이온 결정 구조

이온 결정은 일반적으로 다른 크기를 갖는 두 가지 이상의 다른 종류의 이온으로 구성됩니다. 이러한 이온을 결정 구조로 포장하는 것은 동일한 크기의 금속 원자의 포장보다 더 복잡합니다.

대부분의 원자 이온은 충전 된 구체로 행동하며 반대 전하의 이온에 대한 매력은 모든 방향에서 동일합니다. 따라서, 이온 화합물에 대한 안정적인 구조는 1개의 전하의 이온이 반대 전하의 가능한 한 많은 이온에 의해 포위되고 (2) 양이온과 이온이 서로 접촉할 때 발생한다. 구조는 두 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다: 이온의 상대크기및 화합물내의 양수 및 음수 이온의 비율. 이온의 크기는 또한 그것이 소유하는 충전의 성격과 크기에 따라 달라집니다. 양이온에 양전하가 증가함에 따라 음전하의 증가가 반대로 감소하여 음전도의 크기가 증가하여 음전도의 크기가 증가하여 결정 구조에 영향을 미칩니다.

간단한 이온 구조에서, 우리는 일반적으로 가장 가까운 포장 배열에 배치 양이온보다 일반적으로 더 큰 음이온을 찾을 수 있습니다. (이전에 보았듯이, 동일한 핵에 끌린 추가 전자는 항문이 형성되는 원자에 비해 양이온을 작게 만듭니다.) 더 작은 양이온은 일반적으로 음이온 사이에 남아있는 두 가지 유형의 구멍 (또는 interstices) 중 하나를 차지합니다. 구멍의 작은 한 평면에서 세 개의 음이온과 인접 한 평면에서 하나의 음이온 사이에 발견된다. 이 구멍을 둘러싼 네 개의 음이온은 테트라 헤드론의 모서리에 배치되므로 구멍은 테트라 헤드랄 구멍이라고합니다. 구멍의 더 큰 유형은 옥타히드론의 모서리에 위치한 여섯 개의 음이온 (1 층에서 3 개 및 인접 층에서 3 개)의 중심에서 발견된다; 이것은 옥타히드랄 구멍이라고합니다. 양이온과 음이온의 상대적 크기에 따라 이온 화합물의 양이온은 테트라헤드랄 또는 옥타헤드랄 구멍을 차지할 수 있으며, 상대적으로 작은 양이온은 테트라헤드랄 구멍을 차지하고, 더 큰 양이온은 옥타히드랄 구멍을 차지합니다. 양이온이 옥타히드랄 구멍에 들어갈 수 없을 정도로 크면, 음이온은 단순한 입방 배열과 같은 보다 개방적인 구조를 채택할 수 있다. 더 큰 양이온은 더 열린 간격에 의해 가능하게 된 더 큰 입방 구멍을 점유할 수 있습니다.

각 음극에 대한 두 개의 테트라헤드랄 구멍이 있으며, 육각형 닫기 포장(HCP) 또는 입방 닫기 패킹(CCP) 어레이의 음이온이 있습니다. 테트라헤드랄 구멍에서 양이온이 있는 가장 가까운 포장된 음이온 배열에서 결정화되는 화합물은 최대 양이온율을 가질 수 있습니다: 음이온 비 2:1; 모든 테트라헤드라 구멍은 이 비율로 채워져 있습니다. 예를 들어 Li₂O, Na₂O, Li₂S, 및_Na2S. 화합물이 2:1 미만의 비율로 이온 크기가 맞는 경우 테트라헤드랄 구멍에서 양이온이 있는 가장 가까운 배열로 결정화될 수 있다. 이러한 화합물에서, 그러나, 테트라 헤드랄 구멍중 일부는 빈 남아. HCP 또는 CCP 구조중 하나에서 음이온에 대한 옥타헤드랄 구멍의 비율은 1:1이다. 따라서, 가장 가까운 포장된 다이온 배열에 옥타헤드랄 구멍에 양이온화합물은 최대 양이온율을 가질 수 있다: 음이온 비 1:1. 예를 들어 NiO, MnS, NaCl 및 KH에서는 모든 옥타히드랄 구멍이 채워져 있습니다. 1:1 미만의 비율은 옥타히드랄 구멍 중 일부가 비어 있을 때 관찰됩니다.

음이온의 간단한 입방 배열에서 배열의 각 음이온에 대한 양이온에 의해 점유 될 수있는 하나의 입방 구멍이 있다. CsCl에서, 그리고 동일한 구조를 가진 다른 화합물에서, 입방 구멍의 모든 점유된다. 입방 구멍의 절반은 SrH_2,UO_2,SrCl₂및 CaF_2에점령됩니다. 이온 화합물의 다른 유형은 종종 그들의 이온과 그들의 stoichiometries (구조를 결정하는 두 가지 주요 특징)의 상대적 크기가 유사 할 때 동일한 구조로 결정화된다.

이온 결정 구조의 예

염화물(CsCl)은 양이온과 음이온이 비슷한 크기의 간단한 입방 격자 구조를 가진 이온 화합물입니다. 염화물 이온은 격자 부위를 차지하고 하나의 카이슘 이온은 단위 셀의 중앙에 있다(도 1). 염화물 염화물의 조정 번호는 8이며, 이는 각 카이슘 이온이 8개의 염화물 이온과 직접 접촉하고 있다는 것을 의미합니다(그리고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다). 염화염화물 단위 세포에는 염화물 이온 1개와 카이슘 양이온 1개를 함유하고 있습니다.

그림 1. 염화물(단순 입방), 염화나트륨(얼굴 중심 입방), 아연 황화물(아연 블렌드)의 단위 세포 구조.

염화나트륨(NaCl)은 염화물 이온이 얼굴 중심의 입방 구조의 격자 부위를 차지하는 암염 구조를 가지며, 음이온 사이의 공간에 위치한 나트륨 양이온이 더 작다. NaCl의 조정 번호는 6; 각 염화물 완화는 6개의 나트륨 양이온으로 둘러싸여 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. NaCl 단위 세포에는 4개의 염화물 음이온과 4개의 나트륨 양이온이 포함되어 있습니다.

아연 황화물(ZnS)은 4개의 조정 수의 아연 블렌드 크리스탈 구조를 갖는다. 황화물 음이온은 얼굴 중심의 입방 구조의 격자 부위를 차지하며, 각 모서리 원자 바로 아래에 위치한 8개의 테트라헤드랄 모양 공간 중 4개를 차지하는 작은 아연 양이온이 있습니다. 각 ZnS 단위 세포에는 4개의 황화물 음이온과 4개의 아연 양이온이 포함되어 있습니다. 아연 블렌드 이외에 ZnS는 아연 블렌드의 입방 밀기와는 달리 육각형 밀착형 밀폐를 나타내는 뷔르치테 구조에 존재할 수 있습니다. 아연 블렌드와 유사한 양온과 음이온은 4개의 조정 번호를 가지며 양이온은 테트라헤드랄 보이드(holes)의 절반을 차지하지만 음이온은 육각형 구조의 격자 부위를 차지합니다.

종종 결정 구조는 양이온과 음이온의 불평등 한 수를 가지고있다. 1:2의 양온 비율을 가진 이온 화합물은 불소 또는 CaF₂ 구조를 채택한다. 나트륨 불소(NaF)는 염화나트륨과 유사한 구조를 가진 가장 간단한 예입니다. CaF₂ 및 MgF_2는 다른 일반적인 예입니다.

TiO_2와 같은 산화물은 루틸로 알려진 결정 구조를 달성합니다. 여기서 는 양이온과 음이온의 조정 수가 다릅니다. 예를 들어 TiO_2의경우, 티타늄 양이온은 6개의 조정 수를 가지지만 산소 음이온의 조정 수는 3개가 될 것이다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 10.6: 결정성 고체의 격자 구조에서 적용됩니다.