ностью применяемых методов исследования. Такие соединения можно условно рассматривать как соединения, не имеющие обла сти гомогенности, т. е. соединения постоянного состава. Их иногда называют л и н е й н ы м и фа з а ми , поскольку на диаграмме со стояния состав этих соединений отображается вертикальной лини ей— ординатой соответствующего состава. Однако следует отме тить, что отсутствие области гомогенности у кристаллов с коорди национными решетками свидетельствует только о недостаточной точности методов исследования. Истинно линейными фазами могут быть только молекулярные кристаллы. Даже у NaCl, обычно отно сящегося к соединениям постоянного состава, могут обнаружи ваться при определенных условиях существенные отклонения от стехиометрии: при его нагревании в парах натрия атомы послед него внедряются в решетку NaCl (что, кстати, приводит к появле нию яркой окраски). Многие соединения, например соединения ме таллов, в частности оксиды переходных металлов с переменной ва лентностью, а также многие тугоплавкие бориды, карбиды, нитриды, силициды и т. д. обнаруживают весьма значительные отклонения от стехиометрии, т. е. широкие области гомогенности (табл. 8 и 9).
Т а б л и ц а 8. Области гомогенности некоторых оксидов переходных металлов
|
|
О бл асть |
гом оген ности (нестехиом етрии) |
||
|
С о дер ж ан и е |
|
|
|
|
О к сн д |
кислорода |
|
|
ф орм ула |
соединени я, |
в стехи ом етри |
содерж ан ие кислорода, |
||||
|
ческом составе, |
соо тветствую щ ая грани цам |
|||
|
% (м ае.) |
|
|||
|
% (м ае.) |
|
области |
гом огенности |
|
|
|
|
|||
Т Ю |
25,04 |
22,72... 28,61 |
Т Ю о ,88 — T i O i i2o |
|
тю2 |
20,05 |
38,80.... 40,09 |
T iO i,8 9 — |
Т Ю 2,ооз |
F e O |
22,27 |
22,95.... 24,29 |
F e O i ,04— |
F e O i,i2 |
V O |
23,90 |
21,26.,,.28,51 |
V O o ,8 6 — V O 1,27 |
|
V 20 3 |
32,03 |
30,53.,.. 32,73 |
V 2O 2>80— V 20 3 ,io |
|
Y-W03 |
20,70 |
18,80..,. 19,13 |
W0 2,66— W0 2f72 |
|
Рассмотрим |
подробнее дефекты нестехиометрии на |
примере |
||
двух оксидов: FeO и ТЮ.
Состав вюстита FeO, т. е. его область гомогенности, колеблется при 1000°С от Feo,890 до Feo,960 (приближаясь обычно к Feo^sO). Соединение, точно отвечающее по составу FeO, неустойчиво и су ществовать в обычных условиях не может («мнимое» соединение). Таким образом, в решетке вюстита недостает атомов железа по сравнению со стехиометрическим составом. Со структурной точки зрения вюстит относится к твердым растворам вычитания: в его ре шетке атомы кислорода занимают все узлы в анионной подрешетке, а некоторые узлы в катионной подрешетке не заняты атомами же
леза, т. е. остаются вакантными (свободными). |
Общую |
формулу |
вюстита можно изобразить следующим образом: |
FCj |
О |
77
Таблица |
9. Области гомогенности |
некоторых боридов, карбидов, нитридов |
|
и силицидов |
|
|
|
|
Содержание неметалла |
Область гомогенности |
Температура, |
Соединение |
(В, С, N и Si) в стехиомет |
||
рическом составе |
(содержание неметалла), |
|
|
|
% (мае.) |
%(мас.) |
|
TiB2 |
31,10 |
30,6 ...31,2 |
930 |
|
|
29,50....31,8 |
1730 |
ZrB2 |
19,16 |
19,1 ... 19,25 |
530 |
|
|
18,35... 20,05 |
1730 |
СгВ2 |
29,37 |
28,8... 32,7 |
____ |
HfC |
6,31 |
3,88.., 6,3 |
1030... 1530 |
TiC |
20,05 |
11,0.... 20,0 |
1750 |
ZrC |
11,64 |
6,62.. .11,6 |
1400 |
NbC |
11,45 |
8,6 ...11,5 |
— |
TiN |
22,63 |
14,9 .. 22,6 |
— |
ZrN |
13,31 |
7,6... 13,3 |
1500 |
MoSi2 |
36,93 |
36,0... 36,9 |
■— |
где означает вакантный узел, принадлежащий подрешетке
железа.
Например, для состава Feo,890 у = 0,11 и формула оксида желе-
Fe
за имеет видРе0 89О ()ПО ) откуда следует, что 11% узлов решетки,
принадлежащих железу, оказываются вакантными.
При недостатке в решетке вюстита катионов Fe2+, т. е. положи тельных зарядов, ее электронейтральность поддерживается за счет перехода части двухзарядных катионов Fe2+ в трехзарядные Fe3+
по схеме 3Fe2+------► 2Fe3+ + Q Fe
С учетом этого общую формулу вюстита можно изобразить так:
Таким образом, железо присутствует в вюстите в состояниях F e(II) и Fe (III), поэтому данное нестехиометрическое соединение можно рассматривать как твердый раствор замещения Fe203 в FeO, кото рый возникает в результате замещения трех катионов Fe2+ двумя катионами Fe3+ с образованием на каждое такое замещение кати онной вакансии. Есть основание предполагать, что катионы трех валентного железа в вюстите возникают у вакансий. При этом об-
78
1 I
разуются многомерные комплексы [Ре2 n he] которые могут аг
регироваться в результате чего возникают сложные комплексы типа
3-1
[Fe 2 Q 1е ] 9 где п может составлять до 10...13.
Оксид титана TiO обладает широкой областью гомогенности, простирающейся, например, при 1200°С от состава ТЧо.взО с недо статком титана до состава ТЮо,88 с недостатком кислорода. Реаль но ТЮ2 существует как в виде твердого раствора вычитания по ти-
тану (T ij_ ^ n ^ ‘ О) так и в виде твердого раствора вычитания по
кислороду (TiO|__^C^ ) , т. е. в решетке ТЮ2 могут существовать
как катионные, так и анионные вакансии.
Дефекты нестехиометрии оказывают существенное влияние на ряд свойств кристаллических веществ, в частности на их электри ческую проводимость. При отклонении состава многих бинарных кристаллических соединений от стехиометрии электрическая прово димость, как правило, увеличивается, что часто связано с присут ствием в таких соединениях ионов в различных валентных состоя ниях. Например, появление Fe3+ в вюстите на месте некоторых ка тионов Fe2+ можно представить себе в виде процесса
Fe2+ Fe3+ -Fе-
т. е. дефект нестехиометрии в данном случае является источником свободных или слабосвязанных электронов, обусловливающих уве личение электрической проводимости при приложении разности по тенциалов. Внедренные в междоузлия решетки атомы металлов мо гут являться донорами электронов (например, Zn в кристалле Zni+*0). Атомы неметаллов в таком же положении выступают в роли акцепторов, захватывая электроны и генерируя в решетке дырки (например, в U 02 на каждый внедренный атом кислорода образуется две дырки, т. е. два иона U5+), что также должно отра зиться на электрической проводимости нестехиометрического кри сталла.
Отличие твердых растворов от индивидуальных химических сое динений. Структура твердых растворов. Предположим, что имеется кристалл индивидуального химического соединения, содержащего два вида атомов (А и В), и кристалл такого же состава, содержа щий те же атомы, но представляющий собой твердый раствор за мещения. В этом случае индивидуальное химическое соединение можно отличить от твердого раствора по единственному призна ку — различию в тонкой структуре этих кристаллов.
79
В индивидуальном химическом соединении атомы А и В распо лагаются в структуре строго упорядоченно, каждый по своей пра вильной системе точек (узлам решетки). В структуре можно выде лить как бы две подрешетки. Узлы одной из них заняты только атомами А и не содержат атомов В, узлы другой — только атомами В и не содержат атомов А, т. е. данный узел может быть занят только каким-либо одним типом атома. В твердом же растворе атомы А и В располагаются, во-первых, по одной и той же пра вильной системе точек (узлам решетки) и, во-вторых, статистиче ски неупорядоченно (по закону вероятности) по отношению друг к другу, т. е. данный узел решетки может быть занят как атомом А, так и атомом В. Вероятность нахождения атома каждого вида
влюбом узле решетки пропорциональна атомной доле этого атома
втвердом растворе. Если, например, в твердом растворе содержит ся 70% (ат.) атома А и 30% (ат.) атома В, то вероятность того, что данный узел решетки будет занят атомом А, составляет 0,7, а ато мом В — 0,3. Такая структура твердых растворов является следст вием кристаллографической сущности изоморфизма, заключающей ся в статистической взаимозамещаемости атомов (ионов) разных элементов по системе эквивалентных позиций в решетке кристал лической фазы переменного состава, сохраняющей при этом свою структуру.
Рентгенографические исследования тонкой структуры твердых растворов показали, что представления о них как о системах с пол ностью неупорядоченным расположением взаимозамещаемых ато мов часто не совсем соответствует действительности.
Следует отметить, что в принципе возможен различный харак тер распределения двух или более атомов по определенной системе точек. Крайними из них являются полностью упорядоченное (на личие ближнего и дальнего порядков) и полностью неупорядочен ное (отсутствие ближнего и дальнего порядков) расположение ато мов. Однако между ними возможны и промежуточные случаи, соот ветствующие той или иной степени частичной упорядоченности, в частности неполная (не достигающая 100%) упорядоченность в це лом, присутствие ближнего порядка при отсутствии упорядоченности
вдальних сферах и т. д. Обычно степень упорядоченности определя ют из соотношения сверхструктурных и структурных отражений, получаемых экспериментально при ренгтеноструктурном анализе. Если твердый раствор полностью не упорядочен, то система линий на рентгенограмме и их относительная интенсивность получаются такими же, как и для вещества со структурой твердого раствора, в котором все узлы заняты атомами одного вида. Упорядочение твер дого раствора приводит к появлению дополнительных, так называе мых сверхструктурных отражений, которые не наблюдаются при разупорядоченной структуре. Подобного рода исследования твер дых растворов показали, что для многих из них характерна тенден ция к образованию ближнего порядка, а при низких температурах
80
может проявляться и частичный дальний порядок, обусловливаю щий образование сверхструктуры.
Рентгенографические исследования структуры некоторых широ ко распространенных силикатных материалов позволили получить данные о степени упорядоченности в них структурных элементов и обнаружить для некоторых из них довольно сложную зависимость степени упорядоченности от состава.
Так, например, рентгеноструктурное определение положения ка тионов Mg2+ и Fe2+ в монокристаллах оливинов (твердые раство ры в системе 2MgOSiC>2—2Fe0 -Si02) показало их статистически неупорядоченное расположение в структуре. В некоторых же мине ралах группы пироксенов, которые по большинству данных пред ставляют собой твердые растворы между M gO -Si02 и FeO -Si02 и
вкоторых, следовательно, можно было ожидать неупорядоченного распределения катионов Mg2+ и Fe2+, не было обнаружено стати стического распределения указанных катионов по соответствующим позициям. Даже в ортопироксене из вулканических пород, а также
внагретом до 1100°С гиперстене (одном из минералов группы пи роксенов) из метаморфических пород не наблюдалось статистиче ски неупорядоченного распределения Mg2+ и Fe2+, хотя степень упорядоченности в нагретом гиперстене уменьшилась.
Как уже упоминалось, для многих силикатов весьма характер ным является замещение кремния в кремнекислородном мотиве на алюминий. Раньше считалось, что кремний и алюминий полностью неразличимы в структуре, так как рассеивающая способность этих катионов для рентгеновского излучения очень близка и поэтому ни каких указаний о характере распределения Si и А1 не может быть получено. В связи с этим отнесение того или иного силиката к хи мическому соединению или к твердому раствору носило часто весь ма условный характер. Однако позднее, в частности при изучении структур полевых шпатов, удалось определить степень упорядочен ности катионов А13+ в кремнекислородном мотиве. Это было до стигнуто в основном за счет того, что группа [А104] 5- занимает
несколько больший объем, чем группа [S i04] 4-, хотя эта разница и не очень велика. В результате оказалось, что, например, различ ные формы калиевого полевого шпата КгО- АЬОз-бЭЮг значитель но отличаются между собой степенью упорядоченности Si и А1 по тетраэдрическим позициям структуры. В ортоклазе имеется лишь частичная степень упорядоченности, а в микроклине распределение Si и А1 имеет полностью (или очень близкий к нему) упорядочен ный характер. Различная степень упорядоченности Si и А1, а также Na и Са существует также в плагиоклазах (твердые растворы меж ду анортитом Ca0 -Al203 -2Si0 2 и альбитом Na20 - Al203-6Si0 2), которые, как оказалось, включают группу структур.
Приведенные примеры еще раз подчеркивают сложность до кон ца еще не выясненной природы сил, приводящих к изменению сте пени упорядоченности структурных элементов в зависимости от со става кристаллических фаз.
81