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 d-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 S/Me 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 S/Ме образование внутри решетки энергетических уровней, типичных для полупроводников, то для фаз более богатых серой, оно ещё увеличивается и это приведёт 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 S/Me 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 S‑S.
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<x£2][9].
Различают два варианта прямого синтеза: однозонный и двухзонный.
Однотемпературный прямой синтез проводят следующим образом. Смешивают в стехиометрических соотношениях наиболее чистые тонкодисперсные вещества, помещают их в тщательно очищенную кварцевую ампулу. В аппаратурном отношении метод прямого синтеза в его простейшем варианте несложен. Ампулу вакуумируют до остаточного давления, заполняют или промывают инертным газом и запаивают, после чего нагревают в специальном контейнере – блоке. Для получения равномерного распределения температуры блок помещают в печь. Скорость подъема температуры обычно небольшая. Чем выше температура синтеза, тем быстрее происходит реакция и лучше гомогенизация продуктов реакции. Однако при этом создается опасность взрыва, поэтому синтез проводят при более низкой температуре, медленно поднимая её. В некоторых случаях однотемпературный метод прямого синтеза является единственно приемлемым методом, однако он имеет низкую производительность.
Двухзонный вариант прямого синтеза широко применяется при изготовлении разлагающихся халькогенидных соединений, особенно когда летучий компонент (сера) взаимодействует с тугоплавкими или очень активным металлом. Использование этого метода в большинстве случаев предотвращает бурное течение реакции и взрыв. Сущность метода заключается в следующем: ампулу помещают в печь с двумя зонами – нагревательными обмотками с самостоятельным электропитанием. В первой зоне, где находится халькоген, поддерживают более низкую температуру, в другой – более высокую. После достижения заданных температур не успевший прореагировать халькоген отгоняется в более холодную зону. По окончанию процесса сначала отключают печь высокого нагрева и дают охладиться этой зоне до температуры, имеющейся в зоне нагрева халькогена, затем охлаждают всю установку. Нельзя вынимать из печи неостывшую ампулу, т. к. имеется возможность её взрыва при резком охлаждении. Если температура нагрева тугоплавкого компонента (горячая зона) превышает температуру размягчения кварца, то применяют индукционный нагрев этой зоны, который способствует одновременному перемешиванию расплава, что сокращает время процесса синтеза[10].
1.2.2. Метод косвенного синтеза.
При косвенном методе синтеза по сравнению с методом прямого синтеза, не только состав реагентов, но и условия их взаимодействия разнообразны. К ним следует относить не только термодинамические параметры, определяющие состояние системы реагирующих веществ или какие-либо другие внешние условия, но и технологию, а также технику проведения процесса, существенно определяемую характером и кинетикой массо- и энергообмена, связанного с агрегатным и фазовым состоянием реагентов, величинами удельной поверхности и удельного объема.
Производительность и технологичность методов косвенного синтеза превышает показатели для прямого синтеза.
Наибольшее практическое значение приобрели методы получения полуторных сульфидов из оксидов и солей действием на них сероводорода или сероуглерода, т. к. оксиды и соли легко доступны, чистота их высокая, процесс прост в аппаратурном исполнении. В общем виде реакции синтеза можно представить:
Ln2O3 + 3H2S = Ln2S3 + 3H2O
Ln2O3 + 3/2CS2 = Ln2S3 + 3/2CO2
Сульфидирование сероуглеродом энергетически более выгодно, чем H2S, т. к. CS2 получают непосредственно в зоне сульфидирования при взаимодействии паров серы с нагретым до 1170-1220К древесным углем. Таким образом достигают очистки образующегося CS2 от кислорода и паров воды. Для синтеза Ln2S3 можно использовать безводные соли, например, хлориды и сульфаты. Сульфидирование ведут сухим сероводородом при температуре 770-1270 К:
Ln2(SO4)3 + 12H2S = Ln2S3 + 12S + 12H2O
Сульфидирование сероуглеродом:
Ln2(SO4)3 + 6CS2 = Ln2S3 + 12S + 6CO2
Большой вклад в развитие этих методов сделан французскими исследователями. Ими было показано, что при использовании сухого сероводорода оптимальная температура получения находится в пределе 1250-1300°С[11].
1.2.3. Выводы по литературному обзору.
1. В системах Mg-Ln-S образуются фазы, обладающие широким диапазоном физических свойств. MgS, как и другие фазы А S проявляет люминисценцию при катодном излучении, в связи с чем перспективно изучение возможности его легирования ионами РЗЭ. Фазы g - Ln2S3имеют окна прозрачности в ИК – области, на основе чего могут использоваться в качестве фильтров. Свойства тройных сульфидов не паспортизированы. Актуально создание физико-химических основ для получения твердых растворов на основе Mg S, Ln2S3.
2. MgS имеет кубическую структуру типа NaCl. Величина ионных радиусов Mg2+ = 0,074 нм, Y3+ = 0,097 нм. Структура d - Y2S3моноклинная. Из кристаллических данных можно ожидать образование ограниченного твердого раствора на основе MgS – типа замещения.
3. В системе MgS - Ln2S3от La до Cd тройные соединения не обнаружены; для Tb – Er, Y указано на образование фазы типа MgLn2S4ромбической сингонии структурного типа MnY2S4и фазы MgLn4S7 моноклинной сингонии. Условие существования фаз, характер плавления не известны. Ограниченность и неполнота литературных данных определяет актуальность задачи изучения фазовых равновесий в системе MgS – Y2S3.