Іонні тверді речовини

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- Інші тверді речовини: полімери, наноматеріали, піни тощо.
- Кристалічні тверді структури

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Навички для розвитку

Опишіть координаційне число та деякі характеристики одиничної комірки
Пов'язати енергію решітки і деякі властивості іонних твердих тіл

Іонні тверді тіла виготовлені з решіток іонів, що чергуються. Вони не можуть бути тісно упакованими структурами, тому що тоді, як іони, доведеться торкнутися. Ми вже бачили 2 загальні іонні одиничні клітини: структуру CScL та структуру NaCl на сторінці решіток. Нижче ми покажемо ще кілька, але спочатку поговоримо про інтерпретацію одиничних клітин трохи докладніше.

Інтерпретація одиничних клітин

Коли ви дивитеся на одиничну клітинку, добре мати можливість з'ясувати, що таке координаційний номер кожного атома, і яка загальна формула. Коли ви це зробите, потрібно пам'ятати, що одинична осередок повторюється. Отже, щоб підрахувати кількість атомів кожного типу в одиничній клітині, ми повинні порахувати атоми на кутах як 1/8, атоми на краях - 1/4, а атоми на гранях - 1/2. Решта цих прикордонних атомів знаходяться в інших клітинок. Коли ви підраховуєте координаційне число, ви також повинні пам'ятати, що атоми можуть мати сусідів в інших комірках. Ось формула, яка може вам допомогти:

$\frac{number\; of\; cations\; per\; unit\; cell}{number\; of\; anions\; per\; unit\; cell} = \frac{anion\; coordination\; number}{cation\; coordination\; number}$

Ключовим є те, що кількість катіонів і аніонів в одиничній осередку збігається з загальною формулою, і, наприклад, якщо формула АВ ₂, то координаційне число А вдвічі більше координаційного числа B.

Одиничні клітини для іонних кристалів

На додаток до тих, які ми бачили раніше, загальна структура для формули AB називається цинковою сумішшю або структурою ZnS. Давайте проаналізуємо цю одиничну клітинку, як показано нижче. Ми бачимо, що сірі іони мають чотиригранну координацію, і їх 4 всередині одиничної клітини. Яке координаційне число жовтих іонів, і скільки їх там? Це може бути трохи важко відповісти на перше питання. Давайте порахуємо їх спочатку: кожен кут має жовтий іон, але так як вони знаходяться на кутах, 8 х 1/8 = 1. Потім є жовтий іон на кожній грані одиничної клітини, і є 6 граней. 6 х 1/2 = 3. Таким чином, всередині кожної одиничної клітини є 4 жовтих іона. Це те ж саме, що і кількість сірих іонів, тому формула AB, як ми говорили. Так як формула АВ, координаційне число жовтих іонів також повинно бути 4. Постарайтеся переконати себе в тому, що це правда. Якщо ви думаєте про кожну з кутових позицій як однакову (кожен кутовий атом має взаємодію всіх кутів разом), ви можете побачити, що вони також мають чотиригранну координацію.

Давайте розглянемо приклад структури AB ₂. Нижче наведена структура рутилу, яка є досить поширеною і зустрічається у багатьох матеріалах, включаючи дуже поширений TiO ₂, який використовується у всьому, від сонцезахисного крему до паперу до фарби. Давайте розберемо і цей. У рутиловій структурі, у нас є червоний іон на кожному куті і один в середині, так що це 2 червоних на одиницю клітинки. Тоді у нас є 2 сірих посередині і 4 на обличчях (це трохи важко переконатися, що вони на обличчях з малюнка, але вони є), так що це 4 сірих іони всього. Формула - АВ ₂. Які координаційні номери? Сірий посередині явно восьмигранний (6-координатний). Сірий на кутах теж восьмигранний. Якщо розглядати всі взаємодії між кутами і внутрішньою частиною клітини, у нас є 4 зв'язку з червоними, які повністю знаходяться всередині, і 4 зв'язку з червоними на обличчях. Ми повинні порахувати червоні на гранях як 1/2, тому координаційний номер все ще 6 для кутів. Ми можемо порахувати червоне координаційне число як 3 легко для середини, і як 3 для червоних на обличчях також, якщо ми обережні. Це відповідає рівнянню.

Існує багато-багато інших споруд. Деякі дуже правильні і симетричні, а деякі спотворені. Деякі структури є більш складними, щоб відповідати більш складним формулам. Нам не потрібно турбуватися про інших зараз. Якщо вам цікаво, чому деякі матеріали мають одну структуру, а деякі мають іншу, слід врахувати 2 основні ефекти. По-перше, це залежить від відносних розмірів іонів. Якщо іони мають схожі розміри, структура CsCl хороша, тому що має найбільше координаційне число (більш сприятливі взаємодії між протилежними іонами). Якщо іони не однакового розміру, то в структурі CScL великі іони можуть торкатися один одного, тому структура NaCl (з координаційним номером 6) стає більш стабільною, тому великі іони можуть бути далі один від одного. Для ще менш рівних розмірів може знадобитися структура zincblende. Інший ефект полягає в тому, наскільки ковалентні зв'язки. Якщо зв'язки частково ковалентні, навіть якщо розміри не такі різні, структура цинку може бути кращою, оскільки вона дозволяє краще перекривати орбіту (як у алмазу, який має однакову структуру, але з усіма атомами однакові).

Властивості іонних твердих тіл

Іонні тверді тіла зазвичай є ізоляторами, тому що електрони міцно тримаються до іонів. Вони тверді і мають високі температури плавлення, тому що іонні зв'язки міцні. Однак вони крихкі, тому що якщо кристал збивається так, що неправильні іони торкаються, він зруйнується.

Ключовою концепцією іонного зв'язку є енергія решітки. Якщо порівняти спорідненість електронів до неметалу і енергію іонізації для металу, ви помітите, що утворення іонів є ендотермічним. Однак пам'ятайте, що електронні спорідненості та енергії іонізації визначаються для газів. Виготовлення іонних твердих тіл з елементів дуже екзотермічно, оскільки об'єднання іонів у кристалічну решітку виділяє багато тепла. Енергія решітки - це енергія, що виділяється при утворенні твердого тіла з іонів в газовій фазі. Енергія решітки включає в себе всі іонно-іонні взаємодії в нескінченній решітці, тому її трохи складно обчислити. Головне знати, що чим менше іонів і чим більше заряд, тим більше енергія решітки, і тим стабільніше тверде тіло.

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribGreyLark