МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тверской государственный технический университет»
(ТвГТУ)
Кафедра Биотехнологии и химии
По тему “Методы исследование концентрированных фаз”
Кафедра Биотехнологии и химии
Курсовая работа
по курсу “Строение вещества”
на тему “Методы исследование конденсированных фаз”
Выполнил:
Студент 2-ого курса гр. ХИМ 1105
Сакифио Х.
Проверил:
доц.каф.БТи Х,.Б.А.В
Тверь 2012
Содержание
Bведение……………………………………………………………………….4
1 конденсированный фаз…………………………………………………….5
2 Структурная классификация конденсированный фаз………………..........5
2.1Кристаллы…………………………………………………………………..5
2.1.1Идеальный кристалл…………………………………………………….5
2.1.2Реальный кристалл……………………………………………………….6
2.2Симметрия кристаллов……………………………………………………..6
2.3Типы кристаллических решеток………………………………………….6
2.4Колебания в кристаллах…………………………………………………..8
3.Сингонии……………………………………………………………………10
4.Индексы кристаллографических граней………………………………….10
5.Строение твердых растворов………………………………………………11
6.Аморфные вещества………………………………………………………..13
6.1.Строение жидкостей и аморфных веществ…………………………….14
7.Особенности строения полимерных фаз………………………………….16
8.Методы исследования внутреннего строения кристаллов……………..18
8.1.Рентгеновские методы…………………………………………………...20
8.1.1.Нейтронография………………………………………………………20
8.1.2Описане метода……………………………………………………….....23
8.1.3Применение……………….…………………………………………….24
8.2.1.Оптическая спектроскопия……………………………………………25
8.2.2.Инфракрасная и рамановская спектроскопия………………………..26
Заключение…………………………………………………………………..28
Список литературы………………………………………………………..29
ВВЕДЕНИЕ
Молекулярное и электронное строение конденсированных фаз в целом более сложно, чем строение отдельных молекул. Это связано с тем, что в конденсированной фазе необходимо рассматривать взаимное расположение и взаимодействие очень большого количества атомов.
Цель работы:
1)изучение конденсированный фаз и структурная классификация конденсированных фаз
2)Кристаллы и типов кристаллов
3) Строение твердых растворов
4)Аморферные вещества и строение жидкостей и аморфных веществ
5)Методы исследования внутреннего строения кристаллов
1 Конденсированный фаз
Либо твердой или жидкой фазы материала
В порядке возрастания энтальпия, состояний вещества являются твердыми, жидкими, газа и плазмы. Твердых тел и жидкостей совместно именуемые конденсированных сред. Эти состояния характерны сильные межмолекулярные силы, которые поддерживают местные порядке, сохраняя расстояние между отдельными молекулами или атомами в непосредственной границы. Тем не менее, в жидкости, валентных углов может колебаться на коротком масштабе времени, что позволяет жидкости и изменяет свою форму. Конденсированных фазах, устойчивы к сжатию, их сжимаемостью, т.е. изменение объема на единицу изменения давления, мала по сравнению с газами.
2.Структурная классификация конденсированных фаз
2.1Кристаллы
Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).Следует разделить идеальный и реальный кристалл.[1]
2.1.1 Идеальный кристалл
Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.[1]
2.1.2Реальный кристалл
Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.[1]
2.2 Симметрия кристаллов
симметрия кристаллов свойство кристаллов совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах либо при части или комбинации этих операций. Симметрия внешние. Формы (огранки) кристалла определяется симметрией его атомного строения, которая обусловливает также и симметрию физические. свойств кристалла. [2]
2.3 Типы кристаллических решеток
В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов. Существует ионные, ковалентные, металлические и молекулярные типов кристаллические решетки
Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных ионов. Так построены кристаллы хлорида натрия, иодида калия, фторида кальция.
В образовании ионных кристаллов многих солей участвуют одноатомные катионы металлов и многоатомные анионы, например, нитрат-ион NO3−, сульфат-ион SO42−, карбонат-ион CO32−.
В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов. Весь кристалл можно считать огромной молекулой. Размерытакой молекулы не ограничены, поскольку она может расти, присоединяя новые катионы и анионы.
Рисунок 1 – катионы и анионы NaCl
Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.
Атомные кристаллы состоят из отдельных атомов, объединенных ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид кремния) также образуют атомные кристаллы. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при высоких температурах. Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них характерна низкая реакционная способность.
Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть. Вещества, образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.
Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.[3]
2.4 КОЛЕБАНИЯ В КРИСТАЛЛАХ
Кристалл представляет собой совокупность атомов, связанных упругими силами. В зависимости от расположения атомов кристаллическая решетка может быть простой, гранецентрированной, объёмно-центрированной и т.д. При малых амплитудах смещения атомов из их положения равновесия справедливо гармоническое приближение описания колебаний. Под действием теплового возбуждения атомы в кристалле находятся в непрерывном движении.
Рисунок 2- колебания атомов в одномерном кристалле
Рассмотрим колебания атомов в одномерном кристалле. Представим такой кристалл в виде цепочки шариков с массами m 1 и m 2, соединенных пружинами с жесткостьюc. Сила, действующая на каждый шарик, зависит от относительного смещения двух других шариков, лежащих справа и слева от рассматриваемого. Поэтому, смещение каждого шарика u n и u m (см. рисунок) задается следующей системой уравнений:
m 1(d2 u n/d t 2) = -c(2 u n - u m-1 - u m)
m 2(d2 u m/d t 2) = -c(2 u m - u n - u n+1) (1)
Эти уравнения описывают колебательное движение атомов в одномерном кристалле:
u n = A1exp{ i (kan -w t) }
u m= A2exp{ i (kam -w t) }
где a /2 - расстояние между ближайшими атомами, k =2p/l - волновое число, l - длина волны в кристалле. Уравнения, приведенные выше, имеют два решения относительно w:
w12 = (w02/2) [ 1 - (1-g2sin2(ak /2))1/2 ]
w22= (w02/2) [ 1 + (1-g2sin2(ak /2))1/2 ]
где g2 = 4 m 1 m 2/(m 1+ m 2)2;w02 = 2c (m 1+ m 2)/ m 1 m 2. Эти уравнения определяют две ветви дисперсионной кривой (так называемая акустическая ветвь и оптическая ветвь).
3.Сингонии
Классификационное подразделение кристаллов по признаку симметрии элементарной ячейки кристалла, характеризуется соотношениями между её рёбрами и углами. Существует 7 сингоний: кубическая, гексагональная, тетрагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная, триклинная.
Трехмерная система координат в анизотропной кристаллической среде выбирается в соответствии с симметрией среды[5]
Рисунок 3- кристаллы кубической сингонии
4.Индексы кристаллографических граней
Индексы кристаллографических граней - три целых числа, определяющие расположение в пространстве граней и атомных плоскостей кристалла (индексы Миллера), а также направлений в кристалле и его рёбер (индексы Вейса) относительно кристаллографии осей. Прямая и параллельное ей ребро, определяемые индексами Вейса р1, р2, р3 (обозначаются [p1p2p3]), проходят из начала координат О в точку А, определяемую вектором p1a+p2b+p3c, где а, b, с - периоды решётки (на рис. прямая ОА определяется индексами Вейса. Кристаллография плоскость отсекает на осях координат, построенных на векторах a., b, c, отрезки р1а, p'2b, р'3с (p'1, р'2, р'3 - целые числа); щелочил обратные отношения 1/p'1: 1/p'2: 1/p'3=h:k:l определяют индексы Миллера (hkl)данной плоскости. Напр., для плоскостей Р на рис. p'1=2, p'2=3, р'3=6; обратные отношения этих величин 1/2:1/3:1/6 можно привести к целым числам: 6/2: 6/з: 6/6=3:2:1, т. е. плоскость Р определяется миллеровскими индексами[6]
Прямая ОА с индексами Вейсаи плоскость Р с индексами Миллера; Ох, Оу, Оz - кристаллографические оси
Рисунок 4
5.Строение твердых растворов
При охлаждении и кристаллизации образуются твердые растворы и промежуточные фазы.
Твердый раствор — это такая фаза, в которой атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого компонента. Твердый раствор сохраняет кристаллическую решетку основного компонента (или растворителя). В зависимости от того, в каких местах кристаллической решетки находятся атомы растворенного компонента, различают твердые растворы замещения и внедрения.
Рисунок 5- различные типы твердых растворов
Упорядоченные твердые растворы, для которых расположение атомов растворенного элемента в кристаллической решетке основного элемента имеет определенную закономерность, иногда обозначают химической формулой, например, Cu3Au или CuAu. Перестройка структуры твердого раствора при переходе от одного упорядоченного состояния в другое влияет на физические и механические свойства сплавов. При этом структурных изменений под микроскопом чаще всего не наблюдается. Упорядоченность может быть уменьшена или полностью устранена при пластической деформации.
6.Аморфные вещества
Главный признак аморфного (от греческого " аморфос " - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.
В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.
Аморфные тела изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.[7]
6.1.Строение жидкостей и аморфных веществ.
Жидкое состояние является наименее изученным агрегатным состоянием вещества. По своему строению жидкости занимают промежуточное положение между твердыми кристаллическими телами со строго определенной периодической структурой и газами, характеризующимися отсутствием упорядоченности в движении частиц. Структура и физические свойства жидкостей зависят от химического строения молекул и от характера взаимодействия между ними. Для жидкостей, образованных полярными молекулами (вода, этанол), характерно явление ассоциации, то есть сцепление молекул в сложные агрегаты. Определяющую роль в этих процессах играют водородные связи. Взаимное расположение агрегатов не фиксировано, они способны перемещаться относительно друг друга. При этом их состав непрерывно меняется.
В общей массе связанных между собой молекул жидкости всегда встречаются сгущения, разрежения и даже пустоты, непрерывно мигрирующие по всему объему. Время, проходящее между перескоком (трансляцией) частицы одного агрегата в другой, очень мало. Но за это время молекула успевает сделать в составе агрегата от десяти до ста колебаний около положения равновесия. Применение рентгеновских лучей к исследованию жидкостей выяснило несомненный факт, что в основе строения последних лежит некоторая упорядоченная структура.
О строении жидкостей из данных, независимых от рентгеновского анализа, мы знали до последнего времени очень мало. Вопрос о структуре жидкости считался решенным теорией Ван – дер – Ваальса, установившей непрерывность газообразного и жидкого состояния. Согласно этой теории жидкость представляется как сильно сжатый газ. Разница между газом и жидкостью заключается в том, что, в то время как газ удерживается только внешним давлением, объем жидкости сохраняется главным образом за счет внутреннего давления, являющегося результатом действия молекулярных сил в жидкости.
Но теория Ван – дер – Ваальса оставляет незатронутым целый ряд вопросов, имеющих непосредственное отношение к строению жидкостей.
Несмотря на значительную подвижность молекул, характерную для жидкого состояния, внутри жидкости имеет место некоторая средняя закономерность в расположении рассеивающих центров.
Для большинства жидкостей квазикристаллическая структура очень сложна. Для не одноатомных жидкостей геометрические условия наиболее плотной упаковки вызывают влияние формы молекул на структуру жидкости (органические жидкости – Стюарт). Далее, в целом ряде случаев оказывается, что распределение молекул в жидкости не подчиняется требованиям плотной упаковки. Упорядоченность молекул осуществляется здесь за счет сил, подобных тем, какие связывают их в кристалл в твердом состоянии. При этом для всех, вероятно, жидкостей с приближением в точке кристаллизации расположение молекул меняется, приближаясь к тому, какое имеет место в кристаллах того же вещества.
На структуру жидкости можно воздействовать не только изменением температуры. Вводя, например, электролиты, мы можем заметно влиять на степень упорядоченности молекул, понижая ее или повышая (Майер – растворы электролитов в воде и Стюарт – растворы LiCl в нормальных спиртах).
Стюарт полагает, что в настоящее время рентгеновские данные о природе квазикристаллических образований допускают два возможных их истолкования. Одно из них заключается в том, что в жидкости в областях порядка 10 –20 АОО 
господствует упорядоченность рассеивающих центров, приближающуюся очень близко к кристаллической. Вся жидкость при этом может рассматриваться состоящей из собрания очень мелких кристалликов, разделенных в отличие от твердых поликристаллических тел аморфными прослойками.
Другая точка зрения на молекулярную упорядоченность в жидкостях соответствует так называемому сиботаксическому состоянию жидкости.
В какой – либо момент времени вся жидкость представляется с этой точки зрения состоящей из небольших областей, в которых молекулы упорядочены. При этом молекулы, постоянно смещаясь, не пребывают продолжительное время в одной и той же сиботаксической группе. Последние так же не представляют из себя образований, существующих продолжительное время.[7]
7.Особенности строения полимерных фаз
Молекулы, несмотря на разнообразие их химических и физических свойств, имеют общие черты и поэтому образуют определенную категорию материальных систем. Однако, когда в молекуле число атомов, соединенных друг с другом ковалентными химическими связями, очень велико, возникают сначала кластеры (как установилось называть в неорганической химии и материаловедении объединения нескольких атомов или группировок в одну) или олигомеры (как принято называть в химии высокомолекулярных соединений вещества, свойства которых ощутимо изменяются при изменении на одну или несколько числа элементарных звеньев в молекуле) и, наконец, полимеры. В полимерах изменение степени полимеризации макромолекулы на одну или несколько единиц не изменяет свойств полимера.
Макромолекулы (гигантские молекулы) полимеров по многим свойствам качественно отличаются от обычных молекул. Некоторые из их свойств не встречаются у обычных молекул. К ним относятся: гибкость, скручиваемость молекул, их способность свертываться в спирали и клубки, медленное изменение свойств со временем (старение), сильная зависимость свойств полимеров от их формы макромолекул и др.
Линейные (цепочечные) полимеры различной структуры или формы значительно отличаются по своим свойствам, но имеются и некоторые общие характерные для этого вида полимеров особенности. Полностью линейный полимер может растворяться в соответствующем растворителе, так как между его молекулами (более или менее вытянутыми вдоль прямых или свернутыми в клубки) действуют ван-дер-ваальсовые силы того же порядка величины, как и между молекулами растворителя и макромолекулами. Поэтому молекулы соответствующего растворителя ослабляют связи между макромолекулами.
Линейные макромолекулы расположены и веществе более или менее параллельно друг другу. Этим объясняется относительно высокая прочность на разрыв н упругость линейных полимеров. Оси таких макромолекул лежат вдоль прочных ковалентных связей; перпендикулярно им из-за приблизительно параллельного положения молекул во многих местах возникают хотя и слабые в отдельности, но сильные в своей совокупности ван-дер-ваальсовым связи. Так что прочность на разрыв оказывается не малой и в направлении, перпендикулярном оси макромолекулярной конструкции. Все же эти вещества подвержены воздействию растворителя, поскольку из-за гибкости макромолекулы небольшие молекулы последнего могут отщеплять ван-дер-ваальсовые связи по группам. Многие линейные полимеры удается расплавлять и без расщепления макромолекул, так как под действием энергии теплового движения могут последовательно разрываться отдельные слабее связи.
Разветвленные полимеры также способны растворяться в соответствующих растворителях, причем даже лучше, чем линейные полимеры того же химического состава и равной молярной массы. Разветвление макромолекул препятствует их параллельному расположению даже при плотной упаковке, в результате связи, удерживающие соседние макромолекулы, ослабляются, а относительно рыхлая упаковка облегчает проникновение молекул растворителя. Поэтому прочность на разрыв у разветвленных полимеров меньше, чем у линейных.
Свойства сетчатых полимеров существенно отличаются от свойств линейных и разветвленных полимеров. Без расщепления они не растворяются и не могут быть расплавлены. Образование сетки приводит к возникновению химических связен между линейными макромолекулами, которые достаточно сильны н поэтому молекулы растворителя не могут расщепить их. Физические свойства этих веществ существенно зависят от вида и числа химических связей между молекулами. С увеличением числа связей повышается твердость веществ и уменьшается их эластичность; в известном смысле эти материалы по своим свойствам приближаются к кристаллу.[7]
8.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ
Первыми вопросами, которые мы задаем себе, сталкиваясь с тем или
иным уникальным явлением природы, новым открытием или новым
свойством вещества, являются вопросы, связанные с сущностью наблюдаемого явления, его природой, причинами возникновения тех или иных свойств. А поскольку все основные свойства кристаллов, многие из которых делают их незаменимыми в различных областях научной и производственной деятельности человека, определяются как их составом, так и внутренним строением, т. е. закономерностями расположения материальных частиц — атомов и молекул, то особое значение при исследовании кристаллов приобретают методы, дающие наиболее полные сведения об их атомной структуре — дифракционные и спектроскопические методы, развитие которых связано с достижениями физики твердого тела. С помощью одних методов можно определить идеализированную структуру соединения с усредненным положением атомов, с помощью других — изучить реальную структуру с ее более тонкими особенностями, дефектами. Среди дифракционных наиболее распространены и доступны методы, основанные на дифракции рентгеновских лучей на кристаллах — так называемые рентгеноструктурный и рентгенофазовый методы анализа.
Следует также отметить нейтронографический и электронографический
методы, получившие в последние годы широкое распространение.
В экспериментальной области большую помощь кристаллохимии
оказывают многие методы молекулярной атомной и ядерной спектроскопии, работающие в различных диапазонах длин волн, такие как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс(ЯМР), инфракрасная спектроскопия (ИКС), ядерный гамма-резонанс(ЯГР) — эффект Мессбауэра, методы комбинационного рассеяния света(рамановская спектроскопия), термические исследования, методы рентгеновской спектроскопии, электронной спектроскопии, люминесцентные и др., позволяющие, в частности, решать специальные задачи, связанные с существованием дефектов в реальных кристаллах.
Современные физические методы исследования вещества, использующие
новейшую технику, позволяют количественно охарактеризовать некоторые из важнейших свойств кристаллов, а также познать и изучить
новые, ранее неизвестные их особенности.[8]
8.1ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА
К дифракционным методам исследования вещества относятся методы рентгенографии, электронографии и нейтронографии, основанные на общих принципах дифракции волн на кристаллической решетке. Различия касаются характера взаимодействия излучения с атомами кристаллического вещества. Если рентгеновские лучи рассеиваются электронами атомов, то электроны — действием электрического поля электронов атома и атомных ядер; рассеяние же нейтронов обусловлено их взаимодействием с ядрами вещества.[8]
8.1.1Рентгеновские методы
Рентгеновские методы исследования вещества, как наиболее простые и доступные, используются в современных лабораториях наиболее широко. Они основаны на использовании открытых в 1895 г. Немецким физиком В. К. Рентгеном Х-лучей, названных впоследствии его
именем. Однако долгое время природа этих лучей оставалась неясной.
Было лишь высказано предположение о возможном волновом характере
этого излучения и малой длине волн. И только в 1912 г. по инициативе
немецкого физика М. Лауэ и под его руководством ученики В. Рентгена
П. Фридрих и В. Книппинг, пропустив рентгеновские лучи через кристалл,
зарегистрировали их дифракцию. Кристалл в этом случае сыграл
роль дифракционной решетки. Таким образом, этим опытом, с одной
стороны, было подтверждено предположение о закономерном — решетчатом строении кристаллов, а с другой — установлена волновая природа рентгеновских лучей. Было определено, что длина волн рентгеновских лучей в 10 тыс. раз меньше длины волны видимого света, т.е. соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллических структурах веществ и составляет 10~10-10""7 см.
Благодаря открытию дифракции рентгеновских лучей на кристаллах
стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать
рентгеновские лучи, а с другой — с помощью этих лучей изучать строение
кристаллов. Это второе направление и было названо рентгеновским
анализом.
Дифракционная картина, явившаяся результатом взаимодействия
рентгеновских лучей со структурой кристалла, несет информацию о строении, степени его кристалличности или аморфности. Для получения такой картины используются две особенности рентгеновских лучей: свойство проникать внутрь кристаллических тел и способность диффамировать от атомов, молекул, периодически повторяющихся в структурах кристаллов. М. Лауэ не только показал это экспериментально, но и дал математическую интерпретацию явления дифракции, ставшего основой современного учения о строении кристаллических тел.
Широкое применение рентгенографических исследований, автоматизация
процессов анализа, повышение точности исследований позволяют
на современном этапе решать существенные прикладные задачи:
1. диагностировать минералы;
2.изучать качественно и количественно состав горных пород и руд;
3.исследовать фазовые превращения в минералах под воздействием
высоких и низких температур, высоких давлений;
4.изучать изоморфные примеси;
5.определять степень дисперсности минералов;
6.изучать строение и дефектность кристаллических структур;
7.получать дифракционные картины с зерен минералов непосредственно
в шлифе.[8]
8.1.2Нейтронография
Нейтроногра́фия (от нейтрон и «граф» — пишу) — дифракционный метод изучения атомной и/или магнитной структуры кристаллов, аморфных материалов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов.
8.1.3Описание метода
Для получения дифракционных спектров используются тепловые нейтроны, получаемые в ядерных реакторах. Так как характерные межатомные расстояния в твердых и жидких телах составляют порядка 1 Å, дифракция возможна, если используемые нейтроны имеют энергию порядка 0,06 эВ, что соответствует длине волны излучения порядка 1 Å.
Исследуемый объект облучается пучком нейтронов, который рассеивается на атомах вещества. Для регистрации рассеяния используются нейтронные спектрометры, при помощи которых измеряется интенсивность рассеяния нейтронов в зависимости от угла дифракции, аналогично рентгеновской дифрактометрии. По полученным дифракционным спектрам восстанавливается атомная структура исследуемого объекта.[9]
Рисунок 6- Схематическое изображенное нейтронного дифрактометра
8.1.2. Применение
При интерпретации нейтронных дифракционных спектров пользуются геометрической теорией дифракции, применимой также и к дифракции электронов и рентгеновских лучей. Каждое из этих излучений имеет специфику взаимодействия с веществом, что определяет их область применения.
Рассеяние нейтронов происходит на ядрах атомов, что приводит к отсутствию систематической зависимости амплитуды рассеяния от порядкового номера химического элемента, в отличие от рассеяния электронов и рентгеновских лучей. Это позволяет использовать нейтронографию для определения положения атомов элементов-соседей в Периодической системе.
Амплитуда рассеяния нейтронов легких атомов (с маленьким зарядовым числом) сравнима с амплитудой рассеяния тяжелых атомов, что делает нейтроны незаменимыми при определении положения атомов водорода в гидридах металлов, углерода в карбидах металлов и т. п.
Некоторые ядра рассеивают нейтронные волны в фазе, что нашло применение в методе нулевой матрицы, когда подбирается такой состав, чтобы суммарная амплитуда рассеяния атомов одной из подрешёток была равна нулю. В этом случае рассеяние будет происходить только лишь от другой подрешётки и если это — атомы лёгких элементов, определение их координат в элементарной ячейке значительно упрощается.
Поскольку амплитуда рассеяния нейтронов не зависит от угла рассеяния, их можно использовать для изучения атомной структуры жидкостей и аморфных материалов.
Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к тому, что они рассеиваются вследствие взаимодействия и с атомными ядрами, и с имеющими магнитные моменты электронными оболочками. Поэтому нейтроны являются единственным инструментом для изучения магнитного упорядочения в магнетиках, где имеется корреляция между направлениями магнитных моментов. Так, благодаря магнитной нейтронографии были обнаружены новые классы магнитных материалов — антиферромагнетики и ферримагнетики.[9]
8.2.СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Современное развитие методов кристаллохимических исследований
тесно связано с достижениями физики твердого тела. Во второй половине
X X в. методы исследования вещества пополнились методами спектроскопии твердого тела: оптической, инфракрасной и рамановской спектроскопиями, рентгеноспектральным методом, методами электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса и др. Спектроскопические методы дают сведения о зарядовом состоянии атомов, их координационном окружении, локальной симметрии ближайшего окружения, внутрикристаллическом распределении частиц и дефектов, изоморфных замещениях, фазовой принадлежности минералов и др.[8]
8.2.1Оптическая спектроскопия
Оптическая спектроскопия изучает оптически активные центры
(ОАЦ) окраски и плеохроизм минералов. Спектроскопические характеристики обусловлены особенностями состава и строения кристаллов на атомно-электронном уровне. В настоящее время оптическая спектроскопия широко применяется как один из эффективных методов исследования тонких конституционных особенностей минералов.
Основной задачей метода является установление природы и объяснение
кристаллохимических моделей оптически активных центров, селективно
поглощающих излучение оптического диапазона электромагнитного
спектра. ОАЦ — это разно валентные ионы d- и /-элементов (как
видообразующие, так и примесные), создающие в структурах минералов
различные координационные комплексы: электронные и дырочные центры окраски, свободные неорганические радикалы.
Большинство ОАЦ в структурах минералов поглощает электромагнитное
излучение видимого диапазона, что в той или иной степени
обусловливает окраску минералов. В этом случае они могут
рассматриваться в качестве хромоформных центров, или центров
окраски. В этой связи оптическая спектроскопия является основным
методом исследования природы таких важнейших диагностических и
типоморфных свойств минералов, как окраска и плеохроизм (см. параграф
7.2.5).
Оптические спектры поглощения содержат важную кристаллохимическую информацию, являющуюся основой во многих случаях для генетических выводов. Исследования и надежная интерпретация ОАЦ позволяют решать многие задачи: определять характер их распределения
по структурно неэквивалентным позициям; устанавливать валентное
состояние и положение таких центров; оценивать для ионов переходных
металлов характер взаимодействия типа металл—лиганд и металл—металл и др. Отдельные виды ОАЦ или их сочетания могут быть использованы как геохимические и генетические индикаторы, надежные типоморфные признаки.
Изучение ОАЦ проводится на автоматизированных спектрофотометрах,
снабженных микро приставками на базе микроскопов, позволяющих
осуществлять съемку препаратов минералов в поляризованном и
неполяризованном свете. Поляризованные оптические спектры поглощения принято снимать по осям оптической индикатрисы. В минералах средней категории и ромбической сингонии с этими направлениями совпадают оси эллипсоида поглощения и кристаллографические оси.[8]
8.2.2Инфракрасная и рамановская спектроскопия
В последнее время все более широко внедряется метод, основанный
на анализе спектров поглощения или отражения, возникающих
при взаимодействии инфракрасного излучения с молекулами и атомами
кристаллического вещества, — метод инфракрасной спектроскопии
(ИКС).
Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение с длиной
волны от 0,76 до 1000 мк. Падая на твердое тело, ИК-лучи частично
отражаются, частично проходят через него. Измеряя зависимость коэффициентов пропускания и отражения от длины волны, можно получить для вещества ИК-спектры либо отражения, либо пропускания, являющиеся характеристикой минерала и могущие служить для диагностики или изучения его строения.
Установление теоретических эмпирических закономерностей изменения
ИК-спектров вещества от особенностей его строения позволяет
по ним диагностировать минералы, определять степень кристалличности
вещества, выявлять наличие атомных группировок (например, SO^2 ',
SiO/", РС^3" и т. п.), определять форму вхождения воды в структуру минерала(ОН~, Н 2 0, Н3 0 +), изучать фазовые превращения веществ при нагревании, характер примесей и решать многие другие вопросы.
Перечисленные особенности строения исследуемых веществ могут
быть выявлены только при сравнении с предварительно полученными
ИК-спектрами веществ различных кристаллохимических групп.
Активными колебаниями для романовской спектроскопии (спектроскопии
комбинационного рассеяния) являются те, которые запрещены для
ИКС. Разработка этого метода стала возможной после создания мощных
монохроматических источников света типа лазеров. Ч. В. Роман установил, что на спектрограмме кроме линий релеевского рассеяния света появляются еще две линии (справа и слева), несущие информацию о строении отдельных молекул и группировок, входящих в кристаллические
структуры веществ и жидкостей.[8]
Заключение
По окончание,, узнал что конденсированный фаз-это либо твердой или жидкой фазы материала. Твердых тел и жидкостей совместно именуемые конденсированных сред. Эти состояния характерны сильные межмолекулярные силы, которые поддерживают местные порядке, сохраняя расстояние между отдельными молекулами или атомами в непосредственной границы. Кристаллы делаются на идеальные и реальные. Твердый раствор — это такая фаза, в которой атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого компонента. На основе растворителя — химического элемента — возможны два типа твердых растворов: растворы замещения и растворы внедрения. Для Методы исследования внутреннего строения кристаллов существует дифракционные методы исследования вещества и спектроскопические методы. Дифракционные методы исследования вещества относятся рентгеновские методы электронография и нейтронография. спектроскопические методы относятся оптическая спектроскопия и
инфракрасная и романовская спектроскопия.
Литература
[1] http://www.alhimik.ru/stroenie/gl_17.html
[2] П.М. Зоркий.Симметрия молекул и кристаллических структур. «МГУ», 1986
[3]Неорганическая Химия. Строение вещества и реакционная способность. Пер. с англ./Пор ред. Б.Д Степина, Р.А Лидина,-М: Химия,1987
[4]http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/phon_txt.htm
[5]dic.academic.ru/dic.nsf/es/52546/сингония
[6] http://femto.com.ua/articles/part_1/1337.html
[7] http://setar91.narod2.ru/st1.htm
[8]Ю.К Егоров-Тисменко. Кристаллография и кристаллохимия под ред.академика В.С Урусова-М:КДУ,2005
[9]http://ru.wikipedia.org/wiki/
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 35 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Администрация города нижнего Новгорода | | | Тема: Графічний редактор: «Paint» |