Журнал неорганической химии, 2021, T. 66, № 12, стр. 1700-1705

Синтез, кристаллическая структура и термодинамические свойства CuSm2Ge2O8

Л. Т. Денисова a*, М. С. Молокеев ab, Ю. Ф. Каргин c, Л. А. Иртюго a, Н. В. Белоусова a, В. М. Денисов a

a Сибирский федеральный университет
660041 Красноярск, пр-т Свободный, 79, Россия

b Институт физики им. А.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
660036 Красноярск, Академгородок, 50, Россия

c Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
119991 Москва, Ленинский пр-т, 49, Россия

* E-mail: ldenisova@sfu-kras.ru

Поступила в редакцию 28.04.2021
После доработки 08.06.2021
Принята к публикации 28.06.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Твердофазным методом с использованием в качестве компонентов CuO, Sm2O3 и GeO2 выполнен синтез на воздухе при конечной температуре обжига 1273 K (200 ч) германата меди-самария состава CuSm2Ge2O8 и определена его кристаллическая структура (пр. гр. Cm; a = 9.7592(2), b = 15.2608(4), c = 8.2502(2) Å, β = 148.2566(8)°, V = 646.46(3) Å3). На температурной зависимости молярной теплоемкости Cp = f(T), измеренной в интервале температур 350–1000 K, установлено наличие экстремума с максимумом при Tmax = 498.5 K, связанного с фазовым переходом. По экспериментальным данным рассчитаны термодинамические свойства.

Ключевые слова: германат меди-самария, кристаллическая структура, высокотемпературная теплоемкость, термодинамические функции

ВВЕДЕНИЕ

При исследовании систем CuO–M2O3–ЭO2 (M = Al, Ga, Fe, Cr, Bi, Y; Э = Si, Ge) при 1273 K установлено образование трех новых соединений: CuY2Ge2O8, CuY2Ge4O12 и CuY2Si4O12 [1]. Позднее этими же авторами замещением Y на редкоземельные элементы (за исключением Ce и Lu) получены соединения CuR2Ge2O8 (R = La–Yb) [2]. К настоящему времени они исследованы крайне мало. Имеются сведения об их оптических (R = Sm–Tm, Y [3], CuNd2Ge2O8 [4]) и магнитных свойствах (CuNd2Ge2O8, CuY2Ge2O8 и CuLa2Ge2O8 [5], CuR2Ge2O8 (R = Pr, Nd, Sm, Eu) [6]). По данным [2], структура CuY2Ge2O8 является моноклинной с возможными пр. гр. $C\frac{2}{m}$, Cm и С2. Существует мнение, что CuY2Ge2O8, CuLa2Ge2O8 [5] и CuR2Ge2O8 (R = Pr, Nd, Sm, Eu) [6] имеют пр. гр. I1m1. Согласно [2, 46], германаты РЗЭ одинакового состава CuR2Ge2O8 и даже одни и те же соединения могут иметь разные пространственные группы (например, [2, 4] и [5, 6]). Теплофизические свойства германатов CuR2Ge2O8 ограничены лишь данными по теплоемкости при очень низких температурах: до 15 K CuY2Ge2O8 [5] и до 20 K CuR2Ge2O8 (R = Pr, Nd, Sm, Eu) [6]. Диаграммы состояния систем CuO–R2O3–GeO2 не построены. Для оптимизации условий синтеза и уточнения фазовых равновесий методами термодинамического моделирования необходимы сведения о термодинамических свойствах всех образующихся соединений в таких системах. Эти данные в литературе отсутствуют.

В связи с этим целью настоящей работы был синтез CuSm2Ge2O8, определение его кристаллической структуры, измерение высокотемпературной теплоемкости и расчет термодинамических свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Германат CuSm2Ge2O8 получали твердофазным синтезом с использованием CuO (Alfa Aesor) – 99.9995%, Sm2O3 – 99.96% и GeO2 – 99.999% в качестве исходных компонентов. Стехиометрические смеси предварительно прокаленных исходных оксидов перетирали в агатовой ступке и прессовали в форме таблеток. Зная, что при высоких температурах, при которых ведется твердофазный синтез, происходит частичное испарение оксида германия [7], синтез проводили в закрытых тиглях, как и в работе [8]. Количественный состав сложных оксидных соединений подтверждали с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии на спектрометре с индуктивно связанной плазмой Optima 5300 DV фирмы Perkin Elmer. Спрессованные образцы последовательно обжигали на воздухе при 1223, 1248 (по 10 ч) и 1273 K (200 ч). Для увеличения глубины протекания твердофазной реакции через каждые 10 ч проводили перетирание спека с последующим прессованием. Контроль фазового состава образцов осуществляли после каждой ступени синтеза соединения с использованием дифрактометра Bruker D8 Advance (CuKα-излучение) с линейным детектором Vantec. Установлено, что полученные образцы содержат следовое количество примеси в виде Sm2Ge2O7. Уточнение кристаллической структуры и определение параметров элементарной ячейки CuSm2Ge2O8 проводили методом Ритвельда с помощью программы TOPAS 4.2 [9].

Дифференциальный термический анализ и измерение высокотемпературной теплоемкости CuSm2Ge2O8 проводили на термоанализаторе STA 449 C Jupiter (Netzcsh, Германия) в атмосфере воздуха. При этом для измерения теплоемкости использовали специальные держатели TG + + DSC 6.226.1–72 + S и платиновые тигли с крышкой. Экспериментальные результаты обрабатывали с помощью пакета программ Netzsch Proteus Thermal Analysis. Математическую обработку данных проводили при помощи лицензионной программы Systat Sigma Plot 12. Методика экспериментов аналогична описанной в работах [10, 11]. Ошибка экспериментов не превышала 2%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведена дифрактограмма полученного германата меди-самария. Почти все пики на рентгенограмме проиндицированы в моноклинной ячейке (пр. гр. Cm) с параметрами, близкими к таковым для CuNd2Ge2O8 [4], поэтому структура этого кристалла была взята в качестве стартовой модели для уточнения, в которой позицию Nd заменили на ион Sm. Тепловые параметры всех атомов уточняли в изотропном приближении. Координаты x, z атома Ge2 не уточняли, это требуется для фиксации начала координат в группе Cm. Уточнение шло стабильно и привело к низким значениям R-факторов (табл. 1). Координаты атомов и основные длины связей в элементарной ячейке кристалла CuSm2Ge2O8 представлены в табл. 2 и 3 соответственно.

Рис. 1.

Экспериментальный (1), расчетный (2) и разностный (3) профили рентгенограмм CuSm2Ge2O8 (штрихи указывают расчетное положение рефлексов).

Таблица 1.

Параметры элементарной ячейки CuSm2Ge2O8

Состав Настоящая работа [2]
Пр. гр.
a, Å
c, Å
b, Å
β, град
V, Å3
Z
2θ, град
Rwp, %
Rp
, %
Rexp, %
RB, %
χ2
Cm
9.7592(2)
15.2608(4)
8.2502(2)
148.2566(8)
646.46(3)
4
10–105
5.17
4.11
4.72
0.79
1.07
Cm
9.675(1)
15.259(1)
8.25(1)
147.95(1) 4

Примечание. a, b, c, β – параметры ячейки; V – объем ячейки; факторы недостоверности: Rwp – весовой профильный, Rp – профильный, Rexp – ожидаемый, RB – интегральный; χ2 – качество подгонки.

Таблица 2.

Атомные координаты и изотропные тепловые параметры (Å2) кристалла CuSm2Ge2O8

Атом x y z Biso
Sm1
Sm2
Ge1
Ge2
Ge3
Cu1
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
O8
O9
O10
0.479(13)
0.488(14)
0.427(7)
0.509
0.490(13)
0.494(14)
0.21(3)
0.21(3)
0.23(4)
0.22(4)
0.14(3)
0.15(3)
0.31(3)
0.32(3)
0.19(2)
0.160(17)
0.1199(6)
0.1199(6)
0.5
0.5
0.290(2)
0.292(3)
0.5
0
0
0.5
0.091(8)
0.330(9)
0.404(8)
0.170(10)
0.237(5)
0.236(4)
0.227(17)
0.742(18)
0.431(9)
0.0106
0.504(19)
0.962(18)
0.05(4)
0.38(4)
0.06(5)
0.39(5)
0.63(3)
0.16(3)
0.80(3)
0.34(4)
0.52(3)
0.85(2)
0.2(3)
0.2(3)
0.2(12)
0.2(12)
0.2(7)
0.2(10)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
0.3(5)
Таблица 3.

Основные длины связей в структуре CuSm2Ge2O8

Связь d, Å Связь d, Å
Sm1–O3
Sm1–O4i
Sm1–O5ii
Sm1–O6iii
Sm1–O7iii
Sm1–O8
Sm1–O9iii
Sm1–O10ii
Sm1–O1iv
Sm2–O2
Sm2–O5
Sm2–O6v
Sm2–O7iii
Sm2–O8
Sm2–O9
Sm2–O10iii
Ge1–O1
2.34(8)
2.30(7)
2.77(14)
2.29(9)
2.63(14)
2.51(6)
2.53(10)
2.46(9)
2.27(11)
2.42(12)
2.69(9)
2.39(13)
2.77(9)
2.24(16)
2.44(8)
2.43(6)
1.74(17)
Ge1–O4
Ge1–O5vi
Ge2–O2vi
Ge2–O3vi
Ge2–O7ii
Ge3–O5iii
Ge3–O6
Ge3–O8
Ge3–O9iii
Ge3–O10iii
Cu1–O6v
Cu1–O7
Cu1–O8v
Cu1–O9
Cu1–O10
Cu1–O10iii
1.74(5)
1.77(12)
1.72(16)
1.82(5)
1.79(12)
1.98(13)
1.85(14)
2.03(16)
1.89(3)
1.73(11)
2.05(15)
1.96(13)
1.82(18)
2.10(14)
2.66(4)
2.49(4)

Примечание. Элементы симметрии: (i) x + 1/2, y – 1/2, z; (ii) x, y, z – 1; (iii) x + 1/2, –y + 1/2, z; (iv) x + 1/2, y – 1/2, z + 1; (v) x + 1/2, –y + 1/2, z + 1; (vi) x + 1/2, y + 1/2, z.

Сравнение полученных нами параметров кристаллической структуры CuSm2Ge2O8 с данными работы [2] показывает (табл. 1), что они в целом согласуются между собой.

Влияние температуры на теплоемкость CuSm2Ge2O8 в интервале температур 350–1000 K иллюстрирует рис. 2. Из рисунка видно, что на кривой Cp = f(T) имеется экстремум с Tmax = 498.5 K (ΔHфп = 506 Дж/моль, ΔSфп = 1 Дж/(моль K)). Причиной его появления может быть термическая нестабильность соединения или фазовый переход. Данные о влиянии температуры на превращение Cu(II) → Cu(I) в соединении CuSm2Ge2O8 в литературе отсутствуют. Имеются многочисленные сведения о фазовых равновесиях и термодинамике систем Cu–O и CuO–Cu2O [1218]. В единственной работе [1] есть информация о термической стабильности изоформульного соединения CuY2Ge2O8 в атмосфере аргона (разложение наблюдается начиная с T = 1253 K). В последней работе отмечено, что для многих оксидных соединений, содержащих в своем составе CuO, разложение в воздушной атмосфере начинается при температурах на 100‒200 K выше, чем в атмосфере аргона. Поэтому можно принять, что наличие экстремума на кривой Cp = f(T) не связано с нестабильностью CuSm2Ge2O8. В пользу последнего свидетельствует проведенное нами гравиметрическое исследование этого соединения. В интервале температур 320‒1000 K изменение массы образцов не зарегистрировано. На кривой дифференциального термического анализа CuSm2Ge2O8 имеется очень маленький размытый экстремум в области от 472 до 518 K (ΔH = = –0.15 кДж/моль). Следует отметить, что аналогичные результаты получены для соединения CuLa2Ge2O8 [2].

Рис. 2.

Влияние температуры на молярную теплоемкость CuSm2Ge2O8 (1, 2) и Sm2Ge2O7 (3); 1 – экспериментальные (линия – аппроксимирующая кривая), 2 – расчетные данные.

При исследовании влияния температуры на параметры элементарной ячейки CuLa2Ge2O8 выявлен плавный переход моноклинной структуры в орторомбическую, который заканчивается при 548 K [2]. В указанной работе отмечено, что объемно-центрированная орторомбическая ячейка легко получается из гранецентрированной моноклинной ячейки, а возможные моноклинные пространственные группы являются подгруппами орторомбических. Не исключено, что аналогичная картина наблюдается и в нашем случае для CuSm2Ge2O8.

С учетом близости структур CuSm2Ge2O8 до и после перехода зависимость Cp = f(T) в области исследованных температур (350–1000 K) описана уравнением Майера–Келли [19]:

(1)
${{C}_{p}} = a + bT--c{{T}^{{--2}}},$
которое для данного германата без учета фазового перехода имеет следующий вид (Дж/(моль K)):

(2)
$\begin{gathered} {{C}_{p}} = \left( {302.3 \pm 1.1} \right) + \left( {45.54 \pm 1.10} \right) \times {\text{ }}{{10}^{{--3}}}T-- \\ - \,\,\left( {32.30 \pm 1.19} \right) \times {{10}^{5}}{{T}^{{--2}}}.~~~ \\ \end{gathered} $

Коэффициент корреляции для уравнения (2) равен 0.9973, максимальное отклонение экспериментальных точек от аппроксимирующей кривой – 0.96%.

С использованием полинома (2) и известных уравнений [20] для CuSm2Ge2O8 рассчитаны его термодинамические свойства (табл. 4).

Таблица 4.

Сглаженные значения теплоемкости и термодинамические свойства CuSm2Ge2O8

T, K Cp, Дж/(моль K) H°(T) – H°(350 K), кДж/моль S°(T) – S°(350), Дж/(моль K) –ΔG/T*, Дж/(моль K)
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
291.9
300.0
306.8
312.1
316.6
320.6
324.2
327.5
330.7
333.6
336.5
339.2
341.9
344.5
–  14.82  30.00
  45.48    61.20    77.14    93.26 109.6
126.0
142.6
159.4
176.3
193.3
210.5
–    39.55    75.32
107.9
137.9
165.6
191.4
215.6
238.3
259.7
280.0
299.3
317.8
335.4
–  2.508.6516.9426.6337.0347.9259.0370.30 81.45                 92.47               103.1                114.3               123.9

* ΔG/T = [H°(T) – H°(350 K)]/T – [S°(T) – S°(350)].

Поскольку имеющиеся в литературе сведения о теплоемкости CuSm2Ge2O8 ограничены только температурами до 20 K [6], проведено сравнение наших результатов со значениями, рассчитанными по различным моделям: Неймана–Коппа (НК) [21, 22] (в этом случае учтены два варианта: расчет с использованием данных по теплоемкости оксидов CuO, Sm2O3, GeO2 [21] (НК1) или CuO [21] и Sm2Ge2O8 [23] (НК2)), инкрементный метод Кумока (ИМК) [24], групповых вкладов (ГВ) [25], Келлога (Кел) [26]. Согласно результатам, обобщенным в табл. 5, лучшее согласие с экспериментом дает метод Кумока.

Таблица 5.  

Сопоставление полученных данных по теплоемкости CuSm2Ge2O8 при 298 K (уравнение (2)) с рассчитанными значениями (Дж/(моль K))

Ур. (2) НК1 Δ, % НК2 Δ, % ИМК Δ, % ГВ Δ, % Кел Δ, %
279.5 262.0 –6.2 264.0 –5.5 273.4 –2.2 265.9 –4.9 262.5 –6.1

Отметим, что модели НК, ИМК и Кел подробно описаны в монографиях [2628]. В то же время метод групповых вкладов [25] не так часто используется на практике. Он основан на использовании уравнения:

(3)
${{C}_{p}} = a + bT + c{{T}^{{--2}}} + d{{T}^{2}},$
коэффициенты a, b, c и d для конкретного соединения находят путем суммирования ионных вкладов составляющих ионов, образующих это соединение (значения коэффициентов a, b, c и d для ионов приведены в работе [25]). Анализ метода ГВ, предложенный для прогнозирования теплоемкости твердых оксидов [25], выполнен авторами [29]. Установлено, что для 113 оксидов средняя ошибка расчета Cp при 298 K равна 4.8%, а максимальная погрешность – 26.3%. На основании этого анализа в [29] сделано заключение, что метод групповых вкладов не всегда дает надежное прогнозирование температурной зависимости теплоемкости оксидов. Следует отметить, что метод ГВ может быть использован для расчета Cp = = f(T) сложных оксидов, когда другая дополнительная информация отсутствует.

На рис. 2 приведена зависимость Cp = f(T) для Sm2Ge2O7 [23]. Можно отметить, что в этом случае значения молярной теплоемкости меньше таковых для CuSm2Ge2O8. Используя данные по температурной зависимости теплоемкости CuO [30] и Sm2Ge2O7 [23], мы рассчитали Cp = f(T) для CuSm2Ge2O8 (рис. 2, кривая 2). Полученные значения близки к экспериментальным, за исключением области экстремума, обусловленного фазовым превращением. Последнее можно было ожидать априори, так как на кривых Cp = f(T) для CuO и Sm2Ge2O7 экстремумы отсутствуют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синтезировано сложное оксидное соединение CuSm2Ge2O8 и определена его кристаллическая структура. Исследовано влияние температуры в интервале 350–1000 K на молярную теплоемкость германата меди-самария. На температурной зависимости молярной теплоемкости Cp = f(T) установлено наличие экстремума с максимумом при Tmax = 498.5 K, связанного с фазовым переходом. По экспериментальным данным рассчитаны основные термодинамические функции (зависимости энтропии, приращения энтальпии и энергии Гиббса от температуры) германата меди-самария.

Список литературы

  1. Lambert U., Eysel W. // Powder Diff. 1986. V. 1. № 2. P. 45.

  2. Lambert U., Eysel W. // Powder Diff. 1986. V. 1. № 3. P. 256.

  3. Baran E.J., Cascales C. // J. Raman Spectrosc. 1999. V. 30. P. 77.

  4. Campa J.A., Gutiérez-Puebla E., Monge M.A. et al. // J. Solid State Chem. 1995. V. 120. P. 254.

  5. Cho H., Kratochvilova M., Sim H. et al. // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. P. 144404-1. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.144404

  6. Cho H., Kratochvilova M., Lee N. et al. // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 224427-1. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.224427

  7. Becker U.W., Felsche J. // J. Less-Common. Metals. 1987. V. 128. P. 269.

  8. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Иртюго Л.А. и др. // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 5. С. 581. [Denisova L.T., Kargin Yu.F., Irtyugo L.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 5. P. 631.] https://doi.org/10.1134/S0036023620050071

  9. Bruker AXS TOPAS V4: General profile and structure analysis software for powder diffraction data. Userʼs Manual. Bruker AXS, Karlsruhe, Germany, 2008.

  10. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Белоусова Н.В. и др. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 3. С. 476. [Denisova L.T., Irtyugo L.A., Belousova N.V. et al. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2019. V. 93. № 3. P. 598.] https://doi.org/10.1134/S003602441903004X10.1134/S003602441903004Xhttps://doi.org/10.1134/S004445371903004X

  11. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф. и др. // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 1. С. 71. [Denisova L.T., Irtyugo L.A., Beletskii V.V. et al. // Inorg. Mater. 2017. V. 53. № 1. P. 93.] https://doi.org/10.1134/S002016851701004610.1134/S0020168517010046https://doi.org/10.7868/S0002337X17010043

  12. Lubu A. // J. Thermal. Analysis. 1970. V. 2. P. 445.

  13. Hallstedt B., Risold D., Gauckler L.J. // J. Phase Equilibria. 1994. V. 15. № 5. P. 483.

  14. Моисеев Г.К., Ватолин Н.А. // Журн. физ. химии. 1998. Т. 72. № 9. С. 1554.

  15. Kosenko A.V., Emelʼchenko G.A. // J. Phase Equilibria. 2001. V. 22. P. 12. https://doi.org/10.1007/s11669-001-0050-x

  16. Buch A.A., Shkuratov V.Ya., Kuzʼmenko A.B. et al. // Crystallogr. Rep. 2002. V. 47. № 2. P. 335. https://doi.org/10.1134/1.1466514

  17. Hallstedt B., Gauckler L.J. // Calphad: Comput. Phase Diagram. Thermochem. 2003. V. 27. P. 177. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(03)00050-6

  18. Schramm L., Behr G., Löser W. et al. // J. Phase Equilib. Diff. 2005. V. 26. № 6. P. 605. https://doi.org/10.1007/s11669-005-0005-8

  19. Maier C.G., Kelley K.K. // J. Am. Chem. Soc. 1932. V. 54. № 8. P. 3243. https://doi.org/10.1021/ja01347a029

  20. Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: Академическое изд-во “Гео”, 2010. 287 с.

  21. Leitner J., Chuchvalec P., Sedmidubský D. et al. // Thermochim. Acta. 2003. V. 395. P. 27. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(02)00176-6

  22. Leitner J., Voñka P., Sedmidubský D. et al. // Thermochim. Acta. 2010. V. 497. P. 7. https://doi.org/10.1016/j.tca.2009.08.002

  23. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф. и др. // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 2. С. 193. [Denisova L.T., Irtyugo L.A., Beletskii V.V. et al. // Inorg. Mater. 2018. V. 54. № 2. P. 167.] https://doi.org/10.1134/S002016851802004810.1134/S0020168518020048https://doi.org/10.7868/S0002337X18020100

  24. Кумок В.Н. Прямые и обратные задачи химической термодинамики. Новосибирск: Наука, 1987. 108 с.

  25. Mostafa A.T.M.G., Eakman J.M., Montoya M.M. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. V. 35. P. 343. https://doi.org/10.1021/ie9501485

  26. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. 392 с.

  27. Морачевский А.Г., Сладков И.Б., Фирсова Е.Г. Термодинамические расчеты в химии и металлургии. СПб.: Лань, 2018. 2018 с.

  28. Моисеев Г.К., Ватолин Н.А., Маршук Л.А. и др. Температурные зависимости приведенной энергии Гиббса некоторых неорганических веществ (альтернативный банк данных АСТРА. OWN). Екатеринбург: УрО РАН, 1987. 230 с.

  29. Leitner J., Sedmidubský D., Chuchvalec P. // Ceramics – Silikáty. 2002. V. 46. № 1. P. 29.

  30. Leitner J., Sedmidubský D., Doušova B. et al. // Thermochim. Acta. 2000. V. 348. P. 49. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(00)00352-X

Дополнительные материалы отсутствуют.