×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7 961 270-60-01
ivdon@ivdon.ru

Спектры комбинационного рассеяния для трех фазовых модификаций перхлората натрия

Аннотация

В.И. Снежков, И.Н. Мощенко, Г.Я. Корабельников, А.М. Можаев

Дата поступления статьи: 15.12.2013

Проводится анализ температурной зависимости частот линий  активных в спектрах комбинационного рассеяния перхлората натрия. Проводится теоретико-групповой анализ спектров.

Ключевые слова: Перхлорат натрия, анион, спектры комбинационного рассеяния, фазовые пкереходы

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

По известным данным перхлорат натрия имеет две кристаллические модификации: высокотемпературную ГЦК (Оh5 – Fm3m) и низкотемпературную орторомбическую (D2h17- Cmcm) [1].  Наблюдается фазовый переход первого рода между упорядоченной (низкотемпературной) и ориентационно разупорядоченной (высокотемпературной) фазами.  В кубической фазе ионы ClO4-  разупорядочены статистически и динамически между различными эквивалентными направлениями в решетке кристалла.  Имеются различные мнения о строении кубической фазы перхлоратов.  Одни авторы указывают, что ион  ClO4- имеет симметрию Td (обозначения точечных групп симметрии и их неприводимых представлений в работе приведены в соответствии с [2]) и разупорядочен по двум эквивалентным направлениям [1]. Другие предполагают, что симметрия иона ниже и он ориентационно разупорядочен по большему числу направлений [3]. Наши измерения температурных зависимостей спектров комбинационного рассеяния света молекулярного иона направлены на уточнение строения высокотемпературной  фазы и выявления особенностей  фазового перехода. Трудности, возникающие при измерении высокотемпературных спектров  комбинационного рассеяния, обусловлены рядом требований к эксперименту. Необходимо создать зону высокотемпературного нагрева с надежной фиксацией температуры. Обеспечить стабилизацию температуры при проведении измерений. Экранизировать источник света от нагревательного элемента.  Перхлорат натрия дважды перекритсталлизовывали из бидистиллята, плавили и очищали сухим хлором. Затем выдерживали 12 часов в атмосфере азота. Первичным источником света использовали гелий – неоновый лазер (λ = 4880 Å).
Ион ClО4 – (в расплаве)  относится к тетраэдрической системе, точечная группа симметрии Td [4] .  Согласно формулам подсчета числа колебаний, система совершает одно симметричное (полносимметричное валентное) колебание (ν1, представление A1), дважды вырожденное деформационное колебание (ν2, представление E), два трижды вырожденных антисимметричных колебания, оба по представлению  F2, валентное  (ν3) и деформационное  (ν4) [5]. 
Полученные температурные зависимости частот этих колебаний приведены  в таблице ниже. Диапазон измерений перекрывает области трех фазовых модификаций, с фазовыми переходами первого рода между ними, в отличие от перхлората лития [6]. Отметим, что литературные данные по температуре переходов различаются.  Есть предположения, что эти переходы растянуты по температуре и характеризуются предпереходными явлениями [7].  Переход ортормбическая – кубическая фазы происходит в диапазоне 306 -  308 оС.  Плавление – при температурах 468 – 482 оС, причем перед плавлением  начинается медленное разложение (быстрое разложение - в интервале 490-600 °С).
Полносимметричное валентное колебание ν1 характеризуется во всех фазах   одной частотой, которая монотонно уменьшается с повышением температуры. По дискретным измерениям трудно сделать вывод о наличии скачка при фазовых переходах. Но в каждой монофазной области, эта зависимость близка к линейной, и угол наклона изменяется при фазовых переходах. Такая зависимость частот отслеживается во всем температурном диапазоне, и может служить индикатором различных фазовых модификаций.
Таб. 1 Спектры  КР      перхлората натрия       (NaClO4)


t, 0C

ν1, см-1

ν2, см-1

ν3, см-1

ν4, см-1

30

953

486
444

1145
1095
1088

656
629
621

60

952

485
444

1145
1095
1089

621

90

951

484
445

1145

622

120

950

482
448

1145
1094
1090

623

150

949

481
448

 

624

180

947

480
449

 

625

210

946

480
450

 

625

240

945

479
451

 

626

262

944

478
452

 

626

287

943

477
453

 

649
627

318

941

475
455

 

626

337

941

472
456

 

641
626

360

940

471
456

 

626

382

940

468
457

 

625

405

939

466
458

 

625

440

938

462
460

 

628

465

937

460

 

628

478

935

460

 

628

488

933

459

 

628

499

932

458

 

627

Деформационные колебания ν2 в расплаве вырождены и наблюдается одна линия (от 499 оC до 465 оC). В работах Стерина и Резаева показано, что формы большинства линий ИК и КР- спектрах описываются дисперсионными кривыми [8, 9].   При 30 оC вырождение снимается и на спектрах видно два четких максимума (см. рис. 1 а). При 60 оC спектры этих двух линий перекрываются, но  можно идентифицировать  два максимума (см. рис. 1 б).



Рис.1. Полоса ν2 NaClO4:  а) при 30 оС;  б) при 330 оС.


Такая картина наблюдается в обеих твердых фазах вплоть до температуры 440 оC.  Другими словами деформационная мода ν2 от 30 до 440 градусов Цельсия не вырождена и состоит из двух линий. При этом частоты верхней ветви с ростом температуры понижаются, а нижней – повышаются, что приводит к их сближению.  Также как и для колебаний ν1, температурные зависимости обеих линий ν2 в твердом состоянии и вырожденной линии в  расплаве близки к линейным. Описание фазовых переходов включает некоторые предположения [10]. Если воспользоваться линейной аппроксимацией, то получим, что при фазовом переходе низкосимметричное – высокосимметричное твердотельные состояния нет скачка частот, но наблюдается изменение угла наклона линейных зависимостей. Точка слияния  верхней и  нижней ветви (начало вырождения этой моды) Tсл приходится на температуру немного ниже начало области плавления,  без скачка частоты, но с изменением угла наклона температурной зависимости. Таким образом, деформационная мода ν2 полностью вырождена в орторомбической фазе, а в кубической – до температуры Tсл, лежащей между 440 и 465 оС. Выше этой температуры и в расплаве она вырождена.  Обе моды, соответствующие представлению F2 в низкосимметричной фазе, при 30 оC невырождены, имеют по три ветви, две близко расположенные нижние и далеко отстоящую от них верхнюю. Интенсивность валентных линий ν3  уменьшается и исчезает при температуре 120  оC.
Полоса деформационных колебаний ν4  размыта,  и  с 60 оC до 260 оC   выделяется  один максимум, соответствующей нижней линии 621 см-1, наблюдаемой при 30 оC.  Этот максимум нами идентифицировался  до температуры 405 оC.  Так как колебания ν4 преобразуются по тому же представлению, что и ν3, то и правила вырождения для них одинаковы. Это гарантирует, что до 130 оC  ν4 имеет три линии, но при  измерениях две из них не  идентифицируются. Наблюдалась только нижняя линия.
При температурах 227 и 327 градусов Цельсия удалось выделить еще один максимум, соответствующей верхней ветви триплета, наблюдаемого при 30 оC. Начиная с 440 оC, идентифицировался также один максимум. Исходя из непрерывности ветвей моды колебаний и монотонности их  температурных зависимостей, можно предположить, что он соответствует  либо средней линии (30 оC), либо вырожденным (слившимся)  нижней и средней ветвям.
Колебания ν2  не вырождены вплоть до 440 оC. Исходя из симметрийных соображений нетрудно показать, что при этом ν4 не может полностью вырождаться. Для этого типа колебаний должно быть либо три, либо две ветви. Так как  при 327 оC наблюдаются линии, соответствующие нижней и верхней ветвям (30 оC), а средняя ветвь больше по частоте и наблюдается при 440 оC, то это позволяет сделать вывод о не вырожденности колебаний ν3 и ν4 до 327 оC. Выше этой температуры и до 440 оC возможны два варианта, полная  или частичная не вырожденность.  При температурах выше Tсл эти моды полностью вырождаются как и ν2.
Полученные температурные зависимости вырождения для комбинационного рассеяния позволяют следующим образом охарактеризовать симметрию иона ClO4-. В ромбоэдрической фазе, и в кубической до  327 оC она соответствует группе Cs.  От 327 оC и до Tсл (она лежит между 440 оC и 465 оC) симметрия иона либо Cs, либо D2d. Выше этой температуры и в области плавления, симметрия иона в твердой фазе становится максимальной - Td, которая не изменяется и в расплаве.  Видно, что перед областью плавления  происходят предпереходные явления.  

 
Литература:

1.  Gordon S. and Cambell C. Differential Thermal Analysis of Inorganic Compounds//Anal. Chem., 1955, 22, No 7, P. 1102 – 1109.
2. Ландау Л.Д. , Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, Т. III [Текст]: Монография.- М.: Наука, 1974. ‒ 752 с.                                                                         3. Toupry N., Poulet H.  et //J. Spectrosc. – 1983. – 14, P. 166.
4. Wilmshurst J.K. Infrared Spectra of Molten Salts//J. Chem. Phys.1963, V. 39, No 8, P. 2415 – 2419.
5.  Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений [Текст]: Монография/К.Накамото. – М.:ИЛ. 1966. – 411 с.
6.  Снежков В.И., Кривошеев Н.В., Мощенко И.Н., Солдатов Л.А. Симметрия анионов в расплавленных солях и спектры комбинационного рассеяния[Электронный ресурс]// «Инженерный вестник Дона», 2013, №  2. – Режим доступа: http://ivdon/ru/magazine/archive/n2y2013/(доступ свободный) − Загл. с экрана. – Яз. Рус.
7. Акаев А.И. Исследование процессов молекулярной релаксации в перхлоратах щелочных металлов методом спектроскопии комбинационного рассеяния света [Электронный ресурс] // дис. канд. ф.-м. н.: 01.04.07. – Режим доступа:  http://www.dissercat.com/content/issledovanie-protsessov-molekulyarnoi-relaksatsii-v-perkhloratakh-shchelochnykh-metallov-met#ixzz2mtlTDUrN (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Стерин Х.Е./Изв. АН СССР. Сер. Физ., 1950.‒ Т. 14.‒ С. 411 – 415.
9. Рузаев Н.И. Изучение интенсивности и ширины линии комбинационного рассеяния/Опт. и спектр., 1958.‒Т.5, № 5.‒ С. 561 -566.
10. Евсюкова М.А., Положенцев Д.Е., Солдатов А.В. Формирование икосаэдрической фазы в квазикристалле системы Aℓ - Cu – Fe [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010, № 4. – Режим доступа: http://ivdon/ru/magazine/archive/n4y2010/25-30 (доступ свободный) − Загл. с экрана. – Яз. Рус.