11.16
Ionenkristallstrukturen
Ionenkristalle bestehen aus zwei oder mehr verschiedenen Arten von Ionen, die normalerweise unterschiedliche Größen haben. Die Packung dieser Ionen zu…
Ionische Festkörper sind typischerweise dicht in einem Kristallgitter verpackt. Die Ladungen und Größen der Ionen beeinflussen jedoch stark ihre Packungskonfiguration, was zu erheblichen Variationen in der Kristallstruktur und der Koordinationszahl führt.
Zum Beispiel ähnelt Cäsiumchlorid, bei dem beide Ionen von ähnlicher Größe sind, einem primitiven kubischen Gitter aus Chloridanionen mit Cäsiumkationen in den Zentren. Der Cäsiumchlorid-Elementarzelle sind ein Chloridanion und ein Cäsiumkation zugeordnet.
Jedes Cäsium-Ion ist von acht Chlorid-Ionen umgeben und umgekehrt, was sowohl Cäsium- als auch Chlorid-Koordinationszahlen von acht ergibt.
Natriumchlorid ähnelt einem flächenzentrierten kubischen Gitter aus Chloridanionen, wobei die kleineren Natriumkationen die Zwischenräume zwischen den Anionen einnehmen.
Die Differenz der Ionenradien führt dazu, dass jedes Natriumkation mit nur sechs Chloridanionen interagiert und umgekehrt, wobei vier Chloridanionen und vier Natriumkationen der Elementarzelle zugeordnet sind. Dies wird oft als Steinsalzstruktur bezeichnet.
Zinksulfid hat einen noch größeren Unterschied in den Ionenradien als Natriumchlorid, was zur Zinkblendstruktur führt. Obwohl die Sulfidanordnung einem flächenzentrierten kubischen Gitter ähnelt, befinden sich die Zinkkationen in Tetraedern von Sulfidanionen, was zu einer Koordinationszahl von vier führt.
Nur die Hälfte aller möglichen tetraedrischen "Löcher" ist mit Zinkkationen besetzt, der Rest bleibt leer. Die Elementarzelle besteht aus vier Sulfid-Anionen und vier Zink-Kationen.
Das Verhältnis von Kationen zu Anionen beeinflusst auch, welche Struktur ein ionischer Festkörper annimmt. Calciumfluorid, das ein Kation und zwei Anionen hat, weist die Fluoritstruktur auf.
Hier sind die Kationen in einem flächenzentrierten kubischen Gitter angeordnet, wobei die Anionen alle tetraedrischen Löcher einnehmen. Die Elementarzelle hat vier Calciumkationen mit jeweils einer Koordinationszahl von acht und acht Fluoridanionen mit jeweils einer Koordinationszahl von vier.
Die Antifluoritstruktur wird durch Verbindungen wie Natriumoxid dargestellt, das zwei Kationen und ein Anion hat. Hier sind die Anionen in einem flächenzentrierten kubischen Gitter angeordnet, wobei die Kationen die acht tetraedrischen Löcher einnehmen.
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Q1: What determines the crystal structure of an ionic solid?
Two principal factors determine ionic crystal structure: the relative sizes of the ions and the ratio of cations to anions in the compound. Ion size depends on charge magnitude—higher positive charges decrease cation size, while higher negative charges increase anion size. These factors together dictate which holes cations occupy and overall packing arrangement.
Q2: How do tetrahedral and octahedral holes differ in ionic crystals?
Tetrahedral holes form between three anions in one plane and one anion in an adjacent plane, arranged at tetrahedron corners. Octahedral holes form at the center of six anions arranged at octahedron corners. Smaller cations occupy tetrahedral holes, while larger cations occupy octahedral holes, depending on ionic size compatibility.
Q3: Why does sodium chloride have a coordination number of six?
Sodium chloride exhibits the rock salt structure with a face-centered cubic lattice of chloride anions. The smaller sodium cations occupy octahedral holes between anions, allowing each sodium ion to contact six chloride ions and vice versa. This 1:1 cation-to-anion ratio with size difference produces coordination number six.
Q4: What is the zinc blende structure and how does it form?
Zinc blende structure occurs in zinc sulfide, where sulfide anions form a face-centered cubic lattice and zinc cations occupy tetrahedral holes. The large size difference between ions results in coordination number four. Only half of available tetrahedral holes are filled, leaving the rest empty in this structure.
Q5: How does the fluorite structure accommodate unequal numbers of cations and anions?
Fluorite structure, found in compounds like calcium fluoride with a 1:2 cation-to-anion ratio, arranges cations in a face-centered cubic lattice with anions occupying all tetrahedral holes. This arrangement gives calcium cations a coordination number of eight and fluoride anions a coordination number of four.
Q6: Why does caesium chloride have a different structure than sodium chloride?
Caesium chloride has a primitive cubic structure because both ions are similar in size, unlike sodium chloride where size difference is significant. In CsCl, caesium cations occupy cubic holes at the unit cell center, giving both ions a coordination number of eight, whereas NaCl's size difference favors octahedral coordination.
Q7: What role does cation-to-anion ratio play in determining ionic crystal structure?
Cation-to-anion ratio determines how many holes can be filled. A 2:1 ratio allows all tetrahedral holes to fill in closest-packed arrays, while a 1:1 ratio fills all octahedral holes. Ratios less than these maxima leave some holes vacant, affecting overall crystal geometry and stability.