å. такие значения параметра с соответствуют величине параметра для структуры мейкснеритаMg6Al2 (OH)18 ∙4H2O (пкр этой фазы по JCPDS 35-965:а= 3,054 Å, с=23,40 Å).

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок 2. Данные РФ: а)Mg6Al2 (OH)18 (1); б)Mg6Al2 (OH)18 (2); в)Mg6Al2 (OH)18 (3); г)Mg6Al2 (OH)18 (4); д)Mg6Al2 (OH)18 (5)

Судя по данным, имеющимся в химической и минералогической литературе, а также базам данных рентгеновской дифракции (JCPDS), окончательно химическая формула минерала мейкснерита к настоящему времени не установлена. Ее представляют как Mg6Al2(OH)18·4H2O(I) или Mg6Al2(OH)18·4,5H2O(II), а также Mg4Al2(OH)14·3H2O(III), либо даже рядом других формул. В частности, соединения I-III кристаллографически описываются в ромбоэдрической системе с пространственной группой R-3m и весьма близкими параметрами кристаллической решетки, а=3,038-3,054 и с=22,62-23,40 Å. Достоверно кристаллическая структура этих фаз, насколько нам известно, не определена. По-видимому, они представляют серию фаз, имеющих близкое кристаллическое строение. По наиболее частому определению мейкснерит относят к гидроксильному слоистому двойному гидроксиду, не содержащему карбонат-иона.

Заключение

Данные РФА показали, что в результате предложенного синтеза во всех пяти вариантах образуются структуры с формулой Mg6Al2(OH)18·4,5H2O. Параметры гексагональной кристаллической решетки (пкр) целевой фазы: а= 3,056(3) Å, с=23,53 (4) Å. Такие значения параметра с соответствуют величине параметра для структуры мейкснерита Mg6Al2 (OH)18 ∙4H2O (пкр этой фазы по JPDS 35-965: а= 3,054 Å, с=23,40 Å). Данные соединения кристаллографически описываются в ромбоэдрической системе с пространственной группой R-3m. Следовательно, предложенное количественное соотношение металлов Mg2+ и Al3+в исходной суспензии, время и температура синтеза являются оптимальными для получения гидроксоалюмината магния.

Рецензенты:

Давыдова О. А., д-р хим. наук, профессор кафедры химии ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск.

Климов Е. С., д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой химии ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск.


Библиографическая ссылка

Миронычева Т.С., Михеева Л.А., Иванова Л.А., Терехина Н.В., Бочкова В.Е. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СИНТЕЗА ГИДРОКСОАЛЮМИНАТА МАГНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=9881 (дата обращения: 22.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074