Кіріспе

Эмпирикалық формуламен көрсетілмейтін химиялық қосылыстар. Стойхиометриялық емес қосылыстар – элементтік құрамының пропорциялары шағын натурал сандардың қатынасымен (яғни эмпирикалық формуламен) көрсетілмейтін химиялық қосылыстар. Көбінесе, мұндай материалдардағы атомдардың белгілі бір пайызы жетіспейді немесе керісінше, атомдар тым тығыз орналасқан, бұл әдеттегі толыққанды кристалдық тор құрылымын бұзады. Бұрынғы анықтамалардың қарамастан, қазіргі заманғы түсінік бойынша, стойхиометриялық емес қосылыстар – стехиометриялық химиялық қосылыстардың қоспалары емес, біртекті заттар. Қатты денелердің жалпы электрлік бейтараптығын сақтау үшін, ақаулар қатты денедегі басқа атомдардың зарядының өзгеруімен немесе оларды басқа зарядты элементтердің атомдарымен алмастыру арқылы толықтырылады, осы арқылы тотығу дәрежесі өзгереді. Көптеген металл оксидтері мен сульфидтерінің стойхиометриялық емес мысалдары бар; мысалы, сирек кездесетін стехиометриялық темір(II) оксидінің формуласы FeO, ал көбірек таралған материалының формуласы Fe0.95O. Стойхиометриялық емес қосылыстардағы тепе-теңдік ақауларының түрі, материалдың көлемдік қасиеттерінің өзгеруімен байланысты өзгеруі мүмкін. Стойхиометриялық емес қосылыстар ақаулардың нәтижесінде ерекше электрлік немесе химиялық қасиеттерге ие; мысалы, атомдар жетіспеген жағдайда электрондар қатты денеде жылдам қозғалуы мүмкін. Стойхиометриялық емес қосылыстар керамикалық және супе өткізгіш материалдарда, сондай-ақ электрохимиялық (яғни, аккумуляторлық) жүйелерді жобалауда қолданылады.

Темір оксидтері

Металл оксидтері үшін нонстоихиометрия кең таралған, әсіресе металл ең жоғары тотығу күйінде болмағанда. Мысалы, устит (темір тотығы) идеалдық (стехиометриялық) формуласы FeO болғанымен, нақты стехиометриясы Fe0.95O-ға жақын. Нонстоихиометрия Fe^{2+} иондарының Fe^{3+} иондарына оңай тотығуын көрсетеді, нәтижесінде Fe^{2+} иондарының шағын бөлігі Fe^{3+} иондарымен алмастырылады – әрбір Fe^{3+} ионы Fe^{2+} ионының екі үшіне тең келеді. Демек, әр үш "жетіспейтін" Fe^{2+} ионына кристаллда зарядты теңестіру үшін екі Fe^{3+} ионы болады. Нонстоихиометриялық қосылыстың құрамы тар диапазон шегінде үздіксіз өзгереді. Сондықтан уститтің формуласы Fe{1−x}O түрінде жазылады, мұнда x – "идеалдық" формуладан ауытқуды көрсететін кішкентай сан (алдыңғы мысалда 0,05). Нонстоихиометрия қателіктерге төзімді қатты, үш өлшемді полимерлер үшін ерекше маңызды. Энтропия барлық қатты денелерді нонстоихиометриялық болуға итермелейді. Бірақ практикалық тұрғыдан алғанда, бұл термин нонстоихиометриясы өлшенетін материалдарды, әдетте идеалдық құрамның кемінде 1% -ын сипаттайды.

Темір сульфидтері

Өтпелі металдардың моносульфидтері көбінесе стехиометриялық емес. Ең жақсы белгілісі, шартты түрде темір(II) сульфиді (пирротит минералы), құрамы Fe{1−x}S (x = 0-тен 0,2-ге дейін). Сирек кездесетін стехиометриялық FeS минералы троилит деп аталады. Пирротит ерекшелігі – оның көптеген политиптері бар, яғни симметриясы (моноклиндік немесе гексагондық) және құрамы (Fe7S8, Fe9S10, Fe11S12 және басқалары) әртүрлі кристалдық түрлері бар. Бұл материалдарда әрқашан темір тапшылығы болады, себебі кристалдық тордағы ақаулар, атап айтқанда темірдің бос орындары кездеседі. Ондай ақауларға қарамастан, құрамы көбінесе үлкен сандардың қатынасы түрінде беріледі және кристалдардың симметриясы салыстырмалы түрде жоғары болады. Бұл темірдің бос орындары кристалға кездейсоқ тарамайды, ал белгілі бір реттелген құрылымдарды құрайды дегенді білдіреді. Осы бос орындар пирротиттің магниттік қасиеттеріне күшті әсер етеді: магниттік қасиет бос орындардың концентрациясымен артады және стехиометриялық FeS үшін байқалмайды.

Палладий гидридтері

Палладий гидриді – шамамен PdHₓ (0,02 < x < 0,58) құрамындағы стехиометриялық емес материал. Бұл қатты дене сутектің қозғалмалылығы арқасында өткізеді.

Вольфрам оксидтері

Кейде материалдың стехиометриялық емес екенін немесе формуласы үлкен сандармен жақсы көрсетілетінін анықтау қиын. Вольфрам оксидтері осы жағдайды мысалға келтіреді. Идеалды материал – вольфрам триоксидінен бастап, аздап оттегі жетіспейтін бірнеше байланысты материалдар жасауға болады. Бұл оттегі жетіспейтін түрлерді WO{3−x} деп сипаттаса да, шындығында олар үлкен элементар жасушалары бар стехиометриялық түрлер болып табылады, олардың формуласы W{n}O{3n−2}, мұнда n = 20, 24, 25, 40. Осылайша, соңғы түрді стехиометриялық формуламен W40O118 деп көрсетуге болады, ал стехиометриялық емес сипаттама – WO2.95 оксидтік бос орындардың ретсіз таралуын білдіреді.

Басқа жағдайлар

Жоғары температурада (1000 °C) титан сульфидтері стехиометриялық емес қосылыстар қатарын құрайды. Бұл стехиометриялық емес фазалар цезий және талий иондарын байланыстыру мүмкіндігі арқасында пайдалы қасиеттерге ие.

Окистендіру катализі

Көмірсутектер мен оттегінің реакциясы нәтижесінде көптеген пайдалы қосылыстар түзіледі, бұл өзгеріс металл оксидтерімен катализделеді. Процесс "торлық" оттегінің көмірсутек субстратына берілуі арқылы жүзеге асырылады, бұл қадам уақытша бос орынды (немесе кемшілікті) тудырады. Келесі қадамда жоғалған оттек О2 арқылы толықтырылады. Мұндай катализаторлар металл оксидінің стехиометриялық емес фазаларды қалыптастыру қабілетіне тәуелді. Оқиғалардың осыған ұқсас тізбегі басқа атомдық реакцияларды, соның ішінде қатты катализаторлармен катализделетін сутегілену және гидродесульфуризацияны сипаттайды. Бұл мәселелер стехиометрияның кристалдардың ішкі құрамымен анықталатынын көрсетеді: кристалдардың беттері көбінесе негізгі стехиометриядан өзгеше болады. Беттегі күрделі құрылымдар "беттік қайта құрылым" терминімен сипатталады.

Иондық өткізгіш

Қатты денедегі атомдардың қозғалысына стехиометриялық емес ақаулар күшті әсер етеді. Бұл ақаулар атомдар мен иондарға кристалл құрайтын тығыз атомдар жиынтығы арқылы қозғалу жолдарын ұсынады. Қысқылтек сенсорлары және қатты күйдегі батареялар – оксидтік бос орындарға негізделген екі қолданыс. Мысалы, автомобильдің қаушау газдарындағы CeO2 негізіндегі сенсор. О2-нің төмен жартылай қысымында сенсор көбірек ауа енгізуге мүмкіндік береді, бұл толық жану процесін қамтамасыз етеді. Атаулар 19 ғасырда заттардың құрамы туралы қарсы теорияларды қолдаған Клод Луи Бертолле мен Джон Дальтоннан алынған. Дальтон көп жағдайда "жеңіске" жеткенімен, кейіннен белгілі пропорциялар заңының маңызды ерекшеліктері бар екені анықталды.