11.16
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 אטו…
מוצקים יוניים בדרך כלל ארוזים באופן הדוק בסריג גביש. אך המטענים והגדלים של היונים משפיעים מאוד על תצורת האריזה שלהם, מה שמוביל לשונות משמעותית במבנה הגביש ובמספר הקואורדינציה. לדוגמה, צזיום כלוריד, שבו שני היונים הם בעלי גדלים דומים, מיוצגים כסריג קובייתי פרימיטיבי של אניוני כלוריד עם קטיוני צזיום במרכזם.
לתא יחידת צזיום כלוריד מוקצה אניון כלוריד אחד וקטיון צזיום אחד. כל יון צזיום מוקף בשמונה יוני כלוריד ולהפך, מה שנותן גם לצזיום וגם לכלוריד מספרי קואורדניציה של שמונה. נתרן כלורי מיוצג כסריג קובייתי מרוכז-פאה של אניני כלוריד, כשקטיוני הנתרן הקטנים יותר ממוקמים ברווחים בין האניונים.
ההבדל ברדיוסים היוניים מביא לכך שכל קטיון נתרן מתקשר עם שישה אניוני כלוריד בלבד ולהפך, כשארבעה אניוני כלוריד וארבעה קטיונים של נתרן משויכים לתא היחידה. לעיתים קרובות מכנים זאת מבנה מלח הרים. לאבץ גופרתי יש הבדל גדול עוד יותר ברדיוסים יוניים לעומת נתרן כלורי, מה שמוביל למבנה מעורב של האבץ.
למרות שמבנה הגופרית דומה לסריג קובייתי ממוקד פאה, קטיוני האבץ ממוקמים בתוך טטרהדרה של אניוני גופרתי, מה שמוביל למספר קואורדינציה ארבע. רק מחצית מכל ה"חורים"המרובעים האפשריים תפוסים על ידי קטיוני אבץ, והשאר ריקים. בתא היחידה יש ארבעה אניוני גופרית וארבע קטיוני אבץ.
היחס בין קטיונים לאניונים משפיע גם על סוג המבנה שמוצק יוני יאמץ. סידן פלואוריד, שיש בו קטיון אחד ושני אניונים, מציג מבנה פלואוריט. כאן הקטיונים מסודרים כסריג קובייתי ממוקד פאה, כשהאניונים נמצאים בכל החורים הטטרהדרלים.
בתא היחידה יש ארבעה קטיוני סידן, כל אחד עם מספר קואורדינציה שמונה, ושמונה אניוני פלואור, לכל אחד מהם מספר קואורדינציה ארבע. מבנה האנטי פלואוריט מוצג על ידי תרכובות כמו תחמוצת נתרן, הכוללות שני קטיונים ואניון אחד. כאן מסודרים האניונים בסריג קובייתי ממוקד-פאה עם קטיונים הנמצאים בשמונת החורים הטטרהדרלים.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.