İyonik Kristal Yapı

İyonik kristaller, genellikle farklı boyutlara sahip iki veya daha fazla farklı iyon türünden oluşur. Bu iyonların kristal bir yapı içinde paketlenmesi, aynı boyuttaki metal atomlarının paketlenmesinden daha karmaşıktır.

Çoğu tek atomlu iyon, yüklü küreler gibi davranır ve zıt yüklü iyonlara olan çekimleri her yönde aynıdır. Sonuç olarak, iyonik bileşikler için kararlı yapılar, (1) bir yükün iyonları, zıt yükten mümkün olduğu kadar çok iyonla çevrelendiğinde ve (2) katyonlar ve anyonlar birbiriyle temas halinde olduğunda ortaya çıkar. Yapılar iki temel faktör tarafından belirlenir: iyonların göreceli boyutları ve bileşikteki pozitif ve negatif iyon sayılarının oranı. İyonun boyutu, sahip olduğu yükün niteliğine ve büyüklüğüne de bağlıdır. Katyon üzerindeki pozitif yük arttıkça, boyutu küçülür, aksine negatif yükteki artış, anyonun boyutunu artıracak ve bu da kristal yapıyı etkileyecektir.

Basit iyonik yapılarda, normalde katyonlardan daha büyük olan anyonları, en yakın paketlenmiş bir dizide düzenlenmiş olarak buluruz. (Daha önce görüldüğü gibi, aynı çekirdeğe çekilen ek elektronlar anyonları daha büyük yapar ve aynı çekirdeğe çekilen daha az elektron, oluşturuldukları atomlara kıyasla katyonları küçültür.) Daha küçük katyonlar genellikle iki tip delikten birini kaplar ( veya boşluklar) anyonlar arasında kalır. Deliklerden daha küçük olanı, bir düzlemdeki üç anyon ve bitişik bir düzlemdeki bir anyon arasında bulunur. Bu deliği çevreleyen dört anyon, bir tetrahedronun köşelerinde düzenlenmiştir, bu nedenle deliğe tetrahedral delik denir. Daha büyük delik tipi, bir oktahedronun köşelerinde bulunan altı anyonun (bir katmanda üç ve bitişik bir katmanda üç) merkezinde bulunur; buna oktahedral delik denir. Katyonların ve anyonların göreceli boyutlarına bağlı olarak, bir iyonik bileşiğin katyonları, dört yüzlü veya oktahedral delikler işgal edebilir, Nispeten küçük katyonlar dört yüzlü delikler, daha büyük katyonlar ise oktahedral delikler işgal edebilir. Katyonlar oktahedral deliklere sığamayacak kadar büyükse, anyonlar basit bir kübik dizi gibi daha açık bir yapı alabilir. Daha büyük katyonlar, daha açık aralık sayesinde mümkün olan daha büyük kübik delikleri işgal edebilir.

Altıgen kapalı paketlemede (HCP) veya kübik kapalı paketlemede (CCP) anyon dizisinde her anyon için iki dört yüzlü delik vardır. Dört yüzlü deliklerde katyonlarla en yakın paketlenmiş anyonlar dizisinde kristalleşen bir bileşik, 2: 1’lik bir maksimum katyon: anyon oranına sahip olabilir; dörtyüzlü deliklerin tamamı bu oranda doldurulur. Örnekler arasında Li₂O, Na₂O, Li₂S ve Na₂S bulunur. 2:1’den daha düşük bir orana sahip bileşikler, iyonik boyutlar uygunsa, tetrahedral deliklerde katyonlarla en yakın paketlenmiş anyonlar dizisinde kristalleşebilir. Bununla birlikte, bu bileşiklerde, bazı tetrahedral delikler boş kalır. Bir HCP veya CCP yapısında oktahedral deliklerin anyonlara oranı 1:1’dir. Bu nedenle, en yakın paketlenmiş anyon dizisindeki oktahedral deliklerde katyonlara sahip bileşikler, 1:1’lik bir maksimum katyon: anyon oranına sahip olabilir. Örneğin NiO, MnS, NaCl ve KH’de tüm oktahedral delikler doldurulur. Oktahedral deliklerin bir kısmı boş kaldığında 1:1’den küçük oranlar gözlemlenir.

Basit bir kübik anyon dizisinde, dizideki her anyon için bir katyon tarafından işgal edilebilen bir kübik delik vardır. CsCl’de ve aynı yapıya sahip diğer bileşiklerde tüm kübik delikler işgal edilmiştir. Kübik deliklerin yarısı SrH₂, UO₂, SrCl₂ ve CaF₂ ‘de işgal edilmiştir. Farklı iyonik bileşik türleri, iyonlarının göreceli boyutları ve stokiyometrileri (yapıyı belirleyen iki temel özellik) benzer olduğunda genellikle aynı yapıda kristalleşir.

İyonik Kristal Yapının Örnekleri

Sezyum klorür (CsCl), katyonların ve anyonların benzer boyutta olduğu basit bir kübik kafes yapısına sahip iyonik bir bileşiktir. Klorür iyonları kafes bölgelerini işgal eder ve birim hücrenin merkezinde bir sezyum iyonu bulunur (Şekil 1). Sezyum klorür için koordinasyon numarası 8’dir, yani her sezyum iyonu sekiz klorür iyonu ile doğrudan temas halindedir (ve bunun tersi de geçerlidir). Sezyum klorür birim hücresi, bir klorür anyonu ve bir sezyum katyonu içerir.

Şekil 1. Sezyum klorür (basit kübik), sodyum klorür (yüz merkezli kübik) ve çinko sülfür (çinko blende) birim hücre yapıları.

Sodyum klorür (NaCl), klorür anyonlarının anyonlar arasındaki boşluklarda bulunan daha küçük sodyum katyonları ile yüz merkezli bir kübik yapının kafes bölgelerini işgal ettiği bir kaya tuzu yapısına sahiptir. NaCl’nin koordinasyon numarası 6’dır; her bir klorür anyonu altı sodyum katyonu ile çevrilidir ve bunun tersi de geçerlidir. Bir NaCl birim hücresi, dört klorür anyonu ve dört sodyum katyonu içerir.

Çinko sülfür (ZnS), koordinasyon numarası yalnızca 4 olan bir çinko blende kristal yapısına sahiptir. Sülfür anyonları, yüz merkezli bir kübik yapının kafes bölgelerini işgal eder ve daha küçük çinko katyonları, her birinin hemen altında bulunan sekiz dört yüzlü şekilli boşluktan dördünü kaplar. köşe atomu. Her ZnS birim hücresi, dört sülfür anyonu ve dört çinko katyonu içerir. Çinko blende dışında, ZnS, çinko blendin kübik kapalı paketlemesinden farklı olarak altıgen kapalı istiflenme sergileyen vurtzit yapısında da mevcut olabilir. Çinko blende benzer şekilde, hem katyon hem de anyonun koordinasyon sayısı dört’tür ve katyonlar dört yüzlü boşlukların (deliklerin) yarısını işgal ederken, altıgen yapının kafes bölgelerini anyon işgal eder.

Genellikle kristal yapılar eşit olmayan sayıda katyon ve anyona sahiptir. 1:2 katyon/anyon oranına sahip iyonik bileşikler, florit veya CaF₂ yapısını benimser. Sodyum florür (NaF), sodyum klorüre benzer bir yapıya sahip en basit örnektir. CaF₂ ve MgF₂ diğer yaygın örneklerdir.

TiO₂ gibi oksitler, rutil olarak bilinen kristal yapıya ulaşır. Burada katyon ve anyonların koordinasyon sayıları farklıdır. Örneğin TiO₂ durumunda titanyum katyonlarının koordinasyon numarası altı olurken, oksijen anyonlarının koordinasyon sayısı üç olacaktır.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.