КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 3, с. 381-386
КРИСТАЛЛОХИМИЯ
УДК 536.42
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
© 2014 г. В. Д. Александров
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина
E-mail: cluck@mail.ru Поступила в редакцию 04.02.2013 г.
На основе периодической таблицы систематизированы закономерности изменения структуры химических элементов в кристаллическом и жидком состояниях под действием температуры и давления.
DOI: 10.7868/S0023476114030023
Свойства кристаллических тел непосредственно связаны с пространственными соотношениями атомов и межатомных сил, а атомно-молеку-лярная структура является конечным звеном в иерархической последовательности макро-, микро- и наноструктур.
Во многих монографиях и справочной литературе по материаловедению приводится анализ разнообразных физических свойств элементов в зависимости от их номера в периодической таблице Д.И. Менделеева, что подчеркивает наличие в них периодических закономерностей. Неоднократно предлагались варианты схематического изображения и упорядочения аллотропных модификаций, использующие периодическую таблицу. Однако расположение аллотропных модификаций в таблице носило выборочный и бессистемный характер: не указываются направления и температуры полиморфных превращений, отсутствует схематическое изображение структурных перестроек в жидком состоянии и пр.
Систематизация структурных превращений в конденсированном состоянии для простых веществ необходима для выявления периодических закономерностей фазовых превращений первого рода, выяснения причин структурных гистере-зисных эффектов, разработки кластерно-коагу-ляционных моделей кристаллизации [1].
Подобная систематизация важна не только при изучении структур массивных твердых тел, формирующихся при различных фазовых превращениях. Она актуальна и при получении тонкопленочных материалов, в которых при напылении или кристаллизации аморфного состояния возникают аллотропии, отличные от известных.
В [2, 3] была разработана структурная таблица, куда вошли сведения по известным аллотропиям для химических элементов, фазовым переходам под действием температуры и давления, а также по структурным превращениям в жидком состоянии. Тем не менее таблица, опубликованная в [3],
мало информативна, поскольку отсутствуют температуры полиморфных превращений и энтальпии плавления. Кроме того, из-за обычного ксерокопирования на ней размыты некоторые изображения модификаций и направления фазовых переходов.
В настоящей работе приводится обновленный вариант кристаллографической таблицы. В отличие от первоначального в новую редакцию таблицы внесены следующие дополнения и изменения:
— даны температуры полиморфных превращений при нормальном давлении;
— приведены четкие различия путей перехода от одной модификации к другой под действием температуры и давления;
— отношения (Тпп/Т1) температуры Тпп полиморфного перехода в высокотемпературную модификацию к температуре плавления Ть для некоторых элементов заменены на энтальпии плавления АН 31 для всех веществ;
— кристаллоподобные кластеры в расплавах сразу после плавления изображены в виде перечеркнутых косых линий;
— таблица дополнена новыми данными по структуре кластеров в жидкой фазе.
В усовершенствованном варианте кристаллографической таблицы показаны структурные изменения в простых веществах, происходящие при фазовых превращениях под действием температуры и давления. При построении таблицы использовались работы [4—80]. Схематические обозначения различных кристаллических структур заимствованы из монографии [53] с небольшими изменениями и дополнениями. Клеточка для соответствующего химического элемента в таблице включает символ химического элемента, его атомный номер. Выше этих обозначений указаны температуры плавления Ть в Кельвинах и энтальпии плавления АН 81 в кДж/кг. Клеточка разбита на две части. Пунктирной линией обозначена зо-
Структурно-кристаллическая таблица элементов
13,86 58,0(Н2)
iH
I
[>==ьк>
453,7 416,0
зЫ
и
371 117,0
uNa
!
336.4 59,5
19 К
312,7 27,4
37 Rb
301,6 16,1
На
1560 1625,0
4Ве
923 357,0
пЩ
1123 216,0 2оСа
1043,0 960,0
38 Sr
П
Удельная теплота плавления АН$Ь, кДж/кг Температура плавления Ть, К (при р = 1 атм) -
Символ элемента Атомный номер
Расплавленное состояние Твердое состояние
Температура полиморфного превращения ТПП, К
Полиморфные превращения под давлением р
Illa
1803 313
21 Se
1773,0 193,1
39 Y
ЛОЗ
IVa
1941,0 3583,0
22 TÍ
2128,0 220,0 40 Zr
ж
2222,0 122,0
72 Hf
1190,0 44,7
57 La
№
O
1323,0 62,5
89 AC
Va
2190,0 345,4
23 V
i
2742,0 296,6
4iNb
[|::::::¡
3270,0 173,7
73 Ta
1070,0 37,0
58 Ce
1968,0 67,4
90 Th
№
□
У1а
2176,0 265,6
24 СГ
□
2895,0 382,0
4lMO
[| 1
□ Пл O
3660,0 192,0
74W
□ Пл СЭ
1208,0 49,1
59 РГ
1873,0 63,4
91 Pa
Vila
1517,0 267,0
25Mn
2400,0 232,0
43 TC
3450,0 178,0
75Re
!Й
□ Пл 3
1297,0 49,5
«o Nd
1406,0 82,7
92 U
VIII
1811,0 272,0
26 Fe
2523 222,8
44 RU
3320,0 140,9
76 Os
1300,0 56,1
6iPm
913,0 23,6
93_Np
1' ¡ I
Á/^
1767,0 263,2
27 СО
______J
3
2236,0 219,6
45 Rh
j£______!
2720,0 137,1
77
Ir
!7;
------C&
1345,0 57,4
62Sm
912,7 11,6
94 PU
1
2
3
4
5
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
383
О 1 ■ з
ЕВ 4 г Н5
Й! □ <53 6 О 7 38 С9
• 10
С& 0 11,12
13
14
16 17 -Ф-18
<)20 21 22
23
24 А 25
26 27
Фазовые превращения в простых веществах
И Ш ^^ структуры кластеров в жидкой фазе
1Ь
пь
шь
2348,0 2090,0
в
933,5 389,4
13 А1
□
1УЬ
1688,0 1773,0
14
81
©
УЬ
63,148 25,7
7 N
317,2 81,0
15 Р
I
У1Ь
54,361 13,9
8 О
П-392,3 49,8 1-385,8
16 Э
VI1Ь
53,0 13,4
172,16 90,4
,тС1
0,8(28 атм) 5,2
2 Не
_____!
24,555 16,6
83,78 29,5
18 Аг
Щ-
1728,0 302,0
28
№
Ц
О-
1357,065 239,0
29 Си
692,73 110,0
зо Zn
302,94 80,2
31 Са
1210,4 443,0
32 Се
1090,0 290,9
33 А«
490,0 69,1
34 8е
265,95 67,6
35 ВГ
115,76 19,5
зб Кг
□
©
____
1827,0 156,9
4бР(1
№
О-
1235,08 104,6
47_А£
594,26 57,0
48 С(1
429,78 28,5
491П
505,0 59,6
50 8п
903,89 162,4
51 вЬ
723,0 137,2
52 Те
386,8 62,2 53 I
161,3 17,5
54 Хе
ш-
-*э I
г?;
2045,0 100,9
78
14
1337,58 64,4
79 Аи
Ш
234,29 11,7
80Н|
577,0 21,1 81 Т1
600,6 23,4
82 РЬ
544,592 54,7
83 Ш
□«—о
□
527,0 59,7
84 РО
Г
575,0 113,7
85 А1
202,2 14,7
86 ЯП
не.
1100,0 60,8 бз Ей
1585,0 64,9
64 ва
1637,0 64,8
65 ТЬ
1680,0 64,2
ббВу_
1734,0 85,9
67 Но
1770,0 65,6
68 Ег
1815,0 104,7
б9Тт
1097,0 44,3
70 УЬ
1925,0 68,2
711Д1
Ф
1123,0 59,14
95 Ат
1613,0 59,3
9бСт
1173,0
1133,0
97Вк
9*а
99 Еа
моЕт
ыМй
102 N0
юз Ьг
I
Т
г
С>-0
_____
■4
на жидкой фазы, внутри которой размещены схематические изображения структур кластеров после плавления. Под штриховой зоной показана схема полиморфных переходов в твердой фазе от одной аллотропной модификации к другой.
Расположение аллотропных модификаций химических элементов
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Основой схематического построения структурных превращений являлось выделение постоянного места для изображения соответствующей кристаллографической модификации. Если условно пометить эти позиции цифрами, как показано в табличке, то можно расположить модификации в следующем порядке: 1 — объемноцен-трированная кубическая (ОЦК), а для углерода, кремния, германия и олова — кубическая типа алмаза (КА); 2 — ромбоэдрическая (РЭ); 3 — объем-ноцентрированная тетрагональная (ОЦТ); 4 — примитивная кубическая (ПК), или при отсутствии таковой — резервная для другой кубической; 5 — ромбическая (Р); 6 — примитивная тетрагональная (Т); 7 — гранецентрированная кубическая (ГЦК); 8 — резервная позиция для моноклинной (М), триклинной (ТК) и других решеток; 9 — гексагональная (Г) или гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
При наличии у элемента большого числа схожих структур, например у марганца или железа, некоторые модификации изображены в произвольных позициях с сохранением "закрепленных" мест за высокотемпературными модификациями. Для титана, циркония и гафния позиция 3 оставлена для фазы высокого давления. Штриховые схематические изображения относятся к предполагаемым, а кружки — к неизвестным структурам. Стрелками указаны направления переходов при увеличении температуры или изменении давления.
В таблице показан в увеличенном виде "ключ" к расшифровке структур и соответствующих переходов, а также дается нумерация структур, приведенных в кристаллографической таблице: 1 — кубическая примитивная решетка; 2 — кубическая гранецентрированная — ГЦК; 3 — кубическая объемноцентрированная — ОЦК; 4 — алмазная; 5 — кубическая типа а-Мп и Р-Мп; 6 — кубические предполагаемые; 7 — гексагональная (с/а < 1.33); 8 — гексагональная компактная — ГПУ (с/а = 1.56—1.66); 9 — гексагональная (с/а = = 1.86—1.88); 10 — гексагональная типа лантана (с/а = 3.2); 11 — гексагональная с предполагаемым соотношением осей с и а; 12 — гексагональ-
ные предполагаемые; 13 — фаза высокого давления; 14 — структуры, обнаруживаемые в тонких пленках; 15 — тетрагональная примитивная: 16 — тетрагональная объемноцентрированная — ОЦТ: 17 — тетрагональные предполагаемые; 18 — ромбоэдрическая; 19 — ромбоэдрическая предполагаемая; 20 — ромбическая гранецентрированная; 21 — ромбическая; 22 — ромбические предполагаемые; 23 — моноклинная примитивная; 24 — моноклинная базоцентрированная; 25 —моноклинные предполагаемые; 26 — триклинная; 27 — неизвестная; 28 — аморфная фаза.
Основные выводы из анализа структурно-кристаллографической таблицы следующие:
— в результате схематического "закрепления" за каждой аллотропной модификацией своей позиции для соответствующего химического элемента в таблице Д.И. Менделеева удалось установить закономерности изменения структуры простых веществ при фазовых превращениях, наглядно показанные в кристаллографической таблице;
— элементы групп 1а—УПа и девять элементов группы VIII названы элементами класса А, элементы групп 1Ь—УПЬ и нулевой группы — элементами класса В. Элементам класса А присущи р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.