Йоните, които изграждат йонните кристали, се държат заедно от електростатични сили. Следователно структурата на кристалната решетка на йонните кристали трябва да гарантира тяхната електрическа неутралност.
На фиг. 3.24-3.27 схематично изобразяват най-важните видове кристални решетки на йонни кристали и предоставят подробна информация за тях. Всеки тип йон в йонната решетка има свое собствено координационно число. Така в кристалната решетка на цезиев хлорид (фиг. 3.24) всеки Cs+ йон е заобиколен от осем Cl" йона и следователно има координационно число 8. По същия начин всеки Cl- йон е заобиколен от осем Cs+ йона, т.е. , също има координационно число 8. Следователно се смята, че кристалната решетка на натриевия хлорид има координация 6:6 (фиг. 3.25). всеки случай е осигурена електрическа неутралност на кристала.
Координацията и типът на кристалната структура на йонните решетки се определят главно от следните два фактора: съотношението на броя на катионите към броя на анионите и съотношението на радиусите на катионите и анионите.
Ж рана центрирана кубична или октаедрична
Ориз. 3.25. Кристална структура на натриев хлорид (каменна сол).
Съотношението на броя на катионите към броя на анионите в кристалните решетки на цезиев хлорид (CsCl), натриев хлорид (NaCl) и цинкова смес (цинков сулфид ZnS) е 1:1. Следователно те се класифицират като стехиометричен тип AB. Флуоритът (калциев флуорид CaF2) принадлежи към стехиометричния тип AB2. Подробно обсъждане на стехиометрията е предоставено в гл. 4.
Съотношението на йонния радиус на катиона (A) към йонния радиус на аниона (B) се нарича отношение на йонния радиус rJrB. Като цяло, колкото по-голямо е отношението на йонните радиуси, толкова по-голямо е координационното число на решетката (Таблица 3.8).
Таблица 3.8. Зависимост на координацията от отношението на йонните радиуси
Съотношение на координационния йонен радиус
Ориз. 3.26. Кристална структура на цинкова смес.
Като правило е по-лесно да се разглежда структурата на йонните кристали, сякаш се състоят от две части - анионна и катионна. Например, структурата на цезиевия хлорид може да се разглежда като състояща се от кубична катионна структура и кубична анионна структура. Заедно те образуват две взаимопроникващи (вложени) структури, които образуват единична кубична структура, центрирана върху тялото (фиг. 3.24). Структура като натриев хлорид или каменна сол също се състои от две кубични структури - едната катионна, а другата анионна. Заедно те образуват две вложени кубични структури, които образуват единична лицево-центрирана кубична структура. Катионите и анионите в тази структура имат октаедрична среда с координация 6:6 (фиг. 3.25).
Структурата тип цинкова бленда има лицево-центрирана кубична решетка(фиг. 3.26). Можете да си представите това така, сякаш катионите образуват кубична структура, а анионите имат тетраедрична структура вътре в куба. Но ако разгледаме анионите като кубична структура, тогава катионите имат тетраедрична подредба в нея.
Структурата на флуорита (фиг. 3.27) се различава от разгледаните по-горе по това, че има стехиометричен тип AB2, както и две различни координационни числа - 8 и 4. Всеки Ca2+ йон е заобиколен от осем F- йона, а всеки F- йон е заобиколен от четири Ca2+ йона. Структурата на флуорита може да си представим като лицево-центрирана кубична катионна решетка, вътре в която има тетраедрична подредба на аниони. Можете да си го представите и по друг начин: като обемно-центрирана кубична решетка, в която катионите са разположени в центъра на кубичната клетка.
Гранецентрирана кубична и центрирана по тялото кубична
Всички съединения, обсъдени в този раздел, се приемат за чисто йонни. Йоните в тях се разглеждат като твърди сфери със строго определени радиуси. Въпреки това, както е посочено в разд. 2.1, много съединения са отчасти йонни и отчасти ковалентни по природа. В резултат на това йонните съединения с ясно изразен ковалентен характер не могат напълно да се подчиняват на общите правила, изложени в този раздел.
Йонните кристали са съединения с преобладаващ йонен характер на химичната връзка, която се основава на електростатичното взаимодействие между заредените йони.Типични представители на йонните кристали са халогенидите на алкални метали, например със структура като NaCl и CaCl.
Когато се образуват кристали като каменна сол (NaCl), халогенните атоми (F, Cl, Br, I), които имат висок електронен афинитет, улавят валентни електрони на алкални метали (Li, Na, K, Rb, I), които имат ниски потенциали на йонизация, докато се образуват положителни и отрицателни йони, чиито електронни обвивки са подобни на сферично симетричните запълнени s 2 p 6 обвивки на най-близките инертни газове (например обвивката N + е подобна на обвивката Ne и обвивката Cl е подобна на обвивката Ar). В резултат на кулоновото привличане на аниони и катиони шестте външни p-орбитали се припокриват и се образува решетка от типа NaCl, чиято симетрия и координационното число 6 съответстват на шестте валентни връзки на всеки атом с неговите съседи (фиг. 3.4). Важно е, че когато p-орбиталите се припокриват, има намаляване на номиналните заряди (+1 за Na и -1 за Cl) на йоните до малки реални стойности поради изместване на електронната плътност в шест връзки от аниона към катиона, така че реалният заряд на атомите в съединението Оказва се, например, че за Na е равен на +0,92e, а за Cl- отрицателният заряд също става по-малък от -1e.
Намаляването на номиналните заряди на атомите до реални стойности в съединенията показва, че дори когато най-електроотрицателните електроположителни елементи взаимодействат, се образуват съединения, в които връзката не е чисто йонна.
Ориз. 3.4. Йонен механизъм на образуване на междуатомни връзки в структури катоNaCl. Стрелките показват посоките на изместване на електронната плътност
По описания механизъм се образуват не само халогениди на алкални метали, но и нитриди и карбиди на преходни метали, повечето от които имат структура тип NaCl.
Поради факта, че йонната връзка е ненасочена и ненаситена, йонните кристали се характеризират с големи координационни числа. Основните структурни характеристики на йонните кристали са добре описани въз основа на принципа на плътно опаковане на сфери с определени радиуси. По този начин в структурата на NaCl големите Cl аниони образуват кубична плътна опаковка, в която всички октаедрични кухини са заети от по-малки Na катиони. Това са структурите на KCl, RbCl и много други съединения.
Йонните кристали включват повечето диелектрици с високи стойности на електрическо съпротивление. Електрическата проводимост на йонните кристали при стайна температура е повече от двадесет порядъка по-малка от електрическата проводимост на металите. Електрическата проводимост в йонните кристали се осъществява главно от йони. Повечето йонни кристали са прозрачни във видимата област на електромагнитния спектър.
В йонните кристали привличането се дължи главно на кулоновото взаимодействие между заредените йони. - В допълнение към привличането между противоположно заредените йони, има и отблъскване, причинено, от една страна, от отблъскването на еднакви заряди, от друга, от действието на принципа на изключване на Паули, тъй като всеки йон има стабилни електронни конфигурации от инертни газове със запълнени черупки. От гледна точка на горното, в прост модел на йонен кристал, може да се приеме, че йоните са твърди, непроницаеми заредени сфери, въпреки че в действителност, под въздействието на електрическите полета на съседните йони, сферично симетричните формата на йоните е донякъде нарушена в резултат на поляризацията.
При условия, при които съществуват едновременно сили на привличане и отблъскване, стабилността на йонните кристали се обяснява с факта, че разстоянието между различни заряди е по-малко, отколкото между еднакви заряди. Следователно силите на привличане надделяват над силите на отблъскване.
Отново, както в случая с молекулярните кристали, при изчисляване на кохезионната енергия на йонните кристали може да се изхожда от обичайните класически концепции, като се приеме, че йоните са разположени във възлите на кристалната решетка (равновесни позиции), тяхната кинетична енергия е пренебрежимо малки и силите, действащи между йоните, са централни.
С йонен (електростатичен) характер на връзката между атомите. I. до се състои както от едноатомни, така и от многоатомни йони. Примери за I.C. от първия тип са кристали от халогениди на алкални и алкалоземни метали, образувани с положителен заряд. метални йони и отрицателно заредени. халогенни йони (NaCl, CsCl, CaF2). Примери за I. до втория тип са нитрати, сулфати, фосфати и други метални соли, където са отрицателни. йони на киселинни остатъци се състоят от няколко. атоми. I. към. също включват силикати, в които силициево-кислородните радикали SiO4 образуват вериги, слоеве или триизмерна рамка, атомите вътре в радикалите са свързани чрез ковалентни връзки (виж МЕЖДУАТОМНО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.
Физически енциклопедичен речник. - М.: Съветска енциклопедия. . 1983 .
ЙОННИ КРИСТАЛИ
Кристали с йонен (електростатичен) характер на връзката между атомите. I. до се състои както от едноатомни, така и от многоатомни йони. Примери за първия тип кристали са кристали от халогениди на алкални и алкалоземни метали, образувани от положително заредени метални йони и отрицателно заредени халогени (NaCl, CsCl, CaF 2). Примери за I. до втория тип са карбонати, сулфати, фосфати и други метални соли, където са отрицателни. йони на киселинни остатъци, напр. CO 3 2-, SO 4 2-, се състоят от няколко. атоми. Формални йони, напр. Na +, Mg 2+, O 2- дори в най-типичния I.K., реално се оказва повече от реалния еф. заряд, който се определя чрез радиография, спектрални и други методи. Така например в NaCl еф. таксата за Na е прибл. +0,9 тя -елементарно електрическо заряд), а за Cl съответно -0,9 д.За MgF 2, CaC1 2, оценката на еф. анионни заряди води до стойности от прибл. -0,7 д,а за катиони - от +1,2 ддо +1,4 д.В силикатите и оксидите "двувалентният" O2- всъщност има заряд от -0,9 до -1,1 д.Така всъщност в мн.ч. I.C. връзката е йонно-ковалентна по природа. Колкото по-висок е делът на ковалентния компонент на връзката, толкова по-висока е прозрачността на I.K. За да се опише структурата на IK, са разработени подробни кристални химични системи. радиуси (виж Атомен радиус).Лит.:Модерен, том 2, М., 1979; Wells A., Структурна неорганична химия, прев. от английски, том 1, М., 1987. Б.К. Уайнщайн.
Физическа енциклопедия. В 5 тома. - М.: Съветска енциклопедия. Главен редактор А. М. Прохоров. 1988 .
Вижте какво е "ЙОННИ КРИСТАЛИ" в други речници:
ЙОННИ КРИСТАЛИ, кристали с йонни (електростатични) връзки (виж ЙОННА ВРЪЗКА) между атомите. Във възлите на кристалната решетка на йонните кристали се редуват йони с противоположен знак, в тях не могат да се разграничат отделни молекули... ... енциклопедичен речник
Кристална структура на натриев хлорид (каменна сол). Всеки атом има шест най-близки съседи, както в геометрията на октаедър. Този механизъм е известен като кубично плътно опаковане (CPU). Светлосиньо = Na+ Тъмнозелено = Cl Йонни кристали... ... Wikipedia
Кристали, в които кохезията на частиците се дължи предимно на йонни химични връзки (виж Йонно свързване). I. до се състои както от едноатомни, така и от многоатомни йони. Примери за I.C. са халогенни кристали... Велика съветска енциклопедия
ЙОННИ КРИСТАЛИ- кристали с преобладаващо йонен (електростатичен) характер на връзката между атомите... Палеомагнитология, петромагнетология и геология. Речник-справочник.
Кристален. във va, при което основно се дължи сцеплението между частиците. йонни връзки. Тъй като има непрекъснат преход между йонни и полярни ковалентни връзки, няма рязка граница между йонни и ковалентни кристали. Към йонен...... Химическа енциклопедия
- (твърди електролити) вещества, които имат висока йонна проводимост s в твърдо състояние, сравнима с проводимостта на течни електролити и разтопени соли (10 1 10 3 Ohm 1 cm 1). И.с. може да се раздели на 2 вида. 1) Йонни кристали, способни на... ... Физическа енциклопедия
- (от гръцки кристалос, първоначалното значение на лед), твърди тела с триизмерна периодичност. при. структура и при равновесни условия на образуване, имащи естествен. формата на правилни симетрични полиедри (фиг. 1). К. равновесие... ... Физическа енциклопедия
- (от гръцки кристал кристал; първоначално лед), твърди тела с триизмерна периодичност. атомна (или молекулярна) структура и при определени условия на образуване, притежаващи естествен. формата на правилни симетрични полиедри (фиг.... ... Химическа енциклопедия
- (от гръцки krystallos, буквално лед; планински кристал) твърди вещества, които имат подредено взаимно разположение на частиците от атоми, йони и молекули, които ги образуват. В една идеална квантова система частиците са разположени строго периодично в три измерения, образувайки т.нар.... ... Голям енциклопедичен политехнически речник
Дял от физиката, който изучава структурата и свойствата на твърдите тела. Научните данни за микроструктурата на твърдите тела и физичните и химичните свойства на съставните им атоми са необходими за разработването на нови материали и технически устройства. Физика... ... Енциклопедия на Collier
Книги
- Механика на електромагнитните континууми, Ж. Можен Книга от известен френски специалист, съчетаваща предимствата на учебник и въведение в съвременната област на съвременната механика. Той описва свойствата на електромагнитните...
Какво е йонна поляризация
Йонната поляризация се състои от изместване на йони във външно електрическо поле и деформация на електронни обвивки. Нека разгледаме кристал от тип $M^+X^-$. Кристалната решетка на такъв кристал може да се разглежда като две кубични решетки, едната от които е изградена от $M^+$ йони, другата от $X^-$ и те са вмъкнати една в друга. Нека насочим външното равномерно електрическо поле ($\overrightarrow(E)$) по оста Z, ще се измести в противоположни посоки на сегменти $\pm z$. Ако приемем, че $m_(\pm )(\omega )^2_0$ е квазиеластична сила, която връща йон с маса $m_(\pm )$ в равновесно положение, тогава силата ( $F_(upr) $), което е равно на:
В този случай електрическата сила ($F_e$), която действа върху йони от същата решетка, е равна на:
Условия на равновесие
В този случай условията на равновесие ще приемат формата:
За положителни йони:
За отрицателни йони:
В този случай общото относително изместване на йоните е равно на:
Йонната поляризация е равна на:
където $V_0$ е обемът на една молекула.
Ако вземем например структурата на $NaCl$, при която всеки йон е заобиколен от шест йона с противоположен знак, които се намират на разстояние a от него, получаваме:
и следователно, използвайки (5) и (6), получаваме, че:
Йонната поляризация се установява за много кратко време, приблизително $(10)^(-13)сек.$ Тя не води до разсейване на енергия и не причинява диелектрични загуби. При премахване на външното поле електронните обвивки се връщат в предишното си състояние.
Поляризацията на йонната решетка се описва с формула (9). В повечето случаи такава поляризация е анизотропна.
където $\left\langle \overrightarrow(p)\right\rangle $ е средната стойност на диполните моменти на йони, които са равни по големина, но противоположно насочени, $\overrightarrow(p_i)$ са диполните моменти на отделните йони. В изотропните диелектрици средните диполни моменти съвпадат по посока със силата на външното електрическо поле.
Сила на местното поле за кристали
Силата на местното поле ($\overrightarrow(E")\ или\ понякога\ \overrightarrow(E_(lok))\ $) за кубични кристали може да се изрази с формулите:
където $\overrightarrow(E)$ е средното макроскопично поле в диелектрика. Или:
Ако уравнение (10) е приложимо за изчисляване на локалното поле за кубични кристали, тогава формулата на Clausius-Mossotti може да се приложи към такива кристали:
където $\beta$ е поляризуемостта на молекулата, $n$ е концентрацията на молекулите.
Връзката между поляризуемостта ($\beta $) на една молекула и диелектричната чувствителност ($\varkappa$) за кубични кристали може да бъде дадена чрез израза:
Пример 1
Задание: Диелектричната проницаемост на кристала е $\varepsilon =2,8$. Колко пъти локалната сила ($\overrightarrow(E")$) на полето на кубичната система е по-голяма от средната макроскопична сила на полето в диелектрика ($E$)?
Като основа ще вземем формулата за изчисляване на местната сила на полето, а именно:
\[\overrightarrow(E")=\frac(\varepsilon +2)(3)\overrightarrow(E)\left(1.1\right).\]
Следователно, за желаното съотношение на опън можем да напишем, че:
\[\frac(E")(E)=\frac(\frac(\varepsilon +2)(3)E)(E)=\frac(\varepsilon +2)(3)\left(1.2\right) .\]
Нека направим изчисленията:
\[\frac(E")(E)=\frac(2,8+2)(3)=1,6.\]
Отговор: 1,6 пъти.
Пример 2
Задача: Определете поляризуемостта на въглеродните атоми в диаманта ($\beta $), ако диелектричната константа на диаманта е $\varepsilon =5,6$, а плътността му е $(\rho )_m=3,5\cdot (10)^3 \ frac(kg)(m^3.)$
Като основа за решаване на задачата приемаме уравнението на Клаузиус-Мосоти:
\[\frac(\varepsilon -1)(\varepsilon +2)=\frac(n\beta )(3)\left(2.1\right).\]
където концентрацията на частиците $n$ може да бъде изразена като:
където $(\rho )_m$ е масовата плътност на веществото, $\mu =14\cdot (10)^(-3)\frac(kg)(mol)$ е моларната маса на въглерода, $N_A= 6.02\cdot (10)^(23)mol^(-1)$ е константата на Авогадро.
Тогава израз (2.1) ще приеме формата:
\[\frac(\varepsilon -1)(\varepsilon +2)=\frac(\beta )(3)\frac((\rho )_mN_A)(\mu )\ \left(2.3\right).\]
От израз (2.3) изразяваме поляризуемостта $\beta $, получаваме:
\[\ \beta =\frac(3\mu (\varepsilon -1))((\rho )_mN_A(\varepsilon +2))\left(2.4\right).\]
Нека заместим наличните числени стойности и да извършим изчисленията:
\[\beta =\frac(3\cdot 14\cdot (10)^(-3)(5,6-1))(3,5\cdot (10)^3\cdot 6,02\cdot (10 )^(23)( 5,6+2))=\frac(193,2\cdot (10)^(-3))(160,132\cdot (10)^(26))=1,2\cdot (10)^(-29)m^3\]
Отговор: $\бета =1,2\cdot (10)^(-29)m^3$.
