מבנה קריסטל יוני

קריסטלים יוניים מורכבים משני (או יותר) סוגים שונים של יונים שבדרך כלל יש להם גדלים שונים. האריזה של יונים אלה למבנה קריסטלי מורכבת יותר מהאריזה של אטומי מתכת באותו גודל.

רוב היונים המונוטומיים מתנהגים ככדורים טעונים, והמשיכה שלהם ליונים בעלי מטען הפוך זהה בכל כיוון. כתוצאה מכך, נוצרים מבנים יציבים עבור תרכובות יוניות (1) כאשר יונים של מטען אחד מוקפים בכמה שיותר יונים מהמטען ההפוך ו-(2) כאשר הקטיונים והאניונים נמצאים במגע זה עם זה. מבנים נקבעים על ידי שני גורמים עיקריים: הגדלים היחסיים של היונים והיחס בין מספר היונים החיוביים והשליליים בתרכובת. גודל היון תלוי גם בטבע ובגודל המטען שיש לו. ככל שהמטען החיובי גדל על הקטיון, גודלו יורד, לעומת זאת, עלייה במטען השלילי תגדיל את גודל האניון, אשר ישפיע על מבנה הקריסטל.

במבנים יוניים פשוטים, אנו מוצאים בדרך כלל את האניונים, שהם בדרך כלל גדולים יותר מהקטיונים, מסודרים במערך הדחוס ביותר. (כפי שנראה קודם, אלקטרונים נוספים הנמשכים לאותו גרעין הופכים את האניונים לגדולים יותר ופחות אלקטרונים הנמשכים לאותו הגרעין הופכים את הקטיונים לקטנים בהשוואה לאטומים שמהם הם נוצרים.) הקטיונים הקטנים יותר תופסים בדרך כלל אחד משני סוגי חורים (או מרווחים) שנותרו בין האניונים. הקטן מבין החורים נמצא בין שלושה אניונים במישור אחד לאניון אחד במישור סמוך. ארבעת האניונים המקיפים את החור הזה מסודרים בפינות של טטרהדרון, ולכן החור נקרא חור טטרהדרלי. הסוג הגדול יותר של החור נמצא במרכז של שישה אניונים (שלושה בשכבה אחת ושלושה בשכבה סמוכה) הממוקמים בפינות של אוקטהדרון; זה נקרא חור אוקטהדרלי. בהתאם לגדלים היחסיים של הקטיונים והאניונים, הקטיונים של תרכובת יונית עשויים לכבוש חורים טטרהדרלים או אוקטהדרליים, קטיונים קטנים יחסית תופסים חורים טטרהדרלים, וקטיונים גדולים יותר תופסים חורים אוקטהדרליים. אם הקטיונים גדולים מכדי להתאים לחורים האוקטהדרליים, האניונים עשויים לאמץ מבנה פתוח יותר, כגון מערך מעוקב פשוט. הקטיונים הגדולים יותר יכולים אז לכבוש את החורים המעוקבים הגדולים יותר המתאפשרים על ידי המרווח הפתוח יותר.

ישנם שני חורים טטרהדרלים לכל אניון במערך אריזה סגורה משושה (HCP) או אריזה סגורה מעוקבת (CCP) של אניונים. תרכובת המתגבשת במערך הצפוף ביותר של אניונים עם קטיונים בחורים הטטרהדרלים יכולה להיות בעלת יחס קטיון:אניון מקסימלי של 2:1; כל החורים הטטרהדרליים ממולאים ביחס זה. דוגמאות כוללות Li₂O, Na₂O, Li₂S ו-Na₂S. תרכובות בעלות יחס של פחות מ-2:1 עשויות להתגבש גם במערך הצפוף ביותר של אניונים עם קטיונים בחורים הטטרהדרליים, אם הגדלים היוניים מתאימים. עם זאת, בתרכובות אלה, חלק מהחורים הטטרהדרלים נותרים ריקים. היחס בין חורים אוקטהדרליים לאניונים במבנה HCP או CCP הוא 1:1. לפיכך, תרכובות עם קטיונים בחורים אוקטהדרליים במערך הצפוף ביותר של אניונים יכולים להיות בעלי יחס קטיון:אניון מקסימלי של 1:1. ב-NiO, MnS, NaCl ו-KH, למשל, כל החורים האוקטהדרליים ממולאים. יחסים של פחות מ-1:1 נצפים כאשר חלק מהחורים האוקטהדרליים נותרים ריקים.

במערך מעוקב פשוט של אניונים, ישנו חור מעוקב אחד שיכול להיתפס על ידי קטיון עבור כל אניון במערך. ב-CsCl, ובתרכובות אחרות בעלות אותו מבנה, כל החורים המעוקבים תפוסים. מחצית מהחורים המעוקבים תפוסים ב-SrH₂, UO₂,SrCl₂ ו-CaF₂. סוגים שונים של תרכובות יוניות מתגבשות לעתים קרובות באותו מבנה כאשר הגדלים היחסיים של היונים שלהם והסטוכיומטריות שלהם (שתי התכונות העיקריות הקובעות את המבנה) דומים.

דוגמאות למבנה קריסטל יוני

צסיום כלורי (CsCl) הוא תרכובת יונית בעלת מבנה סריג קובי פשוט, כאשר הקטיונים והאניונים הם בגודל דומה. יוני הכלוריד תופסים את אתרי הסריג ויון צסיום אחד נמצא במרכז תא היחידה (איור 1). מספר התיאום של צסיום כלוריד הוא 8, כלומר כל יון צסיום נמצא במגע ישיר עם שמונה יוני כלוריד (ולהיפך). תא יחידת צסיום כלוריד מכיל אניון כלורי אחד וקטיון צסיום אחד.

איור 1. מבנה תא יחידה של צסיום כלוריד (מעוקב פשוט), נתרן כלורי (מעוקב במרכז הפנים), ואבץ גופרתי (תערובת אבץ).

לנתרן כלורי (NaCl) יש מבנה של מלח סלע שבו אניונים כלוריים תופסים את אתרי הסריג של מבנה קובי במרכז הפנים כאשר קטיוני הנתרן הקטנים יותר ממוקמים ברווחים שבין האניונים. ל-NaCl יש מספר תיאום של 6; כל אניון כלורי מוקף בשישה קטיוני נתרן ולהיפך. תא יחידת NaCl מכיל ארבעה אניונים כלוריים וארבעה קטיוני נתרן.

אבץ גופרתי (ZnS) הוא בעל מבנה קריסטלי אבץ עם מספר קואורדינציה של 4 בלבד. אניוני הגופרית תופסים את אתרי הסריג של מבנה קובי במרכז הפנים כאשר קטיוני האבץ הקטנים יותר תופסים ארבעה מתוך שמונת החללים בצורת טטרהדרלית הממוקמים ישירות מתחת לכל אחד מהם. אטום פינתי. כל תא יחידת ZnS מכיל ארבעה אניונים גופרתיים וארבעה קטיוני אבץ. מלבד תערובת אבץ, ZnS יכול להיות קיים גם במבנה וורציט, המציג אריזה משושה קרובה בניגוד לאריזה קובית של תערובת אבץ. בדומה לתערובת אבץ, גם לקטיון ולאניון יש מספר קואורדינציה של ארבע והקטיונים תופסים מחצית מהחללים הטטרהדרליים (חורים) ואילו אניון תופס את אתרי הסריג של מבנה משושה.

לרוב מבני קריסטל יש מספר לא שווה של קטיונים ואניונים. תרכובות יוניות עם יחס קטיון לאניון של 1:2 מאמצות את מבנה הפלואוריט או CaF₂. נתרן פלואוריד (NaF) הוא הדוגמה הפשוטה ביותר עם מבנה דומה לנתרן כלורי. CaF₂ו-MgF₂ הם דוגמאות נפוצות אחרות.

תחמוצות כגון TiO₂ משיגות את מבנה הקריסטל המכונה רוטיל. כאן מספר התיאום של קטיונים ואניונים שונה. לדוגמה במקרה של TiO₂, לקטיוני הטיטניום יהיה מספר קואורדינציה של שש ואילו מספר הקואורדינציה של אניוני החמצן יהיה שלוש.

טקסט זה מותאם מ Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.