МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра неорганической химии Лаборатория неорганического материаловедения КУРСОВАЯ РАБОТА по неорганической химии студента 104 группы Орловой Натальи Викторовны СИНТЕЗ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ В СИСТЕМЕ Bi2O3-CaO И ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ Научный руководитель : младший научный сотрудник Кнотько А.В. Преподаватель: к.х.н., старший преподаватель Куприянова Г.Н. Москва - 1997 Содержание. 1. Введение…………………………………………………………………………… 2. Литературный обзор………………………………………………………………. 2.1. Фазовые соотношения в системе Bi2O3-CaO………………………….. 2.2. Методы синтеза керамических материалов……………………………. 2.2.1. Керамический метод…………………………………………… 2.2.2. Методы химического осаждения……………………………… 2.2.3. Золь-гель метод………………………………………………… 2.2.4. Распылительная сушка…………………………………………. 2.2.5. Криохимический метод……………………………………… 2.3. Фазовые превращения в твердом состоянии………………………… 3. Экспериментальная часть………………………………………………………… 3.1. Синтез твердых растворов Bi2O3-CaO………………………………….. 3.2. Эксперименты по низкотемпературному распаду твердых растворов.. 3.3. Методы исследования……………………………………………………. 4. Обсуждение результатов…………………………………………………………… 5. Выводы……………………………………………………………………………… 6. Литература………………………………………………………………………….. 1.Введение. В последнее время наблюдается усиленный интерес к исследованиям твердофазных процессов с применением ионных электролитов. Для этих исследований имеет большое значение создание твердых электролитов, работающих в широком температурном интервале. Известны твердые электролиты, работающие при высоких температурах (более 1000 К) (материалы на основе оксидов циркония ZrO2, тория ThO2 и т.д.). В сравнительно низкой температурной области (около 700К) хорошо известны твердые электролиты на основе оксида висмута (Bi2O3), легированного оксидами редкоземельных элементов (РЗЭ) и оксидами щелочно-земельных элементов (ЩЗЭ). Образующиеся твердые растворы имеют низкотемпературную границу стабильности, ниже которой термодинамически устойчивы соединения, не обладающие заметной ионной проводимостью. Поэтому для исследований низкотемпературных фазовых превращений наиболее удобно использовать твердые растворы на основе оксидов висмута, что и являлось главной задачей работы. Данная работа выполнена в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ в рамках проекта РФФИ № 96-03-33097а. 2.Литературный обзор. 2.1. Фазовые соотношения в системе Bi2O3-CaO. Фазовые равновесия в псевдобинарных системах Bi2O3-MO (M=Ca, Sr, Ba ) изучались многими исследователями [1, 2, 3, 4]. Фазовая диаграмма системы Bi2O3-CaO приведена на рис.1. Такахаши и др.[2] также исследовали электрические характеристики в твердых растворах этой системы . Конфлант и др.[3] представили ее в виде четырех инконгруэнтно плавящихся соединений (Bi14Ca5O26, Bi2CaO4, Bi10Ca7O22 и Bi6Ca7O16) и твердых растворов (два кубических и два ромбоэдрических). Также они обнаружили, что ромбоэдрический твердый раствор стабилизированного кальцием оксида висмута (Bi2O3) был изоструктурен системе оксидов Bi2O3-CdO (ранее это было исследовано Силленом [5]). Такахаши и др. [2] нашли, что ромбоэдрическая фаза показывает высокую кислородную и ионную проводимость. При этом при понижении температуры ниже 690С кубический твердый раствор претерпевает эвтектоидный распад на моноклинный оксид висмута (растворимость кальция в котором пренебрежимо мала) и ромбоэдрический твердый раствор, который в свою очередь при температуре 725С переходит в ромбоэдрический раствор другой структуры. Выше 840С и до температуры плавления существует только кубический твердый раствор. 2.2. Методы синтеза керамических материалов. 2.2.1 Керамический метод. В большинстве случаев для получения оксидных материалов активно используется так называемый “керамический метод”, заключающийся в тщательном механическом смешении оксидов и повторяющихся циклов “обжиг-помол” для полного обеспечения твердофазного взаимодействия. В ряде случаев вместо оксидов используется более легкодоступные карбонаты, нитраты или другие соли.
Рис. 1. Фазовая диаграмма системы CaO - 1/2 Bi2O3 [4].
Этот метод достаточно традиционен при получении любых видов конструкционной и функциональной керамики, однако он обладает рядом существенных недостатков. Главный его недостаток - длительность термической обработки из-за достаточно крупной кристалличности и неоднородности смешения реагентов. При этом чаще всего имеет место неконтролируемый рост кристаллов и, как следствие, помимо химической еще и гранулометрическая неоднородность без того анизотропных зерен керамических материалов, приводящая к невоспроизводимости электрических и магнитных свойств. Поэтому большое число исследований в области технологии керамических материалов связано с разработкой и применением так называемых “химических методов” получения порошков. Химические методы позволяют повысить гомогенность продукта за счет смешения компонентов в растворе на молекулярном уровне и сохранения этого уровня (с большими или меньшими успехами) на последних стадиях. Получаемые порошки имеют достаточно высокую удельную поверхность и, как следствие, активны в процессах твердофазного взаимодействия. Ниже будут рассмотрены наиболее распространенные “химические методы” получения керамических образцов [6,7].
2.2.2. Методы химического осаждения. Методы химического осаждения заключаются в совместном осаждении компонентов керамики из раствора в виде нерастворимых солей. Эти методы получили широкое распространение для синтеза разнообразных видов керамики. При правильной постановке эксперимента в ряде случаев удается воспроизводимо получить гомогенную дисперсную смесь солей с заданным соотношением катионов. В идеале оптимальным можно считать такие условия (нереализуемые, в полной мере, на практике из-за различия химических свойств компонентов), когда катионы из раствора осаждаются одновременно и с одинаковой скоростью. Наиболее распространены два типа химического осаждения - то оксалатный и карбонатный методы. -для осаждения оксалатов в качестве исходных реагентов используются нитраты или ацетаты , а в качестве осадителей - смеси щавелевая кислота - аммиак, щавелевая кислота - триэтиламин , либо избыток насышенного раствора оксалата аммония при фиксированной кислотности раствора, либо водный раствор диметилоксалата . Процесс осаждения осложняется сильной и неодинаковой зависимостью растворимости оксалатов кальция и висмута от величины рН и от концентрации исходных реагентов. -принципиально осаждение карбонатов аналогично оксалатам. В качестве осадителя при осаждении карбонатных солей используется избыток гидрокарбоната аммония, избыток карбоната натрия, карбонат тетраметиламмония. Осаждение проводят при рН>8, создаваемым добавлением раствора аммиака или гидроксида натрия. В последнем случае, равно как и в случае осаждения карбонатом натрия, приходится уделять особое внимание стадии промывки осадка, поскольку примеси щелочных металлов могут изменять свойства получаемых материалов ( этот процесс может сопровождаться селективным растворением и нарушением стехиометрии). 2.2.3. Золь-гель метод. Этот метод основан на способности хелатных комплексов с ионами металлов (например цитратных) образовывать при нагревании (100-140С) с многофункциональными спиртами (например, этиленгликолем) низкомолекулярных олигомеров (этерификация) (рис.2). При нагревании последних происходит дальнейшая полимеризация и образуется вязкая смола (гель), при разложении которой получается оксидный порошок. Если предположить, что комплексы керамикообразующих металлов гомогенно распределены в растворе и это распределение сохраняется и после полимеризации, то не существует причин, из-за которых нарушается гомогенность при разложении. Это обстоятельство позволяет рекомендовать золь-гель метод для работ, направленных на выявление примесей или замещений на свойства керамических материалов. Рис.2. Схема процессов, происходящих при цитратном золь-гель синтезе. Метод сам по себе не дорог, т.к. практически не требует аппаратуры (отсутствие операции центрифугирования, фильтрации, промывки и сушки), а в качестве исходных материалов чаще всего используются доступные нитраты. Препаративно цитратный вариант золь-гель процесса осуществляется следующим образом [8]. В смеси водного раствора нитратов и этиленгликоля (иногда добавляют аммиак для повышения рН до 3-5) добавляют раствор лимонной кислоты в соотношении 1 г-эквивалент кислоты на 1 г-эквивалент металла. Этиленгликоль обычно берут в избытке, поскольку гидроксильные группы стабилизируют в растворе металл-цитратные комплексы и способствуют образованию низкомолекулярных олигомеров. Другой метод, часто относимый к числу “золь-гель” процессов - так называемая алкоксотехнология. Она основана н
