1、深圳大學實驗報告課程名稱：儀器分析實驗實驗項目名稱:實驗三X射線衍射與晶體物像分析學院：化學與化工學院專業；應用化學指導教師:朱才鎮報告人：習雯影 學號：2006141075班級:06應化同組人員：習雯影 趙倩馮倩張秋吉鄭艷萍實驗時間：2009-4-22實驗報告提交時間：2009-5-6教務處制1實驗目的1、了解X衍射的基本原理以及粉末 X衍射測試的基本目的;2、掌握晶體和非晶體、單晶和多晶的區別；3、了解使用相關軟件處理 XRDI試結果的基本方法。2 實驗原理晶體化學基本概念晶體的基本特點與概念：質點（結構單元）沿三維空間周期性排列（晶體定義），并 有對稱性。空間點陣：實際晶體中的幾何點，其

2、所處幾何環境和物質環境均同，這些“點 集”稱空間點陣。晶體結構 =空間點陣+結構單元。非晶部分主要為無定形態區域，其內部 原子不形成排列整齊有規律的晶格。對于大多數晶體化合物來說，其晶體在冷卻結晶過程中受環境應力或晶核數目、成核方 式等條件的影響，晶格易發生畸變。分子鏈段的排列與纏繞受結晶條件的影響易發生改變。Bravais提出了點陣空間這一概念,晶體的形成過程可分為以下幾步：初級成核、分子鏈段的表面延伸、鏈松弛、鏈的重吸收結 晶、表面成核、分子間成核、晶體生長、晶體生長完善。1848年Bravais證明只有14種點陣。將其解釋為點陣中選取能反映空間點陣周期性與對稱性的單胞，并要求單胞相等棱與

3、角數最a cubic多。滿足上述條件棱間直角最多，同時體積最小。PDFhrtAJNT u呢營 Ehe 日冏即sti口招而廿 for desciibing the pallern lalliceBiravals latticeCvystal 卻3犍1dHDes-cfliptlaitCSlmple) cubicCubic” b =。=叱 x 9TBocf EnteredFict-ctrrbtnd(Simple) letrjiQonT aErwanaiS = b*CI.a=g = Y=OiBoOcentered聞m間 OrtiDitunbieOHharhafnbvt己 xb承=90口口“亡日門怛旭日

4、 Orlhcj rhombicOase-cenlered OrlhorhambicFace-centered Orthorhcrnbic(Bimplei) RhwnbohfldraiRhwnbohlr?i(Trig。第B = b=t,a. = 口 =平，ger聞唧心方蚪辦對H注g巾n用3 = =馳二尸 i 劉-為impl.) MoifiQcIrilcMoiioclliilcac8 a = y= 90,0a ger日中竹MEgrfd Monacllnlc(Glnvle) AnoithlcAnorlhic (Triclinic)3 b h配h h 比丁比g（r晶體內分子的排列方式使晶體具有不同的晶

5、型。通常在結晶完成后的晶體中，不止含有一種 晶型的晶體，因此為多晶化合物。反之，若嚴格控制結晶條件可得單一晶型的晶體，則為單X衍射的測試基本目的與原理X射線是電磁波，入射晶體時基于晶體結構的周期性，晶體中各個電子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加強的方向稱衍射方向。 衍射方向取決于晶體的周期或晶胞的大小 ，衍射 強度是由晶胞中各個原子及其位置決定的。 由倒易點陣概念導入 X!寸線衍射理論，倒易點落在Ewald球上是產生衍射必要條件。1912年勞埃等人根據理論預見，并用實驗證實了 X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了X射線具有電磁波的性質，成為 X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X

6、射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理 。衍射線空間方位與晶體結構的關系可用布拉格方程表示：2d sin 二-n式中d為晶面間距；n為反射級數；。為掠射角； 訥X射線的波長。布拉格方程是 X射線衍射分 析的根本依據。X射線衍射（XRD）是所有物質，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對 材料學、物理學、化學、地質、環境、納米材料、生物等領域來說，XM線衍射儀都是物質結構

7、表征，以性能為導向研制與開發新材料，宏觀表象轉移至微觀認識，建立新理論和質量控制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析（物相鑒定與定量相分析）。晶體學（晶粒大小、指標化、點參測定、解結構等）。薄膜分析（薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測定單晶外延膜結構特征）。織構分析、殘余應力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結構變化的原位動態分析研究。微量樣品和微區試樣分析。實驗室及過 程自動化、組合化學。納米材料等領域。3儀器與試劑儀器型號及生產廠家：BRUKER AXS GMBH 公司D8ADV ANCE型衍射儀。測試條件：管電壓 40KV;管電流40mA; X光管為銅靶，

8、波長 1.5417?;步長0.06 ,掃 描速度0.3s；掃描范圍為2080。試劑：未知樣品 A、B、C、Do4 實驗步驟1、打開電腦主機電源。2、開外圍電源：先上撥墻上的兩個開關，再開穩壓電源（上撥右邊的開關，標有穩壓）。3、打開XRD衍射儀電源開關（按下綠色按鈕）。4、開冷卻水：先上撥左邊電源開關，再按下 RUN按鈕，確認流量在 20左右方可。5、開高壓（順時針旋轉 45,停留5s,高壓燈亮）。6、打開 XRD控制軟件 XRD Commander。7、防光管老化操作：按照 20KV、5mA; 25KV、5mA; 30KV、5mA; 35KV、5mA; 40KV、 5mA; 40KV、40m

9、A程式分次設置電壓、電流，每次間隔3分鐘。設置方法：電壓、電流跳到所需值后點set。8、設置測試條件：無機材料一般設置掃描角度為20 80 ,步長0.06 ；掃描速度0.3s。9、點擊Start開始測試。10、降高壓：將電壓、電流分別降至20KV, 5mA后，點擊Set確認。11、關高壓：逆時針旋轉 45,高壓燈滅。12、等待5min ,再關閉冷卻水，先關 RUN ,再關左邊電源。13、關閉控制軟件（XRD Commander）。14、關XRD衍射儀電源開關（按下紅色按鈕）。15、關電腦。16、關外圍電源。5實驗數據及結果本實驗分別測定了樣品 B、C、D以及一種未編號粉末樣品的 XRD圖譜并對

10、測定結果進 行物相檢索，判斷待測樣品主要成分、晶型及晶胞參數。1、未編號粉末樣品：圖2未編號粉末樣品X-Ray衍射圖譜未編號粉末樣品為 FezSiV。晶胞參數a=b=c=5.63 , a = 3 = r =90 ,立方晶系。各衍射峰 對應米勒指數及d值見下表表1未編號粉末樣品相關晶體參數編R晶面指數d衍射峰角度hkla1113.242327.416b2002.808631.761c2201.988945.533d2221.624556.582e4001.408166.360f4201.260375.4492、樣品B:lspnr VTrsnATP物相檢索結果得 B 為 Ca (OH) 2。晶胞參

11、數 a=3.5899, b=3.5899, c=4.916; a =90； 3=90；丫 =120,0六方晶系。各衍射峰對應米勒指數及d值見下表表2 樣品B相關晶體參數編號 晶面指數d衍射峰角度hkla1003.108928.6903b1012.627534.0933c0121.928147.0924d1101.794950.8256e1111.686054.3677f0211.482162.6252g0131.449664.1952h2021.313871.78993、樣品C:圖4 樣品C的X-Ray衍射圖譜)spck WWFSnelp數據處理結果顯示 C 為 CaCO3。晶胞參數 a=4.

12、9887, b=4.9887, c=17.0529; a =90； 3=90； 丫 =120,0六方晶系。各衍射峰對應米勒指數及d值見下表表3 樣品C相關晶體參數編Rh晶面指數 kld衍射峰角度a0123.853923.059b1043.034629.409c1102.494436.046d1132.284139.470e2022.094043.238f0181.911647.592g1161.874848.5794、樣品D:2500 bIspck wvrsnelp2000 _1500 一203040506070802-Theta (degree)10005000已知樣品D為兩種物質的混合樣品

13、，經測定D內最有可能含有的兩種物質為$。2和BeF2。其中，SiO2 晶胞參數為 a=4.921, b= 4.921, c= 5.416; =90 , 3=90 , ”20 ,六方晶系。4D中SiO2相關晶體參數編R晶面指數衍射峰角度hklda1004.261720.8262b1013.349126.5930c1102.460536.4872d1022.285639.3900e2011.982945.7174f1121.821050.0461g2111.543959.8551h2121.384367.6152i3011.374068.1910BeF2晶胞參數為a=4.9,b=4.9,c=5.3

14、8；a=90 , 3=90 , 丫 =120 ,六方晶系。5D中BeF2相關晶體參數晶面指數衍射峰角度編Rhklda1004.243520.9165b1013.331826.7341c1102.450036.6491d1022.271939.6362e2011.973845.9401f1121.811350.3337g2111.537060.1510h2121.377667.9928k2031.369668.4430實驗結果分析與討論本實驗使用 X 射線衍射儀分別測定了 4 種未知樣品的 X 射線衍射圖譜， 并使用相關軟件對實驗結果進行物相檢索。結果顯示未編號粉末樣品、樣品 B、樣品C、樣品D

15、分別為立方 晶系F為SiV,六方晶系Ca （OH） 2,六方晶系CaCO3,六方晶系SiO2和六方晶系 BeF2的混合 物。通過實驗預習及查閱相關資料對晶體、非晶體、單晶、多晶、晶型等晶體化學基礎概念有了一定的掌握。同時，在具體的實驗操作過程中對 X 衍射儀的工作原理，測試方法有了更 直觀的認識。使用軟件對測定結果進行物相檢索等相關處理，在掌握軟件基本操作步驟的同時也鞏固了晶體化學方面的基礎知識。晶體在生長過程中受結晶條件影響可形成不同晶型的晶體。在使用 X 衍射儀對樣品進行測定時，制樣過程中粉末樣品裝填過緊可能會引起晶體擇優取向為實驗結果帶來誤差。因此，在樣品的合成與測試中應控制好實驗條件并

16、嚴格遵守操作步驟，以減小外在條件對實驗結果 產生的誤差。思考題、簡述 X 射線衍射分析的特點和應用。答：XM線衍射儀具有易升級，操作簡便和高度智能化的特點，靈活地適應地礦、生化、理化等多方面、各行業的測試分析與研究任務。X射線衍射（XRD）是所有物質，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對材料學、物理學、化學、地質、環境、納米材料、生物等領域來說，X!寸線衍射儀都是物質結構表征，以性能為導向研制與開發新材料，宏觀表象轉移至微觀認識 , 建立新理論和質量控制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析（ 物相鑒定與定量相分析） 。 晶體學 （晶粒大小、 指標化、 點參測定、 解結構等） 。 薄膜分析 （ 薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測定單晶外延膜結構特征） 。織構分析、殘余應力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結構變化的原位動態分析研究。微量樣品和微區試樣分析。實驗室及過程自動化、組合化學。納米材料等領域。、簡述 X 射線衍射儀的工作原理。答：用高能電子束轟擊金屬 “靶”材產生 X 射線， X 射線的波長和晶體內部原子面間的距離相近，當一束X 射線通過晶體時將發生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。當X射線以掠