Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Синтез и свойства синтетических аналогов минералов в системе CuO-V2O5-CuCl2

Работа №131982

Тип работы

Бакалаврская работа

Предмет

геология и минералогия

Объем работы78
Год сдачи2019
Стоимость4340 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
32
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Аннотация 4
Введение 5-7
Основная часть 8-72
1 Литературный обзор 9-44
1.1 Особенности геохимии и кристаллохимии ванадия 9-12
1.1.1 Общие сведения и характеристики ванадия 9-10
1.1.2 Кристаллохимические особенности оксосолей пятивалентного ванадия 10-12
1.2 Описание природного минерала фольбортита Cu3V2O7(OH)2⋅2H2O 12-21
1.2.1 Кристаллохимические особенности кристаллической структуры фольбортита 12-15
1.2.2 Структура кагомэ и ее особенности 15-18
1.2.3 Магнитные свойства фольбортита, связанные со структурой кагомэ 18-21
1.3 Общие сведения о природных ванадатах меди эксгаляционного происхождения 21-23
1.4 Природные минералы оксованадат-хлориды меди 23-44
1.4.1 Ленинградит 24-28
1.4.2 Копарсит 28-32
1.4.3 Аверьевит 32-35
1.4.4 Ярошевскит 35-38
1.4.5 Докучаевит 38-41
1.4.6 Алеутит 41-44
2 Методика выполнения исследования 45-51
2.1 Синтез новых синтетических оксованадат-хлоридов меди методом газового транспорта в системе CuO-V2O5-CuCl2 45-46
2.2 Порошковая рентгеновская дифрактометрия 47-48
2.3 Монокристальный рентгеноструктурный анализ 48-49
2.4 Высокотемпературная порошковая рентгеновская дифракция 49-50
2.5 Термический анализ 50
2.6 Исследование магнитных свойств 50-51
3 Результаты 52-72
3.1 Кристаллическая структура синтетического аверьевита 52-57
3.2 Магнитные свойства синтетического аверьевита Cu2+5O2(VO4)2•2Cu+Cl 57-59
3.3 Кристаллическая структура синтетического аналога ярошевскита Cu9O2(VO4)4Cl2 59-64
3.4 Магнитные свойства синтетического ярошевскита Cu9O2(VO4)4Cl2 65-68
3.5 Термоанализ Cu9O2(VO4)4Cl2 68
3.6 Высокотемпературная рентгенография и тепловое расширение фольбортита из месторождения Тюя-Муюн 69-72
Заключение 73-74
5 Список литературы 75


Актуальность работы. На сегодняшний день, изучение кристаллических структур и соответствующих свойств минералов является одной из главных задач не только минералогии и кристаллографии, но и материаловедения. При этом следует отметить, что основными приоритетными научными направлениями материаловедения, химии и физики веществ являются такие области как, энергоэффективность, энергосбережение и создание новых функциональных материалов. Оригинальность кристаллических структур в большинстве случаев подтверждается в природных соединениях (минералах), но объектом активного дальнейшего изучения свойств таких структур чаще всего становятся синтетические аналоги обнаруженных природных веществ. Благодаря уникальным особенностям и свойствам кристаллических структур синтетические аналоги многих минеральных видов являются материалами, используемыми в различных областях современной индустрии. Так, синтетические аналоги различных природных минералов находят применение в химической, космической, машиностроительной, электроэнергетической отраслях промышленности и многих других. Главным образом, в химической индустрии такие соединения выступают как в роли катализаторов и ингибиторов, так ив качестве селективных сорбентов.
Практическое значение. В последние годы наиболее популярной и актуальной областью материаловедения является изучение поведения магнитных веществ при различных температурах. Исследования по данной тематике проводятся во многих лабораториях мира. В Российской Федерации исследованиям функциональных материалов, предполагаемых для использования в энергосберегающих технологиях, также традиционно уделяется большое внимание. Широкий интерес связан с особенностью поведения магнитного материала, обусловленной сменой порядка магнитных моментов атомов или ионов в зависимости от температуры. Например, при низких температурах результатом такого изменения материала на квантовом уровне становится состояние с частичным или полным разрушением магнитного упорядочения вследствие сильного влияния флуктуаций.
К названному типу материалов относятся фрустрированные магнетики – вещества, в которых при низких температурах магнитные спины не могут выстроиться упорядоченно ввиду геометрических причин. Так, для минимизации энергии все спины должны расположиться антипараллельно друг к другу, но одновременно для всех вершин тетраэдра (трехмерный случай) такого состояния достичь невозможно. Вследствие этого во фрустрированных магнетиках при низких температурах существуют неупорядоченности, которые могут перемещаться по материалу, и таким образом переносить, к примеру, тепло.
Описанными выше структурами обладают немногие природные минералы. И далеко не все из данных природных соединений хорошо изучены в виду различных обстоятельств, таких как невозможность проведения анализов, связанная с морфологией кристаллов, наличие большого содержания примесей, малое количество найденных образцов, или низкая способность к сохранности в течение длительного времени. Одними из таких новых, но мало изученных минералов являются немногочисленные природные соединения группы оксованадат-хлоридов меди, вещественный состав которых соответствует тройной системе CuO-V2O5-CuCl2. Все известные минералы рассматриваемой тройной системы впервые были обнаружены в продуктах эксгаляционной деятельности Второго шлакового конуса Большого трещинного Толбачинского извержения 1975-1976 гг.
Выпускная квалификационная бакалаврская работа посвящена созданию и изучению синтетических аналогов эксгаляционных минералов в тройной системе CuO-V2O5-CuCl2.
Цель и задачи
Цель работы:
• Создание синтетических аналогов природных минералов в тройной системе CuO-V2O5-CuCl2для изучения физических свойств, обусловленных особенностями кристаллических структур
Задачи:
 Выполнить литературный обзор по некоторым природным соединениям ванадиевой минерализации и их магнитным свойствам
 Рассчитать соотношения исходных соединений (CuO, V2O5, CuCl2)из формул природных оксованадат-хлоридов меди
 Подготовить смеси реагентов в соответствии с подсчитанными отношениями масс
 Произвести высокотемпературный синтез методом газотранспортных реакций
 Детально изучить свойства полученных в ходе синтеза кристаллов
 Выполнить рентгеноструктурный анализ фаз, полученных в ампулах, с помощью монокристального дифрактометраBrukerApexDUO
 Изучить и интерпретировать в программе «Diamond» структуры, определенные в процессе рентгеноструктурного анализа
 Выполнить количественный химический анализ исследуемых веществ
 Рассчитать эмпирические формулы синтетических соединений
 Получить качественные изображения синтезированных кристаллов
 Выполнить измерения магнитной восприимчивости в зависимости от температуры для образцов изучаемых веществ
 Выполнить рентгенофазовый анализ при различных температурах
Научная новизна. В ходе высокотемпературных синтезов методом газотранспортных реакций получены синтетические аналоги недавно открытых природных минералов аверьевита Cu5O2(VO4)2⋅n(Cu,Cs,Rb,K)Clxи ярошевскитаCu9O2(VO4)4Cl2. В отличие от природного соединения, синтетический аналог аверьевита Cu+25O2(VO4)2⋅2Cu+Clне содержит щелочных металлов, и в каналах пористого каркаса располагаются хлоридные комплексы с одновалентной медью. Ранее не зарегистрировано получение каких-либо синтетических аналогов ярошевскита другими исследователями. Выполнена детальная структурная характеристика синтетических аналогов. Произведен количественный химический анализ для образцов изучаемых соединений, который подтверждает чистоту полученных веществ, а также отсутствие примесей и неоднородностей. Осуществлен ряд исследований физических свойств образцов.
Благодарности. Работа выполнена на кафедре кристаллографии Института Наук о Земле Санкт-Петербургского Государственного Университета под руководством, доктора геолого-минералогических наук Сийдры Олега Иоханнесовича, которому автор приносит безмерную благодарность за постоянную помощь и участие на всех этапах исследования. Также выражается искренняя благодарность кандидату геолого-минералогических наук Назарчуку Евгению Васильевичу за помощь на разных стадиях исследования. Работа осуществлялась при финансовой поддержке гранта РНФ 16-17-10085. Рентгеновские исследования выполнены на оборудовании ресурсного центра СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования».


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
 Выполнен литературный обзор по известным представителям оксованадат-хлоридной минерализации
 Осуществлен высокотемпературный синтез методом газотранспортных реакций в 30ампулах
 Впервые получены синтетический аналог аверьевита без щелочных катионов и синтетический аналог ярошевскита
 Выполнены рентгеноструктурные исследования и расшифрованы кристаллические структуры новых полученных соединений
 Выполнены комплексные исследования магнитных свойств исследуемых синтетических аналогов аверьевита и ярошевскита
 Произведен дифференциальный термический анализ для синтетического ярошевскита
 Выполнено терморентгенографическое исследование фольбортита из месторождения Тюя-Муюн
Некоторые результаты исследовательской работы были представлены в материалах международных, всероссийских и региональных конференций с формой участия в виде устных докладов.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтетический аналог аверьевита [Cu2+5O2](VO4)2•Cu+2Cl2 // Тезисы доклада IXНациональной кристаллохимической конференции, 2018. С. 118.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтетические структурные аналоги минералов аверьевита [Cu2+5O2](VO4)2•n(Cu, Cs, Rb, K)Clx и ярошевскита Cu9O2(VO4)4Cl2// Тезисы доклада XVI Молодежной научно-практической конференции студенческого научного общества «Современные исследования в геологии», 2018. С. 48-51.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтез и свойства структурных аналогов природных минералов аверьевит [Cu2+5O2](VO4)2•n(Cu, Cs, Rb, K)Clx и ярошевскит Cu9O2(VO4)4Cl2 // Тезисы XXIVВсероссийской молодежной научной конференции «Уральская минералогическая школа – 2018», 2018. С. 27-29.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтезированный структурный аналог эксгаляционного минерала аверьевита [Cu2+5O2](VO4)2•n(Cu, Cs, Rb, K)Clx // Тезисы XXIXмолодежной научной школы- конференции памяти К.О. Кратца, 2018. С. 20-22.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтез и свойства структурных аналогов минералов аверьевита [Cu2+5O2](VO4)2•n(Cu, Cs, Rb, K)Clx и ярошевскита Cu9O2(VO4)4Cl2 // Тезисы VIIIРоссийской молодежной научно-практической школы «Новое в познании процессов рудообразования», 2018. С. 92-94.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Синтетические аналоги природных минералов аверьевита и ярошевскита, их синтез и свойства // Тезисы IXСибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле, 2018. С. 103-106.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Кристаллохимические особенности синтетических аналогов природных минералов аверьевита и ярошевскита, их синтез и свойства // Материалы Всероссийской научно-практической конференции ИМГРЭ, 2018. С. 243-246.
• Владимирова В.А., Сийдра О.И. Кристаллохимия и физические свойства синтетического аналога ярошевскита Cu9O2(VO4)4Cl2 // Материалы Международной конференции- форума «Ломоносов 2019», 2019. С. 1-2.



• Борисенко Л.Ф., Слотвинский-Сидак Н.П. и Поликашина Н.С. Минеральное сырье. Ванадий. М.: Геоинформмарк, 1998. 33 с.
• Вергасова Л. П. и Филатов С. К., Новые минералы в продуктах фумарольной деятельности // Вулканология и сейсмология, 2012. №5. С. 3-12.
• Вергасова Л.П., Старова Г.Л., Филатов С.К. и Ананьев В.В., Аверьевит Cu5(VO4)2O2•nMX // Доклады Академии Наук, 1998. Т. 359. № 6. С. 804-807.
• Вергасова Л.П., Филатов С.К., Семенова Т.Ф. и Ананьев В.В., Ленинградит PbCu3(VO4)2Cl2− новый минерал из вулканических возгонов // ДАН СССР, 1990. Т. 310. № 6. С. 1434-1437.
• Корзанов В.С. и Шульгина Н.П. Химия редких, рассеянных и редкоземельных элементов. Пермь, 2007, 101 с.
• Кривовичев С. В. и Филатов С.К. Кристаллохимия минералов и неорганических соединений с комплексами анионоцентрированных тетраэдров. С-Пб.: Издательство СПбГУ, 2001, 198 с.
• Кривовичев С.В. и Филатов С.К., Кристаллические структуры соединений с комплексами анионоцентрированных тетраэдров // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Физика твердого тела, 2001. № 1. С. 57-63.
• Кривовичев С.В., Вергасова Л.П. и Филатов С.К., Уточнение кристаллической структуры аверьевита Cu5(VO4)2O2•nMСlx (M=Cu, Cs, Rb, K) // Записки РМО, 2015. Т. 144. № 4. С. 101-109.
• МузгинВ.Н. ХамзинаЛ.Б., ЗолотавинВ.Л. и БезруковИ.Я. Аналитическая химия ванадия. М.: Наука, 1981, 215 с.
• Смирнов С.С. Зона окисления сульфидных месторождений. М.: АН СССР, 1955, 332 с.
• Якубович О.В. Структурный типоморфизмамфотерных оксокомплексов в литофильной геохимической системе кристаллогенезиса: генетическая кристаллохимияванадия.Под ред. Урусова В.С. М.: ГЕОС, 2009, 101-120 с.
• Basso R., Palenzona A. and Zefiro L., Crystal structure refinement of volborthite from Scrava Mine (Eastern Liguria, Italy) // Neues Jahrbuch fuer Mineralogie, 1988. V. 1988. P. 385-394.
• Blackburn A.C., Gallucci J.C. and Gerkin R.E., Structure of Tetraaquacopper(II) Chlorate at 296 and 223 K//Acta Crystallographica, 1991. V. 47. P. 474-479.
• Brownstein S., Han N.F., Gabe E.J. and le Page Y., A redetermination of the crystal structure of cupric chloridedehydrate //Zeitschrift fuer Kristallographie, 1989. V. 189. P. 13-15.
• Burns P. C. and Hawthorne F. C., Static and dynamic Jahn-Teller effects in Cu (super 2+) oxysalt minerals //The Canadian Mineralogist, 1996. V. 34. № 5. P. 1089-1105.
• Calvo C. andFaggiani R., Alpha cupric divanadate// Acta Crystallographica B, 1975. V. 31. P. 603-605.
• Clark R.J.H. The chemistry of titanium and vanadium. Amsterdam: Elsevier, 1968, 329 p.
• Dai Y. and Hughes J. M., Crystal structure refinement of vanadinite and pyromorphite // Canadian Mineralogist, 1989. V.27. Р.189-192.
• Enjalbert R. and Galy J., A Refinement of the Structure of V2О5 // Acta Crystallographica, 1986. V. 42. P. 1467-1469.
• Filonenko V. P., Sundberg M., Wernerb P.-E. and Zibrov I. P., Structure of a high-pressure phase of vanadium pentoxide b-V2O5 // Acta Crystallographica, 2004. V. 60. № 4. P. 375–381.
• Galy J. and Lavaud D., Structure cristalline du Bronze de Vanadium Cu1.82V4O11//Acta Crystallographica B, 1971. V. 27. P. 1005-1009.
• Galy J., Lavaud D., Casalot A. and Hagenmuller P., Bronzes oxygenes de vanadium de formule CuxV2O5. Structure cristalline des phases CuxV2O5 -beta et CuxV2O5– epsilon//Journal of Solid State Chemistry, 1970. V. 2. P. 531-543.
• Hawthorne F. C., Krivovichev S.V. and Burns P.C., The crystal chemistry of sulfate minerals //Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2000. V.40. № 1. P. 1-112.
• Iitaka Y., Locchi S. and Oswald H.R., Die Kristallstruktur von CuOHCl//Helvetica Chimica Acta, 1961. V. 44. P. 2095-2103.
• Ishikawa H., Yamaura J., Okamoto Y., Yoshida H., Nilsen J. and Hiroi Z., A novel crystal polymorph of volborthite, Cu3V2O7(OH)2•2(H2O) // Acta Crystallographica, 2012. V. 68. № 7. P. i41-i44.
• Kashaev A.A., Rozhdenstvenskaya I.V., Bannova I.I., Sapozhnikov A.N. and Glebova O.D., Balance, uniformity and asymmetry of the structure of volborthite Cu3(OH)2(V2O7)•2(H2O) // Journal of Structural Chemistry, 2008. V. 49. № 3. P. 708-711.
• Kato K., Takayama Muromachi E. and Kanke Y., Die Strukturen der Kupfer-Vanadiumbronzen CuxV12O29 mit x= 1.2, 1.5, 1.9//Acta Crystallographica, Section C, 1989. V. 45. P. 1841-1844.
• Kato K., Kosuda K., Saito Y. and Nagasawa H., Die modulierte Struktur von CuxV4O11 (X= 2,12)//Zeitschrift fuer Kristallographie, 1996. V. 211. P. 522-527.
• Lafontaine M.A., Le Bail A. and Ferey G., Copper-containing minerals-I.Cu3V2O7(OH)2•2(H2O): the synthetic homolog of volborthite; crystal structure determination from X-ray and neutron data; structural correlations // Journal of Solid State Chemistry, 1990. V. 85. P. 220-227.
• Mercurio Lavaud D. and Frit B., Structure cristalline de la variete haute temperature du pyrovanadate de cuivre: Cu2V2O7 beta//Comptes Rendus Hebdomadaires des Seances de l'Academie des Sciences, Serie C, Sciences Chimiques, 1973. V. 277. P. 1101-1104.
• Nilsen G. J., Coomer F. C., de Vries M. A., Stewart J. R., Deen P. P., Harrison A. and Rønnow H. M., Pair correlations, short-range order, and dispersive excitations in the quasi-kagome quantum magnet volborthite // Physical Review B, 2011. V. 84. № 17. P. 1-4.
• Pekov I.V., Zubkova N.V., Zelenski M.E., Yapaskurt V.O., Polekhovsky Yu.S., Fadeeva O.A. and Pushcharovsky D. Y., Yaroshevskite, Cu9O2(VO4)4Cl2, a new mineral from the Tolbachik volcano, Kamchatka, Russia // Mineralogical Magazine, 2013. V. 77. № 1. P. 107-116.
• Popuri S. R.,Artemenko A., Decourt R., Josse M., Chung U. C., Michau D., Maglione M., Villesuzanne A. and Pollet M., Structurally Restricted Phase Transitions in VO2 (B) and Their Impact on Transport Properties // Journal of Physical Chemistry, 2015. V. 119. №44. P. 25085-25092.
• Rea J.R. and Kostiner E., The crystal structure of alpha-copper vanadate//Journal of Solid State Chemistry, 1973. V. 7. P. 17-24.
• Rozier P., Satto C. and Galy J., The vanadium oxide bronze Cu2.33-xV4O11//Solid State Sciences, 2000. V. 2. P. 595-605.
• Schindler M., Hawthorne F.C. and BaurW.H., Crystal Chemical Aspects of Vanadium: Polyhedral Geometries, Characteristic Bond Valences, and Polymerization of (VOn) Polyhedra// Chemistry of Materials, 2000. V. 12. P. 1248-1259.
• Shannon R.D. and Calvo C., Crystal structure of Cu5V2O10//Acta Crystallographica B, 1973. V. 29. P. 1338-1345.
• Shklover V. and Haibach T., Crystal Structure of the Product of Mg2+ Insertion into V2O5 Single Crystals // Journal of Solid State Chemistry, 1996. V. 123. Р. 317-323.
• Siidra O.I. and Krivovichev S.V., The crystal structure of leningradite, PbCu3(VO4)2Cl2 // Canadian Mineralogist, 2007. V. 45. № 3. P. 445-449.
• Siidra O.I., Nazarchuk E. V., Agakhanov A.A. and Polekhovsky Y. S., Aleutite // Mineralogical Magazine, 2018. V. 82. P. 779-785.
• Siidra O.I., Nazarchuk E. V., Zaitsev A. N., Polekhovsky Y. S., Wenzel T. and Spratt J., Dokuchaevite // Mineralogical Magazine, 2018. V. 82. P. 779-785.
• Vergasova, L.P., Starova, G.L., Krivovichev, S.V., Filatov, S.K., and Ananiev, V.V., Coparsite, Cu4O2[(As,V)O4]Cl, a new mineral species from the Tolbachik Volcano, Kamchatka Peninsula, Russia // Canadian Mineralogist, 1999. V. 37. P. 911-914.
• Waltersson K., Forslund B., Wilhelmi K.A., Andersson S. and Galy J., The crystal structure of V3O7//Acta Crystallographica B, 1974. V. 30. P. 2644-2652.
• Watanabe D., Sugii K., Shimozawa M., Suzuki Y., Yajima T., Ishikawa H., Hiroi Z., Shibauchi T., Matsuda Y., and Yamashita M., Emergence of nontrivial magnetic excitations in a spin-liquid state of kagomé volborthite // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016. V. 113. № 31. P. 8653–8657.
• Wilhelmi K.A., Waltersson K. and Kihlborg L., A refinement of the crystal structure of V6O13//Acta Chemica Scandinavica, 1971. V. 25. P. 2675-2687.
• Yavors’kii T., Apel W. and Everts H.-U., Heisenberg antiferromagnet with anisotropic exchange on the kagomé lattice: Description of the magnetic properties of volborthite // Physical Review B, 2007. V. 76. № 6. P. 1-19.
• Yoshida M., Takigawa M., Yoshida H., Okamoto Y. and Hiroi Z., Phase Diagram and Spin Dynamics in Volborthite with a Distorted Kagome Lattice // Physical Review Letters, 2009. V. 103. № 7. P. 1-4.
• https://indicator.ru/news/2018/03/19/kristallkagome/?utm_source=indifb&utm_medium=social
• https://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?15/42/70 - Использование учеными антиферромагнетиков в элементах цифровой памяти, 16 января 2012
• https://nplus1.ru/material/2016/08/26/spin-liquid - Новые данные о явлении спиновой жидкости, 26 августа 2016
• https://nplus1.ru/news/2015/04/06/frufru - Новый тип теплопроводности в фрустрированных магнетиках, 6 апреля 2015

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.