Поліморфізм талію

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут “

РЕФЕРАТ

з курсу “ Металознавство ”

на тему: “Поліморфізм талію ”

Виконав студент 2 курсу гр. ФМ-21, Ткаченко А.В.

Кафедра Фізики металів

Інженерно-фізичного факультету

Перевірив Писаренко В.М.

Київ 2014

Зміст

1. Історія відкриття та походження назви

2. Основні відомості

3. Поліморфізм та кристалічна будова талію

3.1 Кристалічна будова б-Tl

3.2 Кристалічна будова в-Tl, г-Tl

4. Хімічні властивості

5. Застосування

6. Цікаві факти

1. Історія відкриття та походження назви

В історії відкриття хімічних елементів чимало парадоксів . Траплялося , що пошуками ще невідомого елемента займався один дослідник , а знаходив його інший. Іноді кілька вчених « йшли паралельним курсом» , і тоді після відкриття ( а до нього завжди хтось приходить трохи раніше інших ) виникали пріоритетні суперечки. Іноді ж траплялося , що новий елемент давав знати про себе раптом , несподівано. Саме так був відкритий елемент № 81 - талій ( 1861 англійським ученим Вільямом Круксом).

Рис. 1 Вільям Крукс (1832 - 1919) - першовідкривач талію

У 50 -х роках минулого століття Крукс , тоді ще молодий хімік , займався дослідженням пилоподібних відходів сірчанокислотного виробництва , вважаючи, що в них повинен бути присутнім селен і телур - аналоги сірки. Селен він знайшов , а от телуру звичайними хімічними методами виявити не зміг. Численні хімічні операції так і не принесли бажаного результату, і вчений втратив інтерес до цієї роботи. Відходи довгий час лежали без справи в його лабораторії , поки відкриття спектрального аналізу не спонукало Крукса згадати про них.

Новий метод не вимагав таких великих витрат праці , як хімічний , і не скористатися ним було просто гріх. Яке ж було здивування вченого , коли замість очікуваної лінії телуру він побачив у спектрі красиву яскраво- зелену смужку , яка не могла належати жодному відомому елементу . Крукс зрозумів , що йому вдалося розкрити ще одну таємницю природи. А оскільки справа відбувалася навесні і на деревах вже з'явилися свіжі пагони , новий елемент був тут же " охрещений " талієм : у перекладі з грецького " таллос " означає " молода зелена гілка " . Цікаво , що майже так само звучить і інше грецьке слово, яке перекладається як " вискочка " . І хоч це збіг випадково, воно не позбавлене сенсу : адже талій і справді можна вважати " вискочкою ": його не шукали, бо він сам узяв та й заявив про своє існування.

Майже одночасно з Круксом , через лише кілька місяців , цей же елемент був виявлений і французьким хіміком Ламі ; він знайшов його теж в відходах сірчанокислотного виробництва і теж спектральним аналізом. І хоча Ламі навіть вдалося виділити 14 грамів металевого талію і визначити деякі його властивості , пріоритет відкриття залишився за англійським ученим. Згодом Крукс вніс чималий внесок у розвиток хімії та фізики ( парадоксально , що при цьому він був переконаним прихильником спіритизму і багато часу приділяв викликанню духів) , а на схилі років очолив Лондонське королівське товариство , але своїм першим науковим успіхом він зобов'язаний відкритого їм в 1861 році металу.

2. Основні відомості

Талій (Thallium; з грецької - пагін, молода гілка), Tl - хімічний елемент III групи періодичної системи елементів; атомний номер - 81, атомна маса - 204,37, сріблясто-білий м'який метал з блакитним відтінком.

Рис. 2 Талій в ампулі. М'який сріблясто-білий метал з блакитним відтінком

талій метал крукс поліморфізм

У з'єднаннях проявляє ступінь окислення +1 і +3. Природній Талій складається зі стійких ізотопів 203Tl (29,50%) і 205Tl (70,50%). відомі радіоактивні ізотопи 206Tl, 207Tl, 208Tl і 210Tl з періодами напіврозпаду відповідно 4,19; 4,79; 3,10 і 1,32 хв. Із штучно отриманих 11 ізотопів найбільш цінний ізотоп 204Tl з періодом напіврозпаду 3,56 року. Талій відноситься до числа розсіяних елементів, зустрічається в родовищах різного генезису, вміст його в земній корі 3Ч10 -4 %. Однак власні мінерали - лорандит TlAsS2 ( ? 60% Tl), врбаіт Tl(AsSb)3S5 ( ? 32% Tl), гутчинсон Pb (Cu, Ag, Tl)2As4S8 ( ? 25% Tl), крукезит (Tl, Cu, Ag)2 Se ( ? 19% Tl) і авіценна 7Tl2 O3ЧFe2 O3 ( ? 80% Tl) - дуже рідкісні і не мають практичного значення.

Основна маса Талію знаходиться в розсіяному стані у вигляді ізоморфної домішки в силікатних і сульфідних рудах. Талій і його сполуки токсичні. При роботі з ними необхідно суворе дотримання правил техніки безпеки, вихідною сировиною для отримання талію є відходи і напівпродукти свинцево-цинкового, міделиварного і сірчанокислотного виробництва, містять від сотих до десятих частин відсотка талію. процес вилучення талію включає отримання талієвого концентрату. переробку його на чорновий метал і рафінування. Талієвий концентрат отримують пірометалургічним методом, заснованим на збагаченні возгонів летучими зв'язками талію, гідрометалургійним метод, що полягає в переведенні талію у розчин з наступним селективним вилученням його: осадженням, екстракцією, іонним обміном, цементацією и інше. вибір технологічної схеми залежить від хімічного складу сировини і можливості раціонального її здійснення. Найчастіше всього талій із попередньо очищених розчинів цементують металічним цинком. отриману талієву губку пресують, а потім сплавляють в компактний метал. Рафінують талій хімічним, електрохімічним або кристалохімічним методом.

3. Поліморфізм та кристалічна будова талію

Поліморфізм (від грец. Polymorphos - багатоманітний ) , здатність твердих в-в і рідких кристалів існувати у двох або неск. формах з разл. кристалічні. структурою і св-вами при одному і тому ж хім. складі . Такі форми наз. поліморфними модифікаціями . Взаємні перетворення поліморфних модифікацій зв. поліморфними переходами. Поліморфізм простих в-в прийнято називати аллотропией , але поняття поліморфізму не відносять до некрісталліч. аллотропной формам ( таким , як газоподібні О2 і О3 ) . Поліморфізм широко поширений в найрізноманітніших класах в -в.

Талій відомий в кристалічних модифікаціях альфа, бета і гама. Альфа- і бета-модифікації стійкі при атмосферному тиску з температурою поліморфного перетворення 230-240? С; гамма-модифікація утворюється при температурі 200? С і тиску порядку 1200 кгс/см.2 Кристалічна решітка альфа-талія - гексагональна щільноупакована з періодами а = 3,4560 А і с = 5,5250 А, (<230?), просторова група (D - групи, що мають n-кратну вісь обертання n-го порядку і n осей другого порядку, розташованих під прямим кутом до неї) - Р6(3)/mmc (кристалічна решітка типу Mg) ; кристалічна решітка бета-талія - кубічна гранецентрована, а = 3,874 А, (>230?), просторова група (O - дві кубічні групи, що мають максимально можливе число осей обертання, а саме: чотири осі 4-го порядку, паралельні ребрам кубу, чотири осі 3-го порядку, паралельні діагоналям куба, і шість осей 2-го порядку, паралельних діагоналям граней) - I m3m (кристалічна решітка типу W); кристалічна решітка гамма-талія - об'ємоцентрована кубічна. S298 = 64,27 кДж/моль. Щільність талія 11, 85 г/см.3; tпл 303 ? С, tкип 1460 ? С; температурний коефіцієнт лінійного розширення (т-ра ? 20 ? С) 28Ч10 -6 град-1; коефіцієнт теплопровідності 0,093 кал/смЧсекЧград; питома теплоємність (т-ра 20 - 100 ? С) 0,0326 кал/гЧград; питомий електричний опір (т-ра ? 20 ? С) 18Ч10 -6 ОмЧсм; міцність на розрив 0,9 кгс/мм.2 ; НВ = 3,0. Вельми часто поліморфізм (вже не лише чистих металів, але і з'єднань з простою формулою зводиться до зміни типа щільної упаковки 6-, 8-, 15-слойними аж до числа шарів в декілька десятків

Електронна конфігурація: [Xe]

Атомний радіус: 156 пм.

Ковалентний радіус: 145 пм.

3.1 Кристалічна будова б- Tl.

В альфа-модифікації (б - Tl) талій має гексагональну щільно упаковану кристалічну решітку (ГЩП). У ГЩП решітці при с / а = 1,633 (рис. 3) атом А в центрі шестигранного підстави призми знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від шести атомів /, 2, 3, 4, 5, 6, розміщених у вершинах шестикутника, і від трьох атомів 7, 8, 9, розташованих у середній площині призми. Крім того, атом А виявляється на такій же відстані ще від трьох атомів 10, 11, 12, що належать кристалічної комірці, що лежить нижче основи. Атоми 10, 11, 12 симетричні атомам 7, 8, 9. Отже, для ГЩУ решітки координаційне число дорівнює 12 (Г12). На елементарну комірку такої решітки припадають шість атомів ( 3 + ( 1 / 6 ) х12 + ( 1 / 2 ) х2 = 6 ) .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Гексагональна щільно упакована кристалічна гратка

Атомний радiус вимiрюють половиною вiддалi мiж найближчими сусiднiми атомами в гратцi. Наприклад, у випадку кубiчної примiтивної гратки та гексагональної щільної атомний радiус дорiвнює а/2, а для гранецентрованої та об'ємноцентрованої кубічних відповідно та .

Щільність пакування: = 1/ac = 1/3,4560*5,5250=0,052 A.

Розмір порожнин:

3.2 Кристалічна будова в-Tl, г-Tl.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Кубічна кристалічна гратка: а -гранецентрована (ГЦК), б - об'ємоцентрована (ОЦК).

У ГЦК решітці (рис. 1.3, б) атом А (на грані куба) знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від чотирьох атомів /, 2, 3, 4, розташованих у вершинах куба, від чотирьох атомів 5, 6, 7, 8, розташованих на гранях куба, і, крім того, від чотирьох атомів 9, 10, 11, 12, що належать располо - женной поруч кристалічної комірці. Атоми 9, 10, 11, 12 симетричні атомам 5, 6, 7, 8. Таким чином, ГЦК решітки Координаційне число ГЦК гатки = 12(К12).

У ОЦК решітці (рис. 1.3, а) атом А (у центрі) знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від восьми атомів, розташованих у вершинах куба, тобто координаційне число цієї решітки одно 8 (К8).

Для розрахунку щільності пакування потрібно визначити співвідношення об'єму, який займають атоми(Va) в комірці до об'єму всієї комірки(V):

.

Діагональ грані кубу буде дорівнювати чотирьом радіусам атома, тому

сторона кубу = v8*r. . .

Отже щільність пакування = 74%.

Будь-які структури мають порожнини, які бувають двох типів: октаедричні і тетраедричні. В ГЦК гратках, радіуси октаедричних і тетраедричних порожнин мають розміри відповідно 0,41r і 0,22r, а в ОЦК гратках - 0,154r і 0,29r, де r - атомний радіус. Атомний радіус для талію становить 156 пм.

Рис. 5 Порожнини в ОЦК гратці: в- октаедричні порожнечі; г - тетраедричні порожнечі

Рис. 6 Порожнини ГЦК гратці: в- октаедричні порожнечі; г - тетраедричні порожнечі

Площини і напрямки найщільнішого пакування. Густина розселення атомами певного напрямку дорівнює відношенню кількості атомів, що є на певному відрізку, на довжину цього відрізку:

.

Тож найщільніший напрям пакування буде [110], бо

Рис. 7 Напрямки найщільнішого пакування

За правилом Браве: максимальна ймовірність зростання граней кристалу відбувається для площин з більшою ретикулярною щільністю. Розрахуємо ретикулярну щільність для площини найщільнішого пакування. Найбільше щільно упакованими площинами в структурі гранецентрованого куба є площини (111), у яких атоми розташовуються в кутах рівносторонніх трикутників зі стороною , як показано на рис.1.1,б. Кожна з цих площин має три щільноупаковані напрямки, по яких, можна вважати, атоми стикаються один з одним. Площа цієї площини

S= =

Підрахуємо кількість атомів, що припадають на площу цього трикутника. Кожний із трьох атомів, що перебувають у вершинах цього структурного трикутника, «віддає» цьому трикутнику лише 1/6 частину, оскільки інші 5/6 частин кожного атома при вершині будуть належати іншим п'яти суміжним структурним рівностороннім трикутникам, тому що кут при вершині кожного рівностороннього трикутника дорівнює 60°. Таким чином, число атомів, що припадають на площу розглянутого рівностороннього трикутника, складе всього атома, також враховуємо три атоми, розташовані по центрах ребер рівностороннього структурного трикутника, кожний з яких віддає розглянутому трикутнику по половинці , тобто , тоді ретикулярна щільність буде

? = = 0,01539 ?.

Аналогічно й для ОЦК гратки, але ? = = 0,07694А.

Рис. 8 Площини найщільнішого пакування

4. Хімічні властивості

В сухому повітрі талій покривається тонкою приховай плівкою оксиду, при нагріванні утворює чорний гігроскопічний порошок Tl2O. З водою Tl2O утворює гідроокис TlOH. При нагріванні талія в середовищі озону виходить нерозчинний у воді темно-бурий кристалічний порошок Tl2 O3. При нагріванні талій реагує з галогенами і сіркою. З воднем не взаємодіє. У лугах не розчиняється, повільно кородує в оді при наявності повітря. Важко розчинний в соляній, швидко - в азотній, повільніше - в сірчаній кислотах. Талій розчиняє значну кількість багатьох металів: індію, кадмію, свинцю, ртуті, сурми, олова, ісмута та інші. Легування талієм підвищує корозійну стійкість свинцевих сплавів проти дії мінер. Деякі сплави при введенні талію здобувають високу теплопровідність, низький коефіцієнт тертя, їх легше відливати у форми.

5. Застосування

Промислове значення Талій набув в 20-х рр. 20 століття. Товарні форми талію - злитки і стержні, покриті шаром парафіну чи лаку. Талій застосовують у:

напівпровідниковій техніці (отримання напівпровідникових матеріалів);

атомній техніці (добавками броміду або йодиду талія активізують фосфори, що використовуються в сцинтиляційних лічильниках бета-частинок і гама-променів);

електротехніці (виготовлення спектральних люмінесцентних, флуоресцентних і інших ламп спеціального призначення);

приладобудуванні (ізотоп 204Tl слугує постійним джерелом бета-випромінювання в приладах для контролю виробничих процесів);

оптиці (кристали TlBr - TlI застосовуються в якості призм і лінз для інфрачервоної спектроскопії; карбонат талію використовують для виготовлення оптичного скла з високим показником заломлення).

Амаль-гама (8,3 Tl %) затвердіває при температурі - 60 ? С і застосовується для виготовлення низькотемпературних термометрів. Талій входить до складу важливих сплавів головним чином з оловом і зі свинцем. Так, сплав 10% Tl, 70% Pb і 20% Sn відрізняються високою корозійною стійкостю проти дії соляної і азотної кислоти; сплав 8%Tl, 72% Pb, 15% Sb і 5% Sn по якості перевершує кращі підшипникові сплави. Сплав 3,5 % Tl, 0,05% Ca, 0,03% Fe і 96,49% Pb стійкий проти дії хлору в сульфатних розчинах; застосовується для виготовлення нерозчинних анодів.

6. Цікаві факти

Талій входить до складу багатьох представників флори і фауни нашої планети. З тварин найбільше талію містять медузи , актинії , морські зірки і інші мешканці підводного царства. А от на суші цей елемент частіше зустрічається в рослинах , причому деякі з них акумулюють його в процесі своєї життєдіяльності. Так , талій був знайдений в буряку , виростала на грунті , в якій за допомогою самих чутливих методів не вдалося його виявити. Подальші дослідження показали , що буряк "уміє" збирати і накопичувати талій навіть при мінімальній концентрації його в грунті .

Размещено на Allbest.ru