образовательное учреждение высшего профессионального образования

Белгородский государственный университет Центр коллективного пользования научным оборудованием БелГУ 308034, г. Белгород, ул. Королева 2а, тел.\факс: (4722) 58-54-15

Сборник лабораторных работ

по курсу «Физические методы исследования»

для студентов специальностей - 020101.65, 020100.62 «Химия»

Учебное пособие

Белгород, БелГУ 2009 год

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Белгородский государственный университет Центр коллективного пользования научным оборудованием БелГУ 308034, г. Белгород, ул. Королева 2а, тел.\факс: (4722) 58-54-15

УТВЕРЖДЕНО: редакционно-издательским советом университета

Сборник лабораторных работ по курсу «Физические методы исследования»

для студентов специальностей - 020101.65, 020100.62 «Химия»

Учебное пособие

Белгород, БелГУ

2009 год

Практикум по курсу «Физические методы исследования» для студентов специальностей - 020101.65, 020100.62 «Химия».

Авторы: Беляков А. Н., Даньшина Е. П., Колесников Д. А., Крыцына Е. В., Суджанская И. В., Тарасова И. Д.

Рецензенты:

Салищев Г.А. д. ф-м. н - Белгородский государственный университет,

Коротков Л. Н. д. ф-м. н – Воронежский государственный технический университет.

В учебном пособии представлены лабораторные работы по физическим методам исследования. В практикум вошли термические методы анализа, просвечивающая электронная и сканирующая электронная микроскопия, методы оптико-эмиссионной, рентгенофлюоресцентной и инфракрасной спектроскопии. Каждая лабораторная работа содержит теоретическую и практическую части.

Издание предназначено для научных работников и студентов дневной формы обучения специальностей 020101.65, 020100.62 «Химия».

Содержание

		Стр.
	Введение……………………………………………………………. 5
1	ИК-Фурье спектроскопия. Изучение колебательных свойств органических и неорганических молекул методом ИК-Фурье спектроскопии на приборе Nicolet 6700. Идентификация соединений…………………………………………………………	6
2	Термический анализ. Изучение основ работы совмещенного термического анализатора SDT Q 600…………………………...	16
3	Термический анализ. Определение коэффициента термического расширения с использованием дилатометра NETZSCH DIL 402 С……………………………………………...	35
4	Спектральные методы анализа. Определение элементного состава стали с использование рентгенофлуоресцентного спектрометра ARLOPTIM’X количественным методом………..	42
5	Спектральные методы анализа. Определение элементного состава стали с использование оптико-эмиссионного спектрометра количественным методом………………………..	58
6	Рентгенофазовый анализ. Качественный рентгенофазовый анализ на дифрактометре Rigaku Ultima IV……………………..	66
7	Электронная микроскопия. Растровый ионно-электронный микроскоп Quanta 200 3D. Исследование морфологии и элементного состава кальций-фосфатного покрытия на поверхности титанового имплантата.……………………………	84
8	Электронная микроскопия. Приготовление несамоподдерживающихся образцов для электронной микроскопии…………………………………………………………	98
9	Электронная микроскопия. Общая юстировка просвечивающего электронного микроскопа Jeol JEM-2100…………………………	104
10	Метод БЕТ, определение удельной поверхности. Освоение методики измерения удельной поверхности и пористости по методу БЕТ на автоматическом газо-адсорбционном анализаторе…………………………………………………………	114
	Приложение 1………………………………………………………	124
	Приложение 2………………………………………………………	124
	Приложение 3………………………………………………………	125

Введение

В предложенном материале представлены лабораторные работы по физическим методам исследования. В сборник вошли термические методы анализа, просвечивающая электронная и сканирующая электронная микроскопия, методы отико-эмиссионной, рентгенофлюоресцентной и инфракрасной спектроскопии.

Лабораторные работы разработаны с целью ознакомления студентов с различными методами решения прикладных задач. Термические методы дают исследователю возможность оценить характер поведение материала при нагревании. Методы электронной микроскопии позволяют ознакомиться с возможностями визуализации объектов. Спектральные методы решают задачу определения химического состава качественным и количественным методами. Описаны особенности методик, применяемых для исследования биологических объектов с помощью растрового электронного микроскопа, включающие в себя методы приготовления образцов, а также методы исследования морфологии их поверхности, внутренней структуры, а также элементного состава.

Предложенные работы в качестве объектов исследования рассматривают металлические, органические и минеральные вещества.

Весь объем исследований поможет специалистам подобрать рациональный путь решения технологических, методологических, экологических проблем, возникающих при анализе и создании материалов и изделий, при разработке технологий, обеспечивающих комфортные и безопасные условия жизнедеятельности человека.

По каждой лабораторной работе студентам предлагается оформить отчет, который включает в себя:

- название работы;

- цель работы;

- перечень приборов и материалов;

- краткое теоретическое описание работы (самостоятельная работа);

- порядок выполнения работы;

- результаты работы в виде таблиц, графиков, рисунков;

- выводы по работе (в какой мере полученный результат соответствует теоретическим положениям, как его можно было бы улучшить, какова точность проведенных измерений, причины погрешности и др.).

Лабораторная работа №1

ИК-Фурье спектроскопия. Изучение колебательных свойств органических и неорганических молекул методом ИК-Фурье спектроскопии на приборе Nicolet 6700. Идентификация соединений.

Цель работы: изучить свойства органических и неорганических молекул методом ИК-Фурье спектроскопии на приборе Nicolet 6700, научиться идентифицировать соединения.

Литература:

1. Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строений органических соединений. Таблицы спектральных данных/ Э. Преч, Ф. Бюльманн, К. Аффольтер пер. с англ.– М.:Мир, 2006.- 440с.

2. Накомото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений/К. Накомото пер. с англ.– М.: Мир, 1991. – 536 с.

3. Отто М. Современные методы аналитической химии/М. Отто, пер. с нем. – М.:Техносфера, 2008.-544.

4. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия / А. Смит; пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 328 с.

5. Козицына Л. А. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии / Л. А. Казицына, Н. Б. Куплетская. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. – 240 с.

6. Сильверстейн Р. Спектрометрическая идентификация органических соединений / Р. Сильверстейн, Г. Басслер, Т. Морил. – М.: Мир, 1977. – 590 с.

7. Плюснина И. И. Инфракрасные спектры минералов / И. И. Плюснина. – М. Изд-во Моск. ун-та, 1976. – 175 с.

Приборы, оборудование:

1. ИК-Фурье спектрометр Nicolet 6700;

2. Образцы органических соединений;

3. Образцы минеральных соединений.

Теория работы

Инфракрасная спектроскопия — раздел спектроскопии, охватывающий длинноволновую область спектра (>700 нм за красной границей видимого света). По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических и неорганических веществ с относительно короткими молекулами: антибиотики, ферменты, алкалоиды, полимеры, комплексные соединения и др.

По числу и положению пиков в ИК-спектрах поглощения можно судить о природе вещества - качественный анализ, а по интенсивности полос поглощения - о количестве вещества - количественный анализ.

Свет – это электромагнитное излучение с длиной волны  от 10^–3 до 10^–8 м. Этот диапазон длин волн включает инфракрасную (ИК), видимую и ультрафиолетовую (УФ) области. Инфракрасный интервал спектра (  1 мм  750 нм) подразделяется на дальнюю (1000 мкм  50 мкм), среднюю (50 2,5 мкм) и ближнюю (2,5 мкм  0,750 мкм) области. При комнатной температуре любое материальное тело излучает в дальней инфракрасной области, при температуре белого каления излучение сдвигается в ближнюю инфракрасную, а затем и в видимую часть спектра. Видимый спектр простирается от 750 нм (красная граница) до 400 нм (фиолетовая граница). Свет этих длин волн воспринимается человеческим глазом, и именно на эту область приходится большое число спектральных линий атомов. Диапазон от 400 до 200 нм соответствует ультрафиолетовой области, далее примерно до 1 - 10 нм следует вакуумный ультрафиолет.

Молекула органического или минерального соединения не является жесткой покоящейся системой. Атомы, которые составляют молекулу, находятся в колебательном состоянии с определенной энергией. Колебания связанных атомов в молекуле разделяют на два типа: валентные колебания - ритмичные колебания вдоль оси связи, при которых расстояние между колеблющимися атомами увеличивается или уменьшается, но сами атомы остаются на оси валентной связи (связь растягивается или сокращается); деформационные колебания – атомы отклоняются от оси валентной связи с изменением валентных углов.

При воздействии электромагнитного излучения на вещество возможен обмен энергией между полем излучения и молекулой. При этом должно выполняться соотношение Бора:

∆Е=hν, где ∆Е – разность энергий двух квантовых состояний, h – постоянная Планка, ν – частота излучения. Таким образом, если ∆Е=Е''-Е', где Е'' – квантовое состояние с более высокой энергией, чем Е', то молекула поглощает излучение при переходе из Е' в Е'', при переходе из Е'' в Е' молекула испускает излучение той же частоты. В результате атомы, связанные друг с другом в молекуле, начинают более интенсивно колебаться относительно некоторых исходных положений.

Частота ν связана с волновым числом ν' и длинной волны λ соотношением:

ν=с/λ=с ν',

где с – скорость света.

Молекулярная связь поглощает фотоны такой же частоты, с какой колеблется сама, т. е. частота поглощенного излучения равна частоте колебаний определенной связи в молекуле.

Поглощение Т ИК-излучения фиксируется как ослабление интенсивности I прошедшего через образец света, по отношению к исходной интенсивности I₀ Т=I*100%/I₀. Единицы поглощения записывается на оси у ИК-спектра, а по оси х откладывается волновое число или длина волны.

Источниками непрерывного ИК-излучения служат нагретые до высоких температур стержни из карбида кремния (глобары), обладающие интенсивным излучением с   3 мкм. Для получения непрерывного спектра в видимой области, ближней ИК- и ближней УФ-областях лучшими общепринятыми источниками считаются твердые тела каления. В вакуумной УФ-области используются водородные и гелиевые разрядные лампы. Электрические дуги, искры и разрядные трубки – традиционные источники линейчатых спектров нейтральных и ионизованных атомов.

Превосходными источниками являются лазеры, генерирующие интенсивное монохроматическое коллиминированное когерентное излучение во всем оптическом диапазоне. Среди них особого внимания заслуживают источники с широким диапазоном перестройки частоты. Так, например, диодные ИК-лазеры можно перестраивать в интервале от 3 до 30 мкм, лазеры на красителях – в пределах видимой и ближней ИК областей. Преобразование частоты расширяет область перестройки последних от средней ИК- до дальней УФ-области. Имеется большое число лазерных источников, перестраиваемых в более узких диапазонах, и многочисленное семейство лазеров с фиксированной частотой, позволяющих перекрыть всю область спектра от дальней ИК- до УФ-области. Лазерные источники вакуумного УФ-излучения с преобразованием частоты генерируют излучение с длиной волны всего лишь в несколько нанометров. Разработаны также лазеры с фиксированной частотой, работающие в рентгеновском диапазоне.

Спектральное разложение света осуществляется тремя методами: дисперсией за счет преломления в призмах, дифракцией на периодических решетках и с использованием интерференции. Призмы для ИК-области изготавливаются из различных неорганических кристаллов, для видимого и УФ-излучения – из стекла и кварца соответственно. В интерференционных спектрометрах луч света разделяется на два луча, которые следуют разными путями, а затем, снова соединяясь, дают интерференционную картину. Интерферометры обеспечивают самое высокое разрешение и применяются для исследования тонкой и сверхтонкой структуры спектров, а также для измерения относительных длин волн.

В последнее время вместо традиционных призменных и дифракционных приборов в ИК-области применяются фурье-спектрометры. Фурье-спектрометр представляет собой двухлучевой интерферометр с переменной длиной одного плеча. В результате интерференции двух лучей возникает модулированный сигнал, фурье-образ которого дает спектр. Фурье-спектрометры отличаются от обычных большей светосилой и более высоким разрешением. К тому же они позволяют использовать современные компьютерные методы сбора и обработки данных.

Методы регистрации спектров отличаются большим разнообразием. Очень высокой чувствительностью обладает глаз человека. Однако, будучи высокой для зеленого света ( = 550 нм), чувствительность человеческого глаза быстро падает до нуля на границах инфракрасной и ультрафиолетовой областей. Вплоть до 1950-х годов для регистрации спектров широко применялись различные фотопластинки. Их чувствительность позволяла производить измерения во всем диапазоне длин волн от ближней ИК- (1,3 мкм) до вакуумной УФ-области (100 нм и менее). Позже на смену фотопластинкам пришли электронные детекторы и фотодиодные матрицы.

В ИК-области традиционными радиометрическими детекторами были и остаются болометры, радиометры и термоэлементы. Затем появились различные типы малоинерционных и чувствительных фотоэлементов и фотосопротивлений. В видимой и УФ-областях спектра чрезвычайно чувствительны фотоумножители. Они малоинерционны, имеют малый темновой ток и низкий уровень шумов. Применяются также малоинерционные чувствительные многоканальные детекторы. К ним относятся фотодиодные матрицы с микроканальными пластинами и приборы с зарядовой связью. Как и фотопластины, многоканальные детекторы регистрируют сразу весь спектр одновременно; данные с них легко вводятся в компьютер.

В настоящее время в спектроскопии применяются компьютерные сбор и обработка данных. Сканирование спектра по длинам волн обычно осуществляется шаговым электродвигателем, который при каждом импульсе от компьютера поворачивает дифракционную решетку на определенный угол. В каждой позиции принятый с детектора сигнал преобразуется в цифровой код и вводится в память компьютера. При необходимости полученная информация может быть выведена на экран дисплея. Для оперативного сравнения данных справочную спектрохимическую информацию, а также эталонные инфракрасные и рамановские спектры обычно хранят на дискетах.

Обычный процесс анализа образцов методом инфракрасной спектроскопии заключается в последовательном прохождении нескольких процессов (рис. 1).

1. Источник - инфракрасное излучение испускается нагретым источником, обладающим свойствами абсолютно черного тела. Этот луч проходит через апертуру, которая ограничивает сечение пучка.

2. Интерферометр - луч попадает в интерферометр, где происходит модуляция излучения. На выходе из интерферометра получаем модулированный инфракрасный луч.

3. Лазер - лазерный луч также проходит через интерферометр. Он используется для калибровки по длинам волн, контроля положения зеркала и запуска процесса сбора данных спектрометром.

4. Образец - луч входит в отделение, в котором находится образец, и пропускается через образец или отражается от его поверхности, в зависимости от того, какой тип анализа проводится. Именно здесь поглощаются определенные частоты энергии, которые являются характерными для образца.

5. Детектор - измерения заканчиваются, когда луч достигает детектора. Используемые детекторы сконструированы особым образом, чтоб измерять сигнал интерферограммы в определенном спектральном диапазоне.

6. Компьютер - измеряемый сигнал оцифровывается и передается в компьютер, где осуществляется Фурье-преобразовние. Окончательный вариант ИК-спектра выдается пользователю для интерпретации и дальнейшей работы.

Поскольку требуется шкала интенсивности поглощения, необходимо также снять спектр фона – спектр сравнения. Обычно это измерение проводится без образца. Его результат сравнивают с проведенным измерением образца, чтоб определить «процент пропускания». После предварительной регистрации фона (атмосферы) в результирующем спектре образца отсутствуют полосы, обусловленные фоном и особенностями прибора. Таким образом, все полученные спектральные особенности образца отражают именно свойства самого образца. Одно измерение фона может использоваться для серии измерений образцов, поскольку спектр фона является параметром самого прибора.