Первопринципные исследования структурных, электронных, механических и колебательных свойств двойных карбонатов со структурой доломита
УДК 552.543
Аннотация
Методами теории функционала плотности с РВЕ градиентным функционалом и дисперсионной поправкой D3(BJ) в базисе локализованных орбиталей пакета CRYSTAL17 рассчитаны параметры кристаллической структуры, электронный и колебательный спектры, упругие постоянные ромбоэдрических двойных карбонатов М1М2(СО3)2 (М1, М2: Mg, Ca, Mn, Cd, Zn) со структурой типа доломита. Показано, что для постоянных решетки, междуатомных расстояний, упругих постоянных и поликристаллических модулей, волновых чисел отдельных колебательных мод можно установить линейные зависимости от радиусов катионов, а для параметров химической связи и энергий образования — от их электроотрицательностей. Параметры решетки увеличиваются с ростом среднего радиуса катиона, а упругие константы и модули уменьшаются. Наибольшая сжимаемость карбонатов предсказана в направлении оси с, что согласуется с характером химической связи, где более сильные связи углерод — кислород присутствуют в плоскости ab, а более слабые связи металл — кислород — в направлении оси с. Энергия образования двойных карбонатов из твердых оксидов и газообразного СО2 в CaMg(CO3)2 равна -2.82 eV, в CaCd(CO3)2 -2.71 eV, а из простых карбонатов соответственно -0.054 eV, 0.023 eV. Полученные формулы могут использоваться для оценки и прогноза физических свойств твердых растворов карбонатов переменного состава.
Скачивания
Metrics
Литература
Marcondes M.L., Just J.F., Assali L.V.C. Carbonates at high pressures: Possible carriers for deep carbon reservoirs in the Earth’s lower mantle // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 94. № 104112. DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104112.
Kell-Duivestein I.J., Baldermann A., Mavromatis V., Dietzel M. Controls of temperature, alkalinity and calcium carbonate reactant on the evolution of dolomite and magnesite stoichiometry and dolomite cation ordering degree — An experimental approach // Chemical Geology. 2019. Vol. 529. Vol. 20. № 119292. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2019.119292.
Yang Z, Whitaker F.F., Liu R., Phillips J.C., Zhong D. A New Model for Formation of Lacustrine Primary Dolomite by Subaqueous Hydrothermal Venting // Geophysical Research Letters. 2021. Vol. 48. № 6. DOI: 10.1029/2020GL091335.
Reeder R.J. Crystal chemistry of the rhombohedral carbonates. In R.J. Reeder, Ed. Carbonates: Mineralogy and Chemistry, 1983. № 11. P 1-47. Reviews in Mineralogy, Mineralogical Society of America, Chantilly, Virginia.
Mucci A. The solubility and free energy of formation of natural kutnahorite // Canadian Mineralogist 1991. Vol. 29.
Bromiley F.A., Ballaran T.B., Langenhorst F., Seifert F. Order and miscibility in the otavite-magnesite solid solution // American Mineralogist. 2007. Vol. 92. DOI: 10.2138/ am.2007.2315.
Fazeli A.R., Tareen J.A.K. Thermal decomposition of rhombohedral double carbonates of dolomite type // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 1992. Vol. 38. № 11. P. 2459-2465. DOI: 10.1007/bf01974624.
Torres A., Luque F.J., Tortajada J., Arroyo-de Dompablo M.E. Analysis of Minerals as Electrode Materials for Ca-based Rechargeable Batteries // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. № 9644. DOI: 10.1038/s41598-019-46002-4.
Katsikopoulos D., Fernandez-Gonzalez A., Prieto M. Crystallization of the (Cd,Ca)CO3 solid solution in double diffusion systems: the partitioning behavior of Cd2+ in calcite at different super saturation rates // Mineralogical Magazine. 2008. Vol. 72. № 1. DOI: 10.1180/minmag.2008.072.1.433.
Dovesi R., Erba A., Orlando R., Zicovich-Wilson C.M., Civalleri B., Maschio L., Rerat M., Casassa S, Baima J., Salust-ro S., Kirtman B. Quantum-mechanical condensed matter simulations with CRYSTAL // WIREs Comput Mol Sci. 2018. № 1360. DOI: 10.1002/wcms.1360.
CRYSTAL [электронный ресурс]: Website by Aethia s.r.l. / Theoretical Chemistry Group Dipartimento di Chimica Via Giuria: Torino, Italy. 2021. URL: http://www.crystal.unito. it/basis-sets.php (дата обращения 01.12.21).
Valenzano L., Torres F.J., Doll K., Pascale F., Zicovich-Wilson C.M., Dovesi R. Ab Initio study of the vibrational spectrum and related properties of crystalline compounds; the case of CaCO3 calcite // Zeitschrift fur Physikalische Chemie. 2006. Vol. 220. № 7. DOI: 10.1524/zpch.2006.220.7.893.
Jaffe J.E., Hess A.C. Hartree-Fock Study of Phase Changes in ZnO at High Pressure // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 48. № 11. DOI: 10.1103/physrevb.48.7903.
Laun J., Oliveira D.V., Bredow T Consistent gaussian basis sets of double- and triple-zeta valence with polarization quality of the fifth perio d for solid-state calculations // J. Comput. Chem. 2018. Vol. 39. № 19. DOI: 10.1002/jcc.25195.
Perdew J.P, Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett., 1996. Vol. 77. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
Grimme S., Hansen A., Brandenburg J.G., Bannwarth C. Dispersion-corrected mean-field electronic structure methods // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116. DOI: 10.1021/ acs.chemrev.5b00533.
Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory // Computational Chemistry. 2011. Vol. 32. № 7. DOI: 10.1102/ jcc.21759.
Dovesi R., Saunders V.R., Roetti C., Orlando R., Zico-vich-Wilson C.M., Pascale F., Civalleri B., Doll K., Harrison N.M., Bush I.J., D'Arco Ph., Llunel M., Causa M., Noel Y., Maschio L., Erba A., Rerat M., Casassa S. CRYSTAL17 User’s Manual, Universita di Torino, Torino, 2017, http://www.crystal. unito.it/news.html.
Shannon R.D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides // Acta Cryst. 1976. A32. P. 751-767. DOI: 10.1107/S0567739476001551.
Pauling L. The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms // Journal of the American Chemical Society. 1932. Vol. 54. № 9. D0I:10.1021/ja01348a011.
Zucchini A., Comodi P., Nazzareni S, Hanfland M. The effect of cation ordering and temperature on the high-pressure behaviour of dolomite // Phys. Chem. Minerals. 2014. Vol. 41. DOI: 10.1007/s00269-014-0691-z.
Graf D.L. Crystallographic tables for the rhombohedral carbonates // American Mineralogist. 1961. Vol. 46. P. 1283-1316.
Erenburg B.G. Continuous isomorphism in the CaCO3-MnC03 system // Journal of Inorganic Chemistry (translated from Zhurnal Neorganicheskoi Khimii). 1959. Vol. 4.
Bakri Z., Zaoui A. Structural and mechanical properties of dolomite rock under high pressure conditions: A first-principles study // Phys. Status Solidi B. 2011. Vol. 248. № 8. DOI: 10.1002/pssb.201046465.
Liu Z.T.Y., Burton B.P., Khare S.V., Sarin P. First-principles phase diagram calculations for the carbonate quasibinary systems CaC03-ZnC03, CdC03-ZnC03, CaC03-CdC03 and MgC03-ZnC03 // Chemical Geology. 2016. Vol. 443. P. 137-145. D0I: 10.1016/j.chemgeo.2016.09.024.
Reeder R.J., Dollase W.A. Structural variation in the do-lomite-ankerite solid-solution series: An X-ray, Miissbauer, and TEM study // American Mineralogist. 1989. Vol. 74.
Novrotsky A., Capobianco C. Enthalpies of formation of dolomite and of magnesian calcites //American Mineralogist. 1987. Vol. 72.
Capobianco C., Burton B.P., Davidson P.M., Navrots-ky A. Structural and Calorimetric Studies of 0rder-Disorder in CdMg(C03)2 // Journal of Solid State Chemistry. 1987. Vol. 71.
Tareen J.A.K., Fazeli A.R., Basavalingu B., Bhandige G.T Decarbonation curves and associated thermodynamic data for synthetic Cd-dolomites CdMg(C03)2, CdMn(C03)2 and CdZn(C03)2 // Journal of Thermal Analysis. 1955. Vol. 44.
Rui L., Lin L., Jie B., Wen L., Hongfeng T. Kutnohorite CaMn(C03)2 crystal growth at high pressure-temperature // High Temperatures-High Pressures. 2020. Vol. 49. № 4. D0I: 10.32908/hthp.v49.831 Published: 2020.
Brik M.G. First-principles calculations of structural, electronic, optical and elastic properties of magnesite MgC03 and calcite CaC03 // Physica B. 2011. Vol. 406. D0I: 10.1016/j. physb.2010.12.049.
Baer D.R., Blanchard D.L. Studies ofthe Calcite Cleavage Surface for Comparison with Calculation // Appl. Surf. Sci. 1993. Vol. 72. № 4. D0I: 10.1016/0169-4332(93)90365-I.
Bouibes A., Zaoui A., Tunega D. Bonds, bands and elasticity of smithsonite rock // Solid State Commun. 2013. Vol. 166. D0I: 10.1016/j.ssc.2013.05.005.
Ross J., Alvaro M., Nestola F. 40 years of mineral elasticity: a critical review and a new parameterisation of equations of state for mantle olivines and diamond inclusions // Phys. Chem. Minerals. 2018. Vol. 45. D0I: 10.1007/s00269-017-0900-7.
Chariton S., McCammon C., Vasiukov D.M., Stekiel M., Kantor A., Cerantola V., Kupenko I., Fedotenko T., Koemets Egor., Hanfland M., Chumakov A.I., Dubrovinsky L. Seismic detectability of carbonates in the deep Earth: A nuclear inelastic scattering study // American Mineralogist. 2020. Vol. 105. № 3. D0I: 10.2138/am-2020-6901.
Regnet J.B., Fortin J., Nicolas A., Pellerin M., Gueguen. Elastic properties of continental carbonates: from controlling factors to an applicable model for acoustic velocity predictions // Geophysics. 2019. Vol. 84. № 1. P. 1JF-Z5. D0I: 10.1190/ geo2017-0344.1.
Chen P.-F., Chiao L.-Y., Huang P.-H. Elasticity of magnesite and dolomite from a genetic algorithm for inverting Bril-louin spectroscopy measurements // Phys. Earth Planet. Interiors. 2006. Vol. 155. D0I: 10.1016/j.pepi.2005.10.004.
Mouhat F., Coudert F.-X. Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems // Phys. Rev B. 2014. Vol. 90. № 224104. D0I: 10.1103/ PhysRevB.90.224104.
Sanchez-Valle C., Ghosh S., Rosa A. Sound velocities of ferromagnesian carbonates and seismic detection of carbonates in eclogites and the mantle // Geophys. Res. Lett. 2011. Vol. 38. № L24315. D0I: 10.1029/2011GL049981.
Hill R. Elastic properties of reinforced solids: Some theoretical principles // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1963. Vol. 11. № 5. D0I: 10.1016/0022-5096(63)90036-X.
Zhu Y., Li Y., Ding H., Lu A., Li Y., Wang C. Infrared emission properties of a kind of natural carbonate: interpretation from mineralogical analysis // Physics and Chemistry of Minerals. 2020. Vol. 47. P. 16. D0I: 10.1007/ s00269-020-01082-x.
Melissa D.L., Christense P.R. Thermal infrared emission spectroscopy of anhydrous carbonates // Journal of Geophysical Research. 1997. Vol. 102. № E11. D0I: 10.1029/97JE02046.
Copyright (c) 2022 Юрий Николаевич Журавлев
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
