金属氯化物插层石墨化合物的趣味实验

王澍泓

摘要：采用定量混合法，以鳞片石墨为主体材料，按不同比例混合金属氯化物，运用简易烧制的方法制备插层石墨化合物，运用X射线衍射，结果显示混酸溶液在反应中不仅是氧化剂而且参与插层反应，插层不同金属氯化物，X射线图谱有明显不同，说明插层反应的进行有优劣之分。

关键词：插层石墨化合物；金属氯化物；X射线衍射

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2017）08-0088

一、引言

石墨（graphite）的化学成分为碳（C）。石墨质软，有滑腻感，具有良好的导电、导热和耐高温性能。石墨矿物晶体结构越完整、规则，这些特征就越明显。

石墨矿物结晶属六方晶系，具层状构造。每一网层间距为0.3354nm，同一网层中碳原子间距为0.142nm。上一层面网六边形的一个角正好位于下一层面网六边形的中心，网层间以分子键连接，易解离，解离后具有天然疏水性。石墨具有以下特殊性质：耐高温性，导电、导热性，润滑性，化学稳定性，可塑性，抗热震性。

近年来对石墨插层化合物（GIC）的研究在实验和理论上都引起了人们的兴趣。实验测得这种化合物的电学、光学和化学等性能都具高度的各向异性性质，并且随着插入原子浓度的变化，各向异性性质会有所改变，因而引起了人们的重视。实验发现，许多石墨插层化合物（GIC）具有超导性。

在实验中，采用定量混合法，以鳞片石墨为主体制备了系列的金属氯化物插层石墨，运用X射线图谱表征其层间结构，对比插入不同金属氯化物的结构异同，简要分析其膨胀效果及最佳插层配比。

二、实验

1. 样品配制

实验中采用石墨与强酸混制，用高锰酸钾作为催化剂，加入金属氯化物（氯化铁、氯化铜、氯化镁、氯化钠）在800℃烧制膨胀的方法制备石墨插层化合物（GIC）。

具体步骤：先取定量硫酸和磷酸在烧杯中混匀，然后加入定量（3g）的天然鳞片石墨，不断搅拌，待混匀后，加入高锰酸钾，搅拌混匀，之后加入金属氯化物，并不断搅拌促进反应（可控制在50℃，也可室温。本实验在50℃环境下）。待反应一定时间后，冷却水洗过滤，经烘干后，放入烧炉，在800℃下烧制，即可制得石墨插层化合物（GIC）。

制备流程如下：

天然鳞片石墨→硫酸-磷酸混酸溶液→高锰酸钾→金属氯化物→加热→水洗→过滤→烘干→烧制

2. 样品测试

实验主要用X射线衍射仪对样品进行扫描。

三、结果与讨论

1. XRD曲线对比分析

把插层金属氯化物（GIC）的X射线衍射（XRD）图谱与鳞片石墨的XRD图谱做对比分析：

（1）对比鳞片石墨和混酸溶液混合制备的膨胀石墨与天然鳞片石墨的特征峰，显示鳞片石墨与混酸发生了插层反应，即在系列反应中混酸既是氧化剂又充当了插层物。

（2）由于制备GIC的配比中同一系列仅金属氯化物的含量有所差别，通过对比来分析其插层效果。结果显示：①加入0.6g氯化铁时插层反应比加入0.3g时效率提高了一倍，加入0.9g时又提高了近一倍，而加入1.2g时无大变化；②加入0.6g氯化镁时效率比加0.3g时提高一倍，加0.9g与加0.6g无大变化，加1.2g时，效率又提高一倍；③加入0.6g氯化铜时效率比加0.3g时提高近三倍，加入0.9g时又提高一倍，加1.2g时效果反不如0.9g。

（3）同样在加入0.3g金属氯化物时，氯化钠的插层效果明显优于其他氯化物（高近两倍）。所有系列在加入0.9g金属氯化物时，插层效果最佳。在达到最好插层效果时，氯化钠的插层效果要优于其他，而氯化铁的插层效果较差。

2. 膨胀倍数的对比分析

在实验中用量筒对膨胀后的插层石墨化合物的体积做了简单粗略的测量（忽略实验操作过程中的损耗），结果显示如下：

由于3g 天然鳞片石墨的体积大约为1～1.5ml，所以膨胀倍数在30～40倍左右。对比以上数据可知在加入0.9g 金属氯化物时，CuCl2和NaCl的膨胀效果要明显优于前者，并且插层NaCl的膨胀效果最好，这与XRD图谱一致。

四、结论

1. 在制备金属氯化物插层的GIC过程中，所用混酸溶液参加了插层反应，既作为氧化剂又充当了插层物。2. 膨胀后体积倍数增长显著，是由于层间结构发生变化，晶格间距变大所致。3. 实验显示，在实验中配比条件下，当加入0.9g金属氯化物时插层效果最佳。而氯化钠的插层效果又优于其他。4. 仅就膨胀效果而言，也是插层氯化钠时最好。

参考文献：

[1] 郑水林.非金属加工与应用[M].北京：化學工业出版社.无机化学丛书. 第三卷. 11～16

（作者单位：河南省镇平县第一高级中学高二（33班） 474250）endprint