Глава 1. Общие сведения о твердых растворах и шпинелях

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

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ.. 5

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ШПИНЕЛЯХ.. 6

1.1. Общая характеристика твердых растворов. 6

1.1.1. Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. 6

1.1.2. Различие в понятиях “твердый раствор”, “химическое соединение” и “механическая смесь” 7

1.1.3. Явление изоформизма как причина возникновения твердых растворов. 8

1.1.4. Условия образования твердых растворов. 9

1.1.5. Применение твердых растворов. 9

1.2.Общая характеристика соединений со структурой минерала шпинели. 10

1.2.1. Шпинель как модельная структура соединений с плотнейшей упаковкой анионов 10

1.2.2. Физико-химические свойства шпинельных твердых растворов на основе хромитов меди и кобальта. 12

1.2.3. Применение соединений на основе минерала типа шпинели 13

1.3. Описание структур и свойств твердых растворов и шпинелей с позиций магнетизма и термодинамики. 14

1.3.1. Ян-теллеровские ионы в кристаллах 14

1.3.2. Эффект Яна-Теллера в шпинелях 16

1.3.3. Изменение симметрии при фазовых переходах второго рода 17

1.3.4. Полиморфизм и структурные фазовые переходы в твердых телах 21

1.4.Основные технологические приемы получения материалов со структурой шпинели. 22

1.4.1. Методы синтеза поликристаллических материалов 22

1.4.2. Синтез шпинелей по механизму твердофазных реакций 23

1.4.2.1. Приготовление шихты из смеси порошкообразных оксидов. 23

1.4.2.2. Приготовление шихты термическим разложением солей. 23

1.4.2.3. Приготовление смеси оксидов осаждением веществ. 24

1.4.3. Синтез шпинелей с применением методов активирования реагентов 25

1.4.4. Золь-гель метод 26

1.4.5. Синтез с использованием тепловыделения внутри реакционной зоны 26

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть. 28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 31

 

 

 

                                                  

 

                                              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 изучения свойств твердых 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 синтез твердых растворов переходных металлов со структурой шпинели и анализ состава этих структур, а также установление связи между термодинамическими характеристиками, определяющие их физические и химические свойства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

     На мой взгляд, данная тема очень интересна для рассмотрения, поскольку даже на сегодняшний день в ней остаются открытыми многие вопросы, среди которых, например, проблема формирования низкосимметричных фаз в твердых растворах со структурой шпинели при высоких температурах, уменьшение времени образования таких структур и др.

 

    Данные вопросы имеют важное практическое значение, поскольку твердые растворы (особенно со структурой шпинели) находят все большее применение в различных областях науки и производства, а как было установлено в данной работе, наиболее перспективными являются твердые растворы, содержащие ян-теллеровские катионы и катионы переходных металлов. В настоящее время ведутся активные исследования феррит-хромитов переходных элементов, однако до сих пор не предложены эффективные методики их синтеза, которые проходили бы в лабораторных условиях. Поэтому, я считаю необходимым в процессе данной работы получше рассмотреть их свойства и предложить более выгодные с точки зрения времени и энергии пути их получения.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  контрольная работа - Контрольная работа по "Материаловедению" [Электронный ресурс] // Биржа курсовых и дипломных проектов. – 2012.- Режим доступа: https://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-67821.(Дата обращения: 19.05.2017).

2. Контрольная работа: Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твердые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры [Электронный ресурс] // Банк рефератов. – 2009. – Режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-196744.html. (Дата обращения: 17.05.2017).

3. Кузьмичева, Г.М. Основные кристаллохимические категории [Текст]: учебное пособие / Г.М. Кузьмичева. – М.: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2001. -78 с.

4. Моисеенко, Ж.Г. Условия образования и прочность твердых растворов [Электронный ресурс] / Ж.Г. Моисеенко // Сфера услуг: инновации и качество. -2012. - №5. – с.9;                                                                              URL: http://journal.kfrgteu.ru/files/1/2012_5_28.pdf (дата обращения: 19.05.2017).

5. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / https://ru.wikipedia.org/wiki/Твёрдый_раствор. (Дата обращения: 19.05.2017).

 6. Князева, С.С. Строение и физико-химические свойства сложных оксидов со структурой шпинели [Текст]: дис.…канд. хим. наук: 02.00.01 / Князева Светлана Сергеевна; Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. – Н. Новгород, 2015. -125 c.

7. Кеслер, Я.А. Химия халькогенидных шпинелей. [Текст]: дис….д-ра хим. наук: 02.00.21: защищена 18.04.97 / Кеслер Ярослав Аркадьевич; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. – Москва, 1997. – 80 с.

8. Ковалев, О.В. Непродолимые представления пространственных групп [Текст] / О.В. Ковалев. - Киев: Изд-во Акад. наук УССР, 1961. - 154 с.

9. Широков В.Б., Таланов В.М. Типы катионного порядка в                        тетраэдрических позициях кристаллов со структурой шпинели [Электронный ресурс] // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 11. – С. 149-151;
URL: https://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=33139 (дата обращения: 21.05.2017).

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

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ.. 5

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ШПИНЕЛЯХ.. 6

1.1. Общая характеристика твердых растворов. 6

1.1.1. Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. 6

1.1.2. Различие в понятиях “твердый раствор”, “химическое соединение” и “механическая смесь” 7

1.1.3. Явление изоформизма как причина возникновения твердых растворов. 8

1.1.4. Условия образования твердых растворов. 9

1.1.5. Применение твердых растворов. 9

1.2.Общая характеристика соединений со структурой минерала шпинели. 10

1.2.1. Шпинель как модельная структура соединений с плотнейшей упаковкой анионов 10

1.2.2. Физико-химические свойства шпинельных твердых растворов на основе хромитов меди и кобальта. 12

1.2.3. Применение соединений на основе минерала типа шпинели 13

1.3. Описание структур и свойств твердых растворов и шпинелей с позиций магнетизма и термодинамики. 14

1.3.1. Ян-теллеровские ионы в кристаллах 14

1.3.2. Эффект Яна-Теллера в шпинелях 16

1.3.3. Изменение симметрии при фазовых переходах второго рода 17

1.3.4. Полиморфизм и структурные фазовые переходы в твердых телах 21

1.4.Основные технологические приемы получения материалов со структурой шпинели. 22

1.4.1. Методы синтеза поликристаллических материалов 22

1.4.2. Синтез шпинелей по механизму твердофазных реакций 23

1.4.2.1. Приготовление шихты из смеси порошкообразных оксидов. 23

1.4.2.2. Приготовление шихты термическим разложением солей. 23

1.4.2.3. Приготовление смеси оксидов осаждением веществ. 24

1.4.3. Синтез шпинелей с применением методов активирования реагентов 25

1.4.4. Золь-гель метод 26

1.4.5. Синтез с использованием тепловыделения внутри реакционной зоны 26

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть. 28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 31

 

 

 

                                                  

 

                                              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 изучения свойств твердых 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 синтез твердых растворов переходных металлов со структурой шпинели и анализ состава этих структур, а также установление связи между термодинамическими характеристиками, определяющие их физические и химические свойства.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ШПИНЕЛЯХ