Лабораторные работы

1.Исследование структурных и сорбционных характеристик вещества импульсным методом ядерного магнитного резонанса.

Определение влагосодержания образца. Максимальный сигнал спинового эха А эквивалентен амплитуде сигнала свободной индукции (ССИ) и пропорционален количеству резонирующих ядер, в нашем случае—протонов, и, следовательно, влагосодержанию м_В.

А = км_в

А_э = км_э (2)

где к-коэффициент пропорциональности, А_э и м_э—амплитуда и масса эталонного образца соответственно.

Из выражения (2) определяется содержание воды в образце:

m_в=m_э* (3)

Абсолютное влагосодержание образца:

W_a=(4)

где m_с.в.—масса сухого вещества

Выражение (4) можно представить в виде:

W_a=(4а)

где m₀—масса влажного образца.

После преобразования (4а) с учётом (3) имеем для W_a :

=(5)

Учитывая, что А_э / m_э = k, получаем окончательно:

=(5а)

Таким образом, для определения абсолютного влагосодержания вещества необходимо измерить амплитуду ССИ А на установке ЯМР и определить m₀ методом взвешивания.

Определение удельной поверхности образцов. Обычно под удельной поверхностью понимают суммарную внутреннюю и внешнюю поверхность единицы массы тела (м/г). (S_уд. )

Внутренняя поверхность обусловлена наличием капилляров, пор, мелко—дисперсионных частиц, образующих внутреннюю структуру вещества. Внешняя поверхность обычно визуально наблюдаема, т.к. образует поверхность тела, его микропоры, крупные дисперсные частицы.

Удельную поверхность часто отождествляют с поверхностью первого (молекулярного) слоя адсорбированного вещества. Если речь идёт о молекулах воды, то монослой характеризуется влагосодержанием образца W_m . Таким образом

S_уд=α* W_m (6)

где α —коэффициент пропорциональности, для воды α =3500м/г

На основе теории адсорбции и ЯМР—релаксации в мультифазных системах была показана возможность определения W_m с помощью импульсного метода ЯМР:

W_m= W*T_2m / T₂ (7)

где Т_2m и Т₂ — время спин—спиновой релаксации при влагосодержании образца, близком к W_m и W соответственно.

Для определения Т₂ в образцах с невысоким влагосодержанием обычно используется методика Хана. Амплитуда эхо—сигнала А зависит не только от временного интервала между 90- импульсом и 180-импульсом τ ,но и от времени спин—спиновой релаксации T₂ :

A(2τ) = A₀ * exp(-2τ / T₂) (8)

где А—экстраполированная на τ=0 амплитуда эхо—сигнала, равная амплитуде ССИ.

Если сдвигать второй импульс относительно 90⁰—импульса, то амплитуда эха будет спадать по экспоненте, в точности описываемой выражением (8) и при некотором значении τ эта амплитуда будет меньше А₀ в два раза. В этом случае (8) после логарифмирования позволит рассчитать Т₂ по формуле:

T₂==(9)

Для влажных протон—содержащих образцов обычно сигнал свободной индукции состоит из двух компонент: быстрорелаксирующей

(1) и медленнорелаксирующей (2). Первая обычно относится к протонам, принадлежащим молекулам твёрдой фазы, а вторая—к протонам жидкой фазы, т.е. воды. В результате сигнал ССИ имеет следующий вид:

Поскольку амплитуды компонент пропорциональны числу протонов соответствующих фаз, амплитуда медленнорелаксирующей компоненты пропорциональна влагосодержанию образца. Амплитуда быстрой компоненты обычно в методике Хана не наблюдается и на величину Т₂ не влияет.

Таким образом, удельная поверхность образца может быть определена по формуле:

(10)

a с учётом (5а):

(м²/г) (10а)

Следовательно, для определения S_уд необходимо:

1. Определить массу влажного образца взвешиванием.

2. Определить максимальную амплитуду медленнорелаксирующей компоненты

3. Измерить временной интервал между 90⁰-и 180⁰-импульсами.

4. Величина К=А_э / m_э определяются на эталонном образце.

5. Т_2m — измеряется ранее (обычно Т_2m = 170мкс.).