Các phương pháp hóa lý nghiên cứu đặc trưng vật l- 123docz.net

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen là phương pháp phổ biến và hiện đại được ứng dụng để nghiên cứu các vât liệu có cấu trúc tinh thể (tinh thể đơn pha, tinh thể đa pha) đồng thời cũng giúp phân tích định lượng pha tinh thể

với độ tin cậy cao.

Nguyên tắc:

Theo thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được cấu tạo từ các ion hay nguyên tử, được phân bố một cách đều đặn và trật tự trong không gian theo một qui luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử hoặc ion trong mạng tinh thể

vài angstrom hay xấp xỉ bước sóng của tia Rơnghen. Khi chùm tia Rơnghen đập vào phía ngoài tinh thể và xuyên sâu vào trong do tia Rơnghen có năng lượng cao, thì mạng tinh thể với các bề mặt nguyên tử song song sẽ đóng vai trò như cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các tinh thể hay ion trong mạng tinh thể bị kích thích bởi chùm tia Rơnghen sẽ trở thành các tâm phát xạ phát ra các tia sáng thứ cấp.

Do các nguyên tử hay ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song( mặt phẳng nguyên tử ) nên hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kì

trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đươc tính như sau:

ê = 2d.sinΦ.

Trong đó : d : khoảng cách giữa hai măt phẳng song song.

Φ : góc giữa chùm tia Rownghen và tia phản xạ.

Từ điều kiện giao thoa, các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng song song cùng pha chỉ khi hiệu quang trình của chúng bằng số nguyên lần bước sóng, nghĩa là tuân theo hệ thức Vulf- Bragg:

2d.sinθ = n.λ

Với n là các số nguyên dương, n=1,2,..

Hệ thức Vulf-Bragg là phương trình cơ bản cho nghiên cứu cấu tạo mạng tinh thể. Dựa vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ Rơnghen sẽ tìm ra góc 2θ, từ đó suy ra giá tri d theo hệ thức Vulf-Bragg. So sánh giá trị d vừa tìm được với giá trị d chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần phân tích.

Thiết bị đo:

Máy D8 Advance – Brucker, Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQG Hà Nội II.3.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng theo BET.

Phương pháp phổ biến xác định diện tích bề mặt riêng của môt vật liệu rắn là phương pháp tính dựa trên đường hấp phụ đẳng nhiệt BET (BET – Brunauer, Emmert, Teller tìm thấy năm 1938). Phương pháp này được mở rộng từ hấp phụ đơn lớp của Langmuir (1918). Hấp phụ đẳng nhiệt BET là hấp phụ vật lí đa lớp.

Thuyết này cho rằng tại vị trí cân bằng, bề mặt được bao phủ bởi ít nhất một đơn lớp và tất cả các lớp (kể cả lớp đầu tiên) thể hiện như một lớp dung dịch tinh khiết. Tại vị trí cân bằng, diện tích của bất kì đa lớp nào đều là hằng số tốc độ bay hơi từ lớp riêng biệt cân bằng với tốc độ ’ hòa đặc trên lớp trước’.

Nguyên tắc:

Có thể tính diện tích mặt riêng của xúc tác hay chất mang nhờ quá trình hấp phụ đẳng nhiệt (ví dụ hấp phụ đẳng nhiệt N2 tại nhiệt độ 77K). Cơ sở của phương pháp tính là dựa vào phương trình BET:

( ) 1 1

a a m m a

p C P

V P P V C V C P

= + − ∗

−

Trong đó:

Va : thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất pa (cm3/g).

Vm : thể tích cần thiết hình thành đơn lớp hấp phụ trên bề mặt (cm3/g).

P: áp suất khí quyển (mmHg).

Pa : áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ tại nhiệt độ đã cho (mmHg).

C : hằng số BET.

C = exp[(Q1 – Q2)/RT].

Q1, Q2 : lần lượt là nhiệt hấp phụ trong lớp thứ nhất và nhiệt hóa lỏng của chất hấp phụ.

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của ( a )

V P −P vào

p ta được sự phụ thuộc tuyến tính trong khoảng

p = 0,05-0,3 với hệ số góc là : 1

C V C

− và giao

điểm với trục tung là : 1

V Cm . Dựa vào hệ số góc tính được Vm. Từ đó tính được diện tích bề mặt riêng (m2/g) theo Vm theo công thức:

S= Vm . an . Na .10-20

Với an : tiết diện ngang của phân tử Ni . Na = 6,302.1023 (mol-1)

Thiết bị, điều kiện đo:

Trong luận văn này phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ N2 ở

77K được thực hiện trên máy TRI START 3000 Micromeritics (Bộ môn Hóa lí

thuyết và Hóa lí – Đại học sư phạm Hà Nội) II.3.3. Phổ hồng ngoại (IR)

Nguyên tắc:

Khi chiếu một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại qua mẫu phân tích, một phần năng lượng bị hấp thụ làm giảm cường độ

tia tới. Sự hấp thụ này tuân theo định luật Lambert-Beer:

A = lg I0/I = ε.l.C

Trong đó: A : mật độ quang

T = I0/I(%) : độ truyền quang.

ε : hệ số hấp thụ ( hệ số tắt phân tử của chất nghiên cứu) l : chiều dày cuvet.

C : nồng độ chất nghiên cứu mol/l.

Phương trình cơ bản trên áp dụng cho các phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng như phân tử. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang vào chiều dài bước sóng kích thước gọi là phổ.

Dựa theo tần số đặc trưng, cường độ pic...trong phổ hồng ngoại, người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử nghiên cứu, từ đó xác định được cấu trúc của chất nghiên cứu.

Thiết bị, điều kiện đo:

Các phép đo được thực hiện trên máy FT-IR 4200 (Nhật Bản) tại Bộ

môn Hóa lí thuyết và Hóa lí , Đại học sư phạm Hà Nội.

II.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Nguyên tắc:

Dùng tia electron thứ cấp để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu.

Chùm tia electron được tạo ra từ catot (súng điện từ) qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm electron này được quét đều trên mẫu. Khi chùm electron đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các electron phát xạ thứ cấp. Mỗi electron phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và

biến đổi sẽ thành một tín hiệu ánh sáng, chúng được khuếch đại, đập vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng tối trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh.

Độ sáng tối trên màn ảnh tùy thuộc lượng electron thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Đặc biệt, do có

khả năng hội tụ chùm tia nên chùm electron có thể đi sâu vào trong mẫu, cho

phép nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất. Vì vậy ta thường dùng phương pháp SEM để nghiên cứu kích thước và hình dạng tinh thể vật chất do khả năng phóng đại và tạo ảnh của mõ̃u rṍt rừ nột và chi tiờ́t.

Thiết bị, điều kiện đo:

Các phép đo được thực hiên trên máy S4800 (Hitachi – Nhật) tại Viện vệ sinh dịch tễ trung ương.

II.3.5. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng Nguyên tắc:

TGA là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi(hoặc nhận vào) trong quá trình chuyển pha như là một hàm của nhiệt độ. Phép đo TGA nhằm xác định:

+ Khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha

+ Khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ do quá trình khử nước hoặc phân ly

Đường phổ TGA đặc trưng cho một hợp chất hoặc một hệ do thứ tự của các phản ứng hóa học xuất hiện tại một khoảng nhiệt độ xác định là một hàm cấu trúc phân tử. Sự thay đổi của khối lượng là kết quả của quá trình đứt gãy hoặc sự hình thành vô số các liên kết vật lí và hóa học tại một nhiệt độ gia tăng dẫn đến sự bay hơi của các sản phẩm hoặc tạo thành các sản phẩm nặng hơn. Nhiệt độ sử dụng bình thường khoảng 12000C. Môi trường sử dụng là

môi trường khí trơ hoặc khí tích cực.

Đây là phương pháp phân tích khối lượng nên những thông tin ta nhân được rất tốt cho việc xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong một mẫu chất nào đó. Bên cạnh đó ta xác định được thành phần độ ẩm, thành phần dung môi, chất phụ gia của một loại vật liệu nào đó.

Thiết bị đo:

Các phép đo được thưc hiện trên máy đo TGA-TA50 (Nhật Bản) thuộc bộ môn Hóa Lý- Đại Học Sư Phạm Hà Nội.

Các phương pháp hóa lý nghiên cứu đặc trưng vật liệu 1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen(XRD)

Khả năng hấp phụ CO 2