CC BY
13
ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 548.32:542.057
Доценко Е.Д.
ученица 11 химико-биологического класса Многопрофильный лицей-интернат ГОУ ВПО «ДонНУ» научный руководитель: Игнатов А.В., к.хим.н.
преподаватель химии, доцент кафедра неорганической химии Донецкий Национальный Университет
г. Донецк
СИЛИКАТЫ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СО СТРУКТУРОЙ
АПАТИТА
Аннотация: в данной работе была определена целесообразность исследования соединений со структурой апатита, в особенности, силикатов редкоземельных элементов со структурой апатита и двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита.
Ключевые слова: соединения со структурой апатита, силикат лантана, редкоземельные элементы, замещение, проводимость, изоморфизм.
Dotsenko E.D., student of the 11-th chemical-biological class Multidisciplinary boarding school of GOU VPO DonNU
Scientific adviser: Ignatov A. V.
Lecturer in Chemistry, PhD in Chemistry, Associate Professor of the Department of Inorganic Chemistry, Donetsk State University
Donetsk
SILICATES OF RARE-EARTH ELEMENTS WITH APATITIS
STRUCTURE
Abstract: In this work the feasibility of studying compounds with an apatite structure was determined, in particular, rare-earth silicates with an apatite structure and double sodium silicates and REE with an apatite structure, was determined.
Keywords: compounds with apatite structure, lanthanum silicate, rare-earth elements, substitution, conductivity, isomorphism.
В последние годы интерес исследователей к проблеме изоморфных замещений в кристаллах усилился ввиду использования современных неорганических материалов (люминофоров, лазерных материалов, твердых электролитов и т.д.) в виде твердых растворов, что позволяет влиять на их свойства. А также экспериментальные исследования изоморфных замещений и свойств твердых растворов не только открывают новые пути для получения необходимых для практики материалов, но и способствуют дальнейшему развитию теории изоморфизма. Ведь теория изоморфной смесимости в
настоящее время не дает возможности прогнозировать влияние замещений на свойства и определять границы замещений.
В свою очередь, необходимость исследований соединений со структурой апатита обусловлена несколькими причинами, а именно: наличием комплекса практически важных свойств, а также способностью к широкому кругу изовалентных и гетеровалентных замещений, вследствие чего возможно их применение в качестве биоактивных материалов в медицине, твердых электролитов, люминофоров, сенсоров, катализаторов, сорбентов для связывания тяжелых и радиоактивных металлов в почве и др. Из чего следует, что благодаря своим исключительным свойствам, силикаты редкоземельных элементов (РЗЭ) также находят практическое применение в различных областях. Однако синтез и спекание силикатов РЗЭ требует сравнительно высоких температур (порядка 1300-1750°С) в отличие двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита. Их синтез и спекание возможны при значительно меньших температурах (~1100°С), а их практического применение возможно в качестве материалов для люминофоров, лазеров, светодиодов, сенсоров углекислого газа.
Таким образом была определена цель данной работы, которая заключалась в экспериментальном синтезе и исследовании двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита.
Касаемо методов синтеза двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита, то ранее был известен метод получение силикатов КаЬп9^Ю4)602 (где Ьп - редкоземельный элемент) последовательным отжигом смеси оксида РЗЭ, оксида кремния и карбоната натрия при 900 и 1100°С в течение 24 часов. Установлено, что при температурах 1150°С и выше происходит сублимация оксида натрия, и образуется силикат РЗЭ также со структурой апатита, который не содержит щелочного металла. Известен также твердофазный метод синтеза германата подобного состава со структурой апатита и механохимический метод синтеза двойных силикатов натрия, в котором используются смеси БЮ2 и №С1, а также гидротермальный синтез.
Однако приведенные выше методы синтеза имеют существенные недостатки, связанные с соблюдением заданного состава. Кроме того, механохимический и гидротермальный методы требуют использования специального импортного оборудования.
В нашем случае был выбран золь-гель метод синтеза. В качестве исходных веществ использовались карбонат натрия Ка2СО3 квалификации «осч», тетраэтоксисилан (ТЭОС) Si(OC2H5)4 - «чда», оксид европия Еи203-Ев-ИС5-17.
Золь-гель методом был получен силикат натрия-европия состава №Еи9^Ю4)602 со структурой апатита. Содержание элементов, определенное с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра, в полученном апатите удовлетворительно согласовалось с расчетными данными (погрешность анализа до 1%).
Было установлено, что атомы европия занимают все места в семивершинниках (позиция 6^), а девятивершинники заселены атомами европия и натрия (позиция 4^. Подобные результаты были получены ранее для силиката Eu8.18Na1.08(SiO4)6(OH)1.62-2yOy, а также германата со структурой апатита NaLa9Ge6O26, NaPr9Ge6O26 и NaNd9Ge6O26.
Для данного состава были измерены значения электропроводности при постоянном и переменном токе, а также определена энергия активации.
Исходя из приведенных данных (табл.1) можно сказать, что силикат натрия-европия №Еи9^Ю4)602 имеет большую электропроводность и в большинстве случаев несколько меньшую энергию активации по сравнению с силикатами лантана La9.33Si6O26 и La9.67Si6O26.5 а также с некоторыми силикатами лантана, допированными магнием и щелочноземельными элементами La9Mg0.5Si6O26, La8.67SrSi6O26, La8.67CaSi6O26.
Табл.1. Электропроводность при постоянном и переменном токе и энергия активации образцов._
СОСТАВ о (500°С), мСсм-1 о (600°С), мСсм-1 о (700°С), мС см-1 ЕА, эВ 1 ЕА, эВ 2
NaEu9(SiO4)6O2 (постоянный ток) 0.547 1.887 3.120 0.615 2.21
NaEu9(SiO4)6O2 (1000 Гц) 1.257 2.681 4.059 0.77 2.16
La9,33Si6O26 [19] 0.023 - 0.26 0.84
La9Mg0.5Si6O26 [19] 0.021 - - 0.98
La8.67SrSi6O26[19] 0.083 - - 0.87
La8.67CaSi6O26[19] 0,058 - - 0.87
La9.67Si6O26.5[19] 0.40 - 3.5 0.75
В результате был синтезирован при помощи золь-гель метода силикат натрия-европия состава NaEu9(SiO4)6O2 со структурой апатита и проведено исследование электропроводности данного состава, которая не уступает некоторым силикатам лантана, не содержащим натрий.
Использованные источники:
1. Celerier S., Laberty-Robert C., Ansart F., Calmet C., Stevens P. Synthesis by solgel route of oxyapatite powders for dense ceramics: Applications as electrolytes for solid oxide fuel cells // J. Eur. Ceram. Soc. - 2005. - №25
2. Nakajima Takashi, Nishio Keishi, Ishigaki Tadashi, Tsuchiya Toshio. Preparation and Electrical Properties of Lnx(SiO4)6O(1.5x-12) (Ln: Nd, La) with Apatite Structure// Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 2005. - Vol. 33, № 1. - Р. 107-111.
3. Торопов Н.А., Бондарь И.А., Лазарев А.Н., Смолин Ю.И. Силикаты редкоземельных элементов и их аналоги // Наука. - 1971. - 172 с.
4. Урусов В.С. Теория изоморфной смесимости // Наука, - 1977. -251 с.
5. Макаров Е.С. Изоморфизм атомов в кристаллах. М.: Атомиздат. -1973. - 288 с.
6. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ. - 1987. - 275 с.
