Thermal expansion of oxygen-containing compounds with triangular, tetrahedral, and mixed anionic groups
- Authors: Bubnova R.S.1, Krzhizhanovskaya М.G.2, Filatov S.K.2
-
Affiliations:
- National Research Centre “Kurchatov Institute” – Petersburg Nuclear Physics Institute (PNPI)
- St. Petersburg State University
- Issue: Vol 70, No 2 (2025)
- Pages: 296-322
- Section: REVIEWS
- URL: https://journals.rcsi.science/0023-4761/article/view/289424
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023476125020063
- EDN: https://elibrary.ru/BYSVQW
- ID: 289424
Cite item
Abstract
This study summarizes data on the thermal properties of 200 oxygen-based compounds composed of triangular (borates, carbonates, nitrates) and tetrahedral (silicates, sulfates) groups. Based on the systematization by S.K. Filatov, which relies on the residual charge Z per anionic polyhedron outside the polyhedron, the dependence of the volumetric thermal expansion coefficient αV and melting temperature of these compounds was analyzed. The residual charge Z of the anionic group characterizes the degree of "polymerization" of these groups. This approach was applied to mixed groups (tetrahedral groups with different central atom charges) and extended to heteropolyhedral anionic groups (oxygen triangles and tetrahedra in borates). It is shown that the volumetric thermal expansion increases, while the melting temperature decreases, with a reduction in the residual charge Z, due to the increasing dimensionality of the anion and the weakening of cation–oxygen bond strength. For anionic groups with the same residual charge Z, the variation in αV values allows for the determination of the influence of cation charge and size: thermal expansion increases with decreasing cation charge and increasing cation radius. Among the studied oxygen compounds, the lowest average volumetric expansion coefficients are observed for compounds with tetrahedral groups (borates <αV>3=22 × 10−6, borosilicates <αV>27=29×10−6, aluminosilicates <αV>27 = 28 × 10−6, silicates <αV>34 = 27 × 10−6 °С−1). Intermediate values are exhibited by compounds with triangular groups (borates <αV>32 = 41 × 10−6, carbonates <αV>10 = 40 × 10−6 °С−1) and borates with mixed anions (<αV>40 = 43 × 10−6 °С−1). The highest expansion is observed for sulfates with isolated tetrahedra (<αV>21 = 90 × 10−6 °С−1) and nitrates with isolated triangular groups (<αV>5 = 132 × 10−6 °С−1), which is attributed to the weakening of bonds outside the anionic complex.
Full Text

About the authors
R. S. Bubnova
National Research Centre “Kurchatov Institute” – Petersburg Nuclear Physics Institute (PNPI)
Author for correspondence.
Email: rimma_bubnova@mail.ru
Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry
Russian Federation, St. PetersburgМ. G. Krzhizhanovskaya
St. Petersburg State University
Email: rimma_bubnova@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg
S. K. Filatov
St. Petersburg State University
Email: rimma_bubnova@mail.ru
Russian Federation, St. Petersburg
References
- Федоров Е.С. Сокращенный курс кристаллографии. СПб.: Экон. типо-литогр., 1910. 276 с.
- Филатов С.К. // Докл. АН СССР. 1985. Т. 280. С. 369.
- Volkov S.N., Charkin D.O., Firsova V.A. et al. // Crystallogr. Rev. 2023. V. 29. P. 151. https://doi.org/10.1080/0889311X.2023.2266400
- Манолов К. Великие химики. Т. I. М.: Мир, 1977. 456 с.
- Wyckoff R.W.G. // Z. Kristallogr. 1925. V. 62. P. 189. https://doi.org/10.1524/zkri.1925.62.1.189
- Шубников А.В. // Кристаллография. 1956. Т. 1. С. 95.
- Krishnan R.S., Srinivasan R., Devanarayanan S. Thermal Expansion of Crystals. Pergamon Press, 1979. 305 p.
- Hazen R.M., Finger L.W. Comparative Crystal Chemistry. New York: J. Wiley and Sons, 1982. 231 p.
- Филатов С.К. Высокотемпературная кристаллохимия. Л.: Недра, 1990. 288 с.
- Filatov S.K., Hazen R.M. High-temperature and high-pressure crystal chemistry // Advanced Mineralogy. Berlin; New York: Springer-Verlag, 1994. V. 1. P. 76.
- High-Temperature and High-Pressure Crystal Chemistry / Eds. Hazen R.M., Downs R.T. // Rev. Miner. Geochem. 2000. V. 41. Mineralogical Society of America, Washington DC, USA, 596 p.
- Котельникова Е.Н., Филатов С.К. Кристаллохимия парафинов. СПб: Журнал Нева, 2002. 352 с.
- Бубнова Р.С., Филатов С.К. Высокотемпературная кристаллохимия боратов и боросиликатов. СПб: Наука, Изд-во РАН, 2008. 760 с.
- Лейбфрид Г. Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов. М.; Л.: Физматгиз, 1963. 312 с.
- Newnham R.E. Structure-property relations. Springer, 1975. 234 p.
- Урусов В.С. Энергетическая кристаллохимия. М.: Наука, 1975. 336 с.
- Филатов С.К. // Зап. Всесоюз. минерал. о-ва. 1987. Т. 116. С. 417.
- Bubnova R.S., Filatov S.K. // Z. Kristallogr. Cryst. Mater. 2013. V. 228. P. 395. https://doi.org/10.1524/zkri.2013.1646
- Bubnova R.S., Volkov S.N., Albert B., Filatov S.K. // Crystals. 2017. V. 7. P. 93. https://doi.org/10.3390/cryst7030093
- Bubnova R., Yukhno V., Krzhizhanovskaya M. et al. // Crystals. 2024. V. 14. P. 600. https://doi.org/10.3390/cryst14070600
- Kerstan M., Rüssel Ch. // J. Power Sources. 2011. V. 196. P. 7578. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.04.035
- Gorelova L.A., Bubnova R.S., Krivovichev S.V. et al. // J. Solid State Chem. 2016. V. 235. Р. 76. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2015.12.012
- Henderson C.M.B. // Solids. 2021. V. 2. P. 1. https://doi.org/10.3390/solids2010001
- Krzhizhanovskaya M.G., Bubnova R.S., Filatov S.K. // J. Struct. Chem. 2014. V. 55. P. 1342. https://doi.org/10.1134/S0022476614070154
- Krzhizhanovskaya M.G., Bubnova R.S., Filatov S.K. // Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B. 2019. V. 60. Р. 129. https://doi.org/10.13036/17533562.60.4.049
- Filatov S.K., Frank-Kamenetzkij V.A. // Krist. Tech. 1967. V. 2. P. 577.
- Филатов С.К., Франк-Каменецкий В.А. // Кристаллография. 1969. Т. 14. С. 804.
- Герасимов В.Н., Доливо-Добровольская Е.М., Каменцев И.Е. и др. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов. Л.: Недра, 1975. 399 с.
- Бубнова Р.С., Кржижановская М.Г., Филатов С.К. Практическое руководство по терморентгенографии поликристаллов. Ч. I. Осуществление эксперимента и интерпретация результатов. СПб: Изд-во СПбГУ, 2011. 70 с.
- Бубнова Р.С., Филатов С.К. Терморентгенография поликристаллов. Ч. II. Определение количественных характеристик тензора термического расширения. СПб: Изд-во СПбГУ, 2013. 143 с.
- Филатов С.К., Кривовичев С.В., Бубнова Р.С. Общая кристаллохимия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2018. 276 с.
- Филатов С.К., Кривовичев С.В., Бубнова Р.С. Систематическая кристаллохимия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2019. 231 с.
- Филатов С.К. // Кристаллография. 2011. Т. 56. С. 1019.
- Filatov S.K. // Int. Geol. Rev. 1988. V. 30. P. 496.
- Filatov S.K. // Phys Status Solidi. B. 2008. V. 245. Р. 2490. https://doi.org/10.1002/pssb.200880256
- Кривовичев С.В., Филатов С.К. Кристаллохимия минералов и неорганических соединений с комплексами анионоцентрированных тетраэдров. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001. 200 с.
- Krivovichev S.V., Mentré O., Siidra O.I. et al. // Chem. Rev. 2013. V. 113 (8). Р. 6459. https://doi.org/10.1021/cr3004696
- Филатов С.К. // Успехи химии. 1992. Т. 61 (11). С. 1983. https://doi.org/10.1070/RC1992v061n11ABEH001018
- Андрианова Л.В., Филатов С.К. // Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Вып. 32. Л.: Машиностроение, 1984. С. 88.
- Белоусов Р.И., Филатов С.К. // Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. С. 377.
- Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К. Определение тензора термического расширения кристаллических веществ методом терморентгенографии – ThetaToTensor. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. RU 2011615363. 08.07.2011. Заявка № 2011613688 от 16.05.2011.
- Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К. Определение тензора термического расширения кристаллических веществ методом терморентгенографии – ThetaToTensor, вторая версия. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2013611071. 09.01.2013. Заявка № 2012661177 от 05.12.2012.
- Bubnova R.S., Firsova V.A., Filatov S.K. // Glass Phys. Chem. 2013. V. 39. P. 347.
- Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Волков С.Н., Филатов С.К. Исследование термических преобразований кристаллической структуры по данным терморентгенографии – RietToTensor. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2015661205. 21.10.2015. Заявка № 2015616211 от 09.07.2015.
- Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Волков С.Н., Филатов С.К. Исследование термических преобразований кристаллической структуры по данным терморентгенографии – RietToTensor, вторая версия. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2018663287. 24.10.2018. Заявка № 2018615098 от 21.05.2018.
- Bubnova R.S., Firsova V.A., Volkov S.N., Filatov S.K. // Glass Phys. Chem. 2018. V. 44. P. 33. https://doi.org/10.1134/S1087659618010054
- Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К. Работа с базой данных тензора расширения – Tensorbase. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020612656. 28.02.2020. Заявка № 2019663166 от 22.10.2019.
- Либау Ф. Структурная химия силикатов / Пер. Пущаровского Д.Ю. М.: Мир, 1988. 412 с.
- Пущаровский Д.Ю. Структурная минералогия силикатов и их синтетических аналогов. М.: Недра, 1986. 160 с.
- Hinrichsen B., Dinnebier R., Jansen M. // Z. Kristallogr. 2006. Suppl. V. 23. P. 231. https://doi.org/10.1524/9783486992526-040
- Halasz I., Dinnebier R.E., Ross A. // J. Appl. Cryst. 2010. V. 43. P. 504.
- Ежкова З.И., Жданов Г.С., Уманский М.М. // Кристаллография. 1959. Т. 4. Вып. 5. C. 723.
- Jessen S.M., Küppers H. // J. Appl. Cryst. 1991. V. 24. P. 239. https://doi.org/10.1107/S0021889891000778
- Paufler P., Weber Z. // Eur. J. Mineral. 1999. V. 11. P. 721. https://doi.org/10.1127/ejm/11/4/0721
- Langreiter T., Kahlenberg V. // Crystals. 2015. V. 5. P. 143. https://doi.org/10.3390/cryst5010143
- Huang C., Mutailipu M., Zhang F. et al. // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 2597. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22835-4
- Huppertz H., Eltz B. // J. Am. Chem. Soc. 2002. V. 124 (32). P. 9376. https://doi.org/10.1021/ja017691z
- Huppertz H. // Z. Naturforsch. B. 2003. V. 58. P. 278.
- Huppertz H., Keszler D.A. Borates: Solid‐State Chemistry // Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2014. https://doi.org/10.1002/9781119951438.eibc0021.pub2
- Mutailipu M., Poeppelmeier K.R., Pan S. // Chem. Rev. 2021. V. 121. P. 1130. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00796
- Huppertz H., Ziegler R. Borate Applications. V. 2 From Energy Storage to Photofunctional Materials / Ed. Pöttgen R. et al. Berlin; Boston: De Gruyter, 2023. P. 153. https://doi.org/10.1515/9783110798890-011
- Wright A.C. // Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B. 2010. V. 51. P. 1.
- Херлбат К., Клейн К. Минералогия по системе Дэна. М.: Недра, 1982. 728 с.
- Spahr D., König J., Bayarjargal L. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2022. V. 144. P. 2899. https://doi.org/10.1021/jacs.2c00351
- Sagatova D.N., Gavryushkin P.N., Sagatov N.E., Banaev M.V. // J. Comput. Chem. V. 24. P. 23578. https://doi.org/10.1002/jcc.27210
- Banaev M.V., Sagatov N.E., Sagatova D.N., Gavryushkin P.N. // ChemistrySelect. 2022. V. 7. P. 32. e202201940. https://doi.org/10.1002/slct.202201940
- Koenig J., Spahr D., Bayarjargal L. et al. // ACS Earth Space Chem. 2022. V. 6. P. 73. https://doi.org/0.1021/acsearthspacechem.1c00284
- Biryukov Y.P., Bubnova R.S., Krzhizhanovskaya M.G. et al. // Solid State Sci. 2020. V. 99. 106061. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2019.106061
- Volkov S.N., Filatov S.K., Bubnova R.S. et al. // Glass Phys. Chem. 2012. V. 38. P. 162. https://doi.org/10.1134/S108765961201018X
- Filatov S.K., Biryukov Y.P., Bubnova R.S., Shablinskii A.P. // Acta Cryst. 2019. V. 75. P. 697. https://doi.org/10.1107/S2052520619007443
- Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Cherosov M.A. et al. // Acta Cryst. 2021. V. 77. P. 1021. https://doi.org/10.1107/S2052520621010866
- Biryukov Y.P., Bubnova R.S., Krzhizhanovskaya M.G., Filatov S.K. // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 229. P. 355. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.02.047
- Biryukov Y.P., Bubnova R.S., Filatov S.K., Ugolkov V.L. // Mater. Chem. Phys. 2018. V. 219. P. 233. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.08.033
- Shablinskii A.P., Bubnova R.S., Povolotskiy A., Filatov S.K. // Glass Phys. Chem. 2023. V. 49. P. 66. https://doi.org/10.1134/S1087659623600990
- Volkov S., Bubnova R., Shorets O. et al. // Inorg. Chem. Commun. 2020. V. 122. P. 108262. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2020.108262
- Markgraf S.A., Reeder R.J. // Am. Mineral. 1985. V. 70. P. 590.
- Wang M., Shi G., Qin J., Bai Q. // Eur. J. Mineral. 2018. V. 30. P. 939. https://doi.org/10.1127/ejm/2018/0030-2768
- Ye Y., Smyth J.R., Boni P. // Am. Mineral. 2012. V. 97. P. 707. http://dx.doi.org/10.2138/am.2012.3923
- Rao K.V.K., Naidu S.V., Murthy K.S. // J. Phys. Chem. Solids. 1968. V. 29. P. 245.
- Murthy K.S., Rao K.V.K. // J. Mater Sci. 1976. V. 11. P. 2350. https://doi.org/10.1007/bf00752105
- Srinivasan R. // Proc. Indian Acad. Sci. 1955. V. 41. P. 49. https://doi.org/10.1007/BF03047172
- Bichile G.K., Kulkarni R.G. // Acta Cryst. A. 1975. V. 31. P. 446. https://doi.org/10.1107/S0567739475001003
- Kopylova Yu.O., Krzhizhanovskaya M.G., Yukhno V.A., Bubova R.S. // Phys. Chem. Glass. 2025. V. 51. (in press).
- Volkov S.N., Yukhno V.A., Bubnova R.S., Shilovskikh V.V. // Z. Krist. Cryst. Mater. 2018. V. 233. P. 379. https://doi.org/10.1515/zkri-2017-2112
- Krzhizhanovskaya M.G., Vereshchagin O.S., Kopylova Yu.O. et al. // Opt. Mater. 2024. V. 147. P. 114651. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114651
- Krzhizhanovskaya M.G., Kopylova Yu.O., Obozova E.D. et al. // J. Solid State Chem. 2023. V. 318. P. 123786. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2022.123786
- Merlini M., Gemmi M., Artioli G. // Phys. Chem. Miner. 2005. V. 32. P. 189. https://doi.org/10.1007/s00269-005-0458-7
- Peters L., Knorr K., Knapp M., Depmeier W. // Phys. Chem. Miner. 2005. V. 32. P. 546. https://doi.org/10.1007/s00269-005-0015-4
- Hovis G.L., Medford A., Conlon M. et al. // Am. Mineral. 2010. V. 95. P. 1060. https://doi.org/10.2138/am.2010.3484
- Tribaudino M., Angel R.J., Cámara F. et al. // Contrib. Mineral. Petr. 2010. V. 160. P. 899. https://doi.org/10.1007/s00410-010-0513-3
- Benna P., Bruno E. // Am. Mineral. 2001. V. 86. P. 690. https://doi.org/10.2138/am-2001-5-609
- Benna P., Tribaudino M., Bruno E. // Am. Mineral. 1999. V. 84. P. 120. https://doi.org/10.2138/am-1999-1-213
- Gorelova L., Britvin S., Krzhizhanovskaya M. et al. // Ceram. Int. 2024. V. 50. P. 54770. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.10.336
- Hovis G.L., Crelling J., Wattles D. et al. // Mineral. Mag. 2003. V. 67. P. 535. https://doi.org/10.1180/0026461036730115
- Palmer D.C., Dove M.T., Ibberson R.M., Powell B.M. // Am. Mineral. 1997. V. 82. P. 16. https://doi.org/10.2138/am-1997-1-203
- Kerstan M., Müller M., Rüssel Ch. // Mater. Res. Bull. 2011. V. 46. P. 2456. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.08.031
- Thieme Ch., Rüssel Ch. // J. Mater. Sci. 2015. V. 50. P. 5533. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9100-3
- Ridley M., Gaskins J., Hopkins P., Opila E. // Acta Mater. 2020. V. 195. P. 698. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.06.012
- Fukuda K., Asaka T., Uchida T. // J. Solid State Chem. 2012. V. 194. P. 157. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2012.04.043
- https://ntrs.nasa.gov/citations/20210009690
- Stokes J.L., Harder B.J., Wiesner V.L., Wolfe D.E. // Solid State Chem. 2022. V. 312. 123166. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2022.123166
- Knittle E., Jeanloz R., Smith G.L. // Nature. 1986. V. 319. P. 214.
- Redhammer G.J., Camara Fo, Alvaro M. et al. // Phys. Chem. Miner. 2010. V. 37. P. 685. https://doi.org/10.1007/s00269-010-0368-1
- Augustsson B., Ekhed A. // Z. Naturforsch. A. 1968. V. 23. P. 1259. https://doi.org/10.1515/zna-1968-0903
- Meilander B.E., Nilsson L. // Z. Naturforsch. A. 1983. V. 38. P. 1396. https://doi.org/10.1515/zna-1983-1218
- Сапрыкина О.Ю., Бубнова Р.С., Филатов С.К. // Физика и химия стекла. 2018. Т. 44. № 6S. С. 95. https://doi.org/10.1134/S0132665118070156
- Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бирюков Я.П. и др. // Физика и химия стекла. 2023. Т. 49. С. 448. https://doi.org/10.31857/S0132665123600206
- Siidra O.I., Lukina E.A., Nazarchuk E.V. et al. // Mineral. Mag. 2018. V. 82. P. 257. https://doi.org/10.1180/minmag.2017.081.037
- Белоусова М.Г., Сапрыкина О.Ю., Бубнова Р.С. и др. // Вулканология и сейсмология. 2021. T. 1. C. 57. https://doi.org/10.31857/S0203030620060127
- Shablinskii A., Bubnova R., Shorets O. et al. // Crystals. 2024. V. 14. 27. https://doi.org/10.3390/cryst14010027
- Shablinskii A., Shorets O., Bubnova R. et al. // Crystals. 2024. V. 14 (12). 1074. https://doi.org/10.3390/cryst14121074
- Shorets O.Yu., Filatov S.K., Krzhizhanovskaya M.G. et al. // Glass Phys. Chem. 2022. V. 48. P. 130.
- Шорец О.Ю., Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бубнова Р.С. // Сб. тез. 2-го Междунар. симп. “Химия для биологии, медицины, экологии и сельского хозяйства”. 2021. С. 161.
- Schmitt M.K., Huppertz H., Janka O. et al. // Inorg. Chem. 2017. V. 56. Р. 4217. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b00243
- Volkov S., Charkin D., Bubnova R. et al. // Acta Cryst. 2019. V. 75. P. 910. https://doi.org/10.1107/S2053229619007605
- Filatov S., Shepelev Y., Bubnova R. et al. // Solid State Chem. 2004. V. 177. P. 515. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2003.03.003
- Becker P., Bohaty´ L. // Cryst. Res. Technol. 2001. V. 36. P. 1175. https://doi.org/10.1002/1521-4079(200111)36:11%3 C1175::AID-CRAT1175%3E3.0.CO;2-T
- Mathews M.D., Tyagi A.K., Moorthy P.N. // Thermochim. Acta. 1998. V. 319. P. 113. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(98)00408-0
- Lin Wei, Dai Guiqing, Huang Qingzhen et al. // J. Phys. D. Appl. Phys. 1990. V. 23. P. 1073. https://doi.org/10.1088/0022-3727/23/8/012
- Huntelaar M.E., Cordfunke E.H.P. // J. Nucl. Mater. 1993. V. 201. P. 250.
- Каплун А.Б., Мешалкин А.Б. // Журн. неорган. химии. 2001. Т. 46. С. 1006.
- Bubnova R.S., Krzhizhanovskaya M.G., Polyakova I.G., Filatov S.K. // Cryst. Res. Technol. 2005. V. 40. P. 73. https://doi.org/10.1002/crat.200410309
- Penin N., Touboul M., Nowogrocki G. // J. Cryst. Growth. 2003. V. 256. P. 334. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01383-6
Supplementary files

Note
К 100-летию кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета