Методы химического анализа «Кристаллографический метод»

 

Федеральное государственное бюджетное

Образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

«Забайкальский государственный университет»

(ФГБОУ  ВПО «ЗабГУ»)

Факультет дополнительного профессионального  образования

(ФДПО)

Техносферная  безопасность

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине: Химия

Методы  химического анализа «Кристаллографический метод»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. ТБС-11-1

                       Нугманов  Р.М.

Проверила: Лимберова В.В.

 

 

Чита 2012

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Сущность аналитического метода……………………………………….........4

2. Приборы и реактивы, использующиеся в данном методе...............................7

3. Применение метода……………………………………………………………9

Заключение ………………………………………………………………………12

Источники………………………………………………………………………..13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Наука о кристаллах  кристаллография  изучает законы строения твердых  тел, характеризует кристаллическое  вещество закономерным геометрически  правильным внутренним строением.

Доказано, что кристаллическое  строение свойственно подавляющему большинству минералов и горных пород, слагающих земную кору, а значит, имеет первостепенное значение в  строении Земли.

В промышленности все материалы (металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и кирпич, и п.т.) состоят из кристаллических зерен минералов.

 Кристаллография создала  целый ряд специальных кристаллографических  методик, имеющих большое практическое  значение и распространение.

Наука о кристаллах дает общее понятие о свойствах  и строении твердого вещества. Поэтому  входит в комплекс общеобразовательных  дисциплин.

Является основой для  происхождения предметов минерального цикла минералогии, петрографии, геохимии, учения о месторождениях полезных ископаемых.

    Многие учёные  России внесли вклады в развитие  этой науки. Такие как: М.В.  Ломоносов,    А. В. Гадолин,    Е. С. Федоров, Ю. В. Вульф и многие другие.

Кристаллография и в настоящее  время представляет огромный интерес  и постоянно добавляется, новыми специалистами.

 

 

 

 

 

 

1. Сущность кристаллографического метода.

До открытия дифракции  рентгеновских лучей основным методом  описания и идентификации кристаллов был метод, основанный на гониометрии. Наблюдение и измерение огранения кристаллов, установление законов огранения предмет геометрической кристаллографии. На основе геометрической кристаллографии возникла гипотеза об упорядоченном, трёхмернопериодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, в современном понимании атомов и молекул, которые образуют кристаллическую решетку. Геометрическая кристаллография изучает основные метрические характеристики кристаллической решетки, периоды повторяемости и углы элементарной ячейки, разрабатывает методы их описания и устанавливает закономерности их огранения.

Учение о симметрии  кристаллов, получившее в последнее  время интенсивное развитие, является теоретической основой кристаллографии.

 Симметрия  наиболее общая закономерность, присущая строению и свойствам кристаллического вещества, которое по своим макроскопическим признакам можно определить как однородную анизотропную симметричную среду. Большой вклад в развитие теории симметрии и антисимметрии внесли А. В. Шубников и Н. В. Белов. Основами математического аппарата кристаллографии помимо теории групп симметрии кристаллов является тензорное исчисление.

Кристаллография и такие  ее разделы, как кристаллохимия и  кристаллофизика тесно взаимосвязаны  со смежными науками. Кристаллофизика  рассматривает в основном электрические, оптические, механические свойства кристаллов и их симметрийные закономерности и непосредственно примыкает к физике твердого тела, которая сосредоточивает свое внимание больше на анализе общих закономерностей физических свойств и энергетического спектра решетки. Кристаллохимия изучает закономерности расположения атомов в кристаллах, природу химической связи между ними, атомную структуру реальных кристаллов.

Результаты, полученные при  структурных исследованиях кристаллов, легли в основу структурной кристаллографии. Структурная кристаллография исследует  атомно-молекулярное строение кристаллов методами рентгеноструктурного анализа, электронографии, нейтронографии, электронной  микроскопии. Используются также методы оптической спектроскопии, в том  числе инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и т. д.

В связи с общностью  подхода к атомному строению вещества и близостью дифракционных методик, используемых в структурной кристаллографии, кристаллографические теории и методы дают выход кристаллографии в  металловедение и материаловедение полупроводников и диэлектриков, минералогию, органическую химию и  химию полимеров, молекулярную биологию, в изучение жидкостей и газов.

Кристаллография изучает  процессы образования кристаллов с  позиций макроскопической и статистической термодинамики и физикохимической кинетики: процесс зарождения кристаллов, анализ молекулярной кинетики движения фазовой границы, ее морфологии, тепло и массоперенос при кристаллизации, формы роста, процессы дефектообразования. Исследование структуры реальных кристаллов, дефектов кристаллов, дислокаций и точечных дефектов, условия их образования и влияние на свойства реальных кристаллов важнейшие прикладные области кристаллографии. Теория и практика синтеза кристаллов поддерживаются достижениями химии и физической химии.

Кристаллография изучает  также строение и свойства разнообразных агрегатов из микрокристаллов поликристаллов, текстур, керамик, а также веществ с атомной упорядоченностью, близкой к кристаллической жидких кристаллов, полимеров. Симметрийные и структурные закономерности, изучаемые кристаллографией, находят применение в рассмотрении общих закономерностей строения и свойств конденсированного состояния вещества: аморфных тел и жидкостей, полимеров, биологических макромолекул, надмолекулярных структур и т. п. Этим занимается обобщенная кристаллография.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Приборы и реактивы, использующиеся в данном методе.

Универсальный кристаллографический оптический аппарат проф. П. Грота (в Мюнхене) является одним из самых важных приборов в кристаллографии и минералогии. Он представляет из себя усовершенствование прибора Нёрренберга и может служить как для исследования минералов в сходящемся свете, так и в параллельном поляризованном свете.

 Г. в кристаллографии  называется прибор, служащий для  измерения величины двугранных  углов кристаллов. Из большого  числа разных типов этого прибора  здесь рассматриваются два простейших.

Осевой цилиндр внутри просверлен насквозь так, что в нем  без трения, но плотно вращается  стержень с помощью круглой рукоятки Т; с другой стороны (левой на чертеже) к этому стержню присоединена система рычагов, представляющая так  называемый кристаллоносец ; в кристаллоносце коленчатый рычаг вращается около шпенька, через который проходит стерженек с металлическою пластинкою, которая подвижна и может быть легко вынимаема из разреза в стерженьке. С помощью задержки внизу лимба этот последний устанавливается так, что 0° или 180° его делений совпадает с 0° нониуса. Затем, воском приклеивается кристалл к пластинке кристаллоносца так, чтобы на глаз ребро измеряемого угла примерно совпадало с продолжением оси вращения лимба, что легко сделать вследствие подвижности отдельных частей кристаллоносца. После этого приступают к точной установке кристалла, такой, чтобы ребро измеряемого угла совпало с осью вращения лимба; тогда кристалл будет юстирован и центрирован. Юстировкою ребра кристалла называется приведение его в положение, параллельное оси вращения лимба, а центрировкою совмещение с этою осью; очевидно, что одной центрировки недостаточно, так как ребро кристалла может совпадать в одной точке с осью лимба и при вращении кристалла, независимо от лимба, с помощью рукоятки Т, будет подниматься и опускаться, не сходя одною точкою с оси вращения и описывая при этом коническую поверхность. Для юстировки кристалла помещают его таким образом, чтобы при всех поворотах лимба от обеих плоскостей двугранного угла были видны изображения сигнала S в одинаковом положении и длинные стороны этого прямоугольника были перпендикулярны плоскости лимба.

После этого для центрировки  глаз помещается таким образом, чтобы  ребро кристалла совпадало с  длинным краем сигнала S'; затем  с помощью рукоятки кристалл повертывается  на 180°; при этом возможны два случая: 1) ребро вышло из поля зрения и  глаз наблюдателя видит прямо  длинную сторону сигнала S', так  как ребро кристалла поднялось  выше сигнала; это значит, что ребро кристалла было ниже оси вращения лимба и его необходимо подвинуть выше вместе с пластинкою в разрезе; 2) при повороте на 180° кристалл закрыл верхнюю сторону бумажного прямоугольника S', значит ребро кристалла было выше оси вращения лимба и его следует подвинуть ниже. Поворачивая кристалл таким образом несколько раз, мы достигаем наконец достаточно точной установки его и тогда приступаем к измерению углов на основании вышеизложенного принципа. Установив лимб неподвижно на 0° нониуса, мы приближаем глаз к самому кристаллу и осторожно поворачиваем плоскость АС кристалла на малые углы кверху и книзу, до тех пор, пока отраженный от нее сигнал S не совпадает в нашем глазу с сигналом S', видимым непосредственно; тогда, удерживая глаз в прежнем положении, с помощью рукоятки Т вращаем лимб с заключенным внутри его стержнем R и прикрепленным к этому последнему кристаллоносцем до тех пор, пока плоскость кристалла AB не совладеть с AD, что будет соответствовать новому совпадению сигналов. Величина угла BAD определяется отсчетом на лимбе.

 

 

 

 

 

3. Применение метода.

Метод Лауэ

Метод Лауэ применяется на первом этапе изучения атомной структуры  кристаллов. С его помощью определяют сингонию кристалла и лауэвский класс (кристаллический класс Фриделя с точностью до центра инверсии). По закону Фриделя никогда невозможно обнаружить отсутствие центра симметрии на лауэграмме и поэтому добавление центра симметрии к 32м кристаллическим классам уменьшает их количество до 11. Метод Лауэ применяется главным образом для исследования монокристаллов или крупнокристаллических образцов. В методе Лауэ неподвижный монокристалл освещается параллельным пучком лучей со сплошным спектром. Образцом может служить как изолированный кристалл, так и достаточно крупное зерно в поликристаллическом агрегате.

Формирование дифракционной  картины происходит при рассеянии излучения с длинами волн от l min = l 0 = 12,4/U , где U- напряжение на рентгеновской трубке, до l m - длины волны, дающей интенсивность рефлекса (дифракционного максимума), превышающую фон хоть бы на 5 %. l m зависит не только от интенсивности первичного пучка (атомного номера анода, напряжения и тока через трубку), но и от поглощения рентгеновских лучей в образце и кассете с пленкой. Спектру l min - l m соответствует набор сфер Эвальда с радиусами от 1/ l m до 1/l min , которые касаются узла 000 и ОР исследуемого кристалла .

Тогда для всех узлов ОР, лежащих между этими сферами, будет выполняться условие Лауэ (для какой-то определенной длины  волны в интервале (l m ¸ l min ) ) и, следовательно, возникает дифракционный максимум - рефлекс на пленке.

Здесь пучок первичных  рентгеновских лучей вырезается диафрагмой 1 с двумя отверстиями  диаметрами 0,5 - 1,0 мм. Размер отверстий  диафрагмы подбирается таким  образом, чтобы сечение первичного пучка было больше поперечного сечения  исследуемого кристалла. Кристалл 2 устанавливается  на гониометрической головке 3, состоящей из системы двух взаимно перпендикулярных дуг. Держатель кристалла на этой головке может перемещаться относительно этих дуг, а сама гониометрическая головка может быть повернута на любой угол вокруг оси, перпендикулярной к первичному пучку. Гониометрическая головка позволяет менять ориентацию кристалла по отношению к первичному пучку и устанавливать определенное кристаллографическое направление кристалла вдоль этого пучка. Дифракционная картина регистрируется на фотопленку 4, помещенную в кассету, плоскость которой расположена перпендикулярно к первичному пучку. На кассете перед фотопленкой натянута тонкая проволока, расположенная параллельно оси гониометрической головки. Тень от этой проволоки дает возможность определить ориентацию фотопленки по отношению к оси гониометрической головки. Если образец 2 располагается перед пленкой 4, то рентгенограммы, полученные таким образом называются лауэграммами. Дифракционная картина, регистрируемая на фотопленку, расположенную перед кристаллом, называется эпиграммой. На лауэграммах дифракционные пятна располагаются по зональным кривым (эллипсам, параболам, гиперболам, прямым). Эти кривые являются сечениями дифракционных конусов плоскостью и касаются первичного пятна. На эпиграммах дифракционные пятна располагаются по гиперболам, не проходящим через первичный луч.

Для рассмотрения особенностей дифракционной картины в методе Лауэ пользуются геометрической интерпретацией с помощью обратной решетки. Лауэграммы и эпиграммы являются отображением обратной решетки кристалла. Построенная по лауэграмме гномоническая проекция позволяет судить о взаимном расположении в пространстве нормалей к отражающим плоскостям и получить представление о симметрии обратной решетки кристалла. По форме пятен лауэграммы судят о степени совершенства кристалла. Хороший кристалл дает на лауэграмме четкие пятна. Симметрию кристаллов по лауэграмме определяют по взаимному расположению пятен (симметричному расположению атомных плоскостей должно отвечать симметричное расположение отраженных лучей.