Іони, у тому числі складаються іонні кристали, утримуються разом електростатичними силами. Тому структура кристалічних грат іонних кристалів повинна забезпечувати їх електричну нейтральність.
На рис. 3.24-3.27 схематично зображено найважливіші типи кристалічних решіток іонних кристалів та наведено докладні відомості про них. Кожному типу іонів в іонних ґратах відповідає своє власне координаційне число. Так, у кристалічній решітці хлориду цезію (рис. 3.24) кожен іон Cs+ оточений вісьма іонами Cl" і, отже, має координаційне число 8. Аналогічно кожен іон Cl- оточений вісьмома іонами Cs+, тобто теж має координаційне число 8. Тому вважається, що кристалічна решітка хлориду цезію має координацію 8:8.
Координація і тип кристалічної структури іонних решіток визначаються головним чином двома наступними факторами: ставленням числа катіонів до аніонів і ставленням радіусів катіонів і аніонів.
Г ранецентрована кубічна або октаедрична
Мал. 3.25. Кристалічна структура натрію хлориду (кам'яної солі).
Відношення числа катіонів до аніонів у кристалічних ґратах хлориду цезію (CsCl), хлориду натрію (NaCl) та цинкової обманки (сульфід цинку ZnS) дорівнює 1:1. Тому їх належать до стехіометричного типу AB. Флюорит (фторид кальцію CaF2) відноситься до стехіометричного типу AB2. Докладне обговорення стехіометрії проводиться у гол. 4.
Відношення іонного радіусу катіону (А) до іонного радіусу аніону (В) називається відношенням іонних радіусів rJrB. Загалом, що більше ставлення іонних радіусів, то більше вписувалося координаційне число решітки (табл. 3.8).
Таблиця 3.8. Залежність координації від відношення іонних радіусів
Координація Відношення іонних радіусів
Мал. 3.26. Кристалічна структура цинкової обманки.
Як правило, легше розглядати структуру іонних кристалів так, ніби вони складаються з двох частин – аніонної та катіонної. Наприклад, структуру хлориду цезію можна уявити складається з кубічної катіонної структури і кубічної аніонної структури. Разом вони утворюють дві взаємопроникні (вкладені) структури, що утворюють єдину об'ємноцентровану кубічну структуру (рис. 3.24). Структура типу хлориду натрію, або кам'яної солі, теж складається з двох кубічних структур-одної катіонної та іншої аніонної. Разом вони утворюють дві вкладені кубічні структури, що утворюють єдину гранецентровану кубічну структуру. Катіони та аніони у цій структурі мають октаедричне оточення з координацією 6:6 (рис. 3.25).
Структура типу цинкової обманки має гранецентровані кубічні грати(Рис. 3.26). Можна розглядати її таким чином, ніби катіони утворюють кубічну структуру, а аніони мають тетраедричні структури всередині куба. Але якщо розглядати аніони як кубічну структуру, то катіони мають у ній тетраедричне розташування.
Структура флюориту (рис. 3.27) відрізняється від розглянутих вище тим, що вона має стехіометричний тип AB2, а також два різні координаційні числа - 8 і 4. Кожен іон Ca2+ оточують вісім іонів F-, а кожен іон F- оточують чотири іони Ca2+ . Структуру флюориту можна уявити як гранецентрированную кубічну катіонну решітку, всередині якої є тетраедрическое розташування аніонів. Можна уявити її і по-іншому: як об'ємноцентровані кубічні грати, в яких катіони знаходяться в центрі кубічного осередку.
Гранецентрована кубічна та об'ємноцентрована кубічна
Усі розглянуті у цьому розділі сполуки передбачаються суто іонними. Іони у яких розглядаються як тверді сфери із суворо певними радіусами. Однак, як було зазначено у розд. 2.1, багато сполук мають частково іонний, а частково ковалентний характер. Внаслідок цього іонні з'єднання з помітно вираженим ковалентним характером не можуть повністю підкорятися загальним правилам, викладеним у цьому розділі.
Іонні кристали є сполуками з переважним іонним характером хімічного зв'язку, в основі якої лежить електростатична взаємодія між зарядженими іонами.Типовими представниками іонних кристалів є галогеніди лужних металів, наприклад, зі структурою типу NaCl і СaСl.
При утворенні кристалів типу кам'яної солі (NaCl) атоми галогенів (F, Сl, Вг, I), що мають велику спорідненість до електрона, захоплюють валентні електрони лужних металів (Li, Nа, К, Rb, I), що мають низькі іонізаційні потенціали, при цьому утворюються позитивні та негативні іони, електронні оболонки яких подібні до сферично симетричних заповнених s 2 p 6 -оболонок найближчих інертних газів (наприклад, оболонка N + подібна до оболонки Ne, а оболонка Сl - оболонці Аr). В результаті кулонівського тяжіння аніонів і катіонів відбувається перекриття шести зовнішніх р-орбіталей і утворюється грати типу NаСl, симетрія якої і координаційне число, що дорівнює 6, відповідають шести валентних зв'язків кожного атома зі своїми сусідами (Рис.3.4). Істотним є те, що при перекритті р-орбіталей має місце зниження номінальних зарядів (+1 для Nа і -1 для Сl) на іонах до невеликих реальних значень внаслідок зсуву електронної щільності у шести зв'язках від аніону до катіону, так що реальний заряд атомів у з'єднанні виявляється, наприклад, для Nа рівним +0,92е, а Сl- негативний заряд стає також менше -1 е.
Зниження номінальних зарядів атомів до реальних значень у сполуках свідчить про те, що навіть при взаємодії найбільш електронегативних електропозитивних елементів утворюються сполуки, в яких зв'язок не є чисто іонним.
Мал. 3.4. Іонний механізм утворення міжатомних зв'язків у структурах типуNaCl. Стрілки показують напрями зсуву електронної щільності
За описаним механізмом утворюються не тільки галогеніди лужних металів, але також нітриди, карбіди перехідних металів, більшість яких мають структуру типу NaCl.
У силу того, що іонний зв'язок ненаправлений, ненасичений, для іонних кристалів характерні великі координаційні числа. Основні особливості будови іонних кристалів добре описуються на основі принципу щільних упаковок із куль певних радіусів. Так, у структурі NаСl великі аніони Сl утворюють кубічну щільну упаковку, в якій заселені всі октаедричні порожнечі дрібнішими за розміром катіонами Na. Такі структури KCl, RbCl та багатьох інших сполук.
До іонних кристалів належать більшість діелектриків з високими значеннями питомого електричного опору. Електропровідність іонних кристалів при кімнатній температурі більш як на двадцять порядків менша від електропровідності металів. Електропровідність в іонних кристалах здійснюється переважно іонами. Більшість іонних кристалів прозорі у видимій галузі електромагнітного спектру.
В іонних кристалах тяжіння обумовлено головним чином кулонівською взаємодією між зарядженими іонами. - Крім тяжіння між різноіменно зарядженими іонами існує також відштовхування, зумовлене, з одного боку, відштовхуванням однойменних зарядів, з іншого - дією принципу заборони Паулі, оскільки кожен іон має стійкі електронні конфігурації інертних газів із заповненими оболонками. З погляду сказаного в простій моделі іонного кристала можна прийняти, що іони є жорсткими непроникними зарядженими сферами, хоча реально під дією електричних полів сусідніх іонів сферично-симетрична форма іонів в результаті поляризації дещо порушується.
В умовах, коли існують одночасно і сили тяжіння і сили відштовхування, стійкість іонних кристалів пояснюється тим, що відстань між різними зарядами менша, ніж між однойменними. Тому сили тяжіння переважають над силами відштовхування.
Знову, як і у випадку молекулярних кристалів, при розрахунку енергії зчеплення іонних кристалів можна виходити із звичайних класичних уявлень, вважаючи, що іони знаходяться у вузлах кристалічних грат (положеннях рівноваг), їхня кінетична енергія дуже мала і сили, що діють між іонами, є центральними .
З іонним (електростатичним) хар-ром зв'язку між атомами. І. до. можуть складатися як із одноатомних, так і багатоатомних іонів. Приклади І. до. першого типу - кристали галогенідів лужних та лужноземельних металів, утворені позитивно заряд. іонами металу та негативно зарядж. іонами галогену (NaCl, CsCl, CaF2). Приклади І. до. другого типу - нітрати, сульфати, фосфати та ін солі металів, де заперечують. іони кислотних залишків складаються з дек. атомів. До І. до. відносять також силікати, в яких брало кремнекисневі радикали SiO4 утворюють ланцюги, шари або тривимірний каркас, всередині радикалів атоми пов'язані ковалентним зв'язком (див. МІЖАТОМНЕ ВЗАЄМОДІЯ .
Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. . 1983 .
ІОННІ КРИСТАЛИ
Кристали з іонним характером зв'язку між атомами. І. до. можуть складатися як із одноатомних, так і багатоатомних іонів. Приклади І. до. першого типу - кристали галогенідів лужних та лужноземельних металів, утворені позитивно зарядженими іонами металу та негативно зарядженими попами галогену (NaCl, CsCl, CaF 2). Приклади І. до. другого типу - карбонати, сульфати, фосфати та ін солі металів, де заперечують. іони кислотних решток, напр. 3 2- , SO 4 2- складаються з дек. атомів. напр. Na + , Mg 2+ , O 2- , навіть найбільш типових І. до., насправді виявляється більше реального ефф. заряду, який визначають рентгенографія., спектральними та ін. методами. Так, наприклад, в NaCl ефф. заряд становить для Na бл. +0,9е (е - елементарний електрич. заряд), а для Сl відповідно -0,9е. Для MgF 2 СаС1 2 оцінка ефф. зарядів аніонів призводить до значень прибл. -0,7е, а для катіонів – від +1,2е елементарний електрич. заряд), а для Сl відповідно -0,9до +1,4 елементарний електрич. заряд), а для Сl відповідно -0,9У силікатах і оксидах "двохвалентний" Про 2 - насправді має заряд від -0,9 до -1,1 Т. о., фактично у мн. І. до. зв'язок має іонно-ковалентний характер. прозорість І. до. тим вища, що вища частка ковалентної складової зв'язку. Для опису структури І. до. розроблені детальні системи кристалохім. радіусів (див.Атомний радіус).Літ.: Сучасна, т. 2, М., 1979; Веллс А., Структурна неорганічна хімія, пров. з англ., т. 1, М., 1987. Би.
Вайнштейн.. Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. 1988 .
Головний редактор А. М. Прохоров
Дивитися що таке "ІОННІ КРИСТАЛИ" в інших словниках: ІОННІ КРИСТАЛИ, кристали з іонним (електростатичним) зв'язком (див. ІОННИЙ ЗВ'ЯЗОК) між атомами. У вузлах кристалічних ґрат іонних кристалів по черзі розташовуються іони протилежного знака, у яких не можна виділити окремі молекули, …
Енциклопедичний словник
Кристалічна структура натрію хлориду (кам'яної солі). Кожен атом має шість найближчих сусідів, як у геометрії октаедра. Цей механізм відомий як кубічна щільна упаковка (КПУ). Світлоблакитний = Na+ Темнозелений = Cl Іонні кристали… … Вікіпедія Кристали, у яких зчеплення частинок зумовлено переважно іонними хімічними зв'язками (див. Іонний зв'язок). І. до. можуть складатися як з одноатомних, так і багатоатомних іонів. Приклади І. до. першого типу кристали галогенідів.
ІОННІ КРИСТАЛИВелика Радянська Енциклопедія Палеомагнітологія, петромагнітологія та геологія. Словник-довідник.
Кристалліч. у ва, в яких зчеплення між частинками обумовлено переважно. іонними зв'язками. Оскільки між іонними та полярними ковалентними зв'язками існує безперервний перехід, немає різкої межі між І. до. та ковалентними кристалами. До іонних… … Хімічна енциклопедія
- (тверді електроліти) речовини, що мають у твердому стані високу іонну провідність s, порівнянну з провідністю рідких електролітів і розплавів солей (10 1 10 3 Ом 1 см 1). І. с. можна поділити на 2 типи. 1) Іонні кристали, здатні… Фізична енциклопедія
- (Від грец. krystallos, первісне значення лід), тверді тіла, що володіють тривимірною періодич. ат. структурою та, за рівноважних умов освіти, що мають єств. форму правильних симетричних багатогранників (рис. 1). К. рівноважне… … Фізична енциклопедія
- (Від грец. krystallos кристал; спочатку лід), тверді тіла, що володіють тривимірною періодич. атомною (або молекулярною) структурою та, за певних умов освіти, що мають природ. форму правильних симетричних багатогранників (рис. Хімічна енциклопедія
- (Від грецьк. krystallos, букв. лід; гірський кришталь) тверді тіла, що мають впорядковане взаємне розташування частинок атомів, іонів, молекул, що їх утворюють. В ідеальному До. частинки розташовуються строго періодично в трьох вимірах, утворюючи т.з. Великий енциклопедичний політехнічний словник
Розділ фізики, що вивчає структуру та властивості твердих тіл. Наукові дані про мікроструктуру твердих речовин і про фізичні і хімічні властивості атомів, що їх складають, необхідні для розробки нових матеріалів і технічних пристроїв. Фізика… … Енциклопедія Кольєра
Книги
- Механіка електромагнітних суцільних середовищ, Можен Ж.. Книга відомого французького фахівця, що поєднує в собі переваги навчального посібника та введення в актуальну галузь сучасної механіки. У ній описуються властивості електромагнітних...
Що таке іонна поляризація
Іонна поляризація полягає у зміщенні іонів у зовнішньому електричному полі та деформацією електронних оболонок при цьому. Розглянемо кристал типу $M^+X^-$. Кристалічні грати такого кристала можна розглянути як дві кубічні решітки, одна з яких побудовані з іонів $M^+$, інша з - $X^-$ і вони вставлені одна в іншу. Направимо зовнішнє однорідне електричне поле ($\overrightarrow(E)$) вздовж осі Z. Іонні грати змістяться в протилежні сторони на відрізки $\pm z$. Якщо ми приймемо, що $m_(\pm )(\omega )^2_0$ -- квазіпружна сила, яка повертає іон з масою $m_(\pm )$ в положення рівноваги, то на $N$ іонів решітки буде діяти сила ( $F_(upr)$), яка дорівнює:
При цьому електрична сила ($F_e$), яка діє на іони тієї ж ґрати, дорівнює:
Умови рівноваги
У такому разі умови рівноваги набудуть вигляду:
Для позитивних іонів:
Для негативних іонів:
У такому випадку повне відносне усунення іонів одно:
Іонна поляризація дорівнює:
де $ V_0 $ - обсяг однієї молекули.
Якщо взяти, наприклад, структуру $NaCl$, в якій кожен іон оточений шістьма іонами протилежного знака, які розташовані від нього на відстані a, то отримаємо:
і, отже, використовуючи (5) і (6), отримаємо, що:
Іонна поляризація встановлюється за дуже короткий час приблизно $(10)^(-13)сек.$ Вона не призводить до розсіювання енергії, не викликає діелектричних втрат. При знятті зовнішнього поля електронні оболонки повертаються в колишній стан.
Іонна решітка поляризації описується формулою (9). Найчастіше така поляризація є анізотропною.
де $ \ left \ langle \ overrightarrow (p) \ right \ rangle $ - Середнє значення дипольних моментів іонів, які рівні по модулю, але різноспрямовані, $ \ overrightarrow (p_i) $ - дипольні моменти окремих іонів. В ізотропних діелектриках середні дипольні моменти збігаються в напрямку напруженості зовнішнього електричного поля.
Напруженість локального поля для кристалів
Напруженість локального поля ($\overrightarrow(E")\ або\ іноді\ \overrightarrow(E_(lok))\ $) для кристалів кубічної сингонії можна виразити формулами:
де $\overrightarrow(E)$- середнє макроскопічне поле в діелектриці. Або:
Якщо для кристалів кубічної сингонії можна застосувати рівняння (10) для обчислення локального поля, то до таких кристалів можна застосувати формулу Клаузіуса - Моссотті:
де $ \ beta $ - Поляризується молекули, $ n $ - концентрація молекул.
Зв'язок поляризуемості ($\beta$) молекули та діелектричної сприйнятливості ($\varkappa$) для кристалів кубічної сингонії можна задати виразом:
Приклад 1
Завдання: Діелектрична проникність кристала дорівнює $ \ Varepsilon = 2,8 $. У скільки разів локальна напруженість ($\overrightarrow(E")$) поля кубічної сингонії більша за напруженість середнього макроскопічного поля в діелектриці ($E$)?
За основу приймемо формулу для розрахунку локальної напруженості поля, а саме:
\[\overrightarrow(E")=\frac(\varepsilon +2)(3)\overrightarrow(E)\left(1.1\right).\]
Отже, для шуканого відношення напруженостей можна записати, що:
\[\frac(E")(E)=\frac(\frac(\varepsilon +2)(3)E)(E)=\frac(\varepsilon +2)(3)\left(1.2\right) .\]
Проведемо обчислення:
\[\frac(E")(E)=\frac(2,8+2)(3)=1,6.\]
Відповідь: у 1,6 разів.
Приклад 2
Завдання: Визначте поляризуемість атомів вуглецю в алмазі ($\beta $), якщо діелектрична проникність алмазу дорівнює $\varepsilon =5,6$, а його щільність $(\rho )_m=3,5\cdot (10)^3\ frac(кг)(м^3.)$
Як основу для вирішення задачі приймемо рівняння Клаузіуса - Моссотті:
\[\frac(\varepsilon -1)(\varepsilon +2)=\frac(n\beta )(3)\left(2.1\right).\]
де концентрація частинок $n$ може бути виражена як:
де $(\rho )_m$ щільність маси речовини, $\mu =14\cdot (10)^(-3)\frac(кг)(моль)$ -- молярна маса вуглецю, $N_A=6,02\cdot (10) ^ (23) моль ^ (-1) $ - постійна Авогадро.
Тоді вираз (2.1) набуде вигляду:
\[\frac(\varepsilon -1)(\varepsilon +2)=\frac(\beta )(3)\frac((\rho )_mN_A)(\mu )\ \left(2.3\right).\]
З вираз (2.3) висловимо поляризацію $ \ beta $, отримаємо:
\[\ \beta =\frac(3\mu (\varepsilon -1))((\rho )_mN_A(\varepsilon +2))\left(2.4\right).\]
Підставимо наявні чисельні значення, проведемо обчислення:
\[\beta =\frac(3\cdot 14\cdot (10)^(-3)(5,6-1))(3,5\cdot (10)^3\cdot 6,02\cdot (10 )^(23)(5,6+2))=\frac(193,2\cdot (10)^(-3))(160,132\cdot (10)^(26))=1,2\cdot ( 10) ^ (-29) м ^ 3 \]
Відповідь: $ \ beta = 1,2 \ cdot (10) ^ (-29) м ^ 3 $.
