Сучасний стан досліджень в хімії нестехіометричних сполук

Анотація

Селевій Т.Я. Сучасний стан дослідження в хімії нестехіометричних сполук. – Курсова робота за спеціальністю – хімія.

Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника – Івано-Франківськ, 2005 - ___ с.

Курсова робота є рукопис, який містить загальні питання хімії точкових дефектів у кристалах. Проаналізовано можливі типи дефектів. Наведено основні види нестехіометричних сполук, вплив дефектів на реакційну здатність, охарактеризувала найбільш поширені методи визначення дефективності неорганічних сполук (хімічні та фізичні), хімічні реакції у твердих тілах.

__ с., рис. 21, табл.. 2, літ. 13.

Ключові слова: нестехіометрична сполука, дефект, вакансія, міжвузловий атом, дислокація, вюстит.

Keywords: nestehiometrichna connection, defect, vacancy, migvouzloviy atom, distribution, vyostit.

Зміст

ВСТУП

Актуальність теми. Властивості хімічних сполук визначаються складом, тобто тими стехіометричними співвідношеннями, в яких з’єднуються атоми в процесі їх взаємодії. Проте стехіометричні співвідношення виконуються не завжди. Наприклад, склад більшості твердих неорганічних сполук – оксидів, сульфідів, галогені дів, нітридів, гідридів металів – в залежності від умов приготування може відрізнятись в широких межах. Такі сполуки називаються нестехіотричними. В нестехіомиетричних сполуках середнє число атомів на елементарну комірку нееквівалентне числу позицій і в одній з підрешіток (аніонній чи катіонній) є їх надлишок чи нестача.

Проте на сьогодні відомості про сучасні дослідження і проблеми в хімії нестехіометричних сполук, зокрема про процеси, які обумовлюють їх утворення і реакційну здатність, є небагато чисельними та малодоступними. Тому дослідження, присвячені пошуку та аналізу інформації. Присвяченої вищенаведеним питанням, є на сьогодні актуальними.

Маючи інформацію про не стехіометрію тієї чи іншої сполуки (наприклад, наявність надлишку чи нестача металу; які саме дефекти відповідають за відхилення від стехіометрії) можна встановити механізм реакції в системах “тверде-тверде”, “тверде-рідке”, “тверде-газ”.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темати, наказами, рішеннями. Робота виконана відповідно до рішення кафедри (протокол №___ від _______________________ 2005 р.).

Мета та завдання дослідження.

Об’єкти дослідження – нестехіометричні сполуки, нестехіометричні оксиди (зокрема, система Fe-O).

Предмет дослідження – точкові дефекти в кристалічній структурі, їх вплив на реакційну здатність нестехіометричних сполук.

Мета дослідження – провести огляд літератури та систематизувати наявні дані про сучасний стан досліджень в хімії нестехіометричних сполук (методи дослідження природи дефектів, їх вплив на хімічну активність). Для дослідження поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

підбір та аналіз наявних літературних джерел про дослідження в галузі хімії нестехіометричних сполук;

описати основні види дефектів у кристалічній структурі та, відповідно до цього, типи нестехіометричних сполук;

на прикладі діаграми стану Fe-O показати можливість утворення нестехіометричних фаз в залежності від умов експерименту;

пояснити вплив дефектів на протікання хімічних реакцій в нестехіометричних сполуках.

Наукова позивна одержаних результатів:

показано, що властивості нестехіометричних сполук визначаються природою дефектів, які виникли при їх синтезі;

систематизовано та описано основні типи дефектів (атомні, електронні, енергетичні);

показано, що реакційна здатність твердих тіл суттєво залежить від нестехіометрії, що є справедливим для реакцій “тверде-тверде”, “тверде-рідке”, “тверде-газ”.

Практичне значення отриманих результатів. Систематизовані дані про сучасний стан досліджень в хімії нестехіометричних сполук можуть бути покладені в основу при створенні методичних посібників, курсів лекції для студентів спеціальності “хімія” (денного та заочного відділень), а також використані при проведенні подальших наукових досліджень по синтезу та вивченню реакційної здатності нестехіометричних сполук.

Особливий внесок студента полягає у аналізі та систематизації літературних джерел, написанні та оформленні курсової роботи.

Структура і обсяг роботи.

РОЗДІЛ 1. БУДОВА РЕАЛЬНОГО КРИСТАЛУ

1.1. Типи дефектів

Дефекти з точки зору наявності недосконалостей у тій чи іншій підсистемі кристалічної решітки підрозділяються на атомні, електронні та енергетичні.

Атомні дефекти зумовлюються відхиленням положення атомів, іонів, молекул від ідеального стану в системі вузлів кристалічної решітки. Вони характеризують недосконалість атомної структури кристала, їх можна розглядати як елементарні збудження атомної підсистеми кристала.

Електронні дефекти пов'язані з відхиленням стану електронів порівняно з їхнім основним станом, або з відхиленням валентного стану атомів від їхнього основного стану в кристалі. Електронні дефекти - це елементарні збудження в електронній підсистемі кристалів. До таких відносять надлишкові електрони в системі та дірки (нестача електрона або незаповнений валент-ний зв'язок чи вакантна орбіталь). До електронних дефектів належать також полярони та екситони.

Енергетичні (фононні) дефекти кристалічної решітки - це елементарні збудження енергетичного стану кристалів. Найпоширеніший тип енергетичних дефектів - фонони. Тому ці дефекти ще називають фононними. До енергетич-них дефектів відносять також тимчасові елементарні збудження кристалічної решітки, що зумовлені дією світла, -квантів, потоку нейтронів, радіації тощо. Найважливіше значення для хімії твердого тіла мають атомні дефекти [1].

1.1.1. Класифікація атомних дефектів

Для класифікації атомних дефектів існує декілька підходів. За ознакою стехіо-метрії атомні дефекти поділяють на стехіометричні та нестехіометричні.

При утворенні стехіометричних дефектів зміна складу хімічних сполук не відбувається. Нестехіометричні дефекти пов'язані зі зміною складу крис-талічних речовин. 3 точки зору хімічної однорідності кристалічної решітки атомні дефекти можна поділити на власні та домішкові.

Домішкові дефекти зумовлені наявністю в структурі кристалічної решітки неосновних, домішкових атомів у тих чи інших її позиціях Домішкові атомні дефекти одночасно є й нестехіометричними дефектами.

Найдоцільніше проводити класифікацію атомних дефектів за геометричною ознакою або за вимірністю дефекту, тобто за числом вимірів, в яких спо-стерігається відхилення в періодичному, закономірному розташуванні атомів від ідеального їх розміщення в кристалічній решітці.

Згідно з вимірністю дефекти кристалічної решітки поділяються на точкові (нульвимірні), лінійні (одновимірні), поверхневі (двовимірні), та об'ємні (тривимірні).

До точкових дефектів належать вакансії або вільні вузли кристалічної решітки, атоми між вузлами та домішкові атоми в тій чи іншій позиції криста-лічної решітки.

До лінійних дефектів можна