Báo cáo thí nghiệm hóa vô cơ

Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ Röntgen XRD Thành phần cấu tạo của nguyên liệu là yếu tố quyết ịnh khả năng tham gia các biến ổi hóa lý, tạo những biến ổi về chất của nguyên liệu kh

MỤC LỤC BÀI THÍ NGHIỆM 1: PHÂN BIỆT VẬT CHẤT Ở TRẠNG THÁI TINH THỂ VÀ VÔ

ĐỊNH HÌNH 5

1 1 LÝ THUYẾT .5

1.1 1 Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ Röntgen (XRD) 5

1.1.1 1 Nguyên lý chung, iều kiện Bragg-Wulff 5

1.1.1.2 Phương pháp Debye – Scherrer 5

1.1.1.3 Nguyên tắc phân tích phổ nhiễu xạ 6

1.1.1.4 Tính kích thước tinh thể theo phổ nhiễu xạ 6

1.1.1.5 Tính khoảng cách giữa 2 mặt mạng và tham số mạng 5

1.1.2 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) 6

1.1.2.1 Nguyên lý 6

1.1.2.2 Hình dạng phổ 7

1.2 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 7

1.3 PHÂN TÍCH 8

1.3.1 Phân tích phổ nhiễu xạ XRD 8

1.3.2 Phân tích phổ nhiễu xạ FTIR 12

1.4 KẾT LUẬN 14

BÀI THÍ NGHIỆM 2: PHẢN ỨNG PHA RẮN 16

2.1 MỤC ĐÍCH BÀI THÍ NGHIỆM 16

2.2 LÝ THUYẾT 16

2.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 17

2.3.1 Dụng cụ thí nghiệm 17

2.3.2 Các bước tiến hành 17

2.4 PHÂN TÍCH 18

2.4.1 Thành phần của hỗn hợp hấp thủy nhiệt 18

2.4.2 Xác ịnh mudule Silic 18

2.4.3 Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình hấp thủy nhiệt 18

2.4.4 Giải thích sự tăng giảm pH trước và sau khi hấp thủy nhiệt 18

2.4.5 Tính thể tích và áp suất của quá trình hấp thủy nhiệt 18

2.4.6 Xác ịnh hàm lượng cặn không tan trong nước 19

2.4.7 Nhận xét – ánh giá 19

BÀI THÍ NGHIỆM 3: CÁC TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP

ĐẾNMÀU 19

3.1 LÝ THUYẾT 19

3.1.1 Định nghĩa phân loại 19

3.1.2 Quy luật biến ổi trong chu kỳ 20

3.1.3 Quy luật biến ổi trong phân nhóm 20

3.1.4 Các tính chất chung 20

3.2 THÍ NGHIỆM 20

3.2.1 Thí nghiệm 1 20

3.2.2 Thí nghiệm 2 20

3.2.3 Thí nghiệm 3 20

3.3 NHẬN XÉT VÀ PHÂN TÍCH 21

3.3.1 Thí nghiệm 1 21

3.3.2 Thí nghiệm 2 22

3.3.3 Thí nghiệm 3 22

3.4 KẾT LUẬN 23

BÀI THÍ NGHIỆM 4: THƯỜNG HÓA THÉP CACBON 23

4.1 GIỚI THIỆU 23

4.1.1 Giới thiệu về thường hóa 23

4.1.2 Công dụng của thường hóa 23

4.1.3 Các bước thường hóa 24

4.1.4 Các kim loại thường dùng trong thường hóa 24

4.2 THÍ NGHIỆM 24

4.2.1 Thường hóa 24

4.2.2 Khảo sát cấu trúc tế vi 25

4.2.2.1 Giới thiệu 25

4.2.2.2 Thí nghiệm 26

4.2.3 Đo ộ cứng 26

4.2.3.1 Giới thiệu 26

4.2.3.2 Thí nghiệm 26

4.3 THẢO LUẬN 27

BÀI THÍ NGHIỆM 1: PHÂN BIỆT VẬT CHẤT Ở TRẠNG THÁI TINH THỂ VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH

1.1 LÝ THUYẾT

1.1.1 Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ Röntgen (XRD)

Thành phần cấu tạo của nguyên liệu là yếu tố quyết ịnh khả năng tham gia các biến

ổi hóa lý, tạo những biến ổi về chất của nguyên liệu khi nung

Phương pháp xác ịnh thành phần cấu tạo chủ yếu hiện nay là dùng nhiễu xạ Rơntgen phân tích cấu trúc theo phương pháp Debye-Scherrer (phương pháp bột)

1.1.1.1 Nguyên lý chung, iều kiện Bragg- Wulff

Phương trình Wulff-Bragg:

nλ = 2d sin θ n- Bậc nhiễu xạ có giá trị là các

số nguyên; d- khoảng cách 2 mặt liền nhau

(nm) λ- Bước sóng tia bức xạ (nm) θ- Góc tới

của tia bức xạ (°)

1.1.1.2 Phương pháp

Debye-Scherrer

Hình 1.2 Phổ nhiễu xạ Rontgen của tinh thể NaCl

Ta lấy khoảng 0,2g mẫu thí nghiệm ở dạng bột mịn (vì thế còn ược gọi là phương pháp bột) ể phân tích Sau khi phân tích xong, ta thu ược phổ nhiễu

xạ Rontgen Đem so sánh nhiễu xạ thu ược với phổ nhiễu xạ chuẩn, ta có thể biết pha tinh thể có trong mẫu là tinh thể gì

1.1.1.3 Nguyên tắc phân tích phỗ nhiễu xạ

Xác ịnh cường ộ các ỉnh nhiễu xạ trên phổ nhiễu xạ Cường ộ nhiễu xạ tỷ lệ với chiều cao trên phổ nhiễu xạ Đánh dấu I1 là nhiễu xạ có cường ộ cao nhất, coi là 100% Các nhiễm xạ khác lần lượt là I2, I3, I4… qui về % so với tia mạnh nhất

Lấy I1, I2, I3 là ba nhiễu xạ có cường ộ mạnh nhất so với bảng mẫu chuẩn Nếu những giá trị trên tương ối phù hợp với giá trị trong bảng mẫu chuẩn, tiếp tục so sánh với những nhiễu xạ khác ể có thể kết luận về tinh thể cần ngh iên cứu

Cách ể làm nhanh xác ịnh ược pha tinh thể, cần ịnh hướng pha tinh thể có trong mẫu bằng cách xác ịnh lịch sử mẫu ( thành phần hóa, nguyên liệu, quá trình nung…) Trong trường hợp này, có thể dùng biểu ồ ể ịnh hướng về pha tinh thể hình thành

1.1.1.4 Tính kích thước tinh thể theo phỗ nhiễu xạ

Chiều rộng phổ nhiễu xạ Rontgen là hàm của kích thước tinh thể Từ phổ nhiễu xạ,

ta có thể tính ược kích thước dài, l, của tinh thể trong mẫu nghiên cứu theo công thức phương trình Debye-Scherrer:

B 20 = Trong ó:

l – kích thước dài nhất của tinh thể

B – chiều rộng tại ½ cường ộ ỉnh nhiễu xạ λ – bước sóng bức

xạ Röntgen, thường lấy λCu-Kα = 0,154056 nm θ – vị trí góc

nhiễu xạ

Kích thước tinh thể cho ta ộ lớn của một ơn tinh thể theo hướng nhất ịnh của họ mặt mạng d nào ó, qua ó cho ta thông tin về mức hoàn thiện trong quá trình kết tinh Các tia nhiễu xạ có cường ộ nhỏ, góc trải rộng thường có kích thước nhỏ Những tia cường ộ lớn, góc trải nhiễu xạ hẹp thường có kích thước tinh thể lớn, rõ rang Thông thường, với các mẫu a tinh thể, kích thước mỗi tinh thể chỉ khoảng 10 – 12 μm

1.1.1.5 Tính khoảng cách giữa 2 mặt mạng và tham số mạng

Từ phương trình Bragg-Wulff: nλ = 2d sin θ

và trong thực tế n, bậc nhiễu xạ, thường có giá trị là 1, ta có thể tính ược khoảng cách giữa hai mặt mạng liền kề như sau:

d = Trong tinh thể, giá trị các mặt mạng liền kề sẽ khác nhau nên còn ược ký hiệu là dhkl với h, k, l là các chỉ số miller tương ứng

Mối quan hệ giữa khoảng cách 2 mặt mạng và các tham số mạng phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể

Hình 1.3 Các công thức tính thông số mạng

1.1.2 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FTIR)

FTIR ược dùng ể phân tích thành phần cấu tạo, cấu trúc phân tử, bản chất liên kết hóa học, hoặc các nhóm chức hiện diện trong vật liệu cần khảo sát Vật liệu ược khảo sát có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí

1.1.2.2 Hình dạng phổ

Phổ IR o ược là truyền qua hoặc hấp thụ Trên trục tung có chú thích rõ phổ truyền qua theo thang o % (0 – 100%) hay hấp thụ theo thang logarithm (0 – 2) Trục nằm ngang (trục hoành) ghi tần số sóng (cm-1 hoặc μm-1) Phổ truyền qua có dạng các mũi hướng xuống phía dưới, phổ hấp thụ có dạng các mũi hướng lên phía trên

Hình 1.4 Phổ IR hấp thụ của khí methanol của hạt Nano Au

Hình 1.5 Phổ IR truyền qua

1.2 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

• Mỗi nhóm nhận một mẫu phân tích khác nhau cũng như thôn g tin về mẫu

• Mỗi mẫu cần ược nghiền nhỏ thành bột trước khi phân tích

• Gửi mẫu i phân tích (Việc phân tích do cán bộ chuyên môn thực hiện)

• Tập phân tích phổ nhiễu xạ và phổ FTIR thu ược Hoàn thành và nộp bài báo cáo

Trục tung thể hiện cường ộ nhiễu xạ, ặc trưng cho từng loại vật liệu ứng với các góc 2θ khác nhau

Peak list: biểu diễn các ỉnh ặc trưng của từng vật liệu ược phân tích theo XRD Dòng thông tin xanh dương: biểu thị vật liệu gần giống hoặc ược oán gần úng v ới vật liệu cần phân tích

Dòng thông tin xanh lá: biểu thị kết quả khác gần úng với vật liệu mục tiêu nhưng kết quả chính xác không cao

Yêu cầu 2: Xác ịnh vật liệu là tinh thể hay vô ịnh hình? Tại sao?

Đây là vật liệu tinh thể vì vật liệu vô ịnh hình khi sử dụng phương pháp XRD sẽ không cho ra ỉnh, còn hình trên các ỉnh của các Peak thể hiện các dòng trạng thái cụ thể rõ ràng, tuy nhiên thì mẫu thử này khá nhiều tạp chất

Yêu cầu 3: Phân tích kết quả sơ bộ của phổ tia X

Thành phần dự oán của ất sét lọc

Đất sét lọc có thành phần chính là khoáng kaolinite ( 2SiO2.Al2O3.2H2O) chiếm khoảng 97 – 99 % Vì có màu trắng hơi ục nên khả năng chỉ chứa một ít tạp chất không áng kể

Thành phần dựa vào kết quả phân tích phổ

Đường màu xanh dương: Kaolinit là một khoáng vật sét với công thức hóa học

Al2Si2O5(OH)4, ược hình thành do quá trình phong hóa của fenspat, chủ yếu là octodaz

và anbit Quá trình phong hóa trên ược gọi là quá trình kaolin hóa Nó là khoáng vật silicat với một tấm tứ diện liên kết thông qua các nguyên tử oxy với một tấm bát diện

là alumina Các loại ất sét giàu kaolinit gọi là ất sét trắng, ất sét cao lanh, cao lanh hay kaolin

Đường màu xanh lục: Cristobalit là một biến thể thạch anh ở nhiệt ộ cao, có công thức hóa học SiO2, nhưng có cấu trúc hóa học khác thạch anh Cả thạnh anh và cristobalit là ồng hình với các loại khoáng khác trong nhóm thạch anh như coesit, tridymit và stishovit

Đường màu ỏ: Haloizit (khoáng vật sét Al2Si2O5(OH)4.2H2O) khoáng vật nhóm sét, phụ lớp silicat, cấu trúc lớp Al2Si2O5(OH)4.2H2O Hệ ơn nghiêng Tình thể dạng tập hợp ặc sít có kích thước rất nhỏ, chỉ quan sát ược dưới kinh hiển vi iện tử Độ cứng 1-2; khối lượng riêng 2-2,2 g/cm3 Nguồn gốc: khoáng vật iển hình của vỏ phong hóa phát triển trên các á bazan, gabro, pocphirit cộng sinh với kaolinit và các khoáng vật sét khác Nguyên liệu gốm sứ

Đường màu en: các tạp chất tinh thể không xác ịnh

Tính kích thước tinh thể, khoảng cách giữa hai mặt mạng và tham số mạng

Ở ộ cao ½ I = 7502.5

Nhánh ồ thị phía bên trái ỉnh có I1 = 7502.5, 2θ1 = 24.63035 (tuy nhiên vì trong số liệu không có giá trị I1 nên cần tính giá trị 2θ1 tương ối nhờ vào hai số liệu liền kề trên và dưới của nó, trong ó cột 1 và 3 lần lượt là giá trị 2θ và I)

Nhánh ồ thị phía bên phải ỉnh có I2 = 7502.5, 2θ2 = 25.09407 (cách xác ịnh tương

tự như trên)

→ B = 2θ2 - 2θ1 = 0.46372 ổi sang radian 0.00809

Kích thước hạt tinh thể

0.089 × λ 0.089 × 0.154056 l = B × cos θ = 0.00809 × cos 24.89217 = 1.707141 nm

2 Khoảng cách giữa các mặt mạng

d = 2sinθ = 24.89217 = 0.36114nm

2sin

2

Yêu cầu 4: Hãy cho biết vị trí của các ỉnh nhiễu xạ gợi ý có trùng khớp với các ỉnh nhiễu xạ của vật liệu khảo sát hay không? Dựa vào sự trùng khớp và số lượng ỉnh vẫn chưa ược xác ịnh, hãy ánh giá về ộ tin cậy của các phổ gợi ý

Dựa vào vị trí của các ỉnh nhiễu xạ gợi ý ta thấy rằng nó trùng khớp với các ỉnh nhiễu xạ của vật liệu khảo sát

Dựa vào sự trùng khớp ta thấy số lượng các ỉnh gợi ý nhiều hơn so với ỉnh của vật liệu cần phân tích nên dẫn ến ộ tin cậy bị giảm

Yêu cầu 5: Sưu tầm phổ của vật liệu tương tự, chú thích rõ ràng nguồn gốc So sánh phổ từ thí nghiệm này với phổ sưu tầm

Hình 1.7 Phổ nhiểu xạ sưu tầm Al2SiO5 (Aluminum Silicate)

Hình 1.8 Phỗ nhiểu xạ sưu tầm SiO2 (Silic ioxit)

So sánh:

Dựa vào phổ nhận ược và phổ sưu tầm ược thì dễ nhận ra rằng: các ỉnh peak list gần giống nhau (không thực sự trùng nhau), số lượng các ỉnh của phổ từ thí nghiệm nhận thấy ít hơn so với phổ sưu tầm Do trong quá trình nghiền nhỏ mẫu chưa ạt ến ược kích thước mong muốn nên phổ nhận ược chưa chính xác hoàn toàn

Yêu cầu 6: Kết luận về thành phần cấu tạo của vật liệu dựa vào kết quả nhiễu xạ thu ược Nhận xét

Đất sét lọc (màu trắng - kaolin) có thể viết: Al2Si2O5(OH)4 Thành phần hóa học của khoáng này là: SiO2: 46.54%; Al2O3 : 39.5%; H2O: 13.96%

Thành phần của vật liệu dựa vào kết quả XRD thu ược giống với dự oán ban ầu Kết luận: 2 phổ nhiễu xạ (Aluminum Silicate, Silicon Oxide) có phổ gần với phổ chung thí nghiệm, có thể nói ây là vật liệu ặc trưng cho ất sét

1.3.2 Phân tích phổ nhiễu xạ FTIR

Yêu cầu 1: Nhận biết và miêu tả những thông tin ghi trên bản in phổ của thiết bị phân tích nhiễu xạ

Hình 1.9 Phỗ nhiễu xạ thể hiện rõ tranmittance và wavenumbers của ất sét lọc

Trục tung: %T (transmittance) biểu thị % xuyên qua của vật liệu

Trục hoành: wavenumbers biểu thị số bước sóng trên một ơn vị cm (biểu thị theo dạng tần số)

Dòng trạng thái màu ỏ thể hiện vật liệu cần phân tích

Các dòng trạng thái còn lại cho biết các gợi ý vật liệu gần giống với vật liệu cần

phân tích theo FTIR Càng gần phổ phân tích cho ra kết quả càng chính xác hơn

Mỗi dòng trạng thái gợi ý biểu thị các thông tin về tên vật liệu dự oán và % sự

tương thích của nó

Search result list of mathches: cho ta biết các vật liệu ược gợi ý, % tương thích, tên

vật liệu, và nguồn database tìm ược

Dùng tia hồng ngoại bắn vào bộ tách sóng, tách nhiều tia hồng ngoại bắn xuyên

vào mục tiêu

Hình 1.10 Phổ FTIR của ất sét lọc

%Transmittance biểu thị % xuyên qua vật liệu

Wavenumbers: biểu thị số bước sóng trên ơn vị cm

Region vùng FTIR cho thấy ược vùng ặc trưng riêng của vật liệu theo số bước sóng

Trục hoành: số bước sóng trên một ơn vị chiều dài (cm-1 )

Trục tung: Biểu thị cường ộ hấp thụ qua ộ truyền quang T (Transmittance), thường

dùng %T

Yêu cầu 2: Kết luận dựa vào thành phần cấu tạo của vật liệu dựa vào kết quả FRIT thu ược, kết quả giống hay khác so với dự oán ban ầu?

Đất sét có thể viết: Al2Si2O5(OH)4 Thành phần hóa học của khoáng này là: SiO2: 46.54%; Al2O3 : 39.5%; H2O: 13.96%

Thành phần của vật liệu dựa vào kết quả FTIR thu ược giống với dự oán ban ầu

Yêu cầu 3: Sưu tầm phổ FRIT của vật liệu tương tự, chú thích rõ ràng nguồn gốc So sánh phổ Frit từ thí nhiệm này với phổ FTIR sưu tầm

Hình 1.11 Phổ sưu tầm FTIR Al2O3

Nguồn: Researchgate.net FT-IR spectra of Al2O3

Yêu cầu 4: Kết quả FTIR và XRD có hỗ trợ cho nhau không? Từ ó, trình bày kết luận cuối cùng về vật liệu khảo sát trong phần kết luận của bài báo cáo

Kết quả FTIR và XRD có hỗ trợ cho nhau ể ta phân tích rõ hơn tích chất, ặc iểm của vật liệu

Giống nhau: Hai FTIR và XRD kết quả có hỗ trợ, cả FTIR và XRD ều là các phương pháp phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu

Nghiền mẫu với kích thước ủ mịn sẽ cho kết quả tốt và chính xác hơn nữa Hiệu quả của 2 phương pháp mang lại chỉ mang tính tương ối ể ta có thể hình dung ược vật liệu nghiên cứu

Nhận thấy kết quả ở XRD ộ tin cậy cao hơn so với FTIR và hai phổ này bổ trợ c ho nhau

BÀI THÍ NGHIỆM 2: PHẢN ỨNG PHA RẮN 2.1 MỤC ĐÍCH BÀI THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm thực nghiệm quá trình tái chế các chất thải công nghiệp (tro bay xỉ, bụi,…) ể sản xuất thủy tinh nhằm giảm ô nhiễm môi trường và tạo tính kinh tế

2.2 LÝ THUYẾT

Natri silicat là tên phổ biến cho các hợp chất có công thức (Na2O)(SiO2)n

Thủy tinh nước hoặc thủy tinh lỏng, các vật liệu này có sẵn trong dung dịch nước

và ở dạng rắn Các chế phẩm thuần khiết không có màu hoặc có màu trắng, nhưng các mẫu thương mại thường có màu xanh lá cây hoặc xanh dương do sự có mặt của các tạp chất có chứa sắt

Natri silicat ược sử dụng trong xi măng, chống cháy thụ ộng, công nghiệp dệt may

và chế biến gỗ xẻ, vật liệu chịu lửa,…

Natri cacbonat và silic dioxit phản ứng khi ược nung nóng ể tạo thành natri silicat

Trong ó: CSiO 2: hàm lượng SiO2 trong mẫu, tính theo % CNa 2 O:

hàm lượng Na2O trong mẫu, tính theo % 1.0323: hệ số

Hình 2.2 Thành phần tro bay công nghiệp

Nồi ựng hỗn hợp NaOH, tro bay và nước

Lò sấy, lò nung, ũa thủy tinh

Chất rắn sau khi lọc ược, em i sấy ở nhiệt ộ 105 oC - 110 oC tới khối lượng không

ổi

Sau ó làm nguội chất rắn rồi em i cân chính xác 0.0002g

2.4 PHÂN TÍCH

2.4.1 Thành phần của hỗn hợp hấp thủy nhiệt

Chuẩn bị Na2O từ 200ml NaOH 10M

Na2O + H2O → 2NaOH ⇒ mNa 2 O = C NaOH 2.V NaOH mNa 2 O

= 62 = 62g mSiO 2 = 171.1740g ⇒ mtro bay CN =

2.4.3 Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình hấp thủy nhiệt

Phản ứng chính xảy ra giữa NaOH với SiO2 trong tro bay:

2NaOH + nSiO2 → Na2O SiO2 n + H2O Một số phản ứng phụ xảy ra bởi các tạp chất có trong tro bay khi hòa tan vào dung dịch như KOH, Al2O3,…

NaOH + Al2O3 → NaAlO3 + H2O 2KOH + nSiO2 → K2O SiO2 n + H2O CaO không tham gia phản ứng với SiO2 ở nhiệt ộ nung 900oC, một phần CaO tạo thành Ca(OH)2 rồi phản ứng với SiO2, tuy nhirn không áng kể

2.4.4 Giải thích sự tăng giảm pH trước và sau khi hấp thủy nhiệt

pHtrước p/ư = 14.35 pHsau p/ư =12.82

Trong khi hấp thủy nhiệt, một phần NaOH tạo bởi Na2O tham gia phản ứng với SiO2 tạo ra Natri Silicat Na2O SiO2 n làm giảm nồng ộ [OH]- trong dung dịch, dẫn ến ộ

pH của dung dịch giảm xuống

2.4.5 Tính thể tích và áp suất của quá trình hấp thủy nhiệt

Xác ịnh thể tích khí:

Khối lượng bình nung: 514,08g

Khối lượng bình nung chứa ầy nước: 1162.24g

Khối lượng riêng của nước: 1000g/l

⇒ Thể tích khí V có trong bình khi nung: V = = 0.65 lít Số

mol khí có trong bình ( ktc): n = V = 0.65 = 0.029 (mol)