Technique and technology of silicates Technique and technology of silicates Техника и технология силикатов 2076-0655 101570 ОСНОВНАЯ РУБРИКА MAIN RUBRIC ОСНОВНАЯ РУБРИКА Interatomic interactions in binary aluminum compounds МЕЖАТОМНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ АЛЮМИНИЯ Молчан Н В Molchan N V Кривобородов Юрий Романович Krivoborodov Yuriy Romanovich

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Фертиков В И Fertikov V I Научный центр экспертизы средств медицинского применения Россия Научный центр экспертизы средств медицинского применения Russian Federation Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева D.Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia Всероссийский институт легких сплавов, г. Москва ru All-Russia Institute of Light Alloys, Moscow ru 26 3 82 86 21 07 2025 https://tsilicates.ru/en/nauka/article/101570/view

Физические и химические свойства определяются числом и расположением ядер и электронов. Превращения веществ сопровождается тепловыми эффектами и изменениями объема, который формируется электронными оболочками атомов. Электронные оболочки меняют свою форму и объем в зависимости от окружения их другими атомами. Тепловые процессы достаточно подробно рассмотрены в многочисленных работах по химической термодинамики, а информации по изменениям объемов недостаточно. Представлены расчеты, отображающие взаимодействия алюминия с другими атомами.

Physical and chemical properties are determined by the number and location of nuclei and electrons. The transformation of substances is accompanied by thermal effects and changes in the volume, which is formed by the electron shells of atoms. The electron shells change their shape and volume depending on the environment of their other atoms. Thermal processes are described in detail in numerous papers on chemical thermodynamics, and information on volume changes is not enough. Presents calculations showing the interaction of aluminum with other atoms.

 концентрация электронов плотность структура electron concentration density structure.

Введение. В работах [1-9] представлены результаты расчетов по межатомным взаимодействиям. В работах [10,11] представлены результаты расчетов по межмолекулярным взаимодействиям.Взаимосвязь между структурными характе-ристиками и свойствами представлена в работах [12,13]. Конденсированное состояние характеризуется наполненностью ядрами атомов и электронами.Изменение структуры вещества без изменения химического состава всегда сопровождается изменением взаимодействия электронов в веществе (фазовые превращения) [14,15]. Изменения объемов наряду с тепловыми эффектами могут характеризовать межмолекулярные и межатомные взаимодействия. Химические превращения определяются взаимо-действием электронных оболочек атомов и молекул.Приведенные ниже вычисления построены на основании справочных данных по плотности веществ в конденсированном состоянии [16-18].Целью настоящей работы было выявить возможность использования нормированной величины изменения объема как характеристики, позволяющей оценивать интенсивность взаимодействия между разнородными атомами, а концентрацию электронов и концентрацию ядер атомов, определяемых в единицах моль/см3, в качестве величины, позволяющей оценить структуру материала.Методы. В работах [1-9] представлена формула для определения концентрации электронов гомонуклеарных веществ на основании справочных данных по их плотности в конденсированном состоянии: (1)где   Сэлектр – концентрация электронов в единице объема, моль/см3;d – плотность вещества в конденсированном состоянии, г/см3;М – молярная масса, г/моль; Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Соединение типа AaBb имеет концентрацию электронов (2)где   a - подстрочный индекс элемента A , ZA – порядковый номер элемента A,b – подстрочный индекс элемента B,ZB – порядковый номер элемента B,Соединение типа AaBb      имеет концентрацию ядер атомов (независимо от их сорта) (3)Чем выше концентрация ядер, тем короче межъядерные расстояния. Сплавы металлов не являются простой смесью различных компонентов, а представляют собой различные химические соединения из элементов, которые образуют сплав.      Для оценки глубины взаимодействия между атомами удобно сравнивать объемы веществ до реакции (Vкомпон.) и объемы веществ после реакции (Vпрод.). Полученную величину нормируем к объему конечного продукта. Результат, выраженный в процентах, характеризует изменение объемов веществ в процессе реакции. Обозначим эту величину – коэффициент уплотнения (Купл.): (4)Формула 4 может быть представлена в виде (4а)Коэффициент уплотнения может быть, как положительным, так и отрицательным. Это означает, что продукт реакции может иметь объем меньший, чем сумма объемов исходных элементов, а может быть больше суммы исходных объемов (разрыхление электронных оболочек). Алюминий в твердом состоянии имеет объем одного моля атомов 9,99 см3, концентрацию электронов 1,301 моль/см3, концентрацию ядер 0,100 моль/см3.В таблице 1 приведены характеристики бинарных соединений алюминия. Столбцы 2, 3 и 4 заполнены на основании расчетов по формулам 4, 2 и 3 используя данные из [10,11]. Столбец 5 заполнен данными из [19].Таблица 1 - Структурные характеристики бинарных соединений алюминия.ВеществоКупл,%Сэлектрмоль/см3Сядермоль/см3-ΔHº298кДж/моль12345AlH3145,40,7870,19712LiAlLi3Al2Al4Li918,717,116.90,8260.6940.5880,1030.0990.097 AlB2AlB1025.6-0.71.5051.1130.1960.194 Al4C316.01.4500.145208AlN58.51.5970.160318Al2O3AlOAl2O37.9-40.641.51.7720.7651.8290.1770.0730.1611675AlF340.61.4410.1441510Mg2Al3Al2Mg-0.7-0.61.0801.1110.0860.088 Al4Si-19.71.0270.078 AlP-2.21.1670.083 Al2S33.51.1520.078509AlCl317.61.2030.075704Al2CaAl4Ca14.63.71.1641.1340.0760.079 AlSc2AlScAl3ScAl2Sc3.66.08.17.31.4321.4471.4451.4450.0780.0850.0960.092 Al3TiAl2TiAlTi3AlTi7.45.93.86.61.6161.6631.9701.8160.1060.1040.1000.104 AlV3Al3Vβ-Al6V3.37.42.62.4181.7371.5170.1180.1120.105 Cr5Al8AlCr23.64.71.9962.6050.1160.128 Al8Mn5Al2Mn36.16.22.0782.5460.1180.126 Al5Fe2Al6FeAlFe3AlFe3.15.66.917.01.8761.6373.1092.6680.1120.1100.1370.137 Al5Co2AlCo9.918.12.0652.8330.1210.142 Al4Ni3AlNiNi5Al3AlNi37.014.311.55.62.4342.8243.1683.4360.1250.1380.1420.142 Продолжение табл.112345AlCuAlCu4Al2Cu3CuAl2-2.64.2-8.937.52.3893.4932.4902.0380.1140.1350.1100.111 Al0.71Zn0.291.81.8720.104 AlGeAl3Ge2δ-AlGe2-20.913.40.81.5052.0402.0810.0670.0990.081 AlAs-13.61.7220.075 Al2Se3-6.71.7210.067567AlBr37.11.4470.049514Sr5Al9SrAlAl2Srβ-Al4Sr22.214.025.512.81.4301.3071.4741.3620.0650.0510.0690.076 Al3Y5Al3YAl2YY3Al2Y3AlY2Al-0.16.09.31.43.02.11.8061.6571.7821.8191.9211.8660.0620.0850.0820.0640.0590.062 AlZr3Al3ZrAl2ZrAl3Zr23.15.47.23.82.6281.8892.0772.1260.0790.0960.0940.089 σ-AlNb2Al3NbAlNb32.56.41.43.0712.0843.2420.0970.1040.095 Al5MoAlMo36.34.81.9153.8180.1070.110 Al6TcAlTc20.56.81.7753.9150.1030.119 Al6RuAlRuRu2Al3RuAl22.716.212.512.11.8423.6753.1042.8010.1060.1290.1220.120 AlRhRh2Al514.84.43.6392.4300.1250.110 Al3Pd5AlPdAl4Pd8.69.52.83.9353.4262.0620.1170.1160.105 AlAg3Ag2Al1.60.43.8363.5190.1000.099 AlSb-18.51.8490.058 Al2Te3Al5Te4-17.5-5.91.8501.9520.0510.064326AlI3-13.81.7030.040308Ba3Al5Ba4Al5Al4Ba17.415.610.81.6621.6471.5300.0570.0510.071 Al3LaAl2LaAlLa3Al4La-1.94.2-2.25.81.7902.0302.3131.6730.0750.0730.0500.085 AlCeAl3CeAl2CeAlCe3-15.5-28.13.52.31.9551.3762.1352.6520.0550.0570.0760.057 AlPrAl2PrAl3Pr3.04.90.12.4072.1851.9300.0680.1040.079 AlNd3Al2NdNdAl3AlNd4.95.90.71.32.8192.2311.9712.4020.0580.0780.0800.066 AlSm2AlSm3Al3SmAl2Sm-0.6-1.7-16.25.82.7342.8072.0702.3340.0600.0560.0820.080 Al2EuAl4Eu21.36.12.2041.6140.0740.077 Al3GdAl2GdAl2Gd3AlGd4.08.1-0.5-3.32.1422.4262.7172.4810.0830.0810.0620.064  Продолжение табл.112345Al2Tb3Al2TbTbAl30.37.35.32.8462.4842.2220.0640.0820.085 Al3DyAlDyAl2DyAl2Dy37.53.97.51.52.3032.8302.5362.9530.0880.0720.0830.066 Al2HoAl2Ho3HoAl37.80.37.12.5912.9932.3320.0840.0660.088 AlErAl2Er3Al2ErAl3Er3.91.58.17.82.9543.0932.6382.3780.0730.0670.0840.089 Al3TmAl2Tm7.68.02.4162.6900.0890.085 Al2YbYbAl321.522.62.6762.4380.0810.089 AlLu2Al2Lu3.48.23.5142.7770.0680.086 Hf5Al3Hf3Al2Al3HfAl2HfAlHfAlHf20.7-6.55.67.52.5-0.94.1423.7572.7013.1553.7234.2280.0830.0780.0970.0970.0880.081 AlTaTa2Al3AlTa2Al3Ta-20.614.34.66.33.2694.0835.2292.9120.0760.1100.0990.104 Al5WWAl127.2-1.32.5051.7530.1080.099 Al6ReAlRe0.730.82.2386.1150.1020.139 AlOsOsAl2Os2Al312.713.7-10.65.4474.0824.6360.1220.1200.121 Al3IrAlIr5.816.13.3665.6250.1100.125 Pt2AlAlPt3Al2Pt7.83.7-7.06.4606.9853.3240.1150.0860.096 Au4AlAl2Au5AlAuAlAu2Al2Au2.3-11.5-0.46.0-6.96.6186.1064.5325.9603.2340.1010.1020.0990.1050.092 Al2ThAlTh2AlThAl2Th3Al3Th-0.24.3-0.91.51.42.7763.7683.2213.5322.5310.0720.0590.0630.0600.078 Al2UAl3U-7.8-10.73.3472.7520.0850.084 NpAl2NpAl3NpAl4-11.0-10.8-9.73.3542.8312.3640.0850.0860.088 AlPu3Al2PuAl3PuAl4PuPuAl-7.6-7.2-5.9-5.5-8.65.3333.3052.8532.3924.1280.0720.0830.0860.0880.077  В таблице представлено более 150 соединений, относящихся к классу интерметаллидов. Эти соединения являются перспективными, но термодинамичекие показатели во многих случаях отсутствуют. Представленные в таблице результаты помогут более целенаправленно применять соединения без предварительных испытаний.Корреляционный анализ для галогенидов алюминия показал, что коэффициент корреляции между теплотой образования и уплотнением, а также концентрацией ядер превышает критический на уровне значимости 0,975. Это позволяет утверждать о корректности вычисленных значений.Рассматривая ряд соединений Al2O3; Al2S3; Al2Se3; Al2Te3, легко заметить, что значения коэффициентов уплотнения являются более привлекательными для характеристик взаимодействия, чем теплота образования.Чем выше уплотнения для однотипных соединений, тем больше теплота образования для этих химических соединений.Можно утверждать, что химическая активность фтора, хлора, брома и иода для ряда соединений равномерно уменьшается, также и в ряду: кислород, сера, селен и теллур. На основании полученных данных можно заключить, что изменение объема при химических реакциях надежно характеризует интенсивность межатомных взаимодействий.Сравнение объемов веществ до реакции и после позволяет полнее раскрывать взаимодействие атомов и молекул, чем это позволяют делать тепловые эффекты.Структуру кристаллического состояния удобнее рассматривать через показатели, которые могут характеризовать пространство, заполненное ядрами атомов и электронами. Ядра атомов образуют остов структуры, а электроны образуют взаимодействие между атомами.Представленные в таблице 1 концентрации электронов и концентрации ядер атомов способны отображать различия и сходство структур веществ. Выводы:Представлены результаты нормированной характеристики изменения объемов в бинарных соединениях алюминия.Предложено использовать плотность, как одну из величин, способных характеризовать взаимодействие атомов в конденсированной системе для оценки свойств веществ.Показано, что величины концентрации электронов и концентрации ядер атомов соединений, определяемых в единицах моль/см3, можно использовать как структурные характеристики материала.Для оценки степени взаимодействия исходных компонентов при образовании соединения предложено использовать коэффициент уплотнения.  

Molchan N.V., Fertikov V.I. Determination of Concentration of Electrons for Description of the Structure of Materials, with Sulfides as an Example//Journal of Materials Sciences and Applications. – 2015. – Vol. 1, № 2. – P. 38–44. Molchan N.V., Fertikov V.I. Determination of Concentration of Electrons for Description of the Structure of Materials, with Sulfides as an Example//Journal of Materials Sciences and Applications. – 2015. – Vol. 1, № 2. – P. 38–44. Молчан Н.В., Фертиков В.И. Концентрация электронов как структурная характеристика оксидов //Техника и технология силикатов. – 2016. – Т. 23, № 2. – С. 8–14. Molchan N.V., Fertikov V.I. Koncentraciya elektronov kak strukturnaya harakteristika oksidov //Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2016. – T. 23, № 2. – S. 8–14. Molchan N.V., Fertikov V.I. Interrelation of Thermodynamic Parameters and Structural Characteristics, with Halides of Groups 1 and 2 Elements as an Example // American Journal of Chemistry and Application. – 2016. – Vol. 3, № 5. – P. 28–32. Molchan N.V., Fertikov V.I. Interrelation of Thermodynamic Parameters and Structural Characteristics, with Halides of Groups 1 and 2 Elements as an Example // American Journal of Chemistry and Application. – 2016. – Vol. 3, № 5. – P. 28–32. Seguru G., Fertikov V. Interaction of Elements in Binary Compounds of Hydrogen// American Journal of Chemistry and Application. – 2017. - Vol. 4, № 6. – P. 59–62. Seguru G., Fertikov V. Interaction of Elements in Binary Compounds of Hydrogen// American Journal of Chemistry and Application. – 2017. - Vol. 4, № 6. – P. 59–62. Fertikov V., Seguru G. The Interaction of Iron with the Chemical Elements, Forming Binary Compounds // SciFed Journal of Metallurgical Science – 2017. – V.1.Iss.I. P.1 -5. Fertikov V., Seguru G. The Interaction of Iron with the Chemical Elements, Forming Binary Compounds // SciFed Journal of Metallurgical Science – 2017. – V.1.Iss.I. P.1 -5. Fertikov V., Seguru G. Assessment of Changes in Volume of Nickel Compounds Interacting With the Chemical Elements//International Journal of Current Research. – 2017 - V.9, Iss. 08. P.56361-56364. Fertikov V., Seguru G. Assessment of Changes in Volume of Nickel Compounds Interacting With the Chemical Elements//International Journal of Current Research. – 2017 - V.9, Iss. 08. P.56361-56364. Seguru G., Fertikov V. Interatomic Interactions in Binary Nitrogen Compounds // International Journal of Innovation in Engineering Research & Management. – 2018 – V. 05. Iss. 02. P. 1-5. Seguru G., Fertikov V. Interatomic Interactions in Binary Nitrogen Compounds // International Journal of Innovation in Engineering Research & Management. – 2018 – V. 05. Iss. 02. P. 1-5. Молчан Н.В., Кривобородов Ю.Р. Фертиков В.И. Взаимодействие кремния с химическими элементами, образующими с ним бинарные соединения. // Техника и технология силикатов. – 2017. – Т. 24, № 4. – С. 11–17. Molchan N.V., Krivoborodov Yu.R. Fertikov V.I. Vzaimodeystvie kremniya s himicheskimi elementami, obrazuyuschimi s nim binarnye soedineniya. // Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2017. – T. 24, № 4. – S. 11–17. Молчан Н.В., Кривобородов Ю.Р. Фертиков В.И. Межатомные взаимодействия в бинарных соединениях кальция. // Техника и технология силикатов. – 2018. – Т. 25, № 4. – С. 106–109. Molchan N.V., Krivoborodov Yu.R. Fertikov V.I. Mezhatomnye vzaimodeystviya v binarnyh soedineniyah kal'ciya. // Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2018. – T. 25, № 4. – S. 106–109. Молчан Н.В., Кривобородов Ю.Р. Фертиков В.И. Взаимодействие воды с оксидами, образующими гидроксиды и кристаллогидраты//Техника и технология силикатов. – 2017. – Т. 24, № 1. – С. 11–16. Molchan N.V., Krivoborodov Yu.R. Fertikov V.I. Vzaimodeystvie vody s oksidami, obrazuyuschimi gidroksidy i kristallogidraty//Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2017. – T. 24, № 1. – S. 11–16. Молчан Н.В., Кривобородов Ю.Р. Фертиков В.И. Межмолекулярные взаимодействия в двухкомпонентных оксидных системах с SiO2// Техника и технология силикатов. – 2018. – Т. 25, № 3. – С. 80–84. Molchan N.V., Krivoborodov Yu.R. Fertikov V.I. Mezhmolekulyarnye vzaimodeystviya v dvuhkomponentnyh oksidnyh sistemah s SiO2// Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2018. – T. 25, № 3. – S. 80–84. Молчан Н.В., Фертиков В.И. Сжимаемость веществ и размеры атомов // Материаловедение. – 2011. – Т. 171, № 6. – С. 2–6. Molchan N.V., Fertikov V.I. Szhimaemost' veschestv i razmery atomov // Materialovedenie. – 2011. – T. 171, № 6. – S. 2–6. Молчан Н.В., Фертиков В.И. Концентрация электронов и механические свойства веществ. В сб.: ТестМат – 2013. Сборник докладов Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов. 2013. С. 9 Molchan N.V., Fertikov V.I. Koncentraciya elektronov i mehanicheskie svoystva veschestv. V sb.: TestMat – 2013. Sbornik dokladov Vserossiyskoy konferencii po ispytaniyam i issledovaniyam svoystv materialov. 2013. S. 9 Molchan N., Eliseev D., Fertikov V. Control of Nickel Alloy Structural Change by the Atomic Emission SpectroscopyMethod // American Journal of Analytical Chemistry. – 2016. – Vol. 7, № 9. – P. 633–641. Molchan N., Eliseev D., Fertikov V. Control of Nickel Alloy Structural Change by the Atomic Emission SpectroscopyMethod // American Journal of Analytical Chemistry. – 2016. – Vol. 7, № 9. – P. 633–641. Молчан Н.В., Фертиков В.И. Контроль изменения структуры стали при отжиге етодом атомно-эмиссионной спектроскопии. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2016. –Т.82, №5. –С.39-43. Molchan N.V., Fertikov V.I. Kontrol' izmeneniya struktury stali pri otzhige etodom atomno-emissionnoy spektroskopii. // Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. -2016. –T.82, №5. –S.39-43. International Centre for Diffraction Data. JCPDS PCPDFWIN. – 2002. – V. 2.03. International Centre for Diffraction Data. JCPDS PCPDFWIN. – 2002. – V. 2.03. Новый справочник химика и технолога. Основные свойства неорганических, органических и элемент-органических соединений. – СПб.: Профессионал, 2007. – 1276 с. Novyy spravochnik himika i tehnologa. Osnovnye svoystva neorganicheskih, organicheskih i element-organicheskih soedineniy. – SPb.: Professional, 2007. – 1276 s. Физические величины: справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с. Fizicheskie velichiny: spravochnik / A. P. Babichev, N. A. Babushkina, A. M. Bratkovskiy i dr.; pod red. I. S. Grigor'eva, E. Z. Meylihova. – M.: Energoatomizdat, 1991. – 1232 s. Константы неорганических веществ. Справочник / Р.А.Лидин, Л.Л.Андреева, Л.Л.Молочко; под ред. Лидина Р.А. М.: «Дрофа», 2006. 685 с. Konstanty neorganicheskih veschestv. Spravochnik / R.A.Lidin, L.L.Andreeva, L.L.Molochko; pod red. Lidina R.A. M.: «Drofa», 2006. 685 s.