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 O_nH_m 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.

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 ; .
2. Деформационные колебания - типы колебаний, которые сопровождаются изменением углов между связями молекул: ; . 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 ν_s) и 3756 (антисимметричное валентное колебание ν_as).

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 ОН_n 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: , 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 O_nH_m-группировки.
2. Проработать по теоретической части метод ИК-спектроскопии, как метод анализа O_nH_m-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?