大学化学, 2022, 37(11): 2112078-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202112078

知识介绍

“非整比化合物”概念辨析

王晓明1, 焦桓,1, 荆西平,2

1 陕西师范大学化学化工学院, 西安 710062

2 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871

What Is Nonstoichiometric Compound?

Wang Xiaoming1, Jiao Huan,1, Jing Xiping,2

1 School of Chemistry & Chemical Engineering, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China

2 College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

通讯作者: Email: jiaohuan@snnu.edu.cn (焦桓)Email: xpjing@pku.edu.cn (荆西平)

收稿日期: 2021-12-27   接受日期: 2022-01-20  

基金资助: 国家自然科学基金.  21371015
国家自然科学基金.  51972203
国家自然科学基金.  51672167

Received: 2021-12-27   Accepted: 2022-01-20  

Abstract

"Nonstoichiometric compound" is a widely accepted concept in solid-state chemistry and materials chemistry. However, in the literatures, the meaning of this concept is ambiguous. In this paper, based on the composition analyses for selected nonstoichiometric compounds, the relation among the defect, solid solution and the nonstoichiometric compound is built. According to the structure analyses for some examples, the essential difference between Daltonid and Berthollid, and the relation between the Berthollid and its parent compound are clarified. As a result, a comprehensive description for "nonstoichiometric compound" is given. Under certain conditions, crystalline inorganic materials (metals or compounds) may contain lattice defects (mainly vacancies, interstitials, substitutional defects, valence changed cation defects and so on) with high concentrations (quantitatively detectable by routine chemical methods), which can be considered as solid solutions. For the solid solutions with the compositions of their parent compounds at the boundaries of the solid solution ranges, the parent compounds are termed as Daltonids and the solid solutions are termed as "Daltonid solid solutions"; while no parent compounds can be found at the boundaries of the solid solution ranges, the solid solutions are named as Berthollids, their parent compounds (virtual compounds) may be located outside of the solid solution ranges. Since their compositions vary and deviate from the ratio of small natural number, as a broad concept, both Daltonid solid solutions and Berthollids are all considered as "nonstoichiometric compounds". Since real parent compounds do not exist, as a narrow concept, only Berthollids are regarded as "nonstoichiometric compounds".

Keywords: Nonstoichiometric compound ; Defect ; Solid solution ; Solid solution mechanism

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王晓明, 焦桓, 荆西平. “非整比化合物”概念辨析. 大学化学[J], 2022, 37(11): 2112078-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202112078

Wang Xiaoming. What Is Nonstoichiometric Compound?. University Chemistry[J], 2022, 37(11): 2112078-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202112078

18世纪末到19世纪初,法国化学家普罗斯(Joseph Louis Proust,1754–1826)和英国化学家戴维(Humphry Davy,1778–1892)分别发现了化合物组成的定比定律和倍比定律。在此基础上,英国化学家道尔顿(John Dalton,1766–1844)建立起了原子学说。道尔顿的原子学说指出,每一种元素的原子有其特定的质量,不同元素之间化合时,其原子个数之间呈现简单整数比,即形成整比化合物。当时的化学家关注的物质主要是小分子无机物,如CO、CO2、H2O和氮氧化物以及有机物,显然上述学说毋庸置疑是正确的。然而,当时的法国化学家柏托雷(Claude Louis Berthollet,1748–1822)却提出了与上述学说不同的观点。柏托雷认为:物质可与有相互亲和力的另一物质以任何比例相化合,即可以形成非整比化合物,他以溶液、玻璃、合金、一些金属氧化物(多价态金属离子氧化物)及一些碱式盐类为例支持自己的观点。现在我们知道,虽说溶液和大多数玻璃是均相物质,但不是结晶态物质,一般我们把它们看成混合物。合金可以有多种情况:金属间化合物、固溶体或多相混合物。固溶体是组成可变的均相物质,应该可以认为是“非整比化合物”,但当时一般把合金看作是混合物。可以形成多种价态离子的金属与氧气作用,在不同的氧分压条件下可以形成多种价态化合物或其混合物,且不同种化合物之间的比例也随氧分压条件而变化,如Pb可以形成Pb2O、PbO、Pb3O4和PbO2等物质。氧化铅中Pb/O比的变化是由于形成了含量不等的不同价态氧化铅的混合物。至于碱式盐类,据我们所知,更是容易形成多种水解状态不同的物质及其混合物,如用碱与CuSO4作用,可以形成CuSO4·2Cu(OH)2、CuSO4·3Cu(OH)2等碱式盐的混合物。当时,人们对无机固体化合物关注较少,柏托雷观点中的合理部分被忽略了。争论中,道尔顿的原子学说得到普遍接受,“不同元素之间原子按简单整数比化合”成为化学家的共识[1]。

20世纪初,苏联库尔纳克夫(Ииколей Семенович Курнаков,1860–1941)学派在利用物理化学分析法研究合金体系相图(构筑相图的方法当时被称为“物理化学分析法”)时发现,在二元体系相图中会出现两类中间固溶相,一类可以看作是各元素原子个数之间具有简单整数比物质形成的固溶体,称为“道尔顿体”;另一类不能看成是各元素原子个数之间具有简单整数比物质的固溶体,称为“柏托雷体”,被认为是“组成不确定化合物”,也可认为是“非整比化合物”(“道尔顿体”和“柏托雷体”的讨论见第2小节)[2, 3]。这时,人们开始接受不同元素之间原子可以非整比的比例化合的观点。20世纪30年代,无机固体物质的缺陷化学得到发展。欧美科学家基于对缺陷的认识,也普遍接受了“非整比化合物”的概念[2]。

虽然“非整比化合物”的概念已经出现上百年,在化学界也是普遍接受的概念。然而,追其究竟什么是“非整比化合物”?可能很多人并不能给出明确的答案。实际上文献中“非整比化合物”概念的含义也是含混的。20世纪50年代我国化学界受苏联化学界的影响比较大,那个时代成长的学者在相关的著作中都认为柏托雷体是组成可变物相,即“非整比化合物”[4, 5]。这个定义的含义是明确、清晰的,然而如何理解“柏托雷体”则是需要思考的。改革开放以来,我们与欧美学术界交流较多。现在国内外不少与固体化学和材料化学相关的专著和教科书中[6, 7],当涉及到“非整比化合物”的概念时,大多只是讨论一些含有较高浓度缺陷的物质的实例,如Fe1−xO、Ni1−xO,或更复杂的一些化合物,读者朦胧地感到“非整比化合物”是与缺陷相联系的概念。但对于究竟什么是“非整比化合物”,这些著作并没有给出明确的表述。庆幸的是,少数著作[8, 9]中对“非整比化合物”给出了明确的定义:“非整比化合物”是晶胞参数随组成变化的物相。这一定义包含的思想之一就是含较高缺陷浓度的物相是“非整比化合物”。然而,即使这些著作也没有按照定义通过实例完备地或尽可能完备地列举各种类型的“非整比化合物”,而仅是介绍了一些典型的实例。有些著作[2]在讨论“非整比化合物”时,既介绍了“柏托雷体”,又讨论了“缺陷非整比化合物”,然而,却没有讨论这两个概念的关系。还有些文献[10]简单地把苏联科学家提出的“柏托雷体”与欧美科学家提出的与缺陷联系的“非整比化合物”当作同一个概念,认为“非整比化合物”都是“柏托雷体”,都具有“柏托雷体”的特征。这反映了人们在理解“非整比化合物”概念时,存在认识上的混乱。

为了讨论问题的方便,我们将“非整比化合物是晶胞参数随组成变化的物相”称为“定义Ⅰ”;将“柏托雷体是非整比化合物”称为“定义Ⅱ”。本文拟通过实例分析来理解这两个定义的含义,在此基础上讨论两个定义的关系,使读者明晰“非整比化合物”的概念。

1 定义Ⅰ描述的“非整比化合物”

按照定义Ⅰ“非整比化合物”可以理解为含有一定量缺陷的物相。固体晶相物质中常见的缺陷有空位、填隙、取代及变价离子等。如果物相中含有这些缺陷,且含量足够高,就会引起晶胞参数的变化。其实,定义Ⅰ与固溶体的定义是一致的,也就是说各类固溶体就是“非整比化合物”。当然,能够成为“非整比化合物”的固溶体,其固溶度也要比较高。实际上,从缺陷方面理解“非整比化合物”与从固溶体方面理解本质上是一致的,只是表达的形式不同而已。为了很好地理解定义Ⅰ,我们需要对本文中使用的一些名词的含义做一些说明。

1.1 一些名词含义的说明

1.1.1 本征缺陷、变价缺陷和非本征缺陷

本文中的“缺陷”是指晶态物质中的点缺陷。各种缺陷我们用Kröger-Vink法表示。关于该方法的要点读者可参考固体化学或材料化学类教科书。一般教科书对本征缺陷的定义为:由组成金属的原子或化合物的离子偏离理想位置形成的缺陷,如金属间化合物ZnCu中Cu占据Zn格位形成的换位缺陷CuZn×;BaTiO3在还原气氛下热处理形成的氧空位VO×等。为了讨论问题方便,本文将掺入母体化合物中的某种母体组分原子或离子但未进入该组分理想格位而形成的缺陷也称为本征缺陷,如在氧气氛中处理La2CuO4形成的填隙氧离子Oi"。

化合物被氧化或还原后自身结构保持不变,而部分离子价态发生变化形成的缺陷称为变价缺陷,如TiO2在还原气氛处理下形成的Ti3+缺陷TiTi';MnO在氧气氛处理下占据氧八面体空隙的Mn2+被氧化成Mn3+并进入氧四面体空隙形成的缺陷Mni•••。变价缺陷可以占据原来的格位形成取代缺陷,如TiTi',也可以占据填隙位置形成填隙缺陷,如Mni•••。

向母体物相中掺入其他元素的原子或离子形成的缺陷称为非本征缺陷。非本征缺陷可以是等价取代缺陷,如Y2O3中掺入Eu3+离子形成的缺陷EuY×;也可以是填隙缺陷,如H进入金属Pd的填隙位置,Hi×,还可以是非等价取代缺陷,如在ZrO2中Y3+离子不等价地取代Zr4+离子,形成YZr'。

1.1.2 缺陷浓度、固溶体固溶度与非整比化合物

按照缺陷形成热力学可知,理想(无缺陷)晶体只有在绝对零度时才存在,而实际的晶态物质都处在绝对零度以上,因而晶格内都存在缺陷,似乎都可以认为是“非整比化合物”。在实际中,我们是把缺陷浓度高的那些物质认为是“非整比化合物”,而缺陷浓度低的物质认为是存在少量缺陷的“整比化合物”。苏勉曾先生在他的著作《固体化学导论》[2]中指出,这个缺陷浓度的界限可以定为用常量化学分析、X射线衍射及平衡蒸气压测定等方法可以显著检测的浓度。这是一个模糊的界限,可以认为物质的比浓度大约为1.0%。

从固溶体的概念出发,当A和B两种组分在高温下保温达到平衡后,根据相平衡理论可知组分A在A相中的化学势μ(A)A与A在B相中的化学势μ(A)B相等,即,μ(A)A = μ(A)B;同理,我们还可以得到μ(B)A = μ(B)B。这就是说,在两个组分达到平衡时,A中总会溶解一些B;同样,B中总会溶解一些A,其固溶度可高可低。这就是说,所有二元及以上体系都是可以形成固溶体的体系,也都是“非整比化合物”。然而在实际经验中,我们只是把固溶度大的物相认为是形成了固溶体,进而认为是“非整比化合物”;而固溶度小的物相不认为是形成了固溶体,而看作是含有少量掺杂缺陷的“整比化合物”。参考缺陷浓度界限的确定值,把固溶体是否形成的固溶度界限也确定为物质的量浓度~1.0%。

1.1.3 不形成“非整比化合物”的缺陷

虽然定义Ⅰ表示“非整比化合物”是由缺陷形成的,然而,并不是所有的缺陷都会导致“非整比化合物”的形成。如NaCl晶体在高温处理后生成Schottky缺陷,即钠空位VNa×和氯空位VCl×。由于VNa×和VCl×是成对出现的。如果不加入额外的Na蒸气或Cl2参与缺陷平衡,缺陷的形成并不改变阳离子和阴离子之间的比例,因而不会形成“非整比化合物”。同样,在AgCl中可以形成Frenkel缺陷,即银空位VAg'和填隙银Agi•,以及在β-黄铜ZnCu中会形成换位原子缺陷,即ZnCu×和CuZn×都属于这种情况。

1.2 非整比化合物的种类

表 1中我们根据定义Ⅰ列举了9类“非整比化合物”的组成及形成的机理。文中我们用形成“非整比化合物”缺陷对其归类。一些“非整比化合物”的形成仅涉及一种缺陷,我们用该缺陷对其进行归类。更多“非整比化合物”的形成涉及电荷补偿过程,因而晶格中存在两种或两种以上的缺陷,我们选择一种缺陷对其进行归类,其他缺陷看作是电荷补偿缺陷。本文中变价缺陷没有作为归类缺陷,而只作为电荷补偿缺陷;对于其他几类缺陷,哪类作为归类缺陷则根据讨论问题的需要而定。文中“非整比化合物”的形成机理用固溶体形成机理表示。在一些体系中,缺陷种类的确定也与母相的选择有关,如在NaxWO3中,如果选择WO3为母体,Nax就提填隙缺陷Nai•;如果选择NaWO3为母体,化合物中存在的缺陷就是Na空位VNa'。

表1   各种非整比化合物的组成、存在缺陷及形成机理

序号类别组成形成机理缺陷说明文献
1非本征填隙
原子缺陷类
PdHx
(0 ≤ x ≤ 0.7)
γ-FeCx
(0 ≤ x ≤ 0.1)
H2 = 2Hi×
C = Ci×
Hi×
Ci×
Pd为密堆积结构,H进入Pd的八面体空隙中;吸氢材料
C进入Fe构筑的填隙位置;1100 ℃下,x ≈ 0.1
[6]
2原子取代
缺陷类
Fe1−xZnx
(0 ≤ x ≤ 0.42)
Hf1−xScx
(0 ≤ x ≤ 1.0)
Zn = ZnFe×
富Hf固溶体:Sc = ScHf×
富Sc固溶体:Hf = HfSc×
ZnFe×
ScHf×
HfSc×
Zn (r = 0.133 nm)和Fe (r = 0.124 nm)原子半径接近。Zn占据Fe的格位,782 ℃下溶解度达x = 0.42
Sc (r = 0.165 nm)和Hf (r = 0.160 nm)原子半径接近;两者可以互相取代
[11]
3本征填隙阳离子缺陷Li2+4xTi1−xO3
(0 ≤ x ≤ 0.08)
2Li2O = LiTi[O]"' +
3Lii[T]• + 2OO×
Li"'Ti[O],Lii[T]•Li+ (r = 0.076 nm)和Ti4+ (r = 0.0605 nm)价态差别较大,但半径接近,这里,4个Li+可以取代1个Ti4+,1个占据八面体空隙[O],其余3个占据四面体空隙[T][6, 12]
4本征填隙阴离子缺陷类La2CuO4+x
(0 ≤ x ≤ 0.09)
CuCu× +1/2O2 = 2CuCu• + Oi"Oi",CuCu•Cu3+ (CuCu•)含量2x。形成Oi"需要铜的变价缺陷CuCu•进行电荷补偿。含有Oi"的材料是超导体,超导转变温度35 K[13]
5本征阳离子
空位缺陷类
Mn1−xO
(0 ≤ x ≤ 0.18)
Fe1−xO
(0.045 ≤ x ≤ 0.20)
2MM× + 1/2O2 = 2Mi[T]••• +
3VM[O]" + OO×
(M = Mn, Fe)
Mi[T]•••,VM[O]"
(M = Mn, Fe)
O2将M2+氧化为M3+,O2−进入晶格形成八面体格位的阳离子空位VM[O]",M3+进入四面体格位形成填隙Mi[T]••• (含量为2x)。Mn1−xO中固溶体组成可以从x = 0开始;而Fe1-xO中x ≠ 0[9]
6本征阴离子
空位缺陷类
Y2Ti2O7−x
(0 ≤ x → 1.0)
OO× + TiTi× = VO• + TiTi' +1/2O2VO•,TiTi'低氧分压或还原性气氛下,O2−会溢出,在晶格中形成VO×。VO×部分电离成VO•,将Ti4+还原成Ti3+ (TiTi')。合适的还原条件可使x值接近1。存在氧空位的物相颜色变深,电导率增加[14]
7非本征填隙
阳离子缺陷类
NaxWO3
(0 ≤ x ≤ 1.0)
LixTiS2
(0 ≤ x ≤ 1.0)
Na + Ww× = Nai• + Ww'
Li + TiTi× = Lii• + TiTi'
Nai•,Ww'
Lii•,TiTi'
WO3被Na适度地还原后,颜色由浅黄变蓝色,电导率提高。W5+ (Ww')含量为x
TiS2是层状结构,控制反应速度可以使Li+进入层间,这一过程是锂离子电池负极放电过程。Ti3+ (TiTi')含量为x
[6]
8阳离子取代
缺陷类
等价取代:
(Ca1−xSrx)5(PO4)3Cl
(0 ≤ x ≤ 1.0)
富Ca固溶体:
SrO = SrCa× + OO×
富Sr固溶体:
CaO = CaSr× + OO×
SrCa×
CaSr×
M5(PO4)3Cl [M = Ca2+ (r = 0.10 nm),Sr2+ (r = 0.118 nm),Ba2+ (r = 1.35 nm)]具有磷灰石结构。Ca相和Sr相及Sr相和Ba相形成全范围固溶体,Ca相和Ba相只形成部分固溶体。在该体系中掺入Eu2+可以获得蓝色或蓝绿色荧光,分别用于三基色或高显色荧光灯中[15]
高价取代:
Ba6-3xNd8+2xTi18O54 (0.25 ≤ x ≤ 0.75)
Nd2O3 = 2NdBa• + VBa" + 3OO×NdBa•,VBa"
阳离子空位补偿:2个Nd3+取代3个Ba2+,生成1个VBa"补偿价态不平衡。固溶体范围不能伸展到x = 0。重要的电介质材料[16]
Ca1−xYxF2+x
(0 ≤ x ≤ 0.38)
YF3 = YCa• + Fi'YCa•,Fi'填隙阴离子补偿:Y3+取代Ca2+,增加Fi'补偿价态不平衡[6]
Sr1−xNdxCuO2 (0 ≤ x ≮ 0.16)2Nd2O3 + 4CuO = 4NdSr• + 4CuCu' + 8OO× + O2NdSr•,CuCu'阳离子变价(降价)补偿:Nd3+取代Sr2+,Cu2+降价为Cu+ (CuCu',含量约为x)补偿价态不平衡。还原气氛处理。含有CuCu'的物相是超导材料,转变温度约为40 K[17]
低价取代:
Zr1−xYxO2−x/2
(0 ≤ x ≤ 0.70)
Y2O3 = 2YZr' + VO•• + 3OO×YZr',VO••阴离子空位补偿:Y3+占据Zr4+格位,产生1个VO••补偿价态不平衡。掺Y量x ≈ 0.05时,正交晶系,增韧陶瓷;掺杂量x > 0.15,氧离子导体[18]
Li1+xAl1+xSi2−xO8
(0 ≤ x ≤ 0.14)
LiAlO2 = Lii• + AlSi' + 2OO×AlSi',Lii•本征填隙阳离子补偿:Al3+取代Si4+,占据其格位,引入Lii•补偿价态不平衡[6]
La2−xCaxCuO4
(0 ≤ x ≮ 0.30)
CaO + CuO + 1/4O2 ↔ CaLa′ + CuCu• + 2.5OO×CaLa′,CuCu•阳离子变价(升价)补偿:Ca2+取代La3+,在氧化气氛中处理,Cu2+升价为Cu3+ (CuCu•,含量为x)。超导转变温度~20 K[17]
9阴离子取代
缺陷类
等价取代:
BaFCl1−xBrx
(0.0 ≤ x ≤ 1.0)
不等价取代:
Y4Al2−2xSi2xO9−2xN2x (0.0 ≤ x ≤ 0.4)
富Cl固溶体:
BaBr2 = BaBa× + 2BrCl×
富Br固溶体:
BaCl2 = BaBa× + 2ClBr×
Si2ON2 = 2NO' + 2SiAl• + OO×
BrCl×
ClBr×
NO',OO×
BaFX [X = Cl (r = 0.181 nm), Br (r = 0.196 nm), Ba (r = 0.220 nm)]具有氟氯铅矿结构。Cl相和Br相及Br相和I相形成全范围固溶体,Cl相和I相形成很窄的部分固溶体。在该体系中掺入Eu2+发射近紫外到紫色荧光,用于X射线增感屏或存储屏中
在N3−取代O2−时,Si4+同时取代Al3+进行电荷补偿
[19]
[20]

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从表 1中可以看到,在第1类和第2类非整比化合物以及第8类和第9类中的等价取代非整比化合物中,前两类是由电中性原子形成缺陷,后两类是等价阳离子或阴离子相互取代缺陷。由于形成的缺陷不影响化合物的电中性,因而,在这几类非整比化合物中只存在一种缺陷。对于其他类非整比化合物,由于仅形成一种缺陷化合物的电荷是不平衡的,因而这些非整比化合物中都存在两种电荷相反的缺陷。还可以发现,大多数非整比化合物的固溶体组成范围都可以延伸至x = 0,即母体化合物的组成在固溶体边界上。然而有几种其固溶体范围不能延伸至x = 0,如第5类中的Fe1−xO和第8类中的Ba6−3xNd8+2xTi18O54,这是我们后面要讨论的柏托雷体。

表 1中大部分非整比化合物涉及的缺陷都是中性原子或阳离子缺陷,而阴离子缺陷要少得多,一方面是阴离子种类远少于阳离子,另一方面,一些阴离子之间的性质差别较大,实验中连续调控这些阴离子在固体化合物中的含量是较为困难的。

2 定义Ⅱ对非整比化合物的描述

2.1 “道尔顿体”和“柏托雷体”

为了更好地理解定义Ⅱ的含义,我们需要理解“道尔顿体”和“柏托雷体”。

前面提到,苏联库尔纳克夫学派在研究合金相图时,发现有两种中间固溶相“道尔顿体”和“柏托雷体”。其实,这两种固溶相在化合物相图中也会出现。本文将通过分析实际相图中出现的“道尔顿体”和“柏托雷体”的组成和结构来理解定义Ⅱ的含义。

图 1是ZrO2-La2O3二元体系相图(局部)示意图[21]。中间固溶相P的固相线和液相线在M处相交,且为奇异点(连续但不可求导数);M点的组成对应一个各元素原子个数之间成简单整数比的化学式La2Zr2O7,这是一个具有焦氯石结构的化合物,固溶相P是“整比化合物”La2Zr2O7的固溶体。按以往教科书[5]定义,化合物La2Zr2O7和整个固溶相P一起称为“道尔顿体”。为了对“非整比化合物”这个概念有一个明确的认识,本文认为应该把化合物La2Zr2O7称为“整比化合物”或“道尔顿体”,而把与该化合物相关的固溶体P相称为“道尔顿固溶体”。其实“道尔顿体固溶体”P相不是一种固溶体,而是两种。组成在La2Zr2O7的左边(ZrO2含量增加的方向),固溶体的通式是La2−4x(VLa)xZr2+3xO7,简写为La2−4xZr2+3xO7,固溶机理为:3ZrO2 = 3ZrLa• + 6OO× + VLa''',即3个Zr4+(高价阳离子)取代3个La3+ (低价阳离子),形成3个ZrLa•缺陷,同时形成1个La3+空位VLa'''补偿电荷,即“高价阳离子取代-阳离子空位”机理,与表 1第8类中Ba6-3xNd8+2xTi18O54固溶机理类似。从相图可知,P相中La2O3含量的下限为物质的量浓度26%,可以推出固溶体通式中变量x的范围为:0 ≤ x ≤ 0.10。而组成在La2Zr2O7的右边(La2O3含量增加的方向)时,固溶体的通式是La2+2yZr2−2yO7−y(VO)y,简写为La2+2yZr2−2yO7−y,固溶机理为:La2O3 = 2LaZr' + 3OO× + Vo••,即2个La3+ (低价阳离子)取代2个Zr4+ (高价阳离子),形成2个LaZr'缺陷,同时形成1个O2−空位VO••补偿电荷,即“低价阳离子取代-氧空位”机理,与表 1第8类中Zr1−xYxO2−x/2固溶机理类似。同样根据相图提供的P相La2O3含量的上限(物质的量浓度42%),可以推出固溶体通式中变量y的范围为:0 ≤ y ≤ 0.18。由于在两个区域固溶机理不同,因而,如果我们测量固溶体的物理性质随组成的变化,如密度、导电率等,这些物理性质的变化曲线在M点也会是奇异点。这里我们可以将“道尔顿体”概念的外延加以拓展:“道尔顿体”不一定必须是二元体系的中间相,只要是各元素原子个数之间符合简单整数比的化合物都是“道尔顿体”,以“道尔顿体”为母体生成的固溶体都是“道尔顿体固溶体”。换句话,凡是母体组成处在固溶区边界上的固溶体都是“道尔顿固溶体”,即固溶变量(如x)可以从0开始,其母体化合物是“道尔顿体”。

图1

图1   ZrO2-La2O3二元体系相图(局部)示意图[21]


图 2是V2O5-CaV2O5二元体系相图示意图[21]。固溶体中间相(β相)的固相线和液相线在M处相切,M点不是奇异点(连续且可求导)。对于M点对应的组成,各元素原子个数之间不是简单整数比,这类固溶体被称为“柏托雷体”,或“组成不确定化合物”,也称“非整比化合物”。“柏托雷体”还会以图 3相图中的ζ相的形式出现[11]:ζ固溶相是一个转熔相,但P点的组成不对应一个各元素原子个数之间呈现简单整数比的化学式。

图2

图2   V2O5-CaV2O5二元体系相图示意图[21]


图3

图3   Fe-Zn二元体系相图(局部)示意图[21]


“柏托雷体”是一个固溶体。如果测量固溶体的物理性质,其性质-组成关系曲线在整个固溶区内是光滑的,没有奇异点(连续且可求导)。也许在固溶区内某个组成碰巧可以使各元素原子个数之间呈简单整数比,但在这一点上各种“性质-组成关系曲线”均不是奇异点,故不能把这一点组成看作固溶体母体的组成。

那么如何理解“柏托雷体”这种“没有母体化合物”的固溶体?早期,人们提出了“虚化合物”(或“鬼化合物”)的概念作为母体化合物来理解“柏托雷体”。何为“虚化合物”?对于二元体系,“柏托雷体”的两个边界线之外各自存在一个组成点(图 2),或某一个边界线之外存在一个组成点(图 3),在这些点上各元素原子个数之间呈简单整数比,我们设想“柏托雷体”的母体化合物位于这些组成点上。由于这些化合物实际上是不能稳定存在的,故称其为“虚化合物”。“虚化合物”的组成位置可以在相图内,也可以在相图边界上,即与相图组元的组成一致。如图 2中,我们外推β相的液相线和固相线,得到两个“虚化合物”,其组成分别与相图的两个组元一致,我们记作q-V2O5和q-CaV2O5。这样从形式看,β相可以看成由“虚化合物”q-V2O5和q-CaV2O5形成的一种固相线和液相线具有热极大点的固溶体,其固溶体通式为:CaxV2O5。然而,与通常具有热极大点的固溶体不同,“柏托雷”固溶体的组成不能覆盖x = 0.0–1.0的整个范围,而只能在一个有限的区域内变化:0.17 ≤ x ≤ 0.33。对于图 3中“柏托雷体” ζ相,从相图数据可以大致推出固溶体的组成通式及固溶范围为:Fe1−xZnxZn6 (0.48 < x < 0.57)。外推其固相线和液相线(或外推组成到x = 0),可以得到固溶体的“虚化合物”母体FeZn6。

“虚化合物”概念的提出,为理解“柏托雷体”的形成提供了一种思路。然而,由于“虚化合物”的确定仅是从组成考虑的,使得这一概念还存在诸多问题,不能被普遍接受。实验中确定的液相线和固相线有一定的误差,用其外推“虚化合物”的位置会受一定的人为因素影响。如果推测的“虚化合物”与组元化合物组成一致,这种情况如何理解?如以上讨论的V2O5-CaV2O5二元体系中β相的母体“虚化合物”。“虚化合物”q-V2O5和q-CaV2O5与实际稳定存在的组元化合物V2O5和CaV2O5是什么关系?如果它们是相同的化合物,为何固溶体不能从x = 0开始扩展到β相的区域;如果它们是不同的,那么q-V2O5和q-CaV2O5的物理本质是什么?要理解这些问题,必须从结构分析入手。

2.2 “道尔顿体”和“柏托雷体”

20世纪50年代,苏联科学家包基[3]通过分析“柏托雷体”的结构,提出了“虚化合物”是具有“柏托雷体”结构极限组成的假设化合物的观点。这一观点的提出既确定了“虚化合物”客观性和物理本质,也合理地解释了“柏托雷体”的形成原因。然而,遗憾的是虽然包基的观点当时就被介绍到了国内,但由于那时候无机化学家对结构分析不熟悉,结构分析是结构化学家的工作,包基的观点没有被普遍理解,大家一直觉得“柏托雷体”是费解的[5]。随着化学学科的发展,以及改革开放40多年来我们国家的科研条件的巨大改善,现在,结构分析已经成为无机化学家的基本研究手段,这为我们从晶体结构的层次理解“柏托雷体”铺平了道路。本节我们将通过分析图 2和图 3相图中β相和ζ相的结构来理解“柏托雷体”的形成原因。β相贝多莱体CaxV2O5具有V2O5构成的层状结构,可变含量的Ca2+离子处于层间的相应格位(图 4)。外推的虚拟母体为不含Ca2+离子的层状结构q-V2O5和Ca2+离子充满层间相应格位的q-CaV2O5。相图中实际组元V2O5和CaV2O5为剪切钙钛矿结构(图 4)。β相贝多莱体CaxV2O5可以看成是由“虚拟母体”q-V2O5和q-CaV2O5形成的固溶体,母体组成不在固溶体边沿,而在固溶体之外,固溶体只在有限的范围(0.17 ≤ x ≤ 0.33)内稳定存在。

图4

图4   CaxV2O5 (β相,ICSD 56460),虚拟母相q-V2O5和q-CaV2O5及真实物相V2O5 (ICSD 99808)和CaV2O5 (ICSD 82689)的晶体结构


β相的固溶机理是:向具有层状结构的q-V2O5中掺入金属Ca,Ca将V5+离子(VV×)还原为V4+离子(VV'),自身变为Ca2+进入填隙位置(Cai••),即Ca + 2VV× = Cai•• + 2VV';固溶体通式为:CaV2−2x5+V2x4+O5,当Ca2+离子和V4+离子的量处于合适的范围,β相才能稳定存在。该机理可以被称为“非本征阳离子填隙-阳离子变价”机理,与表 1第7类中NaxWO3的机理属于一类。

ζ相结构见图 5,晶胞中包含24个Zn原子格位和4个Fe/Zn混占格位。通过该物相的晶体结构可以明确地推出固溶体通式,并利用相图数据推出固溶体范围:Fe1−xZnxZn6 (0.48 < x < 0.57)。将固溶体组成外推至x = 0,得到ζ相的虚拟母体化合物的组成为FeZn6,该组成在固溶体范围之外(见图 3)。ζ相的固溶机理是在Fe/Zn混占的格位上Fe和Zn相互取代,但取代量不能伸展至x = 0或x = 1,而ζ相只能在0.48 < x < 0.57的范围内稳定存在。文献中[22]用Fe/Zn符合简单整数比的FeZn13表示ζ相的组成。如果仅从组成分析结果出发,很难确定FeZn13是不是ζ相的母体分子式;而利用结构分析结果很容易确定FeZn13不是ζ相的母体,而只是x = 0.5的一个固溶体。

图5

图5   固溶体相Fe1-xZnxZn6 (ζ相)的晶体结构(ICSD 103707)


有两点需要强调:1) 与道尔顿体不同,柏托雷体的固溶变量(如x)不能从0开始,也不能延续到1.0,也就是说,“柏托雷体”的母体化合物(虚化合物)其组成不在固溶区边界上,而在固溶区以外。2) “虚拟母体”最根本的特征是“结构虚拟”,而不一定是“组成虚拟”。

2.3 “道尔顿固溶体”和“柏托雷体”的确认

对于合金和熔盐体系,由于其熔点较低我们容易得到从室温到物质熔点以上的全部物相关系信息,因而可以根据体系中形成的固溶体的液相线和固相线的特征(是否有奇异点)来判断该固溶体是“道尔顿固溶体”或“柏托雷体”。而对于陶瓷材料体系,由于其熔点较高,常常不易得到熔点附近的相关系信息。这种情况下我们如何判断?

前面提到,除了液相线和固相线的特征外,“道尔顿固溶体”的另一个特征是固溶体母体组成在固溶区的边界,也就是固溶变量可以从0开始。通过这一特征,我们可以确定固溶体是否是“道尔顿体”。

相反,“柏托雷体”的母体组成不在固溶区边界,而在固溶区之外,即固溶变量不能从0开始。对于一种固溶体物质,通过分析其晶体结构可以确定其固溶机理,进而确定其固溶体化学组成通式。外推固溶体结构的极限组成,考察固溶变量的范围。如果极限组成在固溶区外,固溶变量不能从0开始,则该固溶体为“柏托雷体”。前文第2小节的实例中,Fe1−xO和Ba6−3xNd8+2xTi18O54两种“非整比化合物”的极限组成都在固溶区之外,且固溶变量都不能为0,它们都是“柏托雷体”。

有些固溶体在较低温度下,固溶区较窄,固溶变量不能从0开始。但随着温度的升高,固溶区不断扩展,到某一高温时,固溶区可以扩展到固溶变量为0,这类固溶体应该认为是“道尔顿固溶体”,如掺Y3+离子的立方ZrO2。对于一种新研究的固溶体物质,如果在获得高温数据之前可以确定固溶变量不能从0开始,我们可以暂且将其认为是“柏托雷体”。

3 定义Ⅰ与定义Ⅱ的比较

根据以上分析,我们可以用相同的术语表述“非整比化合物”的定义Ⅰ和定义Ⅱ,从而使我们可以理解这两种定义的联系和区别。

前文第1小节中,我们根据定义Ⅰ列举了9类固溶体。如果按固溶变量是否可以从0开始,所有的实例可以分为两类:Fe1−xO和Ba6−3xNd8+2xTi18O54两种固溶体的固溶变量x不能从0开始,我们认为这类固溶体是“柏托雷体”;其余的实例其固溶变量都是从0开始,即这些实例我们认为都是“道尔顿固溶体”。我们可以把“道尔顿固溶体”和“柏托雷体”的概念融入定义Ⅰ中:包含高浓度缺陷的晶态物质可以用固溶体的形式表示其组成,固溶体包含“道尔顿固溶体”和“柏托雷体”两种类型,这两类固溶体都是“非整比化合物”。

用相同的术语表述定义Ⅱ:固溶体有“道尔顿固溶体”和“柏托雷体”两种类型,“道尔顿体”是“整比化合物(道尔顿体)”的固溶体,而“柏托雷体”是“非整比化合物”。

显然,定义Ⅰ是一个广义的定义,而定义Ⅱ是一个狭义的定义。

4 结语

本文通过实例分析讨论了“非整比化合物”两个定义的含义及其它们之间的关系。定义Ⅰ是一个关于“非整比化合物”的广义定义,而定义Ⅱ是一个狭义的定义。虽然在文献中“非整比化合物”的概念有些含混,但大多数化学家还是不自觉地采用定义Ⅰ来理解“非整比化合物”的概念。然而定义Ⅰ中没有“道尔顿体”和“柏托雷体”的概念,忽视了“柏托雷体”这种在组成和结构上具有特殊性的固溶体的存在。我们认为,对于“非整比化合物”,采用广义的定义Ⅰ是合适的,但需对“柏托雷体”的存在和特点给予重视。由于多个因素要考虑,给“非整比化合物”一个简洁的定义有些困难,为此我们只能对“非整比化合物”的概念给予说明:在一定的条件下,晶态无机物质(包括金属和化合物)晶格中可以形成高浓度缺陷(用常规化学方法可定量检测)的状态,缺陷的主要种类有空位、填隙、取代和变价等。这种含有高浓度缺陷的物质可以用固溶体的形式表示其组成,母体组成处于固溶区边界的固溶体称为“道尔顿固溶体”,其母体是“整比化合物”,也称为“道尔顿体”;母体组成在固溶区以外的称为“柏托雷体”,其母体为“虚化合物”。由于其组成可变,且各元素原子个数比偏离简单整数比,广义的“非整比化合物”包含“道尔顿固溶体”和“柏托雷体”。由于不存在真实的母体化合物,狭义的“非整比化合物”仅指“柏托雷体”。

在本文的讨论中,我们实际上假设这些缺陷在晶格中是随机均匀分布的。这种简化的假设对于讨论“非整比化合物”的基本概念是有利的。实际上,缺陷在晶格中会发生聚集成簇、有序化以及形成剪切结构等丰富多彩的情况。对这些内容感兴趣的读者可以阅读固体化学、材料化学以及缺陷化学等方面的教科书和专著。

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