ANALIZA INSTRUMENTALNA

I semestr studiów stacjonarnych II-stopnia

Wydział Rolnictwa i Biotechnologii,

kierunek - ROLNICTWO

Natalia Kasprzewska

___________________________________________________________________________

ĆWICZENIE 5. RENTGENOGRAFICZNE BADANIE SKŁADU MINERALOGICZNEGO PRÓBEK ŚRODOWISKOWYCH.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

CEL ĆWICZENIA:

Zapoznanie się z budową i zasadą działania aparatu rentgenowskiego na przykładzie aparatu HZG-4 TUR oraz zastosowanie badania rentgenograficznego w identyfikacji minerałów pierwotnych i wtórnych. Interpretacja dyfraktogramów na podstawie wartości dyfrakcyjnych uzyskanych od płaszczyzn minerałów.

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. Do wytwarzania promieni rentgena służą specjalne lampy elektronowe, w których rozpędzone w polu elektrostatycznym elektrony uderzają w metalową antykatodę. Podczas tych zderzeń elektron traci energię w skutek dwóch niezależnych procesów. Pierwszy z nich to hamowanie w polu elektrycznym atomów antykatody . Drugi to wzbudzenie elektronów rdzeni atomowych atomów antykatody. Oba procesy powodują pojawienie się wysokoenergetycznych fotonów. Pierwszy to rodzaj promieniowania Czerenkowa dający ciągłe widmo promieniowania (promieniowanie hamowania). W drugim procesie pobudzone atomy wracając do stanu podstawowego wysyłają kwanty promieniowania rentgenowskiego. Widmowy rozkład tych fotonów ma charakter dyskretny i zależy od materiału antykatody. Promieniowanie to nosi nazwę promieniowania charakterystycznego.

ZASADA POMIARU TECHNIKĄ DYFRAKTOMETRYCZNĄ

Zasada ta polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji promieni rentgenowskich na strukturach krystalicznych minerałów. Każda substancja krystaliczna ma charakterystyczną dla niej strukturę atomową, warunkującą pojawienie się określonego obrazu dyfrakcyjnego niezależnie od tego czy występuje w stanie monojonowym, czy też jest składnikiem mieszaniny. Identyfikację minerałów ilastych przeprowadza się przez porównanie wartości odległości międzypłaszczyznowej d z uwzględnieniem intensywności I z wartościami podanymi w tablicach rentgenograficznych oraz przez porównanie z wartościami uzyskanymi na rentenogramach czystych minerałów.

W metodzie proszkowej substancję krystaliczną w postaci proszku umieszcza się
w monochromatycznej wiązce promieni RTG tak, iż zawsze pewna ilość jest tak usytuowana względem promieniowania, że spełnia warunek Bragga-Wulffa. W wyniku dyfrakcji promieni RTG uzyskuje się refleksy od płaszczyzn sieciowych i w różnych rzędach ugięcia. W wyniku zapisu dyfraktometrycznego otrzymujemy wykres zwany dyfraktogramem, na którym zapisywany jest rozkład natężenia wiązek dyfrakcyjnych w całym rejestrowanym zakresie katów Bragga.

Wszystkie ciała krystaliczne zbudowane są z atomów obsadzających węzły prostych sieciowych, które układają się w płaszczyzny sieciowe (hkl). Znajomość odległości międzypłaszczyznowych d(_hkl) wykorzystywana jest do identyfikacji minerałów. Sieć krystaliczna to charakterystyczny dla danego ciała krystalicznego układ atomów, jonów lub cząsteczek, powtarzający się okresowo w trzech wymiarach przestrzeni. Sieć przestrzenna w krystalografii określa zbiór jednakowo przylegających do siebie równoległościanów (tzw. komórek elementarnych), które wypełniają przestrzeń; krawędzie komórek elementarnych przecinają się w tzw. węzłach sieciowych, a proste poprowadzone przez 2 dowolne węzły to proste sieciowe. Na każdej prostej sieciowej, w jednakowej odległości (związanej periodem identyczności) leży nieskończona liczba węzłów, a przez 3 węzły nie leżące na jednej prostej przechodzi płaszczyzna sieciowa. Trzy proste sieciowe pokrywające się z krawędziami komórki elementarnej nazywają się osiami krystalograficznymi oznaczanymi symbolami X, Y, Z. Zależnie od symetrii, jaką charakteryzuje się dana sieć przestrzenna oraz stałych sieciowych komórki elementarnej, rozróżnia się sieci trójskośne, jednoskośne, rombowe, tetragonalne, heksagonalne i regularne. Sieć przestrzenna jest szkieletem, który po wypełnieniu atomami, jonami lub cząsteczkami (umieszczonymi nie tylko w narożach komórki elementarnej, ale także w jej środku lub na środku jej ścian) staje się siecią krystaliczną.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Przygotowanie preparatów proszkowych:

• próbkę rozetrzeć w moździerzu agatowym

• wykonać preparat proszkowy.

1. Przygotowanie preparatów frakcji ilastej do ekspozycji:

• separacja frakcji ilastej

• nasycenie frakcji ilastej magnezem, potasem

• solwatowanie preparatów magnezowych glikolem etylenowym

• prażenie preparatów potasowych w temp. 550 ^oC

1. Przygotowane preparaty orientowane frakcji ilastej poddane zostały analizie rentgenograficznej na dyfraktometrze HZG-4 TUR z lampą Cu Kα filtrem Ni, przy parametrach roboczych 30 kV i 20 mA. Impulsy zbierano w zakresie kątowym 2-50 2θ CuKα preparaty wysycone Mg⁺² solwatowane glikolem etylenowym oraz w zakresie kątowym od 2 do 30 2θCuKα preparaty wysycone Mg⁺², K⁺ i prażone w temp. 550^o C, z prędkością kątową goniometru 0,1^o·min.^-1 i czasem zbierania sygnału 3 sekundy. Dyfraktogramy z charakterystycznymi położeniami i natężeniami linii dyfrakcyjnych były zapisywane w postaci diagramu liczbowego przy zastosowaniu programu komputerowego XRAYAN.

PROSTY SCHEMAT BUDOWY APARATU RTG

OPIS DYFRAKTOGRAMÓW:

1. Rysunek 1. Dyfraktogramy frakcji ilastej < 0,002nm

Na przedstawionym dyfraktogramie można określić że dominującym minerałem

są chloryty świadczy o tym refleks d=1,4nm.

1. Rysunek 2. Dyfraktogramy frakcji ilastej <0,002nm

Na przedstawionym dyfraktogramie można określić że dominującym minerałem ilastym są smektyty świadczy o tym refleks d=1,4nm. Obecny jest również illit świadczy o tym refleks d= 1,00 nm który nie zmienia swojego położenia mimo prażenia widoczny jest brak przesunięcia. Obecny jest również kaolinit świadczy o tym refleks d=0,72 nm który zanika po próbce termicznej w temp 550*C preparatu frakcji ilastej wysyconej potasem.

1. Rysunek 3. Dyfraktogramy frakcji ilastej <0,002 nm

Na przedstawionym dyfraktogramie można określić, że dominującym minerałem ilastym jest illit świadczy o tym refleks d=1,00 nm. Refleks d = 1,00 nm nie zmienia swojego położenia mimo wysycenia glikolem etylenowym, również podczas wysycenia potasem oraz podczas prażenia brak jest przesunięcia, jest to cechą charakterystyczną dla illitu. Obecny jest również kaolinit, stwierdzono jego obecność na podstawie refleksu d=0,712 nm, który zaniknął po obróbce termicznej w temp. 550^oC preparatu frakcji ilastej wysyconej potasem

1. Rysunek 4. Dyfraktogramy frakcji ilastej <0,002 nm

Na przedstawionym dyfraktogramie stwierdzono, że dominującym minerałem jest wermikulit, świadczy o tym refleks d=1,42 nm. Struktury wermikulitu w minerałach mieszanopakietowych smektyt-wermikulit (S-V) ulegają kolapsacji w wyniku prażenia preparatów magnezowych w temp. 300 ^oC. Prowadzi to do przesunięcia ich podstawowych refleksów do wartości d≈1,1 nm. Poza tym obecny jest również illit, stwierdzono to interpretując refleks d = 1,0 nm, występuje również domieszka kaolinitu, stwierdzono to interpretując refleks d = 0,712 nm

1. Rysunek 5. Dyfraktogram- preparat proszkowy

Dyfraktogram ten przedstawia kalcyt, o czym świadczy największy refleks d=0,303 nm, także refleksy 0,385 nm 0,249 nm 0,228 nm 0,209 nm 0,191 nm 0,187 nm są charakterystyczne dla jego obecności. Obecna jest również domieszka kwarcu, ponieważ obecny jest refleks d = 0,334 nm.

1. Rysunek 6. Dyfraktogram- preparat proszkowy

Na dyfraktogramie dominuje refleks d = 0,334 nm, mówi to o obecności kwarcu. Jego obecność potwierdzają także refleksy 0,426 nm 0,246 nm 0,228 nm 0,209 nm 0,191 nm 0,182 nm 0,154 nm 0,138 nm. Na tym dyfraktogramie nie zaobserwowano domieszek.