金屬氯化物插層石墨化合物的趣味實驗

王澍泓

摘要：采用定量混合法，以鱗片石墨為主體材料，按不同比例混合金屬氯化物，運用簡易燒制的方法制備插層石墨化合物，運用X射線衍射，結果顯示混酸溶液在反應中不僅是氧化劑而且參與插層反應，插層不同金屬氯化物，X射線圖譜有明顯不同，說明插層反應的進行有優劣之分。

關鍵詞：插層石墨化合物；金屬氯化物；X射線衍射

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）08-0088

一、引言

石墨（graphite）的化學成分為碳（C）。石墨質軟，有滑膩感，具有良好的導電、導熱和耐高溫性能。石墨礦物晶體結構越完整、規則，這些特征就越明顯。

石墨礦物結晶屬六方晶系，具層狀構造。每一網層間距為0.3354nm，同一網層中碳原子間距為0.142nm。上一層面網六邊形的一個角正好位于下一層面網六邊形的中心，網層間以分子鍵連接，易解離，解離后具有天然疏水性。石墨具有以下特殊性質：耐高溫性，導電、導熱性，潤滑性，化學穩定性，可塑性，抗熱震性。

近年來對石墨插層化合物（GIC）的研究在實驗和理論上都引起了人們的興趣。實驗測得這種化合物的電學、光學和化學等性能都具高度的各向異性性質，并且隨著插入原子濃度的變化，各向異性性質會有所改變，因而引起了人們的重視。實驗發現，許多石墨插層化合物（GIC）具有超導性。

在實驗中，采用定量混合法，以鱗片石墨為主體制備了系列的金屬氯化物插層石墨，運用X射線圖譜表征其層間結構，對比插入不同金屬氯化物的結構異同，簡要分析其膨脹效果及最佳插層配比。

二、實驗

1. 樣品配制

實驗中采用石墨與強酸混制，用高錳酸鉀作為催化劑，加入金屬氯化物（氯化鐵、氯化銅、氯化鎂、氯化鈉）在800℃燒制膨脹的方法制備石墨插層化合物（GIC）。

具體步驟：先取定量硫酸和磷酸在燒杯中混勻，然后加入定量（3g）的天然鱗片石墨，不斷攪拌，待混勻后，加入高錳酸鉀，攪拌混勻，之后加入金屬氯化物，并不斷攪拌促進反應（可控制在50℃，也可室溫。本實驗在50℃環境下）。待反應一定時間后，冷卻水洗過濾，經烘干后，放入燒爐，在800℃下燒制，即可制得石墨插層化合物（GIC）。

制備流程如下：

天然鱗片石墨→硫酸-磷酸混酸溶液→高錳酸鉀→金屬氯化物→加熱→水洗→過濾→烘干→燒制

2. 樣品測試

實驗主要用X射線衍射儀對樣品進行掃描。

三、結果與討論

1. XRD曲線對比分析

把插層金屬氯化物（GIC）的X射線衍射（XRD）圖譜與鱗片石墨的XRD圖譜做對比分析：

（1）對比鱗片石墨和混酸溶液混合制備的膨脹石墨與天然鱗片石墨的特征峰，顯示鱗片石墨與混酸發生了插層反應，即在系列反應中混酸既是氧化劑又充當了插層物。

（2）由于制備GIC的配比中同一系列僅金屬氯化物的含量有所差別，通過對比來分析其插層效果。結果顯示：①加入0.6g氯化鐵時插層反應比加入0.3g時效率提高了一倍，加入0.9g時又提高了近一倍，而加入1.2g時無大變化；②加入0.6g氯化鎂時效率比加0.3g時提高一倍，加0.9g與加0.6g無大變化，加1.2g時，效率又提高一倍；③加入0.6g氯化銅時效率比加0.3g時提高近三倍，加入0.9g時又提高一倍，加1.2g時效果反不如0.9g。

（3）同樣在加入0.3g金屬氯化物時，氯化鈉的插層效果明顯優于其他氯化物（高近兩倍）。所有系列在加入0.9g金屬氯化物時，插層效果最佳。在達到最好插層效果時，氯化鈉的插層效果要優于其他，而氯化鐵的插層效果較差。

2. 膨脹倍數的對比分析

在實驗中用量筒對膨脹后的插層石墨化合物的體積做了簡單粗略的測量（忽略實驗操作過程中的損耗），結果顯示如下：

由于3g 天然鱗片石墨的體積大約為1～1.5ml，所以膨脹倍數在30～40倍左右。對比以上數據可知在加入0.9g 金屬氯化物時，CuCl2和NaCl的膨脹效果要明顯優于前者，并且插層NaCl的膨脹效果最好，這與XRD圖譜一致。

四、結論

1. 在制備金屬氯化物插層的GIC過程中，所用混酸溶液參加了插層反應，既作為氧化劑又充當了插層物。2. 膨脹后體積倍數增長顯著，是由于層間結構發生變化，晶格間距變大所致。3. 實驗顯示，在實驗中配比條件下，當加入0.9g金屬氯化物時插層效果最佳。而氯化鈉的插層效果又優于其他。4. 僅就膨脹效果而言，也是插層氯化鈉時最好。

參考文獻：

[1] 鄭水林.非金屬加工與應用[M].北京：化學工業出版社.無機化學叢書. 第三卷. 11～16

（作者單位：河南省鎮平縣第一高級中學高二（33班） 474250）endprint