double arrow

Применение рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурный анализ позволяет объективно устанавливать структуру кристаллических веществ, в том числе таких сложных, как витамины, антибиотики, координационные соединения и т.д. Полное структурное исследование кристалла часто позволяет решить и чисто химические задачи, например установление или уточнение химической формулы, типа связи, молекулярного веса при известной плотности или плотности при известном молекулярном весе, симметрии и конфигурации молекул и молекулярных ионов.

Рентгеноструктурный анализ с успехом применяется для изучения кристаллического состояния полимеров. Ценные сведения даёт рентгеноструктурный анализ и при исследовании аморфных и жидких тел. Рентгенограммы таких тел содержат несколько размытых дифракционных колец, интенсивность которых быстро падает с увеличением q. По ширине, форме и интенсивности этих колец можно делать заключения об особенностях ближнего порядка в той или иной конкретной жидкой или аморфной структуре.

Важной областью применения рентгеновских лучей является рентгенография металлов и сплавов, которая превратилась в отдельную отрасль науки. Понятие «рентгенография» включает в себя, наряду с полным или частичным рентгеноструктурным анализом, также и другие способы использования рентгеновских лучей – рентгеновскую дефектоскопию (просвечивание), рентгеноспектральный анализ, рентгеновскую микроскопию и другое. Определены структуры чистых металлов и многих сплавов. основанная на рентгеноструктурном анализе кристаллохимия сплавов – один из ведущих разделов металловедения. Ни одна диаграмма состояния металлических сплавов не может считаться надёжно установленной, если данные сплавы не исследованы методами рентгеноструктурного анализа. Благодаря применению методов рентгеноструктурного анализа оказалось возможным глубоко изучить структурные изменения, протекающие в металлах и сплавах при их пластической и термической обработке.

Методу рентгеноструктурного анализа свойственны и серьёзные ограничения. Для проведения полного рентгеноструктурного анализа необходимо, чтобы вещество хорошо кристаллизовалось и давало достаточно устойчивые кристаллы. Иногда необходимо проводить исследование при высоких или низких температурах. Это сильно затрудняет проведение эксперимента. Полное исследование очень трудоёмко, длительно и сопряжено с большим объёмом вычислительной работы.

Для установления атомной структуры средней сложности (~50- 100 атомов в элементарной ячейке) необходимо измерять интенсивности нескольких сотен и даже тысяч дифракционных отражений. Эту весьма трудоёмкую и кропотливую работу выполняют автоматические микроденситомеры и дифрактометры, управляемые ЭВМ, иногда в течение нескольких недель и даже месяцев (например, при анализе структур белков, когда число отражений возрастает до сотен тысяч). В связи с этим в последние годы для решения задач рентгеноструктурного анализа получили широкое применение быстродействующие ЭВМ. Однако даже с применением ЭВМ определение структуры остаётся сложной и трудоёмкой работой. Применение в дифрактометре нескольких счётчиков, которые могут параллельно регистрировать отражения, время эксперимента удаётся сократить. Дифрактометрические измерения превосходят фоторегистрацию по чувствительности и точности.

Позволяя объективно определить структуру молекул и общий характер взаимодействия молекул в кристалле, исследование методом рентгеноструктурного анализа не всегда даёт возможность с нужной степенью достоверности судить о различиях в характере химических связей внутри молекулы, так как точность определения длин связей и валентных углов часто оказывается недостаточной для этой цели. Серьёзным ограничением метода является также трудность определения положений лёгких атомов и особенно атомов водорода.

14

Лабораторная работа №1

Стереологический анализ структуры

Теоретическая часть

При изучении структур обычно выбирают  наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология. Стереология - это относительно молодая область знания, изучающая возможности анализа трехмерных (3D) объектов на основании их изображений, обычно меньшей размерности (2D, 1D). Ее методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или  другим данным структурного анализа определять объемное содержание изучаемых  структурных элементов: размер и объем пор; внутреннюю удельную поверхность твердой фазы; размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды; соотношение  объемов кристаллической и аморфной (стекловидной) частей в вяжущем;  однородность расположения частиц в объеме.

После получения фотографии с помощью электронного и оптического микроскопа (фактически двумерное или 2D сечение структуры) её можно проанализировать с помощью методов стереологии и сделать выводы об особенностях трехмерной структуры объекта.

Например, пусть мы видим на фотографии множество включений - частиц примерно правильной геометрической формы (например, сферической, то есть, множество кругов разного диаметра на фотографии). По фотографии мы можем измерить хорды и определить длину средней хорды L., задав некоторые условия (например, хорда должна делить круг на две равные части).

Для сферических частиц, согласно литературным данным, можно определить средний размер частиц как

                                               D =1.5 L.                                             (1)

Таки образом, по двумерной фотографии мы можем оценить средний размер объемных (трехмерных) включений.

По изображению мы также можем определить число частиц на единице площади Ns. А, зная величину D, мы можем оценить число сферических частиц в единице объема Nv

                                              Nv=Ns / D.                                                 (2)

Подобными способами в стереологии по двумерным изображениям структуры и восстанавливают особенности трехмерной структуры.

Для улучшения оценки необходимо выбирать такой участок на фотографии, чтобы размер участка был много больше (например, в 10 раз), среднего размера частицы и производить измерения в разных частях изображения.

В настоящей работе студентам необходимо по фотографии определить трехмерные параметры выделений в металле.

 


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: