摘要：采用X射線粉末衍射、生化培養(yǎng)及掃描電子顯微鏡等方法研究聚丙烯酰胺對草酸鈣結(jié)晶的影響及調(diào)控作用，主要分析與討論草酸鈣的結(jié)晶與溶液酸堿度、聚丙烯酰胺及草酸鈣過飽和的關(guān)系，二水草酸鈣在聚丙烯酰胺的影響下會生成晶體，其晶體形態(tài)也會隨之改變，同時也會改變一水草酸鈣的晶體形態(tài)。在草酸鈣中加入濃度為5.0g/L的聚丙烯酰胺，可誘導(dǎo)形成30%(w/w)的草酸鈣晶體及較為少見的聚集體，并且使草酸鈣晶體的菱角變得圓鈍。本文通過分析聚丙烯酰胺中羧基與鈣離子的相互作用、聚丙烯酰胺的分子結(jié)合、聚丙烯酰胺在不同酸堿度下的水解差異等內(nèi)容，研究對草酸鈣結(jié)晶的調(diào)控作用。

草酸鈣一般情況下呈白色晶體粉末狀，弱酸性，與水和醋酸不相溶，溶于濃鹽酸或濃硝酸，遇灼燒會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣或氧化鈣，并具有一定的毒性。在自然界礦物的形成均可通過特殊的反應(yīng)介質(zhì)、細(xì)胞或有機(jī)質(zhì)在動物體、微生物及植物體內(nèi)完成，生物礦化是經(jīng)過界面分子識別、細(xì)胞加工、有機(jī)大分子預(yù)組織、生長調(diào)控等措施完成的，而有機(jī)基質(zhì)中無機(jī)礦物的生長及成型則是通過立體學(xué)匹配、經(jīng)典匹配、幾何匹配等措施完成的，通過各種措施促使生物礦物具有更優(yōu)異的物理性能和形貌。近幾年，相關(guān)研究人員受生物礦化的啟示，以有機(jī)大分子作為模板，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行分子操縱，將各種無機(jī)功能材料合成為有機(jī)材料和生物，本文的研究主要是以聚丙烯酰胺為模板，制定草酸鈣有機(jī)晶體。

1、實驗部分

1.1 試劑：本次試驗中所需試劑為草酸鉀、氯化鈣、聚丙烯酰胺及二次蒸餾水。

1.2 儀器：本次試驗中所需儀器為掃描電子顯微鏡、X射線粉末衍射儀、pH儀器及生化培養(yǎng)箱。

X射線粉末衍射儀的測試條件為：采用配有40KV、20mA的石墨彎晶單色器進(jìn)行Cu靶Ka輻射；掃射狹縫為：DS，1°，RS，0.15mmol/L，1°，X射線掃面范圍為2θ為6°-65°。隨后采用X射線粉末衍射光譜進(jìn)行分析，首先制定一水草酸鈣和二水草酸鈣的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)曲線，然后計算二水草酸鈣的質(zhì)量百分含量。

1.3 試驗方法

首先準(zhǔn)備不同濃度的聚丙烯酰胺各20.0ml，不斷的攪拌聚丙烯酰胺溶液，在攪拌下均勻加入1.0ml濃度為25.0mmol/L的草酸鉀溶液，攪拌2min使聚丙烯酰胺與次酸鉀溶液均勻相溶，隨后加入1.0ml濃度為25.0mmol/L的氯化鈣溶液，均勻攪拌后加入二次蒸餾水對混合溶液進(jìn)行稀釋，直至混合溶液容量至25.0ml，將其放入溫度為37℃的生化培養(yǎng)箱中，使其靜置生長1天。1天后就會有晶體出現(xiàn)，將晶體取出在干燥的環(huán)境下首先用一般顯微鏡進(jìn)行觀察，隨后用掃描電子顯微鏡和X射線粉末衍射觀察各個晶體的特征。

2、結(jié)果和討論

2.1 草酸鈣與聚丙烯酰胺濃度的關(guān)系

當(dāng)草酸鈣的濃度為1.0mmol/L，不添加聚丙烯酰胺及任何化學(xué)溶液時，草酸鈣會生成聚集狀、拉長六邊形的叉生草酸鈣晶體，通過在X射線粉末衍射定量計算及光譜對照所生成的晶體特征只類似于一水草酸鈣晶體特征。實驗表明，在上述混合溶液中加入不同濃度的聚丙烯酰胺后，草酸鈣晶體的尺寸、晶相及晶狀都會隨之發(fā)生變化，此結(jié)果可以說明聚丙烯酰胺的濃度對草酸鈣結(jié)晶有一定的調(diào)控作用。首先在以上溶液中加入濃度為5.0g/L的聚丙烯酰胺后，六邊形的一水草酸鈣晶體的棱角變得圓鈍，并且晶狀變得如花生狀。發(fā)生此變化主要是因為聚丙烯酰胺發(fā)生水解形成羧酸根離子，離子間相互排斥使聚丙烯酰胺分子呈舒展?fàn)顟B(tài)，從而使聚丙烯酰胺分子與一水草酸鈣中的鈣離子發(fā)生發(fā)應(yīng)，使一水草酸鈣的鈣離子離解平衡，并不斷的溶解鈣離子，被溶解的鈣離子沉積在一水草酸鈣表面，從而產(chǎn)生棱角圓鈍的六邊形晶體。由于聚丙烯酰胺發(fā)生水解后可抵制二水草酸鈣晶體正電荷晶面的生長，而未被水解的聚丙烯酰胺則會沉積在一水草酸鈣不帶電荷的晶面，并抵制其正常生長，未被抵制的晶面則會正常生長，從而形成花生狀的一水草酸鈣。用X射線粉末衍射定量計算其結(jié)果為，添加聚丙烯酰胺溶液所形成的一水草酸鈣晶體衍射峰比未添加聚丙烯酰胺的晶體衍射峰強(qiáng)度大。

圖2一水草酸鈣的品體變化模擬圖

實驗結(jié)果顯示，向溶液中不斷的增加聚丙烯酰胺的濃度，二水草酸鈣的含量也會隨之增加，聚丙烯酰胺在抵制一水草酸鈣生長的同時促進(jìn)了二水草酸鈣的形成，引起這種變化的主要原因是，隨著聚丙烯酰胺濃度的增加，溶液中的羧基根離子增加，并不斷的與鈣離子發(fā)生反應(yīng)，從而形成較多的核位點，在核位點基礎(chǔ)上會形成較多尺寸小表面的晶體，在反應(yīng)過程中這些晶體會聚集在一起，降低表面能，增加其穩(wěn)定性，從而誘導(dǎo)生成二水草酸鈣。

2.2 pH對晶體形成的影響

通過實驗表明，在不同的pH下草酸鈣晶體的晶狀和晶相都會隨之發(fā)生變化，在pH=5時，有橢圓形、球狀聚集體的一水草酸鈣晶體和四角雙錐形二水草酸鈣晶體，各種晶體的比例為5:4:1，當(dāng)pH逐漸變大，其晶體也逐漸形成為二水草酸鈣晶體，在pH=12時，聚丙烯酰胺在強(qiáng)堿的作用下會加速水解，水解過程中形成大量的聚陰離子，所產(chǎn)生的陰離子與一水草酸鈣正電荷的晶面發(fā)生較強(qiáng)的靜電作用，阻礙一水草酸鈣生長位點的晶體生長，從而促進(jìn)二水草酸鈣晶體的生成。聚丙烯酰胺水解生成的聚陰離子增加了水界面和聚合物鈣離子的濃度，從而增加了水界面處草酸鈣過飽和度，進(jìn)而加強(qiáng)形成高能態(tài)的二水草酸鈣。

2.3 草酸鈣過飽和度對晶體形成的影響

在濃度為5.0g/L的聚丙烯酰胺基礎(chǔ)上，逐漸增加草酸鈣的過飽和度，數(shù)據(jù)顯示晶體的數(shù)量會隨草酸鈣過飽和度的增加而增加，所形成晶體的尺寸、晶相、晶狀都會隨之發(fā)生變化，通過X射線粉末衍射圖譜定量計算結(jié)果表明，當(dāng)草酸鈣的過飽和度分別為0.5mmol/L、1.0mmol/L、2.0mmol/L時， 二水草酸鈣晶體的含量為5%、31%、45%。在聚丙烯酰胺的作用下，草酸鈣通常是在聚丙烯酰胺鏈表面的化學(xué)微環(huán)境里發(fā)生反應(yīng)并成核，當(dāng)草酸鈣的過飽和度增加時，成核速率也會隨之增加，但成核活化能會隨之減少，這種反應(yīng)在一定程度上會增加溶液中草酸鈣晶體的數(shù)量，使聚丙烯酰胺水溶液中含有兩種形式的鈣離子：一種是溶液中游離的鈣離子，另一種是在聚丙烯酰胺和水界面被束縛的鈣離子，向溶液中加入草酸鈣溶液，草酸鈣分子與游離的鈣離子發(fā)生反應(yīng)時會生成穩(wěn)定的一水草酸鈣晶體，當(dāng)草酸鈣分子與被束縛的鈣離子發(fā)生反應(yīng)時，由于界面上所存在的草酸鈣過飽和度較高，因此更容易生成亞穩(wěn)定的二水草酸鈣晶體。當(dāng)草酸鈣的濃度為0.5mmol/L時，會生成橢圓形和聚集狀的一水草酸鈣及四角雙錐形的小尺寸二水草酸鈣晶體，當(dāng)草酸鈣的過飽和度逐漸增加為1.0mmol/L時，則會生成花生狀的一水草酸鈣的晶體和少量花狀的二水草酸鈣聚集體，并且二水草酸鈣晶體的尺寸明顯增加，當(dāng)草酸鈣的過飽和度逐漸增加為2.0mmol/L時，二水草酸鈣的晶體逐漸增加，出現(xiàn)少量十字狀二水草酸鈣晶體，并且晶體厚度增加。通過X射線粉末衍射定量計算，當(dāng)草酸鈣過飽和度逐漸增加，一水草酸鈣的面峰逐漸減弱，從而促進(jìn)了二水草酸鈣的形成。