
Слоистые двойные гидроксиды (СДГ)
Слоистые двойные гидроксиды (СДГ), также известные как LDH (от английского «Layered Double Hydroxides»), представляют собой уникальный класс ионных твердых веществ, которые обладают характерной слоистой структурой. Эти материалы имеют общую последовательность слоев, где катионы металлов располагаются в одном слое, а гидроксидные анионы и другие анионы или нейтральные молекулы, такие как вода, находятся в межслоевом пространстве. Структура LDH может быть представлена формулой [AcB Z AcB]n, где c обозначает слои катионов, A и B — слои гидроксидов, а Z — анионы, которые могут быть интеркалированы между слоями.
Одной из интересных особенностей СДГ является то, что интеркалированные анионы (Z) слабо связаны с основными слоями и могут легко обмениваться. Это свойство делает их привлекательными для научных исследований и различных промышленных применений. Слоистые двойные гидроксиды встречаются в природе в виде минералов, а также могут образовываться как побочные продукты метаболизма некоторых бактерий. Кроме того, они могут возникать в результате коррозии металлических предметов в антропогенных условиях.
Структура и формулы
Слоистые двойные гидроксиды можно рассматривать как производные гидроксидов двухвалентных катионов, таких как магний или кальций. Их структура напоминает брусит (Mg(OH)2), где катионы могут быть заменены на трехвалентные, например, алюминий. Это приводит к образованию положительного заряда в слоях, который затем нейтрализуется интеркалированными анионами. Таким образом, структура LDH может быть представлена формулой [AcB Z AcB]n, где Z — это анионы, которые могут варьироваться от простых неорганических до сложных органических молекул.
Слоистые двойные гидроксиды могут быть образованы с различными анионами, такими как хлорид (Cl−), бромид (Br−), нитрат (NO3−), карбонат (CO3^2−) и сульфат (SO4^2−). Эта структура необычна для химии твердых тел, так как многие другие материалы с подобной слоистой структурой имеют отрицательно заряженные слои и положительные ионы в межслоевом пространстве.
Наиболее изученный класс СДГ состоит из двухвалентных и трехвалентных катионов и может быть представлен общей формулой:
[M(II)1-xM(III)x(OH)2]x+ [(Xn−)x/n · yH2O]x−,
где M(II) и M(III) — это двухвалентные и трехвалентные катионы соответственно, а Xn− — интеркалирующий анион, который компенсирует избыток положительного заряда в слоях гидроксида металла.
Чаще всего в качестве двухвалентных катионов используются кальций, магний, марганец, железо, кобальт, никель, медь и цинк, а трехвалентные катионы могут быть алюминием или хромом. Известно, что фазы с фиксированным составом существуют в диапазоне 0,2 ≤ x ≤ 0,33, но также известны фазы с переменным x, а в некоторых случаях x может превышать 0,5.
Существует также класс LDH на основе лития и алюминия, где основной металлический слой состоит из катионов лития и алюминия в соотношении 1:2. Это приводит к образованию структуры с общей формулой:
[LiAl2(OH)6]+ [(Xn−)1/n · yH2O]−.
Интересно, что условия синтеза, такие как pH растворителя и температура, могут влиять на состав и структуру LDH. Например, при низком pH или высокой температуре сушки может происходить замена гидроксидных групп на другие анионы, что приводит к образованию более стабильных соединений.
Применения
Слоистые двойные гидроксиды обладают уникальными свойствами, которые делают их полезными в различных областях. Одним из ключевых аспектов является возможность замены анионов в межслоевых областях. Это позволяет интеркалировать широкий спектр анионов, начиная от простых неорганических до сложных органических молекул и биомолекул.