11.16
Ионные кристаллические структуры
Ионные кристаллы состоят из двух или более различных видов ионов, которые обычно имеют разные размеры. Упаковка этих ионов в кристаллическую структуру…
Ионные твердые тела обычно плотно упакованы в кристаллическую решетку. Однако заряды и размеры ионов сильно влияют на их конфигурацию упаковки, что приводит к значительным изменениям кристаллической структуры и координационного числа. Например, хлорид цезия, у которого оба иона близки по размеру, напоминает примитивную кубическую решетку хлорид-анионов с катионами цезия в центрах.
Элементарной ячейке хлорида цезия принадлежит один хлорид-анион и один катион цезия. Каждый ион цезия окружен восемью ионами хлора и наоборот, что дает координационные числа цезия и хлора восемь. Хлорид натрия напоминает гранецентрированную кубическую решетку из хлорид-анионов, причем меньшие катионы натрия занимают пространство между анионами.
Разница в ионных радиусах приводит к тому, что каждый катион натрия взаимодействует только с шестью хлорид-анионами и наоборот, с четырьмя хлорид-анионами и четырьмя катионами натрия, относящимися к элементарной ячейке. Это часто называют структурой каменной соли. Сульфид цинка имеет даже большую разницу в ионных радиусах, чем хлорид натрия, что приводит к структуре цинковой обманки.
Хотя расположение сульфидов напоминает гранецентрированную кубическую решетку, катионы цинка расположены внутри тетраэдров сульфид-анионов, что приводит к координационному числу четыре. Лишь половина всех возможных тетраэдрических дырок"занята катионами цинка, остальные остаются пустыми. В элементарной ячейке четыре сульфидных аниона и четыре катиона цинка.
Отношение катионов к анионам также влияет на структуру ионного твердого вещества. Фторид кальция, который имеет один катион и два аниона, имеет структуру флюорита. Здесь катионы расположены в гранецентрированной кубической решетке, причем анионы занимают все тетраэдрические дырки.
В элементарной ячейке есть четыре катиона кальция, каждый с координационным числом восемь, и восемь фторид-анионов, каждый с координационным числом четыре. Структуру антифторита демонстрируют такие соединения, как оксид натрия, который имеет два катиона и один анион. Здесь анионы расположены в гранецентрированной кубической решетке с катионами, занимающими восемь тетраэдрических отверстий.
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.