Введение 3
Глава I. Основы теории диэлектрической поляризации 5
1.1. Поляризация диэлектриков 5
1.2. Диэлектрическая проницаемость 6
1.3. Основные положения теории диэлектрической релаксации 7
1.4. Диэлектрическая релаксация и термодинамические функции 12
Глава II. Общие сведения о глинистых минералах 14
2.1. Минеральный состав 14
2.2. Классификация глинистых минералов 15
2.3. Структура глинистых пород 17
2.4. Физико-химические свойства глинистых пород 19
2.5. Монтмориллонит, его структура и свойства 21
2.6. Влияние замещающих катионов на свойства глинистых минералов .... 23
Глава III. Диэлектрические свойства воды в природных пористых средах ... 26
3.1. Строение молекул воды 26
3.2. Диэлектрические свойства дистиллированной воды 28
3.3. Свойства связанной воды 30
3.4. Энергетическая неоднородность связанной воды 30
3.5. Структура связанной воды 31
Глава IV. Экспериментальное изучение особенностей поведения воды в катион-замещенных глинах 34
4.1. Исследуемые образцы и протокол измерений 34
4.2. Экспериментальная установка 35
4.3. Расчет диэлектрической проницаемости 36
4.4. Анализ погрешностей 37
4.5. Результаты измерений и их обсуждение 39
Заключение 48
Список использованной литературы 49
Приложение 52
Измерение диэлектрических свойств различных материалов в широком частотном диапазоне требуется во многих областях фундаментальных и прикладных исследований. Диэлектрическая спектроскопия является мощным инструментом для исследования физико-химических свойств вещества. Диэлектрические измерения необходимы для контроля качества промышленной продукции, для диагностического применения в области биомедицины, в дистанционном радиозондировании, в диэлектрическом каротаже, в исследовании экологических процессов, в геологии и во многих других областях науки и техники.
Особый интерес представляет изучение особенностей поведения воды в природных пористых средах (в глинах, цеолитах, кремнеземах и т.д.) методами диэлектрической спектроскопии. Это связано с тем, что результаты исследований молекулярной структуры воды и динамики ее перестройки в ходе теплового движения не имеют единой интерпретации.
В данной работе рассматривается влияние различных типов обменных катионов на диэлектрический отклик гидратированных монтмориллонитовых глинистых минералов в широком температурном и частотном диапазонах для получения подробной информации о структуре и релаксационных свойствах воды, адсорбированной различными центрами гидратации.
В ходе выполнения бакалаврской работы были поставлены следующие задачи:
1. Провести литературный обзор по поставленной проблеме;
2. Изучить свойства и поведение свободной и связанной воды в природных алюмосиликатах;
3. Определить влияние различных типов обменных катионов на процессы диэлектрической релаксации воды в кристаллах монтмориллонита;
4. Ознакомиться с технологией приготовления и обработки исследуемых алюмосиликатных образцов;
5. Освоить принципы и методы диэлектрических измерений на спектрометре Novocontrol BDS Concept 80;
6. Получить экспериментальные зависимости действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости исследованных образцов от частоты и температуры;
7. Проанализировать и интерпретировать полученные результаты. Сделать выводы.
В результате выполнения бакалаврской работы были приготовлены образцы глин Ильинского монтмориллонита с обменными катионами K+,Na+,Ca2+,Ba2+, измерены диэлектрические спектры полученных образцов и проанализированы температурные зависимости диэлектрических параметров т, ДЕ и а. Из анализа температурных зависимостей диэлектрических параметров можно сделать следующие выводы:
1. Наличие обменных катионов с различным ионным радиусом в глинах изменяет поверхностные свойства глины, что приводит к изменению их взаимодействия с водой. Ионы Са2+ и Ва2+ приводят к образованию двух типов структур. Об этом свидетельствует наличие двух релаксационных процессов в низкотемпературной области для соответствующих образцов.
2. Одновалентные катионы К+, Na+, в свою очередь, образуют один тип структуры в глине. Это проявляется в том, что в низкотемпературной области для этих образцов присутствует только один релаксационный процесс.
3. Катионы с большим ионным радиусом позволяют глинам адсорбировать большее количество воды, это демонстрирует температурная зависимость параметров ДЕ. Для обменных катионов Са2+ и Ва2+ значение параметра ДЕ почти в три раза больше чем для катионов К+, Na+.
