X射線多晶衍射法物相分析

1、再去查對粉末衍射卡片，即可鑒定試樣，進行物相分析。儀器試劑X射線衍射儀瑪瑙研缽分樣篩粉末樣品板選擇若干合適晶體的未知物樣品實驗步驟(1) 預習：有條件的情況下，利用附1介紹的X射線多晶衍射法物相分析的模擬軟件，預X射線多晶衍射法進行物相分析的基本過程。(2) 制樣：用瑪瑙研缽將樣品研細后，通過325目篩，將篩下物放在樣品板的槽內，略高于槽面，用不銹鋼片適當壓緊樣品，且表面光滑平整，必要時可滴一層酒精溶液(或溶有少量 苯乙烯的甲苯溶液)，然后將樣品板輕輕地插在測角儀中心的樣品架上。測試： 首先打開冷卻水閥門和總電源及計算機穩(wěn)壓電源。 打開X射線發(fā)生器總電源，將穩(wěn)壓、穩(wěn)流調節(jié)至最小值，關好防護罩門

2、，調整好水量，X射線多晶衍射法物相分析1 目的要求(1) 掌握X射線多晶衍射法的實驗原理和技術。(2) 學會根據X射線衍射圖，使用 X射線粉末衍射索引和卡片進行物相分析。2 基本原理若以(h k l代表晶體的一族晶面的指標，dhki是這族晶面中相鄰兩平面的間距，入射X射線與這族晶面的夾角nhnkd滿足下面布拉格方程時，就可產生衍射。2dhkl sin nhnknl n式中n為整數，表示相鄰兩晶面的光程差為 n個波，所以n又叫衍射級數，式中nhnknl常 用hkl表示，hkl稱為衍射指標，它和晶面指標是整數位關系。當單色X射線照到多晶樣品上時，由于多晶樣品中含有許許多多小晶粒，它們取向隨機 地聚

3、集在一起，同樣一族晶面和 X射線夾角為 的方向有無數個，產生無數個衍射，形成以 入射線為中心，4為頂角的衍射圓錐，它將對應于 X射線衍射圖譜的一個衍射峰。多晶樣品 中有許多晶面族，當它們符合衍射條件時，相應地會形成許多以入射線為中心軸張角不同的 衍射線。不同的晶面其晶面間距不同，可見晶面間距決定了衍射峰的位置，而晶面間距d是晶胞參數的函數，所以衍射峰的位置是由晶胞參數所決定的。至于衍射峰的強度I與結構因子I F I 2成正比，而I F I 2是晶胞內原子的種類、數量、坐標的函數，因此，衍射強度是由 晶胞的結構所決定的。由于每一種晶體都有它特定的結構，不可能有兩種不同的晶體物質具 有完全相同的晶

4、胞參數和晶胞結構，也就不會有兩種不同的物質具有完全相同的衍射圖，晶 體衍射圖就象人的指紋一樣各不相同，即每種晶體都有它自己的“d/nI”數據，可以據此來鑒別晶體物質的物相。 若一物質含有多種物相， 這幾種物相給出各自的衍射圖，彼此獨立，互不相干，即由幾種物相組成的固體樣品的衍射圖，是各個物相的衍射圖， 按各物相的比例，簡單疊加在一起構成的。這樣就十分有利于對多相體系進行全面的物相分析了。國際粉末衍射標準聯(lián)合會(JCPDS)已收集了幾萬種晶體的衍射標準數據，并編制了一套X 射線粉末衍射卡片(PDF,其內容和檢索方法見附 2)。實際工作中只要測得試樣的多晶衍射數 據，3待X射線準備(READY)指

5、示燈亮時，可打開 X光機。 打開測量記錄柜電源，調整速率計的時間常數和量程，調整走紙速度，安好記錄筆后 打開記錄儀電源，按下記錄筆按鈕。 打開計算機電源，在 0號和1號驅動器分別插入系統(tǒng)盤和數據盤，并輸入測量日期和 時間。 選擇工作內容(F測量)和設定計數管高壓及脈高分析器的基線和窗口。 輸入電壓、電流、靶材等測試條件以及掃描方式、重復次數、掃描范圍、速度、取樣 間隔、停留時間、文件名稱和各狹縫大小等測量工作程序。事先測準測角儀的零點數值，存 入磁盤中，按要求輸入后，儀器將測角儀自動調零。 輸入測量程序號門小2,則測量工作開始進行。 待測量工作完成后，先退掉管流，再退掉管壓。 關閉X射線電源開

6、關和記錄儀開關。將計算機轉入結束狀態(tài)，取出磁盤，并關計算機。 關掉記錄柜開關，撕下記錄的圖譜，將記錄筆取下，并戴好筆帽。 10min后，關閉循環(huán)水泵電源開關，關掉冷卻水。切斷穩(wěn)壓電源和總電源開關。5 數據處理(1) 衍射圖上沿記錄紙運轉方向代表衍射角 2的坐標，與2坐標垂直的方向代表衍射線 的強度 從衍射圖上找出所有的衍射峰，并求出它們所對應的2和 值(以衍射峰的高度近故可計算出各晶面的 d值，以最強衍li /Iid2 d及對應的 、I、Ife然后按 、4、5、6、7 d及對應的 、4似地表示衍射強度)。按照布拉格方程2d si n ，因入和 已知， 射線的強度 100,求出其余各條衍射線的相

7、對強度將2 < 90°的三條最強線，按順序排好 (d、 照強度順序將其余的五條次強線排列在它們的后面(I5 > I6、I7、丨d。根據最強線的晶面間距d1在Hanawalt索引(見附2)上找到所屬的分區(qū)，根據 c、2 (大致判斷試樣可能是什么物質，再根據 d4 d5C進一步確認。若d1、d2、d的數值及相對強度順序與索引上列出的某一物質的數據基本一致，可初步確 定試樣中含有該物質，記下該物質的卡片號。此步驟也可使用Fink索引，或是將 、d2輪3 流作為最強線，重復檢索。(4)找出該物質的卡片，將卡片上所有衍射峰的d值及I值與實驗值核對，全部符合時即可肯定物相的存在，記下

8、該物質的名稱及所需的資料。6 注意事項(1) 粉末法要求樣品磨得非常細，以盡量滿足使每一個晶面上各個方向上幾率相等的要 求；在樣品壓片時，只能垂直方向壓，不能橫向的搓動，以防止可能出現(xiàn)的擇優(yōu)取向。(2) X射線對人體會產生傷害，在實驗過程中應注意防護。(3) 由于卡片所載實驗條件與我們的實驗條件不一定完全一致，而且即使條件一致，也會存在系統(tǒng)誤差，所以所攝取的衍射圖d值與卡片的d值是會有區(qū)別的。在查找索引及卡片時， 要考慮這個誤差范圍。(4) 由于儀器穩(wěn)定性、制樣技術等多方面的原因，強度順序有可能顛倒，但強、中、弱的大致順序是不會變化的。所以，我們對于d值的符合程序一般要求較嚴，而對強度的要求，

9、則不必過于認真。在將試樣的“ d 1/1”與卡片上的“ d I / ”對比時，必須有整體觀念。因d 1/11”數據才代表一個物相。為并不是一條衍射線代表一個物相，而是一套特定的“ 因此，若是有一條強線完全對不上，即可否認該物相的存在。(6)若為混合物相，找到一個物相后，再鑒定另一物相，在扣除第一個物相的衍射線時， 應考慮到衍射線的重疊等現(xiàn)象。另外如果某一物相在混合物中含量很低時，則有可能不出現(xiàn) 第二個d值或第三、第四個d值的衍射線。7 思考題(1)實驗中如何才能得到好的衍射圖 ？布拉格方程并未對衍射級數 n和晶面間距d作任何限制，但實際應用中為什么只用到 數量非常有限的一些衍射線 ？?試說明誤

10、差來(3) 將實驗所得衍射線條數及相對強度與卡片中的一一對照，完全一致嗎源。附1： X射線多晶衍射法物相分析的微機模擬晶體的X射線衍射是結構測定的重要手段之一，現(xiàn)已廣泛應用于冶金、電子、化工、地 質、機械等領域。但由于 X射線衍射儀價格昂貴，不少高校都沒有裝備這種儀器，即使有這 類儀器的學校，也主要是用于科學研究，在基礎物理化學實驗中很少有機會安排使用。因而 利用計算機模擬X射線衍射實驗就顯得十分必要，學生們通過使用該軟件進行練習，可基本 上掌握X射線多晶衍射法進行物相分析的全過程，加深對該實驗原理的認識。另一方面，對 初次使用X射線衍射儀的用戶，利用該軟件預習儀器的正確使用方法和操作步驟，對

11、減少儀器損壞、降低差錯率、提高實驗速度也是十分有益的。X光管、衍射儀軌X射線入射到 產生樣品(1)程序功能和設計思想：本軟件可動態(tài)模擬 X射線多晶衍射法進行物相分析的具體操作 過程。程序框圖如圖(n -27-1)所示。 測試過程的模擬：測試開始前在屏幕左側繪出衍射儀圖，其中包括道、計數管，樣品以矩形薄片代表，安置在衍射儀測角器的中心。測試開始，晶體上產生衍射，樣品每隔0.01度，衍射線和計數管每隔0.02度繪出和擦去一次， 按一定速度轉動角，計數管則以2倍的速度轉動2角的動畫效果。及混合樣0.020采集 實測衍射圖譜的繪制：首先選取多晶純樣NaCI、CaF2、CaCO3、KBrNaCI+CaC

12、O3, CaF2+KBr進行實際測試，實驗時取衍射角從5°400變化，每隔一個數據，將每一樣品的數據在計算機上建立一個數據文件。測試開始后，衍射圖譜的繪制 與上述測試過程同步進行，從數據文件中讀出衍射強度數據，根據樣品最強峰數值的大小， 決定是否對全部衍射數據放大或縮小一定的倍數，用畫線語句將各點連接起來，形成一幅衍 射強度圖。衍射圖上方動態(tài)顯示出2角數值和該角度處的衍射強度。圖21-1程序框圖 物相分析：待數據收集完成后，消去衍射儀圖，衍射圖譜移到屏幕正上方，將每一衍射峰高和相應的2數值取出，在圖譜下方繪出峰高峰位圖。將每一純物質從PDF上查得的標準數據建立數據文件，倒立繪在樣品譜

13、峰高峰位圖上，將樣品中可能存在物相的標準譜逐一與測量譜對照，通過譜線對照確認樣品存在該物相后，將樣品譜中該物相的相應譜線改變 顏色，繼續(xù)下一物相標準譜的對照，最終確定出待測樣包含的全部物相。(2) 程序使用方法：本程序采用 Turbo BASIC語言編程，并已編譯成可執(zhí)行文件， 適用于486系列微機，VGA彩色顯示器。本軟件的運行環(huán)境為MS DOS3.30或更高版本。程序啟動后，屏幕顯示菜單，分為兩列，一列是已知樣品，另一列是未知樣品，同時在菜單的下面顯示： “ Press K to en ter the known samp le, press U to en ter the unknown

14、 sample and press E to exit: ”此時鍵入“ K”可進入已知樣品部分，鍵入“U ”進入未知樣品部分，而鍵入“ E”則程序結束。接著計算機詢問待測樣品的代碼，用戶可依據菜單提示鍵入樣品的相 應代碼，之后計算機會讓用戶進一步確認，這時若鍵入“N”則返回主菜單，重新選擇；鍵入“丫”模擬演示開始。每次按任意鍵執(zhí)行下一步操作，當標準譜與測量譜對照時，程序提 問“ Right or not?”，如通過對譜確認待測樣中含有該物相，鍵入“ R”，否則鍵入“ N”，直至 整個實驗過程結束，按任意鍵返回主菜單。附2： X射線粉末衍射卡片使用說明X射線粉末衍射卡片簡稱PDF(Powder

15、Diffraction File)，最早由美國材料與試驗協(xié)會法國的有關學會共同組成的粉(TheAmerica n Society for Testi ng and Materials)出版發(fā)行，因而原稱 ASTM 卡片，后由美國材 料與試驗協(xié)會和結晶、陶瓷、礦物等學會以及英國、加拿大、 末標準聯(lián)合會 Joi nt Committee on Powder Diffraction Sta ndards)負責收集、整理、編輯出版， 故又可稱為JCPDS卡片。PDF從1941年開始編輯發(fā)行，新的衍射數據相繼發(fā)表，每年增補 發(fā)行一批，卡片數量日益增加，目前出版的各種單相結晶物質的卡片總數已累計有幾萬張，

16、 是目前國際上最完整的 X射線粉末衍射數據集。(1)PDF內容說明-27-2所示，但PDF上按其內容可劃分成十個區(qū)，分別記載了各種數據，其形式如圖n 每張卡片上的數據并不都是很完整的。2 < 90°的最強，次強，第1區(qū)：1 a、1b、1 c分別列出該物質粉末衍射花樣上 再二次強三條衍射線對應的 d值。1d為衍射花樣中最大的d值。第2區(qū)I/I1表示以最強線h的強度作為100的各衍射線的相對強度。(以最強線的強度I為100。100,以便于其它各線相2a、2b、2c、2d為對應于第1區(qū)中四條衍射線的相對強度 在個別情況下，該線的強度遠大于其它諸線，則可能將其定為大于 互之間進行比較)

17、。第3區(qū)：本卡片數據的測定實驗條件。Rad.表示所用特征 X射線(如 CuK a, FeK a等);入表示所用特征 X射線波長(單位：pm);Filter表示濾波片材料；Dia.表示底片圓筒的直徑；10圖n -27-2粉末衍射卡片格式圖Cut off表示所用儀器能測得的最大 d值；coll.表示所用準直器的孔徑或狹縫寬度；I /I1表示測量相對強度的方法；d corr.abs.-?表示d值是否進行過吸收校正；Ref.表示第3、第9區(qū)所引數據的參考文獻。第4區(qū)：樣品的晶體結構數據。Sys.樣品所屬晶系；S.G樣品所屬空間群符號；ao boco 表示點陣常數，A= ao / bo，C=Co / b

18、o ；a、B、丫表示晶軸間夾角；Z單位晶胞中化學式單位的數目，單質即為單位晶胞中的原子數，化合物則指分子數;JDx射線方法測定的晶體密度；V晶胞體積；Ref.第4區(qū)中所引數據的參考文獻。第5區(qū)：樣品的一些物理性質。、折射指數；Sign晶體光學性質符號（正或負）；2V光軸角；D測量密度；rnip熔點；Color肉眼或在顯微鏡下觀察到的樣品顏色；有時其他一些物性如硬度，礦物色澤等內容也列在這一部分。Ref.第5區(qū)中所引數據的參考文獻。第6區(qū)：此區(qū)填寫其他有關資料，如樣品的來源，制備方法，化學分析數據，升華點，分解溫度，相變點，樣品熱處理方法，以及衍射圖攝取時的實驗溫度等。第7區(qū)：樣品的化學式及胺I

19、UPAC規(guī)定命名的英文名稱。第8區(qū)：該物質的礦物名稱和通用名稱及結構式。在此區(qū)右上角可存在以下符號，所代 表的意義是：“”表示卡片的數據可靠性高；“0 ”表示數據可靠性較低；“ C”表示所列數據是計算得到的；“ i”表示所列數據已指標化，并估計了強度。第9區(qū)d表示與各衍射線相對應的晶面間距；I / Ii表示與各衍射線相對應的相對強度；hkl表示與各晶面相對應的衍射指標。由于相對強度的測量存在較大差異，為便于比較，編者將其簡化成間隔較大的整數，在20到100之間每隔5分一檔，在0至20之間以偶數分檔。有的作者原來以強弱來表示相對 強度，并通常將其數值化：vs=100, s=80, m=60，w=

20、40， vw=20，vvw=10，有些數據之后還有一些符號注解，其代表的意義分別為：b寬化，模糊或彌散的線；d 雙線；n 并非所有的射線源能給出的線；nc不能用所設晶胞來估計的線；ni 不能用所設晶胞進行指標化的線；nP 所給定的空間群不允許的指標；由于存在線的重疊而使強度不能確定；tr痕量(非常弱的線)；t 另外可能的指標。第10區(qū)：為衍射卡片的編號。xx-xxxx中短橫線前的數字為集號，后四位數表示卡片在該集中的順序號。有些卡片在編號后有 MAJOR CORRECTION 或MINOR CORRECTION 字樣，表示現(xiàn)版該卡片對以前公 布的數據作了較大修正或略作修正。(2)PDF索引簡介

21、為了滿足檢索卡片的需要，粉末衍射標準聯(lián)合會發(fā)行了一套索引書，適用于各種不同目 的的多種索引。主要分為英文字母順序索引和數字索引兩大類。英文字母順序索引英文字母順序索引是按照物質的英文名稱的第一個字母的順序排列的。當已知物質名稱或分子式時可根據這類索引查找它的PDF。字母順序索引按物質分類的不同分為四種：即無機物名稱索引，礦物名稱索引，有機物名稱索引和有機物分子式索引。在該索引中列出物質的英文名稱、化學式、三條最強線的d值及相對強度和物質的卡片編號。相對強度采用十級制、標于 d值右下方。最強線用“ X”表示，若有特別強的線，則 用 g 表示。如果事先可通過其它各種途徑查到或估計出試樣中可能包含的

22、物相，而用X射線物相分析最終確定；或者分析試樣的目的只是要求確定其中有無某種物相存在，此時使可利用“英文字母順序索引”。按試樣中所可能包含的物相，根據它們的英文名稱，從字母順序索引 中找到它們的卡片編號，然后找出卡片。將試樣衍射數據與卡片上的衍射數據一一對比，若 試樣與某張卡片上的衍射數據很好符合，即可確定該試樣中含有此卡片上所載的物相。數字索引數字索引是按各物質標準粉末衍射圖中八根強線所對應的d值分列成行，以實際所得數據順序核對的方法來找出產生該衍射數據物質的卡片號的。當被測物質的化學成分和名稱完 全末知時，必須利用此類索此，按這八個d值排列的依據不同可分為 Hanawalt索引和Fink索

23、引。a Han awalt索弓丨此索引中將每一物質的標準衍射花樣中八根強線的d值（在2 < 90°的范圍內選?。凑障鄬姸冗f減的順序排列成一行。 每個d值右下角附有相對強度的腳注。 其中X為最強線， 其它系以此線為10的相對強度。在八個d值數據后面列有該物質的化學式及卡片編號。全部數據按第一個 d值的大小分成區(qū)，區(qū)的界限在每一區(qū)的開始處和每一頁的頂端標 明。在一個區(qū)中按第二個 d值的大小順序排列，這樣就將一個區(qū)按第二個d值的大小分成許多段。每一段是指第二個 d值相同，按第一個d值由大到小排列的若干行。為避免因實際誤差尋找困難，每種物質的數據至少有三次被列入索引，是八根強線中的 三根最強線的六種排列組合中的三種：did2d3,d2d3di, d3did2有些情況可能列入六次。Hanawalt索引的使用方法是在被測樣品的衍射數據中，在d值大于109pm（即2 < 90 o的范圍內找出八根最強線，將相應的d值按相對強度遞減順序排列。按第一個d值的大小找到所屬的區(qū)，在這個區(qū)中的第二列找到第二個d值所在的段。核對八根線對應的d值均在允許測量誤差范圍內吻合較好，就可以按此行后所列卡片號上所列標準衍射數據一一對比，吻 合較好就是該物質。若吻合不好，則須重新檢索。為此可考慮用另外兩種排列方式在別的區(qū)、 段中查找，也可考慮將前三條中的某些線與后五