Synthesis and study thermodynamic properties of germanates CaYb2Ge4O12 and CaLu2Ge4O12 the range 320–1000 K
- Authors: Denisova L.T.1, Belokopytova D.V.1, Kargin Y.F.2, Vasil’ev G.V.1, Belousova N.V.1, Denisov V.M.1
-
Affiliations:
- Siberian Federal University
- Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 69, No 9 (2024)
- Pages: 1277-1283
- Section: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
- URL: https://journal-vniispk.ru/0044-457X/article/view/280393
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044457X24090079
- EDN: https://elibrary.ru/JSUGAX
- ID: 280393
Cite item
Full Text
Abstract
Solid-phase synthesis of CaYb2Ge4O12 and CaLu2Ge4O12 was carried out from the initial oxides of CaO, Yb2O3 (Lu2O3) and GeO2 by firing in air at temperatures of 1223–1423 K. The crystal structure of the synthesized germanates was determined by X-ray diffraction. The high-temperature heat capacity in the temperature range of 320-1050 K was measured by differential scanning calorimetry. It has been established that the obtained data on heat capacity are well described by the Mayr-Kelly equation:
Cp(CaYb2Ge4O12) = ,
Cp(CaLu2Ge4O12) = .
Based on these results, the main thermodynamic properties of oxide compounds were calculated.
Full Text
Введение
Сложные оксидные соединения на основе GeO2 длительное время привлекают внимание исследователей [1–5]. Это связано с широкими возможностями их практического применения. При этом исследуются как известные соединения, так и полученные недавно. К последним можно отнести соединения с общей формулой CaR2Ge4O12 (R – редкоземельные элементы) [6–10]. Поскольку они перспективны для применения в качестве материалов для лазеров и люминофоров, основное внимание исследователей было уделено изучению их кристаллической структуры и оптических свойств. Практически полностью отсутствуют сведения по теплофизическим свойствам этих соединений, тогда как использование таких материалов на практике предполагает знание их поведения в условиях эксплуатации при различных температурах. К подобным материалам относятся соединения CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12. Диаграммы состояния систем CaO‒Yb2O3‒GeO2 и CaO‒Lu2O3‒GeO2 полностью не построены, а имеющиеся данные относятся к граничащим бинарным системам. Для компьютерного моделирования фазовых равновесий необходимы надежные результаты по термодинамическим свойствам всех образующихся соединений. К настоящему времени данные о высокотемпературной теплоемкости соединений CaR2Ge4O12 имеются только для CaY2Ge4O12 [11], CaEu2Ge4O12 и CaHo2Ge4O12 [12]. Для CaLu2Ge4O12 получены данные только по коэффициентам уравнения Майера–Келли [13].
Цель настоящей работы ‒ синтез, исследование высокотемпературной теплоемкости (320‒1050 K) и расчет по экспериментальным данным термодинамических свойств германатов CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12.
Экспериментальная часть
Германаты CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 получали по стандартной керамической методике. Исходные оксиды CaO (ос. ч.), Yb2O3 (99.99%), Lu2O3 (99.98%) и GeO2 (99.999%) предварительно прокаливали на воздухе при 773 K. Стехиометрическую смесь CaO, Yb2O3 и GeO2 перетирали в агатовой ступке. Затем на гидравлическом прессе при давлении ~150 МПа формировали таблетки диаметром 20 мм и толщиной ~3 мм, которые обжигали на воздухе в тиглях из оксида бериллия. Поскольку температура плавления CaYb2Ge4O12 неизвестна, температуру обжига подбирали экспериментально. При этом принимали во внимание инконгруэнтный характер плавления CaY2Ge4O12 в области 1503‒1523 K [14]. Обжиг вели при температурах 1223 (10 ч) и 1373 K (10 + 15 ч). После каждого цикла таблетки перетирали и снова прессовали. Контроль фазового состава осуществляли с помощью дифрактометра D8 ADVANCE фирмы Bruker с линейным детектором VANTEC-1 (CuKα-излучение, 2θ = 8°–120°, шаг 0.014°). Уточнение Ритвельда проводили в программе TOPAS 4.2 [15]. Рентгенофазовый анализ показал, что в образцах содержится 30.74% основной фазы, а также Yb2Ge2O7, Yb2GeO5 и Ca2Ge7O16. После этого состав был откорректирован до стехиометрического добавлением CaO и GeO2. После обжига при 1423 K (10 + 10 ч) содержание основной фазы увеличилось до 78.97% (основная примесь Yb2Ge2O7). Дальнейший обжиг при этой температуре (4 раза по 10 ч) позволил увеличить содержание CaYb2Ge4O12 до 96.66%. Дополнительный обжиг (3 раза по 10 ч) привел к содержанию основной фазы 98.51%. Добавление CaO и GeO2 до стехиометрического состава и термообработка при 1373 (15 ч) и 1423 K (10 ч) с перетираниями и прессованием через каждые 5 ч позволили получить однофазные образцы CaYb2Ge4O12.
В то же время однофазный германат CaLu2Ge4O12 по описанной выше технологии получить не удалось. Поэтому для его синтеза использовали другой метод. Предварительно прокаленные исходные оксиды гомогенизировали в планетарной шаровой мельнице PM 100 (Retsch, Германия; стаканы и мелящие шары из ZrO2) в этаноле. После механоактивации в течение 6 ч при 250 об/мин образцы сушили и прессовали в таблетки, которые обжигали на воздухе при 1223 K в течение 10 ч. Затем гомогенизацию в шаровой мельнице повторяли при тех же условиях с последующим обжигом при 1373 (20 ч) и 1403 K (10 ч). Содержание основной фазы после этого составляло 83.06% (основная примесь Lu2Ge2O7). После добавления CaO и GeO2 до стехиометрического состава образцы подвергали термической обработке при 1373 K в течение 10 ч (содержание целевого продукта увеличилось до 85.74%). Эту операцию снова повторяли с обжигом при 1423 K (20 ч). В результате получены однофазные образцы CaLu2Ge4O12. На рис. 1 приведены дифрактограммы синтезированных германатов при комнатной температуре.
Рис. 1. Экспериментальный (1), расчетный (2) и разностный (3) профили рентгенограмм CaYb2Ge4O12 (а) и CaLu2Ge4O12 (б) после уточнения методом Ритвельда; штрихи указывают расчетные положение рефлексов
Параметры элементарных ячеек синтезированных германатов в сравнении с данными работы [16] приведены в табл. 1 и на рис. 2. Из рис. 2 видно, что с уменьшением радиуса ионов РЗМ () значения параметров (a, c и V) элементарной ячейки германатов CaR2Ge4O12 закономерно снижаются. Эти данные хорошо описываются линейными уравнениями:
(1)
(2)
(3)
Полученные нами параметры элементарной ячейки CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 достаточно хорошо согласуются с результатами [16]. Значения радиусов редкоземельных ионов взяты из работы [17].
Таблица 1. Параметры элементарных ячеек CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12
Параметры | CaYb2Ge4O12 | CaLu2Ge4O12 | ||
Пр. гр. | P4/nbm | P4/nbm | P4/nbm | P4/nbm |
a, Å | 9.93093(6) | 9.92787(7) | 9.91164(5) | 9.9123(3) |
c, Å | 5.04018(4) | 5.03951(4) | 5.03201(4) | 5.0293(3) |
V, Å3 | 497.079 | 496.707 | 494.348 | 494.147 |
Источник | Настоящая работа | [16] | Настоящая работа | [16] |
Рис. 2. Зависимости параметров a, c и V элементарной ячейки германатов CaR2Ge4O12 (R = Eu – Lu) от ионного радиуса ионов РЗМ (): 1, 4 – [16]; 2, 5 – [12]; 3, 6 – настоящая работа (а); 1 – [16], 2 – [12], 3 – настоящая работа (б)
Теплоемкость германатов измеряли методом дифференциальной сканирующей калориметрии по стандартной методике на термоанализаторе STA 449 C Jupiter (Netzsch, Германия). Подробная методика экспериментов описана нами ранее [18]. Измерения проводили на воздухе в динамическом режиме, скорость нагревания составляла 20 град/мин. Ошибка измерения теплоемкости не превышала 2%. Полученные экспериментальные данные аппроксимировали с помощью лицензионного программного инструмента Systat Sigma Plot (Systat Softwere Inc., США).
Результаты и обсуждение
Полученные нами данные по высокотемпературной теплоемкости CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 показаны на рис. 3. Значения теплоемкости плавно увеличиваются с ростом температуры от 320 до 1050 K, а на зависимостях Cp = f(T) нет разных экстремумов. Это дает основание считать, что у данных германатов в указанной области температур нет полиморфных превращений. Экспериментальные результаты по теплоемкости хорошо описываются уравнением Майера‒Келли [19]:
Cp = a + bT + cT-2, (4)
которое для CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 имеет соответственно следующий вид:
, (5)
. (6)
Коэффициенты корреляции для уравнений (5) и (6) равны 0.9981 и 0.9980, а максимальные отклонения экспериментальных точек от сглаживающих кривых составляют 1.73 и 1.43% соответственно.
Рис. 3. Влияние температуры на молярную теплоемкость CaYb2Ge4O12 (а) и CaLu2Ge4O12 (б): 1 – эксперимент, 2 – расчет по уравнению (7), 3 – расчет по уравнению (8), сплошная линия – аппроксимирующая кривая
Поскольку другие данные по теплоемкости германатов CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 отсутствуют, сравнение полученных нами зависимостей Cp = f(T) проводили с рассчитанными по методу Неймана–Коппа (НК) [20, 21]. Расчет НК выполняли по следующим уравнениям:
Cp(CaR2Ge4O12) = Cp(CaO) + Cp(R2O3) + + 4Cp(GeO2), (7)
Cp(CaR2Ge4O12) = Cp(CaO) + Cp(R2Ge2O7) + + 2Cp(GeO2). (8)
При этом исходили из того, что суммирование свойств более крупных “псевдокомпонентов” дает лучшее согласие с экспериментом [20, 22]. Для расчета Cp сложных оксидных соединений использовали следующие данные по температурной зависимости теплоемкости CaO [23], Yb2Ge2O7, Lu2Ge2O7 [24] и GeO2 [25]. Полученные результаты показаны на рис. 3 (кривые 2 и 3). Можно отметить, что для германата CaYb2Ge4O12 наблюдается хорошее совпадение рассчитанных и экспериментальных значений теплоемкости во всем исследованном интервале температур. В то же время для CaLu2Ge4O12 такое совпадение наблюдается только до 600 K. Можно отметить, что расчет Cp по реакции (8) (НК2) дает лучшее согласие с экспериментом по сравнению с расчетом по реакции (7) (НК1).
Для расчета Cp = f(T) используются и другие методы: 1) Эрдоса и Черны [26, 27], 2) Кубашевского [27, 28], 3) групповых вкладов [29]. В первом случае нужны значения теплоемкости вещества-эталона, которые в литературе довольно часто отсутствуют. Во втором методе используется уравнение (4), параметры a, b и c которого рассчитываются при известных значениях Cp,298 и Тпл. Для германатов CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 сведения о температуре плавления отсутствуют. Достоинством метода групповых вкладов является отсутствие необходимости использования дополнительных сведений о свойствах анализируемых соединений. В его основе лежит уравнение:
. (9)
параметры a, b, c, d которого в работе [29] приведены в виде таблиц. Расчет Cp = f(T) по уравнению (9) показал (на рис. 3 эти данные не приведены), что только при низких температурах рассчитанные значения Cp близки к экспериментальным результатам. Затем по мере роста температуры наблюдается все большее их различие. Подобное явление было отмечено как самими авторами метода [29], так и в проведенном анализе использования метода групповых вкладов для прогнозирования температурной зависимости теплоемкости различных оксидных соединений [30].
Значения Cp,298, найденные по уравнениям (5) и (6), можно сравнить с величинами, рассчитанными по различным модельным представлениям: НК1, НК2 и инкрементным методом Кумока (ИМК) [31]. Эти результаты приведены в табл. 2. Из нее следует, что лучшее согласие с экспериментом дают НК2 и ИМК.
Таблица 2. Сравнение экспериментальных значений теплоемкости при 298 K с рассчитанными по модельным представлениям для CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 (Дж/(моль K))
Соединение | Эксперимент | НК1 | НК2 | ИМК |
CaYb2Ge4O12 | 381.38 | 365.58 (–5.45) | 378.72 (–0.70) | 384.90 (0.92) |
CaLu2Ge4O12 | 366.00 | 351.95 (–3.84) | 366.32 (0.09) | 377.10 (3.03) |
Примечание. В скобках указано отклонение, %.
На основании полученных данных по теплоемкости в изученном температурном интервале (уравнения (5) и (6)) рассчитаны термодинамические свойства CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12. Эти результаты приведены в табл. 3. Более низкие значения теплоемкости CaLu2Ge4O12 по сравнению с таковыми для CaYb2Ge4O12 могут быть обусловлены, по-видимому, следующим. Теплоемкость Lu2O3 при 298 K на 13.4% меньше, чем Yb2O3 [20]. Кроме того, температурная зависимость Lu2O3 идет ниже, чем Yb2O3 [32]. Поэтому вклад в общую теплоемкость будет меньше. Авторы [33] связывают меньшее значение теплоемкости Lu2O3 · 2HfO2 по сравнению с Yb2O3 · 2HfO2 с лантаноидным сжатием.
Таблица 3. Термодинамические свойства CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12
T, K | Cp, Дж/(моль K) | H°(T) – H°(320 K), кДж/моль | S°(T) – S°(320 K), Дж/(моль K) | -ΔG/T*, Дж/(моль K) |
CaYb2Ge4O12 | ||||
320 | 390.6 | – | – | – |
350 | 400.9 | 11.88 | 35.47 | 1.54 |
400 | 414.2 | 32.27 | 89.92 | 9.24 |
450 | 424.5 | 53.25 | 139.3 | 21.00 |
500 | 432.8 | 74.69 | 184.5 | 35.11 |
550 | 439.9 | 96.51 | 226.1 | 50.61 |
600 | 446.2 | 118.7 | 264.6 | 66.86 |
650 | 451.8 | 141.1 | 300.6 | 83.47 |
700 | 457.1 | 163.8 | 334.3 | 100.2 |
750 | 462.0 | 186.8 | 366.0 | 116.9 |
800 | 466.6 | 210.0 | 395.9 | 133.4 |
850 | 471.1 | 233.5 | 424.3 | 149.7 |
900 | 475.4 | 257.1 | 451.4 | 165.7 |
950 | 479.6 | 281.0 | 477.2 | 181.4 |
1000 | 483.7 | 305.1 | 501.9 | 196.8 |
1050 | 487.7 | 329.4 | 525.6 | 211.9 |
CaLu2Ge4O12 | ||||
320 | 378.1 | – | – | – |
350 | 391.2 | 11.55 | 34.48 | 1.49 |
400 | 407.0 | 31.53 | 87.82 | 9.00 |
450 | 418.1 | 52.17 | 136.4 | 20.50 |
500 | 426.3 | 73.29 | 180.9 | 34.35 |
550 | 432.5 | 94.76 | 221.9 | 49.56 |
600 | 437.4 | 116.5 | 259.7 | 65.52 |
650 | 441.4 | 138.5 | 294.9 | 81.82 |
700 | 444.8 | 160.6 | 327.7 | 98.23 |
750 | 447.6 | 183.0 | 358.5 | 114.5 |
800 | 450.1 | 205.4 | 387.5 | 130.7 |
850 | 452.2 | 228.0 | 414.8 | 146.6 |
900 | 454.2 | 250.6 | 440.7 | 162.3 |
950 | 456.0 | 273.4 | 465.3 | 177.6 |
1000 | 457.6 | 296.2 | 488.8 | 192.5 |
1050 | 459.1 | 319.1 | 511.1 | 207.2 |
*Примечание. –ΔG/T = [H°(T) – H°(320 K)]/T – [S°(T) – S°(320 K)].
В литературе отсутствуют сведения о значениях стандартных энтальпий и энергий Гиббса образования соединений CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12, поэтому мы их рассчитали методом групповых вкладов [34]. Они составили –4662.7 ± 46.6, –4312.0 ± 64.6 кДж/моль и –4741.7 ± 46.6, –4382.4 ± 64.5 кДж/моль соответственно для CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12.
Заключение
Германаты CaYb2Ge4O12 и CaLu2Ge4O12 получены твердофазным обжигом на воздухе стехиометрических смесей исходных оксидов. В интервале температур 320‒1050 K методом дифференциальной сканирующей калориметрии измерена высокотемпературная теплоемкость поликристаллических образцов синтезированных германатов. Установлено, что экспериментальные результаты по теплоемкости хорошо описываются уравнением Майера–Келли. По этим данным рассчитаны термодинамические свойства оксидных соединений.
Финансирование работы
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке в рамках государственного задания в сфере науки ФГАОУ ВО “Сибирский федеральный университет” (проект № FSRZ-2020-0013).
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
About the authors
L. T. Denisova
Siberian Federal University
Author for correspondence.
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041
D. V. Belokopytova
Siberian Federal University
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041
Yu. F. Kargin
Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Moscow, 119991
G. V. Vasil’ev
Siberian Federal University
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041
N. V. Belousova
Siberian Federal University
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041
V. M. Denisov
Siberian Federal University
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041
References
- Денисов В.М., Истомин С.А., Подкопаев О.И. и др. Германий, его соединения и сплавы. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 599 с.
- Piccinelli P., Lausi A., Bettinelli M. // J. Solid State Chem. 2013. V. 205. P. 190. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.07.021
- Baklanova Y.V., Enyashin A.N., Maksimova L.G. et al. // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 6959. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.128
- Cui J., Li P., Cao L. et al. // J. Lumin. 2021. V. 237. P. 118170. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.11.118170
- He Y., Wei X., Wu Y. et al. // J. Solid State Chem. 2023. V. 322. P. 123980. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2023.123980
- Зубков В.Г., Леонидов И.И., Тютюнник А.П. и др. // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. № 9. С. 1635.
- Melkozerova M.A., Tarakina N.V., Maksimova L.G. et al. // J. Sol-Gel. Sci. Technol. 2011. V. 59. P. 338. https://doi.org/10.1007/s10971-011-2508-6
- Leonidov I.I., Petrov V.P., Chernyshev V.A. et al. // J. Phys. Chem. 2014. V. 118. P. 8090. https://doi.org/10.1021/jp410492a
- Lipina O.A., Surat L.L., Melkozerova M.A. et al. // J. Solid State Chem. 2013. V. 206. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.08.007
- Tatarina N.V., Zubkov V.G., Leonidov I.I. et al. // Z. Kristallogr. Suppl. 2009. V. 30. P. 401. https://doi.org/10.1524/zksu.2009.0059
- Денисова Л.Т., Молокеев М.С., Каргин Ю.Ф. и др. // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 4. С. 432. https://doi.org/10.31857/S0002337X22040030
- Галиахметова Н.А., Денисова Л.Т., Васильев Г.В. и др. // Физика твердого тела. 2023. Т. 65. № 10. С. 1821. https://doi.org/10.21883/FTТ. 2023. 56332.102
- Васильев Г.В., Коваленко К.Р., Денисова Л.Т. // Сб. тез. докл. X Всерос. конф. Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов. СПб.: ЛЕМА, 2023. С. 154.
- Yamana H., Tanimura R., Yamada T. et al. // J. Solid State Chem. 2006. V. 179. P. 289. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2005.10.023
- Bruker AXS TOPAS V4: General profile and structure analysis software for powder diffraction data. Userʼs Manual. Karlsruhe: Bruker AXS, 2008.
- Zubkov V.G., Tarakina N.V., Leonidov I.I. et al. // J. Solid State Chem. 2010. V. 183. P. 1186. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2010.03.027
- Shannon R.D. // Acta Crystallogr., Sect. A. 1976. V. 32. P. 751.
- Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф. и др. // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 1. С. 71. https://doi.org/10.7868/S0002337X17010043
- Maier C.G., Kelley K.K. // J.Am. Chem. Soc. 1932. V. 54. № 8. P. 3243. https://doi.org/10.1021/ja01347a029
- Leitner J., Chuchvalec P., Sedmidubský D. et al. // Thermochim. Acta. 2003. V. 395. P. 27.
- Leitner J., Voňka P., Sedmidubský D., Svoboda P. // Thermochim. Acta. 2010. V. 497. P. 7. https://doi.org/10.1016/j.tca.2009.08.002
- Успенская И.А., Иванов А.С., Константинова Н.М., Куценок И.Б. // Журн. физ. химии. 2022. Т. 96. № 9. С. 1302. https://doi.org/10.31857/S0044453722090291
- Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 360 с.
- Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Белоусова Н.В. и др. // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 9. С. 1007. https://doi.org/10.1134/S0002337X19090021
- Осина Е.Л. // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 2. С. 223. https://doi.org/10.7868/S0040364417020120
- Моисеев Г.К., Ватолин Н.А., Маршук Л.А., Ильиных Н.И. Температурные зависимости приведенной энергии Гиббса некоторых неорганических веществ (альтернативный банк данных АСТРА. OWN). Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 230 с.
- Морачевский А.Г., Сладков И.Б., Фирсова Е.Г. Термодинамические расчеты в химии и металлургии. СПб.: Лань, 2018. 208 с.
- Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. 392 с.
- Mostafa A.T.M.G., Eakman J.M., Montoya M.M., Yarbro S.L. // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. V. 35. P. 343. https://doi.org/10.1021/ie9501485
- Leitner J., Sedmidubský D., Chuchvalec P. // Ceram. Silik. 2002. V. 46. P. 29.
- Кумок В.Н. Прямые и обратные задачи химической термодинамики. Новосибирск: Наука, 1987. С. 108.
- Zinkevich M. // Prog. Mater. Sci. 2007. V. 52. P. 597. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.09.002
- Guskov A.V., Gagarin P.G., Guskov N.V. et al. // Ceram. Int. 2021. V. 47. P. 28004. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06.125
- Mostafa A.T.G.M., Eakman J.M., Yarbro S.L. // Ind. Eng. Chem. Res. 1995. V. 34. P. 4577.
Supplementary files
