Рентгенография и инфракрасная спектроскопия в применении к исследованию строения гумусовых веществ

Рентгенографический метод структурного анализа, основанный на явлении рассеяния рентгеновских лучей атомами вещества и интерференции рассеянного излучения, относится к прямым методам исследования атомно-молекулярного строения вещества. Разработка теоретических основ, а также экспериментальной и расчетной методики рентгеновского структурного анализа кристаллов привели к возможности детального изучения координат атомов и распределения электронной плотности в кристаллических веществах достаточно сложного строения (1).
Для аморфных веществ, к которым следует отнести также и гумусовые вещества, разработаны специальные методы рентгеновского анализа, в основу которых положена теория рассеяния рентгеновских лучей в жидкостях и газах. Наиболее объективным из них является метод интегрального анализа интенсивности рассеяния рентгеновских лучей, приводящий к построению кривых радиального атомного распределения.
Сведения о структуре аморфных веществ, получаемые при рентгенографическом анализе, оказываются менее детальными и более схематичными, чем получаемые для кристаллических веществ. Во многих случаях, однако, эти сведения были достаточными для того, чтобы раскрыть природу и принцип атомно-молекулярного строения изучаемого аморфного вещества.
Одним из таких примеров является рентгенографическое исследование структуры карбонизованных веществ. К классу карбонизованных веществ относится широкий круг природных и искусственных продуктов карбонизации органических веществ, характеризующихся высоким содержанием углерода. Наряду с высоко-обуглероженными веществами, такими как графит и различного рода искусственные угли, к этому классу веществ следует отнести гумусовые вещества ископаемых углей и торфа, а также гуминовые кислоты, выделяемые из почв (3). Основанием для этого служат принципиально общие черты строения углеродного скелета в указанных веществах, которые устанавливаются методом рентгеновского структурного анализа. Родственный характер атомно-молекулярной структуры карбонизованных веществ наглядно иллюстрируется близким сходством их картин рассеяния рентгеновских лучей.
На рис. 1. приводятся схемы рентгеновских интерференционных картин (сфотографированных в цилиндрической камере) для ряда карбонизованных веществ: 1— графита, 2— сажи, 3— гуминовых кислот, выделенных из выветрелого каменного угля, 4— гуминовых кислот из вывйтрелого каменного угля, подвергнутого действию давления до 5700 кг/см, 5 — гуминовых кислот, выделенных из почвы (чернозем), и 6 — керогена сланцев.
При переходе от рентгенограммы графита к рентгенограмме сажи наблюдается исчезновение ряда интерференционных полос, отвечающих брэгговским отражениям от пирамидальных атомных плоскостей кристаллической решетки графита, обозначаемых миллеровыми индексами.
На рентгенограмме сажи сохраняются яркие интерференционные полосы с индексами 001, отвечающими брэгговским отражением от базисных атомных плоскостей кристаллической решетки графита. Базисное атомные плоскости графита представляют собой плоские гексагональные сетки углеродных атомов с межатомным расстоянием С—С, равным 1,41 А,
На рис. 2 приводится схема расположения базисных атомных плоскостей в кристалле графита, чередующихся в последовательности АВАВ... с межплоскостным расстоянием = 3,38 А.
Эффекты исчезновения отражений от пирамидальных плоскостей с сохранением отражений от базисных плоскостей на рентгенограммах сажи были объяснены расстройством азимутальной ориентации в пакетах параллельных углеродных сеток {4). Такая структура для сажи была названа турбо-стратной.