Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Челябинский государственный университет»
(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»)
Химический факультет
Кафедра химии твердого тела и нанопроцессов
ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
по направлению подготовки 04.03.01 Химия, направленности Химия материалов
Выполнил студент
Вощила А.В.
академическая группа Хб-401, курс 4
очной формы обучения
____________________________________
(подпись)
«____» ____________ 2018 г.
| ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Протокол заседания кафедры от «___» ___________ 2018 г. № ____ И.о. заведующего кафедрой Ковалев Игорь Николаевич _____________________________________ (подпись) «___» _________ 2018 г. | Научный руководитель Ковалев И.Н. И.о. зав.кафедрой Кандидат физ-мат.наук ______________________________________ (подпись) «___» _________ 2018 г. |
Челябинск 2018
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.. 4
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ШПИНЕЛЯХ.. 5
1.1 Общая характеристика твердых растворов 5
1.1.1. Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. 5
1.1.2 Различие в понятиях “твердый раствор”, “химическое соединение” и “механическая смесь” 6
1.1.3 Явление изоформизма как причина возникновения твердых растворов. 7
|
|
|
1.1.4. Условия образования твердых растворов. 8
1.1.5. Применение твердых растворов. 8
1.2.Общая характеристика соединений со структурой минерала шпинели 9
1.2.1 Шпинель как модельная структура соединений с плотнейшей упаковкой анионов 9
1.2.2. Алгебраическое описание структуры шпинели. 11
1.2.3. Типы катионного порядка в тетраэдрических позициях кристаллов со структурой шпинели 11
1.2.4. Типы катионного порядка в октаэдрических позициях кристаллов со структурой шпинели 14
1.2.5. Применение шпинелей. 17
1.3. Описание структур и свойств твердых растворов и шпинелей с позиций магнетизма и термодинамики 19
1.3.1 Ян-теллеровские ионы в кристаллах. 19
1.3.2. Эффект Яна-Теллера в шпинелях. 21
1.3.3. Изменение симметрии при фазовых переходах второго рода. 22
1.3.4. Полиморфизм и структурные фазовые переходы в твердых телах. 25
1.4. Методы синтеза твердофазных материалов 26
1.4.1. Методы синтеза поликристаллических материалов. 26
1.4.2. Керамический метод синтеза. 27
1.4.3. Соосаждение солевых смесей. 28
1.4.4. Золь-гель метод. 29
1.4.5. Синтез с использованием тепловыделения внутри реакционной зоны.. 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 33
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одной из наиболее актуальных задач химии и химической технологии является синтез материалов с необходимым комплексом физико-химических свойств. К числу материалов, получивших широкое распространение в технике, относятся сложные оксидные системы на основе ферритов-хромитов переходных металлов. В частности, ферриты переходных элементов используются в качестве магнитных материалов, хромиты находят широкое применение как катализаторы различных химических процессов.
|
|
|
До настоящего времени не было проведено систематического изучениясвойствтвердых растворов со шпинелеподобными структурами вблизи критических элементов фазовых диаграмм. Это во многом связано со значительными трудностями синтеза твердых растворов шпинельного типа: формирование структуры, как правило, занимает значительное количество времени и происходит при высоких температурах. К тому же дальнейшие исследования показали, что в этих структурах возможны полиморфные и морфотропные фазовые переходы, характеризующиеся спонтанным проявлением различных физико-химических свойств (электрических, магнитных, оптических и т.д.), что затрудняет их теоретическое описание. Но тем не менее, благодаря накоплению большого количества экспериментальных данных и развитию квантовой физики было установлено, что некоторые низкосимметричные фазы характеризуются необычными физическими и химическими свойствами. Особая заслуга в этой области принадлежит физикам Э.Теллеру и Г.Яну.
|
|
|
Таким образом,целью данной работы является синтезтвердых растворов переходных металлов со структурой шпинели и анализ состава этих структур, а также установлениесвязи междутермодинамическими характеристиками, определяющие их физические и химические свойства.
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ШПИНЕЛЯХ
Общая характеристика твердых растворов
Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания
Твердые растворы - твердые однородные кристаллические или аморфные фазы переменного состава, состоящие из двух или большего числа компонентов, сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами (неограниченно или в определенных пределах).
Способность образовывать твердые растворы свойственна всем кристаллическим твердым телам. В большинстве случаев она ограничена узкими пределами концентраций, но известны системы с непрерывным рядом твердых растворов (например, Cu-Au, Ti-Zr, GaAs-GaP). По существу, все кристаллические вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твердые растворы с очень малым содержанием примесей.
|
|
|
Различают три основных вида твердых растворов:
А) твердые растворы замещения;
Б) твердые растворы внедрения;
В) твердые растворы вычитания.
Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре. Все рассмотренные выше примеры являются примерами твердых растворов замещения. По такому же механизму происходит замещение Fe на Zn в структуре железистого сфалерита – марматита (Zn, Fe).
Рис. 1. Представление структуры твердого раствора замещения на примере сплава меди и золота
Твердые растворы внедрения образуются в результате интерстициальных замещений, когда в структуре минерала имеются значительные пустоты,
называемые интерстициями, как, например, в структуре кольцевого силиката –берилла:Be3Al2Si6O18. В гексагональные каналы, образуемые кольцами Si6O18в структуре этого минерала, могут внедряться значительные количества K, Rb, Cs, H2O, обнаруживаемые при анализе образцов.
Рис.2. Твердый раствор внедрения –феррит
Твердые растворы вычитания известны для дефектных структур, в которых отдельные структурные позиции заняты не полностью. Появление вакансий связано, как правило, с присутствием ионов переменной валентности
(Fe, Mn). Наиболее известным примером такого раствора является пиррротин (FeS). Наблюдаемые в этом минерале колебания состава Fe6S7 до Fe11S12 объясняются тем, что в его кристаллической структуре, образуемой гексагональной упаковкой из атомов серы, часть атомов железа находится в форме Fe3+, компенсируя недостаток ионов Fe2+.[1]
Рис. 3. Твердый раствор вычитания-вюстит
1.1.2 Различие в понятиях “твердый раствор”, “химическое соединение” и “механическая смесь”
Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющих большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение AnBm, где n и m – простые целые числа. Важнейшим химическим соединением является цементит – карбид железа Fe3C;
он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.
Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механическиесмеси представляют собой двух и болеефазные структуры,состоящиеиз перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими механическими смесями являются:перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81 % С и ледебурит– механическая смесьзерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3 % С.[2]
1.1.3 Явление изоформизма как причина возникновения твердых растворов
Изоморфизмом называется взаимное замещение атомов (или структурных единиц) разных химических элементов в эквивалентных позициях кристаллической структуры. По сути, чисто кристаллохимическое определение изоморфизма идентично определению твердого раствора, применяемому в физико- химическом анализе. К изоморфным относят все дефектные кристаллы переменного состава, в которых вхождение посторонних элементов (атомов, ионов, молекул, атомно-молекулярных группировок) не нарушает структурной целостности и монокристальной гомогенности. Термины изоморфные смеси, твердые растворы и смешанные кристаллы в связи с такой трактовкой изоморфизма должны рассматриваться как синонимы. Изоморфизм делится на два типа: изовалентный (гомовалентный) (например, система Fe2+CO3-Mn2+CO3) и гетеровалентный (например, система Fe2+CO3-Sc3+ВO3).[3, c.54]
А.Е. Ферсман характеризовал изоморфизм, как свойство элементов в кристаллической решетке замещать друг друга при условии близости размеров составляющих кристалл единиц (атомов,ионов), тождества знаков (но не величины) заряда и относительно близких величин поляризации. Имеется ряд других высказываний о сущности изоморфизма.
Так по Р.К. Эвансу главным критерием изоморфизма является аналогия кристаллической структуры. По А.Ф. Уэлсу кристаллы изоморфны, если в них имеется одинаковое расположение геометрически подобных структурных единиц.
На основании этих высказываний изоморфизм можно определить как способность веществ образовывать однородные смешанные кристаллы, непрерывное изменение состава которых отвечает непрерывное изменение свойств.[4, c.4]
1.1.4. Условия образования твердых растворов
Рассмотрим факторы, обусловливающие образование твердых растворов. На основе экспериментального материала Гольдшмидта В.М. показано, что для образования твердых растворов (смешанных кристаллов) необходимо, чтобы: 1) замещающие друг друга частицы проявляли в кристаллах одинаковое физическое действие; 2) радиусы замещающих друг друга частиц (атомов, ионов) отличались не более чем на 15%.
Считается также необходимым соблюдение трех условий для образования твердых растворов: 1) аналогия химических формул веществ; 2) сходство элементарных ячеек веществ по симметрии и по содержанию в ней числа атомов (радикалов), замещающих друг друга;3) близость размеров элементарных ячеек компонентов.[4, c.5]
1.1.5. Применение твердых растворов
В настоящее время твердые растворы находят широкое применение в качестве кристаллических полупроводниковых материалов. Они используются также в качестве твердых электролитов и это связано с возможностью создания аккумуляторов для электромобилей. На их основе возможно создание «вечных печей», источников света, устройств для получения чистого кислорода, генераторов электричества и многое др. Твердые растворы – основа всех важнейших конструкционных и нержавеющих сталей, бронз, латуней, алюминиевых и магниевых сплавов высокой прочности.[5]
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1559; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!