微波超聲反應儀在高校化學綜合實驗中的應用

王麗麗 陳春霞 韓福芹 曹晶晶

【摘要】該實驗能夠使高校化學專業的大學生了解表面活性劑和類水滑石材料的基本知識，熟悉有機-無機復合材料的基本表征手段和分析方法。更重要的是讓學生在化學綜合實驗中體會到先進的實驗儀器不僅能夠使實驗效果更佳，且能達到省時節耗的目的，從而激發學生的創新興趣和利用高科技工具造福人類的意識。

【關鍵詞】化學綜合實驗 微波超聲儀 類水滑石 復合材料

【基金項目】東北林業大學化學專業建設項目資助 （No. 41110258）。

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）04-0170-02

化學綜合實驗課在高校化學專業教學中占有重要的地位。利用化學綜合實驗可以對所學的多個二級化學學科的基礎理論知識和實驗技能進行較全面的復習和鞏固。并且在綜合性的實驗教學中應盡量采用先進的儀器和更加快速便捷的實驗方法來大大節約實驗所用的時間，并與傳統的實驗結果相比應表現出更好的實驗效果為目標。

以陰離子表面活性劑和金屬硝酸鹽作為主要原料， 采用先進的教學儀器微波超聲組合儀設計了一個化學綜合實驗。在溫和的反應條件下制備改性的類水滑石，并對其進行表征，用以與傳統實驗方法相比較來證實先進的教學儀器所達到的優異實驗效果。實驗目的是了解有機陰離子表面活性劑和無機類水滑石材料的基本知識；掌握共沉淀法制備有機改性類水滑石的原理和方法；查閱文獻， 了解有機-無機復合材料的常用表征手段；比較傳統水熱晶化法和微波與超聲水熱晶化法對有機改性類水滑石的結構和性質的影響。

1.實驗步驟與方法

將水浴鍋溫度設為70℃，向250mL四口瓶中加入5g硬脂酸鈉和30mL蒸餾水，按Cu2+：Mg2+：Al3+=0.05：3.95：1的摩爾比取總量為50mL的鹽混合于燒杯，用恒壓滴液漏斗以1滴/秒的滴加速度向四口瓶中滴加硝酸鹽混合液，同時用恒壓滴液漏斗滴加NaOH來調節反應體系的pH，使pH保持在9～10之間。四種不同晶化方法：滴加完畢后將獲得的漿液分成四份，分別采用微波0.5h、超聲0.5h、微波加超聲0.5h以及傳統水熱10h進行晶化。晶化完畢后漿液用蒸餾水洗至中性，抽濾，70℃烘干，過篩后即為所得產品。以上四種層間改性的類水滑石分別簡寫為：CuMgAl-LDHM （微波晶化產品）、CuMgAl-LDHU （超聲晶化產品）、CuMgAl-LDHMU （微波聯合超聲晶化產品）、CuMgAl-LDHT（傳統晶化產品）。

2.結果與討論

2.1 XRD分析

圖1是四種硬脂酸鈉插層改性類水滑石的XRD曲線。從圖可知與天然類水滑石相比四個合成樣品的（003）、（006）、（009）和（0012）特征峰均在低角度出現，這些峰都是大體積的有機基團插層改性類水滑石的典型特征峰[1]。這些特征峰的出現是由于類水滑石層間插入的硬脂酸根陰離子使得層間距增大所致。同時（110）和（113）兩個衍射峰部分重疊，也說明這些類水滑石層間區域含有大體積的陰離子；并且，在20～23°之間的寬峰是由于碳氫鏈的散射造成的。以上這些特征峰證明了硬脂酸鈉插層的類水滑石的合成獲得成功[2]。與傳統水熱晶化10h的類水滑石CuMgAl-LDHT相比，其它三個樣品的（003）、（006）、（009）衍射峰的峰強度更強且峰形更尖，結果表明無論是30min的微波還是超聲晶化法均使得類水滑石的結晶度明顯好于10h的傳統晶化。

2.2 熱失重分析

圖2 A和B分別展示了四種類水滑石的TGA和DTG曲線。由圖2A可知，四個類水滑石樣品都具有兩個質量損失步驟。第一階段的質量損失發生在50～200℃之間，主要是物理吸附水和部分層間水的脫除[3，4]。當溫度達到200℃時，四個樣品的水分子質量損失幾乎相等，均損失原始質量的6%左右。由圖2B的DTG曲線可知，此階段CuMgAl-LDHU和CuMgAl-LDHT最大熱失重速率溫度均在100℃，而CuMgAl-LDHMU和CuMgAl-LDHM最大熱失重速率溫度在103℃。隨著溫度的升高，在第二階段的質量損失中CuMgAl-LDHMU和 CuMgAl-LDHT到500℃附近才損失完全，分別損失約初始質量的72%和70%。而CuMgAl-LDHM 和CuMgAl-LDHU均約損失起始質量的65%。這部分質量損失主要是層間氫氧根和硬脂酸根陰離子的失去。然而，如圖2B所示，第二階段質量損失步驟中四個樣品的最大熱失重速率溫度有明顯的不同。CuMgAl-LDHMU的氫氧根和硬脂酸根最大熱失重速率峰是在337℃，而其它三個樣品卻是在高出15℃的352℃處出現最大熱失重速率。此外，CuMgAl-LDHMU和CuMgAl-LDHT在505℃左右出現肩峰，如此高的分解溫度應是層間OH-與C18H35O2-氫鍵作用引起的。CuMgAl-LDHT在415℃，而CuMgAl-LDHU在415℃和439℃出現一強而尖的峰應是層間硬脂酸根的分解峰，而CuMgAl-LDHM在427℃出現。以上結果表明不同的晶化方法對層間陰離子的作用方式有重要的影響。

3.結論

本文設計了一個有機表面活性劑改性銅鎂鋁類水滑石的合成與表征實驗，學生可以對表面活性劑、類水滑石以及表征方法的作用和譜圖分析有所了解。同時文中給出的是四種不同晶化方法對類水滑石結構和熱性質的影響，讓學生充分體驗了微波與超聲等先進儀器在實驗教學中起到的省時節耗和優化實驗效果的作用。并且，可根據實際學時，讓學生選擇晶化方法中的一種或多種來進行選做。最后，不同晶化方法對銅鎂鋁類水滑石熱性質的影響也可作為學生實驗后研究的課題，以一個小的研究論文形式再加以對學生進行科研思想的鍛煉，達到實驗后再理論升華的過程，對化學綜合實驗的教學質量的提高有很大的益處。

參考文獻：

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作者簡介：

王麗麗（1978.12-），女，副教授，博士學位。