Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Практикум по спектроскопии. Вода в минералах: Учебное пособие

Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н.,

Лабораторная работа № 2: Связанная вода в минералах

Цель работы: изучение OnHm группировок в минералах по ИК-спектрам поглощения.

Приборы и принадлежности: спектрофотометр Specord, набор образцов для снятия спектров или набор ИК-спектров минералов.

Основные понятия

Теоретическая часть наиболее полно изложена в данном пособии и прилагаемом списке литературы.

p

Остановимся кратко на неотложных моментах. Но для ответа на контрольные вопросы этого будет недостаточно. Изучите более подробно теоретическую часть данного пособия (стр. 9-18).

Рассмотрение формы колебаний молекул воды позволяет провести класси­фикацию колебаний по их форме на валентные и деформационные (рис. 2.1).

  1. Валентные колебания (ν) представляют собой растяже­ние и сжатие связей атомов в молекуле, а углы между связями приближённо остаются неизменными. Таким образом, для валентных колебаний f; f.
  2. Деформационные колебания - типы колебаний, которые сопровождаются изменением углов между связями молекул: f; f. Такие колебания связываются с более низкими величинами силовых постоянных, и соответствующие полосы поглоще­ния появляются при более низких частотах, по сравнению с валентными колебаниями.

Частоты максимумов полос поглощения для различных видов воды приведены в табл. 2.1.

На поверхности кремнезёма, кроме свободных групп ОН (ν = 3750 см-1), суще­ствуют группы ОН, связанные водородной связью (ν = 8550 см-1), которые начинают удаляться при температуре 200°С, а также гидроксильные группы, возмущенные водородной связью, находящиеся внутри глобул (ν = 1650 см-1). При нагревании удаляются вна­чале связанные гидроксильные группы, затем внутренние. Отдельные гидроксильные группы связаны с поверхностью очень прочно и удаляются только под откачкой при температуре не ниже 300°С.

Таблица 2.1

Частоты максимумов полос поглощения для различных видов воды

Мономеры

Н2О

HDO

D2O

Валентные
колебания

3725,7

 

2764,6

 

 

3680,4/2705,1

 

 

3632,5

 

2655,0

Деформационные

1596,9

1405,4

1179,2

Спектры поглощения OН2, ОН3-групп. Свободная молекула Н2O имеет три основных нормальных колебания, которым в парах соответствуют частоты в см-1: 1595 (деформационное колебание δ), 3654 (симметричное валентное колебание νs) и 3756 (антисимметричное валентное колебание νas).

Полосы поглощения, обусловленные частотами антисимметричных и симметричных колебаний, при записи спектра на стандартных приборах средней дисперсии сливаются в одну широкую полосу, максимум которой имеет значение 3400 см-1. В табл. 2.2 приведены значения максимумов полос поглощения воды в различных агрегатных состояниях.

Область около 700 см-1 в инфракрасном спектре жидкой воды принадлежит либрационным (вращательным) колебаниям молекул воды.

Максимумы частот колебаний молекул воды зависят от того, в каких соединениях они находится.

Деформационное колебание δН2O, расположенное в спектре жидкой воды ν~1650 см-1, занимает в большинстве кристаллогидратов узкий интервал спектра между 1670 и 1390 см-1. Деформационные колебания (Н3О)+ наблюдаются вблизи 1700 см-1, частота колеблется в пределах 1670-1750 см-1. Другое деформационное колебание иона (Н3О)+ расположено вблизи 1150 см-1.

Чтобы получить информацию о формах вхождения воды в минералах по ИК-спектрам, необходимо исследовать области частот, ответственных за поглощение ОН-групп. Итак, для определения ОНn группировок в минералах необходимо выделить области частот в спектре, которые поглощают ОН-группировки.

В основе всех коли­чественных измерений, проводимых по спектрам поглощения, лежит закон Бугера-Ламберта-Бера: f, где I0 - интенсивность падающего излучения, I - интенсивность проходящих лучей, d - толщина поглощающего слоя, с - концентрация, k - коэффициент поглощения.

Таблица 2.2

Отношение частот валентных и деформационных колебаний

Частота см-1

Итерпретации

1

1620

ОН(б) Н2О

Деформационные колебания Н2О

2

3320

ОН(v) Н2О

Валентные колебания Н2О

3

3320

ОН(v) Н2О

-||-

4

3400

ОН(v) Н2О

-||-

5

3620

ОН(v) Н2О

Валентные колебания Н2О в пограничном слое

6

3640

ОН(v) струк.

Структурные колебания ОН групп

7

3780

ОН(v) струк.

-||-

8

3712

ОН(v) струк.

-||-

Порядок выполнения работы

  1. Подготовить образцы минералов для съемки ИК-спектров, или получить набор спектров различных минералов, содержащих OnHm-группировки.
  2. Проработать по теоретической части метод ИК-спектроскопии, как метод анализа OnHm-группировок.
  3. Расшифровать полученные или предложенные ИК-спектры в области колебаний ОН-связи.
  4. Составить таблицу найденных вами частот и сделать отнесение частот колебаний в области валентных и деформационных колебаний ОН-связи.
  5. Провести анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

  1. В каком состоянии находится вода в минералах?
  2. Что такое связанная вода?
  3. Как влияет на минерал связанная вода?
  4. Основные разновидности воды.
  5. Что такое тяжелая и сверхтяжелая вода?
  6. Каково строение молекул воды?
  7. Что такое водородная связь?
  8. Классификация воды минералах.
  9. Что такое кристаллизационная вода, структурная вода, абсорбированная вода, чем они отличаются?
  10. Валентные и деформационные колебания воды и область частот в спектрах, где они наблюдаются?
  11. Спектры воды в различных агрегатных состояниях.
  12. Как проводится качественный анализ?
  13. Как проводится количественный анализ?
  14. Закон Бугера-Ламберта-Бера.
  15. Оптическая плотность, пропускание.
  16. Как влияет температура на ИК-спектр минерала?

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074