Pulverdiffraktometrie

Kristallographisches Praktikum (Bachelor-Studiengang)
Versuch D1: Röntgenpulverdiffraktometrie
Betreuer: T. Sorgenfrei
Einleitung:
In diesem Versuch soll die Synthese kristalliner Festkörperverbindungen und die Analyse von
Reaktionsprodukten mittels röntgenographischer Pulverdiffraktometrie kennengelernt werden.
Benötigte Vorkenntnisse:
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Grundlagen des chemischen Rechnens (Rechnen mit molaren Mengenangaben)
Grundlagen der Röntgenbeugung an Kristallen
Eigenschaften und Erzeugung von Röntgenstrahlung
monochromatische und polychromatische Röntgenstrahlung
Erzeugung?
Detektionsmöglichkeiten für Röntgenstrahlung
Grundlagen:
Chemische Reaktionssynthese:
Die Reaktion zweier Elemente bei ca. 600 °C führt entweder zu einer reinen chemischen Verbindung
(=reinen „Phase“) oder einem Phasengemisch. Jede „reine“ (pulverisierte) Phase erzeugt bei der
Vermessung mit dem röntgenographischen Pulverdiffraktometer ein charakteristisches Signalmuster
(=Pulverdiffraktogramm). Wird ein Phasengemisch untersucht, so stellt das Pulverdiffraktogramm
eine Überlagerung der Signalmuster der einzelnen Phasen dar. Mit Hilfe von Datenbanken können
bekannte Phasen in einem Phasengemisch identifiziert werden.
Pulverdiffraktometrie:
Da die Wellenlänge von Röntgenstrahlen in der gleichen Größenordnung wie die Gitterkonstanten
der Kristalle liegt, können Rö.-Strahlen an Kristallgittern gebeugt werden. Dieser 1912 von Max von
Laue entdeckte diesen Beugungseffekt begründete damit die moderne Kristallographie. Erst von
diesem Zeitpunkt an war es möglich Strukturen von kristallinen Materialien zu bestimmen.
Die Beugung von Rö.-Strahlen kann formal auch als Reflektion der Rö.-Strahlen an
Netzebenenscharen angesehen werden. Netzebenenscharen verlaufen immer parallel und besitzen
immer den gleichen Abstand dhkl zueinander. Trifft nun Strahlung auf eine solche Netzebenenschar
hkl, werden Einzelstrahlen an den einzelnen Netzebenen gebeugt (reflektiert). Nach der Reflektion
kommt es zur Interferenz der reflektierten Einzelstrahlen. Je nach einfallendem Winkel () der
Strahlung, ihrer Wellenlänge  und dem Netzebenenabstand (dhkl) erfolgt die Interferenz konstruktiv
oder destruktiv (=auslöschend). Für konstruktive Interferenz dürfen die Phasen der Einzelwellen nicht
verschoben sein, d.h. der Gangunterschied muss ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge  sein.
Dieser Zusammenhang wird mit Hilfe der Braggschen Gleichung beschrieben:
2dhkl sin = n
Diese Methode nennt sich Pulverdiffraktometrie, da das zu untersuchende Material pulverisiert
untersucht wird. Dies dient dazu möglichst viele verschiedene Netzebenenscharen der zu
untersuchenden Probe in Beugungsstellung zu bringen (Verbesserung der Statistik), da nur die
Netzebenen, die parallel zur Probenoberflächen liegen, auch gemessen werden können.
Um möglichst konstruktive Interferenz und damit messbare gebeugte Strahlung zu erhalten arbeitet
man im Fall der Pulverdiffraktometrie mit monochromatischer Strahlung, d.h. Strahlung mit nur einer
bestimmten Wellenlänge.
Die Intensität der gebeugten Rö.-Strahlung wird in Abhängigkeit der Glanz- bzw. Beugungswinkels 
erfasst und einem Diagramm, dem sog. Pulverdiffraktogramm, aufgetragen. Um die vorhandenen
Phasen in der Probe zu identifzieren werden die gemessenen Daten anschließend mit Datenbanken
verglichen.
Beschreibung des Versuchsablaufs:
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Berechnung der Einwaagen eines Reaktionsgemisches im System Sn:S im molaren Verhältnis
1:1 (Berechnen der benötigten Komponenten/Elemente)
Begutachtung der Ergebnisse verschiedener Synthesemethoden
Anfertigen einer Pulverprobe
Ansetzen einer Messung am Pulverdiffraktometer (als Zuschauer)
Untersuchung der erhaltenen Diffraktogramme mittels des Auswerteprogrammes Match!
Bestimmung der vorhandenen Phasen.
Bedienung von Match!:
Einlesen des Diffraktogrammes (*.raw) über File / Import / Diffraction Data
Search / Search-Match für einen „Blindschuss“ (gesamte Datenbank)
Search / Restraints zum Eingrenzen der möglichen Phasen, dann Search-Match
Literatur:
Lehrbücher der allgemeinen und anorganischen Chemie (stöchiometrisches Rechnen)
„Röntgenographische Untersuchungsmethoden an Kristallen“ W. Borchardt-Ott, Kristallographie,
Springer (Kapitel 13.1 und 13.2 [bzw. 12.1 und 12.2 in älteren Ausgaben])