SZILÁRD ANYAGOK JELLEMZÉSE FOLYADÉK FÁZISÚ NMR SPEKTROSZKÓPIÁVAL

Hasonló dokumentumok
Tiszta anyagok fázisátmenetei

Hadronzápor hatáskeresztmetszetek nagy pontosságú számítása

Általános Kémia. Dr. Csonka Gábor 1. Gázok. Gázok. 2-1 Gáznyomás. Barométer. 6-2 Egyszerű gáztörvények. Manométer

Mágneses momentum, mágneses szuszceptibilitás

2.9. Az egyszerű, tiszta anyagok fázisátalakulásai

Klasszikus Fizika Laboratórium V.mérés. Fajhő mérése. Mérést végezte: Vanó Lilla VALTAAT.ELTE. Mérés időpontja:

Fázisok. Fizikai kémia előadások 3. Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet. Fázisok

1. Híg karbamid-oldat fagyáspontcsökkenésének meghatározása. Előkészítő előadás

Az enzimkinetika alapjai

Fluidizált halmaz jellemzőinek mérése

5 = nr. nrt V. p = p p T T. R p TISZTA FÁZISOK TERMODINAMIKAI FÜGGVÉNYEI IDEÁLIS GÁZOK. Állapotegyenletbl levezethet mennyiségek. Az állapotegyenlet:

Használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszer méretezése

Szemcsés szilárd anyag porozitásának mérése. A sűrűség ismert definíciója szerint meghatározásához az anyag tömegét és térfogatát kell ismernünk:

9.1. ábra. Két részecske kölcsönhatási energiája a távolságuk függvényében

3. 1 dimenziós mozgások, fázistér

Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1. Fény kölcsönhatása az anyaggal. 2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal KAD

Tárgyszavak: kapilláris, telítéses porometria; pórustérfogat-mérés; szűrés; átáramlásmérés.

Összegezés az ajánlatok elbírálásáról. 1. Az ajánlatkérő neve és címe: Budapest Főváros Vagyonkezelő Központ Zrt. (1013 Budapest, Attila út 13/A.

OMEGA-3-SAVAKBAN GAZDAG ZSÍROS OLAJOK ZSÍRSAVÖSSZETÉTELE

13. Román-Magyar Előolimpiai Fizika Verseny Pécs Kísérleti forduló május 21. péntek MÉRÉS NAPELEMMEL (Szász János, PTE TTK Fizikai Intézet)

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

M13/III. javítási-értékelési útmutatója. Fizika III. kategóriában. A 2006/2007. tanévi. Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny

Kolloidkémia 5. előadás Határfelületi jelenségek II. Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék határfelületek. Szőri Milán: Kolloidkémia

1. A hőszigetelés elmélete

14. melléklet a 44/2015. (XI. 2.) MvM rendelethez

Spontaneitás, entrópia

Spontaneitás, entrópia

fajtái anyagmegmunkálás anyagmegmunk

a) Az első esetben emelési és súrlódási munkát kell végeznünk: d A

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

MUNKAANYAG. Szabó László. Áramlástani alaptörvények. A követelménymodul megnevezése:

A szinuszosan váltakozó feszültség és áram

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

2. Rugalmas állandók mérése

Termodinamikai bevezető

AZ IPARI BETONPADLÓK MÉRETEZÉSE MEGBÍZHATÓSÁGI ELJÁRÁS ALAPJÁN

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Összegezés az ajánlatok elbírálásáról

Oktatási Hivatal. A 2015/2016. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

IV.1.1) A Kbt. mely része, illetve fejezete szerinti eljárás került alkalmazásra: A Kbt. III. rész, XVII. fejezet

Készítette Dr. Dóbéné Cserjés Edit Weisz Ilona. Tartalomjegyzék

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája Első rész

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája

Mérési útmutató Az önindukciós és kölcsönös indukciós tényező meghatározása Az Elektrotechnika c. tárgy 7. sz. laboratóriumi gyakorlatához

FIZIKA EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

Néhány mozgás kvantummechanikai tárgyalása

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Gáztörvények. (vázlat)

Biztonsági adatlap EGK

KÖZBESZERZÉSI ADATBÁZIS

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

MEGOLDÁSOK ÉS PONTOZÁSI ÚTMUTATÓ

Metabolikus utak felépítése, kinetikai és termodinamikai jellemzésük

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló. Javítási-értékelési útmutató

A magnetosztatika törvényei anyag jelenlétében

KÖRNYEZETVÉDELMI- VÍZGAZDÁLKODÁSI ALAPISMERETEK

41/1997. (III. 5.) Korm. rendelet. a betéti kamat, az értékpapírok hozama és a teljes hiteldíj mutató számításáról és közzétételérôl

Kazánlefúvatás: lehetőségek az elvesző energia visszanyerésére

8. Termikus reaktorok

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

MOLNÁR FERENC KÖRNYEZETTECHNIKA MŰVELETI SZÁMÍTÁSOK

TestLine - Fizika hőjelenségek Minta feladatsor

- III. 1- Az energiakarakterisztikájú gépek őse a kalapács, melynek elve a 3.1 ábrán látható. A kalapácsot egy m tömegű, v

Fluidizáció. A leiratban a felkészülést és a mélyebb megértést elősegítő elgondolkodtató és ellenőrző kérdések zölddel vannak szedve.

Vályogos homoktalaj terepprofil mérése

Összegezés az ajánlatok elbírálásáról

A kolloidika alapjai. 4. Fluid határfelületek

Oktatási Hivatal. A 2007/2008. tanévi. Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny. első (iskolai) fordulójának. javítási-értékelési útmutatója

XXIII. ÖVEGES JÓZSEF KÁRPÁT-MEDENCEI FIZIKAVERSENY M E G O L D Á S A I ELSŐ FORDULÓ. A TESZTFELADATOK MEGOLDÁSAI (64 pont) 1. H I I I 2.

FIZIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Enzimaktivitás szabályozása

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

5. Pontrendszerek mechanikája. A kontinuumok Euler-féle leírása. Tömegmérleg. Bernoulli-egyenlet. Hidrosztatika. Felhajtóerő és Arhimédesz törvénye.

Mágneses módszerek a műszeres analitikában

Technológiai tervezés Oktatási segédlet

TDA TAR MENTESÍTÉSE OPTIMÁLIS KEVERÉSI VISZONYOK A TAR OLDÓBAN I. TDA TAR DECONTAMINATION OPTIMAL CONDITIONS IN THE TAR MIXER, PART I.

A talajok összenyomódásának vizsgálata

J/10 J/0. RELÉKIdőrelék Időrelék. Egyfunkciós (meghúzáskésleltetéses) időrelék. Ie (AC 1, 230 V) 5 A. Piktogramok

Vízműtani számítás. A vízműtani számítás készítése során az alábbi összefüggéseket használtuk fel: A csapadék intenzitása: i = a t [l/s ha]

Összegezés az ajánlatok elbírálásáról

VEGYIPARI ALAPISMERETEK

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

A 2010/2011. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai és megoldásai fizikából. II.

Rugalmas megtámasztású merev test támaszreakcióinak meghatározása I. rész

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

FIZIKA EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

ÜZEMELTETÉSI FOLYAMAT GRÁFMODELLEZÉSE 2 1. BEVEZETÉS

A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET-MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI

fajtái anyagmegmunkálás anyagmegmunk

Bor Pál Fizikaverseny 2016/17. tanév DÖNTŐ április évfolyam. Versenyző neve:...

Sugárzásmérés Geiger-Müller számlálóval Purdea András Bartók Béla Elméleti Liceum

Talajmechanika. Aradi László

Jelölje meg aláhúzással vagy keretezéssel a Gyakorlatvezetőjét! Bachinger Zsolt Both Soma Dénes Ferenc. Dobai Attila Györke Gábor Kerekes Kinga

Átírás:

ZILÁRD ANYAGOK JELLEMZÉE OLYADÉK ÁZIÚ NMR PEKROZKÓPIÁAL Bevezetés: Porózus anyagok alatt azokat a szilárd vagy gél állapotú anyagokat értjük, aelyek szerkezetében pórusok találhatók. Környezetünkben száos terészetes porózus anyag van jelen, int például a különböző kőzetek, talajok, agyagásványok, biológiai eredetű anyagok. Ezek az anyagok nagy fajlagos felülettel rendelkeznek, és száos esetben jól eghatározható belső szerkezettel (pórus éret, alak) jelleezhetőek. A jól definiálható póruséret lehetőséget ad arra, hogy a pórusba különböző anyagokat juttassunk, pl.: katalizátorok, gyógyszerolekulák, így a esterségesen előállított porózus anyagok (pl.: keráiák, nanocsövek) jól tervezhető éretszelektív heterogén katalizátorként funkcionálhatnak. Nagy fajlagos felületük iatt a porózus anyagokat adszorbensként is alkalazzák. A porózus anyagok jellezésére használjuk a porozitás fogalát, ely egadja a pórusok és a teljes térfogatarányát. A porózus anyagokban található pórusokat éretük alapján a akro- (>5 n), ezo- (2-5 n) és ikropórusok (<2 n) kategóriákba sorolhatjuk. A pórusok alakja igen különböző lehet, így a porózus anyag alkalazása és a póruséret eghatározása szepontjából fontos a pórusalak jellezése is. (1. ábra) A pórusok éretének eghatározására száos ódszer isert (1. ábra). Az adszorpciós és higany-porozietriás ódszer együttesen lefedi a teljes pórusérettartoányt, és a pórusok éretét eloszlási görbével tudjuk jelleezni. A pórusok alakját illetően a ikroszkópos ódszerek szolgáltatnak inforációt. 1. ábra: Porózus anyagok szerkezete és a különböző póruséret eghatározási ódszerek. A krioporozietria ódszerének elvi alapja: Az NMR (ágneses agrezonancia) krioporozietria a néhány n-től kb 2 n-ig terjedő póruséret tartoányban alkalazható a pórusok éretének és alakjának eghatározására. 1

A krioporozietria alapja az a jelenség, hogy a pórusban lévő folyadék olvadás- és fagyáspontja alacsonyabb a töbfáziséhoz képest. Az olvadáspont-csökkenés értéke fordítottan arányos a pórus éretével, vagyis inél kisebb a pórus, annál alacsonyabb a pórusba zárt folyadék olvadáspontja. Ezt az összefüggést a Gibbs-hoson egyenlet írja le: k r k: folyadékra jellező állandó (n K) (, γ L, ΔH, határozza eg k értékét) r: pórus sugara () : olvadáspont a pórusban (K) : töbfázis olvadáspontja (K) Δ : olvadáspont-csökkenés (K) Az egyensúlyi (reverzíbilis) fázisátenet esetén az olvadt és fagyott fázis között nincs kéiai potenciál különbség (μ L és μ ), a két fázis szabadenergiája azonos (=áll, =áll): L L f M, L M, f L L M ahol f és a fagyott ill. az olvadt rendszer szabadenergiája, μ L és μ a folyékony és szilárd közeg kéiai potenciálja, L és a folyékony és szilárd közeg térfogata, M a oláris térforgat. Kiséretű pórusba zárt folyadék esetében a felület ne elhanyagolható, így a szabadenergia leírásakor egy felületi taggal bővül a képlet (2. ábra). Aennyiben a pórusba zárt folyadék egfagy, a határfelületen inden esetben arad egy vékony olvadt folyadékréteg, így az erre vonatkozó szabadenergia és felületi taggal is szükséges száolnunk. OLAD RENDZER i lw M A AGYO RENDZER Pórus fala Pórus fala folyadék folyadék szilárd ( ) s s l s f sl As lwa Ms Ml, f : az olvadt () és a fagyott (f) rendszer szabadenergiája γ: felületi feszültség M : oláris térfogat A: felület index: s: szilárd fázis l: folyadék fázis w: pórus fala 2. ábra: A pórusba zárt folyadék és annak szabadenergiája olvadt illetve fagyott állapotban 2

A fázisátenet hőérsékletén tehát: A reverzíbilis fázisátenet során tehát μ (pórusban) = μ L (pórusban), de a eq hőérséklet értéke egváltozik. Az új egyensúlyi hőérsékletet a szabadenergia hőérsékletfüggésének iseretében lehet kiszáítani. Maga a definíció és annak differenciálása az első lépés a hőérsékletfüggés kiszáítására. Behelyettesítjük a belső energiát az első főtételből és a térfogat állandóságát kihasználva egkapjuk az változását a hőérséklettel. Mivel a kéiai potenciál (μ) a parciális oláris szabadenergia ( M ) állandó térfogaton, így annak szerinti deriváltja a oláris entrópia ( M ), ai viszont reverzíbilis fázisátenet esetén annak entalpiája (ΔH) osztva a hőérséklettel: U U d d du du d d d d I. I. főtétel: főtétel: d d dq dq pd p d d d d d d d pd p d d d d d d =áll: d d d =áll: d d d d d a oláris szabadenergia a kéiai potenciál: M d a oláris szabadenergia a kéiai potenciál: M d d M H H s l tr s l M, M, tr M, M, tr ( tr) ( tr) H eq eq Htr Htr L H L eq ( tr) L trh eq Htr Htr d L H ( tr) d H ( ( tr) ( eq ( tr)) L) d ( L ) d ( ( tr) eq ( tr) ( tr) ( tr) d dd A = f L, L M, M, L L A L, L L d d ( ) M A Δ = reverzíbilis fázisátenet esetében az előbbieket figyelebe véve a következő összefüggéshez jutunk: A A K eq M sl s s c H s s Az olvadáspont csökkenése tehát a közegre jellező állandó (K c ) és a póruséretet (pórusalakot) jellező felület-térfogat aránnyal írható le. Ez terészetesen a egfagyott közegre igaz, aely egfeleltethető a pórus éretének, aennyiben a indig jelenlévő, z (2. ábra) olvadt réteg igen vékony ( large pore liit ). A K c értéke eléleti és kísérleti úton eghatározható, víz esetében K c =3 n K. A fagyás és az olvadás kinetikájának különbözősége okozza azt, hogy a fagyáspontcsökkenés és az olvadáspont csökkenés értéke (Δ f és Δ ) ne indig azonos (3. ábra). Ez lehetővé teszi a pórusok geoetriájának eghatározását, szerencsés esetben. A pórus geoetriájának iseretében kiszáítható a póruséret (1. táblázat). 3

3. ábra: agyás- és olvadásgörbék különböző pórusalak esetén 2 1. táblázat: A fagyás- és olvadáspont eltolódás (Δ f ill. Δ ) a 3 pórusalak-odell esetén 2 : Pórus alak Δ f Δ Göb 3K c /r 2K c /r Henger 2K c /r K c /r Réteg K c /2r A ódszer ily ódon alkalas különböző jellegű porózus anyagok szerkezetének jellezésére. Az agyagásványok szerkezete réteges pórusokkal jelleezhető, íg pl. a szénnanocsövek, aerogélek hengeres pórusokat tartalaznak. Ugyanazon porózus inta esetében többféle közeget használva fény derülhet a inta belső felületeinek tulajdonságaira (nedvesedő, ne nedvesedő). Például hidrofób porózus anyag esetén vizes közeget alkalazva csak a töbfázisú víz olvadáspontja határozható eg (273,15 K), íg a pórus falát nedvesítő ciklohexánba helyezve a pórusos anyagot eghatározhatóvá válik a póruséret. Eellett a különböző folyadékok olvadáspontjának ( ) és K c értékének különbözősége ás-ás érettartoány eghatározását teheti lehetővé (pl: ciklohexán esetében =279,7 K, K c =96 n K, víz esetén =273,15 K, K c =3 n K). A ódszer gyakorlati alkalazása: NMR krioporozietria Az NMR krioporozietriás érés során az úgynevezett spin ekhó ipulzus szekvencia alkalazásával elérjük, hogy csak a folyadék fázisban (azaz olvadt állapotban) található gerjesztett agspineket detektálhassuk az NMR spektruon. Így egy vízben diszpergált szilárd inta 1 H NMR spektruán csak a víz protonjainak egfelelő NMR csúcsot látjuk. A spin ekhó ipulzus szekvencia egy 9 és egy 18 -os ipulzust tartalaz (4. ábra). Az első 9º-os gerjesztő R ipulzus után egy 18º-os R ipulzussal refókuszáljuk a spineket. A 18º-os R ipulzus hatására a precesszáló protonok újra azonos fázisba rendeződnek, és isét nő a jel létrejön az ekhó. A két ipulzus közötti várakozási idő az ún. ekhó idő, elynek célja a szilárd fázisból eredő széles jelek kiküszöbölése. Így az ekhó időt hosszabbra választjuk a szilárd fázis relaxációs idejénél, de rövidebbre a folyadékfázis 2 relaxációs idejénél. 4

Integrál 4. ábra: A spin echo ipulzus szekvencia A érés során a hőérsékletet csökkentve veszünk fel spektruokat egyás után (5. ábra). A fagyásponthoz közelítve a folyadék fázisú víz ennyiségének csökkenése iatt csökkenő jelintenzitást tapasztalunk. A vízjel intenzitását vagy integrálját a hőérséklet függvényében ábrázolva porózus inta esetén kirajzolódnak a töbfázisétól eltérő hőérsékletű fagyási és olvadási folyaatok (5. ábra). A fagyás és az olvadás eltérő echanizusából adódik, hogy a fagyás- és olvadásgörbék között hiszterézist tapasztalunk (3. ábra), a fagyás- és olvadáspontcsökkenés aránya pórus geoetriáját illetően ad inforációt. A geoetria iseretében a fagyás- és olvadáspontcsökkenésből a Gibbs- hoson egyenlet alapján száítható a pórus érete (1. táblázat). Az integrál/intenzitás változását a póruséret függvényében ábrázolva póruséreteloszlási görbét kapunk (5. ábra). a) b) 6 5 4 Olvasztás 1 agyasztás 1 Olvasztás 2 agyasztás 2 3 2 1 c) ΔI% / Δr p 245 255 265 275 285 (K) r p (n) 5. ábra: a) olyékony közeg 1 H NMR spektruai a hőérséklet csökkenésével. b) agyásés olvadásgörbék. c) Póruséreteloszlás. 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Olvasztás 1 agyasztás 1 Olvasztás 2 agyasztás 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 5

eladat: A gyakorlat során isert szerkezetű porózus anyag (Kiesel gél, ai egyfajta szilika gél) NMR kiroporozietriás vizsgálatát végezzük el. A Kiesel gél egy aorf szilíciu-dioxid, ely víztartalától függően gél állapotú (xerogél). Nagy belső felülete és higroszkópos tulajdonsága iatt adszorbensként, szűrőként, szárítóanyagként is alkalazzák. A kereskedeleben eghatározott részecskeéretű, póruséretű szilika gélek kaphatók, így ez az anyag jól alkalazható az NMR-es póruséreteghatározás során referencia anyagként. Mintaelőkészítés: Kiesel-gél 6-ból egy polietilén NMR csőbe érünk adott ennyiséget.,5 l vizet adunk hozzá, és állni hagyjuk, hogy gél képződjön, és a víz bejuthasson a pórusokba. NMR: 1. A 4MHz-es NMR készülékbe helyezzük a intát. Létrehozunk egy új 1 H zg érési fájlt, és a wobb paranccsal behangoljuk a érőfejet. Beshieljük a készüléket, ajd az rga paranccsal eghatározzuk a vevőérzékenység (receiver gain) értékét. 2. 9 -os ipulzus eghatározása: elveszünk egy 1 scan-es spektruot a intáról, ait pozitív fázisra fázisolunk. Ezt követőn az ipulzus hosszát (p1) egyre növelve, a fázis beállításánál az elentett fázis értéket alkalazva egkeressük azt az ipulzushosszt, ahol éppen nulla az intenzitás, vagyis az ipulzushossz 36 -nak felel eg. Ebből egadható a 9 -os (p1) és a 18 -os (p2) ipulzusok hossza. 3. Echo idő eghatározása: 1 scan-es spektruokat veszünk fel az echo idő (d2 paraéter) változtatásával. Meghatározzuk azt az echo időt, aelynél a jelintenzitás ár ne csökken lényegesen és ne haladja eg a p2 ipulzushossz 5-szeresének értékét. 4. Hőérsékleti listát készítünk (edlist, vt). A hőérséklet csökkentéséhez szárított levegőt használunk, elynek áralási sebességét a legalacsonyabb hőérséklethez állítjuk be. elf tune indításával optializálható a hőérsékletingadozás. 5. Méréssorozat elindítása: xau és ultizgvt parancsokkal, vt lista kiválasztásával, és a érések közti várakozási idő egadásával. Kiértékelés: Az NMR spektruok transzforálása és kiértékelése a MestreNova és Excel szoftverek segítségével történik. 1 László Krisztina: A felületek fizikai kéiája, 211 2 Oleg. Petrov, Istvan uró, Progress in Nuclear Magnetic Resonance pectroscopy 54 (29) 97-122 Az oktatási segédanyagot egalapozó kutatás a ÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-212-1 azonosító száú Nezeti Kiválóság Progra Hazai hallgatói, illetve kutatói szeélyi táogatást biztosító rendszer kidolgozása és űködtetése konvergencia progra cíű kieelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió táogatásával, az Európai zociális Alap társfinanszírozásával valósul eg. 6