Кіріспе

Кристаллографиялық ақаудың түрі. F орталығы немесе Фарбе орталығы (неміс тілінен алынған Farbzentrum, мұнда Farbe – түс, zentrum – орталық деген мағынаны білдіреді) – кристалл торындағы аниондық бос орынды бір немесе бірнеше жұпсыз электрондардың иеленуімен сипатталатын кристаллографиялық ақаудың түрі. Мұндай бос орындағы электрондар көрінетін спектрдегі жарықты сіңіріп алады, нәтижесінде әдетте мөлдір материал түсті болып көрінеді. F орталықтарының саны артық болған сайын, қосылыстың түсі де күштірек болады. F орталықтары – түс орталықтарының бір түрі. Бұл көптеген қосылыстарды, әсіресе мырыш оксидін (сары түсті) анықтау үшін қолданылады.

Тарих

Нүктелік ақаулар табылар алдында, кейбір кристалдарды әртүрлі әдістермен түсін өзгертуге болатыны белгілі болған еді. 1830 жылы Т.Ж. Пирсолл фторшпардың күлгін жарықпен түсін өзгертетінін анықтады. Отыз жыл өткен соң, кристалдарды белгілі бір металлмен бірге балқыту арқылы ұқсас нәтижелерге қол жеткізілді. 1921 жылы В. Рентген тау тұздарын жан-жақты зерттеді. Осы зерттеулердің бірінде тұзды рентген сәулелерімен сәулелендіргеннен кейін фотоэлектрлік өткізгіштік 40 000 есе артты. Рентген сәулелеріне ұқсас нәтижелерді кристалдарды металл буларымен бояу арқылы да қол жеткізуге болды. Фотоэлектрлік эффект көбінесе белгілі бір толқын ұзындықтарында байқалды, және кейіннен бұл эффект колоидты емес екені анықталды. Бұл түс өзгерістері кейіннен F-орталықтар деп аталды, яғни «түс» деген мағынаны білдіретін неміс тіліндегі «Farbe» сөзінен алынған. 1933 жылы Моллво бұл F-орталықтар атомдық кристалл ақаулары екеніне қорытынды жасады. Осы кезеңде бұл ақаулар жұпталмаған электрондар екені туралы пікірлер айтыла бастады. Бос орын моделі алғаш рет 1937 жылы сипатталған, бірақ ол әлі де болжам ретінде қарастырылды. Электрондық спиндік резонанс арқылы бұл дұрыс екені 1957 жылға дейін дәлелденбеді.

Оқиғалар

F орталықтары қосылыстарда (әсіресе металл оксидтерінде) табиғи түрде пайда болуы мүмкін, себебі жоғары температураға дейін қыздырғанда иондар белсенділеніп, қалыпты кристаллографиялық орнынан ығысып, бос қалған орындарда электрондарды қалдырады. Бұл эффект металл артық ақаулары бар иондық қосылыстарда да байқалады. Көбінесе F орталықтары парамагниттік қасиетке ие және оларды электрондық парамагниттік резонанс әдістерімен зерттеуге болады. Ең көп зерттелген F орталықтары сілті металл галоидтерінде кездеседі. Сілті металл галоидтері әдетте мөлдір болады және алыс ультракөк сәуледен алыс инфрақызыл сәулеге дейін сіңіруді көрсетпейді. Сондықтан оптикалық сіңірудегі кез келген өзгерістерді оңай анықтап, зерттеуге болады. Натрий хлоридіндегі F орталықтарының сіңіру жолағы көк түс аймағында орналасқан, сондықтан жеткілікті F орталық ақаулары бар натрий хлорид кристаллы сары түс алады. Басқа сілті хлоридтерінде F орталықтарының сіңіру жолағының орналасуы күлгін түстен сары түске дейін өзгереді. F орталықтарының пайда болуы литий хлориді, калий хлориді және мырыш оксиді сияқты кейбір кристалдардың қыздырғанда тиісінше қызғылт, лаванды және сары түске өзгеруіне себеп болады. F орталықтары басқа материалдарда да байқалғанымен, олар әдетте сол материалдардың түсіне әсер етпейді. Табиғи жағдайда F орталықтарының түс беруіне себеп болатын мысалдар аз. Мүмкін болатын кандидаттардың бірі – Blue John минералы. Бұл фториттің бір түрі, CaF2. Бұл әлі расталмаған, бірақ түсі электронды F орталықтарынан туындайды деп есептеледі. Бұл F орталығы тау жынысындағы уран кендеріне жақын орналасуынан пайда болады деп саналады; радиоактивті ыдырау сәулесі F орталығын қалыптастыруға қажетті энергияны қамтамасыз етеді. Табиғатта табылған F орталығының тағы бір мысалы – сапфирде люминесценция арқылы анықталған салыстырмалы ұзақ өмір сүретін F орталығы, бір зерттеуде оның ұзақтығы шамамен 36 мс құрады.

F орталықтарының түрлері

Материал мен сәулелену энергиясына байланысты электрон орталықтарының әртүрлі түрлері бар. F орталығы – бұл әдетте, анион, яғни теріс зарядталған ионның тордағы орнына электронның келуі. H орталығы (галогендік аралық) белгілі бір жағынан F орталығына керісінше, сондықтан екеуі кристалда кездескенде бірігіп, екі ақауды да жояды. Бұл процесті фотоиндукциялауға болады, мысалы, лазер қолдану арқылы.

F орталығының бос орын

Кейде F орталығы қосымша электронды қабылдап, теріс зарядталған F− орталығына айналуы мүмкін. Сол сияқты, F орталығы электронынан айрылғанда, иондалғанда, F+ орталығына айналады. F орталығын құру үшін 2 электрон қажет болатын 2e зарядталған анион да болуы мүмкін. Электронды қосу немесе алу оны сәйкесінше F− немесе F+ орталығына айналдырады. Бір бос орынды F орталығының тағы бір түрі – FA орталығы, ол F орталығынан және бір көрші оң ионның басқа түрдегі оң ионмен алмастырылуынан тұрады. Бұл FA орталықтары алмастырылған ионның түріне байланысты екі топқа бөлінеді: FA(I) және FA(II). FA(I) орталықтары қалыпты F орталықтарымен ұқсас қасиеттерге ие, ал FA(II) орталықтары галоид ионының орналасуының өзгеруіне байланысты қозу күйінде екі потенциалдық шұңқырдың пайда болуына себеп болады. FA-ға ұқсас FB орталығы да бар, ол F орталығынан және екі көрші оң ионның басқа түрдегі оң ионмен алмастырылуынан тұрады. FB орталықтары да екі топқа бөлінеді: FB(I) және FB(II), олардың мінез-құлқы FA(I) және FA(II) орталықтарына ұқсас. Лайымды иондардың таралуының статистикалық сипатына байланысты FB орталықтары FA орталықтарына қарағанда сирек кездеседі.

Комплекс F орталығы

Көршілес анион бос орындарының салдарынан көршілес F орталықтарының бірігуі, екі және үш көрші үшін сәйкесінше F2 және F3 орталықтары деп аталады. F орталықтарының ірілеу жиынтықтары да мүмкін, бірақ олардың қалай әрекет ететінінің толық мәліметтері әлі белгісіз. F2 орталығы иондануы мүмкін және F2+ орталығын құрайды. Егер осы тип катиондық қоспаның жанында табылса, ол (F2+)A орталығы деп аталады. Олар әдеттегі кристалдық тор нүктелерімен салыстырғанда беттен көтеріңкі шығып тұрады. F орталықтары, кристалдық тордағы электрондарға қарағанда нашар байланысқандықтан, адсорбцияға катализатор ретінде әсер етеді. Бірақ бұл ақаулар ашық ауада оттегі сіңіру арқылы тез бұзылады, бірақ ортадан оттегі алынса, бұл процесс қайта жүзеге асырылады. Оксидтердегі Fs орталығының ЭСР спектрі гипержұқа құрылымның температурасына байланысты. Бұл оң ион ядросындағы жұп электрондық толқындық функцияның үстемеленуінен туындауы керек. Fs орталығын қыздыру арқылы өзгертуге немесе жоюға болады. Сілтілік галоид кристалдарындағы ақаулар төмен температурада жойылады. Кристаллдар 200 К температурада баяу түссіздене бастайды. Оксидтер үшін бұл ақауларды жою температурасы едәуір жоғары, мысалы CaO үшін 570 К. Оксидтерде оттыру арқылы күрделі Fs орталықтарын жасауға болады.