Структуры новых боратов свинца и щелочных металлов. Кристаллохимия и систематика боратов на основе симметрийно-топологического анализа OD-теории тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.05, кандидат химических наук Борисова (Корчемкина), Татьяна Александровна

• Борисова (Корчемкина), Татьяна Александровна
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Борисова (Корчемкина), Татьяна Александровна

Введение

1. Литературный обзор.

1.1. Некоторые основные положения OD-теории.

1.2. Понятие о полиморфизме и политипизме

1.3. Краткие сведения о классификации боратов.

2. Монокристальные рентгендифракционные исследования.

2.1. Способ получения кристаллов, методы их диагностики, характеристика эксперимента, способа расшифровки и уточнения структур.

2.2. Краткие сведения об исследованных кристаллических структурах боратов свинца.

2.3. Кристаллическая структура РЬбВпОг^НгО

2.4. Кристаллическая структура РЬз(0Н)[В901б][В(0Н)з]

2.5. Кристаллическая структура РЬ[В8Оп(ОН)4]

2.6. Кристаллическая структура Pb2[B5C>9](0H)-H20.

2.7. Кристаллическая структура РЬ2[В509](ОН)-0.5Н20.

2.8. Кристаллическая структура Nao.5Pb2[B509]Cl(OH)o.5.

2.9. Кристаллическая структура Cs[B506(0H)4]'2H20.

2. Ю.Кристаллическая структура Rb[B507(OH)2]-0.5H20 .Ill

3. Кристаллохимия боратов в терминах OD-теории.

3.1. Гексабораты

3.2. Пентабораты

3.3. Тетрабораты.

3.4. Трибораты

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структуры новых боратов свинца и щелочных металлов. Кристаллохимия и систематика боратов на основе симметрийно-топологического анализа OD-теории»

Бораты представляют собой оригинальный и разнообразный в структурном отношении класс неорганических соединений, в котором к настоящему времени изучено немало представителей. Среди природных боратов известны минералы, содержащие катионы Be, Na, Mg, Al, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Sr. Синтетические кристаллы получены также для достаточно широкого спектра элементов. После открытия нелинейно-оптических свойств у бората бария (ВВО) и бората лития (LBO), а также I ряда других новых боратов, у исследователей появился интерес к классу боратов как новых перспективных материалов (например, для использования в частотной конверсии лазеров). Недавние исследования в области физико-химии и кристаллохимии боратов показали, что присущая многим нецентросимметричным боратам значительная оптическая нелинейность может быть усилена в кристаллических структурах, содержащих три- тетра- и более крупные боратные группировки в виде полярных полианионов - оксоборатных группировок. Результирующая оптическая нелинейность кристалла определяется при этом внутренним строением оксоборатных группировок, их взаимным расположением и наличием между ними других поляризуемых элементов структуры в виде ионов, полиэдров или молекул.

Обусловленная специфическим электронным строением высокая л I электронная поляризуемость ионов свинца РЬ благоприятствует формированию полярных свойств оксидных соединений и возникновению у них сегнетоэлектрических, пироэлектрических и нелинейно-оптических свойств. Вместе с тем, возможности получения полярных соединений в боратных системах с участием свинца еще не достаточно изучены. К настоящему времени известно лишь два безводных РЬВ407 [1], Pb6BI0O2i [2] и два водных РЬзВ10О18'2Н2О [3], РЬ5Вз08(0Н)з'Н20 [4] бората. Из них два обладают сегнетоэлектрическими и нелинейно-оптическими свойствами, что позволяет рассчитывать на перспективность дальнейшего поиска новых синтетических РЬ-боратов.

Нелинейно-оптические свойства в УФ-диапазоне хорошо известны для кристалла К[В50б(0Н)4]-2Н20 [5], что определяет интерес к поиску новых перспективных в применении боратов щелочных металлов, также как и к исследованию их кристаллического строения и оригинальной кристаллохимии. Таким образом, выбор в качестве объектов исследования синтетических боратов свинца и щелочных металлов актуален.

Выявление особенностей строения и кристаллохимии синтетических соединений невозможно без сравнительного анализа с минералами и условиями их образования в природе. В силу этого данные исследования находятся на стыке геолого-минералогических, физико-математических и химических наук. Основная направленность данной работы отвечает химическому и материаловедческому аспектам.

Данная работа посвящена:

1. изучению кристаллических структур боратов, содержащих свинец и щелочные катионы;

2. сравнительному кристаллохимическому анализу новых боратов, а также природных и синтетических, изученных ранее, с применением OD-теории Дорнбергер-Шифф [6] и выделением нон-мерных, одномерных и двумерных строительных блоков (нон-мерный блок отвечает фундаментальному строительному блоку в систематике Кларк и Крист [7]);

3. разработке способа записи группоидов симметрии для всех категорий;

4. выявлению связи между структурой и свойствами;

5. разработке систематики на основе OD-анализа.

Работа выполнена на кафедре кристаллографии и кристаллохимии, в лаборатории кристаллохимии и рентгеноструктурного анализа под руководством докт. хим. наук, вед. научн. сотр., зав. лабораторией, E.JI. Белоконевой, которой автор выражает искреннюю благодарность за постоянную помощь на всех этапах проведения исследований. Автор выражает глубокую благодарность к. г.-м. наук, ст. научн. сотр. О.В. Димитровой за полученные и переданные для исследования кристаллы, а также постоянное участие в обсуждении результатов по кристаллизации фаз и связи особенностей их структур с условиями получения. Автор благодарит С.Ю. Стефановича за измерение сигналов генерации второй гармоники кристаллов и обсуждение вопросов связи структуры и свойств, Ю.К. Егорова-Тисменко за обсуждение результатов в части OD-структур, B.C. Куражковскую за съемку и анализ спектра ИКС для гексабората свинца, сотрудников кафедры петрографии за выполнение микрорентгеноспектральных анализов, а также преподавателей и сотрудников кафедры, на которой выполнялась работа, за помощь в ее выполнении.

1. Литературный обзор.

Заключение диссертации по теме «Минералогия, кристаллография», Борисова (Корчемкина), Татьяна Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, в работе:

1. Впервые определены кристаллические структуры: пяти боратов свинца, бората свинца с натрием, бората рубидия и бората цезия, установлены борокислородные радикалы нового типа: каркас [B90i6]5" и изолированные кольца [В12О24]12" •

2. Разработана и применена расширенная OD-теория Дорнберген-Шифф блок-стержень-слой для тополого-симметрийного анализа структур пента-, гекса-, тетра- и триборатов, предложена запись группоидов различных рангов.

3. Выделены структурно-генетические ветви (блок-стержень-слой) в группах пента-, гекса-, тетра- и триборатов, проведен анализ зависимости степени конденсации строительных блоков в минералах и синтетических соединениях от размера катионов и температуры образования фаз.

4. На основе тополого-симметрийного анализа предложены коррективы в имеющуюся систематику боратов Штрунца.

5. На основе OD-подхода показана возможность прогнозирования гипотетических структур, предсказывая полярные варианты, перспективные для проявления свойств.

6. Показана перспективность класса боратов как новых нелинейно-оптических материалов на примере группы хильгардитов и нонабората свинца.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Борисова (Корчемкина), Татьяна Александровна, 2004 год

1. Corker D.L., Glazer A.M. //Acta Cryst., 1996, V.B52, P.260.

2. Krogh-Moe J., Wold-Hansen P.S. //Acta Cryst., 1973, V.B29, P.2242.

3. Grube H.H. //Fortschritte Mineralogie, Beiheft, 1981, Bd.59, S.58.

4. Rastsvetaeva R.K., Arakcheeva A.V., Pushcharovsky D.Yu., Vinogradova S.A., Dimitrova O.V., Stefanovich S.Yu. //Zeitschrift fur Kristallogr., 1998, Bd.213, S.l.

5. Dewey C.F.Jr, Cook W.R., Hodson R.T., Wynne J.J. //Appl. Phys. Lett. 1975, V.26, №12, P.714.

6. Dornberger-SchiffK. //Abh.Deutsch.Akad.Wiss. Berlin., 1964, Bd.3, S.1-107.

7. Christ C.L., Clark J.P. //Phys. Chem. Miner., 1977, V.2, P.59.

8. Modular Aspects of Minerals. Ed. by S. Merlino, Budapest, 1997.

9. ВермаА., Кришна П. //Полиморфизм и политипизм в кристаллах, М., "Мир", 1969.

10. Barth T.F.W. //Polymorphic phenomena in silicon carbide, Phil.Res.Rept., 1934, V.18, P.270.

11. Baumhauer H.//Uber die Kristalle des Carborundums, Z.Krist., 1912, Bd.50, S.33-39.

12. Baumhauer H.//Uber die verschiedenen Modifikationen des Carborundums und die Erscheinnung der Polytypie, Z.Krist., 1915, Bd.55, S.249-259.

13. Tennyson Ch. //Fortschritte Mineralogie, 1963, Bd.41, S.64.

14. БокийГ.Б., Кравченко В.Б.//Журн.структ.химии, 1966, T.7, №6, C.920

15. Burns P.C., Grice J.D., Hawtorne F.C.//Canad. Mineral., 1995, V.33, P.1131-1151.

16. Strunz H. //Eur. J. Mineral., 1997, V.9, P.225.

17. Стрельцов В.А., Заводник B.E.//Кристаллография, 1989, T.34, №6, С.1369.

18. Stefanovich S.Yu. //Extended Abstracts Europ. Conf. on Lasers and Elecrto-Optics (CLEO Europe' 94). Amsterdam, 1994, P.249.

19. Walker. N. & Stuart. D. //Acta Cryst., 1983, V.A39, P.158.

20. Yvon K., Jeitschko W., Parthe E. //Lazu Pulverix a computer program for calculating X-ray and neutron diffraction powder patterns. J. Appl. Crystallogr., 1977, V.10, P.73.

21. ПятенкоЮ.А., Воронков А.А., Пудовкина 3.B., //"Минералогическая кристаллохимия титана", М. Наука, 1976.

22. Menchetti S., Sabelli С. //Acta Cryst., 1979, V.B35, Р.2488.

23. Skakibaie-Modhadam М., Heller G., Timper U. //Zeit. Krist., 1990, V.190, P.85.

24. Evdokimova О.А., Belokoneva E.L., Tsirelson V.G., UrusovV.S.// Геохимия, 1986, C.677.

25. Craven B.M., Sabine T.M. //Acta Cryst., 1966, V.20, №2, P.214.

26. Dal Negro A., Ungaretti L. //Atti. Acad. naz. Lincei. Rend. Cl.sci. fis. mat. e natur., 1969, V.44, P.353

27. Clark J.R. //Amer. Mineral., 1964, V.49, P.l549

28. Burns P.C., Hawtorne F.C. //Canad. Mineral., 1994, V.32, P.895.

29. Бровкин A.A., Заякина H.B., Бровкина B.C. //Кристаллография, 1975, E.20, C.911.

30. MachidaK-I., Adachi G-Y., YasuokaN., KasaiN., Shiokawa J.//Inorg. Chem., 1980, V.19, P.3807.

31. Ghose S., Wan Ch. //Am. Mineral., 1979, V.64, P.187.

32. Lloyd D.J., LevasseurA., Fouassier C.//J. Solid St. Chem., 1973, V.6, P. 179.

33. Wan Ch., Ghose S. //Am. Mineral., 1983, V.68, p.604.

34. Уэллс А. //Структурная неорганическая химия. Москва, "Мир", 1988, Т.2, С.79.

35. TimperU., Heller G., Shakibaie-Moghadam M. //Zeitschr. Naturforsch., Teil B, Anorg Chem., Organ. Chem., 1990, V.45, P.l 155.

36. Ashmore J.P., Petch H.E. //Canad. J. Chem., 1970, V.48, P.1091.

37. Behm H. //Acta Cryst., 1984, V.C40, P.217.

38. Merlino S., Sartori F. //Acta Cryst. 1969. V.B25. P.2264.

39. Merlino S. //Per. Mineral., 1990, V.59, P.69.

40. Connert J.A., Clark J.R., Christ C.L. //Amer. Mineral., 1970, V.55, P.1911.

41. Dornberger-SchiffK. //Acta Cryst., 1982, V.A38, p.483.

42. EMU Notes in Mineralogy. Budapest, 1997, Vol. 1.

43. Белоконева E.JI., Тимченко Т.И.//Кристаллография, 1983, T.29, C.l 118.

44. Ghose S., Wan Ch. //Amer. Mineral., 1977, V.62, P.979.

45. Burzlaff H. //N. Jb. Mineralogie, Mh, 1967, S.157.

46. Hanic F., Lingquist O., Nyborg J., Zedler A. //Collection Czechoslov. Chem. Commun., 1971, V.36, P.3678.

47. Dal Negro A., Ungaretti L. //Naturwissenschaften, 1973, V.60, P.350.

48. Dal Negro A., Ungaretti L. //Cryst.Struct.Comm., 1976, V.5, P.427.

49. ГенкинаЕ.А., Руманова И.М., Белов H.B. //Кристаллография, 1976, Т.21, С.209.

50. Dal Negro A., Ungaretti L. //Cryst.Struct.Comm., 1976, V.5, P.433.

51. Якубович O.B., Перевозникова И.В., Димитрован O.B., Урусов B.C. //Докл. Акад. Наук, 2002, Т.387, №1, С.54.

52. Dal Negro A., Kumbasarl., Ungaretti L.//Am. Mineral., 1973, V.58, №11/12, P. 1034.

53. SuenoS., Clarck J.R., PapikeJ.J., Konnert J.A.//Am. Mineral., 1973, V.58, №7/8, P.691.

54. Dowty E., Clark J.R. //Zeitschr. Krustallogr., 1973, Bd.138, S.64.

55. ЯмноваН.А., Егоров-Тисменко Ю.К., Пущаровский Д.Ю., и др.// Кристаллография, 1993, Т.38, №6, С.71.

56. Руманова И.М., Разманова З.П., Белов Н.В.//Докл. АН СССР, 1971, Т. 199, №3, С.592.

57. Руманова И.М., ЙорышЗ.И., Белов Н.В. //Докл. АН СССР, 1977, Т.236, №1, С.91.

58. MarezioM., RemeikaJ.P., Dernier P.D. //Acta cryst., 1969, V.B25, P.955.

59. Burzlaff H. //N. Jb. Mineralogie, Mh., 1967, S.157.

60. Bermanec V., Armbruster Т., Tiblijas D., Sturman D., Kniewald G. //Am. Mineral., 1994, V.79, P.562.

61. Konnert J.A., Clark J.R., Christ C.L. //Am. Mineral., 1972, V.57, P.381.

62. Corazza E., Menchetti S., Sabelli C. //Acta Cryst., 1975, V.31, P.2405.

63. Clark J.R., Christ C.L. //Am. Mineral., 1971, V.56, P.1934.

64. Расцветаева P.K., Андрианов В.И., ГенкинаЕ.А., Соколова Т.Н., Катаев А.А. //Кристаллография, 1992, Т.37, С.326.

65. Pushcharovsky D.Yu., Merlino S., Ferro О., Vinogradova S.A., Dimitrova O.V. //J. Alloys and Сотр., 2000, №305, P. 163.

66. Corazza E., Menchetti S., Sabelli C. //Am. Mineral., 1974, B59, P. 1005.

67. Аракчеева A.B., Виноградова C.A., Пущаровский Д.Ю.// Кристаллография, 2000, Т.45, №3.

68. MenchettiS., Sabelli С., Trosti-Ferroni R.//Acta Ciyst., 1982, B38, P.3073.

69. Ghose S., Wan C., Clark J.R. //Am. Mineral., 1978, V.63, P.160.

70. Ямнова H.A., Егоров-Тисменко Ю.К., Пущаровский Д.Ю., МалинкоС.В., Дорохова Г.И.//Кристаллография, 1993, Т.38, №6, С.71.

71. CorazzaE., Sabelli С.//At.del. Acad. Nazion. Lincei, CI. Sc.Fisiche, Matemat. Natur. Rend., S8, 1966, V.41, P.527.

72. Menchetti S., Sabelli C. //Acta Cryst., 1977, ВЗЗ, P.3730.

73. CannilloE., Dal Negro A., Ungaretti L.//Am. Mineral., 1973, V.58, P.110.

74. Merlino S., Sartori F. //Acta Cryst., 1969, V.B25, P.2264.

75. Merlino S., Sartori F. //Science, 1971, V.171, P.377.

76. Filatov S.K., Bubnova R.S. //Phys. Chem. Glasses., 2000, V.41, №5, P.216.

77. Behm H. //Acta Cryst., 1984, V.C40, P.217.

78. Powell D.R., Gaines D.F., ZerellaP.J., Smith R.A//Acta Cryst., 1991, V.C47, P.2279.

79. Levy H.A., Lisensky G.C. //Acta Cryst., 1978, V.B34, P.3502.

80. Wan Ch., Ghose S. //Am. Mineral., 1977, V.62, P.l 135.

81. Moore P.B., Araki T. //Am. Mineral., 1974, V.59, P.60.

82. Menchetti S„ Sabelli C. //Acta Cryst., 1978, V.B34, P.l080.

83. РадаевС.Ф., МурадянЛ.А., Малахова Л.Ф., БурякЮ.А., Симонов В.И. //Кристаллография, 1989, Т.34, С. 1400.

84. Burns Р.С., Hawthorn F.C. //Mineral. Magazine, 1995, V.59, P. 297.

85. Moore P.B., Araki T. //Nature, 1972, V.240, P.63.

86. Cooper W.F., Larsen F.K., Coppens P. //Am. Mineral., 1973, V.58, P.21.

87. Peters C.R., Milberg M.E. //Acta Cryst., 1964, V.17, P.229.

88. Ssu-Mien Fang//Zeitschr. Krist., 1938, Bd.99, S.l.

89. Zachariasen W.H. //J. Chem. Phys., 1937, V.5, P.919.

90. Xue D., Zhang S. //Acta Cryst., 1998, V.B.54, P.652.

91. Dal Negro A., PozasJ.M.M., Ungaretti L.//Am. Mineral., 1975, V.60, P.879.

92. Corazza E. //Acta Cryst., 1976, V.B32, P.1329.

93. Brown G.E., Clark J.B. //Am. Mineral., 1978, V.63, P. 814.

94. Симонов M.A., Егоров-Тисменко Ю.К., Казанская E.B., Белоконева Е.Л., Белов Н.В. //ДАН СССР, 1973, Т.210, С.678.

95. Симонов М.А., Егоров-Тисменко Ю.К., Белов Н.В.//ДАН СССР, 1977, T.234, С.822.

96. Zachariasen W.H. //Acta Cryst., 1963, V.16, P.385.

97. Sabelli С., Stoppioni A. //Can. Mineral., 1978, V.16, P.75.

98. Hainsworth F.N., Petch H.E. //Can. J. Phys., 1966, V.44, P.3083.

99. Finney J.J., Umbasarl., KonnertJ.A., Clark J.R.//Am. Mineral., 1970, V.55, P.716.

100. Konnert J.A., Clark J.R., Christ C.L.//Zeitschr. Krist., 1970, Bd.132, S.241.

101. Радаев С.Ф., ГенкинаЕ.А., JIomohobB.A. и др.//Кристаллография, 1991, Т.36, С.1419.

102. Pushcharovsky D.Yu., Gobetchia E.R., Pasero М., Merlino S., Dimitrova O.V. //J. Alloys and Сотр., 2001.