Асимметрия p-связывания и связность структур

Анион кислорода, участвующий в двойной связи с d⁰-катионом, валентно насыщен и не имеет надобности соединяться со вторым катионом, то есть быть мостиковым. На нем структура обрывается и связность ее получается пониженной. Например, в V₂O₅ один из атомов кислорода имеет расстояния до атомов ванадия 1,56 А (очень прочная, почти двойная связь) и 2,84 А – почти полное отсутствие связи. Поэтому оксид ванадия (5) - слоистый. Отсюда вытекает его относительно низкая температура плавления и высокая реакционная способность по сравнению с оксидом ниобия (5): например, V₂O₅ легче растворяется и в кислотах, и в щелочах. Если не знать особенностей координационной химии ванадия и молибдена, то предвидеть эти результаты трудно. Предполагая КЧ катионов 5 или 6, следовало бы ожидать, что у всех анионов КЧ 2 (или даже больше), структура сшита в трех измерениях, вещество тугоплавко, нелетуче, малоактивно. Фактически же 2 – это лишь среднее КЧ кислорода, а реальные – 1, 2 и 3, и связность поэтому понижена.

4.2.4. Асимметрия p-связывания и особые электрические и оптические свойства. Если в структуре существуют бесконечные линейные цепочки -О-М-О-М-О-М- (октаэдры МО₆ соединены вершинами), где М - d⁰-катион, склонный к асимметрии p-связывания, то смещение одного из катионов к одному из соседей (например, к левому) вызовет, для поддержания локального баланса валентности, смещение и соседних катионов в том же направлении. В цепочке будут чередоваться короткие и длинные связи, центр тяжести положительных зарядов перестанет совпадать с центром тяжести отрицательных, структура станет полярной (слева плюс, справа минус). Если такое смещение невелико, то наложением внешнего электрического поля той же полярности можно вызвать смещение ионов в противоположную сторону. Затем, если поле убрать, обратное смещение не произойдет, т.к. смещение катионов вправо ничуть не хуже смещения влево. Такое явление – существование собственной полярности, направление которой можно переориентировать внешним электрическим полем – называется сегнетоэлектричество, а сам материал – сегнетоэлектрик. Собственная поляризация обычно существует лишь при невысоких температурах, а нагревание способствует переходу в более симметричную неполярную структуру без смещений (или с заменой постоянных смещений на интенсивные тепловые колебания). Сегнетоэлектрики имеют множество практических применений, основанных на преобразовании электрических сигналов в механические и обратно (микрофоны, телефоны, гидрофоны, излучатели ультразвука, датчики давлений, ускорений), электрооптических эффектах (управление лазерным лучом с помощью электрического поля), эффекте памяти и др. Чтобы смещения существовали, но были небольшими, нужна некоторая, не слишком большая и не слишком маленькая, степень ионности связи. Идеально удовлетворяют этому титанаты и ниобаты. У кислородных соединений ванадия и молибдена смещения катионов и искажения октаэдров обычно настолько велики (см. выше), что их невозможно обратить внешним полем (одна вершина октаэдра зачастую потеряна вовсе, и получилась четырехугольная пирамида). Наоборот, при замене кислорода фтором, или ниобия танталом, или титана цирконием ионность связи возрастает, ковалентные эффекты ослабевают, и расположение ионов становится неполярным уже при низкой температуре. Частичное замещение (образование твердых растворов) позволяет плавно регулировать свойства. Важнейшие сегнетоэлектрики: BaTiO₃, Pb(Ti_1-xZr_x)O₃, KNbO₃, LiNbO₃, PbNb₂O₆.

Дата добавления: 2015-07-25