Определение минералогического состава илистой фракции почв методом дифференциального термического анализа

Органические и неорганические вещества, химический анализ состава почв
Ответить
Аватара пользователя
Глея
Старейшина
Сообщения: 1259
Зарегистрирован: Пн фев 25, 2013 6:28 pm

Определение минералогического состава илистой фракции почв методом дифференциального термического анализа

Сообщение Глея » Чт мар 07, 2019 1:10 am

Отчет по химии почв

1. Знакомство с устройством дериватографа ОД-102.
2. Определение вида минерала.


Минералы илистой фракции в значительной мере представлены алюмосиликатами. Основу кристаллической решетки всех силикатов составляют кремнекислородные тетраэдры - [SiO4]4-. По взаимному расположению тетраэдров различают 6 типов силикатов: островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоистые и каркасные. Основу песчаных и крупнопылеватых фракций составляют практически все группы минералов, кроме слоистых, которые преобладают в илистых и коллоидных фракциях. Наибольшее значение имеют следующие группы слоистых силикатов: монтмориллониты, каолиниты, слюды и гидрослюды, хлориты, вермикулиты. Все важнейшие группы глинистых минералов образованы слоями кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных октаэдров.
В центре кремнекислородного тетраэдра расположен ион Si4+, а в вершинах тетраэдра находятся ионы кислорода. За счет избытка заряда ионы кислорода связываются с другим ионом кремния или металла. Связи Si-O-Si очень прочные, и посредством этих связей тетраэдры объединяются в цепочку или гексагональную сетку. Закономерное сочетание тетраэдрических и октаэдрических сеток формирует кристаллическую решетку глинистых минералов, и по соотношению октаэдрических и тетраэдрических слоев различают группы минералов.
В группу каолинита входят минералы: каолинит, диккит, накрит и галлуазит. Каолинит представлен пакетом из октаэдрического и тетраэдрического слоев. Элементарная ячейка каолинита не симметрична, одна поверхность пакета образована кислородными атомами, а другая – гидроксильными группами. Между пакетами образуется довольно прочная водородная связь, препятствующая увеличению межпакетных промежутков. Каолинит не набухает вследствие прочных водородных связей между пакетами и не способен к поглощению катионов и молекул в межпакетных промежутках.
Минералы группы монтмориллонита – это трехслойные алюмосиликаты, т. е они содержат два слоя кремнекислородных тетраэдров, между которыми расположен октаэдрический слой. Т.к пакет монтмориллонита построен симметрично, здесь не возникают межпакетные водородные связи, а невысокий отрицательный заряд компенсируется расположенными в межпакетных промежутках катионами. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание минерала. Для монтмориллонита характерна высокая удельная поверхность, высокая ЕКО, при набухании его объем увеличивается в 1,5-2 раза.
При определении минералогического состава глинистых минералов используют методы термического анализа, которые основаны на закономерностях фазовых превращений веществ при нагревании или охлаждении, сопровождающихся выделением (экзотермические процессы) или поглощением (эндотермические процессы) тепла. Фаза - гомогенная Методы термического анализа применяют для изучения кристаллических веществ, тонко - кристаллических, аморфных соединений. Однако эти методы не позволяют однозначно диагностировать индивидуальные глинистые минералы в полимерных образцах, т.к. фазовые превращения многих глинистых минералов происходят в близких температурных интервалах.
Метод термического анализа, при котором регистрируется изменение температуры при фазовом превращении, был разработан Ле Шателье. Для этого он применил термопару, которая представляет собой две одинаковые в диаметре и по длине проволоки, сделанные из разных металлов, два конца которых спаяны друг с другом. Два других конца проводников замкнуты на гальванометр. При нагревании спая термопары, из-за разницы работы выхода электронов у различных проводников в термопаре возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой измеряется чувствительным гальванометром. В почвенных исследованиях наиболее удобна платино – платино - родиевая термопара. Результаты измерений простой термопарой представляют в виде зависимости температуры от времени. Эту зависимость называют простой термограммой.
В 1899г Робертс-Остен предложил использовать дифференциальную термопару, которая была более чувствительна к незначительным изменениям температуры, чем простая термопара, так как регистрировала не абсолютную температуру образца, а разность температур образца и термоинертного эталона, положив тем самым начало развитию метода ДТА.
Метод ДТА проводят с помощью дифференциальной термопары, которая состоит из двух простых термопар, которые соединяют последовательно, одноименными полюсами друг к другу и замыкают на дифференциальный гальванометр. При таком подключении токи направлены навстречу друг к другу. Если в образце происходит физико-химические превращения, которые сопровождаются поглощением или выделением тепла, то температура образца пари прохождении таких превращений будет либо ниже, либо выше температуры эталона. Токи, направленные к дифференциальному гальванометру будут различны, и стрелка гальванометра отклонится в ту или иную сторону. Результаты измерений дифференциальной термопарой выражают зависимостью разности температур эталона и образца от времени.
Метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от времени, называется термогравиметрия. Изменение массы образца в процессе нагревания глинистых минералов обусловлено реакциями дегидратации и дегидроксилации, в результате которых из образца удаляется вода и ОН - группы. Метод термического анализа, при котором регистрируется производная изменения массы по времени dm\dt как функция температуры или времени, называется термогравиметрия по производной.
Многофункциональный прибор, который позволяет одновременно проводить простой и дифференциальный термометрический анализ, термогравиметрический анализ и получать кривую ДТГ, отражающую скорость потери массы образца, называется дериватографом. Прибор оснащен аналитическими термовесами, на одном коро¬мысле которых укреплен керамический держатель для образцов и эталона. На держателе размещены три термопары, как правило, отгра¬дуированные на заводе-изготовителе. На две термопары можно поме¬щать тигли с образцами, а на третью термопару помещают тигель с эталонным веществом. Прибор может работать в двух режимах: ре¬жим проведения простой термометрии и режим проведения диффе¬ренциальной термометрии. В первом случае в работе используется од¬на простая термопара, на которую помещен тигель с образцом. Во вто¬ром случае используется дифференциальная термопара, состоящая из двух простых термопар, подключенных одноименными полюсами друг к другу. На одной из них размещается тигель с образцом, на дру¬гой — с эталонным веществом. Выбор одного из режимов съемки осу¬ществляется с помощью переключателя, расположен на панели прибора. На другом коромысле весов размещены два устройства, с помощью которых измеряют потерю веса и скорость потери веса образца. Прин¬цип работы этих устройств основан на явлении магнитной индукции. Кривая ДТГ получается с помощью приспособления, состоящего из постоянного магнита и индукционной катушки. Сигналы от термопар, дифференциального трансформатора и индукционной катушки подаются через усилитель на регистрирующее четырехканальное записывающее устройство. Таким образом, на одной диаграммной ленте получают одновременно кривые простого (Т) и дифференциального термического (ДТА) анализов, кривую потери массы (ТГ) и кривую скорости потери массы (ДТГ). По количеству, форме и положению эндо - и экзотермических эффектов относительно температурной оси проводят качественную диагностику вещества.

Содержание работы:

1.Знакомство с устройством дериватографа ОД-102М.
2.Выделение на температурной кривой интервалов, в которых происходят основные типы фазовых превращений, характерные для наиболее распространенных групп глинистых минералов. Расчет потери массы для каждого выделенного температурного интервала.
На кривой ДТА выделяется 3 фазовых перехода:
1. Интенсивный эндотермический эффект в диапазоне температур 40-6200С, связанный с удалением адсорбированной воды. Потеря веса от суммарной потери 14,4%, от навески 72%.
2. Эндотермический эффект в диапазоне температур 475-7600С, связанный с потерей ОН - групп кристаллической решетки. Потеря веса от суммарной потери 3,8%, от навески 19%.
3. Эндотермический эффект в диапазоне температур 800-8800С, связанный с разрушением кристаллической решетки. Потеря веса от суммарной потери 0,4%, от навески 2%.

Вывод:
На основе полученных данных в минералогический состав исследованного образца входит монтмориллонит.

Ответить