ISBN 978-5-7996-0788-3
В практикуме представлены краткие теоретические сведения по курсу «Термодинамика и структура твердого тела» и лабораторные работы,
иллюстрирующие основные методы получения твердофазных материалов
и экспериментальные подходы к исследованию фазового состава, кристаллической структуры, морфологии, дисперсности и спекания, кислородной
нестехиометрии и термодинамики разупорядочения, электрофизических и
термомеханических свойств керамических оксидных материалов. <...> Механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв............... 53
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
УДК 539.21(076.5)
З-93
Р е ц е н з е н т ы:
доктор химических наук, заведующий лабораторией
физико-химических методов исследования Института
высокотемпературной электрохимии УрО РАН Э. Х. <...> Третий раздел посвящен анализу взаимосвязей природы и концентрации дефектов
с электрофизическими и диффузионными свойствами реальных
кристаллических тел. <...> Третий раздел посвящен анализу взаимосвязей природы и концентрации дефектов
с электрофизическими и диффузионными свойствами реальных
кристаллических тел. <...> Дифракция рентгеновских лучей
Когерентно рассеянные рентгеновские лучи могут интерферировать между собой, причем дифракционной решеткой для
рентгеновского излучения служит кристаллическая решетка, так
как межплоскостные расстояния в кристалле сравнимы с длиной
волны падающего излучения. <...> Если три-четыре наиболее интенсивные
линии предполагаемой фазы отсутствуют, то полученные значения
d/n следует сравнивать с табличными для другой фазы. <...> Наиболее полный и постоянно обновляемый определитель
фаз — картотека JCPDS (PDF) Международного центра дифракционных данных (ICDD). <...> В карточке указываются: химическая
формула соединения, пространственная группа, периоды элементарной ячейки, межплоскостные расстояния и индексы дифракционных линий, полный перечень линий данного вещества и их
относительные интенсивности, а также сведения об условиях
съемки рентгенограммы <...>
Термодинамика_и_структура_твердого_тела_практикум.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА
А. Ю. Зуев, Д. С. Цветков
ТЕРМОДИНАМИКА
И СТРУКТУРА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Практикум
Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программе магистратуры
по направлению подготовки 020100 «Химия»
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2012
Стр.2
УДК 539.21(076.5)
З-93
Рецензенты:
доктор химических наук, заведующий лабораторией
физико-химических методов исследования Института
высокотемпературной электрохимии УрО РАН Э. Х. Ку р ум ч и н;
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник
Института химии твердого тела УрО РАН И. А. Ле о н и д о в
Зуев, А. Ю.
З-93
Термодинамика и структура твердого тела : практикум : [учеб.
пособие] / А. Ю. Зуев, Д. С. Цветков. — Екатеринбург : Изд-во
Урал. ун-та, 2013. — 128 с.
ISBN 978-5-7996-0788-3
В практикуме представлены краткие теоретические сведения по курсу
«Термодинамика и структура твердого тела» и лабораторные работы,
иллюстрирующие основные методы получения твердофазных материалов
и экспериментальные подходы к исследованию фазового состава, кристаллической
структуры, морфологии, дисперсности и спекания, кислородной
нестехиометрии и термодинамики разупорядочения, электрофизических и
термомеханических свойств керамических оксидных материалов.
Для студентов магистратуры, овладевающих техникой физико-химического
эксперимента.
УДК 539.21(076.5)
ISBN 978-5-7996-0788-3
© Уральский федеральный университет, 2012
© Зуев А. Ю., Цветков Д. С., 2012
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОТ АВТОРОВ ............................................................................................... 5
1. ОСНОВЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ФАЗОВОГО
И СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА
1.1. Спектры излучения ........................................................................... 8
1.1.1. Поглощение рентгеновских лучей веществом .................... 10
1.1.2. Дифракция рентгеновских лучей ......................................... 12
1.2. Фазовый анализ. Определение кристаллической
структуры вещества ......................................................................... 12
1.2.1. Методы ручного качественного
рентгеновского фазового анализа ........................................ 15
1.2.1.1. Методика рентгенофазового анализа
с использованием указателя Ханавальта ............... 17
1.2.1.2. Методика рентгенофазового анализа
с использованием указателя Финка........................ 19
1.2.2. Количественный рентгеновский фазовый анализ .............. 20
1.2.2.1. Определение содержания фазы в многофазной
композиции методом добавок (внутреннего
стандарта) ................................................................. 21
1.2.2.2. Определение содержания фазы в многофазной
композиции методом внешнего стандарта ............ 22
1.3. Элементы кристаллографии ........................................................... 23
1.3.1. Элементы симметрии ............................................................ 25
1.3.2. Индексы плоскости ............................................................... 27
1.4. Индицирование дифрактограммы ................................................. 28
Лабораторная работа № 1 ...................................................................... 29
2. СИНТЕЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И НАНОПОРОШКОВ
2.1. Газофазный синтез (конденсация паров) ...................................... 39
2.2. Плазмохимический синтез ............................................................. 45
2.3. Осаждение из коллоидных растворов ........................................... 48
2.4. Термическое разложение и восстановление ................................. 51
2.5. Механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв .............. 53
3
Стр.4
Лабораторная работа № 2. Часть 1 ....................................................... 58
Лабораторная работа № 2. Часть 2 ....................................................... 60
3. МЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
3.1. Термогравиметрический анализ .................................................... 68
Лабораторная работа № 3 ...................................................................... 72
3.2. Дилатометрия ................................................................................... 77
Лабораторная работа № 4 ...................................................................... 89
4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Теоретические основы .................................................................... 97
4.1.1. Электропроводность сложных оксидов ............................... 99
4.1.2. Измерение электропроводности ......................................... 104
4.1.3. Измерение термо-ЭДС ........................................................ 107
Лабораторная работа № 5 .................................................................... 109
4.2. Определение парциальных проводимостей и чисел
переноса носителей заряда ............................................................111
4.2.1. Метод Тубандта ....................................................................111
4.2.2. Метод кислородной проницаемости .................................. 113
4.2.3. Метод блокирующих электродов (ионных фильтров) ..... 117
4.2.4. Метод ЭДС ........................................................................... 119
4.2.5. Поляризационный метод ..................................................... 120
Лабораторная работа № 6 .................................................................... 122
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ ............... 125
Стр.5
ОТ АВТОРОВ
Как самостоятельная наука химия твердого тела стала формироваться
только во второй половине прошлого века. Ее возникновение
предопределили две взаимосвязанные причины — необходимость
понимания явлений, протекающих в твердых телах,
и бурное развитие материаловедения, вызванное острой потребностью
в создании новых материалов.
Сегодня химия твердого тела — это общепризнанная дисциплина
наряду с физикой твердого тела и физической химией. Ее
предметом является установление традиционной для химии взаимосвязи
в цепочке «состав — структура — свойства вещества»
с учетом особенностей твердого состояния, а основная задача
заключается в поиске способов создания новых функциональных
твердофазных материалов с требуемыми для эффективного
практического применения свойствами: оптическими, сегнетоэлектрическими,
эмиссионными, фотоэлектрическими, пьезоэлектрическими,
электрофизическими, магнитными, механическими,
каталитическими и другими.
Под составом вещества в химии твердого тела понимают не
только традиционное для химии вообще стехиометрическое соотношение
основных его компонентов, но и отклонения от стехиометрии,
в том числе и очень малые (на пределе обнаружения).
Под структурой вещества понимается реальная структура
твердого тела, т. е. не только определенный порядок в расположении
составляющих данное тело частиц, описываемый с помощью
идеальной модели — кристаллической решетки, но и нарушения
этого порядка, которые называются дефектами.
Одни целевые свойства твердотельных материалов в большей
степени определяются их кристаллохимическими особенностями
и в меньшей — дефектами, для других решающее значение имеют
дефекты, выступающие в роли носителей данных свойств. По этой
5
Стр.6
План выпуска 2012 г. Подписано в печать 27.12.2012.
Формат 60×84 1
Уч.-изд. л. 7,0. Усл. печ. л. 7,44. Тираж 50 экз. Заказ № 2400.
/16
. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Издательство Уральского университета
620000, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.
Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ.
620000, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.
Тел.: +7 (343) 350-56-64, 350-90-13.
Факс: +7 (343) 358-93-06.
E-mail: press.info@usu.ru
Стр.129