Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Третьяков Ю.Д. Химия нестехиометрических окислов

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
14.37 Mб
Скачать

Т а б л и ц а 3.35

Термодинамические функции реакции разупорядочения

Температура,

°C K.32-10*

900

0,99

1000

1,08

1100

1,18

1200

1,29

9

*3

о

3,05

3,18

3,32

3,46

ЛО?32'

дя°32.

AS,,,, э . е.

к к а л / г - и о н

к к а л /г - и о н

 

16,1

2,56

—11,5

17,25

2,56

—11,5

18,3

2,56

—11,5

19,45

2,55

—11,5

На рис. 3.68 представлена диаграмма состояния системы Си—Fe—О при 1000°С, построенная Шмалем и Мюллером [653].

Очевидно, что наряду с фазами, состав которых незначительно изменяется при 7’^1000°С (окись меди, гематит и феррит CuFe02), в системе существуют фазы переменного состава. К ним

принадлежат

твердые растворы

ортоферрита

в закиси

меди и

растворы на основе шпинели СихРе3_х04+?.

 

 

Область I (рис. 3.68) соответствует моновариантному равно­

весию окиси

меди, раствора на основе закиси

меди и

газовой

фазы

 

 

 

 

 

4CuO Zt- 2Cu30 (р-р

с CuFe02) + 0 2.

 

Предельная концентрация ортоферрита в закиси меди составляет

6 мол. %.

Области II и III на диаграмме состояния соответствуют нон-

вариантным равновесиям:

СиО + раствор

CuFe02 в Си20 +

+ CuFe02 + кислород

(Яоа = 0,І41 атм)

и CuO + CuFe02 +

+ CuxFe3_x04+v + кислород

(Рог =0,171 атм).

1000°С отвечает зна­

В области III состав

CuxFe3_x0 4+v при

чениям х=0,945 и у —0.

Для равновесия, в области III, прибли­

женно выраженного уравнением

 

2CuFe20 4

 

2 CuO 4CuFe02 + 0 2,

258

равновесное давление кислорода изменяется с температурой по уравнению

lgPo2= 6,68 — -^-р- (1150 — 1300°К).

Область IV соответствует равновесию шпинели CuxFe3_x04+v + + CuFe02 + газовая фаза с переменным содержанием кислорода, а область V — равновесию шпинели, гематита и газовой фазы. Данные Шмаля и Мюллера [653] не допускают возможности обра­

зования промежуточных соединений между CuFe204 и Fe304

(на­

пример, Cu0,5Fe2,5O4 или Cu3Fe50 i6).

шпинели CuxFe3_x04+v

Область VI соответствует равновесию

с газовой фазой. В пределах однофазной шпинели ( О ^ х ^ І )

мак­

симальное значение у = 0,042

соответствует

х = 0,915. Область VII

на диаграмме

характеризует

моновариантное равновесие:

шпи­

нель + СиО +

газовая фаза.

Рассмотренная диаграмма характе­

ризует равновесные условия образования ферритов в системе при 1000°С. При более высоких температурах шпинельное поле зна­

чительно

расширяется

за счет

растворения избыточной

окиси

железа [651, 655].

нестехиометрия

ортоферрита

меди

никем не

 

Кислородная

исследовалась, а

нестехиометрия

 

железомедной

шпинели

была

определена

методом

кулонометрического

титрования

[293,

727]

для

двух

составов,

один из

которых

соответствовал

избыт­

ку

железа

(Cu0,984Fe2,oi604+v),

а другой — его

дефициту

(Cui,oiiFei,98904-py). По данным рентгеновского анализа, оба со­

става являются однофазной шпинелью.

 

(1000—1100°С

Для первого из них экспериментальные данные

и 1—165 мм рт. ст.) хорошо описываются уравнением

1,7-10i-б Pofexp^- L t yuu r t öOUJ

\

(3.133)

RT

-J'

 

свидетельствующим в пользу доминирования дефектов, образую­ щихся по реакции

 

20а^!4 0 £ + ЗѴм.

 

(3.134)

В совокупности с законом действующих масс константа рав­

новесия

 

 

 

 

 

К13і = [VÜPPÖ

 

(3.135)

или с учетом соотношения [V^] = — у и уравнения (3.133)

 

К \й =

1,3-10-6 ехр

27 900 ±

3500

(3.136)

RT

)•

 

 

 

17*

259

Изучение кислородной нестехиометрии феррита Cuii0nFei,989O4+v показало, что он характеризуется дефицитом кислорода, величина которого

у = 8,9• ІО2 Ро '/2 ехр ( —

25^ р -3— у

(3.137)

Значение характеристического

коэффициента

п = — 2 в уравнении

типа I у I = КРоі

указывает на возможность

доминирования

в ре­

шетке анионных вакансий

 

 

 

 

 

O g ^ 0 2+,Vg,

,(3.138)

 

Kias =

[Vo] Р $ .

 

;(3.139)

Из уравнения (3.139) следует,

что | у | =

[VoJ °cPolß .

связы­

Необходимо

указать на то, что ни

одна

из реакций,

вающих дефицит кислорода в феррите меди с образованием де­

фектов внедрения,

не приводит

к значению п= —2.

Например,

для реакций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМм + 40$ ^

202 + ЗМіХ,

 

 

!. ,

ЗМм +

40

$ ■£. 202 +

ЗМ'і + Зе',

 

 

 

ЗМЙ + 40

$ ^

202 +

ЗМГ + бе'

 

 

характеристическое

число

п

имеет

значения

—3/2,

—3 и —9/2

соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая,

что |у | =

[Ѵ$],

из уравнений (3.137) и (3.139) сле­

дует, что константа

равновесия реакции (3.138)

 

 

(

is

o n

im

{

25 500 ± 3700

\

 

 

 

 

Кш

= 8,9-102 ехр ^

-----------—------ у

 

Комбинируя уравнения (3.134) и (3.138), находим, что для реакции разупорядочения типа Шоттки

О4Ѵ$ + ЗѴм,

Ks = [Vg]4 • [VÜ]3 = КІШКл38 = 1,3• ІО-6 ехр ( -

Уравнения (3.133) и (3.137) позволяют также найти равно­ весные условия образования феррита меди со строго стехиомет­ рическим соотношением компонентов (Cu : Fe : 0 = 1 : 2 : 4)

lg Р0а = 7,47-----

(1273— 1373°К).

200

Был исследован также феррит меди состава Cuo,55iFe2,4490 4+v> близкого к Cu0,5Fe2>5O4. Оказалось, что он имеет дефицит кисло­ рода, выражаемый уравнением

У = 5,8-103-Р021/2ехр (-----—-00^ 5800 у

Как и в предыдущем случае, значение характеристического числа п= —2 свидетельствует о доминировании в кристаллической ре­

шетке

анионных

вакансий,

 

 

 

 

концентрация

которых

чис­

 

 

 

 

ленно

равна

кислородной

 

 

 

 

нестехиометрии.

 

Энтальпия

 

 

 

 

образования

кислородных

 

 

 

 

вакансий

А//

 

х = 33,8 ±

 

 

 

 

+5,8 ккал/моль,

ѵ о

 

 

 

 

 

 

т. е. не­

 

 

 

 

сколько

выше, чем у феррита

 

 

 

 

C u i , o i iF e i,9 8 9 0 4 _ |_ v

 

( 2 5 , 5 +

 

 

 

 

±3,7 ккал/моль).

 

 

 

 

 

 

 

Система железо—цинк-

 

 

 

 

кислород. Исследование фа­

 

 

 

 

зовых равновесий в системе

 

 

 

 

Fe—Zn—О

при

высоких

 

 

 

 

температурах

 

сильно

за­

 

 

 

 

трудняется интенсивным ис­

 

 

 

 

парением цинка и связанной

 

 

 

 

с этим неопределенностью и

 

 

 

 

неоднородностью

состава

 

 

 

 

конденсированных фаз [170].

 

 

 

 

На

рис.

3.69

представлена

 

 

 

 

изотермическая

 

диаграм­

 

 

 

 

ма

состояния

системы

 

 

 

 

Fe—Zn—О при 1000° С [203].

 

 

 

 

Эта

диаграмма

 

характери­

 

 

 

 

зуется наличием пяти фазо­

Рис. 3.69.

Изотермическая диаграмма

вых полей,

из которых лишь

одно является

однофазным

состояния системы цинк — железо —

кислород

при

1000°С. I — ZnO + вюстит;

и соответствует

 

образова­

I I — ZnO

+

вюстит +

магнетит; III —

нию шпинели

Zn*Fe3x04+v.

шпинель;

IV — шпинель

+ ZnO; V

 

Легко видеть, что шпи­

 

шпинель + а-БегОз

нель термодинамически ста­

О ^ х ^ І .

Значения

равновесного

бильна

в интервале составов

давления кислорода вдоль границ шпинельного поля представлены в табл. 3.36. Высококислородная граница шпинели ^пжРе3ж04+ѵ соответствует равновесию с практически чистым гематитом, а низ­ кокислородная— равновесию с «ZnO».

Кислородная нестехиометрия феррита цинка вдоль границ шпинельного поля неизвестна. Методом кулонометрического

261

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

3.36

Равновесное

давление кислорода вдоль границ шпинельного поля системы

 

 

Fe—Zn—О при различных температурах

 

 

 

 

Zn* Р е з—х °4+ ѵ +

«ZnO»

 

 

Zn* Fe3_ * 0 4_|_ѵ +

«Fe20 3»

Значе­

 

—lg ро2

 

Значе­

 

 

'е ро2

 

ние X

 

 

ние X

 

 

 

 

800°С

900°С

1000°С

1100°С

 

800°С 900°С 1000°C

иоо°с

0

17,29

14,71

12,53

10,67

0

9,00

7,10

5,45

3,94

0,2

16,76

14,18

12,01

10,16

0,2

8,38

6,51

4,90

3,11

0,4

16,24

13,68

11,51

9,66

0,4

7,60

5,75

4,16

2,37

0,6

15,38

12,84

10,71

8,88

0,6

6,48

4,70

3,15

1,42

0,8

14,55

12,06

9,97

8,18

0,8

5,49

3,83

2,38

0,73

1,0

13,68

11,22

9,15

7,38

1,0

4,80

3,21

1,83

0,24

титрования в гальванической ячейке с твердым электролитом изу­ чена лишь нестехиометрия феррита Zn0,96Fe2>04O4+v в интервале температур 950—1050°С. Было установлено, что при 8-10-8< Ро2<3-10~5 мм рт. ст. феррит имеет дефицит кислорода, выра­ жаемый уравнением

_ Y

 

 

10 200 ±

1600

(3.140)

= 8-10-2Р0а‘/6 exp

 

 

 

 

RT

 

)•

При более

высоком парциальном давлении кислорода

( 0 , 1 < Р о 2 < 2 0 м м

рт. ст.) тот же феррит характеризуется избыт­

ком кислорода, причем

 

 

 

 

У

2,1 •10~7ехр

/

36 100 ±3500

 

(3.141)

V

RT

 

 

 

 

 

Исходя из теории разупорядочения, значения характеристических

чисел п ——6 и п = 3/2 в уравнении типа у = КРо* возможны, если в кристаллической решетке доминируют точечные дефекты, образующиеся по реакции

3M& + 40g

202 +

3M1" + 9e’,

(3.142)

202;£ 4 0 g +

3V&.

(3.143)

Действительно, согласно закону действующих масс

 

^Х42 =

[МГ]3П9Р^2,

(3.144)

КШ = [ Ѵ ^ Р ^ ,

(3.145)

откуда для составов с дефицитом кислорода

 

— Y =

[Мі ] сс Ро21/6,

(3.146)

262

а для составов с избытком кислорода

 

 

 

 

 

Y = ~

[Ѵм] °сРо23.

(3.147)

ны

Из соотношений

(3.140),

(3.141),

(3.144) — (3.145)

рассчита­

константы

равновесия

реакции

разупорядочения

(3.142)

и

(3.143)

 

 

 

 

 

 

 

Кй2 =

3,4-10-* ехр ^-----------—-------J.

 

 

rr\ß

л г С ,л

7

/ 36 100 ±3500 \

 

 

/Сііз =

1,56 -10—7 exp I ------- —------ V

 

 

Необходимо

отметить,

что

величина п — —6 не исключает

возможности доминирования

в

соответствующем интервале Рог

кислородных вакансий, образующихся по реакции

 

O g ^ ^ - 0 2 + Ѵо' + 2 е '.

Однако, как следует из работ [318, 612], окиси и ферриту цинка свойственно разупорядочение с образованием фазы внедрения, что указывает на большую реальность модели, выражаемой урав­

нением

(3.142).

 

В

таком случае собственное разупорядочение феррита

Zno,96Fe2,o404+v происходит по реакции

 

 

м й :£ м ;" + 3в' + ѵй,

 

а константа разупорядочения типа Френкеля

 

 

КР= КІИК\і\ = 5,3- ІО-" exp ( -

у

Экстраполяция уравнений (3.140) и (3.141) к состоянию, для ко­ торого [Меі] = [Ѵм], позволяет определить зависимость парциаль­ ного давления кислорода от температуры для феррита Zno,96Fe2,o40 4+v, стехиометрического по кислороду (у~0)

 

lgр 0г = 6,70---- -2 100^

1300 .

 

 

Система железо — марганец — кислород.

Выяснению равно­

весных

условий образования

железомарганцевой

шпинели

МпжРе3_ж04+7 посвящено

ряд работ [146, 655—667].

Наиболее

полным,

по-видимому, является исследование

[170], выполненное

в широком интервале

температур

(900—1400°С) и парциальных

давлений

кислорода

(ІО-6— 1 атм). На

рис.

3.70,а

изображен

изотермический разрез диаграммы

Мп30 4—Fe30 4—О при 1400°С.

Давление

кислорода

вдоль

низкокислородной

границы

шпинель-

263

Рис. 3.70. Изотермические разрезы диаграммы состояния системы Мп30 4—Fe30 4—О при 1400 (а), 1200 (б),

 

п

 

^

границы фаз; --------

изобары

кислорода

(давление дано

в атм)

AB — изоконцентраты

с атомным отношением

M n/Fe='/2. / — шпинель;

// — шпинель

+

твердый раствор

на

основе гематита; /// — твердый раствор на

основе

гематита; IV — шпинель

+

твердый

раствор

на

основе

а-Мп20 3

+ твердый

раствор на основе гематита;

V — твердый раствор

на основе гематита + твердый раствор

НаАд°С^

Ве T/a/fMn2° 3’

ѴІ ~

твеРдый раствор

на

основе а-Мп20 3;

VII — шпинель

+ твердый

раствор

на

основе

й-Мпг0 3; VIII — шпинель

+ твердый раствор

на

основе а-Мп20 3 +

тетрагональная

фаза;

IX — шпинель

+

+ тетрагональная фаза

ного

поля,

совпадающей с

линией стехиометрии [664],

ниже

ІО“3

атм (Po2(F eA /F eO )= '6 -10~7 апгм; Р0г (MnFe20 4/(MnFe) 0) =

= 2- 10~6атм).

Что касается

высококислородной границы,

пока­

занной пунктиром, то для ее уточнения были необходимы экспе­

рименты при

Ро2>

1 атм.

стабиль­

С понижением

температур до 1200°С (рис. 3.70,6)

ность однофазной

шпинели значительно уменьшается.

Лишь в

атмосфере

С02(Ро2= 1,4-ІО-4 атм) твердые растворы со шпи-

нельной структурой устойчивы во всем исследованном интервале концентраций.

Характер изменения у в зависимости от состава шпинельного

раствора при 1200°С (рис. 3.70,6) подобен

аналогичной

кривой

при 1400°С — при

увеличении

х значение

у вначале монотонно

убывает, а затем

в интервале

0,96<х<0,99

значительно

увеличи­

вается, причем при одинаковом Ро2 величина у для 1200°С за­ метно больше, чем при 1400°С. При х>0,99 у уменьшается и, воз­

можно,

становится

отрицательной

в интервале

1,05>х > 1,25. При

х > 1,25

независимо

от давления

кислорода

наблюдается моно­

тонное уменьшение у по мере замещения в шпинели Fe на Мп,.

так что при л:= 3 величина у, по-видимому,

равна

0. По данным

рентгеновского анализа, однофазный твердый раствор

на

основе

a-Fe20 3,

сохраняющий

стехиометрию

полуторного

окисла

(у = 0,5), стабилен при

х<0,16 (для Ро2= 1

атм)

и при

х<0,23

(для Ро2= 0,21 атм).

Обширную область

составов

занимают

механические смеси a-Fe20 3 и шпинели, которым

на

диаграмме

у = f(x)

отвечают прямолинейные участки кривых.

 

 

 

Проведение экспериментов в области более низких темпера­ тур (1100—900°С) связано со значительными трудностями из-за

снижения

стабильности

однофазной шпинели. Так, при 900°С

даже С 02(Ро2= — 5,57)

является окислительной средой по от­

ношению

к твердым

растворам

МпжРе3_ж04+ у (0<х<0,25), кото­

рые

распадаются на

cc-Fe20 3 и шпинель,

обогащенную

марган­

цем.

Изотермические

разрезы

диаграммы

состояния

Mn3Ü4—

Fe304—О, изображенные на рис. 3.70, позволяют сделать следую­ щие выводы:

1. При высоких температурах ( ~ 1400°С) железомарганце­

вая шпинель МпжРе3_ж0 4+ѵ характеризуется широкой

областью

гомогенности как в отношении катионного замещения

(0<х<3),.

так и в отношении содержания кислорода.

 

2. По мере понижения температуры поле однофазной шпи­ нели уменьшается главным образом за счет уменьшения предель­ ной концентрации катионных вакансий (т. е. величины у).

3.Для получения шпинели с определенным значением у не­ обходимо по мере охлаждения изменять давление кислорода в газовой фазе.

4.При синтезе феррита марганца с высокой концентрацией: катионных вакансий необходима закалка от высоких температур-

2 6 5

Возможные модели разупорядочения шпинели Mn*Fe3_x04+v подвергнуты подробному анализу в работе [170]. На основании измерений электропроводности, химического и рентгенофазового анализа сделан вывод, что при низких температурах наиболее вероятна модель разупорядочения, которая соответствует схеме

Fe3+ [Fe2+ Fe3+] 0 4 -> Fe?±* Mn|+ [Fe?±, Fe?^] 0 4 ^

( 0 < x < 1)

-* Mn2+ [Fei+] 0 4 -> Mn2+ [Fe2±x Mn®+] 0 4 Mn2+ [Mn3+] 0 4

( J c = 1)

( 1< * < 2)

( * = 3).

Это означает, что при

замещении в магнетите

части железа на

марганец последний входит главным образом в

тетраэдрические

узлы в виде Мп2+, причем электронейтральность

решетки обеспе­

чивается

превращением эквивалентного числа

ионов Fe2+, нахо­

дящихся

в октаэдрических узлах, в ионы Fe3+.

При х = \

и доста­

точно низкой температуре структура феррита

отвечает

нормаль­

ной шпинели1, а при х>1

марганец входит в

октаэдрические

узлы решетки в виде ионов

Мп3+, замещающих

Fe3+ вплоть до

х = 3.

Повышение температуры приводит к электронному обмену

Мп2в+ + Fe3B+ -Z Мпв+ + Fe2B+,

энергия которого равна 0,30 эв при 300—600°К.

При высоких температурах наилучшее соответствие с экспе­ риментом дает модель, предусматривающая статистически беспо­ рядочное распределение Мп и Fe между октаэдрическими и тетра­ эдрическими узлами решетки, т. е.

[МПдІсум П^'дісѵм

[МПвІсум [РеВІсум

В таком случае процесс образования из магнетита и гаусманита железомарганцевой шпинели с равновесным распределением раз­ новалентных ионов, т. е.

аМп2+ Мп3+ 0 4 + (1 — а) Fe2+ Fe3+ 0 4

 

■ Z

MnІ Х

у Mn32+_y F

e \ ± a - y Fe^-aj+y 0 4

(3.148)

можно

рассматривать

как сумму

двух

последовательных про­

цессов.

 

 

 

окислов

без

изменения

валент­

Первый процесс — смешение

ности ионов

 

 

 

 

 

 

 

1 Наблюдаемое

экспериментально

при

комнатной

температуре

частичное

обращение

структуры

у Mn РегСЦ [665—667], по нашему

мнению, обусловлено

медлительностью процессов атомного упорядочения и неравновесностью исследуе­ мых образцов, находящихся в «замороженном состоянии».

266

оМп2+ МП2+ 0 4 + (1 — а) Fe2+ Fe3+0 4

 

Mn2+ Mn23+ Fe?±a Fe$-a) 0 4,

 

AG?49 = RT [a Ina -f- (1 — a) ln (1 — a)].

(3.149)

Можно полагать, что в таком гипотетическом состоянии твердые

растворы РезС>4 и у-Мп30 4

идеальны, что хорошо

подтверждает­

ся на примере других ферритообразующих систем

Me—Fe—О с

более стабильной валентностью Me.

ионов

за счет элек-

Второй процесс — изменение

валентности

тронного обмена

 

 

 

 

 

Mn3+ +

Fe2+

Mn2+ + Fe3+.

(3.150)

Очевидно, что

 

 

 

 

 

доО

 

_ Д(Й48 ~ Д(Й45

 

(3.151)

 

 

 

у

 

С другой стороны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AG?я -

е т ш

i«"2+h f ' 3+)

(3.152)

 

 

 

[Mn3+ J ■]Fe2+ ]

 

Выражая равновесные концентрации разновалентных ионов через переменные а, у и б и полагая, что катионные вакансии образуются лишь за счет реакции

находим

9Fe2+ +

202^ 6Fe3+ +

3VFe +

Fea0 4,

 

 

(3.153)

[Mn2+] = а + у,

[Мп3+] = 2а у\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[Fe2+] =

1 — а — у - 36;

[Fe3+] = 2 — 2а + 26 + у,

 

где 6 — коэффициент,

выражающий

долю

вакансий

в

формуле

М з-б 0 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

3.37

 

Равновесный состав сосуществующих

шпинельной и вюститной

фаз

 

 

 

системы Fe — Mn — О

 

 

 

 

 

Шпинельная фаза

Вюститная фаза

Шпинельная фаза

Вюститная

фаза

 

Fe30 4

Fe0,887

0

^ П0,92 Fe2,08 ®4

(Mn0,66

Feo,34)0 ,895

^ п0,22 Fe0,78 ^4

(Mn0,16 Fe0,84І0,885 0

 

MnFe20 4

 

(Mn0,8i

Fe0 19)0>927 0

Mn0,45

Fe2,55 ° 4

( ^ n0,29 Fe0,7l)0,873 ®

^ nl,20 Fel ,80

®4

( ^ n0,965 Feo,035)0 ,973 ®

Mn0,70 Fe2,30 ®4

(Мп0,5і Feo_49)0,876 0

Мп2>із Fe0 87 0 4

( ^ n0,99 Fe2,01)0 ,983 ®

^ n0,87

Fe2,13 ®4

(Mn0,62 Fe0,38)0,888 0

 

Mn30 4

 

 

MnO

 

267

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ