ИНФРАКРАСНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

УДК 622

Крутиков В.А., Яковлев Г.И., Кодолов В.И.
Ижевский государственный технический университет

infrakrasnyj-spektralnyj-analiz-stroitelnyh-materialovВведение

В справочной литературе имеется большое количество оригинальной информации по характеристическим частотам поглощения веществ, по структуре и характеру межмолекулярных сил при инфракрасном облучении вещества пробы [1, 2]. Справочная информация по ИК спектрам богата, но очень разрозненна. Практическое определение качественного состава вещества пробы затруднено большим количеством обрабатываемых источников.

Назрела необходимость автоматизировать процесс идентификации инфракрасных спектров веществ, объединить базы данных по веществам, классам и виду межатомного взаимодействия.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов

Цель работы: Автоматизировать анализ качественного состава пробы неорганического вещества по инфракрасному спектру с помощью компьютерной программы.

Порядок выполнения анализа

При получении инфракрасных спектров применяют осадочные пленки (тонкий слой пробы измельченного порошка осаждается на солевой пластине испарением жидкости из раствора или взвеси вещества), суспензии (измельчение образца в вязкой жидкости, например, минеральное масло, максимально фторированный керосин, четыреххлористый углерод) и щелочногалоидные таблетки (исследуемое вещество измельчается с галогенидом щелочного металла, обычно, KBr).

Затем производят анализ пробы на инфракрасном спектрометре.

Полученный инфракрасный спектр (на приборе ИКС-29 или др.) в виде распечатки на миллиметровке сканируем и сохраняем в графическом формате с расширением bmp.

Производим редактирование файла в графическом редакторе (напр. PhotoShop) с целью устранения помех, мешающих преобразованию (линий миллиметровки, точки, не относящиеся к спектру).

Дальнейшие манипуляции при определении качественного состава спектра производим при помощи компьютерной программы.

Данный программный продукт предназначен для преобразования графиков спектра поглощения вещества, которые хранятся в *.BMP файлах. Преобразованные графики сохраняются в файлах *.CSV, которые представляют собой файл, задающий координаты каждой точки кривой графика. Это позволяет обрабатывать данные спектра, как по максимуму пика, так и по его ширине.

При работе со спектром мы имеем возможность в автоматическом режиме отметить частоту инфракрасного света, при которой произошел максимум пика поглощения вещества пробы. Затем мы выбираем классы веществ, предположительно находящиеся в нашей пробе (рис. 1).

Выбор класса вещества

Для отображения пиков выбранных классов мы выводим (рис. 2) характеризующие полосы поглощения для выбранных классов веществ (черные отрезки говорят о наличии пиков в диапазонах волновых чисел характерных каждому классу).

Отображение классов веществ

 Затем мы автоматически «прокручиваем» имеющуюся у нас базу данных веществ с предварительно введенным коэффициентом корреляции. Из предложенного списка веществ мы выбираем наиболее подходящие и при дальнейшей работе мы можем вручную работать с этими веществами – либо в виде табличных данных (рис. 3), либо в виде таблицы со спектром (рис. 4).

База данных в табличном виде

  База данных в табличном виде со спектром

Мы также можем в графическом анимационном режиме просмотреть виды колебаний, которые происходят в молекуле вещества при облучении его инфракрасным светом.

Имеется возможность вводить новые вещества в базу данных программы, заполнив при этом его название, формулу, пространственный молекулярный тип, групповую точку симметрии молекулы.

Пример распознавания ИК спектра вещества.

В качестве примера рассмотрим спектр гипсокерамического материала синтезированного из фторангидрита (гипсосодержащего отхода химической промышленности), натриевого жидкого стекла и фосфата натрия.

Кинетика процессов, протекающих при образовании гипсокерамического материала, достаточно сложна, обширен химический состав композита, многочисленны реакции, протекающие на всех стадиях формирования продукта. Поэтому и инфракрасный спектр этого материала сложен и имеет большое количество линий поглощения.

После запуска программы на экране появился ИК спектр опознаваемого вещества в графическом формате с расширением bmp.

Из диалогового окна выбираем диапазон волновых чисел, соответствующих нашему графику 4000-400 см-1.

После чего просматриваем полученный результат. Перед нами появляется распознанный спектр (рис. 5). Здесь следует обратить внимание на правильность расстановки волновых чисел графика.

График, построенный по распознанным точкам

При правильной расстановке волновых чисел сохраняем изображение. Файл будет иметь расширение *CSV.

После ввода ИК спектра пробы обоженного гипсокерамического материала (рис.6) в автоматизированную базу данных были получены пики поглощения, характерные для таких классов как: сульфаты (молекулярный тип в пространстве – тетраэдр, при 570-680 см-1 – асимметричные деформационные колебания O-S-O dа; 1040-1210  см-1 – асимметричные валентные колебания S-O nа; 960-1030 см-1 – симметричные валентные колебания S-O nsym), ортосиликаты (молекулярный тип в пространстве – тетраэдр, при 860-1175 см-1 – асимметричное валентное колебание Si-O nа, для стеклообразной фазы силикатов характерно смещение полос в сторону меньших волновых чисел с 1125 см-1 до 1050 см-1 по сравнению с кристаллической фазой силикатов, 470-540 см-1 – асимметричное деформационное колебание О-Si-O dа, метафосфаты (молекулярный тип в пространстве – полимерная структура, характеризующие частоты данного класса – 1040-1150 см-1, 650-800 см-1, 450-600 см-1, 1200-1350 см-1), дифторфосфаты (молекулярный тип в пространстве – тетраэдр, характеризующие частоты данного класса – 498-503 см-1, 1313-1318 см-1, 1148-1153 см-1, 798-803 см-1).

ИК – спектр обоженного образца гипсокерамики

При коэффициенте корреляции 0,8 поиск по базе данных показал наличие следующих соединений: безводный сульфат кальция (CaSO4), апатит (Ca5(PO4)3ОН), сульфат натрия (Na2SO4), ортосиликат кальция (2CaO*SiO2), ортосиликат натрия (Na2O*SiO2).

После выдержки образца в воде (рис.7) для состава синтезированного фосфатом натрия и натриевым жидким стеклом были обнаружены характерные пики иона HPO42- (молекулярный тип в пространстве – тетраэдр, характеризующие частоты данного класса – 940-1120 см-1, 540-650 см-1, 2750-2900 см-1, 2150-2500 см-1, 530-570 см-1, 830-920 см-1, 1040-1150 см-1, 390-450 см-1, 1200-1410 см-1, 950-1110см-1) и гидроксидной группы ОН — 2000-3750см-1. Такой большой диапазон волновых чисел зависит от степени связности воды в составе вещества.

ИК – спектр обоженного образца гипсокерамики  после выдержки в воде в течение 7 суток

Обнаружение пиков, характерных для структурной формы  HPO42-, после выдержки материала в воде доказывает наличие брушита в нашем составе, что можно только было предполагать после изучения рентгенофазового анализа гипсокерамики.

Наличие стеклообразной фазы метафосфат ионов, и, кроме того, обнаружение пиков, характерных для структурной формы HPO42- после выдержки материала в воде обнаружено при интерпретации инфракрасных спектров пробы гипсокерамического материала.

Выводы

Автоматизация процесса распознавания качественного состава вещества, строение атомной решетки и вида колебания атомов по ИК спектрам сделала эту процедуру максимально облегченной и доступной в очень малый промежуток времени. А пополнение базы данных дает возможность описывать новые химические соединения (минералы) вслед за развитием материаловедения.

Библиографический список

1. Кесслер И. Методы инфракрасной спектроскопии в химическом анализе. М., 1964. — 224 с.
2. Углянский В.А., Чикин Г.А., Селеменев В.Ф. Инфракрасная спектроскопия ионообменных материалов. Воронеж, 1989, 125 с.