Взаимосвязь структуры и типа химической связи в сульфидах магния-лантанида с их свойствами

Взаимосвязь структуры и типа химической связи в сульфидах магния-лантанида с их свойствами.

Редкоземельные металлы образуют с серой несколько сульфидных фаз - LnS, Ln3S4, Ln5S7, Ln2S3, LnS2.Возможность образования той или иной фазы, а также особенности е кристаллического строения и природы химической связи определяется комплексом энергетических и геометрических факторов, характеризующих атомы компонентов 8. Моносульфиды MeS имеют кубическую кристаллическую структуру типа NaCl. Структура MeS образуется сочетанием довольно объемистых анионов серы и значительно меньших по размерам катионов металлов.

Это различие ведет к поляризации связи Me S. Можно предполагать, что анионы серы как более крупные по размерам имеют тенденцию к регулярному расположению в элементарных ячейках довольно тесно один возле другого они образуют при этом пустоты, в которых распологаются катионы.

Однако минимальные размеры пустот должны быть 0,76 A, если размер иона серы 1,84 A, а большинство катионов металлов имеет диаметры, значительно превышающие 0,76 A, и их введение в пустоты неизбежно ведт к некоторому расширению решетки.

С уменьшением размеров катионов должно уменьшаться расширение решетки и поэтому параметры решетки должны уменьшаться при переходе от La к Lu лантаноидное сжатие.

По данным Флао7, моносульфиды лантаноидов должны иметь металлическую и ионную связи с преобладанием доли первой, поскольку в связи с необходимостью обеспечения электронейтральности решетки для случая нормальной валентности металлов 3 и серы -2, кроме связей Me S должен появиться один свободный электрон в каждой молекуле MeS. О металлическом характере этих соединений можно судить по небольшому электросопротивлению и металлическому блеску.

Однако, несмотря на удовлетворительную согласованность изложенной картины химической связи с экспериментальными данными, следует, учитывая существование двух типов связи в сульфидах MeS, уточнить вывод о преобладании металлической связи.

Моносульфиды MeS имеют кубическую структуру типа NaCl, в которой ионная связь Me S играет определяющую роль. Если принять валентность металла равной 3, а серы 2, то в каждой элементарной ячейке, содержащей четыре формульные единицы MeS, окажется четыре электрона, не участвующих в связи Me S. Эти электроны перейдут на связь Me Me и будут коллективизированы.

Однако в элементарной ячейке, кроме четырех связей Me Me возникает восемь связей Me S и соединения по преимуществу будет ионным. Сесксульфиды являются нормальными валентными соединениями. В этих соединениях с несколько большими расстояниями Me S, чем у моносульфидов, наряду с ионными связями Me S, образование которых требует полного перехода валентных -s-электронов металлов в оболочку атомов серы, должны возникнуть также направленные ковалентные связи между атомами серы S-S. Это вытекает из сравнительно небольшого различия расстояний Me S и S S в решетке Me2S3. Доля ковалентных связей растет с ростом отношения SMe в сульфидных фазах.

Можно полагать, что это число будет расти не только в области гомогенности Me3S4-Me2S3, но и при переходе к фазам, более богатым серой, например MeS2. Если в области гомогенности Me3S4-Me2S3 увеличение ковалентных связей между атомами серы приводит к ассиметрии распределения электронной плотности, вызывающей при определенном критическом отношении SМе образование внутри решетки энергетических уровней, типичных для полупроводников, то для фаз более богатых серой, оно ещ увеличивается и это приведт к большому смещению электронной плотности в сторону атомов серы, а величина энергетического разрыва может стать настолько большой, что соединение приобретет свойства диэлектрика.

Наоборот, при уменьшении отношения SMe в области гомогенности Me3S4-Me2S3 при постепенном заполнении вакансий в решетке атомами металла будет увеличиваться доля ионных связей Me-S и соответственно уменьшаться доля ковалентных связей SS. Сульфид магния имеет кубическую структуру типа NaCl, в которой ионная связь Me-S играет определяющую роль. Изменение характера связи при уменьшении соотношения числа атомов компонентов в различных сульфидных фазах приводит к изменению проводимости от металлической в фазах бедных серой до полупроводниковой с образованием запрещенной зоны и возрастанием доли ионной связи в фазах богатых серой.

И сопровождается резким изменением теплоты образования, которая является мерой прочности соединения и свидетельствует о замене слабых металлических связей сильными ионными при переходе от MeS до MeSx, где 1 x29. 1.2.