層狀雙氫氧化合物

層狀雙氫氧化合物（Layered double hydroxides, LDH），俗稱水滑石，是指某一類特殊的層狀物質，這種層狀材料是由數層帶正電荷的層與存在其中間平衡電荷的陰離子組成，中間的陰離子和層與層間作用力弱，且通常是可以被交換的。

基本介紹

• 中文名：層狀雙氫氧化合物
• 外文名：Layered double hydroxides
• 俗稱：水滑石
• 學科：材料學
• 領域：材料學

介紹

層狀雙氫氧化合物（Layered double hydroxides, LDH），俗稱水滑石，是指某一類特殊的層狀物質，這種層狀材料是由數層帶正電荷的層與存在其中間平衡電荷的陰離子組成，中間的陰離子和層與層間作用力弱，且通常是可以被交換的。這種情況在固體化學中比較少見，許多材料是陽離子被夾在帶負電荷的層與層間。層狀雙氫氧化合物的其中一個例子便是矽酸鹽類黏土礦如蒙脫石。而人們對層狀雙氫氧化合物較感興趣的是其層間嵌入的性質。

表示

層狀雙氫氧化合物通常可以用下列化學通識來表達：[M^z+_1-xM³⁺_x(OH)₂]^q+(X^n-)_q/n·yH₂O。

M 代表金屬陽離子，一般而言，z = 2， 而 M= Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺或 Zn²⁺等二價金屬陽離子； 因此可知 q = x 。 已知的幾種固定組成其 x 值落在 0.2 到 0.33間。然而隨著組成不同 x 值也會有所變動，亦存在著x > 0.5的組成例子。

也有 z = 1的情況存在，也就是當 M⁺= Li⁺而 M³⁺= Al³⁺的時候。 在這種情況下，q = 2x - 1。像這類的特殊例子則可由以下化學通式表達：[LiAl₂(OH)₆]X∙yH₂O (LiAl₂-X))。X 代表通用的陰離子而y值通常落在 0.5 – 4之間。

而層狀雙氫氧化合物層間的陰離子 X 則有許多種類，如Cl^-、Br^-、NO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-和 SeO₄^2-等。

例子

層狀雙氫氧化合物的其中一個例子便是矽酸鹽類黏土礦如蒙脫石。

蒙脫石（Montmorillonite）是一種很軟的頁矽酸鹽礦物，屬於蒙皂石族的粘土礦物，形成於水中沉降的微晶聚集體。命名取自法國地名蒙莫里永。蒙脫石是一種2：1的黏土，即微觀結構上為兩層矽氧四面體夾一層鋁氧八面體，鋁的位置部分被鎂同晶取代。蒙脫石片狀顆粒平均直徑為1微米，厚度0.96納米。在25,000倍放大的電鏡下可見單個黏土顆粒。蒙皂石族的礦物還有皂石。

蒙脫石的化學組成為水合鈉鈣鋁鎂矽酸鹽氫氧化物(Na,Ca)_0.33(Al,Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂·nH₂O，含水量是可變的，因為蒙脫石單晶間結合併不緊密，水容易滲入，導致黏土顯著膨脹。陽離子可被鉀，鐵等其他離子取代，有色離子的取代則使礦物呈現不同顏色，各地出產的蒙脫石，各種離子的比例不盡相同。它常與綠泥石、白雲母、伊來石、焦炭石和高嶺石等礦物共存。

蒙脫石於1847年首次發現於法國伊澤爾省蒙莫里永，在世界各地都有發現，並且曾被賦予不同的命名。蒙脫石可以在洞穴環境中形成和轉化。洞穴的自然侵蝕過程中，鋁矽酸鹽溶解在水中，蒙脫石微晶在漫長的自然作用下形成。高濃度的HCO₃有利於此過程。蒙脫石在乾燥環境可轉化為坡縷石，或者在pH值小於5的環境下轉化為禾樂石-10Å（多水高嶺土）,再於乾燥環境下繼續轉化為禾樂石-7Å。

石油鑽探工業中，蒙脫石用作鑽井泥漿的組分，其目的是保持鑽頭冷卻並除去鑽出的固體。數十年來，蒙脫石等黏土廣泛用於使用工業的裂化催化劑基底，而一些酸基催化劑則使用酸處理的蒙脫石等粘土。用於改良土壤，在易受乾旱影響的地區改善土壤的保水能力。用於土質堤壩的建造，防止水的滲漏。在砂鑄件中用作乾燥劑，除去空氣和其他氣體中的水分。

蒙脫石具有很強的吸附性，包括吸附重金屬的能力。口服用藥稱蒙脫石散，是一種常見的治療急慢性腹瀉的藥物。或者外用用於預防和治療接觸性皮炎。

化合物

化合物（Chemical compound）是由兩種以上的元素以固定的質量比通過化學鍵結合在一起的化學物質。化合物可以由化學反應分解為更簡單的化學物質。像甲烷（CH₄）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆）、硫酸鉛（PbSO₄）及二氧化碳（CO₂）都是化合物。

化合物是純物質分類下的一類，與元素和混合物相對。儘管有些情況下化合物的實際情況會與上述定義背離，如組成元素隨製備方法而改變，內部結構並不均一，不同核素的分布並不固定等等，但一般仍認為它們屬於化合物的範疇。另外，化合物中各元素的摩爾比並不一定是整數，某一元素也可呈不同的價態，例如非整比化合物和混合價態化合物。

化學元素的單質即使由幾個原子形成雙原子分子或多原子分子（如H₂, S₈），也不是化合物。

除特別不活潑的稀有氣體氦和氖外，其他所有穩定元素都已製成了化合物。稀有氣體化合物的製備曾費了一些周折。第一個稀有氣體化合物六氟合鉑酸氙是在1962年才製備而得。

套用

一般而言，座落在層間的陰離子可輕易的被替換。而陰離子的種類從無機的（如碳酸根）到有機的（如苯甲酸根、琥珀酸根），甚至是複雜的生物分子如DNA都能與正電荷夾層有相互作用。如此的特性促使了許多關於層狀雙氫氧化合物層間嵌入的套用研究。藥物分子如布洛芬就可以被嵌入，而其對應的層狀雙氫氧化合物對於可控制的藥物釋放方面具有套用潛力，因為若能控制釋放劑量便可降低治療期間的服藥次數。更進一步還能利用農藥可被嵌入的特點，以期用層狀雙氫氧化合物來移除受污染水中的農藥，降低優養化的可能性。

層狀雙氫氧化合物在嵌入方面具有形狀選擇性質。舉例來說，將LiAl₂-Cl 的層狀雙氫氧化合物與50:50比例混合的 對位及鄰位之苯二甲酸類衍生物反應，結果會得到對位異構物嵌入的層狀雙氫氧化合物。這種選擇性對於分離異構物可能也有套用性。