《多晶X射线衍射技术与应用》-28(第7章 X射线衍射物相定性分析)

发布时间:2022-11-29   来源:北达燕园微构分析测试中心

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7.8  未知物相的鉴定

在许多物相鉴定工作中,如类质同象矿物的鉴定或在实验室的领域如材料合成、平衡相图测定等工作中,常常会遇到在现有数据库中虽经多方检索-匹配但仍无解的物相。即在一张衍射图中有某些峰有可与之匹配的物相,而另一些峰则无法解释,找不到能够与其匹配的衍射数据卡。我们姑且把这些未能认知的物相称为未知物相或无卡物相,这就提出了未知物相的鉴定或其结构测定的问题。




7.8.1 两种情况 

如果衍射图的数据是正确的而数量又足够(不是孤立的一两个衍射峰)但检索-匹配无解,可能有两种情况:
一种情况是:待分析的衍射图中有一套衍射线没有可与之相重合的卡片,但这一套衍射线与某张卡片的衍射线特征相似,彼此峰的位置与强度大体亦能对应,但峰位却有规律地错开(各衍射峰相对位移的方向可能相同也可能不全相同)。前已指出,这种情况在合金物相、固溶体、非整比化合物、类质同象矿物的鉴定中很常见。在ICDD的PDF库中,对于这类物相一般只收入其所属系列的端员的衍射数据。因此,对于组成不同于系列端员而处于组成变动范围中间的物相,常常找不到峰位能够与其完全符合的PDF卡,而只能检索到其所属化合物系列的端员化合物的PDF卡。这时,待分析衍射图中的这一套衍射线与所检索到的某PDF卡物相是否确实具有相同的晶体结构,需要进行指标化的计算才能确认(计算前需对实验的峰位数据的误差进行认真的修正)。指标化的计算见后面7.8.3节。

另一种情况是:遇到的确是一个新物相,其晶体结构未见报道,真正是一个未知物相。随着各种新材料或新合金系统的不断出现,这种情况也会多起来。这时如果有需要,接下来的工作就是未知物相结构的测定了,可以根据晶体的X射线衍射理论,利用实测的衍射峰的位置和强度,来确定未知物相的晶体结构类型,通过分析计算求得其晶体结构参数。
实际上述两种情况的解决都需要回答无卡物相是一种什么样结构的晶体物相的问题,都需要应用晶体衍射结构分析的方法。只是在前一情况下我们对于所碰到的无卡物相的结构已经有某种猜想;而在后一情况下则是需要测定一种新物相的晶体结构。两者都涉及如何识别晶相的结构的问题。
对于衍射图的解释,无疑的所用的衍射数据库应该能够不断地收录到新发表的衍射数据。除及时更新衍射数据库的版本外,还应该经常注意搜集各种杂志、书刊、报告中所给出的新相衍射数据(至少应包括其衍射图中衍射峰的d值恒及相对强度数值,最好还能给出其相应的衍射指标),做成自制的标准衍射数据卡片。
此外还应注意收集整理与研究对象有关的物相的晶体学数据——包括点阵类型、结构类型、点阵参数等数据,通过计算取得它们的衍射图;或合成有关的样品,取得它们的衍射图,并按已知结构类型进行指标化计算。如果符合良好,又没多余的线条,则可以证明所配物相是单相物质(是否是单相还可用其它实验方法如金相、热分析等证明),反过来已证明了已有晶体学数据基本正确,可把这些数据做成自制标准卡片。
了解待测试样的化学组成及其有关数据,并注意样品的形态特征和物理性质,对于无卡物相的分析鉴定尤为重要。




7.8.2 物相结构测定的一般步骤 

利用多晶试样的衍射数据进行物相结构测定的一般步骤简述如下:

1. 用符合要求的多晶试样获得未知物相的多晶衍射图,并测量衍射图中未知物相的各衍射峰的2θ(或晶面间距d)和强度I,对于强度数据尚需以最强线为100进行归一化处理,求得各衍射线条的相对强度I/I1 。

所谓符合要求的试样应满足下列几点要求:

(1)最好是单相试样,如果含有其他少量杂相,要能明确地从衍射数据中扣除不属于新相而属于已知相的衍射峰,包括重叠的峰。需要强调的是,试样一般应为纯的单相,至于是否是单相,可用其他方法,如金相、岩相观察等,加以判断。

(2)粒度要适当,即晶粒度<50μm ,或为通过320一400目的粉末。

(3)制样时不产生择优取向,衍射仪试样要满足无穷厚度的要求。

衍射峰的位置应进行修正,衍射仪法可用加内标样作衍射角修正。


2. 对衍射图进行观察和分析。如有可能的话,应判断未知新相所属的晶系。


3. 将衍射图中各衍射峰指标化,获得各线条所对应的晶面指数hkl 。不要遗漏最低衍射角度的衍射峰,收集高质量的衍射图,并得出准确的衍射峰位置,是指标化成功的关键。指标化是晶体结构测定的基础,后面将专节介绍(7.8.3节)。


4. 根据指标化的结果总结衍射消光规律,与各晶系中不同结构类型的系统消光规律表(查手册)相对照,决定该衍射图所属的结构类型或空间群(7.8.4节)。


5. 精确测定其点阵参数和该物相的密度。


6. 进行化学分析,得到未知相中各元素含量。


7. 测定晶胞中原于(或分子)的数目,并结合未知相中各元素含量判定新相中各化学元素的原子比,进而确定新相的化学式。


8. 测定晶胞中各原于的位置。

上述1至4步的测定工作,常称为不计及衍射强度的相结构测定。至此,仅获得未知相的多晶衍射图,包括一张d、hkl和实验观测的相对强度I /I1的表,以及结构类型和点阵参数。这些数据,在物相鉴定时一般已可以满足作为比对用的标准数据之用了。也就是说,用这些数据可制成一张标准PDF卡补充到自己使用的衍射数据库中供日后物相检索-匹配时使用。

完成1至8步的测定工作,称为计及衍射强度的物相结构测定。这时,除了获得上述述数据外,还知道精确的点阵参数、晶胞中原子数目及坐标位置,因而衍射强度可按衍射强度公式计算得,并与实验观测强度相对照。计及衍射强度的物相结构测定是多晶衍射分析的又一个大题目——晶体结构分析,不是本书所能深入论及的,可参阅这方面的专著。


未完待续......

下一篇:7.8.3  粉末衍射图指标化


END


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