УДК 548
ВЫРАЩИВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КРИСТАЛЛОВ САХАРОЗЫ С ДОБАВКОЙ NaCl
Кафедра общей и теоретической физики
Челябинский государственный педагогический университет
*****@***ru
На современном этапе развития современной физики одной из проблем является получение органических кристаллов с новыми физическими свойствами. Свойствами, не присущими элементам в отдельности. Структура и характеристики кристаллов сахарозы и поваренной соли достаточно полно изучены и не представляют практического интереса. Однако сведения о получении кристаллов сахарозы с примесями бромида натрия, хлорида натрия, иодида натрия, и их свойствах ограничены [1-3]. Кристаллы данного семейства длительное время привлекают внимание исследователей в связи с необычным сочетанием их физических свойств (сегнетоэлектрических). Такая уникальная комбинация свойств обусловлена особенностями кристаллической структуры кристаллов C12H22O11-NaCl-2H2O (полярная в сегнетоэлектрической фазе, существующей при комнатных температурах).
Настоящая работа посвящена выращиванию кристаллов C12H22O11-NaCl-2H2O (1), исследованию структуры кристаллов методом РСА и их сегнетоэлектрических свойств и связи этих свойств со структурой.
Эксперимент
Изотермическое испарение при комнатной температуре водного раствора, содержащего C12H22O11 – NaCl и H2O в мольном соотношении 1:1,привело к формированию монокристаллов (1). Средний размер кристаллов составил около 6 мм, все образцы были бесцветными, хорошего оптического качества, с небольшим количеством включений. Строение (1) изучено методом РСА монокристалла. На дифрактометре ДРОН-3.0 с фокусировкой по схеме Брегга – Брентано были проведены исследования структуры исходных материалов свекловичного сахара, хлорида натрия и выращенных кристаллов. Проверку и уточнение данных проводили по методу внешнего стандарта, в качестве которого был выбран корунд Al 2O 3. Съемка исследуемых образцов проводилась в интервале углов 10°<2и<600 с использованием CuKб-излучения. Напряжение на трубке составляло 30 кВ, анодный ток 10 мА. Регистрацию рассеянного излучения проводили сцинтилляционным счетчиком по точкам с интервалом 2и = 10 в режиме автоматической записи. Для обработки данных была использована программа, позволяющая рассчитывать углы, соответствующие дифракционным максимумам по точке центра тяжести рефлекса, межплоскостные расстояния, интенсивности дифракционных максимумов и интегральные интенсивности рефлексов.
Результаты
На первом этапе были сняты образцы кристаллов сахара (рис.1) и хлорида натрия (рис.2), затем образцы выращенного кристалла (1) (рис.3). Расчётные данные представлены в таблицах 1для сахара, 2 для хлорида натрия и 3 для выращенного кристалла.
Рис.1. Спектр С12H22O11.
Таблица 1. Характеристики РСА для C12H22O11
Рис.2. Спектр NaCl.
Таблица 2. Характеристики РСА для NaCl.
Рис.3. Спектр выращенных кристаллов (1).
Таблица 3. Характеристики РСА для кристаллов (1)
Анализ современных баз структурных и дифракционных данных подтвердил результаты спектров представленных на рис.1 и рис.2. Кристаллы сахара и поваренной соли имеют кубическую кристаллическую решётку, но у них не проявляются свойства поляризации. Спектр выращенных кристаллов (1) (рис.3) представляет структуру твёрдого раствора, в котором ионы натрия и хлора вошли в решётку кристалла, так как отдельно соль не выделилась. Характеристические пики хлорида натрия в спектре выращенного кристалла отсутствуют, что свидетельствует тому, что поваренная соль отдельно не выделилась, а вошла в кристаллическую решётку в виде ионов натрия и хлора. Кристаллы орторомбические с пространственной группой P212121.
Молекулы сахарозы скрепляются воедино посредством связей от гидроксильных групп к ионам Na и далее к водным молекулам; каждая гидроксильная группа имеет две внешние связи. Тогда координацию молекул вокруг Na и CI можно представить схематически (рис.4.). Диаграмма связей на рис.4. может быть использована, чтобы привлечь внимание к кольцу связей, которое связывает только водные и гидроксильные диполи. При воздействии электрических полей в (1) цепи связей обратимы, что объясняет появления сегнетоэлектрических свойств.
Рис. 4. Диаграмма структурных связей вокруг Na и CI.
Для выявления полярности нами был использован метод Кундта с применением порошков сурика и серы. Через тонкую бумажную материю просеивался порошок из сурика и серы; сурик расположился на гранях наэлектризованных —, сера на гранях +. Установлено, что при давлении на кристаллы на их поверхности появляются электрические заряды – признак пьезоэлектрических свойств. Новые кристаллы обладают полярностью, не присущей исходным веществам сахарозы и поваренной соли.
Заключение.
Методом изотермического испарения из водного раствора, содержащего C12H22O11 – NaCl и H2O в мольном соотношении 1:1, были выращены монокристаллы. Методом РСА исследована структура кристаллов, кристаллы орторомбические с пространственной группой P212121. Определена структура связей вокруг ионов Na и CI, которая объясняет появления сегнетоэлектрических свойств в кристалле. На основе сахарозы с добавлением хлорида натрия получены кристаллы обладающие полярностью и пьезоэлектрическими свойствами.
Работа выполнена при финансовой поддержке ЧГПУ (грант № УГ - 26/11/А)
Литература
1. J. Chem. Soc., PAPEES READ BEFORE THE CHEMICAL SOCIETY., XYI.—On some Saline Compounds of C. HAUGHTON GILL, 24, 269 (1871).
2.Proceedings the royal society, The Crystal Structure of Sucrose Sodium Bromide Dihydrate, C. A. Beevers and W. Cochran, 1947 190,257-272.
3., Органическая кристаллохимия. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1955.
Научный руководитель – д. ф.-м. н., профессор
