Bài tập PP cấu trúc vật chất

Sử dụng những dữ liệu này: a Vẽ đường đẳng nhiệt đầy đủ và xác định các điểm quan trọng trên đồ thị và thông tin có thể thu được; b Xác định Vm và SBET, c Từ dữ liệu giải hấp phụ xác địn

2 The following N₂ adsorption desorption data were obtained at 77

K for commercial Raney Ni catalyst Using these data:

(a) plot the full isotherm and identify the important points on the plot and the information that can be obtained;

(b) determine Vm and SBET,

(c) from the desorption data determine the pore size distributionand average mesopore radius

Bài 2 Dữ liệu giải hấp phụ N₂ sau đây thu được ở 77 K đối với xúc tác

Raney Ni đã trình bày Sử dụng những dữ liệu này:

(a) Vẽ đường đẳng nhiệt đầy đủ và xác định các điểm quan trọng trên đồ thị và thông tin có thể thu được;

(b) Xác định Vm và SBET,

(c) Từ dữ liệu giải hấp phụ xác định sự phân bố kích thước lỗ và bán kính trung bình

Giải :

(a) Các điểm quan trọng trong biểu đồ nằm giữa (0,8 - 0,9) và (0,4 - 0,5) nơi đường cong hấp phụ và giải hấp gặp nhau do sự sụp

đổ đột ngột của các lỗ xốp trong tế bào trung bì được gọi là "KNEE"

- Lượng khí bị hấp phụ trong ống đơn chất Vm được đo ở áp suất tương đối (0,5 - 0,35) và cho trong biểu đồ

b Từ phương trình BET :

Tại x = n0 của phân tử khí bị hấp phụ (P/P0) = Áp suất tương đối

C = thông số năng lượng liên quan đến nhiệt hấp thụ

xm = n0 trong phân tử / nguyên tử khí bị hấp phụ trong đơn lớp

Từ đồ thị (2) K =

Với độ dốc = 23,177 = (1)

Vật giữa 2 điểm = 0,0186 = (2)

Từ (1) và (2), ta có :

0,0186 = x 23,177

 = = 0,00080

<=> C = 1,00080 ; xm =

=> xm = 0,04311 (vm = xm)

- Diện tích bề mặt BET = (xm x NA x Ϭ) / (M)

Ϭ : Phần chiếm diện tích bề mặt của một phân tử N₂ = D.0,162nm2

NA = Hằng số Fvagadro's n0 = 6,022 x 1023,

M = khối lượng phân tử của N2 = 28 g/mol

=> BET = (

= (150,227 m2/g)

TGA/DSC problems

Vấn đề 1: Tại sao sợi thủy tinh (đặc biệt trong vật liệu tổng hợp epoxy được gia cố bằng sợi) không bị phân hủy trong phân tích TGA?

Các sợi thủy tinh (đặc biệt trong vật liệu tổng hợp epoxy được gia cố bằng sợi) ở nhiệt độ cao hơn sẽ biến thành thủy tinh nguyên chất ở nhiệt độ cao hơn trong TGA và sự giảm trọng lượng chỉ dừng lại ở một điểm nhất định (như trong hình) Sự thay đổi cấu trúc vi mô / thành phần hóa học chính xác mà sợi trải qua là gì? Tại sao chúng không phân hủy hoàn toàn như các sợi khác như sợi carbon?

Bài giải :

Sợi thủy tinh làm bằng silicat và oxit của các ion kiềm khác Các hợp chất vô cơ này không bị phân huỷ dưới 1000oC, đó là nhiệt độ đã được kiểm tra Sợi tan chảy trong khoảng 800oC (nếu ta

sử dụng sợi thủy tinh E tiêu chuẩn), nhưng không bay hơi Khi kiểm tra epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh, chỉ phần epoxy đầu tiên bị phân hủy ở khoảng 400-500oC, các ký hiệu (nếu ta kiểm tra nó dưới nitơ) hoặc phân hủy và bay hơi (nếu kiểm tra nó trong không khí) Nếu ta muốn biết hàm lượng sợi, ta có thể kiểm tra composite dưới không khí Phần xơ là khối lượng còn lại ở 800oC trong không khí

Nhiệt độ tối đa bạn đã sử dụng là 8000C, thậm chí chưa gần bằng nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh Sự xuống cấp trong máy đo nhiệt là epoxy liên kết cộng với các tạp chất gốc oxy có thể bám trên bề mặt của sợi thủy tinh (ví dụ như hydroxyl)

Hơn nữa, ta đã đề cập rằng sợi carbon phân hủy hoàn toàn, điều này không đúng: carbon phân hủy ở nhiệt độ cao hơn Tuy nhiên, carbon có thể thoát ra dưới dạng CO hoặc CO2 nếu có đủ oxy hoặc tạp chất trên các sợi carbon của bạn Ngoài ra, sợi carbon thường được phủ bằng epoxy hoặc vinylester (tức là chất hồ) cũng góp phần vào sự phân hủy của các thành phần đó

Trên thực tế sợi thủy tinh được làm bằng gốm sứ Nói chung, quá trình quét gia nhiệt có thể bắt đầu từ RT đến tối đa 100

sợi thủy tinh vẫn được quét TGA phía sau

Problem # 2 I have performed TGA_DSC of cement paste

with different clays Samples 1-4 showed similar total weight loss and DSC curves, but samples 5 and 6 showed less weight loss

As all the samples have similar compositions (determined from XRD), what could be the reason for different weight loss for samples

5 and 6 ?

For samples 1 to 4, 50 mg weight is used whereas for samples

5 & 6, 35 mg weight is used for doing TGA Can this be a reason for the above change ?

Ta đã thực hiện TGA_DSC trong vữa xi măng với các loại đất sét

khác nhau Các mẫu 1 - 4 cho thấy tổng giảm về khối lượng và đường cong DSC tương tự nhau, nhưng mẫu 5 và 6 cho thấy giảm khối lượng ít hơn

Vì tất cả các mẫu đều có thành phần tương tự nhau (được xác định từ XRD), điều gì có thể là lý do khiến mẫu 5 và 6 giảm trọng lượng khác nhau?

Đối với các mẫu từ 1 đến 4, trọng lượng 50 mg được sử dụng trong khi đối với mẫu 5 & 6, trọng lượng 35 mg được sử dụng để làm TGA Đây có thể là một lý do cho sự thay đổi trên?

Giải :

Điều quan trọng là phải có cỡ mẫu đại diện khi tiến hành phân tích TGA của các vật liệu kết dính hoặc nhiều pha khác Theo phương pháp NIST thường cố gắng sử dụng chảo TGA khối lượng lớn

và nhận được kích thước mẫu gần bằng hoặc vượt quá 100 mg

Ngoài ra, kết quả thường phụ thuộc vào nhiệt độ mà ta đang

đo mức giảm trọng lượng chuẩn cuối cùng Trong hình 1, người ta có thể quan sát thấy rằng khi đã ở 1000C, mẫu sẽ mất gần hết nước tự

do, các mẫu 5 và 6 có độ mất khối lượng ít hơn nhiều so với mẫu

1-4 Có lẽ những mẫu này đã đủ điều kiện được làm "khô" hơn trước khi được tải vào DSC Ta có thể thử chuẩn hóa lại kết quả giảm khối lượng của mình bằng cách sử dụng khối lượng 1000C của mỗi mẫu vật làm cơ sở mới Điều này chắc chắn sẽ loại bỏ một số biến thể giữa các mẫu vật

Về biểu đồ dòng nhiệt, tốt hơn nên vẽ trục y là dòng nhiệt trên một đơn vị khối lượng vì nếu không thì rất khó để so sánh các đường cong khác nhau

Từ các đường cong mất khối lượng, sự mất khối lượng giữa

4000C và 5000C thường được cho là do nước mất đi từ canxi hydroxit

và trong khi rất khó để phân biệt chính xác khi xem các đường cong, sáu mẫu thử dường như có độ hao hụt khối lượng tuyệt đối khá giống nhau giữa 400 và 5000C Điều này cho thấy rằng sự mất nước

tự do (trước 1000C) thực sự có thể làm sai lệch các đường cong mất khối lượng tích lũy tiếp theo và việc chuẩn hóa dựa trên khối lượng

đo được ở 1000C có thể là một cách tốt

XRD problems

Problem #1

Analyze XRD data X-ray diffraction of copper, which has a face-centered cubic (FCC) structure, is done using X-rays with a wavelength of 0.154 nm One peak in the XRD pattern is at

2θ=43.2o What are the Miller indices for this peak?

Phân tích dữ liệu từ XRD Nhiễu xạ tia X trong đồng, có cấu trúc hệ tinh thể lập phương (FCC), được thực hiện bằng cách sử dụng tia X có bước sóng 0,154 nm Một đỉnh trong mô hình XRD là 2θ = 43,2o Các chỉ số Miller cho đỉnh này là gì?

Bài làm :

Ta có : λ = 2d sin(θ) (1)

Trong đó λ = bước sóng của tia X

d = khoảng cách giữa các mặt phẳng

2θ = 43,2o  θ = 43,2o/2

Từ phương trình (1), ta có thể tính được giá trị (d)

d = 0.209 nm

dhkl = a/(h2 + k2 + l2)1/2 (2)

Đối với đồng (FCC)

a = 2r/21/2 (3)

Trong đó r = bán kính nguyên tử = 0,128 nm (với Cu)

Từ phương trình (3), ta có thể tính được a :

=> a = 0.362 nm

Tư phương trình (2)

(h2 + k2 + l2)1/2 = 1,732

(h2 + k2 + l2) = 3 = 12 + 12 + 12= (111)

Problem #2

Below are listed diffraction angles for the first three peaks (first order) of the X-ray diffraction pattern for some metal Monochromatic radiation having a wavelength of 0.1542 nm was used

(a) Determine whether this metal’s crystal structure is FCC, BCC, or neither FCC or BCC and explain the reason for your choice

(b) If the crystal structure is either BCC or FCC, identify which

of the metals in the table gives this diffraction pattern

Dưới đây là liệt kê các góc nhiễu xạ cho ba cực đại đầu tiên (bậc nhất) của mẫu nhiễu xạ tia X đối với một số kim loại Người ta

sử dụng bức xạ đơn sắc có bước sóng 0,1542 nm

(a) Xác định xem cấu trúc tinh thể của kim loại này là FCC, BCC hay không phải FCC hoặc BCC và giải thích lý do cho sự lựa chọn của bạn

(b) Nếu cấu trúc tinh thể là BCC hoặc FCC, hãy xác định kim loại nào trong bảng cho dạng nhiễu xạ này

Peak Order Diffraction angle (2θ)

Bài làm

Problem #3

A Debye-Scherrer powder diffraction experiment using incident copper (Cu) Kα radiation gave the following set of reflections

expressed as 2θ: 38.40°; 44.50°; 64.85°; 77.90°; 81.85°; 98.40°; 111.20°

(a) Determine the crystal structure

(b) Calculate the lattice constant, a

(c) Assume that the crystal is a pure metal and on the basis of the hard-sphere approximation calculate the atomic radius

(d) Calculate the density of this element which has an atomic weight of 66.6 g/mol

Một thí nghiệm nhiễu xạ bột Debye-Scherrer sử dụng bức xạ đồng (Cu) Kα tới cho tập hợp các phản xạ sau được biểu thị bằng 2θ: 38,40 °; 44,50 °; 64,85 °; 77,90 °; 81,85 °; 98,40 °; 111,20 °

(a) Xác định cấu trúc tinh thể

(b) Tính hằng số màng tinh thể a

(c) Giả sử tinh thể là kim loại nguyên chất và trên cơ sở tính gần đúng của hình cầu cứng, hãy tính bán kính nguyên tử

(d) Tính khối lượng riêng của nguyên tố có khối lượng nguyên

tử là 66,6 g/mol

Giải :

Ta làm theo quy trình được đề xuất trong bài giảng:

(1) Bắt đầu với 2θ giá trị và tạo ra một bộ giá trị sin2θ

(2) Chuẩn hóa các giá trị sin2θ bằng cách tạo sin2θn / sin2θ1 (3) Xóa các phân số khỏi cột "chuẩn hóa"

(4) Suy đoán về các giá trị hkl có được cho là h2 + k2 + l2 để tạo chuỗi của cột "phân số rõ ràng"

(5) Tính cho mỗi θ giá trị của sin2θ / (h2 + k2 + l2) trên cơ sở hkl giả định các giá trị đã cho Nếu mỗi mục nhập trong cột này giống hệt nhau, thì toàn bộ quá trình sẽ được xác thực

(a) Đối với các dữ liệu được đề cập, khẳng định từ cột hkl rằng cấu trúc tinh thể là FCC (xem bảng bên dưới)

Bản thu gọn của phương trình thử nghiệm Debye-Scherrer

2θ sin 2θ normaliz ed fractions clear (hkl)?

38.40 0.108 1.00 3 111 0.0360

(b)

(c) Tại FCC, a =

(d) Ở đây chúng ta sẽ sử dụng khối lượng nguyên tử và thể tích nguyên tử