Фазовая диаграмма и полиморфизм диоксида кремния. Кристаллическая структура фаз диоксида кремния. Анализ способов получения кристобалита и тридимита. Синтез кристобалита, вольфромата натрия и тридимита. Методы исследования синтезированных веществ.
Аннотация к работе
Диоксид кремния - главный компонент многих земных горных пород, так некоторые исследователи [1] полагают, что SIO2 составляет около 50 % массы Земли. Ввиду распространенности и доступности, а также благодаря целому ряду полезных свойств, кремнезем широко используется в самых различных областях человеческой деятельности. Полиморфизму кремнезема посвящен огромный объем литературы, но исследования в этой области продолжаются и в настоящее время. Большое внимание уделяется полиморфизму кремнезема при высоких давлениях ввиду важности фаз высокого давления для понимания геологического строения Земли [1], а также ряда интересных свойств этих фаз. Так, например, стишовит - фаза кремнезема, в которой за счет воздействия высокого давления тетраэдрическая координация атомов кремния атомами кислорода сменяется на октаэдрическую, является самым твердым из всех известных оксидов [2] и, в отличие от других модификаций кремнезема, устойчив к действию плавиковой кислоты [3].Полиморфами, обладающими областью термодинамической стабильности на p-T диаграмме, являются стишовит, коэсит (фазы высокого давления), кварц, тридимит, кристобалит и жидкость. При атмосферном давлении существуют три кристаллические формы кремнезема: кварц, тридимит и кристобалит. Обычно считается [5, 7], что превращения между этими фазами протекают по следующей схеме: кварц тридимит кристобалит расплав В работе [8] показано, что в системе из чистого кварца при температурах в интервале 1100-1700 и различных временах выдержки дополнительно к кварцу образуется только кристобалит; тридимит обнаружен не был. Однако если кварц нагревался в присутствие карбоната натрия, то при температуре 1100 ?C и при временах выдержки больших 5 часов, в системе помимо кварца и кристобаллита образовывался тридимит, причем его конечное содержание было пропорционально количеству добавленного минерализатора [8].Кварц, тридимит и кристобалит, как и большинство других форм кремнезема, за исключением стишовита (кристаллизуется в структуре рутила), построены из тетраэдров SIO4, соединенных между собой таким образом, что каждый атом кислорода оказывается общим для двух тетраэдров (это отвечает составу SIO2); однако взаимное расположение связанных тетраэдров в кристаллах трех форм совершенно различно. Превращения между кварцем, тридимитом и кристобалитом сопровождается разрывом связей Si-O-Si и возникновением другого способа соединения тетраэдров, вследствие чего эти процессы протекают очень медленно. Модификации же каждой основной формы (например ?-кварц от ?-кварца) различаются только в деталях, например, небольшим поворотом тетраэдров друг относительно друга без существенного изменения способа их соединения. Таблица 2.1 Структурные данные для кварца (данные взяты из [5]) ?-кварц ?-кварц Структуры высокотемпературных форм тридимита (HP-тридимит) и кристобалита (?-кристобалит) можно представить состоящими из слоев тетраэдров SIO4, Тетраэдры, соединяясь в слое друг с другом вершинами, образуют гексагональные кольца.Кристобалит можно получить из кварца выдерживанием при температуре 1600 - 1700?С в течение 5-15 часов [8], или нагреванием аморфного SIO2 при 1000 - 1600 ?С в течении 2 часов [16], однако в этой работе наряду с кристобалитом наблюдалось образование небольшого количества тридимита. Классическим способом получения тридимита является нагревание кремнеземного стекла или кварца в присутствие минерализатора (чаще всего используют Na2WO4) при температуре~860°С в течение 11 (стекло) или 24 (кварц) часов [9]. Также тридимит успешно получается из сверхчистого кремния и силикагеля высокой чистоты в автоклавах в присутствие H2O и D2O [5]. Это решение обусловлено тем, что аморфный кремнезем является более реакционноспособным, чем кварц, что должно приводить к меньшим временам и температурам превращения в кристобалит и тридимит по сравнению с временами и температурами, указанными в литературе (меньшая температура особенно важна в случае синтеза кристобалита, поскольку в лаборатории нет возможности выдерживать температуру 1600°С несколько часов).2.1 Оборудование и реагенты В работе использовалось следующее оборудование: весы ACCULAB VIC-120d3; электрическая печь с нагревательными элементами из карбида кремния с рабочим объемом камеры 60x85x120 мм (ВХШХГ); корундовый тигель объемом 25 мл; В качестве исходных реагентов использовались: аморфный SIO2 фирмы Реахим Ленинградского завода «Красный химик» квалификации «Ч» ГОСТ 9428-73;Корундовый тигель с 8,925 г аморфного SIO2 помещался в печь, нагретую до T=1250 ?С и выдерживался при этой температуре в течение 10 минут. Затем тигель достали из печи и поставили остывать в эксикатор. Корундовый тигель с 1,638 г кварца помещался в печь, нагретую до T=1250 ?С и выдерживался при этой температуре в течение 10 минут. Затем 8 г порошка WO3 и 3,657 г порошка Na2CO3, который брался в 1% избытке к стехиометрии реакции, растирались друг с другом в фарфоровой ступке в присутствии ацетона в течение 5 минут.
План
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Обзор литературы
1.1 Фазовая диаграмма и полиморфизм диоксида кремния
1.2 Кристаллическая структура фаз диоксида кремния
1.3 Способы получение кристобалита и тридимита
2. Экспериментальная часть
2.1 Оборудование и исходные реагенты
2.2 Синтез кристобалита, вольфромата натрия и тридимита