Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 5 - Trần Vũ Diễm Ngọc

8/28/2021

CHƯƠNG 5:
Các phương pháp xác định đặc tính chất rắn

189

189

CHƯƠNG 5: Các phương pháp xác định đặc tính chất rắn
 Phân tích hóa học:
Dùng phản ứng hóa học để chuyển cấu tử khảo sát thành hợp
chất mới có tính chất đặc trưng mà ta có thể xác định được sự
hiện diện và hàm lượng cảu cấu tử khảo sát.

 Phân tích vật lý:
Xác định thành phần và hàm lượng của các chất dựa trên việc nghiên
cứu cac tính chất quang, điện, từ, nhiệt hoặc tính chất vật lý khác.
190

190

95


8/28/2021

CHƯƠNG 5: Các phương pháp xác định đặc tính chất rắn

 Chọn phương pháp phân tích thích hợp
 Chọn mẫu đại diện

 Tách chất:
 Tiến hành đo các chất cần phân tích.
 Tính tốn và xử lý kết quả phân tích:

191

191

5.1 Phân tích hóa học
Nghiên cứu các phương pháp phân tích định tính và định lượng
thành phần hóa học của các chất

- PT định tính: Trong mẫu PT có những chất gì
- PT định lượng: Hàm lượng các chất có trong mẫu
Khi nghiên cứu thành phần một chất chưa biết:phân tích định
tính trước, phân tích định lượng được tiến hành sau.

192

96


8/28/2021

5.1 Phân tích hóa học

193

5.1 Phân tích hóa học
Các giai đoạn tiến hành phân tích

 Lấy mẫu đại diện
 Bảo quản mẫu phân tích
 Tạo mẫu dưới dạng thích hợp
 Tiến hành phân tích định tính
 Cơ lập hoặc loại bỏ bớt 1 số cấu tử cản trở
 Tiến hành đinh lượng
 Tính tốn kết quả
194

97


8/28/2021

5.1 Phân tích hóa học
Các giai đoạn tiến hành phân tích

195

5.1 Phân tích hóa học

196

98


8/28/2021

6.5.1.

Phân tích
hóahóa
học:
5.1 Phân
tích

học

197

5.1 Phân tích hóa học
5.1.1. Phân tích trọng lượng
ĐN: Cân khối lượng của chất cần xác định hoặc những hợp phần của nó đã
được tách ra ở trạng thái tinh khiết hóa học hoặc là dưới dạng hợp chất có thành
phần biết trước
Các bước tiến hành:
 Chọn mẫu và gia công mẫu.
 Chuyển mẫu vào trạng thái dung dịch và tìm cách tách chất cần phân tích ra
khỏi dung dịch ( làm kết tủa , hay bay hơi. . . ) lọc và rửa kết tủa.
 Chuyển hóa sản phẩm tách bằng các biện pháp thích hợp như sấy , nung.
 Cân và tính tốn kết quả

198

99


8/28/2021

5.1.1. Phân tích trọng lượng

Phương pháp kết tủa khối lượng
Dùng phản ứng kết tủa để tách chất cần phân tích ra khỏi dung dịch phân tích.
Sau đó kết tủa được lọc, rửa , sấy , nung đến khối lượng không đổi và đem cân
để tính tốn kết quả.
Phương phấp đẩy ( hay tách ).
Tách các chất cần phân tích về trạng thái tự do lọc, rửa và cân khối lượng chất
đã tách để từ đó xác định hàm lượng % chất cần phân tích.
Phương pháp bay hơi.
Mẫu PT đc xử lý bằng nhiệt độ hay thuốc thử thích hợp, để chất PT bay hơi ra và xác
định hàm lượng chất cần PT dựa trên độ tăng hay giảm khối lượng của bình sau khi
bay hơi.

199

5.1.1. Phân tích trọng lượng

200

100


8/28/2021

5.1.2. Phân tích thể tích (phương pháp chuẩn độ)
ĐN: Dựa trên việc đo chính xác thể tích dung dịch thuốc thử
(đã biết nồng độ chính xác hay độ chuẩn) cần thiết để phản ứng
vừa đủ với dung dịch phân tích.
Từ lượng thuốc thử tính ra hàm lượng chất cần phân tích có trong
mẫu.

DD
chuẩn

DD

cần

chuẩn độ

201

5.1.2. Phân tích thể tích (phương pháp chuẩn độ)

 Phương pháp trung hòa axit – bazo: H+ + OH-  H2O
 Phương pháp tạo phức: Ag+ + 2CN-  [Ag(CN)2]
 Phương pháp oxy hóa khử : Oxh1 + Kh2  Kh1 + Oxh2
 Phương pháp kết tủa: A + B  C

202

101


8/28/2021

6.1
5.1 Phương
Phương
tích vật lý
pháp pháp

nhiễu xạ phân
tia X

- Nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
- Hiển vi (Quang học, SEM, TEM).
- Phân tích nhiệt
- Tỷ trọng và độ xốp…

203

203

5.1.1
6.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
Phương pháp nhiễu xạ tia X

Định nghĩa:
Tia X là song điện từ có bước song  = 10-2÷ 10-1nm

Bản chất của tia X:

204

204

102


8/28/2021

5.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
Hiện tượng nhiễu xạ
Hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:

Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:

205

205

5.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
Cơ chế phát tia X:
-

Electron của tia âm cực được tăng tốc trong E mạnh nên động năng rất lớn
-

Khi gặp các nguyên tử của đối âm cực,
các e- này xuyên sâu vào vỏ nguyên
tử, tương tác với hạt nhân và các e lớp
trong cùng của nguyên tử và dừng lại
đột ngột làm phát ra sóng điện từ có
bước sóng rất ngắn gọi là bức xạ hãm
hay tia X

206

206

103

8/28/2021

5.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
Tính chất tia X:
-

Khơng nhìn thấy vùng bước sóng của tia X là 0.1 – 0.001 nm.

-

Truyền thẳng trong không gian tự do.

-

Phản xạ→ bị che chắn bởi môi trường.

-

Hấp thụ→ bị suy giảm cường độ bởi mơi trường.

-

Tuyền qua → có tính “thấu quang” với nhiều mơi trường khơng trong suốt.

-

Vì có bước sóng ngắn, năng lượng cao → khẳ năng xuyên thấu cao.

-

Khúc xạ→ bởi chiết suất của môi trường vật chất.

-

Phản ứng quang hóa → tác dụng lên phim ảnh.

207

207

5.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)

-

Đèn tia X: nguồn tạo ra
nhiễu xạ Rơn ghen

-

Tia tới: tia X trước khi bắt
phá mẫu

-

Máy đo góc: giữ và điều
chỉnh mẫu,

-

Mẫu và gá mẫu

-

Nhận và phát hiện tia X
(detector)

208

208

104


8/28/2021

5.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X (Rơnghen)
Nguồn phát ra tia X:
Nguồn tự nhiên:

209

209

Nguồn phát ra tia X:
- Nguồn nhân tạo:
- Dùng ống phát ra tia X

210

105


8/28/2021

Định luật bragg :

- Các tia X không thực sự bị phản xạ mà chúng bị tán xạ.
-

Mỗi mặt phẳng nguyên tử phản xạ sóng tới độc lập với nhau và được gọi là
mặt phản xạ.

-

Tia nhiễu xạ gọi là tia phản xạn

211

Định luật bragg :

Phương trình khoảng cách giữa các mặt trong hệ cubic:

212

212

106

8/28/2021

6.1 Phương
Phương
xạ tia X
pháp pháp
nhiễu xạ nhiễu
tia X
Phương pháp chụp tinh thể:

213

213

Phương pháp Laue:
Chùm tia X hẹp và không đơn sắc được dọi lên mẫu đơn tinh thể cố định
Giữ nguyên góc tới của tia X đến tinh thể và thay đổi bước sóng của chùm tia X

Ảnh nhiễu xạ gồm một loạt các vết đặc trưng cho tính đối xứng của tinh thể

214

107


8/28/2021

Quay đơn tinh thể:
- Giữ nguyên bước sóng và thay đổi góc tới.

-

Chùm tia X đơn sắc tới sẽ bị nhiễu xạ trên 1 họ mặt nguyên tử của tinh thể với
khoảng cách giữa các mặt là d khi trong quá trình quay xuất hiện những giá trị
thỏa mãn điều kiện Bragg

- Tất cả các mặt nguyên tử song song với trục quay sẽ tạo nên các vết
nhiễu xạ trong mặt phẳng nằm ngang.

215

215

Phương pháp bột:
-

Sử dụng với các mẫu là đa tinh thể.
Sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu

- Quay mẫu và quay đầu thu
chùm nhiễu xạ trên đường tròn
đồng tâm

Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu
xạ vào 2 lần góc nhiễu xạ (2θ).

- Tất cả các mặt nguyên tử song song với trục quay sẽ tạo nên các vết
nhiễu xạ trong mặt phẳng nằm ngang.

216

216

108


8/28/2021

Hiện tượng nhiễu xạ trong phân tích cấu trúc vật chất:
- Chùm tia tới: bước sóng λ, cường độ I0
- Mẫu vật chất là một "HỘP ĐEN".
- Các giả thiết:
* Tán xạ đàn hồi: một số tia tới chỉ bị lệch hướng (góc 2θ);
* λ khơng đổi,

cường độ I(s) là hàm của góc lệch 2θ,

trong đó s là một vector: s = 2(sinθ)/λ.

217

217

Hiện tượng nhiễu xạ trong phân tích cấu trúc vật chất:

218

109

8/28/2021

Chuẩn bị mẫu:
- Phẳng, nhẵn, bóng.
- Tạo khối.
- Kích thước hạt < 10mm
- Bột: đa tinh thể, tạo lớp bột mỏng trên đế, hoặc tạo khối….

219

Ứng dụng:
–Vị trí các peak nhiễu xạ
– Độ rộng của peak nhiễu xạ
–Cường độ nhiễu xạ của peak
–Xác định pha tinh thể (cả định tính và định lượng);
–Xác định sự định hướng tinh thể;
–Xác định các tính chất cấu trúc: Các hằng số mạng, ứng suất/biến dạng mạng,
kích thước hạt, sự sắp xếp tinh thể (expitaxy), thành phần pha, sự định hướng
ưu tiên (Laue, texture), chuyển pha trật tự-không trật tự, dãn nở nhiệt;
– Đo chiều dày màng mỏng và màng đa lớp;
–Xác định sự sắp xếp các nguyên tử;
– Tìm các giới hạn dung dịch rắn hay hợp kim;
220

110


8/28/2021

6.1.1. Nhiễu xạ tia X:

Ứng dụng:

Vị trí của peak - Góc 2-Theta (θhkl)

221

Ứng dụng:
Vị trí của peak - Góc 2-Theta (θhkl)

222

111


8/28/2021

Ứng dụng:
Độ rộng của vạch nhiễu xạ (peak)

Xác định kích thước tinh thể (đơn tinh thể) t, hay còn gọi là hạt
vi tinh thể trong mẫu.

223

Ứng dụng:
-

Cường độ của peak nhiễu xạ

Cường độ của peak nhiễu xạ phản ảnh sự tán xạ tổng cộng từ mỗi mặt phẳng trong

cấu trúc tinh thể của pha có mặt trong mẫu, và phụ thuộc trực tiếp vào phân bố các
nguyên tử cụ thểở trong cấu trúc đó.

-

Cường độ peak nhiễu xạ rất phụ thuộc vào cả cấu trúc và thành phần của pha.

224

112


8/28/2021

Ứng dụng: Cường độ của peak nhiễu xạ

225

Ứng dụng:
Cường độ của peak nhiễu
xạ

226

113


8/28/2021

Ứng dụng:

Hằng số mạng a,b,c

V=a3
V=a2c
V=abc

Lục phương
V=abc(sin)

227

Ứng dụng:
Thành phần pha

TiO2 : rutil, anatas, brookite

228

114


8/28/2021

Ứng dụng: Nhận biết mạng Bravais
𝑑
𝑑

=

sin2𝜃1 h12 + k12 + l12
=
sin2𝜃2 h22 + k22 + l22

229

Ứng dụng: Nhận biết mạng Bravais

230

115


8/28/2021

Ứng dụng: Nhận biết mạng Bravais

1
2
3 4
i

5

Xác định các chỉ số (h,k,l) từ giản đồ nhiễu xạ Nhôm
231

Ứng dụng:
Thành phần pha

Hematit-Fe2O3

Manhetit-Fe3O4
Intensity (a.u)

Quazt SiO2

10

20

30

40

50

60

70

232

116


(202)
(220)

(112)

(211)

(200)

(210)

(111)

(002)

(101)

Intensity (Arb. unit)

Ứng dụng:

(110)

8/28/2021

(111)PC

x = 0.05
x = 0.04
x = 0.03
x = 0.02
x = 0.01
x=0
-

(111)R (111)R (002)T (200)T

20

30

40

50

60

2(deg)

70

80

40

1.05

3.95

c

3.90

a

1.04
1.03
1.02

3.85

1.01

c/a
0

1

2
3
4
Ba content (%)

5

Tetragonality (c/a)

Lattice parametter (Å)

4.00

3.80

46

1.00

233

Ứng dụng:

Quan sát ảnh hưởng của ứng
suất gây biến dạng mạng tinh thể
thông qua sự dịch vạch nhiễu xạ
và sự mở rộng của vạch nhiễu xạ

234

117


8/28/2021

Ứng dụng:
Quan sát hiệu ứng của kích thước
kết đám (Coherent Domain Size):
Kích thước các hạt kết tụ từ các hạt
siêu mịn Cu70Zn30 chế tạo bằng
phương pháp nghiền quay nguội
(nghiền trong nước) đã tăng lên khi
tăng nhiệt độ ủ.

235

Ứng dụng:

236

118


8/28/2021

Ứng dụng:

237

5.2.2 Phương pháp hiển vi
Kính hiển vi (microscope):
 Quan sát các vật thể có kích thước rất nhỏ mà mắt thường khơng nhìn thấy được.
Hình ảnh hiển vi của vật thể được phóng đại thơng qua 1hoặc nhiều thấu kính,
hình ảnh này nằm trong mặt phẳng vng góc với trục của thấu kính (hoặc các
thấu kính).
 Khả năng quan sát của kính hiển vi được quyết định bởi độ phân giải.
Phân loại:
 Kính hiển vi quang
 Kính hiển vi điện tử (kính hiển vi điện tử truyền qua – TEM, \
 Kính hiển vi điện tử quét – SEM,…),
 Kính hiển vi qt đầu dị (kính hiển vi lực nguyên tử – AFM,
 Kính hiển vi quét chui hầm – STM,
 Kính hiển vi quang học quét trường gần – SNOM,…)
238

119